CN108966601B - 一种集成制冷器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成制冷器件，包括集成本体，集成本体侧壁设有高压入口和低压出口，集成本体内设有具有节流段以及蒸发段的单向工质流道，该工质流道的两端为所述的高压入口和低压出口；所述蒸发段靠近集成本体的一侧设置，该侧形成制冷机的蒸发器。本发明的集成制冷器件的突出优势在于：与冷却目标尺寸上更加接近，集成度更高，辐射漏热相应减少，且可实现整体成型。

Description

一种集成制冷器件
技术领域
本发明属于低温制冷技术领域，具体是涉及一种集成制冷器件。
背景技术
近年来，随着微型低温电子器件和低温纳米技术快速的发展，对低温制冷技术提出了微小尺寸化和高度集成化的重大需求。然而，现有的成熟低温制冷系统相对庞大，由此引发操作复杂、效率较低、价格或运行成本高等诸多问题。
JT制冷机无冷端运动部件，具有结构简单，干扰噪声小和降温速度快等优点，其体积可以做到斯特林制冷机的十分之一以下，低温下的制冷效率可以达到热电制冷机的十倍以上，是目前唯一实现芯片级尺寸且具备可行方案的液氮温区制冷技术。
现有研究中芯片级JT制冷机的典型流道结构主要有毛细管流道和平面流道两种。毛细管流道这种芯片级JT制冷机仅节流阀和蒸发器处采用微纳加工技术制造，而间壁式换热器采用圆形玻璃毛细管“管套管”结构，因此结构细长，管壁较薄。虽然轴向导热较小，但整体长度远大于蒸发器长度，难以与冷却目标集成，且无法整体成型。
而平面流道芯片级JT制冷机主要基于光刻技术加工制成。比如现有的方案中有以片状玻璃作为材料，在其表面刻蚀槽道后融合封接制成芯片级JT制冷机。虽然平面流道芯片级JT制冷机外观尺寸已与微型低温芯片等应用要求较为接近，但仍存在整体长度远大于蒸发器长度，集成系统不够紧凑，且辐射漏热较大等问题。而且，基于光刻的加工方法本质是一种平面加工技术，无法保证复杂三维流道结构的高精度加工，限制了芯片级JT制冷机的进一步微型化。
总体而言，现有的流道结构不够紧凑，对于冷却目标而言，JT制冷机各部件中只有蒸发器与之直接接触。然而，为达到充分换热和减小轴向导热的目的，间壁式换热器需要较长的流道，在毛细管流道和平面流道的芯片级JT制冷机中占据了远大于蒸发器的空间或面积，使制冷机无法满足与当前应用高度集成化的需求。
发明内容
本发明提供了一种结构更加紧凑的和更加高效的集成制冷器件。
一种集成制冷器件，包括集成本体，集成本体侧壁设有高压入口和低压出口，集成本体内设有具有节流段以及蒸发段的单向工质流道，该工质流道的两端为所述的高压入口和低压出口；所述蒸发段靠近集成本体的一侧设置，该侧形成制冷机的蒸发器。
本发明将整个制冷机集成在集成本体内，结构更加紧凑。且采用箱式的集成本体，使得工质流道布置更加紧凑，换热面积更大，辐射漏热面积减小，蒸发器的尺寸与集成本体尺寸一致，克服了现有的制冷机体积大，蒸发段尺寸较小，制冷效果差的技术问题。
本发明中，所述高压入口与节流段入口之间的工质流道为高压工质流道，所述蒸发段出口与低压出口之间的工质流道为低压工质流道，所述高压工质流道与低压工质流道之间设有换热间壁。通过换热间壁，实现了高压工质流道与低压工质流道之间的换热，同时实现了换热器与制冷机整体的集成。
本发明中，所述高压工质流道、低压工质流道迂回设置。采用该技术方案，在保证制冷效果的同时，进一步提高了结构的紧凑性。所述的迂回设置可以是Z型迂回，或者W型迂回，或者
Figure BDA0001761085750000021
型迂回，或者“弓”字型迂回，当然根据需要，也可以设置更多层的迂回结构，可根据实际需要进行设计；作为优选本发明中，采用
Figure BDA0001761085750000022
型迂回。
本发明中，所述高压工质流道中相邻迂回段之间，或者所述低压工质流道中相邻迂回段之间或者节流段与高压工质流道之间设有隔热间隙。利用隔热间隙，避免高压工质流道或者低压工质流道中迂回段间的漏热，避免冷量损失。
本发明中，所述高压工质流道、低压工质流道均由若干平行的水平流道段以及将相邻水平流道段连接的过渡段。
本发明中，所述高压入口和低压出口设置在集成本体一侧，所述蒸发段设置在集成本体相对的一侧。
本发明中，所述集成本体为长方体或者正方体结构或者近似长方体或者近似正方体或者平顶金字塔型。
本发明中，所述水平流道段平行于所述集成本体中两个相对的侧面，所述工质流道的宽度与该两个相对的侧面的宽度对应，该两个相对的侧面中一个侧面上设有所述的高压入口和低压出口，另一个侧面形成所述的蒸发器。
上述技术方案中，所述“宽度对应”是指，工质流道的宽度方向与两个相对的侧面宽度方向一致，且工质流道的宽度略小于两个相对的侧面宽度(考虑到制冷机外壳的厚度)。
本发明中，所述集成本体边长均在0.1-10mm范围以内。
本发明中，所述高压入口和低压出口可以直接与匹配的压缩机形成闭环回路。也可以将高压入口连接高压工质罐，同时将低压出口直接排空。
本发明基于三维流道的液氮温区高效芯片级JT制冷机理研究，实现了紧凑三维流道结构与高效JT制冷方案的有机结合，满足当前低温电子器件和低温纳米科技相关系统的微型化需求，对我国发展具有自主知识产权的新型芯片级低温制冷技术和学科综合交叉性(包括制冷与低温和微纳加工等)具有重要意义。
本发明的集成制冷器件的突出优势在于：与冷却目标尺寸上更加接近，集成度更高，辐射漏热相应减少，且本发明可以利用飞秒激光直写技术进行加工，可实现整体成型。
本发明将制冷机整体集成于箱式结构的集成本体内，结构更加紧凑的同时，形成了模块化结构，根据实际需要，可以对制冷机模块进行拼接，使用方便，可调性强，空间受限小。
附图说明
图1为本发明的集成制冷器件的立体图。
图2为本发明的集成制冷器件省去一个面后的内部结构示意图。
图3为本发明的集成制冷器件工质流向原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～3所示，一种集成制冷器件，包括呈长方体结构的集成本体100，集成本体侧壁设有高压入口101和低压出口102，集成本体内设有具有节流段103以及蒸发段104的单向工质流道105，该工质流道的两端为所述的高压入口和低压出口。蒸发段104靠近本体的一侧设置，该侧形成制冷机的蒸发器106。
集成本体100为箱体结构，可以是长方体或者正方体或者近似长方体或者近似正方体或平顶金字塔结构等。本实施例中，其外观形状为长方体，边长均在0.1-10mm范围以内，整体长度和宽度与蒸发器一致。其中高压入口101和低压出口102设置在长方体的底面，蒸发段104靠近长方体顶面的一侧设置，长方体顶面作为蒸发器106。附图中，本发明制冷机中的蒸发器106位于集成本体100顶面一侧，使得制冷机整体结构更加紧凑，可以与冷却目标高度集成，且没有其他的大面积裸露部件，辐射漏热损失也相应减小。
在高压入口与节流段入口之间的工质流道为高压工质流道，蒸发器出口与低压出口之间的工质流道为低压工质流道。高压工质流道与低压工质流道均迂回设置，形状相互对应，之间设有间壁107，通过间壁107进行换热，形成本实施例中制冷机的换热器。
本实施例中，整个工质流道由若干平行的水平流道段105a以及竖直流道段105b(当然也可以替换成弯管等过渡结构)组成，竖直流道段105b将上下两个平行的水平流道段105a依次导通，形成完整的单向工质流道105。在图2中，最上层的水平流道段105a为蒸发段，该侧对应的集成本体100的一侧(图中的顶侧)为本实施例制冷机的蒸发器。
流道的宽度与集成本体100一致(考虑到侧壁的宽度，流道的宽度实际上略小于集成本体100宽度)，流道的高度跟制冷机本身的参数有关。
为了避免热量损失，高压工质流道中的相邻迂回段或者低压工质流道内的迂回段之间可以设置隔热间隙，本实施例中，见图2，其中高压工质流道与节流段之间设有隔热间隙108a，低压工质流道内设有隔热间隙108b。
本实施例中，制冷机整体外观形状为长方体，边长均在0.1-10mm范围以内，整体长度和宽度与蒸发器一致，其厚度可达2mm以下。可采用飞秒激光三维直写技术加工的三维流道，得到的芯片级JT制冷机的突出优势在于：与冷却目标尺寸上更加接近，集成度更高，辐射漏热相应减少，且可实现整体成型。
本发明的制冷机稳定运行状态下，室温高压工质自高压入口进入高压工质流道，与低压工质流道中逆流的工质进行换热，达到较低温度；然后流经节流段，高压工质节流降至低压状态，温度下降，一般情况下会由单相转变为气液两相状态；在蒸发器中，气液两相工质吸收来自被冷却目标109的热量，液相工质气化；其后，流出蒸发器的工质流低压工质流道，吸收来自高压工质流道内工质的热量后达到室温。本发明的高压气源可由压缩机或者高压钢瓶提供。以纯氮为制冷工质，JT制冷机即可在蒸发器处提供液氮温区的制冷量。

