CN110486977B - 多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，包括依次叠合的上盖板、上下交错叠合的多个上板以及多个下板、下盖板，第一流道设置在上板板宽的中部，包括多个沿上板长度方向设置的直线通道，第一流道的一端与出口凹槽连通，第二流道包括多个沿上板长度方向设置的直线通道以及多个与该直线通道连通的U形通道，两个直线通道分别设置在第一流道的两侧，直线通道的一端与二级入口凹槽连通，另一端与U形通道连通，第三流道包括多个沿上板长度方向设置的直线通道，第四流道呈矩形，第四流道中设置有多个人字形凸起结构，多个人字形凸起交错设置排列成矩形，第三流道的一端连通U形通道，另一端连通第四流道。

Description

多级两侧预冷叠层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多级两侧预冷叠层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。综上，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，制约了微通道节流制冷器的应用与发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明是提供一种多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器。

本发明提供了一种多级两侧预冷叠层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、上下交错叠合的多个上板以及多个下板、下盖板，上板呈矩形，设置有贯通的上板二级入口孔、内凹的二级入口凹槽、上板出口孔、内凹的出口凹槽、上板一级入口孔、第一流道、两个第二流道、第三流道、第四流道，第一流道设置在上板板宽的中部，包括多个沿上板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的厚度，第一流道的一端与出口凹槽连通，第二流道包括多个沿上板长度方向设置的直线通道以及多个与该直线通道连通的U形通道，两个直线通道分别设置在第一流道的两侧，直线通道的一端与二级入口凹槽连通，另一端与U形通道连通，两个U形通道相对设置在第一流道的一端，第三流道包括多个沿上板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的厚度。第四流道呈矩形，第四流道中设置有多个人字形凸起结构，多个人字形凸起交错设置排列成矩形，第三流道的一端连通U形通道，另一端连通第四流道。

在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一流道的端部两侧设置有两个通孔。

另外，在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一流道的端部与一级入口孔之间的出口凹槽的底面上阵列间隔设置有多个直立的具有支撑和导流的作用微圆柱。

另外，在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，下板设置有贯通的下板二级入口孔、下板出口孔、内凹的出口凹槽、下板一级入口孔、内凹的一级入口凹槽、第五流道、两个第六流道、第七流道、第一扩容腔、第八流道、第九流道、第二扩容腔，下板一级入口孔与一级入口凹槽相连通，下板出口孔与出口凹槽连通。

另外，在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第五流道设置在下板板宽的中部，包括多个沿下板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的厚度，第五流道的一端与一级入口凹槽连通，另一端与第七流道连通，第七流道呈矩形，第七流道中设置有多个人字形凸起结构阵列，多个人字形凸起交错设置排列成矩形。

另外，在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第一扩容腔呈矩形，内部设置有两个水平的隔断条，第五流道、第七流道、扩容腔沿下板长度方向依次设置且连通，第六流道包括多个沿下板长度方向设置的直线通道以及多个与直线通道连通的直角形通道，两个直线通道分别设置在第五流道、第七流道、扩容腔的两侧，直线通道一端与出口凹槽连通连通，另一端与直角形通道连通，两个直角形通道相对设置在扩容腔的外侧，并将扩容腔包含在内。

另外，在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，第八流道包括多个沿下板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的厚度，第二扩容腔为贯通上下板面的通孔，第二扩容腔设置在第八流道的一端，第八流道的一端连通直角形通道，另一端连通第二扩容腔。

另外，在本发明提供的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，上板和下板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

本发明所涉及的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，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。

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，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。

另外，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，一级扩容腔里布置交错的椭圆形进行节流和导流；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。

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爆炸示意图；

图3是本发明的实施例中上板片流道分布示意图；

图4是图3中局部A的放大示意图；

图5是图3中局部B的放大示意图；

图6是本发明的实施例中下板片流道分布示意图；

图7是图6中局部C的放大示意图；

图8是本发明的实施例中高低压换热单元图；

图9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多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器作具体阐述。

实施例一

如图1、2所示，多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器包括依次叠合的上盖板d、上下交错叠合的多个上板g以及多个下板f、下盖板e以及一级入口管道c、二级入口管道a、出口管道b。

上盖板d上分别设置有贯通的二级入口孔、出口孔。

上盖板e上设置有贯通的一级入口孔。

如图3、图4所示，上板g呈矩形，设置有贯通的二级入口孔ga、内凹的二级入口凹槽gac、出口孔gb、内凹的出口凹槽gbc、一级入口孔gc、流道g11、两个流道g12、流道g31、流道g32、扩容腔g4。

二级入口孔ga与二级入口凹槽gac相连通，出口孔gb与出口凹槽gbc连通。实施例中，二级入口孔ga、出口孔gb、一级入口孔gc依次沿上板g的长度方向呈直线设置，位于上板g的左端的中部。二级入口孔ga、出口孔gb的形状大小位置与上盖板d上的二级入口孔、出口孔的形状大小位置相同，二级入口凹槽gac呈U形，在U形的两个端部通道内的槽底面上分别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。

