CN113028669B - 一种微通道节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温制冷器技术领域，涉及一种微通道节流制冷器，包括：上盖板、芯体和下盖板，上盖板、下盖板分别覆盖芯体的正反面；芯体上设有蒸发腔；芯体的正面设有第一微通道、节流通道；芯体的反面设有第二微通道；下盖板上设有第一进气孔，芯体上设有第二进气孔，下盖板上设有出气孔；第一进气孔的孔径小于出气孔的孔径；第一微通道的出口与节流通道相连通；节流通道的出口与蒸发腔的入口相连通，蒸发腔内容纳节流后的低温工质，蒸发腔的出口与第二微通道的入口相连通，第二微通道的出口与下盖板的出气孔相连通。本发明微通道节流制冷器不易损坏，可靠性高，能达到低温目的的微通道节流制冷器。

Description

一种微通道节流制冷器

技术领域

本发明属于低温制冷器技术领域，涉及一种微通道节流制冷器。

背景技术

低温节流制冷器利用高压气体节流降温效应来实现对被冷却单元的制冷，广泛应用于低温医疗器械、航空航天、军事红外制导等民用及国防领域。

微型节流制冷器是低温节流制冷器的一种，其结构特征包括：初始端为系统提供气源的高压气体容器，高压气体容器后面的逆流回热换热器，回热器后的节流装置。

微型节流制冷器通过氮气或氩气以开式回热式循环进行冷量积累，对元器件进行冷却。对输入气体压力流量的调节进行制冷温度及冷量输出调节。目前使用的微型节流制冷机其中间芯轴仅起到支撑作用，但占用制冷器内较大空间，因此受回热器结构的限制在微型化方面受到严重制约。

发明内容

本发明提出一种微通道节流制冷器，其具有结构紧凑、体积小、可靠性高的优点。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种微通道节流制冷器，其特殊之处在于，包括：

上盖板、芯体和下盖板，

上盖板覆盖芯体的正面，下盖板覆盖芯体的反面；

芯体上设有蒸发腔；芯体的正面设有第一微通道、节流通道；芯体的反面设有第二微通道；

下盖板上设有第一进气孔，芯体上设有第二进气孔，下盖板上设有出气孔；芯体正面为高压侧，反面为低压侧，又因质量流量一定，第一进气孔孔径较小而出气孔孔径较大，可使高压侧体积流量较小而低压侧体积流量较大。

第一进气孔和第二进气孔相连通，第二进气孔与第一微通道的入口相连通，第一微通道的出口与节流通道相连通；节流通道的出口与蒸发腔的入口相连通，蒸发腔内容纳节流后的低温工质，蒸发腔的出口与第二微通道的入口相连通，第二微通道的出口与下盖板的出气孔相连通。

进一步地，上述第二微通道中设有多个微肋或采用几字形微通道。

进一步地，上述第一微通道中设有多个微肋或采用几字形微通道。

进一步地，上述第二微通道中的微肋采用交错等间距排列方式分布。

进一步地，上述微肋横截面为方形或圆形。

进一步地，上述芯体正面的高压侧通道由于主要起到降温节流的作用，因此要增大阻力，因此采用通流截面小的微通道或大尺寸的微肋，芯体反面的低压侧通道由于主要起到换热作用，要减小阻力，因此采用通流截面大的微通道或小尺寸的微肋。

进一步地，上述微通道节流制冷器设有细缝，细缝沿厚度贯穿上盖板、芯体和下盖板。

进一步地，上述细缝的数量为多条，多条细缝交叉设置。

进一步地，上述芯体的第一微通道、第二微通道均采用几字形的曲折通道。

进一步地，上述由于芯体两侧采用气气换热方式，主要热阻在气体侧，作为通道分隔的芯体中间部分的热阻即导热性能影响不大，芯体为薄板，可以采用强度高，形变小，导热小的材料，如不锈钢，高温合金，钛合金等，既保证了薄板的强度和装置可靠性以及加工工艺的可行性，又减小了轴向导热。

进一步地，上述基于MEMS技术的应用，采用真空扩散焊技术或钎焊等技术，将芯体薄板进行一次成型和一体化加工处理来保证密封性，并使结构紧凑，装置由上盖板、芯体和下盖板一体化组成微通道节流制冷器。

本发明的优点：

1)本发明提供了一种微通道节流制冷器，不易损坏，可靠性高，能达到低温目的的微通道节流制冷器，使得能够长期稳定地提供低温环境，提高节流制冷器的整体性能；

2)本发明采用曲折排布等方式对通道进行排布，使得装置的结构紧凑，减小装置的长度，同时增加轴向的导热距离，并且使得换热面积增加；

3)本发明采用沿厚度交叉贯穿整体的缝隙可以减小制冷器导热损失；

4)本发明采用芯体正反面分别为冷热侧通道，通过气气换热方式进行热交换，两侧通道通过蒸发腔构成串联方式，两侧通道质量流量一致，使结构紧凑并增强了换热效果，将节流与换热环节放置在一起，既使得结构紧凑又充分利用节流制冷效应增强了换热效果，提高了制冷效率；

