CN110486973B - 具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，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板片和下板片，上板片包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段，回热节流段包括依次设置的第一流道、第二流道、扩容腔、第三流道、第四流道，第一流道包括多个内凹的矩形槽，第二流道为内凹的矩形槽，槽底设置有多个窄缝孔，另一端与第二流道连通，二级入口孔和二级出口孔分别设置在上板片中部的两侧，二级入口孔与一级出口孔位于同一侧，第三流道、第四流道分别包括多个沿上板片长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，第四流道的一端与第三流道相连通，另一端与扩容段连通。

Description

具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器

技术领域

本发明属于强化换热节流制冷领域，具体涉及一种由微通道节流预冷形成的换热单元的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器。

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)，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，并且现有微通道制冷器为单级回热、节流制冷，采用一股制冷工质，最终达到的制冷温度受限。

发明内容

为了解决现有的微通道节流制冷器进气量较小，换热效率较低，冷端温度受限，制冷工质种类单一，制约微通道节流制冷器的应用与发展的问题，本发明提供了一种具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器。

本发明提供了一种具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，具有这样的特征，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上板片和下板片，上板片包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段，出入口段呈矩形，具有贯通的上板一级入口孔、上板一级出口孔、内凹的出口凹槽以及贯通的上板二级出口孔、上板二级入口孔，上板一级出口孔与出口凹槽相连通，上板一级入口孔与出口凹槽不连通，出口凹槽从板的上表面向内凹，出口凹槽通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱，用于支撑和导流，回热节流段包括依次设置的第一流道、第二流道、扩容腔、第三流道、第四流道，第一流道包括多个沿回热节流段长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于上板片的厚度，第二流道为内凹的矩形槽，槽底设置有多个窄缝孔，第二流道与第一流道相垂直，第一流道的一端与出口凹槽相连通，另一端与第二流道连通，扩容腔呈矩形，内部具有沿回热节流段长度方向设置的内凹且连通的S形折线槽，二级入口孔和二级出口孔分别设置在上板片中部的两侧，二级入口孔与一级出口孔位于同一侧，二级入口孔与S形折线槽连通，第三流道、第四流道分别包括多个沿上板片长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于上板片的厚度，第四流道的一端与第三流道相连通，另一端与扩容段连通。

在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第二流道的底部设置有多个窄缝通孔，下板片的低温低压气体通过窄缝通孔进入第一通道。

另外，在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一流道、第三流道、第四流道的尺寸均为微米级。

另外，在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第四流道的宽度小于第三流道的宽度。

另外，在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，下板片包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段，出入口段呈矩形，具有贯通的下板一级入口孔、下板一级出口孔、下板二级出口孔、下板二级入口孔，回热节流段呈矩形，包括依次设置的第五流道l11、第六流道、预冷区域、第七流道，第五流道包括多个沿回热节流段长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于下板片的厚度，第六流道具有沿回热节流段长度方向设置的内凹且连通的S形折线槽，且内凹的深度小于下板片的厚度，第七流道包括多个沿下板片长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于下板片的厚度。

另外，在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，相邻的上板一级入口孔与下板一级入口孔连通，相邻的上板一级出口孔与下板一级出口孔连通，相邻的上板二级出口孔与下板二级出口孔连通，相邻的上板二级入口孔与下板二级入口孔连通。

另外，在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，其特征在于，还包括一级出口管道、二级入口管道、一级入口管道，二级出口管道。

另外，在本发明提供的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中，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

根据本发明所涉及的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，上板片中一级和二级回热换热通道都采用矩形通道形式，可以实现在与低压通道回热换热的同时节流降温。

另外，矩形通道数量、和通道长度可以根据制冷器的实际应用设计。

进一步地，下板片中一级和二级回热换热通道设计为矩形的通道形式，其中矩形在通道宽度上的占比可以根据实际需求调节。

进一步地，换热通道尺寸为微米级，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，增大流道间压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

进一步地，本发明一级出口管道、二级出口管道互不连通，保证两级节流制冷工质不混流，两级可以分别采用不同的工质。

附图说明

图1是本发明的实施例中制冷器整体外形图；

图2是本发明的实施例中制冷器整体爆炸图；

图3是本发明的实施例中上板片流道分布；

图4是本发明的实施例中下板片流道分布；

图5是本发明的实施例中高低压换热单元图；以及

图6是本发明的实施例二中一二级回热换热段通道局部示意图。

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具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器作具体阐述。

