CN103727706B - 带干燥过滤和节流功能的集成微型换热器组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成微型换热器，可在单一组件中完成制冷剂的干燥过滤、节流和相变换热，既可作蒸发器用途，亦可作冷凝器用途。其由微型换热器(1)、第一流体接头(2)、第二流体接头(3)、第一制冷剂接头(4)、干燥过滤元件(5)、微型节流元件(6)、第一制冷剂流通孔(7)、第二制冷剂流通孔(8)和第二制冷剂接头(9)组成。微型换热器(1)是由4种蚀刻成不同形状流道的板片，按特定顺序排列后，通过真空扩散焊接而形成的实体。第一制冷剂流通孔(8)和第二制冷剂流通孔(9)是在微型换热器(1)的侧面通过后加工的方式形成的。干燥过滤元件(5)和微型节流元件(6)依次安装在第一制冷剂流通孔(7)中。

Description

带干燥过滤和节流功能的集成微型换热器组件

技术领域

本发明涉及一种可用于微型蒸气压缩式制冷系统的集成换热器组件，可在单一组件中完成制冷剂的干燥过滤、节流以及相变换热，既可作蒸发器用途，也可作冷凝器用途，以实现对流体的冷却或加热。本发明用于微型蒸气压缩式制冷系统中时，可有效减小系统的体积和质量，使得系统更加紧凑。

背景技术

本发明涉及真空扩散焊技术、分层实体制造技术(多层金属薄片的真空扩散焊接)、光化学蚀刻技术、微型蒸气压缩式制冷技术以及紧凑型换热器技术。

真空扩散焊是在高真空的条件下(真空度不低于10^-2托)，将要焊接的工件放在两个压板之间，在压板上施加高压压力，同时将工件加热到不高于材料的融化温度，并保温一定时间，通过相互接触的工件表面上的分子或原子的扩散作用将工件焊合在一起。真空扩散焊的优点是不需要钎焊料或焊剂，两个零件经真空扩散焊接后完全成为一个整体，原来两个零件接触的地方没有相的分界面，也没有任何氧化现象。因此可以对焊接后的零件进行再加工，就像是加工一个单一的零件一样。真空扩散焊既可以实现同种金属材料之间的焊接，也可以实现异种金属材料之间的焊接，甚至可以实现金属和陶瓷材料之间的焊接。

分层实体制造技术是采用多层薄板或箔片材料，根据两种流体换热的要求，在薄板上设计并加工成不同的流道后，多层叠起装配并连接在一起，从而完成实体制造。层板间的连接方法有胶接、低温钎焊或真空扩散焊等。前者适合于纸张、树脂板等材料做造型的分层实体制造，后者适合于金属做造型的实体制造。通过真空扩散焊技术将多层金属换热片连接在一起，可以实现不同金属板片之间流道的自由设计，从而为构造高效、紧凑的换热器创造条件。适合用做多层金属薄片的真空扩散焊的材料有不锈钢、钛合金和铝合金薄片等。

光化学蚀刻技术是采用照相制版技术在金属表面形成光刻胶图形，再用强氧化性腐蚀溶液，在材料上刻出高精度(误差可小于±10μm)、复杂图形的技术。光化学蚀刻是一种高质量、低成本的精密零件加工技术，尤其适合于在金属薄板上蚀刻出供不同流体流动所需的流道，蚀刻深度可从几十微米到几毫米。

微型蒸气压缩式制冷系统由于具有制冷效率高、单位体积的制冷量大的优点，从而可以代替效率低、体积笨重的热电制冷装置，用于许多需要点对点冷却的场合，如激光器冷却、大功率电子元件冷却、大功率芯片冷却、便携式人体冷却等。微型制冷压缩机的出现使得设计体积小巧、结构紧凑的微型蒸气压缩式制冷系统成为了可能，但仅仅做到压缩机的微型化是不够的，还需要配套的微型化的换热器。

