CN105627609B - 圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，包括进质单元；用于高压气体制冷工质流动的高压微通道单元；用于对流经高压微通道的高压气体制冷工质进行节流的节流单元；用于低温低压气体制冷工质吸收外界环境的热量的蒸发单元；用于高压微通道单元的上方、用于容纳换热后的低温低压气体制冷工质流动的低压微通道单元以及出质单元。其中，高压微通道单元以及低压微通道单元的流道均呈圆柱群状，使得工质在流动过程中产生了一定的扰动，既增强了板片与工质之间的换热系数，又减弱了制冷器的轴向导热。

Description

圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置
技术领域
本发明属于节流制冷领域，具体涉及一种由印刷电路板合成的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置。
背景技术
微型节流制冷器利用焦耳－汤姆逊效应(J-T效应)来进行制冷，广泛应用于尺寸空间较小的场合，如内腔冷冻治疗，红外夜视装置等。目前主要的J-T效应制冷器仍然采用汉普逊型(螺旋翅片管式)，即将外径为0.5mm-1mm直径的不锈钢管缠绕芯轴，高压气体流过整个不锈钢管进入管头的毛细管节流，节流后的低压气体回流掠过不锈钢管外翅片，预冷入流的高压气体。但汉普逊型节流制冷器的进气只有一至二路，制冷量较小，且中心的支撑轴占据了制冷器内部较大空间，制冷器结构不紧凑，换热效率低。
随着微通道技术的发展，微通道节流制冷器得到了广泛的研究与应用。微通道节流制冷器包括相互叠加的高压微通道板片以及低压微通道板片，高压气体进入高压微通道层后，受到相邻低压微通道层的低温气体冷却，预冷后的高压气体节流降压后进入蒸发腔吸收外界热源热量，最后通过低压微通道返回。
为了保证微通道的加工精度，一般采用可塑性强的硅材料进行制作。但由于硅材料的强度较低，使得上述节流制冷器的承压能力较低，入流气体的压力受到限制，进而使得制冷温度下降空间有限。同时，硅材料的使用使得微通道板片无法多层叠加，导致进气量较小，制冷量较低。尽管矩形微通道侧壁有效支撑了板片，但同时也增加了通道间壁的轴向导热，致使微通道节流制冷器热损失较高。、
综上所述，现有的J-T效应制冷器进气量较小，换热效率较低，制约了J-T效应制冷器的应用与发展。
发明内容
本发明通过提供一种圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置来解决上述问题。该制冷装置采用不锈钢材料进行制备，并运用印刷电路板的制作技术，将微通道设计成圆柱群印刷电路板模式，保证换热效率。
本发明采用了如下技术方案：
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，包括从上向下依次叠放的：进质单元，用于高压气体制冷工质进入微通道制冷装置；高压微通道单元，用于引导高压气体制冷工质流动；节流单元，和高压微通道单元相连通，用于对流经高压微通道的高压气体制冷工质进行节流，形成低温低压气体制冷工质；蒸发单元，和节流单元连通，用于让低温低压气体制冷工质吸收外界环境的热量；低压微通道单元，和蒸发单元连通，用于引导吸热后的低温低压气体制冷工质流动，对高压微通道单元内的高压气体制冷工质进行预冷；以及出质单元，用于将低压微通道单元内的制冷工质排出微通道制冷装置。其中，高压微通道单元以及低压微通道单元均设置有一定密度的圆柱群，相邻两个圆柱之间的间隙作为制冷工质的流道。圆柱群的密度以S/D表示，S/D的范围是1.0～3.0，S为圆柱的圆心距，D为圆柱的直径。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征，还包括：分别覆盖在微通道制冷装置上端以及下端的盖板和底板。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征：高压微通道单元还包括进质口，用于高压气体制冷工质流入高压微通道单元的流道内；低压微通道单元还包括出质口，用于换热后的低温低压气体制冷工质流出低压微通道单元的流道。该进质口和出质口也设置有圆柱群，该圆柱群的密度小于流道内圆柱群的密度。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征：高压微通道单元和节流单元处于同一层位置上。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征：节流单元的横截面呈矩形、圆形或梯形。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征：高压微通道单元和低压微通道单元之间采用扩散融合焊接方式进行连接。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征：高压微通道单元与低压微通道单元内的流道尺寸均为微米级。
