CN110486975B - 二级矩形叠层微通道制冷器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的二级矩形叠层微通道制冷器，包括依次叠合的上盖板、上部内盖板、上下交错叠合的多个高压通道板以及多个低压通道板、下部内盖板、下盖板，高压通道板呈矩形，包括依次设置的换热段以及蒸发腔，换热段包括依次设置的第一通道段、预冷段、二级通道段，第一通道段包括多个第一流道、第二流道、第三流道，第一流道、第二流道、第三流道均为内凹的直线槽，内凹的深度小于高压通道板的厚度，直线槽沿第一通道段的长度方向设置，多个第一流道和第二流道相邻且交错设置，第三流道为第一流道的延伸段，第三流道的宽度小于第一流道的宽度，预冷段呈矩形，具有内凹的S形槽，预冷段与第二流道连通，与第一流道不连通。
Description
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二级矩形微通道节流制冷器。
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。
另外，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
为了解决上述问题，并保证制冷量的同时使得冷端温度达到更低的温区，本发明提供了一款含预冷装置的两级微通道节流制冷器。
本发明提供了一种二级矩形叠层微通道制冷器，具有这样的特征，包括依次叠合的上盖板、上部内盖板、上下交错叠合的多个高压通道板以及多个低压通道板、下部内盖板、下盖板，高压通道板呈矩形，包括依次设置的换热段以及蒸发腔，换热段包括依次设置的第一通道段、预冷段、二级通道段，第一通道段包括多个第一流道、第二流道、第三流道，第一流道、第二流道、第三流道均为内凹的直线槽，内凹的深度小于高压通道板的厚度，直线槽沿第一通道段的长度方向设置，多个第一流道和第二流道相邻且交错设置，第三流道为第一流道的延伸段，第三流道的宽度小于第一流道的宽度，预冷段呈矩形，具有内凹的S形槽，预冷段与第二流道连通，与第一流道不连通。
在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第三流道的一端与第一流道连通，另一端设置有导流通孔。
另外，在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，二级通道段包括多条内凹的S形槽，S形槽采用多通道并排排列形式，二级通道段中的S形槽尺寸为微米级。
另外，在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一流道的一端设置有第一流道进气通孔，另一端与第一流道连通，上部内盖板上设置有多个间隔排列成直线的一级进气通孔,多个一级进气通孔的位置分别与第一流道进气通孔相对应。
另外，在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，低压通道板呈矩形，包括出入口段、低压换热段以及蒸发腔，出入口段具有多个贯通的多个入口通孔、出口凹槽，出口凹槽与入口通孔不连通，出口凹槽通过板的侧面连通外部。
另外，在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第二流道的一端设置有第二流道进气通孔，另一端与预冷段连通，下部内盖板上设置有多个间隔排列成直线的二级进气通孔,多个二级进气通孔的位置分别与第二流道进气通孔相对应。
另外，在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，多个入口通孔的位置分别与第一流道进气通孔、第二流道进气通孔相对应。
另外，在本发明提供的二级矩形叠层微通道制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一上板片和第一下板片之间的连接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二级矩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，本发明的二级矩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通道单元均采用平行矩形槽道结构，可在同一横截面布置多条通道，提高制冷器试件的紧凑度。
(2)一、二级流体通道互不混合，可以根据实际的需求选取不同工质、不同工况的气体作为一、二级工质。
(3)一级高压气体通道内节流元件也采用尺寸更小沿径向布置的矩形通道，工质在节流通道内连续性降压降温可充分地预冷与之间隔布置的二级高压气体。
(4)高压板片与低压板片上的预冷装置部分分别布置有折流挡板与顺排圆柱群，可增强气体的扰动，从而强化一级低压气体与二级高压气体间的换热，更好的预冷。
(5)高压板片与低压板片间隔布置，低压板片中的一级与二级低压混合回气可同时实现对一级高压气体与二级高压气体的同时预冷。
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二级矩形叠层微通道制冷器作具体阐述。
实施例
如图1、2所示，二级矩形叠层微通道制冷器包括依次叠合的上盖板30、上部内盖板50、上下交错叠合的多个高压通道板70以及多个低压通道板80、下部内盖板60、下盖板40以及一级进气管10、二级进气管20。
