CN109579340B - 基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于微机电系统加技术的微型节流制冷机，属于微型节流制冷器技术领域，由上、中、下层基片焊接成一体结构，各层基片一端的相应位置处均设有工作介质进口，在上层基片上还设有工作介质出口；下层基片的中部和另一端分别设有第一微通道和缓冲室，第一微通道为呈S型布设的凹槽，该微通道一端与下层基片一端的工作介质进口连通，另一端与缓冲室一端连通；中层基片上依次设置第二微通道和条状通孔，该微通道一端与上层基片的工作介质出口连通，该微通道另一端通过所述条状通孔与缓冲室连通。本发明可有效缓解微型节流制冷机中的阻塞问题，在简化加工程序的同时还可强化蒸发过程中的流动和换热。

Description

基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机

技术领域

本发明属于微型节流制冷器技术领域，尤其涉及基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机。

背景技术

基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机是一种具有无振动、无电磁干扰、无运动部件、且可以和被冷却器件完美耦合等优点的制冷器件。这种类型的微型节流制冷机在低温电子器件(此处所述低温是指120K以下的温度)冷却和低温材料科学研究中受到了广泛关注，例如：用于组装快速数字电路的低/高温超导体电子器件，用于探侧微弱的磁场信号的低/高温超导体量子干涉仪，用于放大信号的基于砷化镓的电子器件，用于探侧射电频谱的高电子迁移率晶体管，用于分析材料成分、结构等的X射线探侧器，用于提高互补金属氧化物半导体的运行速度、降低其热噪音，以及电阻、塞贝克系数、霍尔迁移率等低温物性的研究。

这种类型的微型节流制冷机是通过微机电系统加工技术，在玻璃或其他低导热系数材质基片上加工出微通道(通道尺寸在几微米至几百微米量级)换热器、节流元件和蒸发器后，将加工好的基片熔融接合在一起，再切割而成。目前，基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机的节流元件、微通道换热器和蒸发器的特征尺寸分别是几微米、几十微米和几百微米(Garvey,S.,Logan,S.,Rowe,R.,Little,W.A.,1983.Performancecharacteristics of a low-flow rate 25mW,LN2Joule–Thomson refrigeratorfabricated by photolithographic means.Applied Physics Letters 42,1048-1050.)；(Lerou,P.,Venhorst,G.C.F.,Berends,C.F.,Veenstra,T.T.,Blom,M.,Burger,J.F.,terBrake,H.J.M.,Rogalla,H.,2006.Fabrication of a micro cryogenic cold stageusing MEMS-technology.Journal of Micromechanics and Microengineering 16,1919-1925.)；(Cao,H.S.,Holland,H.J.,Vermeer,C.H.,Vanapalli,S.,Lerou,P.P.P.M.,Blom,M.,Brake,H.J.M.t.,2013a.Characterization of a two-stage 30K Joule-Thomsonmicrocooler.Journal of Micromechanics and Microengineering23,065022.)。通常特征尺寸几微米和几十微米的通道是通过化学蚀刻加工，而特征尺寸几百微米的通道是通过喷砂工艺加工。

现阶段，基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机面临的挑战有以下两方面：

1.工作介质中杂质水分子在制冷机内凝华沉积引起阻塞，造成微型节流制冷机连续运行时间缩短的问题；

2.蒸发器含有特征尺寸几百微米的通道，用于存储液体，这种类型的蒸发器利用其所存储液体蒸发的潜热来冷却附着在蒸发器上的被冷却元件。这种类型的蒸发器通过喷砂工艺加工，该工艺易损坏玻璃基片，造成微型节流制冷机产率降低的问题。

针对第一方面的问题，之前的研究认为，工作介质中的杂质水分子首先在制冷机换热器内逐渐凝华沉积形成冰晶，而后由于流动工作介质的冲击力，形成的冰晶与制冷机换热器内壁脱离，并随工作介质流至节流阀，从而阻塞节流阀。基于此阻塞机理，学者们试图通过在换热器内添加冰晶过滤层的方法来延长制冷机连续运行时间(Lerou,P.,2012.Micro-cooling device.European Patent,EP2444769A1.)。然而，本申请人借助于显微观测并结合理论分析，揭示了微型节流制冷机阻塞是由杂质水分子在节流阀内直接凝华沉积引起(Cao,H.S.,Vanapalli,S.,Holland,H.J.,Vermeer,C.H.,Brake,H.J.M.t.,2013b.Clogging in micromachined Joule-Thomson coolers:Mechanism andpreventive measures.Applied Physics Letters 103,034107.)。因此，在换热器内添加冰晶过滤层，不能阻止杂质水分子在节流阀内直接凝华沉积。