实施例

如图1、2所示，具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器包括依次叠合的上盖板e、上下交错叠合的多个上板片h以及多个下板片l、下盖板f以及一级出口管道a、二级入口管道b、一级入口管道c，二级出口管道d。

上板片h包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段。

如图3所示，上板片h出入口段呈矩形，具有贯通的一级入口孔hc、一级出口孔ha、内凹的出口凹槽ha1以及贯通的二级出口孔hd、二级入口孔hb，一级出口孔ha与出口凹槽ha1相连通，一级入口孔hc与出口凹槽ha1不连通。实施例中，出口凹槽从板的上表面向内凹，出口凹槽ha1通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱a11，该微圆柱阵列结构有支撑和导流的作用。

上板片h回热节流段呈矩形，包括依次设置的流道h11、流道h12、扩容腔、流道h22、流道h31。

流道h11为一级回流通道，包括多个沿上板片h长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于上板片h的厚度。

流道h12为内凹的矩形槽，槽底设置有多个窄缝通孔，流道h12与流道h11垂直。

流道h11的一端与出口凹槽ha1相连通，另一端与流道h12连通。

扩容腔呈矩形，内部具有流道h21，流道h21为沿上板片h长度方向设置的内凹且连通的S形折线槽，且内凹的深度小于上板片h的厚度，流道h21具有微挡板和微流道，微挡板垂直于流体流动方向设置。

二级入口孔hb和二级出口孔hd分别设置在流道h21的两侧，位于上板片h的中部的两侧，其中，二级入口孔hb与一级出口孔ha位于同一侧，流道h21与二级入口孔hb连通，流道h21与流道h1、二级出口孔hd均不连通，实施例中，二级入口孔hb和二级出口孔hd为与上板片h相连的圆环。

流道h22包括多个沿上板片h长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于上板片h的厚度。

流道h31包括多个沿上板片h长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，该矩形槽的宽度比流道h22中矩形槽的宽度更小。

流道h22的一端与流道h21相连通，另一端与流道h31连通。

流道h31的一端与流道h22相连通，另一端与扩容孔h4连通。

实施例中，流道h11、h22、h33中的矩形槽尺寸均为微米级，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，增大流道间压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

上板片h入口段矩形的长边与回热节流段矩形的短边相连后呈T形。

上板片h的扩容段设置有贯通上下板面的扩容孔h4，扩容孔形状可以为矩形、梯形、椭圆形等形状。实施例中，扩容孔h4的形状为矩形。

上盖板e上分别设置有贯通的一级出口孔、二级入口孔，且与上板片h的一级出口孔ha、二级入口孔hb的尺寸大小位置均相同。

下板片l包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段。

下板片l与上板片h外形尺寸大小相同。

如图4所示，下板片l出入口段呈矩形，具有贯通的一级入口孔lc、内凹的入口凹槽lc1、一级出口孔la、以及贯通的二级出口孔ld、二级入口孔lb，一级入口孔lc与入口凹槽lc1相连通，一级出口孔la与入口凹槽lc1不连通。实施例中，出口凹槽从板的上表面向内凹。

下板片l回热节流段呈矩形，包括依次设置的流道l11、流道l12、预冷区域l21、流道l3。

流道l11为一级换热段的矩形通道，包括多个沿回热节流段长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于下板片l的厚度。

流道l12为沿回热节流段长度方向设置的内凹且连通的S形折线槽，且内凹的深度小于下板片l的厚度，流道l12具有微挡板和微流道，微挡板垂直于流体流动方向设置。

预冷区域l21为扩容腔，呈矩形，位于流道l12与流道l3之间。

二级入口孔lb和二级出口孔ld分别位于下板片l中部的两侧，二级入口孔lb设置在预冷区域l21旁，二级出口孔ld设置在流道l3旁，其中，二级入口孔lb与一级出口孔la位于同一侧，实施例中，二级入口孔lb和二级出口孔ld与下板片l相连的圆环。二级入口孔lb和二级出口孔ld与预冷区域l21均不连通，二级出口孔ld与流道l3相连通。