高压通道板70呈矩形，包括依次设置的换热段以及蒸发腔。
如图3所示，高压通道板70换热段包括依次设置的第一通道段、预冷段77、二级通道段。
第一通道段包括多个流道73、流道74、流道75。
流道73、流道74、流道75分别包括多条内凹的直线槽，该直线槽内凹的深度小于高压通道板70的厚度，直线槽的两端沿第一通道段的长度方向设置。
流道73为一级高压通道，流道74为二级高压通道，如图3所示，流道73和流道74相邻且交错设置。
如图3中局部放大图A、B、C所示，流道75为流道73的延伸段，宽度减小。
流道73的一端设置有与上部内盖板50上的一级进气通孔相对应的通孔71，另一端与流道75连通，流道75的一端与流道73连通，另一端位于预冷段77旁，其端部设置有导流孔76，导流孔76为通孔。
流道74的一端设置有与下部内盖板60上的二级进气通孔相对应的通孔72。
预冷段77为呈矩形的通道，通道中内凹的S形槽。预冷段77与流道74连通，与流道73不连通。
二级通道段包括流道78，流道78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70的厚度，S形槽的两端沿二级通道段的长度方向设置。
流道78的一端与预冷段77连通，另一端与蒸发腔79连通。
实施例中，流道77采用三通道并排形式，该通道尺寸为微米级别。
蒸发腔79，二级节流后的气体通过蒸发腔79进入低压板片。
低压通道板80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80与高压通道板70外形尺寸大小相同。
如图4所示，低压通道板80出入口段具有多个贯通的多个入口通孔81、出口凹槽82。
多个入口通孔81的位置、尺寸分别与通孔71、通孔72相对应。出口凹槽82与入口通孔81不连通，如图4中局部放大图A所示，出口凹槽82在板的侧面是连通外部的。
实施例中，多个入口通孔81的形状大小位置与高压通道板70的多个通孔71、通孔72的形状大小位置相同。
低压通道板80换热段包括依次设置的流道83、通道84、预冷段、流道86。
流道83包括多个沿低压通道板80换热段长度方向设置的直线通道，该直线通道为内凹的矩形槽，内凹的深度低压通道板80的厚度。流道83为低压通道。
通道84为内凹的矩形通道。
流道83一端连通出口凹槽16，另一端连通通道84。
预冷段包括两个并排设置的矩形通道85，如图4中局部放大图B所示，通道85中设置有多个圆柱形凸起结构852，多个圆柱形凸起排列成矩形，圆柱形凸起结构具有对工质起到绕流作用。两个通道85之间设置有通道851。
预冷段85的位置与高压通道板70上预冷段77位置相对应，高压通道板70上导流孔76流出的工质进入预冷段85，节流后的一级低压气体预冷相邻板片的二级高压气体。
流道86为二级低压回气通道，具有内凹且连通的S形槽，该S形槽内凹的深度小于低压通道板60的厚度，S形槽的两端沿换热段的长度方向设置。
通道851呈直线状，一端连通通道84，另一端连通流道86。
蒸发腔87呈矩形，蒸发腔87的位置、尺寸与蒸发腔79位置和尺寸一致，并与蒸发腔79互通，二级节流后的气体通过蒸发腔87进入低压板片。
流道86一端连通通道851，另一端连通蒸发腔87。
如图2所示，在上盖板3的左侧设置有一级进气管10，上盖板30下部为上部内盖板50，作用在于允许一级气体进入一级高压通道而阻止其进入二级高压通道。高压通道板70与低压通道板80间隔布置，形成一个完整的节流制冷单元，根据需求的不同，可设置多个完整的换热单元。在下盖板40的左侧设置有二级进气管20，下盖板40上部为下部内盖板60，作用在于允许二级气体进入二级高压通道而阻止其进入一级高压通道。
上盖板30上设置有贯通的一级入口孔。
上部内盖板50设置有多个间隔排列成直线的一级进气通孔,作用在于允许一级气体进入一级高压通道而阻止其进入二级高压通道。
多个一级进气通孔沿上部内盖板50的宽度呈直线排列，位于上部内盖板50的一端，实施例中，位于图1的左端。
下盖板40上分别设置有多个贯通的二级入口孔。
下部内盖板60设置有多个间隔排列成直线的二级进气通孔,作用在于允许二级气体进入二级高压通道而阻止其进入一级高压通道。
多个二级进气通孔沿下部内盖板60的宽度呈直线排列，位于下部内盖板60的一端。
上部内盖板50的多个一级进气通孔的位置分别与高压通道板70上通孔71相对应且连通，下部内盖板60的多个二级进气通孔的位置分别与高压通道板70上通孔72相对应且连通。
实施例中，高压通道板70、低压通道板80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70与单个低压通道板80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，二级矩形微通道节流制冷器包括6组相互叠加的节流制冷单元。
二级矩形微通道节流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。
实施例中，上盖板30、上部内盖板50、高压通道板70、低压通道板80、下部内盖板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。
