CN112503796B - 一种液氦温区微型节流制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液氦温区微型节流制冷机，具有三种结构形式，第一种结构的液氦温区微型节流制冷机具有五层基片，第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器和二级制冷循环器，第四基片和第五基片构成三级制冷循环器；第二种结构的液氦温区微型节流制冷机具有五层基片，第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器，第四基片和第五基片构成二级制冷循环器和三级制冷循环器；第三种结构的液氦温区微型节流制冷机具有三层基片，第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器二级制冷循环器和三级制冷循环器。本发明将多级工质的通道布置在同一基片上，制冷机的结构更紧凑，可节约加工成本。

Description

一种液氦温区微型节流制冷机

技术领域

本发明属于微型节流制冷器技术领域，尤其涉及一种液氦温区微型节流制冷机。

背景技术

很多电子器件都在低温环境下工作具有更高的灵敏度，比如应用于航空航天的红外探测器件、射电望远镜中的低噪音放大器、移动通信系统中的滤波器等。此外，对于超导体电子器件而言，只有在低温环境下才能正常工作。随着微机电系统(MEMS)的发展，电子器件的尺寸越来越小，所需的制冷量也很小。而现有的制冷机在大小和制冷量方面都与电子器件的要求不匹配，急需与之匹配的制冷机。微型节流制冷机具有无运动部件，无振动，无电磁干扰，易于微型化等优点，在电子器件冷却方面倍受青睐。微型节流制冷机可通过MEMS加工技术得以实现，但目前的研究主要集中在液氢以上的温区(Cao HS,ter Crake HJM,Progress in and Outlook for Cryogenic Microcooling,Physical Review Applied,2020,14,044044.)，尚未见有基于MEMS技术的液氦温区微型节流制冷机的实验研究。

液氦温区微型节流制冷机之所以难实现，主要原因是氦气的最大节流转化温度太低，只有45K。如果从室温通过节流制冷实现液氦温度，至少需要两级预冷，原因是可通过节流制冷提供45K以下预冷温度的工质只有氖气和氢气，而氖气和氢气的最大节流转化温度分别为250K和205K，所以利用氖气和氢气节流制冷也需要一级预冷。可通过节流实现205K以下制冷温度的工质较多，比如氮气、氧气、氩气和一氧化碳等，并且这几种工质的最大节流转化温度均远高于室温，无需预冷即可通过节流实现制冷。为后文讨论方便，本文将无需预冷可实现节流制冷的工质称为一级工质，氖气和氢气称为二级工质，氦气称为三级工质。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供液氦温区微型节流制冷机。本发明的液氦温区微型节流制冷机结构紧凑，具有易于大规模生产、成本低、精度高、可重复性强因而可有效提升成品率等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的第一种液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，由依次叠设的五层基片焊接成一体结构；第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器和二级制冷循环器，第四基片和第五基片构成三级制冷循环器；

所述第一基片顶端开设有六个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、一级工质出口、二级工质出口和三级工质出口；所述第二基片顶端开设有三个通孔分别作为一级工质进口、三级工质进口和三级工质出口；所述第三基片顶端开设有两个通孔分别作为三级工质进口和三级工质出口；所述第四基片顶端开设有一个通孔作为三级工质进口；同一类型的工质出口和工质进口在在相应基片上的布设位置相同；

所述第三基片上设有依次连通的一级高压侧通道、一级节流阀和一级缓冲室，以及依次连通的二级高压侧通道、二级节流阀和二级缓冲室，一级高压侧通道与二级高压侧通道之间不连通；一级高压侧通道和二级高压侧通道的顶端分别与一级工质进口和二级工质进口连通；一级高压侧通道的至少两个侧壁与二级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级高压侧通道内设有用于调节二级工质在二级高压侧通道内流动方向的二级导流片；

所述第二基片上设有不连通的一级低压侧通道和二级低压侧通道，一级低压侧通道和二级低压侧通道的进口端分别与一级工质出口和二级工质出口连通，一级低压侧通道和二级低压侧通道的出口端分别与一级缓冲室和二级缓冲室连通；一级低压侧通道的至少两个侧壁与二级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置；一级低压侧通道内靠近其进口端处设有用于调节一级工质在一级底压侧通道内流动方向的一级导流片；所述第一低压侧通道和第二低压侧通道均兼具换热器、预冷器和蒸发器的作用；

所述第五基片上设有依次连通的三级高压侧通道、三级节流阀和三级缓冲室，三级高压侧通道的进口端与三级工质进口连通；

所述第四基片上设有三级低压侧通道，三级低压侧通道的进口端和出口端分别与三级缓冲室和三级工质出口连通；所述三级低压侧通道兼具换热器和蒸发器的作用。

本发明提出的第二种一种液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，由依次叠设的五层基片焊接成一体结构；第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器，第四基片和第五基片构成二级制冷循环器和三级制冷循环器；

所述第一基片顶端开设有六个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、一级工质出口、二级工质出口和三级工质出口；所述第二基片顶端开设有五个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、二级工质出口和三级工质出口；所述第三基片顶端开设有四个通孔分别作为二级工质进口、三级工质进口、二级工质出口和三级工质出口；所述第四基片顶端开设有两个通孔分别作为二级工质进口和三级工质进口；同一类型的工质出口和工质进口在在相应基片上的布设位置相同；