钎焊板式换热器是一种紧凑型换热器，用于普通制冷系统中时可有效减小系统的体积，但目前已有的钎焊板式换热器的最小换热量也在几个千瓦以上。对于换热量只有几百瓦的微型制冷装置来说，目前还没有可供配套的换热量在几百瓦量级的板式换热器可用。钎焊式板式换热器一般采用铜或镍作钎焊剂。采用铜作钎焊剂的板式换热器不能应用于对铜离子敏感的激光器冷却场合，这是由于钎焊剂的铜离子溶于水，容易沉积在激光器的微通道热沉中，从而造成激光器冷却通道的堵塞。采用镍做钎焊剂的板式换热器中不含铜离子，可用于激光器冷却的场合，但是镍钎焊板式换热器的耐压却很小，一般小于1MPa。由于常规的压缩机制冷系统的压力很容易超过1MPa，因此采用镍钎焊的板式换热器极易因制冷系统的压力过高而造成泄漏。由于钎焊板式换热器的板片是通过冲压模具成型的，而冲压模具价格昂贵、开发周期长，因此其不适合针对微型制冷系统进行订制加工。可见，钎焊板式换热器不太适合微型制冷系统使用，急需开发一种新型的、高效紧凑的微型换热器。

此外，由于压缩机、冷凝器、干燥过滤器、节流装置、蒸发器、充填阀等主要制冷部件之间是通过铜管等金属管路连接起来的，而管路相互连接时需要很多辅助接头，并且管路弯曲时需要一定的弯曲半径，因此微型制冷系统中的管路很占空间。这使得在本就狭小的微型制冷装置的机壳内进行管路和制冷零部件的布局非常困难，在组装时也难以进行管路和零部件之间的焊接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑的干燥过滤-节流-换热一体化微型换热器，以解决现有的换热器应用于微型制冷系统中时存在的体积过大、换热量不匹配、适应性不好以及管路难以布局和焊接的问题。

本发明是基于前述的光化学蚀刻技术，以及分层金属薄片的真空扩散焊接技术来实现的：

首先通过光化学蚀刻工艺，在不锈钢等金属薄片上蚀刻出供制冷剂和流体换热的流道。然后将表面蚀刻有不同流道的多层金属薄片按一定顺序叠层，并通过真空扩散焊工艺焊接在一起，使之成为微型换热器实体。再在微型换热器实体上加工出可供制冷剂流入和流出的孔道，在孔道内依次装入微型节流元件、干燥过滤元件。最后焊接外部的制冷剂和流体接头，从而最终构成带干燥过滤和节流功能的集成微型换热器组件。

本发明的有益效果主要体现在：

本发明方案可以构造极其紧凑的微型换热器，换冷量可小至几十瓦到几百瓦，从而填补目前的钎焊板式换热器在更小换热量范围的空白。可有效减小微型制冷系统的体积和质量，提高微型制冷系统的便携性。

基于分层实体扩散焊接技术形成的微型换热器由于换热板片很薄，板片间导热热阻较小；又由于板片上的流体流道是利用光化学蚀刻技术形成的，因此流道的布置灵活，可在板片上形成具有高传热系数的微通道结构。因此整个换热器的换热效率很高，远高于普通的套管式、壳管式等换热器。

由于将干燥过滤元件、节流元件内置在微型换热器的内部，因此省去了冷凝器与干燥过滤器之间、干燥过滤器与节流装置之间、节流装置与蒸发器之间的管路连接，大大减少了制冷管路的总长度，使得整个制冷系统中的焊点数大为减少。从而减少了制冷剂泄漏的可能性，使得管路的布局更简单。整个微型制冷系统也更容易装配，只需在集成换热器组件的外部接上压缩机等其它部件和少量管路即可，大大减少了管路系统的焊接工作量。

与铜钎焊板式换热器会析出铜离子不同，本发明提供的微型换热器，由于换热板片间不需要钎焊料，不会产生杂质离子，因而可应用于普通铜钎焊板式换热器所不能应用的激光器冷却领域。与镍钎焊板式换热器相比，本发明提供的微型换热器的耐压更高，因而可靠性更好。

本发明方案中的换热板片可采用多种材质，如换热板片可选用钛合金材料和陶瓷材料，从而可用于换热流体是强腐蚀性溶液的场合。由于不像普通板式换热器的板片那样需要昂贵的冲压模具成型，因而本发明在外形尺寸和板片面积的选择上更加灵活，小批量生产时成本更低。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施方式的结构组成。

