CN117091317A - 一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，属于低温制冷技术领域。该制冷器包括顺序连接的气路连接片、换热器片和盖板；气路连接片上设有由高压进气口和低压出气口；在换热器片上，与低压出气口对应的位置上设有气路出口；在换热器片上，且在靠近气路连接片的一侧，设有气路进口、螺旋形高压换热器微通道、节流段；气路进口的设置位置与高压进气口所在位置相对应；且在换热器片上，在节流段的尾端设有蒸发腔入口；在换热器片上，且在盖板的一侧，设有迷宫换热器微通道和蒸发腔。本发明制冷器径向尺寸小于红外探测器杜瓦安装尺寸，且轴向尺寸大幅小于现有节流制冷器，能够有效缩减红外探测器杜瓦尺寸，进而显著降低红外探测器体积。

Description

一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器。

背景技术

在现有技术中，红外探测器中使用的节流制冷器通常为圆柱状结构，该结构采用肋片毛细管作为换热器，需要较多的轴向安装空间，不利于红外探测器的小型化以及集成化。

现有红外探测器用节流制冷器由高压进气端10、肋片管换热器20以及节流块3构成。现有的红外探测器用节流制冷器在工作时高压气体由进气端10进入节流制冷器，在肋片换换热器20内部流动，经节流块30喷出实现节流降温，降温后的气体再经肋片管换热器20外部进行换热，对进气进行预冷，从而逐步达到红外探测器工作温度。

现有的红外探测器用节流制冷器需要足够长度的换热器长度才能保证工质气体预冷充分，以达到红外探测器所需制冷温度，其柱状结构设计不利于节流制冷器以及与之匹配的红外探测器杜瓦的尺寸缩减，也不利于红外探测器的小型化发展。因此如何克服现有技术的不足是目前低温制冷技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其结构为芯片形扁平状，径向尺寸小于红外探测器杜瓦安装尺寸，且轴向尺寸大幅小于现有节流制冷器，能够有效缩减红外探测器杜瓦尺寸，进而显著降低红外探测器体积。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，包括顺序连接的气路连接片、换热器片和盖板；

所述的气路连接片上设有由高压进气口和低压出气口；

在换热器片上，与低压出气口对应的位置上设有气路出口；

在换热器片上，且在靠近气路连接片的一侧，设有气路进口、螺旋形高压换热器微通道、节流段；

气路进口的设置位置与高压进气口所在位置相对应；

气路进口、螺旋形高压换热器微通道和节流段顺序连通；且在换热器片上，在节流段的尾端设有蒸发腔入口；

在换热器片上，且在盖板的一侧，设有迷宫换热器微通道和蒸发腔；

蒸发腔入口与蒸发腔的进气端相连通；

蒸发腔的出气端与迷宫换热器微通道的首端相连通；

迷宫换热器微通道的尾端与气路出口相连通。

进一步，优选的是，在蒸发腔和迷宫换热器微通道中均均匀布设有多个微肋。

进一步，优选的是，气路出口、蒸发腔入口为穿透刻蚀。

进一步，优选的是，气路进口、螺旋形高压换热器微通道和节流段为非穿透刻蚀；迷宫换热器微通道和蒸发腔也为非穿透刻蚀。

进一步，优选的是，气路进口与螺旋形高压换热器微通道的刻蚀深度相同，并且螺旋形高压换热器微通道的流动当量直径应大于节流段的流动当量直径的2倍以上。

进一步，优选的是，迷宫换热器微通道与蒸发腔的刻蚀深度相同，且迷宫换热器微通道的流动当量直径应大于螺旋形高压换热器微通道的流动当量直径2倍以上。

本发明所述的一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其具体是采用平面化的微通道换热器代替现有节流制冷器中的肋片管换热器，将整个节流制冷器微型化、平面化从而有效降低与制冷器适配的杜瓦尺寸，降低红外探测器体积。

本发明技术关键点如下：

（1）制冷器节流端和蒸发腔位于制冷器中部，制冷器径向尺寸小于红外探测器杜瓦安装尺寸，便于红外探测器芯片安装集成。

（2）制冷器的低压换热器微通道采用迷宫形式设计，节流后的低温气体在迷宫形流道中不断变换流动方向，有利于增加气体工质与换热器壁面的接触时长从而提升换热效率。

（3）制冷器的蒸发腔与低压换热器微通道中均设计有微肋，用于提升制冷器强度以及强化气体扰动从而强化换热。

（4）螺旋形高压换热器微通道的流动当量直径应大于节流段流动当量直径2倍以上，以确保制冷器产生足够的节流效应。

（5）低压换热器的迷宫换热器微通道流动当量直径应大于螺旋形高压换热器微通道流动当量直径2倍以上，以确保制冷器能够达到相对较低的工质液化温度。

本发明的一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器能够显著缩小制冷器以及适配杜瓦的尺寸，从而降低红外探测器体积。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本发明提供的制冷器尺寸（尤其是轴向安装尺寸）显著低于现有节流制冷器，能够在很大程度上缩小红外探测器体积；现有探测器用节流制冷器通常轴向长度为20mm以上，而本发明提供的制冷器轴向长度小于2mm。