所述第三基片上设有依次连通的一级高压侧通道、一级节流阀和一级缓冲室，一级高压侧通道的进口端与一级工质进口连通；

所述第二基片上设有一级低压侧通道，一级低压侧通道的进口端和出口端分别与一级缓冲室和一级工质出口连通；所述一级低压侧通道兼具换热器、预冷器和蒸发器的作用；

所述第五基片上设有依次连通的二级高压侧通道、二级节流阀和二级缓冲室，以及依次连通的三级高压侧通道、三级节流阀和三级缓冲室，二级高压侧通道与三级高压侧通道之间不连通；二级高压侧通道和三级高压侧通道的顶端分别与二级工质进口和三级工质进口连通；二级高压侧通道的至少两个侧壁与三级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，三级高压侧通道内设有用于调节三级工质在三级高压侧通道内流动方向的三级导流片；

所述第四基片上设有不连通的二级低压侧通道和三级低压侧通道，二级低压侧通道和三级低压侧通道的出口端分别与二级工质出口和三级工质出口连通，二级低压侧通道和三级低压侧通道的进口端分别与二级缓冲室和三级缓冲室连通；二级低压侧通道的至少两个侧壁与三级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置；二级低压侧通道内靠近其进口端处设有用于调节二级工质在二级低压侧通道内流动方向的二级导流片；所述第二低压侧通道和第三低压侧通道均兼具换热器和蒸发器的作用。

本发明第三种液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，由依次叠设的三层基片焊接成一体结构；第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器、二级制冷循环器和三级制冷循环器；

所述第一基片顶端开设有六个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、一级工质出口、二级工质出口和三级工质出口；所述第二基片顶端开设有三个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口和三级工质进口；同一类型的工质出口和工质进口在在相应基片上的布设位置相同；

所述第三基片上设有依次连通的一级高压侧通道、一级节流阀和一级缓冲室，依次连通的二级高压侧通道、二级节流阀和二级缓冲室，以及依次连通的三级高压侧通道、三级节流阀和三级缓冲室，各级高压侧通道均不连通；各级高压侧通道的进口端分别与相应的工质进口连通；一级高压侧通道的至少两个侧壁与二级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级高压侧通道的至少两个侧壁与三级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级高压侧通道和三级高压侧通道内分别设有用于调节工质在各自低压侧通道内流动方向的高压侧导流片；

所述第二基片上设有不连通的一侧低压侧通道、二级低压侧通道和三级低压侧通道；各级低压侧通道的出口端分别与相应的工质出口连通，各级低压侧通道的进口端分别与相应的缓冲室连通；一级低压侧通道的至少两个侧壁与二级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级低压侧通道的至少两个侧壁与三级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置；一级低压侧通道和二级低压侧通道内靠近各自进口端处分别设有用于调节工质在相应低压侧通道内流动方向的低压侧导流片；所述第一低压侧通道和第二低压侧通道均兼具换热器、预冷器和蒸发器的作用，所述三级低压侧通道兼具换热器和蒸发器的作用。

本发明的特点及有益效果：

本发明提供一种可实现液氦温区制冷温度的微型节流制冷机。该结构的特点包括以下几个方面：1)一级、二级和三级工质的低压侧通道和蒸发器具有相同的通道深度，可通过同种加工方式实现，简化了制冷机的加工工艺，蒸发器内的气液两相强化换热可通过不同的肋片结构矩阵实现；2)一级工质对二级和三级工质的预冷，以及二级工质对三级工质的预冷利用了分布式和集中式相集成的方式，使得多级工质的通道(如图2中的一级和二级工质通道，如图3中的二级和三级工质通道，图4中的一级、二级和三级工质通道)布置在同一基片上，同样简化了制冷机的加工工艺，从而可降低加工风险，提高产率；

整体上看，本发明微型节流制冷机将多级工质的通道布置在同一基片上，制冷机的结构更紧凑，可节约加工成本。此外，各层基片中形成的通道可通过微加工工艺实现，易于实现工业上的大批量生产，且加工尺寸范围更大，精度更高。

附图说明

图1是本发明的一种液氦温区微型节流制冷机的结构分解示意图；

图2的(a)～(e)是本发明实施例一的液氦温区微型节流制冷机A中基片1～5的内部结构示意图；

图3的(a)～(e)是本发明实施例二的液氦温区微型节流制冷机B中基片1～5的内部结构示意图；

图4的(a)～(c)是本发明实施例三的液氦温区微型节流制冷机C中基片1～3的内部结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种液氦温区微型节流制冷机的应用实例。

实施例一：

参见图1、图2，本发明实施例一的液氦温区微型节流制冷机A由依次叠设的五层基片1～5焊接成一体结构。

基片1作为盖板对其余基片起密封的作用，基片2和3构成一级制冷循环器和二级制冷循环器，基片4和5构成三级制冷循环器，且一级制冷循环器位于基片1与三级制冷循环器之间。其中，

