CN110486976B - 两级叠层微通道节流制冷器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的两级叠层微通道节流制冷器，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，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、高压换热段以及蒸发腔，高压换热段包括依次设置的第一级通道段、高压预冷段、二级通道段，第一级通道段包括第一流道、第二流道，第一流道、第二流道相邻设置，第一流道的一端与一级入口凹槽211相连通，另一端位于预冷段，第二流道的一端与二级入口凹槽相连通，另一端与预冷段相连通二级通道段包括依次设置的第三流道、第四流道，第三流道的一端连通预冷段，另一端与第四流道连通，第四流道的一端连通第三流道，另一端与蒸发腔连通。

Description

两级叠层微通道节流制冷器

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S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。

本发明提供了一种两级叠层微通道节流制冷器，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一级入口孔、内凹的一级入口凹槽、贯通的高压二级入口孔、内凹的二级入口凹槽、高压出口孔，高压一级入口孔与一级入口凹槽相连通，高压二级入口孔与二级入口凹槽相连通，高压出口孔与一级入口孔、二级入口孔均不连通，高压换热段包括依次设置的第一级通道段、高压预冷段、二级通道段，第一级通道段包括第一流道、第二流道，第一流道、第二流道分别为2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形槽的两端沿第一通道段的长度方向设置，第一流道、第二流道相邻设置，第一流道的一端与一级入口凹槽211相连通，另一端位于预冷段，第二流道的一端与二级入口凹槽相连通，另一端与预冷段相连通，高压预冷段中设置有多个X形凸起结构，多个X形凸起排列成矩形，高压预冷段与第一流道不连通，二级通道段包括依次设置的第三流道、第四流道，第三流道、第四流道分别为2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形槽的两端沿第一通道段的长度方向设置，第三流道的一端连通预冷段，另一端与第四流道连通，第四流道的一端连通第三流道，另一端与蒸发腔连通，低压通道板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、低压通道段，第二通道段包括第五流道、低压预冷段、第六流道，第五流道为内凹且连通的S形槽，该S形槽内凹的深度小于低压通道板的厚度，S形槽的两端沿换热段的长度方向设置，低压预冷段为呈矩形的通道，通道中设置有多个圆柱形凸起结构，多个圆柱形凸起排列成矩形，低压预冷段设置在第五流道旁且与第五流道连通，低压预冷段的位置与高压预冷段位置相对应，第六流道为内凹的直线槽，设置在第五流道与低压预冷段的一侧，低压通道段具有第七流道，第七流道为内凹且连通的S形槽，该S形槽内凹的深度小于低压通道板的厚度，S形槽的两端沿换热段的长度方向设置，第七流道的一端连通第六，另一端与蒸发腔连通。

在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，位于高压预冷段的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，在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一流道的尺寸为微米级别。

另外，在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，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，在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，低压出入口段包括贯通的低压一级入口孔、贯通的低压二级入口孔、贯通的低压一级出口孔、内凹的一级出口凹槽、贯通的低压二级出口孔、内凹的二级出口凹槽，低压一级出口孔与一级出口凹槽相连通，低压二级出口孔与二级出口凹槽相连通，低压一级入口孔、低压二级入口孔与低压一级出口孔、低压二级出口孔均不连通。

另外，在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，相邻的高压一级入口孔与低压一级入口孔相连通，相邻的高压二级入口孔与低压二级入口孔相连通，相邻的高压一级出口孔与低压一级出口孔相连通，相邻的高压二级出口孔与低压二级出口孔相连通，相邻的高压蒸发腔与低压蒸发腔相连通。

另外，在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，其特征在于，还包括一级入口管道、一级入口管道、一级出口管道以及二级出口管道，其中，上盖板上设置有贯通的二级入口孔、一级入口孔。一级入口管道连通一级入口孔，一级入口孔连通高压一级入口孔。二级入口管道连通二级入口孔，二级入口孔连通高压二级入口孔，下盖板上设置有贯通的二级出口孔、一级出口孔，一级出口管道连通一级出口孔，一级出口孔连通低压一级出口孔，二级出口管道连通二级出口孔，二级出口孔连通低压二级出口孔。

另外，在本发明提供的两级叠层微通道节流制冷器中，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

本发明所涉及的两级叠层微通道节流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S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S形结构，能够有效地增大工质行程以实现更好的预冷和减少微通道金属材料的轴向导热。

(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不设置单独的节流装置，工质在高压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)高低压板片上的预冷装置部分顺排圆柱群，可增强高低压气体各自的扰动，从而增大气体之间的换热，更好的预冷。

(5)高压板片与低压板片间隔布置，一级低压回气可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。

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两级叠层微通道节流制冷器作具体阐述。

实施例

本实施例提供的两级S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，串联两级S形叠层微通道节流制冷器包括依次叠合的上盖板70、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80以及一级进气管10、二级进气管20、一级出气管30、二级出气管40。