本发明提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，还可以具有这样的特征：圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置采用不锈钢材料制成。
发明作用与效果
与现有技术中的J-T效应制冷器相比，本发明的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的效果如下：
(1)高压微通道单元以及低压微通道单元的流道均呈圆柱群状，使得通道单元的紧凑度提高，进而增加了传热面积密度；
(2)制冷工质在微通道单元流道的圆柱之间的缝隙中流动，并在流动过程中产生了一定的扰动，既能够增强板片与工质之间的换热系数，又能减弱制冷器的轴向导热；
(3)采用扩散融合焊技术进行微通道单元之间的连接，能够实现无缝叠加多个微通道单元，即保证了连接的可靠性，又使得板片数量可根据需求调节。
附图说明
图1是本发明的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的外观结构示意图；
图2是本发明的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的爆炸图；
图3是本发明的高压微通道单元层的结构示意图；
图4是本发明的低压微通道单元层的结构示意图；
图5是图4中的A内的圆柱群的放大图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
图1是本实施例的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的外观结构示意图。如图1所示，圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置10包括盖板11、底板12、进质单元13以及出质单元14。盖板11和底板12分别覆盖在微通道制冷装置10的上端以及下端，进质单元13和出质单元14均垂直设置在该微通道制冷装置10的左侧，分别和底板12以及盖板11相联通，用于制冷工质进入和流出微通道制冷装置10。
图2是本实施例的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的爆炸图。
如图2所示，在微通道制冷装置10内设置有高压微通道单元15、节流单元16、蒸发单元17以及低压微通道单元18。高压微通道单元15和节流单元16处于同一层上，该层和低压微通道单元18上下间隔排列设置。蒸发单元18位于整个微通道节流装置的右端，用于制冷工质和外界环境进行换热，吸收外界环境中的热量进行制冷。
图3是本实施例的高压微通道单元层的结构示意图。
如图3所示，高压微通道单元层中包括高压微通道单元15的进口段19以及流道20，与流道20相联通的节流单元16，与节流单元16相连通的蒸发单元17。
进口段19和进质单元13相联通，用于将进质单元13内的高压气体制冷工质导入流道20内。流道20用于高压气体制冷工质流动，并在流动过程中和相邻的低压微通道单元内的制冷工质进行换热，将热量传递给低压微通道单元内的制冷工质，进行预冷。进口段19和流道20均呈圆柱群状，但圆柱的密度不同，进口段19内的圆柱较松散，起到均匀气流、支撑通道的作用，而流道20内的圆柱较密集，用于增强板片和气体制冷工质之间的换热。本实施例中，圆柱群的密度以S/D表示，S为圆柱的圆心距，D为圆柱的直径，进口段19内圆柱群的密度为1～1.5，流道20内的圆柱群的密度为2.0～3.0。
节流单元16和流道20联通，为小尺寸节流通道，通道截面可以为矩形，圆形，梯形，通道的流程可以为直线，波浪线等，用于对流道20内的经过预冷的高压气体制冷工质进行节流降温降压，使之成为低温低压气体制冷工质。
图4是本实施例的低压微通道层的结构示意图。
如图4所示，低压微通道单元层的结构和高压微通道单元层的结构相类似，仅缺少了节流单元。低压微通道单元18包括流道20以及出口段21，流道20用于蒸发单元17内的吸收外界环境中热量后的制冷工质回流，出口段21和出质单元14相联通，用于吸热后的制冷工质流入出质单元14内。
同高压微通道单元，低压微通道单元中的流道20和出口段21也均呈圆柱群状，但圆柱的密度不同，出口段21内的圆柱较松散，而流道20内的圆柱较密集。
图5为流道20内A处圆柱群的放大图，由图5可知，流道内均匀设置有一定密度的圆柱20a，制冷工质在相邻两个圆柱20a之间的缝隙内流动。由于圆柱存在，改变了工质的流程，增大了流体的扰动，进而增大了板片和制冷工质之间的换热系数。
本实施例中的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的制冷原理为：高压气体制冷工质从进质单元13进入，经高压微通道单元15的进口段19进行均匀后，流入高压微通道单元15的流道20内，之后在节流单元16内进行节流，成为低温低压气体制冷工质。该低温低压气体制冷工质在蒸发单元17的蒸发腔内吸收外界环境的热量和外界环境进行换热，随后流入低压微通道单元18的流道20内，对新流入高压微通道单元15内的高压气体制冷工质进行预冷，之后通过出口段21由出质单元14排出装置外。