流道l3包括多个沿下板片l长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于下板片l的厚度。

流道l11的一端与入口凹槽lc1相连通，另一端与流道l12连通。

预冷区域l21的一端与流道l12相连通，另一端与流道流道l3连通。

下板片l的扩容段设置有贯通上下板面的扩容孔l4，扩容孔形状可以为矩形、梯形、椭圆形等形状。实施例中，扩容孔l4的形状为矩形。

流道l3的一端与预冷区域l21不连通，另一端与扩容孔l4连通。

实施例中，流道l11、l3中的矩形槽尺寸均为微米级，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，增大流道间压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

下板片l出入口段矩形的长边与回热节流段矩形的短边相连后呈T形。

下盖板l上分别设置有贯通的一级入口孔、二级出口孔，且与下板片l的一级入口孔lc、二级出口孔ld的尺寸大小位置均相同。

如图5所示，一对上板片h、下板片l构成高低压换热单元。

实施例中，上板片h、下板片l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。

相邻的一级入口孔hc与一级入口孔lc连通、相邻的一级出口孔ha与一级出口孔la连通、相邻的二级出口孔hd与二级出口孔ld连通、相邻的二级入口孔hb与二级入口孔lb连通，相邻的扩容孔h4与扩容孔l4相连通。

上盖板e上分别设置有贯通的一级出口孔、二级入口孔。

一级出口管道a连通一级出口孔，一级出口孔连通一级出口孔ha。

二级入口管道b连通二级入口孔，二级入口孔连通二级入口孔hb。

下盖板l上分别设置有贯通的一级入口孔、二级出口孔。

一级入口管道c连通一级入口孔，一级入口孔连通一级入口孔lc。

二级出口管道d连通二级出口孔，二级出口孔连通二级出口孔ld。

实施例中，盖板、上板片h、下板片l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。

换热工质在通道间流动，如此换热工质在通道间上下、前后流动，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，且换热通道尺寸为微米级，又增大流道间的压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

在具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器中采用高压气体工质作为焦汤节流制冷剂，在常温工况下使用该制冷器时，可采用焦汤节流系数大于0的气体(如氮气、氩气、二氧化碳等)或者混合工质。

为了改进现有微通道节流制冷器的不足，本选用强度较高的不锈钢为微通道结构的基板材料，将印刷电路板式的制作技术运用于此焦汤节流制冷器，板片采用印刷电路板激光刻蚀技术，通过曝光呈现原理将设计好的通道形状转移到光刻顶层光刻胶层上，进而刻蚀对应的不锈钢板表面，可接受的刻蚀槽道形状比较灵活，可以形成很好的最小特征尺寸。故采用印刷电路板激光刻蚀技术制作出所需的交叉型微通道板片。随后运用原子扩散融合焊接技术，板片之间相互接触，原子间相互扩散再结晶，形成可靠连接。与以往微通道制冷器制造技术相比优点有：

1)印刷电路板激光刻蚀技术可以刻蚀的槽道形状比较灵活，可以根据需求改变通道倾斜角度以及通道数量；

2)扩散融合焊技术能无缝叠加多个换热单元，板片数量可根据具体换热需求调节；

3)原子融合焊接工艺可基本消除焊接板片间的接触热阻，将各层板片叠加结合为一整体，成型的制冷器密封良好且结合部分没有附加热阻，增大焊接板片间的换热效率。

工质在制冷器中的流动过程如下：一级高压常温气体从制冷器c入口管道进入制冷器导流进入l下板片，流经l11下板片的一级换热段的矩形通道，在l12处更窄的矩形通道节流降温并进入扩容腔，同时与h11上板片的一级换热段内的一级回流低温返流工质换热降温；

回热节流后的一级多层低温低压气体从h12窄缝孔汇集到上板片的一级回流矩形通道h11内，最后经出口管道a流出。

二级气体通过制冷器b入口进入制冷器，直接在h21的弯折通道进行预冷，预冷区域与下板片的l21区域相对应，预冷后经过h22矩形通道，最后在h31段的窄截面矩形通道进行节流，实现更低的温度。最后，工质进入扩容腔h4进入扩容腔l4，再流经l3后经出口管道d流出。

一级工质和二级工质在l21以及后面的扩容腔区域进行换热(一级节流后的工质对二级进行预冷)后，一级工质经h12流出，二级工质继续向g31流动。

其中，二级低温回流工质不参与一级回热换热，高低压板片相邻布置，确保每条高压通道内的预冷效果尽可能均匀一致。

本实施例在结构上的创新主要是回热节流段的结构，上板片中一级和二级回热换热通道都采用矩形通道形式，可以实现在与低压通道回热换热的同时节流降温，其中通道数量、和通道长度可以根据制冷器的实际应用设计；下板片中一级和二级回热换热通道设计为矩形的通道形式，其中矩形在通道宽度上的占比可以根据实际需求调节。换热通道尺寸为微米级，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，增大流道间压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