上盖板70上分别设置有贯通的一级入口孔、二级入口孔。

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一级入口孔51、内凹的一级入口凹槽511、贯通的二级入口孔52、内凹的二级入口凹槽521、贯通的一级出口孔55、贯通的二级出口孔49。一级入口孔51与一级入口凹槽511相连通，二级入口孔52与二级入口凹槽521相连通，一级出口孔55、二级出口孔49与一级入口孔51、二级入口孔52均不连通。实施例中，一级入口孔51、二级入口孔52的形状大小位置与上盖板70的一级入口孔、二级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53、流道54。

流道53和流道54分别为2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形槽的两端沿第一通道段的长度方向设置。

流道53为一级高压通道，流道54为二级高压通道，如图3所示，流道53和流道54相邻设置。

流道53的一端与一级入口凹槽511相连通，另一端位于预冷段55，其端部设置有导流孔531，导流孔531为通孔。流道53的S形通道的尺寸为微米级别，工质在该通道内沿着通道方向产生均匀的压降，可实现连续性降温。

流道54的一端与二级入口凹槽521相连通，另一端与预冷段55相连通。

预冷段55为呈矩形的通道，通道中设置有多个圆柱形凸起结构，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。预冷段55与流道54连通，与流道53不连通。

二级通道段包括依次设置的流道56、流道57。

流道56和流道57分别为2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形槽的两端沿第一通道段的长度方向设置。

流道56为二级高压通道，流道57为二级节流通道。

流道56的一端连通预冷段55，另一端与流道57连通。

流道57的一端连通流道56，另一端与蒸发腔58连通，流道57的宽度小于流道56的宽度。

蒸发腔58，二级节流后的气体通过蒸发腔58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一级入口孔68、贯通的二级入口孔69、贯通的一级出口孔61、内凹的一级出口凹槽611、贯通的二级出口孔62、内凹的二级出口凹槽621。一级出口孔61与一级出口凹槽611相连通，二级出口孔62与二级出口凹槽621相连通，一级入口孔68、二级入口孔69与一级出口孔61、二级出口孔62均不连通。

实施例中，一级入口孔68、二级入口孔37、一级出口孔61、二级出口孔62的形状大小位置与高压通道板50的一级入口孔51、二级入口孔52、一级出口孔55、二级出口孔49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、低压通道段。

第二通道段包括流道63、预冷段65、流道64。

流道63为内凹且连通的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。

流道63为一级低压回气通道，气体工质在该通道内对相邻高压板片的一、二级高压通道气体预冷。

预冷段65为呈矩形的通道，通道中设置有多个圆柱形凸起结构，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。预冷段65设置在流道63旁且与流道63连通。预冷段65的位置与高压通道板50上预冷段55位置相对应，高压通道板50上导流孔531流出的工质进入预冷段65，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64为内凹的直线槽，设置在流道63与预冷段65的一侧。

低压通道段具有流道66，流道66为内凹且连通的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。

流道66的一端连通流道64，另一端与蒸发腔67连通。

蒸发腔67呈矩形，蒸发腔67的位置、尺寸与蒸发腔58位置和尺寸一致，二级节流后的气体通过蒸发腔67进入低压板片。

一级高压气体由一级入口孔51处流入高压节流通道流道53，由于该处通道截面尺寸明显小于其他通道，因此一级高压气体在流道53内将沿着S型流道连续性降压，产生一个较稳定的温降梯度，降温过程中的流道53内气体可预冷与之间隔布置的二级高压通道流道24内的气体，节流降压后的一级高压气体通过导流孔531进入低压板片上的预冷段65。

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。

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。

相邻的一级入口孔51与一级入口孔68相连通，相邻的二级入口孔52与二级入口孔69相连通，相邻的一级出口孔55与一级出口孔61相连通，相邻的二级出口孔49与二级出口孔62相连通，相邻的蒸发腔58与蒸发腔67相连通。

上盖板70上设置有贯通的二级入口孔、一级入口孔。

一级入口管道10连通一级入口孔，一级入口孔连通一级入口孔51、68。

二级入口管道20连通二级入口孔，二级入口孔连通二级入口孔52、69。

下盖板80上设置有贯通的二级出口孔、一级出口孔。

一级出口管道30连通一级出口孔，一级出口孔连通一级出口孔55、61。

二级出口管道40连通二级出口孔，二级出口孔连通二级出口孔49、62。

实施例中，上盖板70、高压通道板50、低压通道板60、下盖板80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S形叠层微通道制冷器的制冷原理为：在高压板片中，一级高压气体在高压节流通道内可沿着S型流道连续性降压，产生一个较稳定的温降梯度，降温过程中的一级高压气体可预冷与之紧密布置的二级高压气体，节流降压后的一级高压气体通过导流小孔进入低压板片上的预冷装置，预冷高压板片上与之位置相对应的二级高压气体，预冷后的一级低压气体在一级低压回流通道内对相邻高压板片一级、二级高压气体预冷后排出制冷器；高压板片内的气体经过预冷装置后流经二级高压通道后半程在节流通道内节流降压，再次降温，在蒸发腔内达到试件的冷端温度，返流的二级低压回气对高压板片上二级高压气体再次预冷后，后排出试件。整个制冷过程结束。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

