CN207907531U - 一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微型泵以及制冷系统设备领域，具体涉及一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统。新型气体压缩装置由上盖、上泵体、下泵体、下盖、密封圈、轮式阀、进口阀和压电振子组成；压电振子通过螺栓与密封圈进行压接；压电振子中心开有中心孔并粘接有轮式阀；上盖、下盖、上泵体、下泵体、轮式阀、密封圈、上、中、下压电振子及其轮式阀构成上盖泵腔、上泵腔、下泵腔和下盖泵腔，实现泵腔的多级压缩；上盖泵腔上方开有出口流道；进口流道经过进口阀与下盖泵腔连通，进出口流道与冷却部分相连组成微型节流制冷系统。特色与优势：提出的微型节流制冷系统集成化高、功耗低、无电磁干扰/冲击/噪音，且易于微型化。

Description

一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统

技术领域

本发明属于微型泵以及制冷系统设备领域，具体涉及一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统。

背景技术

近年来，随着制造与加工技术的进步，特别是微电子机械系统(MEMS)的迅速发展，微型泵凭借其精确控制、便携性、低功耗和小尺寸集成等优势，广泛应用于生命科学、生物学和微流体领域。而随着液体微型泵技术的逐渐成熟，开发微型气体泵和微型气体压缩装置成为一个新的热点。

在电子技术、红外探测技术、高温超导技术和低温材料科学的研究中，很多元器件都需要在一定的低温环境下正常工作，这样才能减低热干扰，增加信噪比，提高灵敏度。通常这些元件所需要的制冷量很小(数瓦到数毫瓦)，在这种情况下，基于微型气体压缩机驱动的微型节流制冷器作为一种结构紧凑且方便可靠的冷源，可广泛应用于工业和试验研究中。当前制约微型节流制冷器的挑战在于微型气体压缩机的微型化。容积式微型气体泵具有结构简单且易于微型化的优点，十分适合作为微型气体压缩机使用。现有容积式微型气体压缩机主要通过加压气体，以其膨胀过程的压力实现单向阀开启与闭合，常用于微型节流制冷系统中。但往往由于有阀微型泵的单向阀是通过气体压力变化作用后才能动作的被动阀，因此阀的开启和关闭滞后于引起泵腔内压力变化的驱动部件变形，导致微型泵在一定程度下的响应性差，影响其工作性能；而无阀微型泵因工作时无单向阀控制易产生较多的倒流现象，因此无阀微型泵的输出压力不会太高，不适于微型气体压缩机的使用。故现有微型气体压缩机并不能很好的适应微型节流制冷系统。

因此开发一种微型压缩机驱动微型混合工质节流制冷器系统，满足航空航天，生物工程等要求体积小、性能高、能耗低的尖端领域是目前所急需的。

发明内容

本发明一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统由两部分组成，分别为新型气体压缩装置和冷却部分。

如图1、图2所示，本发明新型气体压缩装置由上盖、上泵体、下泵体、下盖、密封圈、轮式阀、进口阀和上、中、下压电振子组成；压电振子通过螺栓与密封圈进行连接与密封；所述压电振子由金属基板和压电陶瓷粘接而成；所述压电振子中心开有中心孔，并粘接有轮式阀；上盖、轮式阀、密封圈和上压电振子共同构成上盖泵腔；上泵体、上、中压电振子、轮式阀和密封圈共同构成上泵腔；下泵体、中、下压电振子、轮式阀和密封圈共同构成下泵腔；下盖、下压电振子、轮式阀、密封圈和进口阀共同构成下盖泵腔；所述上盖泵腔上方开有出口流道；进口流道经过进口阀与下盖泵腔连通。

