专利摘要
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。
权利要求
1.一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：
1)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；
2)利用电磁波输入功率预测模型估算由步骤1)确定的最佳波长对应的电磁波输入功率初始值，具体步骤如下：
2-1)根据制冷机的工质压力、工质中痕量水含量和制冷机的制冷温度，利用公式(1)估算痕量水成冰速率：
其中，
2-2)根据痕量水成冰速率和冰的气化潜热，利用公式(2)估算冰气化所需的热量通量：
其中，
2-3)根据估算的冰气化所需的热量通量
其中，W表示输入功率、A制冷机的节流阀通道面积，τ表示电磁波透射率；
3)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。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
监测制冷机质量流量的变化，若制冷机的质量流量不稳定，则增加电磁波功率直至制冷机的质量流量稳定为止；判断估算的电磁波的输入功率是否最小，若不是最小，则降低电磁波功率，直至以最小电磁波功率维持制冷机的质量流量稳定为止，从而确定为消除制冷机节流阀通道内结冰所需的波长电磁波的最小功率W
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在微型节流制冷机工作过程中按照所述方法利用激光器持续照射制冷机节流阀通道方向；或者当检测到微型节流制冷机内流量低于设定值时按照所述方法利用激光器持续照射制冷机节流阀通道方向，直至微型节流制冷机内流量高于设定值，则停止照射。
说明书
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：
1)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；
2)利用电磁波输入功率预测模型估算由步骤1)确定的最佳波长对应的电磁波输入功率初始值，具体步骤如下：
2-1)根据制冷机的工质压力、工质中痕量水含量和制冷机的制冷温度，利用公式(1)估算痕量水成冰速率：
其中， 表示沉积速率、p表示工质中痕量水的平均分压、psat表示水蒸气在制冷温度下的饱和蒸气压、h表示制冷机内微通道的高度、R表示理想气体常数、D12表示水分子在工质中的扩散系数、M表示水分子的摩尔质量、α表示热适应系数；
2-2)根据痕量水成冰速率和冰的气化潜热，利用公式(2)估算冰气化所需的热量通量：
其中， 表示热量通量，ΔHice表示冰气化潜热；
2-3)根据估算的冰气化所需的热量通量 节流阀通道面积和制冷机材料的电磁波穿透比，利用公式(3)估算步骤1)确定的最佳波长对应的电磁波输入功率：
其中，W表示输入功率、A制冷机的节流阀通道面积，τ表示电磁波透射率；
3)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，上述方法还包括以下步骤：监测制冷机质量流量的变化，若制冷机的质量流量不稳定，则增加电磁波功率直至制冷机的质量流量稳定为止；判断估算的电磁波的输入功率是否最小，若不是最小，则降低电磁波功率，直至以最小电磁波功率维持制冷机的质量流量稳定为止，从而确定为消除制冷机节流阀通道内结冰所需的波长电磁波的最小功率Wmin，利用能产生所述最佳波长的激光器以垂直于制冷机节流阀通道方向发射该最小功率Wmin。
本发明的特点及有益效果如下：
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，基于微型节流低温制冷机的材料(例如玻璃、硅等)对近/中红外波段特定电磁波的透射率大和冰对该特定波长电磁波的吸收率大的物性差异，来实现对冰的选择性加热，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。由于水分子的羟基(OH)弯曲振动、不对称伸缩振动和对称伸缩振动，使得冰吸收的电磁波波长范围和吸收度受冰的形态和温度的影响，实际应用时可根据冰的形态和温度选择最佳电磁波的波长，根据工质的流量和工质中的痕量水的浓度选择最佳电磁波的功率，并根据制冷机的流量反馈除冰效果。本发明方法具有实现简单、响应快等优势，可满足国防军事、科学研究、电子通讯和生物医疗等领域对型节流低温制冷机需要长时间保持低温的需求。
附图说明
图1是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的流程框图。
图2是不同形态水的归一化吸收光谱：297K液态水(虚线所示)、80K晶态冰(点划线所示)和80K无定形冰(实线所示)；
图3是0.2-5μm电磁波经厚度1mm硼硅玻璃的透射率；