针对第二方面的问题，目前还未见相关研究对其提出改进方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种新型基于微机电系统技术的微型节流制冷机。本发明的微型节流制冷机结构紧凑、连续运行时间长、加工产率高。本发明的微型节流制冷机在加工方面具有易于大规模生产、成本低、精度高、可重复性强因而可有效提升成品率等优点，在性能方面可有效降低因工作介质中杂质在低温条件下凝华沉积造成阻塞的影响，具有连续运行时间长的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机，其特征在于，该制冷机由依次叠设的上层基片、中层基片和下层基片焊接成一体结构，各层基片一端的相应位置处均设有工作介质进口，在所述上层基片上还设有工作介质出口；所述下层基片的中部和另一端分别设有第一微通道和缓冲室，所述第一微通道为呈S型布设的凹槽，作为高压侧通道，该微通道一端与所述下层基片一端的工作介质进口连通，该微通道另一端与所述缓冲室一端连通；所述中层基片上依次设置第二微通道和沿所述中层基片宽度方向开设的条状通孔，所述第二微通道为若干相互平行的直线型凹槽，作为低压侧通道，该微通道一端与所述上层基片的工作介质出口连通，该微通道另一端通过所述条状通孔与缓冲室连通。

进一步地，在所述中层基片上还设有蒸发器，该蒸发器一端与所述第二微通道另一端连通，蒸发器另一端通过所述条状通孔与所述下层基片中的缓冲室连通。

进一步地，所述蒸发器采用交错布设的微型肋片组，各微型肋片的截面形状包括矩形、圆形、椭圆形、菱形和水翼形，截面尺寸在几微米至几十微米之间。

进一步地，各层基片中的各类通道和通孔均是通过化学蚀刻方式加工得到。

本发明的特点及有益效果如下：

针对阻塞问题，本发明提供的微型节流制冷机，将节流制冷在微通道换热器的高压侧通道内分布完成，即微通道换热器的高压侧通道兼具和低压侧通道换热、分布式节流制冷以及控制流量的作用。该结构的优点包括以下几个方面：1)微通道换热器的高压侧通道内完成分布式节流制冷方式可有效缓解因阻塞造成的影响，且无需再单独采用节流元件；2)因无需加工小尺寸的节流元件，可降低加工难度；3)微通道换热器的分布式节流制冷易于保持高低压流体之间的小温差换热，有益于降低不可逆换热损失。4)现有的微通道换热器通常按制冷机降温至目标温度时的流量设计，常规含节流元件的制冷机降温开始阶段流量很小，随冷头温度的降低逐渐增大至目标温度时的流量，因此需要较长时间才能实现制冷；而本发明由于无节流元件，当应用于制冷机中时，微通道换热器的高压侧通道的控制流量受冷头温度变化的影响相对较小，降温开始阶段流量接近目标温度时的流量，因此可缩短制冷时间。

针对目前采用喷砂加工工艺引起的损坏玻璃基片而造成的微型节流制冷机产率降低问题，本发明提供的微型节流制冷机，将蒸发器和被冷却器件之间的换热在微通道换热器的低压侧通道内分布完成，即微通道换热器的低压侧通道兼具和高压侧通道以及被冷却器件换热的作用。该结构的优点包括以下几个方面：1)通过在微通道换热器低压侧通道冷端添加微型肋片来实现蒸发器的作用，可强化冷流体和被冷却器件之间的换热。2)本发明所采用的蒸发器为微型肋片组，各肋片的通道尺寸在几微米和几十微米之间，可通过化学蚀刻的方式进行加工，因而避免了现阶段大尺寸(通道尺寸在几百微米量级)蒸发器所采用的喷砂加工工艺，从而可降低加工风险，提高产率。

在整体上，本发明微型节流制冷机的下层基片中S型的高压侧微通道兼具节流元件作用，中层基片中集成有蒸发器，相比现有的微型节流制冷机，本发明在具有更优制冷效果的基础上同时减小了微型节流制冷机的整体尺寸，可节约成本。此外，各层基片中形成的通道可通过化学蚀刻方式进行加工，易于实现工业上的大批量生产，且加工尺寸范围更大，精度更高。