图2是本发明的一个具体实施方式的外观。

图3是基于多层金属薄板真空扩散焊构成的微型换热器中各板片的装配顺序示意图。

图4是微型换热器中的流体进出板片(前盖板)的流道示意图。

图5是微型换热器中的制冷剂换热板片上的流道示意图。

图6是微型换热器中的流体换热板片上的流道示意图。

图7是微型换热器中的最外侧盲板片(后盖板)的结构示意图。

图8是以剖视图形式显示的，在焊合后的微型换热器上所加工出的制冷剂流通孔的位置示意图。

图9显示了本发明作为蒸发器使用时各部件的装配关系。

图10显示了本发明作为冷凝器使用时各部件的装配关系。

图11显示了微型短管节流元件的结构。

图12显示了微型孔板节流元件的结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式具体说明本发明的技术方案。

如图1所示，根据本发明的一个具体实施例包括：

微型换热器1、第一流体接头2、第二流体接头3、第一制冷剂接头4、干燥过滤元件5、微型节流元件6、在垂直于多层金属薄板侧面方向所开的第一制冷剂流通孔7、在垂直于多层金属薄板侧面方向所开的第二制冷剂流通孔8、第二制冷剂接头9。其中，微型换热器1由多层金属薄板(典型的为厚度小于1mm的不锈钢薄板)，通过真空扩散焊接而成的实体，并在其内部形成了层层交错的制冷剂流道和换热流体流道。真空扩散焊形成的微型换热器1的各板片之间是紧密结合在一起的，可实现完全的气密，且不可拆卸。第一制冷剂流通孔7和第二制冷剂流通孔8是在多层金属薄板焊合成一个整体后，在微型换热器1上后加工形成的小孔。其中第一制冷剂接头4、干燥过滤元件5、微型节流元件6安装在第一制冷剂流通孔7中，第二制冷剂接头9安装在第二制冷剂流通孔8中。

干燥过滤元件5和微型节流元件6的位置可交换，取决于本发明是作蒸发器用途，还是作冷凝器用途：

当本发明作为蒸发器使用时，制冷剂先经过微型节流元件6节流降压，然后在微型换热器1中蒸发吸热，在此过程中与制冷剂换热的流体被冷却。此时制冷剂的流通路径为：第一制冷剂接头4→干燥过滤元件5→微型节流元件6→第一制冷剂流通孔7→微型换热器1中的制冷剂流道→第二制冷剂流通孔8→第二制冷剂接头9。由微型制冷系统的冷凝器来的液态制冷剂经过干燥过滤元件5干燥、过滤后，除去制冷剂中的杂质、水分，再经微型节流元件6节流后闪发成气液两相混合物，进入微型换热器1中的制冷剂流道中蒸发吸热，完成制冷作用。制冷剂吸热蒸发后变成气体，经第二制冷剂流通孔8和第二制冷剂接头9流出微型蒸发器组件，并被压缩机吸入，以构成完整的蒸气压缩式制冷循环。而被冷却的流体的流通路径为：第一流体接头2→微型换热器1中的流体流道→第二流体接头3。流体流经上述路径后，被制冷剂吸热而温度降低。

当本发明作为冷凝器使用时，制冷剂先在微型换热器1中冷凝放热，然后经过微型节流元件6节流降压，在此过程中与制冷剂换热的流体被加热。此时制冷剂的流通路径为：第二制冷剂接头9→第二制冷剂流通孔8→微型换热器1中的制冷剂流道→第一制冷剂流通孔7→干燥过滤元件5→微型节流元件6→第一制冷剂接头4。由微型制冷系统的压缩机来的高温高压制冷剂气体，进入微型换热器1中与流体换热，制冷剂放出热量而冷凝成液体，液体制冷剂经过干燥过滤元件5干燥、过滤后，除去制冷剂中的杂质、水分，再经微型节流元件6节流后闪发成气液两相混合物，最后由第一制冷剂接头4流出，供给微型制冷系统的蒸发器使用。而被加热的流体的流通路径为：第二流体接头3→微型换热器1中的流体流道→第一流体接头2。流体流经上述路径后，被制冷剂加热而温度升高。