本实施例中的制冷装置选用强度较高的不锈钢制成，将印刷电路板片的制作技术运用于该J-T效应的制冷装置的高低压微通道单元的制备中，大致过程如下：首先选择制备通道单元的不锈钢板片，采用激光刻蚀技术，将激光的光束作用于不锈钢板表面，直接去除不同厚度的不锈钢层，从而制作出所需的圆柱群印刷电路板片；随后运用原子扩散融合焊技术，板片之间相互接触，原子间相互扩散再结晶，将各层高低压微通道单元叠加结合为一整体。
本实施例中的高、低压微通道单元的高度可由通道内工质的物性确定。同时，根据加工限制和尺寸要求，一个微通道可以由单片印刷电路板片，或多片印刷电路板片叠加形成，得到不同截面积的高低压通道。
另外，为了减少制冷器的热损失，也可在制冷装置的外层添加保温层。
实施例作用与效果
相对于现有技术中的微通道制冷装置，本实施例所提供的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置的有益效果如下：
(1)高压微通道单元以及低压微通道单元的流道均呈圆柱群状，使得通道单元的紧凑度提高，进而增加了传热面积密度，传热面积的密度可高达2500m2/m3；
(2)制冷工质在微通道单元流道的圆柱之间的缝隙中流动，并在流动过程中产生了一定的扰动，既能够增强板片与工质之间的换热系数，又能减弱制冷器的轴向导热；
(3)采用扩散融合焊技术进行微通道单元之间的连接，依靠每层板片之间材料的原子扩散而相互结合，密封性好且无接触热阻，既能够实现无缝叠加多个微通道单元，保证了连接的可靠性，又使得板片数量可根据需求调节。
(4)由于高低压微通道单元中的流道内采用圆柱群状，使得通道中的回热段与节流段的长度设计可根据实际工况确定，具有灵活性。
(5)本实施例中的通道尺寸可以达到微米级别，制冷工质为高压气体，制冷器采用不锈钢材料，承压能力强，安全可靠。
本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于，包括从上向下依次叠放的：
进质单元，用于高压气体制冷工质进入所述微通道制冷装置；
高压微通道单元，用于引导所述高压气体制冷工质流动；
节流单元，和所述高压微通道单元相连通，用于对流经所述高压微通道的所述高压气体制冷工质进行节流，形成低温低压气体制冷工质；
蒸发单元，和所述节流单元连通，用于让所述低温低压气体制冷工质吸收外界环境的热量；
低压微通道单元，和所述蒸发单元连通，用于引导吸热后的所述低温低压气体制冷工质流动，对所述高压微通道单元内的所述高压气体制冷工质进行预冷；以及
出质单元，用于将所述低压微通道单元内的制冷工质排出所述微通道制冷装置，
其中，所述高压微通道单元以及所述低压微通道单元均设置有一定密度的圆柱群，相邻两个圆柱之间的间隙作为制冷工质的流道。
2.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于，还包括：
分别覆盖在所述微通道制冷装置上端以及下端的盖板和底板。
3.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，相邻两个所述圆柱之间的圆心距被设定为S，所述圆柱的直径被设定为D，
所述圆柱群的密度以S/D表示，S/D的范围是1.0～3.0。
4.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述高压微通道单元还包括进质口，用于所述高压气体制冷工质流入所述高压微通道单元的流道内，
所述低压微通道单元还包括出质口，用于换热后的所述低温低压气体制冷工质流出所述低压微通道单元的流道。
5.根据权利要求4所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述进质口和所述出质口也设置有圆柱群，该圆柱群的密度小于流道内圆柱群的密度。
6.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述高压微通道单元和所述节流单元处于同一层位置上。
7.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述节流单元的横截面呈矩形、圆形或梯形。
8.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述高压微通道单元和所述低压微通道单元之间采用扩散融合焊接方式进行连接。
9.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述高压微通道单元与所述低压微通道单元内的流道尺寸均为微米级。
10.根据权利要求1所述的圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置，其特征在于：
其中，所述圆柱群印刷电路板式微通道制冷装置采用不锈钢材料制成。
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