图4是基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞应用示例系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述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的应用实例。
参见图1，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，包括以下步骤：
1)根据微型节流低温制冷机的工况(工质压力、工质中痕量水含量和制冷机的制冷温度)，确定成冰的形态和温度，基于成冰的形态、温度以及吸收谱线对应的峰值，选择最佳电磁波波长。例如80K晶态冰的最佳电磁波波长是3.06μm，80K无定形冰的最佳电磁波波长是3.04μm，参见图2。
2)利用电磁波输入功率预测模型估算由步骤1)确定的最佳波长对应的电磁波输入功率初始值，具体步骤如下：
2-1)根据制冷机的工质压力、工质中痕量水含量和制冷机的制冷温度，利用公式(1)估算痕量水成冰速率：
其中， 表示沉积速率(mol·m
2-2)根据痕量水成冰速率和冰的气化潜热，利用公式(2)估算冰气化所需的热量通量：
其中， 表示热量通量(W·m
2-3)根据估算的冰气化所需的热量通量 节流阀通道面积和制冷机材料的电磁波穿透比，利用公式(3)估算步骤1)确定的最佳波长对应的电磁波输入功率：
其中，W表示输入功率(W)、A制冷机的节流阀通道面积(m
3)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，为了降低电磁波功率，以最小电磁波功率维持制冷机的质量流量的稳定，本发明方法还包括以下步骤：
监测制冷机质量流量的变化，如果制冷机的质量流量不稳定，增加电磁波功率直至制冷机的质量流量稳定为止。待制冷机的质量流量趋于稳定后，判断估算的电磁波的输入功率是否最小，如果不是最小，则降低电磁波功率，直至以最小电磁波功率维持制冷机的质量流量稳定为止，从而确定为消除制冷机节流阀通道内结冰所需的波长电磁波的最小功率Wmin，并利用能产生所述最佳波长的激光器以垂直于制冷机节流阀通道方向发射该最小功率Wmin。
进一步地，在微型节流制冷机工作过程中可按照上述方法利用激光器持续照射制冷机节流阀通道方向；或者当检测到微型节流制冷机内流量低于设定值时才按照上述方法利用激光器持续照射制冷机节流阀通道方向，直至微型节流制冷机内流量高于设定值，停止照射。
本发明的工作原理如下：
参见图2，80K的晶态冰和80K的无定形冰分别在3.06μm和3.04μm出现吸收峰，这主要是由于水分子的羟基(OH)弯曲振动、不对称伸缩振动和对称伸缩振动而产生，并且吸收的波长范围和吸收度受冰的形态和温度的影响。实际应用时可根据冰的形态和温度选择最佳电磁波的波长，根据工质的流量和工质中的痕量水的浓度选择最佳电磁波的功率，并根据制冷机的质量流量反馈除冰效果。图3给出了不同波长电磁波经1mm厚硼硅玻璃的透射率，基于硼硅玻璃的微型节流低温制冷机的厚度也在1mm左右，可用该图数据计算最佳波长电磁波的透射率。本发明不仅适用于以硼硅玻璃为材质的微型节流低温制冷机，其他对波长为近/中红外波段电磁波有良好透光性的材料也可适用。
下面为本发明的应用实例：
参见图4，是本发明实施例的一种基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞系统的示意图。图示的微型节流低温制冷机由依次叠设的上、中、下三层基片A、B、C焊接成一体结构，三层基片内加工有微通道结构，共同形成制冷机的各个部件。微型节流制冷机的工作介质通过制冷机入口1流入制冷机的高压侧通道2，流经节流阀3膨胀降温，温度低的低压工作介质依次流经蒸发器4和制冷机的低压侧通道5，预冷来流的高压侧通道中的温度高的高压工作介质，通过制冷机出口6流出制冷机。为降低制冷机的热损失，通常将制冷机置于真空腔7内。制冷机稳态运行时，蒸发器4存在液态的工作介质，通过液态工作介质的蒸发实现制冷。在低温条件下，工作介质中痕量水在节流阀3中凝华沉积造成制冷机的阻塞，发射端置于真空腔7内的近/中红外波段激光器8的作用是作为光源发射近/中红外波段电磁波，根据图1所示流程选择合适的电磁波波长和功率，向节流阀3的位置发射电磁波，电磁波穿透制冷机材料，被节流阀3内因痕量水在低温表面形成的冰所吸收，冰在光热效应诱导作用下升华，从而抑制微型节流制冷机的阻塞，实现微型节流低温制冷机的长时间连续低温运行。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
一种基于光热效应抑制微型节流低温制冷机阻塞的方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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