流道g11在上板g板宽的中部，包括多个沿上板g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g的厚度。流道g11为一级回流通道，流道g11的一端与出口凹槽gbc连通，另一端的端部设置有两个通孔g2，两个通孔g2位于流道g11的两侧。

在流道g11的一端与一级入口孔gc之间的出口凹槽g1ac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。

流道g12包括多个沿上板g长度方向设置的直线通道g121以及多个与直线通道连通的U形通道g122。

两个直线通道g121分别设置在流道g11的两侧，一端与二级入口凹槽gac连通，另一端与U形通道g122连通，两个U形通道g122相对设置在流道g11的一端，U形通道g122的U形的开口朝外。

流道g31包括多个沿上板g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g的厚度。

流道g32呈矩形，流道g32中设置有多个人字形凸起321结构阵列，多个人字形凸起321交错设置排列成矩形，如图5所示的人字形凸起321结构阵列具有对工质起到绕流作用。

流道g31的一端连通U形通道g122，另一端连通流道g32。

扩容腔g4为贯通上下板面的通孔，扩容孔形状可以为矩形、梯形、椭圆形等形状。实施例中，扩容腔g4的形状为矩形，扩容腔g4设置在流道g32的一端，并与流道g32连通。

如图6所示，下板f呈矩形，设置有贯通的二级入口孔fa、、出口孔fb、内凹的出口凹槽fbc、一级入口孔fc、内凹的一级入口凹槽、流道f11、两个流道f12、流道f2、扩容腔f5、流道f3、流道g32、扩容腔f4。

一级入口孔fc与一级入口凹槽fcc相连通，出口孔fb与出口凹槽fbc连通。实施例中，二级入口孔fa、出口孔fb、一级入口孔fc依次沿下板f的长度方向呈直线设置，位于下板f的左端的中部。一级入口孔fc的形状大小位置与下盖板e上的一级入口孔的形状大小位置相同，出口凹槽fbc呈V形，出口孔fb位于V形的折点端。

流道f11设置在下板f板宽的中部，包括多个沿下板f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f的厚度。流道f11的一端与一级入口凹槽fcc连通，另一端与流道f2连通。

如图7所示，流道f2呈矩形，流道f2中设置有多个人字形凸起结构阵列，多个人字形凸起交错设置排列成矩形，该人字形凸起结构阵列具有对工质起到绕流作用。

如图7所示，图中箭头X表示工质的流向。

扩容腔f5呈矩形，内部设置有两个水平的隔断条f51。

流道f11、流道f2、扩容腔f5沿下板f长度方向依次设置且连通。

如图5所示，流道f12包括多个沿下板f长度方向设置的直线通道f121以及多个与直线通道连通的直角形通道f122。

两个直线通道f121分别设置在流道f11、流道f2、扩容腔f5的两侧，一端与出口凹槽fbc连通，另一端与直角形通道f122连通，两个直角形通道f122相对设置在扩容腔f5的外侧，并将扩容腔f5包含在内。

流道f3包括多个沿下板f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f的厚度。

扩容腔f4为贯通上下板面的通孔，扩容孔形状可以为矩形、梯形、椭圆形等形状。实施例中，扩容腔f4的形状为矩形，扩容腔f4设置在流道f3的一端，并与流道f3连通。

流道f3的一端连通直角形通道f122，另一端连通扩容腔f4。

扩容腔f4的位置、尺寸与扩容腔g4位置和尺寸一致，上板g二级节流后的气体通过扩容腔f4进入低压板片。

实施例中，上板g、下板f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。

上板g、下板f叠加构成一个如图8所示的节流制冷单元。

实施例中，微通道节流制冷器包括2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、2组相互叠加的节流制冷单元、下盖板。

相邻的一级入口孔gc与一级入口孔fc相连通，相邻的二级入口孔ga与二级入口孔fa相连通，相邻的出口孔gb与出口孔fb相连通，相邻的蒸发腔g4与蒸发腔f4相连通。

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gc与一级入口孔fc。

二级入口管道a连通二级入口孔，二级入口孔连通二级入口孔ga与二级入口孔fa。

出口管道b连通出口孔，出口孔连通出口孔gb与出口孔fb。

实施例中，上盖板d、上板g、下板f、下盖板e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。

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一级入口管道c进入制冷器导流进入下板f，流经下板片的一级换热段的矩形通道f11，在流道f2处节流降温并进入扩容腔f5，同时与上板g上的流道g11上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g2孔汇集到上板g的一级回流矩形通道g11内，最后经出口管道b流出。