附图说明

图1是本发明基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机的结构分解图；

图2是图1中各层基片的结构示意图，图(a)、(b)、(c)分别为上、中、下层基片；

图3是本发明基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机制冷循环的温度-比熵图。

具体实施方式

结合附图说明对本发明作进一步详细描述，但本实施例并不限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

图1是本发明基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机的结构分解图，此制冷机由依次叠设的上、中、下三层基片(10、20、30)焊接成一体结构，中、下层基片(20、30)共同形成微通道换热器。参见图2，(a)、(b)、(c)分别为各层基片(10、20、30)的结构示意图，各层基片(10、20、30)一端的相应位置处均设有作为工作介质进口1的通孔，在上层基片10上(如在靠近工作介质进口1处)设有作为工作介质出口7的通孔；下层基片30的中部和另一端分别设有第一微通道2和缓冲室3，第一微通道2为呈S型布设的凹槽，作为高压侧通道，该微通道一端与下层基片30一端的工作介质进口1连通，该微通道另一端与缓冲室3一端连通；中层基片20上依次设置第二微通道6和沿中层基片20宽度方向开设的条状通孔4，第二微通道6为若干相互平行的直线型凹槽(各凹槽的长向与基片长向平行)，作为低压侧通道，该微通道一端与上层基片10的工作介质出口7连通，该微通道另一端通过通孔4与缓冲室3连通。

所述第一微通道2，其两端尽可能向位于下层基片30两端的工作介质进口1和缓冲室3延伸(例如，第一微通道2占据下层基片90％以上的面积)，第一微通道2的通道宽度大于或等于通道深度，宽度与深度的选择取决于微通道所能承受的工作介质压力以及制冷机制冷量的要求。

所述缓冲室3，本实施例为矩形通道内嵌有并排的条状支撑结构。缓冲室3的深度和第一微通道2的深度一致，以便于加工；缓冲室3的宽度略大于中层基片20上条状通孔4的宽度即可，便于缓冲室3流体通过中层基片20的条状通孔4。

进一步地，在中层基片20上还设有蒸发器5，该蒸发器一端与第二微通道6另一端连通，蒸发器另一端通过条状通孔4与下层基片30中的缓冲室3连通。蒸发器5的尺寸与被冷却器件的尺寸相匹配(一般为相同)，蒸发器5采用交错布设的微型肋片组，各肋片的截面形状包括矩形、圆形、椭圆形、菱形和水翼形，截面尺寸在几微米至几十微米之间，本实施例采用矩形肋片。通过蒸发器的设置，将现有微型节流制冷机的蒸发器和被冷却器件之间的换热在微通道换热器的低压侧通道内分布完成，在简化加工工序的同时还可强化蒸发过程中的流动和换热。作为优选，中层基片20上条状通孔4的长度与缓冲室3的长度相等，以保证缓冲室内流体可经通孔4均匀分布于中层基片的蒸发器5中。

进一步地，各层基片(10、20、30)上的各类通道均可通过化学蚀刻加工、电子束微加工、离子束微加工、激光微加工、LIGA加工(即光刻、电铸和注塑加工技术)的方式予以实现。本实施例优选化学蚀刻(化学蚀刻的具体工艺参数可参见(Iliescu,C.,Tay,F.E.H.,Miao,J.,2007.Strategies in deep wet etching of Pyrex glass.Sens.ActuatorsA.Phys.133,395-400.)的方式加工。相比于其他的加工方式，化学蚀刻易于实现工业上大批量生产，且相比较LIGA技术，化学蚀刻可加工尺寸范围更大，精度更高。待通道加工完成后，可通过与所选基片材质相适应的焊接工艺(如玻璃-玻璃间的键合，可采用真空扩散焊；对于硅基-玻璃间的键合，可采用阳极焊；均为本领域的常规加工工艺)将三层基片焊接起来。

本发明制冷机内工作介质的流动路径如图1中箭头所示，工作介质通过上层基片10中的工作介质进口1，流经中层基片20，通过下层基片30中的工作介质入口1流入第一微通道2；第一微通道采用S型凹槽，以增大高压侧通道长度，实现分布式降压，因此第一微通道兼具和第二微通道(即低压侧通道)换热，分布式节流制冷以及控制流量的作用。工作介质流出第一微通道2后，经缓冲室3；稳态时，缓冲室3内工作介质呈现气液两相状态，气液两相工作介质流经过中层基片20中的条状通孔4，流入中层基片20蒸发器5中交错的微型肋片组；气液两相工作介质通过该区域与被冷却的器件换热，实现蒸发器的作用，被冷却器件在此区域释放其热量，气液两相流逐渐被完全气化。气化后的工作介质流经中层基片20的第二微通道6(与常规低压侧通道作用相同)，与高压侧通道工作介质换热，最后经上层基片10中的工作介质出口7流出本微型节流制冷机。