基片1顶端设有六个通孔分别作为一级工质进口A1、二级工质进口A3、三级工质进口A5、一级工质出口A2、二级工质出口A4和三级工质出口A6。

基片2顶端设有三个通孔分别作为一级工质进口A1、三级工质进口A5和三级工质出口A6，基片2上还设有一级低压侧通道A11、与该一级低压侧通道A11进口端连通且沿基片2宽度方向开设的一级条状通孔A10、二级低压侧通道A16以及与该二级低压侧通道A116进口端连通且沿基片2宽度方向开设的二级条状通孔A15，且一级低压侧通道A11与二级低压侧通道A16之间不连通。一级低压侧通道A11与二级低压侧通道A16至少具有两个相对设置的侧面，本实施例中，一级低压侧通道A11和二级低压侧通道A16相对设置且均具有类L型截面，二级低压侧通道A16的竖直段侧壁内凹形成用于容纳一级低压侧通道A11水平段端部的空间，通过一级低压侧通道A11的水平段可以增加一级低压侧通道A11中一级工质与基片3上二级高压侧通道A12中二级工质的换热面积，现实一级工质对二级工质的集中式预冷；一级条状通孔A10设置于一级低压侧通道A11水平段与竖直段的交界处也即一级低压侧通道A11的进口端，一级低压侧通道A11的水平段内设有与一级条状通孔A10连接的导流片A22，用于调节一级工质在一级低压侧通道A11内的流动方向，延长来自一级条状通孔A10的一级工质的流经该区域的流道长度，强化一级低压侧通道A11中一级工质与二级高压侧通道A12中二级工质的换热，增强一级工质对二级工质的集中式预冷效果；一级低压侧通道A11的出口端与基片1上的一级工质出口A2连通，且一级低压侧通道A11的顶端应避开与基片1上设有一级工质进口A1、二级工质进口A3、三级工质进口A5、二级工质出口A4和三级工质出口A6的相应区域；基片2上二级条状通孔A15底端至基片2底端的距离决定了二级工质高低压两侧通道的换热面积，需根据二级工质的质量流量确定；基片2上一级低压侧通道A11顶端和二级低压侧通道A116顶端应避开与基片1上设有一级工质进口A1、二级工质进口A3、三级工质进口A5、二级工质出口A4和三级工质出口A6的相应区域。

基片3顶端设有两个通孔分别作为三级工质进口A5和三级工质出口A6，基片3上还设有依次连通的一级高压侧通道A7、一级节流阀A8和一级缓冲室A9，以及依次连通的二级高压侧通道A12、二级节流阀A13和二级缓冲室A14，且一级高压侧通道A7与二级高压侧通道A12之间不连通；一级高压侧通道A7为沿基片3长度方向延伸的条状通道，二级高压侧通道A12呈类L型，一级高压侧通道A7位于二级高压侧通道A12的水平段竖直段围合形成的区域内，以此增加一级低压侧通道A11中一级工质与二级高压侧通道A12中二级工质的重叠面积(即有效换热器面积)，增强一级工质对二级工质的集中式预冷效果；一级高压侧通道A7的顶端即进口端同时与基片1和基片2上的一级工质进口A1连通，且一级高压侧通道A7、顶端应避开与基片1上设有二级工质进口A3、三级工质进口A5、一级工质出口A2、二级工质出口A4和三级工质出口A6的相应区域，一级缓冲室A9与基片2上的一级条状通孔A10连通；二级高压侧通道A12顶端即进口端与基片1上的二级工质进口A3连通，且应避开与基片1上设有一级工质进口A1、三级工质进口A5、一级工质出口A2、二级工质出口A4和三级工质出口A6的相应区域；二级高压侧通道A12的水平段内设有用于调节二级工质在二级高压侧通道A12内流动方向的导流片A23，基片3上二级缓冲室A14所在区域应完全覆盖基片2上二级条状通孔A15所在区域，使得二级工质能顺利流入二级低压侧通道内而不影响其他工质的循环。

基片4顶端设有一个通孔作为三级工质进口A5，基片4上还设有三级低压侧通道A21和与该三级低压侧通道A21进口端连通且沿基片4宽度方向开设的三级条状通孔A20，三级低压侧通道A21的两端应尽可能向基片4的两端延伸，且三级低压侧通道A21的顶端应避开与基片1上设有一级工质进口A1、二级工质进口A3、三级工质进口A5、一级工质出口A2和二级工质出口A4的相应区域。

基片5上设有依次连通的三级高压侧通道A17、三级节流阀A18和三级缓冲室A19，三级高压侧通道A17的进口端同时与基片1～4上的三级工质进口A5连通，且三级高压侧通道A17顶端应避开与基片1上设有一级工质进口A1、二级工质进口A3、一级工质出口A2、二级工质出口A4和三级工质出口A6的相应区域，三级缓冲室A19与基片4上的三级条状通孔A20连通，且三级缓冲室A19所在区域应完全覆盖三级条状通孔A20所在区域，使得三级工质能顺利流入三级低压侧通道内而不影响其他工质的循环。

