冷冻消融探针J-T节流制冷器降温特性的实验研究

　　J-T节流制冷器是目前较成熟的一种小型制冷装置，具有结构简单、制作使用方便、体积小、无运动部件等优点，被广泛的应用于低温领域。Ng等[1]以氩气为制冷工质，通过实验研究了在96K的稳定工况下，不同压力与输出制冷量的对应关系，并建立了相应的数学模型，模型计算结果与实验数据吻合。Chua等[2]对前人的模型进行了优化，考虑了回热换热器几何形状对气体换热的影响，使实验与理论数据更加接近。Hong等[3]研究了不同初始压力条件下，J-T节流制冷器的温度与流量变化特性。目前，大多J-T节流制冷器主要用于红外、冷电子器件的冷却，对用于肿瘤冷冻消融微型J-T节流制冷器的研究国内外鲜有文献报道。传统冷却电子器件的J-T节流制冷器制冷量较小，一般不超过1W;肿瘤冷冻消融用节流制冷器制冷量大约为20~100W，系统工质流量也较传统J-T节流制冷器大的多。肿瘤冷冻消融用微型J-T节流制冷器，可单独使用(如美国Endocare公司的氩氦刀系统)，也可以与其它形式的制冷器联合，作为冷冻消融系统低温制冷机的末级使用。因此对冷冻消融用J-T节流制冷器降温特性的研究具有十分重要的意义。

　　1 实验研究与分析

　　1.1 实验装置

　　冷冻消融探针J-T节流制冷器实验装置如图1所示，包括氮气供应系统，气体预冷装置，带J-T节流制冷器的冷冻消融探针和数据采集系统。氮气为99.999%高纯氮，氮气最高压力为14.5 MPa;气体预冷装置为自复叠制冷机，使用乙醇为载冷、蓄冷剂，可将氮气预冷至常温至-155℃温度区间内的任何温度。图2显示了冷冻探针内J-T节流制冷器的结构示意和温度测试点位置。经气体预冷装置预冷到一定温度的高压氮气进入探针内部J-T节流制冷器后，沿螺旋状的高压管道流动，在探针尖端的节流喷嘴处节流膨胀，氮气压力与温度降低，所获得的冷量一部分用于冷却探针冷冻消融段为冷冻消融治疗提供冷量，另一部分由逆流的低温回气与螺旋翅片管进行换热、冷却高压进气，使高压氮气在比初始温度低的状态下节流，获得更低温度的低压回气，最后低压回气排入大气。如此连续不断的进行下去，探针冷冻消融段温度越来越低，直至平衡。为提高J-T节流制冷器的效率，冷冻消融探针外壳采用一体高真空绝热杜瓦，减少冷量损失;在高压进气管外加绕翅片增加换热面积，在螺旋管内放置双头封闭中空衬管提高低压回气流速，增加回热换热器的换热效率。为获得冷冻消融探针微型节流制冷器降温特性，主要是测量探针降温过程的温度与流量变化。测温采用直径0.079mm、校准精度为±0.1K的T型热电偶，分别焊接在螺旋翅片管的进口与出口端以及探针冷冻消融段的外侧中间部分，测量J-T节流制冷器的高压氮气进口温度(Thi)、高压氮气出口温度(Tho)和冷冻消融探针工作温度(TP)，为避免低压氮气回气对测温的影响，探针内热电偶均涂环氧胶保护。测流量采用Line-TechM20气体质量流量计，测量单位为标准公升每分钟流量值(Standard Liter Per Minute，SLPM)。实验中的温度与流量模拟信号由agilent HP34970A数据采集仪获得，所有实验测量值的采样频率为1次/秒，并存储于计算机中。