如图3所示，轮式阀主要由阀片，夹持边界和弯曲悬臂组成；轮式阀工作时，3个弯曲悬臂梁的开启带动阀片实现平动开启。

新型气体压缩装置的工作原理如下所述：对三个压电振子施加存在一定相位差的交流电压使得三个压电振子在交流电压的作用下往复振动，其中，在下盖泵腔内实现气体的第一级压缩，在下泵腔内实现第二级压缩，在上泵腔内实现第三级压缩。本发明气体压缩装置具体工作状态分为初始状态、第一工作状态和第二工作状态：初始状态，所有压电振子处于平行状态；第一工作状态，所有压电振子通电动作，设置在上盖和上泵体间的压电振子向上弯曲，设置在下泵体和下盖间的压电振子向上弯曲，在对应压电振子动能的作用下，对应轮式阀关闭，上泵腔和下盖泵腔容积扩张，上盖泵腔和下泵腔容积缩小，进口阀打开，外界气体从进口流道经进口阀压入下盖泵腔，上盖泵腔内气体从出口流道排出，同时设置在上泵体和下泵体间的压电振子向下弯曲，上泵腔容积进一步扩张和下泵腔容积进一步缩小，在对应压电振子动能的作用下，轮式阀产生相对位移，轮式阀打开，下泵腔内气体经轮式阀压入上泵腔；第二工作状态，所有压电振子通电状态转换，设置在上盖和上泵体间的压电振子向下弯曲，设置在下泵体和下盖间的压电振子向下弯曲，在对应压电振子动能的作用下，对应轮式阀产生相对位移，轮式阀打开，上泵腔和下盖泵腔容积缩小，上盖泵腔和下泵腔容积扩张，进口阀关闭，下盖泵腔内气体经轮式阀阀口压入下泵腔，同时设置在上泵体和下泵体间的压电振子向上弯曲，上泵腔容积进一步缩小和下泵腔容积进一步扩张，在对应压电振子动能的作用下，轮式阀关闭，上泵腔内气体经轮式阀阀口进入上盖泵腔。在上述气体压缩装置工作过程中，初始状态、第一工作状态和第二工作状态的不断循环，其中气体压缩装置在第一工作状态时进行吸气、排气和第二级气体增压，在第二工作状态时进行第一、三级气体增压。

在上述新型气体压缩装置一个工作循环过程中，低压气体从进口流道经进口阀压入下盖泵腔，压电振子向下运动，实现新型气体压缩装置的第一级压缩；下盖泵腔内气体经轮式阀阀口压入下泵腔，压电振子向上运动和压电振子向下运动，实现新型气体压缩装置的第二级压缩；下泵腔内气体经轮式阀阀口压入上泵腔，压电振子向上运动和压电振子向下运动，实现新型气体压缩装置的第三级压缩。

如图4所示，冷却部分III由高压流道、逆流热交换器、节流阀、高温蒸发器和低压流道组成；其闭路循环工作，当气体经新型气体压缩装置的多级压缩由出口流道排出，压缩气体流入高压流道，经高压流道上的逆流热交换器和节流阀将低温高压气体流入高温蒸发器，带走高温蒸发器热量经低压流道及低压流道上的逆流热交换器，流入新型气体压缩装置，实现新型气体压缩装置和微型节能制冷系统冷却两部分的闭路循环。

本发明的特色及优势在于：①压电气体压缩机具有体积小、重量轻、无电磁干扰、可靠性高、易于集成化等优点，开发的新型压电驱动微型节流制冷系统实现了制冷系统的闭路循环工作，提高了系统的可靠度和集成度，易于微型化；②单阀和压电振子一体化提高了阀的响应效果，相应改善压电气体压缩机换能效率和工作频宽，增加气体压缩机的能量密度；③本发明中的新型气体压缩装置采用多级气体压缩，泵体内的气压经过多层多级累计增压，其输出压力大且压缩效率高，可扩展性强。

附图说明

图1是本发明新型气体压缩装置的结构示意图；

图2是本发明一个新型气体压缩装置的压电振子的俯视图；

图3是图2中I的局部放大图；

图4是一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统闭路循环图。

具体实施方式

本发明一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统由两部分组成，分别为新型气体压缩装置II和冷却部分III。

如图1、图2所示，本发明新型气体压缩装置II由上盖14、上泵体12、下泵体11、下盖10、密封圈13、轮式阀17、18、5、进口阀6和压电振子15、8、9组成；压电振子15、8、9通过螺栓与密封圈13进行连接与密封；所述压电振子15、8、9由金属基板8b和压电陶瓷8a粘接而成；所述压电振子15、8、9中心开有中心孔，并分别粘接有轮式阀17、18、5；上盖14、轮式阀17、密封圈13和压电振子15共同构成上盖泵腔1；上泵体12、压电振子15、轮式阀17、18、密封圈13和压电振子8共同构成上泵腔2；下泵体12、压电振子8、轮式阀18、5、密封圈13和压电振子9共同构成下泵腔3；下盖10、压电振子9、轮式阀5、密封圈13和进口阀6共同构成下盖泵腔4；所述上盖泵腔1上方开有出口流道16；进口流道7经过进口阀6与下盖泵腔4连通。