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

(1)金属材料微通道制冷器的轴向导热对性能的影响较大，采用S形结构的微通道能够保证行程长度下有效减小固体材料轴向导热的影响。

(2)一、二级流体通道不直接互通，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，充分利用不同工质的物性特点，最大化制冷器制冷特性。

(3)高压板片上一级高压气体通道内不设置单独的节流装置，工质在高压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间隔布置，一级低压回气可同时实现对一级高压气体与二级高压气体的预冷。

(5)高低压板片上的预冷装置部分布置顺排圆柱群，可增强高低压气体各自的扰动，从而增大气体之间的换热，更好的预冷。

(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)

1.一种两级叠层微通道节流制冷器，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一级入口孔、内凹的一级入口凹槽、贯通的高压二级入口孔、内凹的二级入口凹槽、高压出口孔，所述高压一级入口孔与所述一级入口凹槽相连通，所述高压二级入口孔与所述二级入口凹槽相连通，所述高压出口孔与所述一级入口孔、所述二级入口孔均不连通，

所述高压换热段包括依次设置的第一级通道段、高压预冷段、二级通道段，

所述第一级通道段包括第一流道、第二流道，

所述第一流道、所述第二流道分别为2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形槽的两端沿第一通道段的长度方向设置，

所述第一流道、所述第二流道相邻设置，

所述第一流道的一端与所述一级入口凹槽相连通，另一端位于所述预冷段，

所述第二流道的一端与所述二级入口凹槽相连通，另一端与所述预冷段相连通，

所述高压预冷段中设置有多个X形凸起结构，多个X形凸起排列成矩形，所述高压预冷段与所述第一流道不连通，

所述二级通道段包括依次设置的第三流道、第四流道，

所述第三流道、所述第四流道分别为2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形槽的两端沿第一通道段的长度方向设置，

所述第三流道的一端连通所述预冷段，另一端与所述第四流道连通，

所述第四流道的一端连通所述第三流道，另一端与所述蒸发腔连通，

所述低压通道板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、低压通道段，

所述第二通道段包括第五流道、低压预冷段、第六流道，

所述第五流道为内凹且连通的S形槽，该S形槽内凹的深度小于所述低压通道板的厚度，S形槽的两端沿所述换热段的长度方向设置，

所述低压预冷段为呈矩形的通道，通道中设置有多个圆柱形凸起结构，多个圆柱形凸起排列成矩形，

所述低压预冷段设置在所述第五流道旁且与所述第五流道连通，所述低压预冷段的位置与所述高压预冷段位置相对应，

所述第六流道为内凹的直线槽，设置在所述第五流道与所述低压预冷段的一侧，

低压通道段具有第七流道，所述第七流道为内凹且连通的S形槽，该S形槽内凹的深度小于所述低压通道板的厚度，S形槽的两端沿换热段的长度方向设置，

所述第七流道的一端连通所述第六流道，另一端与所述蒸发腔连通，位于所述高压预冷段的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所述的两级叠层微通道节流制冷器，其特征在于：

其中，所述第一流道的尺寸为微米级别。

3.根据权利要求1所述的两级叠层微通道节流制冷器，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所述的两级叠层微通道节流制冷器，其特征在于：

其中，所述低压出入口段包括贯通的低压一级入口孔、贯通的低压二级入口孔、贯通的低压一级出口孔、内凹的一级出口凹槽、贯通的低压二级出口孔、内凹的二级出口凹槽，

所述低压一级出口孔与一级出口凹槽相连通，所述低压二级出口孔与二级出口凹槽相连通，所述低压一级入口孔、所述低压二级入口孔与所述低压一级出口孔、所述低压二级出口孔均不连通。

5.根据权利要求4所述的两级叠层微通道节流制冷器，其特征在于：

其中，相邻的高压一级入口孔与低压一级入口孔相连通，

相邻的所述高压二级入口孔与所述低压二级入口孔相连通，

相邻的高压一级出口孔与所述低压一级出口孔相连通，

相邻的高压二级出口孔与所述低压二级出口孔相连通，

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5所述的两级叠层微通道节流制冷器，其特征在于，还包括：

一级入口管道、二级入口管道、一级出口管道以及二级出口管道，

其中，所述上盖板上设置有贯通的二级入口孔、一级入口孔，

所述一级入口管道连通所述一级入口孔，所述一级入口孔连通所述高压一级入口孔，

所述二级入口管道连通所述二级入口孔，所述二级入口孔连通所述高压二级入口孔，

所述下盖板上设置有贯通的二级出口孔、一级出口孔，

所述一级出口管道连通所述一级出口孔，所述一级出口孔连通所述低压一级出口孔，

所述二级出口管道连通所述二级出口孔，所述二级出口孔连通所述低压二级出口孔。

7.根据权利要求1所述的两级叠层微通道节流制冷器，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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