相应的工质进口和工质出口在各层基片上的布设位置相同。

各级低压侧通道、高压侧通道的宽度均远大于各自通道的深度，宽度与深度的选择取决于通道所能承受的工作介质压力以及制冷机制冷量的要求。各级高、低压侧通道和缓冲室内需布置肋片结构，一方面用于控制通道内的应力分布，使制冷机可承受比较大的压力；另一方面用于调控通道内的流动与换热，提高制冷机的性能；肋片结构的截面形状包括矩形、圆形、椭圆形、菱形和水翼形等，截面尺寸在几微米至几十微米之间；相应的高压侧通道和低压通道构成间壁式换热器，起到热量回收的作用，此外各级低压侧通道还兼具预冷器和蒸发器的作用。

各级缓冲室的深度和相应高压侧通道的深度一致，以便于加工；各级缓冲室的宽度略大于相应基片上条状通孔的宽度即可，便于缓冲室流体通过相应基片的条状通孔。

为降低热端到冷端的导热损失，液氦温区微型节流制冷机A内各层基片选择导热系数小的材料，如玻璃、聚合物和陶瓷等为宜。可选地，各层基片1～5上的各类通道均可通过化学蚀刻加工、电子束微加工、离子束微加工、激光微加工、LIGA加工(即光刻、电铸和注塑加工技术)的方式予以实现。本实施例优选化学蚀刻(化学蚀刻的具体工艺参数可参见(Iliescu C,Tay FEH,Miao JM,Strategies in deep wet etching of Pyrex glass,Sensors and Actuators A Physical,2007,133,395-400.)的方式加工。相比于其他的加工方式，化学蚀刻易于实现工业上大批量生产，且相比较LIGA技术，化学蚀刻可加工尺寸范围更大，精度更高。待通道加工完成后，可通过与所选基片材质相适应的焊接工艺(如玻璃-玻璃间的键合，可采用真空扩散焊；对于硅基-玻璃间的键合，可采用阳极焊；均为本领域的常规加工工艺)将五层基片焊接起来。

本节流制冷机将一级工质和二级工质的流道加工在同一基片，缩小了节流制冷机的体积，可节省材料，但由于一级工质和二级工质流道面积的降低，会导致制冷机的制冷效率降低，可通过减小基片2、基片3的厚度来降低导热损失，保证节流制冷机的制冷效率。本实施例本是将一级工质和二级工质的流道加工在同一基片，类似地，也可将二级工质和三级工质的流道加工在同一基片，具体参见后述实施例二。

本实施例的液氦温区微型节流制冷机A具有三级循环通道：

一级工质为无需预冷可实现节流制冷的工质，一级工质在第一级循环通道内流动，其流动路径为：一级工质进口A1→一级高压侧通道A7→一级节流阀A8→一级缓冲室A9→一级条状通孔A10→一级低压侧通道A11→一级工质出口A2。高压状态的气相一级工质通过基片1和基片2上的一级工质进口A1流入一级高压侧通道A7进行换热，流经一级节流阀A8进行节流膨胀制冷，随后由一级缓冲室A9和一级条状通孔A10流入一级低压侧通道A11与一级高压侧通道A7中的气体进行换热；稳定时，一级低压侧通道A11内的一级工质存在气液两相，其中液相吸热气化以实现制冷和预冷二级和三级工质的目的，气化后的一级工质由一级工质出口A2排出完成一次循环。

二级工质为氖气或氢气，二级工质在第二级循环通道内流动，其流动路径为：二级工质进口A3→二级高压侧通道A12→二级节流阀A13→二级缓冲室A14→二级条状通孔A15→二级低压侧通道A16→二级工质出口A4。高压状态的气相二级工质通过基片1和基片2上的二级工质进口A3流入二级高压侧通道A12，在二级高压侧通道A12内被一级工质产生的冷量预冷，当二级工质流入二级节流阀A13前的温度低于其转化温度后，二级工质经节流膨胀产生制冷效应，随后由二级缓冲室A14和二级条状通孔A15流入二级低压侧通道A16与二级高压侧通道A12中的气体进行换热；稳定时，二级低压侧通道A16内的二级工质存在气液两相，其中液相吸热气化以实现制冷和预冷三级工质的目的，气化后的二级工质由二级工质出口A4排出完成一次循环。

三级工质为氦气，三级工质在第三级循环通道内，其流动流动路径为：三级工质进口A5→三级高压侧通道A17→三级节流阀A18→三级缓冲室A19→三级条状通孔A20→三级低压侧通道A21→三级工质出口A6。高压状态的气相三级工质通过基片1～4上的三级工质进口A5流入三级高压侧通道A17，在三级高压侧通道A17内被一级和二级工质产生的冷量预冷，当三级工质流入三级节流阀A18前的温度低于其转化温度后，三级工质经节流膨胀产生制冷效应，随后由三级缓冲室A19和三级条状通孔A20流入三级低压侧通道A21与三级高压侧通道A17中的气体进行换热；稳定时，三级低压侧通道A21内的三级工质存在气液两相，其中液相吸热气化以实现制冷的目的，气化后的三级工质由三级工质出口A6排出完成一次循环。

优选地，三级制冷循环器中设有低压侧通道的基片置于最外侧，以减小与被冷器件的热阻。

综上所述，该设计使得基片2上的一级、二级低压侧通道均兼具换热器、预冷器以及蒸发器三重功能，使得基片4上的低压侧通道兼具换热器和蒸发器两重功能，制冷机的结构更加紧凑。