（2）本发明提供的制冷器微通道采用精度较高的刻蚀工艺制造，加工精度和成本低于现有节流制冷器。

（3）本发明提供的制冷器为平板状结构，便于红外探测器芯片集成耦合，有利于提升红外探测器集成化程度。

附图说明

图1是现有技术的示意图；

图2是本发明适用于红外探测器的芯片级节流制冷器的结构示意图；

图3是本发明适用于红外探测器的芯片级节流制冷器的装配示意图；箭头方向为气体工质在制冷器中的流动大致方向示意图（气体在刻蚀槽道中螺旋流动，在螺旋形高压换热器微通道33、节流段34中为螺旋向内，在迷宫换热器微通道36中为螺旋向外）

图4是本发明适用于红外探测器的芯片级节流制冷器的高压换热器侧示意图；

图5时本发明适用于红外探测器的芯片级节流制冷器的低压换热器侧示意图；

其中，1、制冷器；10、高压进气端；11、高压进气口；12、低压出气口；2、气路连接片；20、肋片管换热器；3、换热器片；30、节流块；31、气路进口；32、气路出口；33、螺旋形高压换热器微通道；34、节流段；35、蒸发腔入口；36、迷宫换热器微通道；37、微肋；38、蒸发腔；4、盖板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图2~图5所示，一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，包括顺序连接的气路连接片2、换热器片3和盖板4；

所述的气路连接片2上设有由高压进气口11和低压出气口12；

在换热器片3上，与低压出气口12对应的位置上设有气路出口32；

在换热器片3上，且在靠近气路连接片2的一侧，设有气路进口31、螺旋形高压换热器微通道33、节流段34；

气路进口31的设置位置与高压进气口11所在位置相对应；

气路进口31、螺旋形高压换热器微通道33和节流段34顺序连通；且在换热器片3上，在节流段34的尾端设有蒸发腔入口35；

在换热器片3上，且在盖板4的一侧，设有迷宫换热器微通道36和蒸发腔38；

蒸发腔入口35与蒸发腔38的进气端相连通；

蒸发腔38的出气端与迷宫换热器微通道36的首端相连通；

迷宫换热器微通道36的尾端与气路出口32相连通。

优先地，在蒸发腔38和迷宫换热器微通道36中均均匀布设有多个微肋37。

优先地，气路出口32、蒸发腔入口35为穿透刻蚀。

优先地，气路进口31、螺旋形高压换热器微通道33和节流段34为非穿透刻蚀；迷宫换热器微通道36和蒸发腔38也为非穿透刻蚀。

优先地，气路进口31与螺旋形高压换热器微通道33的刻蚀深度相同，并且螺旋形高压换热器微通道33的流动当量直径应大于节流段34的流动当量直径的2倍以上。

优先地，迷宫换热器微通道36与蒸发腔38的刻蚀深度相同，且迷宫换热器微通道36的流动当量直径应大于螺旋形高压换热器微通道33的流动当量直径2倍以上。

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体构成和工作原理作进一步详细描述。

图2所示为本发明制冷器的示意图，图2中1为制冷器，高压气体由高压进气口11进入制冷器，经节流降温及换热后由低压出气口12流出制冷器。

图3所示为本发明制冷器的装配示意图，制冷器包括气路连接片2、换热器片3以及盖板4组成。

图4为本发明制冷器的高压换热器侧示意图，高压换热器特征位于换热器片3上，高压换热器主要由气路进口31、气路出口32、螺旋形高压换热器微通道33、节流段34以及蒸发腔入口35构成。以上特征均采用刻蚀加工而成，其中气路出口32、蒸发腔入口35为穿透刻蚀，气路进口31、螺旋形高压换热器微通道33和节流段34为非穿透刻蚀。在非穿透刻蚀中气路进口31与螺旋形高压换热器微通道33的刻蚀深度相同并且螺旋形高压换热器微通道33的流动当量直径应大于节流段34的流动当量直径的2倍以上，以确保制冷器能产生足够的节流制冷效应。在制冷器装配时气路进口31应与高压进气口11对齐，气路出口32应与低压出气口12对齐。

