CN111912132A - 焦耳-汤姆逊制冷器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷与传热技术领域，提供一种焦耳‑汤姆逊制冷器件及其制备方法，包括热量交换层和低温冷却层；热量交换层包括第一涡旋通道和第二涡旋通道，第一涡旋通道和第二涡旋通道交错设置，第一涡旋通道的入口连接高压气体入口，第二涡旋通道的出口通过低压气体流出通道与低压气体出口连接；低温冷却层包括蒸发腔和节流通道，节流通道的入口与第一涡旋通道的出口连接，节流通道的出口与蒸发腔的入口连接，蒸发腔的出口通过低压气体回流通道与第二涡旋通道的入口连接。本发明低功耗，体积小，制冷范围广，易于集成化，可进行批量化生产，广泛应用于空间光学器件、红外测量器件及超导器件的制冷。

Description

焦耳-汤姆逊制冷器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及制冷与传热技术领域，尤其涉及一种焦耳-汤姆逊制冷器件及其制备方法。

背景技术

作为目前空间光学测量器件、红外测量器件以及超导器件重要的制冷手段之一，芯片级的微型焦耳-汤姆逊制冷器件的设计及制备方法的研究都备受关注。为了能够制备出可用于芯片集成的焦耳-汤姆逊制冷器件，近年来世界上有多种结构被提出，主要有基于硬质材料的单层结构器件，基于柔性材料的多层结构器件。

目前微型焦耳-汤姆逊器件面临的主要技术难点在于，由于微型器件的尺寸限制，冷热流交换面积不足，采用同一种材料很难同时满足该技术提升的两个设计要求：另外制冷端通道材料的导热系数要小，以减小传热负载对制冷效果的影响，然而在冷热流交换部分材料的导热系数要大，以保证冷热流热量的充分交换。

发明内容

基于此，本发明实施例提供了一种焦耳-汤姆逊制冷器件及其制备方法，以解决现有技术中的焦耳-汤姆逊器件的冷热流交换面积不足，制冷端通道材料的导热与冷热流交换部分材料的导热不均衡的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种焦耳-汤姆逊制冷器件，包括：

热量交换层，包括第一涡旋通道和第二涡旋通道，所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道交错设置，所述第一涡旋通道的入口连接高压气体入口，所述第二涡旋通道的出口通过低压气体流出通道与低压气体出口连接；

低温冷却层，包括蒸发腔和节流通道，所述节流通道的入口与所述第一涡旋通道的出口连接，所述节流通道的出口与所述蒸发腔的入口连接，蒸发腔的出口通过低压气体回流通道与所述第二涡旋通道的入口连接。

进一步地，所述热量交换层的导热系数高于所述低温冷却层的导热系数。

进一步地，所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道的截面高度范围均为100～1000微米；

所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道的截面宽度范围均为50～300微米；

所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道的圈数范围均为1～100圈。

进一步地，所述第一涡旋通道和第二涡旋通道之间的间距范围为2～100微米。

进一步地，所述蒸发腔的宽度范围为500微米～5毫米，长度范围为500微米～5毫米，高度范围为500微米～5毫米。

进一步地，所述节流通道为蛇形结构通道；

所述蛇形结构通道的截面尺寸小于所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道交错设置的截面尺寸。

进一步地，所述蛇形结构通道的高度范围为10微米～500微米，宽度范围为10微米～500微米。

进一步地，所述热量交换层与所述低温冷却层的连接处均设有通孔；所述热量交换层的气体口与所述低温冷却层的气体口通过所述通孔连接。

本发明实施例的第二方面提供了一种焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法，包括：

制备包括第一涡旋通道和第二涡旋通道的热量交换层，所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道交错制备；

制备包括蒸发腔和节流通道的低温冷却层，所述节流通道的出口与所述蒸发腔的入口连接；

将所述热量交换层与所述低温冷却层进行键合，其中所述第一涡旋通道的入口接收高压气体，所述第一涡旋通道的出口与所述节流通道的入口连接，所述蒸发腔的出口通过低压气体回流通道与所述第二涡旋通道的入口连接，所述第二涡旋通道的出口输出低压气体。