实施例二：

图3是本发明实施例二的液氦温区微型节流制冷机B的内部结构示意图，此节流制冷机B由依次叠设的五层基片1～5焊接成一体结构，基片2和基片3构成一级制冷循环器，基片4和基片5构成二级制冷循环器和三级制冷循环器。其中，

基片1顶端设有六个通孔分别作为一级工质进口B1、二级工质进口B3、三级工质进口B5、一级工质出口B2、二级工质出口B4和三级工质出口B6。

基片2顶端设有五个通孔分别作为一级工质进口B1、二级工质进口B3、三级工质进口B5、二级工质出口B4和三级工质出口B6；基片2上还设有相连通的一级低压侧通道B11和一级条状通孔B10，一级低压侧通道B11顶端即出口端与基片1上的一级工质出口B2连通，且应避开基片2顶端设有五个通孔的区域。

基片3顶端设有四个通孔分别作为二级工质进口B3、三级工质进口B5、二级工质出口B4和三级工质出口B6；基片3上还设有依次连通的一级高压侧通道B7、一级节流阀B8和一级缓冲室B9，一级高压侧通道B7顶端即进口端与基片1和基片2上的一级工质进口B1连通，且应避开基片3顶端设有四个通孔的区域；一级缓冲室B9所在区域应完全覆盖一级条状通孔B10所在区域，使得一级工质能顺利流入一级低压侧B11且不影响其他工质的循环；一级缓冲室B9底端至基片3底端的距离决定了一级工质高低压两侧通道的换热面积，需根据一级工质的质量流量确定。

基片4顶端设有两个通孔分别作为二级工质进口B3和三级工质进口B5；基片4上还设有不连通的二级低压侧通道B16和三级低压侧通道B22，二级低压侧通道B16和三级低压侧通道B22至少具有两个相对设置的侧面，本实施例中，二级低压侧通道B16和三级低压侧通道B22相对设置且均有类L型截面，三级低压侧通道B22的竖直段侧壁内凹用于容纳二级低压侧通道B16水平段端部，因此，二级低压侧通道B16与三级低压侧通道B22之间具有以下相对设置的侧壁：二级低压侧通道B16的竖直段侧壁和三级低压侧通道B22的竖直段侧壁、二级低压侧通道B16的水平段侧壁和三级低压侧通道B22的水平段侧壁，通过该结构设计可以增加二级低压侧通道B16中二级工质与基片5上三级高压侧通道B17中三级工质的换热面积，现实二级工质对三级工质的集中式预冷；二级条状通孔B15设置于二级低压侧通道B16水平段与竖直段的交界处也即二级低压侧通道B16的进口端，二级低压侧通道B16的水平段内设有与二级条状通孔B15连接的二级导流片B21，用于调节二级工质在二级低压侧通道B16内的流动方向，延长来自二级条状通孔B15的二级工质的流经该区域的流道长度，强化二级低压侧通道B16中一级工质与三级高压侧通道B17中三级工质的换热，增强二级工质对三级工质的集中式预冷效果。二级低压侧通道B16的出口端与基片1～3上的二级工质出口B4连通，且应避开与基片1上设有一级工质进口B1、二级工质进口B3、三级工质进口B5、一级工质出口B2和三级工质出口B6的相应区域。三级低压侧通道B22顶端即进口端与基片1～3上的三级工质出口B6连通，且应避开与基片1上设有一级工质进口B1、二级工质进口B3、三级工质进口B5、一级工质出口B2和二级工质出口B4的相应区域；三级条状通孔B20底端应尽可能靠近基片4底端。

基片5上设有依次连通的二级高压侧通道B12、二级节流阀B13和二级缓冲室B14，以及依次连通的三级高压侧通道B17、三级节流阀B18和三级缓冲室B19，二级高压侧通道B12和三级高压侧通道B17之间不连通。二级高压侧通道B12进口端与基片1～4上的二级工质进口B3连通，且应避开与基片1上设有一级工质进口B1、三级工质进口B5、一级工质出口B2、二级工质出口B4和三级工质出口B6的相应区域；二级缓冲室B14所在区域应能完全覆盖二级条状通孔B15所在区域，使得二级工质能顺利流入二级低压侧通道B16而不影响其他工质的循环。二级高压侧通道B12和三级高压侧通道B17至少具有两个相对设置的侧面，本实施例中，二级高压侧通道B12和三级高压侧通道B17相对设置，二级高压侧通道B12为沿基片5长度方向延伸的类矩形通道，三级高压侧通道B17具有类L型截面，因此，二级高压侧通道B12和三级高压侧通道B17之间具有以下相对设置的侧壁：二级高压侧通道B12的竖直段侧壁和三级高压侧通道B17的竖直段侧壁、二级高压侧通道B12底部水平侧壁和三级高压侧通道B17的水平段顶壁，通过该结构设计可以增加二级低压侧通道B16中二级工质与三级高压侧通道B17中三级工质的重叠面积(即有效换热器面积)，增强二级工质对三级工质的集中式预冷效果。三级高压侧通道B17顶端即进口端与基片1～4上的三级工质进口B5连通，且应避开与基片1上设有一级工质进口B1、二级工质进口B3、一级工质出口B2、二级工质出口B4和三级工质出口B6的相应区域；三级高压侧通道B17的水平段内靠近二级缓冲室B14处设有三级导流片B23，用于调节三级工质在三级高低压侧通道B17内的流动方向；三级缓冲室B19所在区域应完全覆盖基片4上三级条状通孔B20所在区域，使得三级工质能顺利流入三级低压侧通道内而不影响其他工质的循环。

