线性压缩机驱动的混合工质微型节流制冷机

曹海山 孟庆航 童 欣 刘碧强 王晓涛

(1 清华大学能源与动力工程系 北京 100084；2 昆明物理研究所 昆明 650223；3 中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

很多电子器件在低温环境下工作都具有更优的性能，例如在低温环境下应用于航空航天的红外探测器具有更高的灵敏度、射电望远镜中的低噪音放大器具有更高的信噪比、移动通信系统中的滤波器有更大的带宽。此外，对于超导体电子器件而言，目前只有在低温环境下才能正常工作。该类低温电子器件通常不仅尺寸较小，而且在运行时释放的热量也很少，一般在几毫瓦至几百毫瓦范围内。若要实现该类低温电子器件的有效匹配制冷，则需要研发与其在尺寸和制冷量两方面均相匹配的微小型低温制冷机。微型节流制冷机诞生于该应用背景下，因具有结构紧凑、无振动、无电磁干扰且可与被冷却电子器件实现完美耦合等优点，在低温制冷领域受到越来越多的关注[1]。

洪朝生[2]曾指出：“制冷技术小型化应用在科学仪器、医学设备、电磁探测等方面虽已有了一定的发展，但拓宽应用领域则受到小型制冷技术落后的牵制。”近年来关于节流制冷机微型化的研究虽有较大进展，但微型节流制冷机的广泛应用仍面临许多挑战，其中之一就是如何提供该类型制冷机运行时所需要的高压气源。现阶段，纯工质微型节流制冷机所需要的高压气源还主要依靠体积相对庞大的气瓶提供。该开式制冷系统整体体积庞大，在很大程度上限制了微型节流制冷机的大规模应用。

为了拓展微型节流制冷的应用领域，紧凑的闭式节流制冷系统受到越来越多的关注。王昂等[3]利用油润滑转子式微型压缩机驱动工质为氮气/甲烷/乙烷/丙烷/丁烷/戊烷六元混合物的微型节流制冷机，该制冷机的微通道换热器通过3D打印技术制作，实现了0.1 MPa至1.6～1.7 MPa的压比，获得了230 K的冷端温度。但由于微型节流制冷机的质量流量未达到预期值、换热器效率低等原因，冷端温度高于六元混合物在0.1 MPa的泡点温度。此外，油润滑微型压缩机也仍存在诸多问题。首先，压缩机中的润滑油与混合工质的选择性溶解造成了制冷机运行时混合工质的摩尔浓度变化[4-5]，从而影响制冷机的运行效果[6]；其次，低温条件下润滑油的凝固会造成节流阀阻塞，也缩短了制冷机的运行时间[7]。

因润滑油的不利影响，国内外开展了对无油机械式压缩机的研究，如压电压缩机[8-11]、线性压缩机[12-15]、涡旋压缩机[16-18]。现阶段压电压缩机尚处于研究阶段，由于受到隔膜性能的限制，实现可靠性高的压电压缩机还存在困难，目前鲜有压电压缩机驱动的节流制冷系统的文献报道。相比压电压缩机，线性压缩机和涡旋压缩机的发展相对成熟。R.Lewis等[19-20]通过单向阀将斯特林制冷压缩机改装，用于驱动工质为甲烷/乙烷/乙烯/异丁烷/异己烷五元混合物的微型节流制冷机，该制冷机通过微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)技术和传统加工技术相结合的方式制作，实现了0.1 MPa至0.4 MPa的压比，获得了200 K的冷端温度。P.Champagne等[11]通过单向阀将脉冲管制冷压缩机改装，用于驱动混合工质节流制冷机。在压缩机性能测试阶段，该压缩机可将氮气由0.34 MPa 压缩至2.41 MPa，初步热力学分析表明，该压缩机可用于驱动混合工质实现150 K的制冷温度，并可获得与斯特林或脉冲管制冷机相当的效率[21]。J.H.Derking等[12]采用线性压缩机驱动工质为甲烷/乙烷/异丁烷三元混合物的微型节流制冷机，该制冷机的整机(包括换热器、节流阀和蒸发器)通过MEMS技术制作，实现了0.13 MPa至0.94 MPa的压比，该微型节流制冷机的质量流量为1.35 mg/s，可降温至130 K，在150 K时的冷量为46 mW。刘少帅等[14]采用单向阀组与线性压缩机结合，用于驱动预冷型液氦温区节流制冷机。在稳定工况下，压缩机进出口压力分别为0.07 MPa和0.26 MPa，输入功率为34 W，在约10 K预冷温度条件下，制冷机的质量流量为5.8 mg/s，并在4.09 K获得了10.8 mW的制冷量。Shen Yunwei等[16]采用无油浮动涡旋压缩机驱动预冷型液氦温区节流制冷机，该压缩机可在9.61的压比下稳定工作，其所驱动的节流制冷机在预冷温度为18 K条件下可以在4.5 K获得23.9 mW制冷量，验证了无油浮动涡旋压缩机驱动节流制冷机的可行性。