第一流体接头2、第二流体接头3、第一制冷剂接头4、制冷剂出口接头7通过焊接方式焊接到微型换热器1上。焊接方式可以采取氩气保护的电弧焊、CO₂保护的激光焊等方式，以避免在微型换热器1的表面上产生氧化现象。第一制冷剂接头4焊接好后，干燥过滤元件5和微型节流元件6即被限制在第一制冷剂流通孔7中，使其不能脱出，从而形成一体化、集成式的微型换热器组件。

如图3所示，根据本发明的一个具体实施例，微型换热器1是由4种不同类型的金属薄片按一定顺序叠层后，再经真空扩散焊而形成一个整体的。这4种板片分别是：流体进出板片A、制冷剂换热板片B、流体换热板片C、盲板片D。板片上通过光化学蚀刻的方法加工有供流体流通的槽道，根据板片被蚀刻的深度可分为：全蚀刻或半蚀刻。全蚀刻是指该蚀刻区域被蚀穿，即蚀刻深度等于板片厚度；半蚀刻是指该蚀刻区域未被蚀穿，即蚀刻深度小于板片厚度。全蚀刻区是分配流体到不同板片的流动区域，半蚀刻区是供流体在该板片表面对流换热的区域。

如图4所示，流体进出板片A构成了微型换热器1的前盖板，在其上开有供流体流入和流出的两个小孔：全蚀刻孔A1和全蚀刻孔A2。

如图5所示，制冷剂换热板片B是主要供制冷剂流通和换热的板片，在其上蚀刻有：供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔B4、作为制冷剂换热壁面的半蚀刻区B3、供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔B5，以及供流体在各板片间连通的全蚀刻孔B1和全蚀刻孔B2。当作为蒸发器使用时，制冷剂由全蚀刻孔B4流入，在制冷剂换热区B3蒸发，吸收B3区另一侧的被冷却流体的热量后，由全蚀刻孔B5流出；当作为冷凝器使用时，制冷剂由全蚀刻孔B5流入，在制冷剂换热区B3冷凝，向B3区另一侧的被加热流体放热后，由全蚀刻孔B4流出。

如图6所示，流体换热板片C是主要供流体流通和换热的板片，在其上蚀刻有：供流体流入或流出的全蚀刻孔C1、作为流体换热壁面的半蚀刻区C3、供流体流入或流出的全蚀刻孔C2，以及供制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔C4和全蚀刻孔C5。当作为蒸发器使用时，流体由全蚀刻孔C1流入，在流体换热区C3被薄板另一侧的制冷剂吸热降温后，由全蚀刻孔C2流出；当作为冷凝器使用时，流体由全蚀刻孔C2流入，在流体换热区C3被薄板另一侧的制冷剂加热升温后，由全蚀刻孔C1流出。

如图7所示，盲板片D用作微型换热器1的后盖板，起遮挡其前面一块换热板片的全蚀刻孔的作用，以实现密封。在其上不设任何蚀刻区，即是一块光板。

综合图4~图7，4种板片的叠层顺序和装配关系是：

在微型换热器1的最外侧分别配备1片流体进出板片A和1片盲板片D；中间的制冷剂换热板片B和流体换热板片C交错排列，其板片数量不限；各板片的半蚀刻区均朝向同一方向；各板片上的全蚀刻孔位对齐，即A1、B1和C1对齐，A2、B2和C2对齐，B4和C4对齐，B5和C5对齐。

如图8所示，在按上述方法将多层金属薄板叠层，并以真空扩散焊接方法将各层结合成一个整体后，还要进行后续钻孔加工，以形成第一制冷剂流通孔7和第二制冷剂流通孔8。开孔平面位于由多层金属薄板的侧边缘组合而形成的侧平面上，第一制冷剂流通孔7和第二制冷剂流通孔8的钻孔深度需达到：第一制冷剂流通孔7和全蚀刻孔B4(C4)连通，第二制冷剂流通孔8和全蚀刻孔B5(C5)连通。