进一步地，所述焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法还包括：

利用硅片制备所述热量交换层，所述热量交换层还包括与所述低温冷却层进行阳极对位键合的对准结构；

利用玻璃片制备所述低温冷却层，所述低温冷却层还包括与所述热量交换层进行阳极对位键合的对准结构；

采用阳极对位键合方法将所述热量交换层与所述低温冷却层进行键合。

本发明实施例的焦耳-汤姆逊制冷器件及其制备方法与现有技术相比存在的有益效果是：制冷器件将热量交换层和低温冷却层分离，减少了制冷端热损耗对器件性能造成的影响，提高了制冷器件的性能；其中热量交换层包括第一涡旋通道和第二涡旋通道，第一涡旋通道和第二涡旋通道交错设置，增加了器件冷热流的热量交换效率，提高了器件性能；低温冷却层包括蒸发腔和节流通道，节流通道的入口与第一涡旋通道的出口连接，节流通道的出口与蒸发腔的入口连接，蒸发腔的出口通过低压气体回流通道与第二涡旋通道的入口连接，实现了结构尺寸小，制冷范围广，且易于集成化，可进行批量化生产，广泛应用于空间光学器件、红外测量器件及超导器件的制冷。

附图说明

图1是本发明实施例提供的焦耳-汤姆逊制冷器件的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的热量交换层的俯视图；

图3是本发明实施例提供的热量交换层的侧视图；

图4是本发明实施例提供的低温冷却层的侧视图；

图5是本发明实施例提供的低温冷却层的底视图；

图6是本发明实施例提供的热量交换层与低温冷却层的阳极对位键合示意图；

图7是本发明实施例提供的焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法的实现流程示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法的实现流程示意图；

其中，1为热量交换层，2为低温冷却层，3为热量交换层的对准结构，4为低温冷却层的对准结构，101为第一涡旋通道，102为第二涡旋通道，103为涡旋通道的截面结构，201为蒸发腔，202为节流通道，203为低压气体回流通道，204为高压气体入口，205为低压气体出口，206为低压气体流出通道。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，为本实施例中焦耳-汤姆逊制冷器件的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

本实施例的焦耳-汤姆逊制冷器件主要包括：热量交换层1和低温冷却层2，低温冷却层2设置在热量交换层1下方。本实施例的焦耳-汤姆逊制冷器件属于制冷与传热技术领域，可以应用于光学器件、红外测量器件、雷达探测器及超导器件等需要低温工作的环境中。

其中，热量交换层1包括第一涡旋通道101和第二涡旋通道102，参见图2和图3，第一涡旋通道101和第二涡旋通道102交错设置，第一涡旋通道101的入口连接高压气体入口204，第二涡旋通道102的出口通过低压气体流出通道206与低压气体出口205连接。

低温冷却层2包括蒸发腔201和节流通道202，参见图4和图5，节流通道202的入口与第一涡旋通道101的出口连接，节流通道202的出口与蒸发腔201的入口连接，蒸发腔201的出口通过低压气体回流通道203与第二涡旋通道102的入口连接。

本实施例将蒸发腔201、节流通道202与热量交换层1分别处于不同层，可以保证冷、热流充分换热的同时，尽量减少制冷端热损耗对器件性能造成的影响，进一步提高了器件的性能；热量交换层1具有内外涡旋通道交错构成的大面积热量交换区间，增加器件冷热流的热量交换效率，提高器件性能，低温冷却层2具有小尺寸截面的节流通道202和用于冷却的蒸发腔201，可大规模批量化生产，具有低功耗、小体积、多温区制冷范围以及易于集成化封装的优点。

在一个实施例中，热量交换层1的导热系数高于低温冷却层2的导热系数。示例性的，热量交换层1由硅片等导热系数较高的材料构成，低温冷却层2由玻璃片等导热系数较低的材料构成，可提高器件的制冷性能。

可选的，本实施例的第一涡旋通道101和第二涡旋通道102的截面高度范围均可以为100～1000微米，第一涡旋通道101和第二涡旋通道102的截面宽度范围均可以为50～300微米，第一涡旋通道101和第二涡旋通道102的圈数范围均可以为1～100圈，可增加器件冷热流的热量交换效率，提高器件性能。可选的，为了达到较高的热量交换效率，第一涡旋通道101和第二涡旋通道102之间的间距范围为2～100微米，每一个涡旋通道的首尾都可以与低温冷却层2相连通。