液氦温区微型节流制冷机B内各器件的具体实现方式及各级工质的循环路径参见液氦温区微型节流制冷机A，此处不再赘述。

实施例三：

图4是本发明实施例三的液氦温区微型节流制冷机C的内部结构示意图，此节流制冷机C由依次叠设的三层基片1～3焊接成一体结构。

基片1作为盖板对其余基片起密封的作用，基片2和3构成一级制冷循环器、二级制冷循环器和三级制冷循环器。其中，

基片1顶端设有六个通孔分别作为一级工质进口C1、二级工质进口C3、三级工质进口C5、一级工质出口C2、二级工质出口C4和三级工质出口C6。

基片2顶端设有三个通孔分别作为一级工作进口C1、二级工质进口C3和三级工质进口C5。基片2上还设有相连通的一级低压侧通道C11和一级条状通孔C10、相连通的二级低压侧通道C16和二级条状通孔C15、以及相连通的三级低压侧通道C21和三级条状通孔C20，各级低压侧通道均不连通；一级低压侧通道C11与二级低压侧通道C16之间，以及二级低压侧通道C16与三级低压侧通道C21之间均至少具有两个相对设置的侧面，本实施例中，一级、二级、三级低压侧通道均具有类L型截面，三者的顶端即出口端均靠近基片2顶端设置一、二级低压侧通道相对设置，二级低压侧通道C16的竖直段侧壁内凹用于容纳一级低压侧通道C11的水平段端部，一级低压侧通道C11水平段端部的设计是为了增加一级低压侧通道C11中一级工质与高压侧通道C12中二级工质的换热面积，现实一级工质对二级工质的集中式预冷。一级条状通孔C10设置于一级低压侧通道C11水平段与竖直段的交界处也即一级低压侧通道C11的进口端，一级低压侧通道C11的水平段内设有与一级条状通孔C10连接的导流片C22，用于调节一级工质在一级低压侧通道C11内的流动方向，延长来自一级条状通孔C10的一级工质的流经该区域的流道长度，强化一级低压侧通道C11中一级工质与一级高压侧通道C12中二级工质的换热，增强一级工质对二级工质的集中式预冷效果。一级低压侧通道C11的出口端与基片1上的一级工质出口C2连通，且一级低压侧通道C11的顶端应避开与基片1上设有一级工质进口C1、二级工质进口C3、三级工质进口C5、二级工质出口A4和三级工质出口C6的相应区域。二级低压侧通道C16的底端沿基片2宽度方向延伸形成突出部并伸入三级低压侧通道C21竖直段侧壁的凹陷处，二级条状通孔C15设置于突出部上，突出部内设有与二级条状通孔C15连接并用于调节二级工质在二级低压侧通道C16内流动方向的导流片C23；二级低压侧通道C16的出口端与基片1上的二级工质出口C4连通，且二级低压侧通道C16的顶端应避开与基片1上设有一级工质进口C1、二级工质进口C3、三级工质进口C5和三级工质出口C6的相应区域。三级低压侧通道C21顶端即出口端与基片1上的三级工质出口C6连通，且应避开与基片1上设有一级工质进口C1、二级工质进口C3、三级工质进口C5、以及工质出口C2和二级工质出口C4的相应区域；三级条状通孔C20底端应尽可能靠近基片2的底端。

基片3设有依次连通的一级高压侧通道C7、一级节流阀C8和一级缓冲室C9，依次连通的二级高压侧通道C12、二级节流阀C13和二级缓冲室C14，以及依次连通的三级高压侧通道C17、三级节流阀C18和三级缓冲室C19，且各级高压侧通道均不连通。一级高压侧通道C7顶端即进口端与基片1、2上的一级工质进口C1连通，且避开与基片1上设有二级工质进口C3、三级工质进口C5、一级工质出口C2、二级工质出口C4和三级工质出口C6的相应区域；二级高压侧通道C12顶端即进口端与基片1、2上的二级工质进口C3连通，且避开与基片1上设有一级工质进口C1、三级工质进口C5、一级工质出口C2、二级工质出口C4和三级工质出口C6的相应区域；三级级高压侧通道C17顶端即进口端与基片1、2上的三级工质进口C5连通，且避开与基片1上设有一级工质进口C1、二级工质进口C3、一级工质出口C2、二级工质出口C4和三级工质出口C6的相应区域。一级高压侧通道C7与二级高压侧通道C12之间，以及二级高压侧通道C12与三级高压侧通道C17之间均至少具有两个相对设置的侧面，本实施例中，一级高压侧通道C7为沿基片3长度方向延伸的条状通道，二级高压侧通道C12和三高压侧通道C17均呈类L型；一级高压侧通道C7位于二级高压侧通道C12的水平段竖直段围合形成的区域内，以此增加一级低压侧通道C11中一级工质与高压侧通道C12中二级工质的重叠面积(即有效换热器面积)，增强一级工质对二级工质的集中式预冷效果。一级缓冲室C9所在区域应完全覆盖一级条状通孔C10所在区域，使得一级工质能顺利流入一级低压侧通道而不影响其他工质的循环；二级高压侧通道C12水平段内且靠近一级缓冲室C9处设有用于调节二级工质在二级高压侧通道C12内流动方向的导流片C24；二级缓冲室C14所在区域应能完全覆盖二级条状通孔C15所在区域，使得二级工质能顺利流入二级低压侧通道而不影响其他工质的循环；三级高压侧通道C17水平段内且靠近二级缓冲室C14处设有用于调节三级工质在三级高压侧通道C17内流动方向的导流片C25；三级缓冲室C19所在区域应能完全覆盖三级条状通孔C20所在区域，使得三级工质能顺利流入三级低压侧通道而不影响其他工质的循环。