本实例中采用的上下板片的一、二级扩容腔都采用了矩形，其中一级扩容腔的作用为实现一级制冷工质膨胀降温，制冷效果与其具体形状无直接关系，一级扩容腔里布置S型通道进行换热和导流，其分布数量和间距可以根据实际情况进行调整；二级扩容腔除了实现二级制冷工质的膨胀降温外，还充当与外界热源换热的界面，因此，其形状可以根据具体应用中热源的形状设计，可以设计为梯形、方形、圆柱型等多种型式。

实施例二

本实施例其它结构与实施例一相同，只是将一二级回热换热段都采用的矩形通道换成如图六所示的圆柱群的通道。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，上板片中一级和二级回热换热通道都采用矩形通道形式，可以实现在与低压通道回热换热的同时节流降温。

另外，矩形通道数量、和通道长度可以根据制冷器的实际应用设计。

进一步地，下板片中一级和二级回热换热通道设计为矩形的通道形式，其中矩形在通道宽度上的占比可以根据实际需求调节。

进一步地，换热通道尺寸为微米级，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，增大流道间压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

进一步地，本发明一级出口管道、二级出口管道互不连通，保证两级节流制冷工质不混流，两级可以分别采用不同的工质。

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 (5)

1.一种具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，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上板片和下板片，

所述上板片包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段，

所述出入口段呈矩形，具有贯通的上板一级入口孔、上板一级出口孔、内凹的出口凹槽以及贯通的上板二级出口孔、上板二级入口孔，所述上板一级出口孔与所述出口凹槽相连通，所述上板一级入口孔与所述出口凹槽不连通，所述出口凹槽从板的上表面向内凹，所述出口凹槽通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱，用于支撑和导流，

所述回热节流段包括依次设置的第一流道、第二流道、扩容腔、第三流道、第四流道，

所述第一流道包括多个沿所述回热节流段长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于所述上板片的厚度，

所述第二流道为内凹的矩形槽，槽底设置有多个窄缝孔，所述第二流道与所述第一流道相垂直，

所述第一流道的一端与所述出口凹槽相连通，另一端与所述第二流道连通，

所述扩容腔呈矩形，内部具有沿所述回热节流段长度方向设置的内凹且连通的S形折线槽，

所述二级入口孔和所述二级出口孔分别设置在所述上板片中部的两侧，所述二级入口孔与所述一级出口孔位于同一侧，所述二级入口孔与所述S形折线槽连通，

所述第三流道、所述第四流道分别包括多个沿所述上板片长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于所述上板片的厚度，

所述第四流道的一端与所述第三流道相连通，另一端与所述扩容段连通，

所述第二流道的底部设置有多个窄缝通孔，所述下板片的低温低压气体通过所述窄缝通孔进入所述第一流道，

所述下板片包括位于一端的出入口段、回热节流段以及扩容段，

所述出入口段呈矩形，具有贯通的下板一级入口孔、下板一级出口孔、下板二级出口孔、下板二级入口孔，

所述回热节流段呈矩形，包括依次设置的第五流道l11、第六流道、预冷区域、第七流道，

所述第五流道包括多个沿回热节流段长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于所述下板片的厚度，

所述第六流道具有沿回热节流段长度方向设置的内凹且连通的S形折线槽，且内凹的深度小于所述下板片的厚度，

所述第七流道包括多个沿所述下板片长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度小于所述下板片的厚度。

2.根据权利要求1所述的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，所述第一流道、所述第三流道、所述第四流道的尺寸均为微米级。

3.根据权利要求1所述的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，所述第四流道的宽度小于所述第三流道的宽度。

4.根据权利要求1所述的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，相邻的所述上板一级入口孔与所述下板一级入口孔连通，

相邻的所述上板一级出口孔与所述下板一级出口孔连通，

相邻的所述上板二级出口孔与所述下板二级出口孔连通，

相邻的所述上板二级入口孔与所述下板二级入口孔连通。

5.根据权利要求1所述的具有中间入口的多级预冷微通道节流换热制冷器，其特征在于，还包括：

一级出口管道、二级入口管道、一级入口管道，二级出口管道。

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