一种MMR制冷器的实验验证与性能分析

　　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。

　　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。