图5为本发明制冷器的低压换热器侧示意图，低压换热器特征也位于换热器片3上，且成形于高压换热器背面。低压换热器主要由气路出口32、蒸发腔入口35、迷宫换热器微通道36、微肋37以及蒸发腔38构成。以上特征均采用刻蚀加工而成，其中气路出口32、蒸发腔入口35为穿透刻蚀，迷宫换热器微通道36和蒸发腔38为非穿透刻蚀，微肋37为未刻蚀特征。迷宫换热器微通道36与蒸发腔38的刻蚀深度相同，且迷宫换热器微通道36的流动当量直径应大于螺旋形高压换热器微通道33的流动当量直径2倍以上，以确保制冷器能够达到相对较低的工质液化温度。迷宫换热器微通道36为迷宫状布置，相邻流动通道的气体流动方向相反，该设计能够增加气体在换热器中停留的时间以进一步强化换热。本发明对于迷宫换热器微通道36的具体设计不做限制，优选采用图5所示设计。

本发明节流制冷器的具体实施例如图2所示，高压气体经高压进气口11进入制冷器，之后在高压换热器微通道33与气路连接片2形成的密闭微通道中流动换热，之后经节流段34与气路连接片2形成的节流微槽道对高压气体进行节流，节流后的气体工质经蒸发腔入口35进入位于换热器片3背面的蒸发腔38与盖板4形成的密闭空间中进行膨胀制冷。完成膨胀后的低温工质气体沿迷宫换热器微通道36与盖板4形成的密闭微通道流动，工质气体通过迷宫换热器微通道36与螺旋形高压换热器微通道33之间的间壁进行换热，对进气实现预冷。迷宫换热器微通道36中设有未刻蚀的微肋37，微肋37的作用是加强换热器微通道36与盖板4之间的连接以提升制冷器结构强度，并且可以强化气体工质在迷宫换热器微通道36中的流动扰动，提升换热性能。最后工质气体经气路出口32和低压出气口12流出节流制冷器。

现有的红外探测器用节流制冷器轴向长度通常为20mm以上，且在制冷器前端通常需要5mm以上的空间作为蒸发腔，本发明提供的芯片级节流制冷器轴向长度小于2mm，且蒸发腔位于制冷器内部无需额外空间，探测器芯片可直接贴附于制冷器表面。若使用本发明制冷器替代现有节流制冷器，红外探测器的整体轴向长度将能够缩减40%以上，易于推广应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其特征在于，包括顺序连接的气路连接片（2）、换热器片（3）和盖板（4）；

所述的气路连接片（2）上设有由高压进气口（11）和低压出气口（12）；

在换热器片（3）上，与低压出气口（12）对应的位置上设有气路出口（32）；

在换热器片（3）上，且在靠近气路连接片（2）的一侧，设有气路进口（31）、螺旋形高压换热器微通道（33）、节流段（34）；

气路进口（31）的设置位置与高压进气口（11）所在位置相对应；

气路进口（31）、螺旋形高压换热器微通道（33）和节流段（34）顺序连通；且在换热器片（3）上，在节流段（34）的尾端设有蒸发腔入口（35）；

在换热器片（3）上，且在盖板（4）的一侧，设有迷宫换热器微通道（36）和蒸发腔（38）；

蒸发腔入口（35）与蒸发腔（38）的进气端相连通；

蒸发腔（38）的出气端与迷宫换热器微通道（36）的首端相连通；

迷宫换热器微通道（36）的尾端与气路出口（32）相连通。

2.根据权利要求1所述的适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其特征在于，在蒸发腔（38）和迷宫换热器微通道（36）中均均匀布设有多个微肋（37）。

3.根据权利要求1所述的适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其特征在于，气路出口（32）、蒸发腔入口（35）为穿透刻蚀。

4.根据权利要求1所述的适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其特征在于，气路进口（31）、螺旋形高压换热器微通道（33）和节流段（34）为非穿透刻蚀；迷宫换热器微通道（36）和蒸发腔（38）也为非穿透刻蚀。

5.根据权利要求1所述的适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其特征在于，气路进口（31）与螺旋形高压换热器微通道（33）的刻蚀深度相同，并且螺旋形高压换热器微通道（33）的流动当量直径应大于节流段（34）的流动当量直径的2倍以上。

6.根据权利要求1所述的适用于红外探测器的芯片级节流制冷器，其特征在于，迷宫换热器微通道（36）与蒸发腔（38）的刻蚀深度相同，且迷宫换热器微通道（36）的流动当量直径应大于螺旋形高压换热器微通道（33）的流动当量直径2倍以上。