CN110486971B - 波浪形叠层微通道制冷器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的波浪形叠层微通道制冷器，包括依次叠合的上盖板、多个上下叠合的回热节流部件以及下盖板，回热节流部件包括上下叠合的高压通道板和低压通道板，高压通道板包括依次设置的高压出入口段、高压换热段以及高压蒸发腔，高压换热段包括依次设置的第一通道段、高压预冷段、二级通道段，第一流道、第二流道分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于高压通道板的厚度，折线槽的两个端点沿第一通道段的长度方向设置，多个第一流道、第二流道按照第一通道段的宽度方向相互平行且交错设置，第三流道的一端与高压预冷段连通，另一端与高压蒸发腔连通。

Description

波浪形叠层微通道制冷器

技术领域

本发明属于节流制冷领域，具体涉及一种含预冷装置的波浪型微通道节流制冷器。

背景技术

随着电子产品日益小型化，小空间内快速制冷技术得到了国内外学者的广泛关注。微小型J-T效应节流制冷器作为低温制冷器中的一种，其特点在于体积小、降温时间短、特别是无运动部件。目前主要的J-T效应制冷器以汉普逊型(螺旋翅片管式)居多，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。

随着微通道技术发展，微通道节流制冷器得到了广泛的研究与应用，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，高低压微通道板片相互叠加，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。但上述节流制冷器承压能力较低，入流气体压力受到硅材料的限制，制冷温度下降空间有限，同时，其结构上无法多层叠加，导致进气量较小，制冷量较低。

基于以上缺点，出现了以不锈钢等金属为原材料的多层多通道的节流制冷装置，不锈钢材料的运用在提高制冷量的同时也丰富了试件的结构形式。但现阶段的多层多通道的微通道节流制冷器温降幅度有限，不能满足深低温需求。

发明内容

为了兼顾制冷器制冷量的同时还能达到更低的制冷温区，本发明提供了一种含预冷装置的两级波浪形叠层微通道节流制冷器，意在保证制冷量的同时使得冷端温度达到更低的温区。

本发明提供了一种波浪形叠层微通道制冷器，具有这样的特征，包括一种波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于，包括依次叠合的上盖板、多个上下叠合的回热节流部件以及下盖板，其中，回热节流部件包括上下叠合的高压通道板和低压通道板，高压通道板包括依次设置的高压出入口段、高压换热段以及高压蒸发腔，高压出入口段具有贯通的高压入口孔、内凹的入口凹槽、贯通的高压出口孔，入口凹槽内的底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱，高压入口孔与入口凹槽相连通，高压出口孔与高压入口孔不连通，高压换热段包括依次设置的第一通道段、高压预冷段、二级通道段，第一通道段包括相邻设置的第一流道、第二流道，第一流道、第二流道分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于高压通道板的厚度，折线槽的两个端点沿第一通道段的长度方向设置，多个第一流道、第二流道按照第一通道段的宽度方向相互平行且交错设置，第一流道的一端与入口凹槽相连通，另一端位于高压预冷段旁，第二流道的一端与入口凹槽相连通，另一端与高压预冷段相连通，二级通道段包括第三流道，第三流道包括多条内凹的S形槽，该S形槽内凹的深度小于高压通道板的厚度，S形槽的两端沿二级通道段的长度方向设置，第三流道的一端与高压预冷段连通，另一端与高压蒸发腔连通，低压通道板呈矩形，包括依次设置的低压出入口段、低压换热段以及低压蒸发腔，低压换热段包括依次设置的第二通道段、低压预冷段、低压通道段。第二通道段包括相邻设置的第四流道、第五流道，第四流道、第五流道分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于低压通道板的厚度，折线槽的两个端点沿第二通道段的长度方向设置，多个第四流道、第五流道按照第二通道段的宽度方向相互平行且交错设置，低压预冷段具有沿板的宽度依次设置的三个内凹的矩形的通道，外侧的两个通道内设置有绕流结构的挡板，中间的通道为直线通道，第四流道的一端与出口凹槽相连通，另一端与低压预冷段连通，二级通道段包括第六流道，第六流道的一端与低压预冷段连通，另一端与低压蒸发腔连通。

