CN103759560A - 具有小孔节流功能的微型换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具节流功能的微型换热器，既可做蒸发器用途，亦可作冷凝器用途。其是由5种蚀刻板片按一定顺序叠层，再通过真空扩散焊而形成的实体，包括：1片接口板片A，1片制冷剂节流板片B，1片或多片流体换热板片C，1片或多片制冷剂换热板片D，以及1片盲板片E。制冷剂节流板片B上设有一节流小孔，制冷剂流经该小孔时即完成节流降压，从而在单一器件中实现了制冷剂的节流和相变换热，省去了毛细管、节流短管等节流元件的使用，减少了外部接管和焊点的数量。本发明结构紧凑、体积小巧，用在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。

Description

具有小孔节流功能的微型换热器

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微型换热器，可在单一组件中完成制冷剂的节流以及相变换热，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，从而使得系统更加紧凑。

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数千瓦以上。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为钎焊剂。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。采用镍作为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，当实现了换热器的微型化以后，与之配套的节流装置的微型化也是一个问题。在常规制冷系统中使用的电子膨胀阀、热力膨胀阀和节流孔板等节流装置由于接口尺寸和制冷量范围均过大，难以和微型换热器配合使用；毛细管虽可以和微型蒸发器配合使用，但是在采用焊接方法将毛细管连接到微型换热器时难以操作，焊接质量难以保证，焊接过程中极易造成毛细管堵塞。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑的节流-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、换热量不匹配和节流元件难以焊接的问题。

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，在不锈钢或铜等金属薄片上分别蚀刻出供制冷剂和流体换热的流道，以及供制冷剂节流的流道。然后将表面分别蚀刻有制冷剂换热流道、流体换热流道、制冷剂节流流道的多层金属薄片按一定顺序叠层。最后通过真空扩散焊工艺焊接在一起，从而使之成为自带制冷剂节流功能的微型换热器实体。

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。

由于基于分层实体扩散焊接技术形成的微型换热器的换热板片很薄，板片的导热热阻较小；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。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。

由于在光化学蚀刻过程中形成了供制冷剂节流的微细通道，制冷剂的节流功能在微型换热器的内部即可实现，因此省去了节流装置与换热器之间的管路连接，减少了制冷管路的总长度，使得整个制冷系统中的焊点数和泄漏点减少，系统管路的布局更加简单，整个微型制冷系统也更容易装配，减少了装配工作量。

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，从而使得本发明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以及各蚀刻板片的装配顺序示意图。

图2是接口板片(前盖板)的流道示意图。

图3是制冷剂节流板片的流道示意图。

图4是流体换热板片的流道示意图。

图5是制冷剂换热板片的流道示意图。

图6是最外侧盲板片(后盖板)的结构示意图。

图7是将上述各种板片焊合成为一个实体后所构成的微型换热器的外观。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式说明本发明的技术方案。在以下说明中，制冷剂是指蒸气压缩式制冷系统中使用的制冷工质，如R22, R134a, R407c, R410a等；而流体是指与所述制冷剂进行换热的另一种工质，如水、乙二醇水溶液、空气、制冷剂等。

如图1所示，根据本发明的一个具体实施例，所述微型换热器是由5种不同类型的金属薄片(典型的为厚度小于1mm的不锈钢薄板)按一定顺序叠层后，再经真空扩散焊接而形成的一个实体。这5种板片分别是：接口板片A、制冷剂节流板片B、流体换热板片C、制冷剂换热板片D、盲板片E。

在上述5种板片上通过光化学蚀刻方法加工有供制冷剂和流体流通的槽道，根据槽道被蚀刻的深度可分为：全蚀刻区和半蚀刻区。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。全蚀刻区是分配制冷剂和流体到不同板片的流动区域，半蚀刻区是供制冷剂和流体在该板片表面对流换热的区域。

如图2所示，接口板片A构成了所述微型换热器的前盖板，在其上开有供制冷剂流入和流出微型换热器的全蚀刻孔A1和全蚀刻孔A2，以及供流体流入和流出微型换热器的全蚀刻孔A3和全蚀刻孔A4。

如图3所示，制冷剂节流板片B是起制冷剂节流作用的板片。在其上蚀刻有：供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔B1、供制冷剂节流用的节流小孔B2，供流体在各板片间连通的全蚀刻孔B3和全蚀刻孔B4。节流小孔B2是采用蚀刻方法或机械加工方法形成的圆孔或正多边形孔，其机理类似于小型制冷系统使用的节流短管和节流毛细管。液态制冷剂流经节流小孔B2时，由于截面积突然减小，使得通过节流小孔B2后的制冷剂压力减小、体积膨胀，从而实现蒸发制冷效果。节流小孔B2的直径根据实际所需的制冷量大小和制冷剂流量由实验确定。节流小孔B2的深度等于板厚，即其是一个全蚀刻孔。

如图4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C3、作为流体换热壁面的半蚀刻区C5、供流体流入或流出的全蚀刻孔C4，以及供制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔C1和全蚀刻孔C2。

如图5所示，制冷剂换热板片D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D1、作为制冷剂换热壁面的半蚀刻区D5、供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔D2，以及供流体在各板片间连通的全蚀刻孔D3和全蚀刻孔D4。

如图6所示，盲板片E用作所述微型换热器的后盖板，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，即其是一块光板。

