[发明专利]一种基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞的方法

说明书

本发明提出的一种基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞的方法，首先根据微型节流低温制冷机的工况，确定成冰的形态和温度，基于该成冰的形态、温度以及吸收谱线对应的峰值，选择最佳电磁波波长；随后利用电磁波输入功率预测模型估算最佳波长对应的电磁波输入功率初始值；最后利用能产生所述最佳波长的激光器，垂直于制冷机节流阀通道方向发射功率为W的电磁波，以此消除制冷机节流阀通道内的结冰。进一步地，还包括通过监测制冷机质量流量的变化来以最小电磁波输入功率抑制微型节流低温制冷机的阻塞。本发明可在加热冰而不整体加热微型节流低温制冷机冷端的前提下，去除节流阀内冰的同时保持微型节流低温制冷机连续低温运行。

技术领域

本发明属于微型节流制冷器技术领域，尤其涉及一种基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞的方法。

背景技术

微型低温制冷技术在国防军事、科学研究、电子通讯和生物医疗等重要领域的作用日益凸显，例如，导弹跟踪设备中的红外探测器、射电望远镜中的低噪音放大器、移动通信系统中的超导滤波器、生物磁信号检测仪中的超导体量子干涉仪等均需要在低温环境中运行。这类低温电子器件在运行时仅释放很少的热量，一般在几毫瓦至几百毫瓦范围内。因此，要实现这类低温电子器件的有效匹配制冷，就需要研发与其在尺寸和制冷量两方面都相匹配的微小型低温制冷机。基于微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)技术的微型节流低温制冷机正是诞生于这样应用背景之下，因其具有结构紧凑、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，在微型低温制冷领域受到越来越多的关注。MEMS技术为制冷机的微型化开辟了新的方向，但基于MEMS技术的微型节流低温制冷机的广泛应用仍面临许多挑战，其中之一是微型节流低温制冷机的长期运行受限于工质中痕量的杂质在制冷机内凝华沉积导致其阻塞的影响。阻塞问题限制了微型节流低温制冷机的应用领域，因此，该问题是微型低温制冷领域亟待解决的关键问题。

研究发现，制冷温度在液氮温区以上的微型节流低温制冷机的阻塞问题主要是工质中痕量水造成的，虽然可利用过滤器去除微型节流低温制冷机工质中大部分水，但残留在工质中的痕量水(ppb-ppm量级)仍然会造成微型节流低温制冷机的阻塞，从而影响制冷机性能。之前的研究认为，工作介质中的痕量水首先在制冷机换热器内逐渐凝华沉积形成冰晶，而后由于流动工作介质的冲击力，形成的冰晶与制冷机换热器内壁脱离，并随工作介质流至节流阀，从而阻塞节流阀。基于此阻塞机理，研究人员试图通过在换热器内添加冰晶过滤层的方法来延长制冷机连续运行时间(Lerou,P.,2012.Micro-coolingdevice.European Patent,EP2444769A1.)。然而，本申请人借助于显微观测并结合理论分析，揭示了微型节流制冷机阻塞是由痕量水在节流阀内直接凝华沉积引起(Cao,H.S.,Vanapalli,S.,Holland,H.J.,Vermeer,C.H.,ter Brake,H.J.M,2013.Clogging inmicromachined Joule-Thomson coolers:Mechanism and preventive measures.AppliedPhysics Letters 103,034107.)。因此，在换热器内添加冰晶过滤层，不能阻止杂质水分子在节流阀内直接凝华沉积。目前，解决阻塞主要通过整体加热制冷机的冷端，使造成节流阀阻塞的冰经升华以达到去除的目的，从而恢复节流阀的通道尺度和微型节流低温制冷机的质量流量，这种解决阻塞的缺点是无法满足微型节流低温制冷机连续低温运行的要求。

发明内容

针对上述现有现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种选择性加热去除造成阻塞的冰，而不整体加热制冷机的冷端的方法。本发明利用微型节流低温制冷机的材料(例如玻璃、硅等)与冰对近/中红外波段电磁波吸收度的不同，利用该波段特定波长的电磁波的光热效应，加热冰而不整体加热微型节流低温制冷机冷端的方法，去除节流阀内冰的同时保持微型节流低温制冷机连续低温运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞的方法，其特征在于，包括以下步骤：