在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一流道的端部设置有导流通孔，第一流道的节流降压后的一级高压气体通过导流通孔进入低压通道板上的低压预冷段。

另外，在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第三流道的尺寸为微米级别。

另外，在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，低压蒸发腔与高压蒸发腔均为尺寸相同的矩形。

另外，在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，低压出入口段具有贯通的低压出口孔、内凹的出口凹槽、低压入口孔，低压出口孔与出口凹槽相连通，低压出口孔与低压入口孔不连通。

另外，在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，相邻的高压入口孔与低压入口孔相连通，相邻的高压出口孔与低压出口孔相连通，相邻的高压蒸发腔与低压蒸发腔相连通。

另外，在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，其特征在于，还包括入口管道以及出口管道，其中，上盖板上分别设置有贯通的入口孔，入口管道连通入口孔，入口孔连通高压入口孔，下盖板上设置有贯通的出口孔，出口管道连通出口孔，出口孔连通低压出口孔。

另外，在本发明提供的波浪形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，上盖板、高压通道板、低压通道板、下盖板之间的连接均采用扩散融合焊接技术，依靠每层板片之间材料的原子扩散融合焊接技术而相互结合，密封性好且无接触热阻。

发明的作用与效果

本发明所涉及的波浪形叠层微通道制冷器，与现有技术中的J-T效应制冷器相比，本发明的两级波浪形叠层微通道制冷器具有如下效果：

(1)高压气体通道单元与低压气体回热换热通道单元均采用波浪形结构，可增强气体在通道内的绕流，从而实现个更充分的换热。

(2)预冷部分采用S形通道可增加行程，使得高低压流体充分预冷换热。

(3)高低压板片工质出入口部分布置顺排圆柱群，可同时实现支撑试件与导流作用。

(4)一、二级流体通过同一进口流入，完成各自制冷过程后由同一出口排出，一定程度上简化了试件结构。

(5)高压板片与低压板片间隔布置，一级、二级低压回气可分别同时实现对一级高压气体与二级高压气体的预冷。

(6)以不锈钢为材料，采用扩散融合焊技术将单片的微通道连接起来，能够根据实际需要调节通道数量，而不局限于单层，能够并行放大制冷量。

附图说明

图1是本发明的实施例中制冷器的外形示意图；

图2是本发明的实施例中制冷器的爆炸图；

图3是本发明的实施例中高压通道板的结构示意图；

图4为本发明的实施例中低压通道板的结构示意图；以及

图5为本发明的实施例中单个节流制冷单元爆炸图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的波浪形叠层微通道制冷器作具体阐述。

实施例

本发明提供的两级波浪形叠层微通道制冷器，由多个高、低压通道板片交错排列布置，通过原子扩散融合焊接工艺连接。在板片的最外层，布置有上、下两块具有一定厚度的盖板，起到支撑稳固整个试件的作用。其中，高、低压板片均含有互相分开的两级通道结构以及预冷部分。

如图1、2所示，两级波浪形叠层微通道制冷器包括依次叠合的上盖板30、上下交错叠合的多个高压通道板50以及多个低压通道板60、下盖板40以及进气管10、出气管20。

上盖板30上分别设置有贯通的入口孔。

高压通道板50呈矩形，包括依次设置的出入口段、换热段以及蒸发腔。

如图3所示，高压通道板50出入口段具有贯通的入口孔51、内凹的入口凹槽511、贯通的出口孔58，入口凹槽511呈“L”形，从板的上表面向内凹，如图3局部放大图A所示，入口凹槽511通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱5111，该微圆柱阵列结构有支撑和导流的作用。入口孔51与入口凹槽511相连通，出口孔58与入口孔51不连通。实施例中，入口孔51、的形状大小位置与上盖板30的入口孔的形状大小位置相同。