相比于液氦温区微型节流制冷机A和液氦温区微型节流制冷机B，液氦温区微型节流制冷机C进一步节省了加工材料，为了克服以此带来的制冷效率降低的问题可减小各层基片的厚度。

液氦温区微型节流制冷机C各器件的具体实现方式以及各级工质的流动路径均参见液氦温区微型节流制冷机A，此处不再赘述。

本发明的其他实施例中，各级制冷循环器中设有高压侧通道和低压侧通道的基片的位置可以对调，即设有高压侧通道的基片可以位于设有低压侧通道的基片的上方。此时，高压侧通道底端的缓冲室上设有正对低压侧通道进口端的通孔，低压侧通道应完全覆盖缓冲室所在区域。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，由依次叠设的五层基片焊接成一体结构；第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器和二级制冷循环器，第四基片和第五基片构成三级制冷循环器；

所述第一基片顶端开设有六个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、一级工质出口、二级工质出口和三级工质出口；所述第二基片顶端开设有三个通孔分别作为一级工质进口、三级工质进口和三级工质出口；所述第三基片顶端开设有两个通孔分别作为三级工质进口和三级工质出口；所述第四基片顶端开设有一个通孔作为三级工质进口；同一类型的工质出口和工质进口在相应基片上的布设位置相同；

所述第三基片上设有依次连通的一级高压侧通道、一级节流阀和一级缓冲室，以及依次连通的二级高压侧通道、二级节流阀和二级缓冲室，一级高压侧通道与二级高压侧通道之间不连通；一级高压侧通道和二级高压侧通道的顶端分别与一级工质进口和二级工质进口连通；一级高压侧通道的至少两个侧壁与二级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级高压侧通道内设有用于调节二级工质在二级高压侧通道内流动方向的二级导流片；

所述第二基片上设有不连通的一级低压侧通道和二级低压侧通道，一级低压侧通道和二级低压侧通道的进口端分别与一级工质出口和二级工质出口连通，一级低压侧通道和二级低压侧通道的出口端分别与一级缓冲室和二级缓冲室连通；一级低压侧通道的至少两个侧壁与二级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置；一级低压侧通道内靠近其进口端处设有用于调节一级工质在一级底压侧通道内流动方向的一级导流片；所述一级低压侧通道和二级低压侧通道均兼具换热器、预冷器和蒸发器的作用；

所述第五基片上设有依次连通的三级高压侧通道、三级节流阀和三级缓冲室，三级高压侧通道的进口端与三级工质进口连通；

所述第四基片上设有三级低压侧通道，三级低压侧通道的进口端和出口端分别与三级缓冲室和三级工质出口连通；所述三级低压侧通道兼具换热器和蒸发器的作用。

2.根据权利要求1所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述一级低压侧通道和二级低压侧通道均具有类L型截面，二级低压侧通道的竖直段侧壁内凹形成用于容纳一级低压侧通道水平段端部的空间。

3.根据权利要求2所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述一级低压侧通道的进口端设置于一级低压侧通道水平段与竖直段的交界处，所述一级导流片位于一级低压侧通道的水平段内。

4.根据权利要求1所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述一级高压侧通道具有类矩形截面，所述二级高压侧通道具有类L型截面，一级高压侧通道位于二级高压侧通道的竖直段和水平段围合形成的区域内；所述二级导流片水平设置于二级高压侧通道的水平段内。

5.一种液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，由依次叠设的五层基片焊接成一体结构；第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器，第四基片和第五基片构成二级制冷循环器和三级制冷循环器；

所述第一基片顶端开设有六个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、一级工质出口、二级工质出口和三级工质出口；所述第二基片顶端开设有五个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、二级工质出口和三级工质出口；所述第三基片顶端开设有四个通孔分别作为二级工质进口、三级工质进口、二级工质出口和三级工质出口；所述第四基片顶端开设有两个通孔分别作为二级工质进口和三级工质进口；同一类型的工质出口和工质进口在相应基片上的布设位置相同；