如图3所示，轮式阀17、18、5主要由阀片20，夹持边界19和弯曲悬臂21组成；轮式阀工作时，3个弯曲悬臂梁21的开启带动阀片20实现平动开启。

新型气体压缩装置II的工作原理如下所述：对压电振子15、8、9施加存在一定相位差的交流电压使得压电振子15、8、9在交流电压的作用下往复振动，其中，在下盖泵腔4内实现气体的第一级压缩，在下泵腔3内实现第二级压缩，在上泵腔2内实现第三级压缩。本发明气体压缩装置具体工作状态分为初始状态、第一工作状态和第二工作状态：初始状态，所有压电振子15、8、9处于平行状态；第一工作状态，压电振子15、8、9通电动作，设置在上盖14和上泵体12间的压电振子15向上弯曲，设置在下泵体11和下盖10间的压电振子9向上弯曲，在对应压电振子15、9动能的作用下，轮式阀17、5关闭，上泵腔2和下盖泵腔4容积扩张，上盖泵腔1和下泵腔3容积缩小，进口阀8打开，外界气体从进口流道7经进口阀6压入下盖泵腔4，上盖泵腔1内气体从出口流道16排出，同时设置在上泵体12和下泵体11间的压电振子8还向下弯曲，上泵腔2容积进一步扩张和下泵腔3容积进一步缩小，在对应压电振子8动能的作用下，轮式阀18产生相对位移，轮式阀18打开，下泵腔3内气体经轮式阀18压入上泵腔2；第二工作状态，压电振子15、8、9通电状态转换，设置在上盖14和上泵体12间的压电振子15向下弯曲，设置在下泵体11和下盖10间的压电振子9向下弯曲，在对应压电振子15、9动能的作用下，轮式阀17、5产生相对位移，轮式阀17、5打开，上泵腔2和下盖泵腔4容积缩小，上盖泵腔1和下泵腔3容积扩张，进口阀6关闭，下盖泵腔4内气体经轮式阀5阀口压入下泵腔3，同时设置在上泵体12和下泵体11间的压电振子8向上弯曲，使上泵腔2容积进一步缩小和下泵腔3容积进一步扩张，在对应压电振子8动能的作用下，轮式阀18关闭，上泵腔2内气体经轮式阀17阀口进入上盖泵腔1。在上述气体压缩装置工作过程中，初始状态、第一工作状态和第二工作状态的不断循环，其中新型气体压缩装置在第一工作状态时进行吸气、排气和第二级气体增压，在第二工作状态时进行第一、三级气体增压。

在上述新型气体压缩装置一个工作循环过程中，低压气体从进口流道7经进口阀6压入下盖泵腔4，压电振子9向下运动，实现新型气体压缩装置的第一级压缩；下盖泵腔4内气体经轮式阀5阀口压入下泵腔3，压电振子9向上运动和压电振子8向下运动，实现新型气体压缩装置的第二级压缩；下泵腔3内气体经轮式阀18阀口压入上泵腔2，压电振子8向上运动和压电振子15向下运动，实现新型气体压缩装置的第三级压缩。

如图4所示，冷却部分III由高压流道22、逆流热交换器23、节流阀24、高温蒸发器25和低压流道26组成；其闭路循环工作，当气体经新型气体压缩装置的多级压缩由出口流道16排出，压缩气体流入高压流道22，经高压流道22上的逆流热交换器23和节流阀24将低温高压气体流入高温蒸发器25，带走高温蒸发器热量经低压流道26及低压流道26上的逆流热交换器23，流入新型气体压缩装置，实现新型气体压缩装置II和微型节能制冷系统冷却III两部分的闭路循环。

Claims (3)

1.一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统，其特征在于：新型气体压缩装置由上盖、上泵体、下泵体、下盖、密封圈、轮式阀、进口阀和上、中、下三个压电振子组成；三个压电振子通过螺栓与密封圈进行连接与密封；所述压电振子均由金属基板和压电陶瓷粘接而成；所述三个压电振子中心开有中心孔，并粘接有轮式阀；上盖、轮式阀、密封圈和上压电振子共同构成上盖泵腔；上泵体、上压电振子及其轮式阀、密封圈和中压电振子共同构成上泵腔；下泵体、中压电振子及其轮式阀、密封圈和下压电振子共同构成下泵腔；下盖、下压电振子、轮式阀、密封圈和进口阀共同构成下盖泵腔；所述上盖泵腔上方开有出口流道；进口流道经过进口阀与下盖泵腔连通；微型节流制冷系统的冷却部分由高压流道及其流道上的逆流热交换器和节流阀将新型气体压缩装置的出口与蒸发器相连进口，而将气体压缩装置的进口与蒸发器出口通过低压流道及其流道上的逆流热交换器相连，构成微型节流制冷系统。

2.根据权利要求1所述一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统，其特征在于：新型气体压缩装置中将控制流体输送的轮式阀和压电振子装配在一体上，通过三个压电振子的变形对下盖泵腔、下泵腔、上泵腔内气体进行多级增压。

3.根据权利要求1所述一种基于新型气体压缩装置的微型节流制冷系统，其特征在于：经新型气体压缩装置增压后的气体进入高压流道的逆流热交换器，并由节流阀控制对蒸发器进行冷却，随后，高温低压气体进入低压流道上的逆流热交换器进行热交换再进入新型气体压缩装置实现微型节流制冷系统的闭路循环。