高压通道板50换热段包括依次设置的第一通道段、预冷段55、二级通道段。

第一通道段包括流道52、流道53。

流道52、流道53分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于高压通道板50的厚度，折线槽的两个端点沿第一通道段的长度方向设置，多个流道52、流道53按照第一通道段的宽度方向相互平行且交错设置。

流道52为一级高压通道，流道53为二级高压通道，如图3局部放大图B所示，流道52和流道53相邻设置。

流道52的一端与入口凹槽511相连通，另一端位于预冷段55的一侧，与预冷段55不连通，如图3局部放大图C所示，其端部设置有导流孔54，导流孔54为通孔。

流道53的一端与入口凹槽511相连通，另一端与预冷段55相连通。

预冷段55为高压板片预冷部分，预冷段55具有内凹的呈S形的通道，该通道采用绕流结构，可增大行程，充分与低压板片换热预冷二级高压气体。

二级通道段包括流道56，流道56包括多条内凹的S形槽，该S形槽内凹的深度小于高压通道板50的厚度，S形槽的两端沿二级通道段的长度方向设置。

流道56为二级节流通道，流道56的一端与预冷段55连通，另一端与蒸发腔57连通。

实施例中，流道56采用三通道并排形式，该通道尺寸为微米级别。

蒸发腔57，二级节流后的气体通过蒸发腔57进入低压板片。

低压通道板60呈矩形，包括依次设置的出入口段、换热段以及蒸发腔。

低压通道板60与高压通道板50外形尺寸大小相同。

如图4所示，低压通道板60出入口段具有贯通的出口孔61、内凹的出口凹槽611、入口孔68，出口凹槽611呈“L”形，从板的上表面向内凹，出口凹槽611通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱，该微圆柱阵列结构有支撑和导流的作用。出口孔61与出口凹槽611相连通，出口孔61与入口孔68不连通。

实施例中，入口孔68、出口孔61的形状大小位置与高压通道板50的入口孔51、出口孔58的形状大小位置相同。

低压通道板60换热段包括依次设置的第二通道段、预冷段、低压通道段。

第二通道段包括流道63、流道64。

流道63、流道64分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于低压通道板60的厚度，折线槽的两个端点沿第二通道段的长度方向设置，多个流道63、流道64按照第二通道段的宽度方向相互平行且交错设置。

流道63为一级低压回气通道，流道64为二级低压回气通道，如图4所示，流道63和流道64相邻设置。

预冷段65为低压通道板的预冷部分，节流后的一级低压气体预冷相邻板片的二级高压气体；预冷段65具有沿板的宽度依次设置的三个内凹的矩形的通道，外侧的两个通道内设置有绕流结构的挡板，中间的通道62为直线通道，高压通道板上节流后的一级低压气体通过导流孔54后进入此处，预冷相邻板片的二级高压气体。

流道63的一端与出口凹槽611相连通，另一端与预冷段65连通。

流道64的一端与出口凹槽611相连通，另一端与预冷段65相连通。

二级通道段包括流道66，流道66为内凹的S形槽，该S形槽内凹的深度小于低压通道板60的厚度，S形槽的两端沿二级通道段的长度方向设置。

流道66为二级低压回气通道，流道66的一端与预冷段65连通，另一端与蒸发腔67连通。

蒸发腔67，二级节流后的气体通过蒸发腔67进入低压板片。

实施例中，蒸发腔67的形状大小位置与高压通道板50的蒸发腔57的形状大小位置相同。

实施例中，高压通道板50、低压通道板60均采用不锈钢材料制成，采用印刷电路板刻蚀技术对流道进行刻蚀，根据制冷换热需求预先设计刻出不同流道形状的上下板片。

如图5所示，单个高压通道板50与单个低压通道板60形成一个完整的节流制冷单元，图中箭头X、Y表示工质的流向。

实施例中，微通道节流制冷器包括6组相互叠加的节流制冷单元。

两级波浪形叠层微通道制冷器从上至下依次为上盖板、6组相互叠加的节流制冷单元、下盖板。

相邻的入口孔51与入口孔68相连通，相邻的出口孔58与出口孔61相连通，相邻的蒸发腔57与蒸发腔67相连通。

上盖板30上设置有贯通的入口孔。

入口管道10连通入口孔，入口孔连通入口孔51、68。

下盖板40上设置有贯通的出口孔。

出口管道20连通出口孔，出口孔连通出口孔58、61。

实施例中，上盖板30、高压通道板50、低压通道板60、下盖板40之间的连接均采用扩散融合焊接技术，依靠每层板片之间材料的原子扩散融合焊接技术而相互结合，密封性好且无接触热阻。微通道的形状尺寸可根据需求改动，具有灵活性。