Claims (7)

1.一种集成制冷器件，其特征在于，包括集成本体，集成本体侧壁设有高压入口和低压出口，集成本体内设有具有节流段以及蒸发段的单向工质流道，该工质流道的两端为所述的高压入口和低压出口；所述蒸发段靠近集成本体的一侧设置，该侧形成制冷机的蒸发器；所述高压入口与节流段入口之间的工质流道为高压工质流道，所述蒸发段出口与低压出口之间的工质流道为低压工质流道，所述高压工质流道与低压工质流道之间设有换热间壁；所述高压工质流道、低压工质流道迂回设置。
2.根据权利要求1所述的集成制冷器件，其特征在于，所述高压工质流道中相邻迂回段之间、低压工质流道中相邻迂回段之间或者节流段与高压工质流道之间设有隔热间隙。
3.根据权利要求1所述的集成制冷器件，其特征在于，所述高压工质流道、低压工质流道均由若干平行的水平流道段以及将相邻水平流道段连接的过渡段。
4.根据权利要求3所述的集成制冷器件，其特征在于，所述高压入口和低压出口设置在集成本体一侧，所述蒸发段设置在集成本体相对的一侧。
5.根据权利要求3所述的集成制冷器件，其特征在于，所述集成本体为长方体或者正方体结构或者近似长方体或者近似正方体或者金字塔形结构。
6.根据权利要求5所述的集成制冷器件，其特征在于，所述水平流道段平行于所述集成本体中两个相对的侧面，所述工质流道的宽度与该两个相对的侧面的宽度对应，该两个相对的侧面中一个侧面上设有所述的高压入口和低压出口，另一个侧面形成所述的蒸发器。
7.根据权利要求5所述的集成制冷器件，其特征在于，所述集成本体边长均在0.1-10mm范围以内。
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