5)本发明因此加工时需一次成型，且本装置由三部分组成，加工时需要一体化处理，采用真空扩散焊技术进行加工，保证节流装置的密封性良好，减小甚至防止阻塞的发生，以及强度足够；

6)芯体采用强度高，形变小，导热小的材料，如不锈钢，高温合金，钛合金等，既保证了薄板的强度和装置可靠性以及加工工艺的可行性，又减小了轴向导热。

附图说明

图1为本发明微通道节流制冷器的结构示意图；

图2为本发明微通道节流制冷器的热力过程图；

图3为微通道节流制冷器的内部结构示意图；

图4为微通道节流制冷器的内部结构的局部放大图；

图5为微通道节流制冷器芯体一侧为微肋通道的三维图；

图6为微通道节流制冷器芯体两侧均为微肋通道的三维图。

其中：1、上盖板，2、芯体，3、下盖板，4、第一进气孔，5、第二进气孔，6、第一微通道，7、节流通道，8、蒸发腔，9、第二微通道，10、出气孔，11、微通道节流制冷器，12、细缝。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

为了提高节流制冷器中回热换热器的紧凑程度，增强制冷效果，具有高表面积/体积比的优点的微通道技术被应用于节流制冷器中。

为了解决微型化瓶颈问题，选择应用基于MEMS技术的芯片级制冷机技术。MEMS技术是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术最新成果的基础上发展起来的高科技前沿技术。基于MEMS微加工工艺，在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微槽道构成气流的换热器、节流元件和蒸发器，称为微通道节流制冷机。微通道节流制冷机制冷原理与传统节流制冷器制冷原理一致，均采用在焦汤节流效应下可产生冷量的气体为工质，高压气体经回热器，被返流低温气体预冷，再经节流后产生冷量。被预冷后的高压气体制冷效率相对得到提高，节流产生更多冷量。微通道节流制冷机一般采用板式结构，因此，回热器和节流机构的布置灵活，可以方便的进行两级或多级微通道节流制冷机设计。采用MEMS技术进行微通道节流制冷机设计和加工，可以做到与探测器元件同等尺寸，大大降低了结构复杂度和装配难度，使得成品率和可靠性得到保证，成本得到有效控制。

本发明提供了一种微通道节流制冷器，包括：上盖板1、芯体2和下盖板3，上盖板1覆盖芯体2的正面，下盖板3覆盖芯体2的反面。

芯体2上设有蒸发腔8；芯体2的正面设有第一微通道6、节流通道7；芯体2的反面设有第二微通道9；下盖板3上设有第一进气孔4，芯体2上设有第二进气孔5，下盖板3上设有出气孔10；第一进气孔4和第二进气孔5相连通，第二进气孔5与第一微通道6的入口相连通，第一微通道6的出口与节流通道7相连通；节流通道7的出口与蒸发腔8的入口相连通，蒸发腔8内容纳节流后的低温工质，蒸发腔8的出口与第二微通道9的入口相连通，第二微通道9的出口与下盖板3的出气孔10相连通。所述芯体正面为高压侧，反面为低压侧，又因质量流量一定，第一进气孔4孔径较小而出气孔10孔径较大，可使高压侧体积流量较小而低压侧体积流量较大。

作为本发明的一个优选实施例，上述第二微通道9中设有多个微肋。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一微通道6采用几字形微通道。

作为一个优选方案，上述第二微通道9中的微肋采用交错等间距排列方式分布。微肋横截面为方形或圆形。

进一步地，上述芯体2正面的高压侧通道由于主要起到降温节流的作用，因此要增大阻力，因此第一微通道6采用通流截面小的微通道，芯体2反面的低压侧通道由于主要起到换热作用，要减小阻力，因此第二微通道9采用小尺寸的微肋。

进一步地，上述芯体2的第一微通道6、第二微通道9均采用几字形的曲折通道，几字形的曲折通道进一步地可进行几字形布置。

作为一个优选方案，上述微通道节流制冷器设有细缝12，细缝12沿厚度贯穿上盖板1、芯体2和下盖板3，细缝12的数量为多条，多条细缝12交叉设置，细缝12设置在几字形布置的通道缝隙内。

作为一个优选方案，上述由于芯体两侧采用气气换热方式，主要热阻在气体侧，作为通道分隔的芯体中间部分的热阻即导热性能影响不大，芯体为薄板，可以采用强度高，形变小，导热小的材料，如不锈钢，高温合金，钛合金等，既保证了薄板的强度和装置可靠性以及加工工艺的可行性，又减小了轴向导热。

作为一个优选方案，上述基于MEMS技术的应用，采用真空扩散焊技术或钎焊等技术，将芯体薄板进行一次成型和一体化加工处理来保证密封性，并使结构紧凑，装置由上盖板1、芯体2和下盖板3一体化组成微通道节流制冷器11。