在制冷器的上下设计有具备承压能力的一定厚度的上下边板，通过原子融合焊接工艺与高低压通道焊接为整体，以保证制冷器整体的承压能力。

本实施例中的两级波浪形叠层微通道制冷器的制冷原理如下：一、二级流体采用一股流体，如图5所示，气体经过进气管10进入高压通道板50，然后在入口凹槽511中进行绕流稳压，稳压后的气体分别通过间隔布置的一、二级高压通道52、53，一级高压气体经过一级高压通道52后进入圆形节流小孔54节流降压变为低温低压气体(小孔直径为纳米级别、一条一级高压通道对应一个节流小孔)，节流后的一级低压气体由贯穿的节流小孔进入低压板片预冷段65，在预冷段65内预冷相邻高压板片相同位置预冷段55内二级高压气体，预冷段65内的气体预冷后进入一级低压通道63；二级高压气体由入口凹槽511绕流稳压段经过二级高压通道53进入S型预冷段55接受一级降压后气体在预冷段65位置的预冷、预冷后的二级气体进入节流段56节流再次降温变为二级低压气体进入高压板片蒸发腔57、工质在蒸发腔内达到制冷器的最低温度，然后进入低压板片蒸发腔67、二级回热段66，在二级回热段66内的低压气体同样能对相邻板片节流通道56内的气体预冷，预冷后的二级低压气体经过预冷部分中间通道62进入二级低压通道64，其中，一、二级低压通道63、64内的气体能同时对一、二级高压通道52、53进行预冷。预冷后的一、二级低压气体在低压板片绕流稳压通道611内混合，然后经过排气管20排出制冷器，整个制冷过程完成。对于实际制冷过程中，根据不同制冷需求可以采用多个节流制冷单元并行交错排列，以增大整个过程中的制冷量。

考虑到工作过程中需要采用高压节流工质，故该部分材料可以选用耐高压的不锈钢材料，节流制冷装置是由上述多层不锈钢板片构成，为保证整体耐高压的性能，采用原子融合焊接工艺将其在高温炉中焊接，也可以最大程度的减小板片间的接触热阻。

节流工质可以根据对不同程度的制冷需求选用不同初始压力的氮气、氩气、空气、二氧化碳等最大转化系数在高于工作温度的气体作为制冷工质。

实施例的作用与效果

相较于现有J-T节流制冷技术，本实施例中所提供的两级波浪形叠层微通道制冷器具有以下有效益果：

(1)高压气体通道单元与低压气体回热换热通道单元均采用波浪形结构，可增强气体在通道内的绕流，从而实现个更充分的换热。

(2)预冷部分采用S形通道可增加行程，使得高低压流体充分预冷换热。

(3)高低压板片工质出入口部分布置顺排圆柱群，可同时实现支撑试件与导流作用。

(4)一、二级流体通过同一进口流入，完成各自制冷过程后由同一出口排出，一定程度上简化了试件结构。

(5)高压板片与低压板片间隔布置，一级、二级低压回气可分别同时实现对一级高压气体与二级高压气体的预冷。

(6)制冷器内节流制冷单元可根据制冷量的需求，适当增加或减少，做到充分利用气体工质与制冷器加工成本的平衡。

(7)以不锈钢为原材料，采用激光刻蚀，能够满足微尺寸结构要求。采用扩散融合焊接技术能够对多层板片形成无缝连接，一方面可增加工质的流量，并行放大制冷量，另一方面，这种无缝连接能够减小接触热阻。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于，包括：