可选的，本实施例的蒸发腔201的宽度范围为500微米～5毫米，长度范围为500微米～5毫米，高度范围为500微米～5毫米，可增加冷却效率，提高器件性能。进一步地，参见图3和图4，为了增加节流距离，节流通道202可以为蛇形结构通道，即节流通道202由小型回转结构构成，起到节流作用，参见图1，蛇形结构通道的截面尺寸小于第一涡旋通道101和第二涡旋通道102交错设置的截面尺寸，蛇形结构通道的高度范围为10微米～500微米，宽度范围为10微米～500微米。蒸发腔201的气流出口直接连接低压气体流出通道206，低压气体流出通道206可以为直通道，如图2所示，该通道的截面结构的尺寸可以与涡旋通道的截面结构103的尺寸接近。

进一步地，热量交换层1与低温冷却层2的连接处均设有通孔；热量交换层1的气体口与低温冷却层2的气体口通过通孔连接，即热量交换层1与低温冷却层2之间的通道，在通道出口、入口通过通孔连接上下两层。具体的，第一涡旋通道101的入口设置通孔，通过所述通孔与高压气体入口204连接，第二涡旋通道102的出口设置通孔，通过所述通孔与低压气体流出通道206的入口连接，低压气体流出通道206的出口与低压气体出口205连接；节流通道202的入口设置通孔，第一涡旋通道101的出口设置通孔，通过所述通孔节流通道202的入口与第一涡旋通道101的出口连接，蒸发腔201的出口与低压气体回流通道203的入口连接，第二涡旋通道102的入口设置通孔，低压气体回流通道203的出口通过所述通孔第二涡旋通道102的入口连接。

可选的，热量交换层1与低温冷却层2之间可通过对准结构进行固定。具体的，在热量交换层1上制备与低温冷却层2进行阳极对位键合的对准结构，在低温冷却层2上制备与热量交换层1进行阳极对位键合的对准结构；最后采用阳极对位键合方法将热量交换层1与低温冷却层2进行键合固定。

示例性的，可以选取高导热系数的材料，例如硅作为热量交换层1的材料，采用光刻或者激光加工的办法制作相互交错的第一涡旋通道101和第二涡旋通道102；然后选取导热系数较低的材料，例如高硼硅玻璃为例作为低温冷却层2的材料，采用光刻或者激光刻蚀的办法，加工用于蒸发冷却的蒸发腔201；在蒸发腔201室连接处，分别加工高压节流通道202及低压气体回流通道203，同时在低温冷却层2与热量交换层1对应的位置，加工用于高压气流注入的高压气体入口204，低压气体出口205以及用于连接的低压气体流出通道206，参见图6，还在低温冷却层2与热量交换层1对应的位置加工用于阳极对位键合的对准结构；最后采用阳极对位键合及激光切割加工成型最终的微型焦耳-汤姆逊器件，或采用阳极对位键合及刻蚀技术加工成型最终的微型焦耳-汤姆逊器件。

上述实施例，将热量交换层1和低温冷却层2分离，可以保证冷、热流充分换热的同时，尽量减少制冷端热损耗对器件性能造成的影响，提高了制冷器件的性能；其中热量交换层1包括第一涡旋通道101和第二涡旋通道102，第一涡旋通道101和第二涡旋通道102交错设置，增加了器件冷热流的热量交换效率，提高了器件性能；低温冷却层2包括蒸发腔201和节流通道202，节流通道202的入口与第一涡旋通道101的出口连接，节流通道202的出口与蒸发腔201的入口连接，蒸发腔201的出口通过低压气体回流通道203与第二涡旋通道102的入口连接，实现了结构尺寸小，制冷范围广，且易于集成化，可进行批量化生产，广泛应用于空间光学器件、红外测量器件及超导器件的制冷。

参见图7，本实施例还提供了一种焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法，具体如下：

步骤S701，制备包括第一涡旋通道101和第二涡旋通道102的热量交换层1，所述第一涡旋通道101和所述第二涡旋通道102交错制备。

步骤S702，制备包括蒸发腔201和节流通道202的低温冷却层2，所述节流通道202的出口与所述蒸发腔201的入口连接。

步骤S703，将所述热量交换层1与所述低温冷却层2进行键合，其中所述第一涡旋通道101的入口接收高压气体，所述第一涡旋通道101的出口与所述节流通道202的入口连接，所述蒸发腔201的出口通过低压气体回流通道203与所述第二涡旋通道102的入口连接，所述第二涡旋通道102的出口输出低压气体。