如图9所示，根据本发明的一个具体实施例，当干燥过滤元件5采用分子筛干燥过滤器、微型节流元件6采用节流短管，且本发明用作蒸发器时，其装配关系如图中所示。分子筛干燥过滤器系采用分子筛颗粒烧结成圆柱状，以方便装入第一制冷剂流通孔7中。分子筛干燥过滤器为多孔结构，制冷剂可以从中流过，而制冷剂中的渣滓等则被过滤，同时制冷剂中的水份被吸附。节流短管系一个中心开有微细小孔的圆柱形短管，小孔的直径通常为1mm以下，典型的为0.3mm。节流短管的结构如图11所示。当用作蒸发器时，液态制冷剂由第一制冷剂接头4流入，经圆柱状干燥过滤器后，再经圆柱状节流短管的细长小孔节流，注入到沟通各制冷剂换热板片B的全蚀刻孔B4，然后流经各制冷剂换热板片B上的半蚀刻区B3，进行蒸发吸热，再由沟通各制冷剂换热板片B的全蚀刻孔B5收集，最后经第二制冷剂流通孔8、第二制冷剂接头9流出换热器组件。

如图10所示，根据本发明的一个具体实施例，当本发明用作冷凝器时，其装置关系如图所示。气态制冷剂由第二制冷剂接头9流入，注入到沟通各制冷剂换热板片B的全蚀刻孔B5，然后流经各制冷剂换热板片B上的半蚀刻区B3，进行冷凝放热，变成液体，由沟通各制冷剂换热板片B的全蚀刻孔B5收集，进入第一制冷剂流通孔7，经干燥过滤元件5干燥过滤后，再经节流短管6的细长小孔节流，最后通过第一制冷剂接头4流出换热器组件。

如图12所示，根据本发明的一个可选实施例，微型节流元件5也可以采用节流孔板结构。节流孔板为一个圆盘状薄片，其中心开有起节流作用的小孔。无论微型节流元件5采用何种结构形式，其与第一制冷剂流通孔7的内壁面之间的缝隙应尽量小，或采用过盈配合，以使得制冷剂只能从节流元件中间的小孔通过，而不能从节流元件与孔壁之间的缝隙通过。

根据上述实施例，将本发明所述的集成微型换热器组件作蒸发器用途，且采用水作为换热流体时，只需在外部连接上微型压缩机、微型冷凝器以及相应的管路后，即可构成一个微型冷水机。可用于制取冷水，以用作冷却电子元件、大功率芯片、激光器等的冷源。

根据上述实施例，将本发明所述的集成微型换热器组件作冷凝器用途，且采用水作为换热流体时，只需在外部连接上微型压缩机、微型蒸发器以及相应的管路后，即可构成一个微型水冷式制冷机组。

根据本发明的一个优选实施例，在制冷剂换热板片B以及流体换热板片C的半蚀刻区还可以蚀刻出各种图案，如可以蚀刻出平行状或波纹状的肋片和导流槽道，也可用蚀刻的方法形成微通道或扰流片等流道形状，以增强制冷剂和流体的对流换热系数，提高换热效率。

本发明所采用的真空扩散焊方法由于具有不需钎焊剂的优势，因此材料不限于不锈钢、钛合金、铝合金等金属薄片或合金薄片，也可以是陶瓷等非金属薄片。只要是借助于真空扩散焊可以焊合的多层薄片材料构成的类似换热器组件，均属于本发明的保护范围。

上述实施例中，同一流体在不同换热板片上的流动呈并联形式，但本发明对流动形式没有任何限制。将换热板片上的流道形状和连通孔的位置稍做修改后，同一流体在不同板片上的流动同样可以布置成串联形式，或者串、联混合的形式。

上述实施例中，参与换热的冷、热流体均只有一个回路，即适用于单压缩机的制冷系统，但本发明对制冷剂的回路数没有任何限制。本发明方案同样也适用于多回路系统，如可以通过换热板片的不同组合，将微型换热器做成两个制冷剂回路对应一个流体回路，从而可以适用于双压缩机的微型制冷系统。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (12)