依次叠合的上盖板、多个上下叠合的回热节流部件以及下盖板，

其中，所述回热节流部件包括上下叠合的高压通道板和低压通道板，

所述高压通道板包括依次设置的高压出入口段、高压换热段以及高压蒸发腔，

所述高压出入口段具有贯通的高压入口孔、内凹的入口凹槽、贯通的高压出口孔，所述入口凹槽内的底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱，所述高压入口孔与所述入口凹槽相连通，所述高压出口孔与所述高压入口孔不连通，

所述高压换热段包括依次设置的第一通道段、高压预冷段、二级通道段，

所述第一通道段包括相邻设置的第一流道、第二流道，

所述第一流道、所述第二流道分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于所述高压通道板的厚度，折线槽的两个端点沿所述第一通道段的长度方向设置，多个所述第一流道、所述第二流道按照第一通道段的宽度方向相互平行且交错设置，

所述第一流道的一端与所述入口凹槽相连通，另一端位于所述高压预冷段旁，

所述第二流道的一端与所述入口凹槽相连通，另一端与所述高压预冷段相连通，

所述二级通道段包括第三流道，所述第三流道包括多条内凹的S形槽，该S形槽内凹的深度小于所述高压通道板的厚度，S形槽的两端沿所述二级通道段的长度方向设置，

所述第三流道的一端与高压预冷段连通，另一端与所述高压蒸发腔连通，

所述低压通道板呈矩形，包括依次设置的低压出入口段、低压换热段以及低压蒸发腔，

所述低压换热段包括依次设置的第二通道段、低压预冷段、低压通道段，

所述第二通道段包括相邻设置的第四流道、第五流道，

所述第四流道、所述第五流道分别为两条内凹且连通的呈锯齿形的折线槽，该锯齿形折线槽内凹的深度小于所述低压通道板的厚度，折线槽的两个端点沿第二通道段的长度方向设置，多个所述第四流道、所述第五流道按照所述第二通道段的宽度方向相互平行且交错设置，

所述低压预冷段具有沿板的宽度依次设置的三个内凹的矩形的通道，外侧的两个通道内设置有绕流结构的挡板，中间的通道为直线通道，

所述第四流道的一端与所述出口凹槽相连通，另一端与所述低压预冷段连通，

二级通道段包括第六流道，所述第六流道的一端与所述低压预冷段连通，另一端与所述低压蒸发腔连通，

所述第一流道的端部设置有导流通孔，所述第一流道的节流降压后的一级高压气体通过所述导流通孔进入低压通道板上的所述低压预冷段。

2.根据权利要求1所述的波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于：

其中，所述第三流道的尺寸为微米级别。

3.根据权利要求1所述的波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于：

其中，所述低压蒸发腔与所述高压蒸发腔均为尺寸相同的矩形。

4.根据权利要求1所述的波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于：

其中，所述低压出入口段具有贯通的低压出口孔、内凹的出口凹槽、低压入口孔，所述低压出口孔与所述出口凹槽相连通，所述低压出口孔与所述低压入口孔不连通。

5.根据权利要求4所述的波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于：

其中，相邻的所述高压入口孔与所述低压入口孔相连通，

相邻的所述高压出口孔与所述低压出口孔相连通，

相邻的所述高压蒸发腔与所述低压蒸发腔相连通。

6.根据权利要求1所述的波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于，还包括：

入口管道以及出口管道，

其中，所述上盖板上分别设置有贯通的入口孔，

所述入口管道连通所述入口孔，所述入口孔连通所述高压入口孔，

所述下盖板上设置有贯通的出口孔，

所述出口管道连通所述出口孔，所述出口孔连通所述低压出口孔。

7.根据权利要求1所述的波浪形叠层微通道制冷器，其特征在于：

其中，所述上盖板、所述高压通道板、所述低压通道板、所述下盖板之间的连接均采用扩散融合焊接技术，依靠每层板片之间材料的原子扩散融合焊接技术而相互结合，密封性好且无接触热阻。

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