本文将Hampson型微型节流制冷机与线性压缩机相集成，形成闭式低温节流制冷系统，工质采用摩尔浓度为39%甲烷/20%乙烷/41%异丁烷三元混合物[12]，研究制冷机在不同工况条件下的降温性能。

1 制冷机测试系统

图1所示为基于多元混合工质的闭式节流制冷机的性能测试系统。该系统主要包括三个部分：制冷系统、测量系统以及真空系统。制冷系统主要由微型节流制冷机、压缩机、后冷却器和过滤器等组成；测量系统主要由质量流量计、压力传感器、温度传感器和数据采集系统等组成，其中质量流量计误差为±0.2 mg/s，高低压侧的压力传感器误差分别为±0.02 MPa和±0.002 MPa，温度传感器(Pt1000)误差为±1 K；真空系统主要由真空腔体(真空压力<1×10-4Pa)、真空分子泵和真空计等组成。

图1 闭式低温节流制冷机性能测量装置

该系统的高压气体由水冷式串联线性压缩机组提供，经过滤器后高压气体中的水分摩尔浓度降至1×10-9～1×10-6级。然后，高压气体流经置于真空腔体中的微型制冷机，发生节流过程并以低压状态流出微型制冷机，最终经质量流量计后返回压缩机，完成整个循环。水冷式串联线性压缩机组如图2所示，该机组由两台压缩机和两台水冷后冷却器组成，混合工质由制冷机性能测量装置低压侧管路进口进入压缩机组，依次经过压缩机I、后冷却器I、压缩机II和后冷却器II，经出口流出进入制冷机性能测量装置高压侧管路。压缩机采用Wisemotion线性压缩机，尺寸为160 mm×310 mm × 115 mm，质量为5.3 kg，Wisemotion线性压缩机无需润滑油，而是利用制冷剂实现冷却和润滑系统中摩擦点的作用。相比有油压缩机，无油线性压缩机避免了因润滑油而造成的混合工质浓度变化和节流阀阻塞问题。压缩机采用可编程交流变频电源驱动，电源的输出电压、频率和电流误差分别为±0.01 V、±0.01 Hz和±0.001 A。水冷后冷却器采用板式换热器，该板式换热器由6层换热片构成，总传热面积为0.06 m2。

混合工质路径； 冷却水路径

微型节流制冷机采用不锈钢材质Hampson型JT制冷机(如图3所示)[22]，该制冷机的结构尺寸如下：内芯筒，内径8.6 mm，外径8.9 mm；肋片管，光管外径0.5 mm，内径0.3 mm，肋片高度0.25 mm，肋片厚度0.1 mm，肋间距0.12 mm，长度2 m；节流孔，内径0.10～0.15 mm，外径1.0 mm，长度0.3 mm；壳体，内径11.4 mm，外径12.0 mm。

图3 Hampson型JT制冷机

2 实验结果与分析

表1 水冷式串联线性压缩机组运行参数

图4 工况I和工况II条件下制冷机性能

图5 工况III和工况IV条件下制冷机性能

3 结论

本文研究了一种由微型节流制冷机和线性压缩机组成的闭式制冷系统。该系统采用摩尔浓度为39%甲烷/20%乙烷/41%异丁烷的混合物作为工质，在不同压力工况下运行。实验研究了制冷机在不同工况条件下的降温性能，得到如下结论：

1)制冷机在0.10～1.77 MPa和0.14～1.90 MPa压力条件下均可实现165 K的制冷温度，在0.36～1.73 MPa和0.18～1.36 MPa压力下运行均可实现198 K的制冷温度，但实现相同制冷温度的等温压缩效率不同，即在给定微型节流制冷机的条件下，可通过调节两压缩机的频率优化水冷式串联线性压缩机组的压缩效率。

2)165 K和198 K的制冷温度均未达到该混合物运行工况下低压侧的泡点温度，可能的原因包括：(1)制冷机的换热器效率不足；(2)混合工质的循环组分与充注组分存在差异；(3)总制冷量不足，漏热损失过大。后续工作将围绕上述三点开展。

本研究成果将有助于发展成熟的闭式微型低温制冷技术，助力低温电子器件在众多前沿科技领域的应用。