综合图1~图6，以上5种板片的叠层顺序和位置关系是：

1片接口板片A位于所述微型换热器的最前面；

1片制冷剂节流板片B位于接口板片A的后面；

流体换热板片C和制冷剂换热板片D两片为一组，重复排列在节流板片B的后面，其重复次数不限；

1片盲板片E分别位于所述微型换热器的最后面；

接口板片A和制冷剂节流板片B的中间可插入1片或多片流体换热板片C；

各板片的半蚀刻区均朝向同一方向；

接口板片A和盲板片E的位置可交换；

各板片上的全蚀刻孔的位置对齐，即A1、B1、C1和D1对齐，A2、B2、C2和D2对齐，A3、B3、C3和D3对齐，A4、B4、C4和D4对齐。

如图7所示，在将上述5种板片按上述方法进行叠层，并以真空扩散焊接方法将各层结合成一个实体后，即在其内部形成了层层交错的制冷剂流道和换热流体流道，从而构成了所述的带节流功能的微型换热器。真空扩散焊形成的微型换热器实体的各板片之间形成了金属间相的结合，因此可实现完全的气密，且不可拆卸。

根据上述实施例，当将本发明所述的微型换热器用作蒸发器用途，且采用水作为换热流体时，只需在外部连接上微型压缩机、微型冷凝器以及其它管路后，即可构成一个微型冷水机。可用于制取低于环境温度的冷水，以用作冷却电子元件、大功率芯片、激光器等的冷源。此时制冷剂的流向是(如图7所示)：由微型制冷系统的冷凝器来的高压液态制冷剂由制冷剂进/出口A2流入，经节流小孔B2节流后，闪发成低压气液混合物，此气液混合物流到各制冷剂换热板片上的半蚀刻区进行蒸发吸热，以对流经各流体换热板片的流体进行冷却，最后蒸发完成的气态制冷剂经由制冷剂进/出口A1流出微型换热器。被制冷剂所冷却的流体的流动方向是：由流体进/出口A4流入微型换热器，由流体进/出口A3流出微型换热器。

根据上述实施例，当将本发明所述的微型换热器用作冷凝器用途，且采用水作为换热流体时，只需在外部连接上微型压缩机、微型蒸发器以及其它管路后，即可构成一个微型热泵。可用于制取高于环境温度的热水，以用作加热某些仪器设备的热源。此时制冷剂的流向是：由微型制冷系统的压缩机来的高压气态制冷剂由制冷剂进/出口A1流入，然后流经各制冷剂换热板片上的半蚀刻区进行冷凝放热，变成液体，然后高压的制冷剂液体流经节流小孔B2时被节流降压，变成低压气液混合物，最后由制冷剂进/出口A2流出，以供给下游的蒸发器使用。此时与制冷剂换热的流体的流动方向是：由流体进/出口A3流入微型换热器，由流体进/出口A4流出微型换热器。流体在流经换热器时，将被间壁的处于冷凝状态下的制冷剂加热。

根据本发明的一个优选实施例，在制冷剂换热板片以及流体换热板片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扰动和对流换热系数，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、并联混合的形式。

上述实施例是以参与换热的冷、热流体均只有一个回路来讲述的，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 (7)

1.一种带有节流功能的微型换热器，用于制冷剂和第二种流体之间的换热，以及制冷剂的节流，其特征在于，所述微型换热器是由以下5种薄板或箔片，按一定顺序叠层后，通过真空扩散焊接而形成的实体：

1片接口板片A；

1片制冷剂节流板片B；

1片或多片流体换热板片C;

1片或多片制冷剂换热板片D；

1片盲板片E ；

在接口板片A、制冷剂节流板片B、流体换热板片C、制冷剂换热板片D上有经过光化学蚀刻形成的流道。

2.根据权利要求1所述的微型换热器，其特征在于，在所述接口板片A上蚀刻有供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔A1和全蚀刻孔A2，以及供流体流入或流出的全蚀刻孔A3和全蚀刻孔A4。

3.根据权利要求1所述的微型换热器，其特征在于，在所述制冷剂节流板片B上蚀刻有：

供制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔B1；

供制冷剂节流用的节流小孔B2；

供流体在各板片间连通的全蚀刻孔B3；

供流体在各板片间连通的全蚀刻孔B4；

节流小孔B2是采用蚀刻方法或机械加工方法形成的圆孔或正多边形孔，其深度贯穿整个板片，其直径由实验确定。

4.根据权利要求1所述的微型换热器，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C3；

作为流体换热壁面的半蚀刻区C5；

供流体流入或流出的全蚀刻孔C4；

供制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔C1；

供制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔C2；

全蚀刻孔C3、半蚀刻区C5和全蚀刻孔C4互相连通。

5.根据权利要求1所述的微型换热器，其特征在于，在所述的制冷剂换热板片D上蚀刻有：

供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔D1；

作为制冷剂换热壁面的半蚀刻区D5；

供制冷剂流入或流出的全蚀刻孔D2；

供流体在各板片间连通的全蚀刻孔D3；

供流体在各板片间连通的全蚀刻孔D4；

全蚀刻孔D1、半蚀刻区D5和全蚀刻孔D2互相连通。

6.根据权利要求1所述的微型换热器，其特征在于，所述盲板片E上没有蚀刻区，其是一块光板。

7.根据权利要求1所述的微型换热器，其特征在于，构成微型换热器的5种板片的叠层顺序和位置关系是：

1片接口板片A位于所述微型换热器的最前面；

1片制冷剂节流板片B位于接口板片A的后面；

流体换热板片C和制冷剂换热板片D两片为一组，重复排列在节流板片B的后面，其重复次数不限；

1片盲板片E分别位于所述微型换热器的最后面；

接口板片A和制冷剂节流板片B的中间可插入1片或多片流体换热板片C；

各板片的半蚀刻区均朝向同一方向；

接口板片A和盲板片E的位置可交换；

各板片上的全蚀刻孔的位置对齐，即A1、B1、C1和D1对齐，A2、B2、C2和D2对齐，A3、B3、C3和D3对齐，A4、B4、C4和D4对齐。

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