王田刚 孙述泽 闫春杰 霍英杰 许国太

(兰州物理研究所真空低温技术与物理重点实验室 兰州 730000)

一种MMR制冷器的实验验证与性能分析

王田刚 孙述泽 闫春杰 霍英杰 许国太

(兰州物理研究所真空低温技术与物理重点实验室 兰州 730000)

针对一种MMR制冷器开展了实验验证与性能分析，阐述了MMR的工作机理、并针对具体实验结果给予分析，讨论了影响制冷器性能的诸多因素，得到工质的工作压力对制冷器的性能影响显著。提出研制MMR制冷器原理型样机的设计与实施方案，对设计的新的节流制冷器进行了实验研究，对比分析了两种节流制冷器之间的性能差距原因。

MMR制冷器 实验 性能分析

1 引言

MMR(Microminiature J-T Refrigerator)是一种制作工艺新颖独特的微型节流制冷器［1-2］。与传统节流制冷器相比，MMR具有结构简单、使用方便、体积和质量小、无运动部件、无振动、易与电子器件集成化、易批量生产等诸多特点。作为一种方便可靠的冷源，可广泛应用于工业和实验研究中，例如:红外探测器的温度试验，冷却CCD阵列，红外光谱仪试件冷却，扫描式电子显微镜试件冷却，集成电路冷却和温度稳定性控制，微型冷泵，生物组织的冷冻干燥［2］。图1和图2分别为MMR节流制冷器和MMR制冷系统组成图。

国外主要从事MMR制冷器研制的国家主要是美国和日本，经过长期的积累和实验以及投入，其工程化产品早已问世。因其对加工、制造、封装等技术精度要求很高，国内目前还没有完全掌握MMR制冷器的技术。

图1 MMR制冷器Fig.1 Microminiature J-T Refrigerator

图2 MMR制冷系统组成图Fig.2 System of MMR

2 结构特性与工作机理

MMR微型节流制冷器通常采用平板式结构，即构成制冷器的换热器、节流装置均以微槽道的形式加工于平板上，同时利用封装技术，实现板间的密封，使高压气体在密闭腔体内流动，利用实际气体的焦耳—汤姆逊原理产生制冷效应［3］。该种节流制冷器采用二次膨胀方法来获得低温，大部分高压气体经第一次膨胀后返流进入换热器，预冷进口的气体，而剩余部分气体在膨胀腔中继续膨胀，经二次膨胀后进入换热器，经过换热后由排气口排出［4］。

MMR制冷器采用开式节流制冷系统，即采用高压气源为工质，经过节流、换热后的气体直接排出，不回收，没有气体压缩机，不形成气体流动通道的闭环。一般情况下，典型的开式节流制冷系统主要有高压气源、制冷器、纯化装置和真空系统等构成。与闭式节流装置相比，它具有结构更加简单、使用方便的特点，但是在实验中需要有高压气源作为制冷工质。

3 实验验证

3.1 系统组成

针对一种MMR节流制冷器，本实验室搭建了相应的实验验证系统，主要构成有高压氮气源、高压

调节阀、纯化器、MMR微型节流制冷器、控制器、流量计、真空设备等，基本参数如下。

气源:高纯氮气(纯度＞99.99%);高压调压阀:出气调压范围(最大输出压力13 MPa);干燥过滤器:物理吸附型小型干燥过滤器;流量监测:浮子型流量计;温度测量:Pt100型铂电阻、数字表(最低温度监测30 K);真空泵:涡轮分子泵机组(真空室内真空度可达1×10-3Pa)。

其中实验用的MMR微型制冷器为XXX-3型，其基本参数为:气体工质:高纯氮气(经过滤器过滤后纯度达到99.998%);工作温度范围:80—580 K;温度稳定度:≤±0.05 K/30 min;制冷量:250 mW/85 K;制冷器带真空室质量:312 g;真空系统:优于1×10-1Pa;标准工作压力:12.2 MPa，最低不小于7.5 MPa。

图3为该MMR微型节流制冷系统实物图。

图3 微型节流制冷系统实物图Fig.3 System of XXX-3 MMR

3.2 不同工作压力下的降温实验

在实验中选取了高纯氮气作为制冷工质，受到气源压力和制冷器耐压的影响，选取工业用普通高纯气(纯度大于99.999%)作为高压气源。氮气的稳定性和安全性好，且在常温下可以直接节流降温［5］，可以不需要预冷。通过交接减压阀门来调节进入制冷器的压力，通过热电阻和浮子流量计来检测制冷温度和定性的判断流量。在试验中选取9.8、9.5、8.8 MPa的不同压力进行试验，图4为不同压力下的降温曲线。

图4 不同压力下的降温实验Fig.4 Expriment on different pressure

从图4中可以明显的看出，压力与降温时间存在明显的关联，工作压力越大，降温的时间越短。在实验中发现，在降温到77 K左右时，由于浮子跳动特别厉害，浮子流量计已无法检测流量，主要原因是在达到该温度是工质中部分氮气液化变成液体，而造成流量的突变。

在回温的过程中，为了防止微小槽道因剧烈的热胀冷缩下发生变形甚至失效，要求在回温时仍保持真空环境，在回温时检测温度与真空度的关系时，发现得到在235 K左右真空度会突然变坏，其原因可能是吸附在真空腔体内表面的CO2脱附出来。图5为回温时真空度与温度之间的曲线。