本实施例中的两级矩形叠层微通道制冷器的制冷原理如下：
一、二级工质在入口可由不同气源进入各自通道，而在出口，一二级低压流体混合后一起排出制冷器。一二级气体分别由一级进气管10、二级进气管20进入上、下部内盖板50、60，上、下部内盖板50、60可使一二级高压气体分流分别进入图4入口通孔81。
如图5所示，一级气体经过上部内盖板50后进入高压通道板70的通孔71，然后经过一级高压通道73到达一级节流通道75，在通道75内降压降温，降温后的气体由贯穿的导流小孔76流向低压板片80预冷段85，在预冷段85内预冷相邻高压板片相同位置预冷段77内二级高压气体，预冷段85内的气体预冷后进入一级低压通道83；二级气体经过入口通孔81后由二级进气口通孔71通过二级高压通道74进入S型预冷部分77接受一级降压后气体在预冷段85位置的预冷、预冷后的二级气体进入节流段78节流再次降温变为二级低压气体进入高压板片蒸发腔79、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87、二级回热段86，在二级回热段86内的低压气体同样能对相邻板片节流通道78内的气体预冷，预冷后的二级低压气体在预冷部分中间通道851与一级低压气体混合为一股流体，混合流体在并行的多条低压通道83内同时对一、二级高压通道73、74进行预冷。预冷后的混合低压气体在出口区82直接排出制冷器，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分别作为一级、二级制冷工质。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的二级矩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，本实施例的二级矩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通道单元均采用平行矩形槽道结构，可在同一横截面布置多条通道，提高制冷器试件的紧凑度。
(2)一、二级流体通道互不混合，可以根据实际的需求选取不同工质、不同工况的气体作为一、二级工质。
(3)一级高压气体通道内节流元件也采用尺寸更小沿径向布置的矩形通道，工质在节流通道内连续性降压降温可充分地预冷与之间隔布置的二级高压气体。
(4)高压板片与低压板片上的预冷装置部分分别布置有折流挡板与顺排圆柱群，可增强气体的扰动，从而强化一级低压气体与二级高压气体间的换热，更好的预冷。
(5)高压板片与低压板片间隔布置，低压板片中的一级与二级低压混合回气可同时实现对一级高压气体与二级高压气体的同时预冷。
(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。
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 (2)
1.一种二级矩形叠层微通道制冷器，其特征在于，包括：
依次叠合的上盖板、上部内盖板、上下交错叠合的多个高压通道板以及多个低压通道板、下部内盖板、下盖板，
所述高压通道板呈矩形，包括依次设置的换热段以及蒸发腔，
所述换热段包括依次设置的第一通道段、预冷段、二级通道段，
所述第一通道段包括多个第一流道、第二流道、第三流道，
所述第一流道、所述第二流道、所述第三流道均为内凹的直线槽，内凹的深度小于所述高压通道板的厚度，所述直线槽沿第一通道段的长度方向设置，
多个所述第一流道和所述第二流道相邻且交错设置，
所述第三流道为第一流道的延伸段，所述第三流道的宽度小于所述第一流道的宽度，
所述预冷段呈矩形，具有内凹的S形槽，所述预冷段与所述第二流道连通，与所述第一流道不连通，
所述第三流道的一端与所述第一流道连通，另一端设置有导流通孔，
所述第一流道的一端设置有第一流道进气通孔，另一端与所述第一流道连通，
所述上部内盖板上设置有多个间隔排列成直线的一级进气通孔，多个所述一级进气通孔的位置分别与所述第一流道进气通孔相对应，
所述低压通道板呈矩形，包括出入口段、低压换热段以及蒸发腔，
所述出入口段具有多个贯通的多个入口通孔、出口凹槽，
所述出口凹槽与所述入口通孔不连通，所述出口凹槽通过板的侧面连通外部，
所述第二流道的一端设置有第二流道进气通孔，另一端与所述预冷段连通，
所述下部内盖板上设置有多个间隔排列成直线的二级进气通孔，多个所述二级进气通孔的位置分别与所述第二流道进气通孔相对应，
多个所述入口通孔的位置分别与所述第一流道进气通孔、所述第二流道进气通孔相对应。
2.根据权利要求1所述的二级矩形叠层微通道制冷器，其特征在于：
其中，所述二级通道段包括多条内凹的S形槽，所述S形槽采用多通道并排排列形式，所述二级通道段中的S形槽尺寸为微米级。
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2019
- 2019-08-29 CN CN201910807313.0A patent/CN110486975B/zh active Active
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110486975A (zh) | 2019-11-22 |
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