其中，在扩容腔最后阶段，气体通过人字形与通道壁之间的窄缝最终流进g2孔，设置成在窄缝流过的原因是能增大阻力，延长流体在扩容腔内滞留的时间。

二级气体通过制冷器二级入口a进入制冷器，经过通道g12到达通道g31，期间在下板f扩容腔f5相对应的位置进行一级预冷，最后在流道g32的位置进行节流，实现更低的温度。最后，工质通过扩容腔g4进入扩容腔f4，再流经流道f3和流道f12后经出口管道b流出。

一级工质和二级工质在流道f2以及后面的扩容腔f5区域进行换热(一级节流后的工质对二级进行预冷)后，一级工质经流道g11流出，二级工质继续向流道g31流动。

其中，二级低温回流工质不参与一级回热换热，其流经一级范围的通道f12设计在一级回热换热不接触的两侧，高低压板片相邻布置，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，一级扩容腔里布置有交错的人字形，制冷工质在人字形的窄缝中进行节流和导流，人字形凸起的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。

在微通道焦汤节流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。

制冷器采用印刷电路板刻蚀技术，可根据制冷换热需求预先设计刻出不同斜度的板片，再采用原子扩散融合焊接技术，本发明中设计的制冷器加工方便，实际可行，刻制板片的通道尺寸可以达到微米级别，制冷工质为高压气体，制冷器采用不锈钢材料，承压能力强，安全可靠。

本发明确保加工过程切实可行，实施方便，每个微通道板片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。

制作工艺：

为了改进现有微通道节流制冷器的不足，本实施例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。

实施例二

本实施例其它结构与实施例一相同，只是将实施例一中的一二级回热换热段都采用的矩形通道换成如图9所示的圆柱群的通道。

实施例的作用与效果

本实施例所涉及的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，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。

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，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。

另外，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，一级扩容腔里布置交错的椭圆形进行节流和导流；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。

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)

1.一种多级两侧预冷叠层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、上下交错叠合的多个上板以及多个下板、下盖板，

所述上板呈矩形，设置有贯通的上板二级入口孔、内凹的二级入口凹槽、上板出口孔、内凹的出口凹槽、上板一级入口孔、第一流道、两个第二流道、第三流道、第四流道，

所述第一流道设置在所述上板板宽的中部，包括多个沿所述上板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的厚度，所述第一流道的一端与所述出口凹槽连通，

所述第二流道包括多个沿所述上板长度方向设置的直线通道以及多个与该直线通道连通的U形通道，

两个所述直线通道分别设置在所述第一流道的两侧，所述直线通道的一端与所述二级入口凹槽连通，另一端与所述U形通道连通，两个所述U形通道相对设置在所述第一流道的一端，

所述第三流道包括多个沿所述上板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的厚度，

所述第四流道呈矩形，所述第四流道中设置有多个人字形凸起结构，多个人字形凸起交错设置排列成矩形，

所述第三流道的一端连通所述U形通道，另一端连通所述第四流道，

所述第一流道的端部两侧设置有两个通孔，

所述下板设置有贯通的下板二级入口孔、下板出口孔、内凹的出口凹槽、下板一级入口孔、内凹的一级入口凹槽、第五流道、两个第六流道、第七流道、第一扩容腔、第八流道、第九流道、第二扩容腔，

所述下板一级入口孔与一级入口凹槽相连通，所述下板出口孔与出口凹槽连通，

所述第五流道设置在所述下板板宽的中部，包括多个沿所述下板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的厚度，

所述第五流道的一端与所述一级入口凹槽连通，另一端与所述第七流道连通，

所述第七流道呈矩形，所述第七流道中设置有多个人字形凸起结构阵列，多个人字形凸起交错设置排列成矩形。

2.根据权利要求1所述的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，所述第一流道的端部与所述一级入口孔之间的所述出口凹槽的底面上阵列间隔设置有多个直立的具有支撑和导流的作用微圆柱。

3.根据权利要求1所述的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，所述第一扩容腔呈矩形，内部设置有两个水平的隔断条，

所述第五流道、所述第七流道、所述扩容腔沿所述下板长度方向依次设置且连通，

所述第六流道包括多个沿所述下板长度方向设置的直线通道以及多个与直线通道连通的直角形通道，

两个所述直线通道分别设置在所述第五流道、所述第七流道、所述扩容腔的两侧，所述直线通道一端与所述出口凹槽连通连通，另一端与所述直角形通道连通，两个所述直角形通道相对设置在所述扩容腔的外侧，并将所述扩容腔包含在内。

4.根据权利要求1所述的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，所述第八流道包括多个沿所述下板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的厚度，

所述第二扩容腔为贯通上下板面的通孔，所述第二扩容腔设置在所述第八流道的一端，

所述第八流道的一端连通直角形通道，另一端连通所述第二扩容腔。

5.根据权利要求1所述的多级两侧预冷叠层微通道节流换热制冷器，其特征在于：

其中，所述上板和所述下板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。

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