实施例

参见图1-4以及图5，一种微通道节流制冷器，包括上盖板1、芯体2和下盖板3。上盖板1、芯体2和下盖板3组成微通道节流制冷器11。微通道节流制冷器的下盖板3的第一进气孔4与芯体2的第二进气孔5相连通，且孔的位置一致。芯体2的第二进气孔5与芯体2正面的几字形第一微通道6的入口相连通，芯体2正面的几字形第一微通道6的出口与节流通道7相连通。节流通道7的出口与蒸发腔8的入口相连通，蒸发腔8内容纳节流后的低温工质，蒸发腔8的出口与芯体2反面的第二微通道9的入口相连通，正反面的气体微通道均采用几字形的曲折通道，第二微通道9内设有微肋(以下将设有微肋的微通道称为微肋通道)，微肋采用交错等间距排列方式分布。芯体2反面的第二微通道9的出口与下盖板3的出气孔10相连通。所述芯体正面为高压侧，反面为低压侧，又因质量流量一定，使第一进气孔4孔径较小而出气孔10孔径较大，可使高压侧体积流量较小而低压侧体积流量较大。

微通道节流制冷器有四道交错沿厚度贯穿的细缝12，这样处理可以有效减少导热损失。节流通道区域温度最低，越接近节流区域的气体通道区域温度越低，因此会产生高低温之间的傅里叶导热，从而影响制冷效果与制冷效率。将高低温区域交错分隔开可以有效减小高低温区域之间的导热损失，从而提高制冷效果与制冷效率。

芯体2正反面的气体通道的几字形设计与排布，可以影响轴向导热。采用曲折通道作为气体通道，可以将轴向导热距离延长的同时，使得装置更加紧凑，并增加了换热面积，使得芯体正反面的高低温通道的换热效果更好。

芯体2正反面的高压通道采用微通道，低压通道采用微肋通道，芯体2正面的高压侧通道。

当然，参见图6，芯体2正反面也可以采用微肋通道，由于芯体2正面主要起到降温节流的作用，因此要增大阻力，因此采用通流截面小的微通道或大尺寸的微肋，芯体2反面的低压侧通道由于主要起到换热作用，要减小阻力，因此采用通流截面大的微通道或小尺寸的微肋。由于芯体正面为高压侧，反面为低压侧，又因质量流量一定，所以高压侧体积流量较小而低压侧体积流量较大，所以进气孔较小而出气孔较大。

为了保证节流装置的密封性良好，减小甚至防止阻塞的发生，以及强度足够，因此加工时需一次成型，且本装置由三部分组成，加工时需要一体化处理，基于MEMS技术的应用，因此采用真空扩散焊技术进行加工。在有限体积并起上下通道分隔作用的芯体中间部分厚度小的情况下，为了在低温环境下减小导热损失，保证装置的可靠性，装置的强度要高，材料的热导率要低，因此采用不锈钢。一次成型一体化加工处理可以保证密封性，工艺采用全金属真空扩散焊技术，材料为不锈钢，密封性良好，提高了承压能力，达到20MPa以上。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种微通道节流制冷器，其特征在于：

上盖板（1）、芯体（2）和下盖板（3），

上盖板（1）覆盖芯体（2）的正面，下盖板（3）覆盖芯体（2）的反面；

芯体（2）上设有蒸发腔（8）；芯体（2）的正面设有第一微通道（6）、节流通道（7）；芯体（2）的反面设有第二微通道（9）；

下盖板（3）上设有第一进气孔（4），芯体（2）上设有第二进气孔（5），下盖板（3）上设有出气孔（10）；所述第一进气孔（4）的孔径小于出气孔（10）的孔径；

第一进气孔（4）和第二进气孔（5）相连通，第二进气孔（5）与第一微通道（6）的入口相连通，第一微通道（6）的出口与节流通道（7）相连通；节流通道（7）的出口与蒸发腔（8）的入口相连通，蒸发腔（8）内容纳节流后的低温工质，蒸发腔（8）的出口与第二微通道（9）的入口相连通，第二微通道（9）的出口与下盖板（3）的出气孔（10）相连通；

所述微通道节流制冷器设有细缝（12），细缝（12）沿厚度贯穿上盖板（1）、芯体（2）和下盖板（3）；所述芯体（2）的第一微通道（6）、第二微通道（9）均采用几字形的曲折通道，细缝（12）设置在几字形布置的通道缝隙内，用于将高低温区域交错分隔开。

2.根据权利要求1所述的一种微通道节流制冷器，其特征在于：

所述第二微通道（9）中设有多个微肋。

3.根据权利要求2所述的一种微通道节流制冷器，其特征在于：

所述第一微通道（6）中设有多个微肋。

4.根据权利要求3所述的一种微通道节流制冷器，其特征在于：

所述第一微通道（6）、第二微通道（9）中的微肋采用交错等间距排列方式分布。

5.根据权利要求4所述的一种微通道节流制冷器，其特征在于：

所述第一微通道（6）的通流截面小于第二微通道（9）的通流截面，

和/或，所述第一微通道（6）的微肋尺寸大于第二微通道（9）的微肋尺寸。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种微通道节流制冷器，其特征在于：

所述细缝（12）的数量为多条，多条细缝（12）交叉设置。

7.根据权利要求6所述的一种微通道节流制冷器，其特征在于：

所述芯体（2）为薄板，采用强度高，形变小，导热小的材料制成。

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