芯片级节流制冷器换热器结构多目标优化研究

芯片级节流制冷器换热器结构多目标优化研究

蔡晓君

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摘要：近年来，芯片行业发展迅速，小型化和集成化成为主要发展趋势，广泛应用于生物、光学和IT等领域。随着芯片体积的缩小，适配的制冷系统也需相应缩小。芯片级节流制冷器的体积比常规节流制冷器小一个数量级左右，最早由美国斯坦福大学于20世纪70年代发明。首次采用了微加工技术，在材料表面加工出微米级的细微槽道，构成了高、低压换热器以及节流区域，并采用键合工艺进行组装密封。基于此，对芯片级节流制冷器换热器结构多目标优化进行研究，仅供参考。

关键词：芯片级节流制冷器；换热器；数值模拟；多目优化遗传算法

引言

由于红外感应部件可以在特定低温环境下正常工作，减少热噪声，提高灵敏度和分辨率，冰箱节气门经常被用于为探测器提供稳定的低温源。随着技术的发展，红外探测系统变得更小、更便宜。微型节气门冰箱的研究始于20世纪50年代。微型节气门冰箱由高压气罐、再生器和节流阀组成，再生器的主要形式是带有双螺旋肋的管子。由于再生器的结构有限，传统节流冰箱的小型化受到严格限制。微通道刻蚀技术得到普及和应用后，节流冰箱正在发展成超小型，这是解决冰箱节流阀小型化问题的有效方法。

1热电器件

(thermoelectricgenerator，TEG)热电材料的Zebec效应可用于热能直接转化为电能。热电站具有运行可靠、无污染、安全稳定等诸多优点。它广泛应用于太阳能、航空航天、余热回收利用等许多能源领域。栋然而，目前，基于碲化铋的商用热电站的能量转换效率只有最高的10%左右，大量热能仍未回收，并及时用于热电站过程中，利用余热发电。此外，由于热电站依靠冷端和热端之间的温差来输出电能，当热源停止供应热量时，热电站的电能输出也随着温差的减小而减小。因此，如何启用利用商用热电站的热电发电系统，在制冷期间产生更多的电能，成为一个亟待解决的问题。

2MMR的选材以及刻蚀工艺

MMR小型化的实现基于微处理技术。Terry首先提出使用微刻蚀工艺蚀刻硅片的气体通道制造微型气体色谱设备，然后Little[4]在此基础上在芯片级设计和制造了MMR节流冰箱。冰箱的出发物质是Si晶片。制造过程是先在硅片上涂上口罩层，暴露要蚀刻的部分通道，剩下的部分用口罩覆盖。佛山(HF)用于蚀刻，蚀刻完成后口罩将被移除。施英用正静电键连接硅晶片，形成具有密封气体路径的冰箱。制造方法首次实现冰箱小型化，Si板大大降低了制造和加工的复杂性，与有利于冰箱大规模生产的施英易于加工、加工。但是，在这个生产过程中，CO2和乙烯可以用作制冷剂，但N2不起作用，因为si片易碎，高压通道和低压通道之间的隔板无法承受N2所需的高压。另外，si的热导率太好了(比SHIING高约1000倍)，冰箱的轴向热泄漏严重，无法达到低温。冰箱是由施英的碎片和正静电结合而成的Xi片。施英和Si的热膨胀系数不同。因此，除了操作过程中高压气源的压力外，冰箱还必须承受高温负荷，因此冰箱的可靠性下降。

3MMR换热器的计算模型及数值模拟方法

计算模型物性参数和边界条件设置为：高、低压侧换热器流体均采用氮气作为工质，物性在Refprop中查取，换热器中流动计算过程按照工质物性恒定进行；高压侧换热器进口氮气设置为300K以及8MPa，低压侧换热器进口氮气按中波红外探测器的典型工作温度97K以及压力0.6MPa进行设置；因模型大小会随自变量结构参数改变，计算模型进口处采用速度进口边界条件以保证在模型变换时进口雷诺数Re变化不大，高压侧换热器进口速度为0.57m/s，低压侧换热器进口速度为0.9m/s；模型出口采用背压为0的压力出口边界条件；高压侧换热器采用上接触面和柱体表面定壁温，低压侧换热器采用下接触面和柱体表面定壁温边界条件，以模拟实际MMR工作时高、低压侧换热器通过中间制冷器片进行导热换热的状态；壁温与流体温差设置为5K，即高压侧换热壁面为295K，低压侧换热壁面为102K，其余壁面均按绝热面处理；所有壁面均设置为无滑移标准壁面函数，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，动量和能量方程均为二阶迎风格式，各项残差均设置为1×10-6。采用以上边界条件计算得到的高压侧换热器中部平面温度分布云图，模型最右边温度出现分布不均区域，原因为数值计算时出口处压力计算值与背压存在少量不匹配引发的回流现象，该区域面积较小对换热器整体性能评价影响不大。

4降温时间优化研究

高压气罐是开放式节气门冷却系统的重要组成部分，它向冰箱提供制冷剂。气罐出口热力学参数是制冷机的输入参数，容积对制冷机的性能有很大影响。此时，在实际应用中，气罐体积受到系统尺寸的限制，因此研究气罐体积具有重要意义。假定气罐容器是绝缘的，即如果供气时间短且与外界的热交换被忽略，则建立气罐放气绝缘模型。气罐初始压力为50兆帕，环境温度为300克，出口孔直径为1毫米。以25毫升、50毫升和100毫升的气罐为例，使用时间步长为2×10-18秒的第4个runge Kutt软件算法来编译计算程序。气罐出口压力和工作介质气体质量波动曲线。从图中可以看出，在气罐放气过程中，气罐出口孔的压力和质量呈随气罐体积减小而下降的趋势。

5翅片管换热器热力特性分析

冰箱质量流量为0.324 g / s的高压侧入口的压力为2.0×107Pa，入口温度为291K。低压侧的入口压力为1.33×105 Pa，入口温度为82.02 K。换热器中高低压液体的温度分布趋势主要与普通逆流换热器中的温度分布一致。也就是说，随着换热器长度的增加，冷暖液和高温液之间的温差逐渐增加，换热器冷端的最大温差达到68.9 K，换热器热端的最小温差为11.4K。在分配高压液体和低压液体的压力时，高压侧的压降非常明显，入口的压降从入口的2.0×107Pa降低到出口的103.73×105Pa。低压侧的压降相对不重要，入口的压降从入口的1.35×105Pa减少到出口的1.02×105Pa，总计为0.33×105Pa。这是因为高压侧的单位面积质量流量比低压侧高得多，液体和低压侧之间的压力降与单位面积质量流量成正比，所以高压侧的压力降比低压侧高得多。

6多目标优化

换热器优化目标函数应为：努塞尔数Nu尽可能大、摩擦因子f尽可能小，这两个目标函数在某些时候存在冲突，即换热较佳的结构通常会伴有较大流动阻力。因此优化过程需首先利用响应面中数据获得Nu和f的所有非支配解的解集，即帕累托前沿阵列呈垂直排布，且柱体行间距大，换热器的流动阻力主要来自平行于流动方向的柱体间隙即Sspace。

结束语

MMR节流冷却器最早是由美国斯坦福大学的利特教授在20世纪70年代发明的。使用了小微加工技术，并使用了照相平版印刷和蚀刻工艺来处理硅晶片或石印表面上几微米至几十微米的小通道，以形成气体通道。蚀刻的制冷通道形成了具有不同几何形状的热交换器、节流元件和蒸发器。MMR片式节流制冷机为制冷机小型化提供了一种新思路。

参考文献

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