所述第三基片上设有依次连通的一级高压侧通道、一级节流阀和一级缓冲室，一级高压侧通道的进口端与一级工质进口连通；

所述第二基片上设有一级低压侧通道，一级低压侧通道的进口端和出口端分别与一级缓冲室和一级工质出口连通；所述一级低压侧通道兼具换热器、预冷器和蒸发器的作用；

所述第五基片上设有依次连通的二级高压侧通道、二级节流阀和二级缓冲室，以及依次连通的三级高压侧通道、三级节流阀和三级缓冲室，二级高压侧通道与三级高压侧通道之间不连通；二级高压侧通道和三级高压侧通道的顶端分别与二级工质进口和三级工质进口连通；二级高压侧通道的至少两个侧壁与三级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，三级高压侧通道内设有用于调节三级工质在三级高压侧通道内流动方向的三级导流片；

所述第四基片上设有不连通的二级低压侧通道和三级低压侧通道，二级低压侧通道和三级低压侧通道的出口端分别与二级工质出口和三级工质出口连通，二级低压侧通道和三级低压侧通道的进口端分别与二级缓冲室和三级缓冲室连通；二级低压侧通道的至少两个侧壁与三级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置；二级低压侧通道内靠近其进口端处设有用于调节二级工质在二级低压侧通道内流动方向的二级导流片；所述二级低压侧通道和三级低压侧通道均兼具换热器和蒸发器的作用。

6.根据权利要求5所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述二级低压侧通道和三级低压侧通道均具有类L型截面，三级低压侧通道的竖直段侧壁内凹形成用于容纳二级低压侧通道水平段端部的空间。

7.根据权利要求6所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述二级低压侧通道的进口端设置于二级低压侧通道水平段与竖直段的交界处，所述二级导流片位于二级低压侧通道的水平段内。

8.根据权利要求5所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述二级高压侧通道具有类矩形截面，所述三级高压侧通道具有类L型截面，二级高压侧通道位于三级高压侧通道的竖直段和水平段围合形成的区域内；所述三级导流片水平设置于三级高压侧通道的水平段内。

9.一种液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，由依次叠设的三层基片焊接成一体结构；第一基片作为盖板，第二基片和第三基片构成一级制冷循环器、二级制冷循环器和三级制冷循环器；

所述第一基片顶端开设有六个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口、三级工质进口、一级工质出口、二级工质出口和三级工质出口；所述第二基片顶端开设有三个通孔分别作为一级工质进口、二级工质进口和三级工质进口；同一类型的工质出口和工质进口在相应基片上的布设位置相同；

所述第三基片上设有依次连通的一级高压侧通道、一级节流阀和一级缓冲室，依次连通的二级高压侧通道、二级节流阀和二级缓冲室，以及依次连通的三级高压侧通道、三级节流阀和三级缓冲室，各级高压侧通道均不连通；各级高压侧通道的进口端分别与相应的工质进口连通；一级高压侧通道的至少两个侧壁与二级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级高压侧通道的至少两个侧壁与三级高压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级高压侧通道和三级高压侧通道内分别设有用于调节工质在各自低压侧通道内流动方向的高压侧导流片；

所述第二基片上设有不连通的一侧低压侧通道、二级低压侧通道和三级低压侧通道；各级低压侧通道的出口端分别与相应的工质出口连通，各级低压侧通道的进口端分别与相应的缓冲室连通；一级低压侧通道的至少两个侧壁与二级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置，二级低压侧通道的至少两个侧壁与三级低压侧通道的至少两个侧壁相对设置；一级低压侧通道和二级低压侧通道内靠近各自进口端处分别设有用于调节工质在相应低压侧通道内流动方向的低压侧导流片；所述一级低压侧通道和第二低压侧通道均兼具换热器、预冷器和蒸发器的作用，所述三级低压侧通道兼具换热器和蒸发器的作用。

10.根据权利要求9所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，各级低压侧通道均具有类L型截面；二级低压侧通道的竖直段侧壁内凹形成用于容纳一级低压侧通道水平段端部的空间；二级低压侧通道的底端沿第二基片宽度方向延伸形成突出部，该突出部伸入三级低压侧通道竖直段侧壁的凹陷处；各低压侧导流片分别位于相应低压侧通道的水平段内；

所述一级高压侧通道具有类矩形截面，所述二级高压侧通道和三级高压侧通道均具有类L型截面；一级高压侧通道位于二级高压侧通道的竖直段和水平段围合形成的区域内，二级高压侧通道位于三级高压侧通道的竖直段和水平段围合形成的区域内；各级高压侧导流片水平设置于相应高压侧通道的水平段内。

11.根据权利要求1～10中任意一项所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，各级制冷循环器中，当低压侧通道位于高压侧通道上方时，缓冲室通过设于低压侧通道底端的条状通孔与低压侧通道的进口端连通；当低压侧通道位于高压侧通道下方时，缓冲室上设有正对低压侧通道进口端的通孔，且低压侧通道完全覆盖缓冲室所在区域。

12.根据权利要求1～10中任意一项所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，一级工质为无需预冷即可实现节流制冷的工质；二级工质为氖气或氢气；三级工质为氦气。

13.根据权利要求1～10中任意一项所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，各低压侧通道、高压侧通道和缓冲室内分别设有肋片结构。

14.根据权利要求13所述的液氦温区微型节流制冷机，其特征在于，所述肋片结构的截面形状包括矩形、圆形、椭圆形、菱形和水翼形，截面尺寸在几微米至几十微米之间。

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