1.一种带干燥过滤和节流功能的集成微型换热器组件，用于制冷剂和流体之间的换热，其特征在于包括：

基于多层金属薄板真空扩散焊接而成的微型换热器(1)；

第一流体接头(2)；

第二流体接头(3)；

第一制冷剂接头(4)；

干燥过滤元件(5)；

微型节流元件(6)；

在垂直于金属薄板侧面方向开的第一制冷剂流通孔(7)；

在垂直于金属薄板侧面方向开的第二制冷剂流通孔(8)；

第二制冷剂接头(9)；

所述第一制冷剂接头(4)、干燥过滤元件(5)、微型节流元件(6)、第一制冷剂流通孔(7)、微型换热器(1)中的制冷剂流道、第二制冷剂流通孔(8)、第二制冷剂接头(9)构成制冷剂循环回路；所述第一流体接头(2)、微型换热器(1)中的流体流道、第二流体接头(3)构成流体循环回路。

2.根据权利要求1所述的集成微型换热器组件，其特征在于，所述微型换热器(1)是由以下4种金属薄板或箔片，通过真空扩散焊接形成的实体：

1片流体进出板片A；

1片或多片制冷剂换热板片B；

1片或多片流体换热板片C；

1片盲板片D；

在流体进出板片A、制冷剂换热板片B、流体换热板片C上有经过光化学蚀刻形成的流道。

3.根据权利要求1所述的集成微型换热器组件，其特征在于，所述第一制冷剂流通孔(7)和第二制冷剂流通孔(8)，是在微型换热器(1)成为一个实体后，在垂直于多层金属薄板侧面方向通过后加工方式形成的。

4.根据权利要求1所述的集成微型换热器组件，其特征在于，在第一制冷剂流通孔(7)中依次安装有：

干燥过滤元件(5)；

微型节流元件(6)；

干燥过滤元件(5)和微型节流元件(6)的位置可互换，取决于集成微型换热器组件是用作蒸发器还是冷凝器。

5.根据权利要求1所述的集成微型换热器组件，其特征在于，所述微型节流元件(6)系采用以下两种形式之一：

中间开有细长小孔的节流短管；

中间开有小孔的节流孔板。

6.根据权利要求2所述的集成微型换热器组件，其特征在于，在所述流体进出板片A中蚀刻有供流体流入或流出的全蚀刻孔A1和全蚀刻孔A2。

7.根据权利要求2所述的集成微型换热器组件，其特征在于，在所述的制冷剂换热板片B上蚀刻有：

供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔B4；

作为制冷剂换热壁面的半蚀刻区B3；

供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔B5；

供流体在各板片间连通的全蚀刻孔B1和全蚀刻孔B2。

8.根据权利要求2所述的集成微型换热器组件，其特征在于，在所述的流体换热板片C上蚀刻有：

供流体流入或流出的全蚀刻孔C1；

作为流体换热壁面的半蚀刻区C2；

供流体流入或流出的全蚀刻孔C3；

供制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔C4和全蚀刻孔C5。

9.根据权利要求2所述的集成微型换热器组件，其特征在于，所述盲板片D上没有蚀刻区，其是一块光板。

10.根据权利要求2所述的集成微型换热器组件，其特征在于，构成微型换热器(1)的4种板片的叠层顺序和装配关系是：

流体进出板片A和盲板片D为最外侧板片；

制冷剂换热板片B和流体换热板片C位于中间位置，呈交错排列，其板片数量不限；

各板片的半蚀刻区均朝向同一方向；

各板片上的全蚀刻孔位是对齐的，即全蚀刻孔A1、B1和全蚀刻孔C1对齐，全蚀刻孔A2、B2和全蚀刻孔C2对齐，全蚀刻孔B4和全蚀刻孔C4对齐，全蚀刻孔B5和全蚀刻孔C5对齐。

11.根据权利要求1所述的集成微型换热器组件，其特征在于，在第一制冷剂流通孔(7)中安装干燥过滤元件(5)和微型节流元件(6)后，在第一制冷剂流通孔(7)的孔口处焊接有第一制冷剂接头(4)，在第二制冷剂流通孔(8)的孔口处焊接有第二制冷剂接头(9)。

12.根据权利要求1所述的集成微型换热器组件，其特征在于，第一流体接头(2)和第二流体接头(3)是通过常规焊接方法，分别焊接在微型换热器(1)的最外侧板片上的全蚀刻孔A1和全蚀刻孔A2的孔口位置。