图5 真空度与温度关系曲线Fig.5 Curve between vacuum value and temperature

3.3 影响制冷器性能的主要因素与分析

微型节流制冷器MMR是利用实际气体的焦耳-汤姆逊效应工作的，其影响其工作的因素较多，主要有:工质种类、气体压力、工作环境等。由于其气流槽道微小，因此在工作中通常要求工质纯度大于99.99%，以免在工作中发生冰堵现象。节流制冷由于其效率较低，冷量更显其珍贵，因此，漏热损失是所需考虑的重要因素。在MMR节流制冷器工作时，其中漏热损失主要有:

(1)轴向导热损失:由于换热器流道和节流元件尺寸小、壁厚较薄，但是由于流道展开尺寸长，其中气体在流道中流动和换热情况复杂，很难计算器具体数值。通常都是采用玻璃等低导热材料来降低该项损失。

(2)辐射损失:由于MMR节流制冷器的表面温度不同，因此其辐射量的精确计算也比较难以计算，在真空腔体内表面镀银可以有效的降低辐射损失。

(3)其它损失:气体流经流道的不可逆损失和接触热阻损失，以及制冷器与真空腔体连接部分的导热损失也是其重要的组成部分。在槽道的设计中应该避免锐角，槽道之间尽量采用圆弧过渡，避免气体在流动过程中造成不必要的压降。

4 MMR原理性样机的设计与制造方法

微型节流制冷器MMR的加工技术比较复杂，加工难度较大，主要涉及到微加工技术以及封装技术。为了验证制冷系统可行性方案，采用在不锈钢基底上用电火花刻蚀微型槽道以及在玻璃基底上用激光刻蚀技术来验证加工的可行性，以及采用激光焊接于粘接技术验证封装工艺的可行性。通过实验发现，在玻璃基底上刻蚀的槽道封装技术比较困难，由于槽道微小采用粘接等封装工艺后容易造成槽道堵。图6、图7为在不锈钢基底和玻璃基底的刻蚀的槽道。

采用不锈钢基底材料的槽道经过封装后，搭建了完整的测试系统，图8为制冷器的本体与真空腔体部分的剖面图。

与前面的实验类似，实验中进行了不同压力的降温实验，发现实现了基本的制冷效果，图9为测试结果。

图6 不锈钢基底材料的槽道Fig.6 Micro-groove on stainless steel

图7 玻璃基底材料的槽道Fig.7 Micro-groove on glass

图8 节流制冷器的剖面图Fig.8 Cutaway view of stainless steel MMR

对比XXX-3型节流制冷器的降温曲线，可以发现:在不锈钢基底材料的降温速率明显慢于XXX-3型节流制冷器，主要原因是:不锈钢材料的导热系数大于玻璃材料，因此造成的传导漏热远大于采用玻璃基底;与XXX-3型相比，由于受到国内微型槽道加工水平的封装工艺的水平的限制，该节流器的槽道尺寸远大于XXX-3型，因此造成节流效率偏低，损失较明显，接触漏热损失严重;在实验中采用的压力也小于XXX-3型，因此在实验中也造成该节流器的最低温度小于XXX-3型。

图9 不同压力下的降温曲线Fig.9 Expriment on different pressure

5 总结

通过实验验证了微型节流制冷器的功能的实现，验证了加工以及封装工艺的可行性，但是限于微型加工技术以及封装的困难，实验的效果并不理想，但是为进一步设计、加工、封装提供了新的思路与支持。从试验中可以明显看出，节流槽道的尺寸和状态与制冷效果关系密切，在微型节流制冷器的设计与加工中，微槽道的加工与封装技术直接影响着制冷器的性能。由于节流槽道和换热槽道的尺寸很小，制冷器的加工与微加工技术关系密切。并且对于微型节流制冷器而言，由于冷量小，应尽量减小漏热，防止冷量的损失。

1 王田刚.MEMS微制冷器MMR技术研究［D］.兰州:兰州物理所，2006.

2 陈国邦汤 珂.小型低温制冷机原理［M］.北京:科学出版社，2010.

3 Yong-Ju，Seong-Je.Cool-down characteristics of a miniature Joule-Thomson refrigerator［J］.Cryogenics，2005，46:391-395.

4 Xue H，Ng K C，Wang J B.Performance evaluation of recuperative heat exchanger in a miniature Joule-Thomson cooler［J］.Applied Thermal Engineering，2001.

5 Little W A.Recent development in Joule-Thomson cooling gases，coolers and compressors［C］.Proc of 5thInternational Cryocooler Conferce，1988.

Performance evaluation and experiment on a Miniature Joule-Thomson cooler

Wang Tiangang Sun Shuze Yan Chunjie Huo Yingjie Xuo Guotai

(Science and Technology on Vacuum ＆Cryogenics Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

Research on experiment verification and performance analysis of a miniature Joule-Thomson cooler(MMR)was conducted，working principle was described and experiment result was analyzed.It is found that the performance of MMR was affected by many factors，while the working pressure of refrigerant had significant effect on performance of the cooler.The design and implementing scheme of developing theoretical sample of MMR were put forward;the newly designed throttling refrigerator was studied by experiments and the cause of difference between two throttling refrigerators was analyzed.

miniature Joule-Thomson cooler;experimental data;performance evaluation

TB657

A

1000-6516(2011)05-0061-04

2011-04-20;

2011-09-26

中国航天科技集团公司创新基金YJT0202项目支持。

王田刚，男，34岁，硕士，工程师。