进一步地，参见图8，所述焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法还包括：

步骤S801，利用硅片制备所述热量交换层1，所述热量交换层1还包括与所述低温冷却层2进行阳极对位键合的对准结构。

步骤S802，利用玻璃片制备所述低温冷却层2，所述低温冷却层2还包括与所述热量交换层1进行阳极对位键合的对准结构。

步骤S803，采用阳极对位键合方法将所述热量交换层1与所述低温冷却层2进行键合。

示例性的，选取洁净双面抛光的硅片，制备第一涡旋通道101和第二涡旋通道102交错的热量交换层1，并在制备后的硅片上加工可以与低温冷却层2进行阳极对位键合的对准结构；然后选取平整的玻璃片，制备用于蒸发冷却的蒸发腔201和节流通道202，并在制备后的玻璃片上加工可以与热量交换层1进行阳极对位键合的对准结构；最后采用阳极对位键合的方法，将低温冷却层的对准结构4与热量交换层的对准结构3进行键合，形成本实施例的焦耳-汤姆逊制冷器件。

本实施例利用两种材料，多层结构及阳极对位键合的设计方案，提供了一种可批量化生产的制备方法，可用于芯片制冷的焦耳-汤姆逊微型结构，这种结构可以保证冷、热流充分换热的同时，尽量减少制冷端热损耗对器件性能造成的影响，即通过独特的结构设计和批量化生产加工工艺，能够制备具有低功耗、体积小、制冷范围广、易于集成化封装的片上微型制冷器件。

上述实施例的焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法，将热量交换层1和低温冷却层2分离，减少了制冷端热损耗对器件性能造成的影响，提高了制冷器件的性能；其中热量交换层1包括第一涡旋通道101和第二涡旋通道102，第一涡旋通道101和第二涡旋通道102交错设置，增加了器件冷热流的热量交换效率，提高了器件性能；低温冷却层2包括蒸发腔201和节流通道202，实现了结构尺寸小，制冷范围广，且易于集成化，可进行批量化生产，广泛应用于空间光学器件、红外测量器件及超导器件的制冷。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，包括：

热量交换层，包括第一涡旋通道和第二涡旋通道，所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道交错设置，所述第一涡旋通道的入口连接高压气体入口，所述第二涡旋通道的出口通过低压气体流出通道与低压气体出口连接；

低温冷却层，包括蒸发腔和节流通道，所述节流通道的入口与所述第一涡旋通道的出口连接，所述节流通道的出口与所述蒸发腔的入口连接，蒸发腔的出口通过低压气体回流通道与所述第二涡旋通道的入口连接。

2.如权利要求1所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述热量交换层的导热系数高于所述低温冷却层的导热系数。

3.如权利要求1所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道的截面高度范围均为100～1000微米；

所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道的截面宽度范围均为50～300微米；

所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道的圈数范围均为1～100圈。

4.如权利要求1所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述第一涡旋通道和第二涡旋通道之间的间距范围为2～100微米。

5.如权利要求1所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述蒸发腔的宽度范围为500微米～5毫米，长度范围为500微米～5毫米，高度范围为500微米～5毫米。

6.如权利要求1所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述节流通道为蛇形结构通道；

所述蛇形结构通道的截面尺寸小于所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道交错设置的截面尺寸。

7.如权利要求6所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述蛇形结构通道的高度范围为10微米～500微米，宽度范围为10微米～500微米。

8.如权利要求1至7任一项所述的焦耳-汤姆逊制冷器件，其特征在于，所述热量交换层与所述低温冷却层的连接处均设有通孔；所述热量交换层的气体口与所述低温冷却层的气体口通过所述通孔连接。

9.一种焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法，其特征在于，包括：

制备包括第一涡旋通道和第二涡旋通道的热量交换层，所述第一涡旋通道和所述第二涡旋通道交错制备；

制备包括蒸发腔和节流通道的低温冷却层，所述节流通道的出口与所述蒸发腔的入口连接；

将所述热量交换层与所述低温冷却层进行键合，其中所述第一涡旋通道的入口接收高压气体，所述第一涡旋通道的出口与所述节流通道的入口连接，所述蒸发腔的出口通过低压气体回流通道与所述第二涡旋通道的入口连接，所述第二涡旋通道的出口输出低压气体。

10.如权利要求9所述的焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法，其特征在于，所述焦耳-汤姆逊制冷器件的制备方法还包括：

利用硅片制备所述热量交换层，所述热量交换层还包括与所述低温冷却层进行阳极对位键合的对准结构；

利用玻璃片制备所述低温冷却层，所述低温冷却层还包括与所述热量交换层进行阳极对位键合的对准结构；

采用阳极对位键合方法将所述热量交换层与所述低温冷却层进行键合。

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