本制冷机的工作介质进、出口为制冷机的热端，温度即为环境温度，与热端相对应的是冷端，温度即为制冷机所能达到的温度，一般在120K以下，具体温度取决于工作介质和工作条件。对各层基片的材料的导热性能和机械性能需满足以下要求：因热端和冷端的温度差大，为降低热端到冷端的导热损失，选择导热系数小的材料(如玻璃材质，其导热系数约为1W/m K)为宜；另外节流产生的制冷量和工作介质进出口压力差正相关，为了获得足够的制冷量，需增加进出口压力差，为此各基片所选材料的机械强度高于工作介质进、出口压力差所产生的应力。

本发明是基于图3给出的制冷机内工作介质在稳态时的温度-比熵图而得到，图中a→b过程高压侧工作介质分布式节流制冷并释放热量给低压侧制冷工作介质，工作介质在此过程中压力和温度均逐渐降低，状态a和b分别对应工作介质进口状态和其流出高压侧通道状态(即工作介质在缓冲室3内的状态)；图中b→c过程对应蒸发过程，气液两相流工作介质吸热被冷却器件释放的热量逐渐气化(即工作介质在蒸发器5内的状态)，状态c对应工作介质流入低压侧直线型微通道的状态；图中c→d过程对应低压侧制冷工作介质吸收高压侧工作介质释放的热量，理想情况下工作介质在此过程中压力不变，温度均逐渐升高，状态d对应工作介质出口状态；图中d→a过程表示等温压缩过程，需要将制冷机进口和出口外接压缩机来实现。

本发明采用氮气作为工作介质，可实现70K至室温范围内的温度控制。此外，还可采用其他常规的工作介质以满足不同制冷温度的要求。基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机因其可与低温电子器件在尺寸和制冷量两方面都相匹配，并且其本身无振动、无电磁干扰，适用于冷却低温电子器件。此外，本发明降温和复温的时间短，特别适用于需要多次降温和复温的低温物性实验研究。

综上，本发明将节流制冷在微通道换热器的高压侧通道内分布完成，不仅可以简化其加工程序、提高换热器的效率、还可以有效缓解微型节流制冷机中的阻塞问题；本发明将蒸发器和被冷却器件之间的换热在微通道换热器的低压侧通道内分布完成，进一步简化其加工程序，同时还可以强化蒸发过程中的流动和换热。本发明通过高精度微机电系统加工技术加工，可实现质量稳定、低成本、大批量的生产，有利于微型节流制冷机的大规模应用。

Claims (6)

1.一种基于微机电系统加工技术的微型节流制冷机，其特征在于，该制冷机由依次叠设的上层基片、中层基片和下层基片焊接成一体结构，各层基片一端的相应位置处均设有工作介质进口，在所述上层基片上还设有工作介质出口；所述下层基片的中部和另一端分别设有第一微通道和缓冲室，所述第一微通道为呈S型布设的凹槽，作为高压侧通道且兼具节流作用，该第一微通道一端与所述下层基片一端的工作介质进口连通，该第一微通道另一端与所述缓冲室一端连通；所述中层基片上依次设置第二微通道和沿所述中层基片宽度方向开设的条状通孔，所述第二微通道为若干相互平行的直线型凹槽，作为低压侧通道，该第二微通道一端与所述上层基片的工作介质出口连通，该第二微通道另一端通过所述条状通孔与缓冲室连通；

在所述中层基片上还设有蒸发器，该蒸发器一端与所述第二微通道另一端连通，蒸发器另一端通过所述条状通孔与所述下层基片中的缓冲室连通；

所述蒸发器采用交错布设的微型肋片组。

2.根据权利要求1所述的微型节流制冷机，其特征在于，所述蒸发器的尺寸与被冷却器件的尺寸相匹配。

3.根据权利要求1所述的微型节流制冷机，其特征在于，所述蒸发器中，各微型肋片的截面形状包括矩形、圆形、椭圆形、菱形和水翼形，截面尺寸在几微米至几十微米之间。

4.根据权利要求1所述的微型节流制冷机，其特征在于，所述条状通孔与所述缓冲室的长度相等。

5.根据权利要求1所述的微型节流制冷机，其特征在于，各层基片所选材料的机械强度高于所述工作介质进口、出口压力差所产生的应力。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的微型节流制冷机，其特征在于，各层基片上的各类通道和通孔均是通过化学蚀刻方式加工得到。

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