CN104142034A - 一种微型节流制冷器 - Google Patents
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Abstract
一种微型节流制冷器，其由上、下盖板、换热芯体和冷端封头组成：换热芯体的平板基底两面固定上、下肋片；上、下肋片在长度方向开有间隔分布的垂直于平板基底长侧边的槽道；上肋片位于上盖板的下凹槽内；下肋片位于下盖板的上凹槽内；上盖板一端顶部有通孔及进气口，另一端不封闭设节流孔；下盖板一端顶部有通孔及出气口，另一端有节流孔；上、下盖板及换热芯体构成节流制冷主体；冷端封头套装于节流制冷主体有节流孔一端；上盖板和上肋片之间构成低压流道；下盖板和下肋片之间构成高压流道；高温高压流体从进气口进入高压流道，经过节流孔后成低温低压流体进入低压流道，最后从出气口流出；具比表面积大、换热效率高、承受高压运行及易规模化。
Description
技术领域
本发明涉及一种深冷领域的微型节流制冷器。
背景技术
深冷领域的微型节流制冷器是一种结构简单、使用方便、体积和质量小、易于电子器件集成化、冷头无振动、噪音小、易于微型化等诸多特点的制冷设备。作为一种方便可靠的冷源，可广泛应用于工业和实验研究中，例如:红外探测器的温度试验，冷却CCD阵列，红外光谱仪试件冷却，扫描式电子显微镜试件冷却，集成电路冷却和温度稳定性控制，微型冷泵，生物组织的低温保存、冷冻干燥以及便携式低温治疗设备等方面。目前广泛应用于中小型以及微型低温制冷***中的微型节流制冷器是汉普逊螺旋肋片绕管式节流制冷器，其结构是在薄壁不锈钢毛细管外壁上缠绕紫铜肋片，集成逆流换热器，高压工质通道为不锈钢毛细管，低压工质通道为不锈钢毛细管与紫铜肋片围成的间隙，在高压通道出口处连接节流孔以及冷头（蒸发器），即构成了一个汉普逊型的微型节流制冷器。这种微型节流制冷器的制作加工需要特殊的工艺。紫铜肋片需要在专门的机床上加工，然后在专用的机床上将紫铜薄肋片缠绕在不锈钢毛细管上，该工序需要较高的技术和丰富的经验。为了增加不锈钢毛细管与紫铜肋片之间的结合强度，提高两者之间的热耦合，降低接触热阻，需要将缠绕的肋片和不锈钢毛细管进行电镀处理。因此，这种微型节流制冷器加工周期长，价格比较昂贵，不适合进行批量化生产。
随着MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微细加工技术的发展，微型节流制冷器更加趋向微型化，MMR（Microminiature J-TRefrigerator）随之而生。MMR通常采用平板式结构，利用光刻技术，在玻璃基片或者不锈钢基片上刻出几到几十微米的细微槽道构成工质的逆流换热器、节流元件和蒸发器，同时利用封装技术，实现板间的密封，使高压气体在密闭腔体内流动，便形成了微型节流制冷器。国外主要从事MMR节流制冷器研制的国家主要是美国和日本，经过长期的积累和实验以及投入，已经有工程化产品问世，国内由于受到微型槽道加工、制造和封装技术水平的限制，目前还没有完全掌握MMR节流制冷器技术，更没有批量化的产品出现。
国外MMR技术制作的微型节流制冷器材料是非常规的玻璃或者硅基材料，微通道的制作加工采用光刻工艺或者湿法刻蚀工艺。光刻工艺是利用光刻胶涂抹在玻璃或者硅基片上，然后再紫外线下感光、显影以及烘干过程实现微槽道的加工；而湿法刻蚀工艺是利用液体刻蚀剂与固体基底的溶解来腐蚀出微通道。封装工艺则是利用稀释的光学胶涂抹在玻璃片上进行粘接。这些工艺过程都比较复杂，加工精度要求很高，而且在加工过程中容易堵塞微通道，加工难度很大，成品率比较低。国内目前还没有完全掌握MMR制冷器加工技术。
为了展开国内微型节流制冷器的研究，在常规机械加工的基础上，尝试加工出微型节流制冷器成为一种可能性。常规的机械加工工艺中，线切割技术由于切割丝径的逐渐减小，最小可达0.08mm，完全可以实现微型通道的加工，而微型节流制冷器的封装工艺则可以利用激光焊接或者电子束焊接技术来实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的微型节流制冷器，一方面，避免目前微型制冷器不同部件之间的接触热阻，简化制造工艺，以实现规模化生产；另一方面，在国内缺乏成熟的MMR节流制冷器加工技术的前提下，提供一种结构简单，加工工艺成熟，制造周期短，成品率高，易于实现规模化生产，能弥补MMR空缺的微型节流制冷器。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的微型节流制冷器，采用线切割机械加工技术制作，利用激光焊接技术进行封装。
本发明微型节流制冷器，其由上盖板1、下盖板5、两个上下叠摞的上换热芯体和下换热芯体、框式高压流道侧壁3、冷端封头6及热端封头7组成：
所述上盖板1为长度方向上带有下凹槽的槽式盖板；
所述下盖板5为长度方向上带有上凹槽的槽式盖板；
所述上换热芯体和下换热芯体均由一长条状平板基底和分别垂向固定于所述长条状平板基底上表面的上肋片和下表面下肋片组成；所述上肋片和下肋片为高度相同间距均匀分布的片状肋片或者针状肋片；所述片状肋片平行于所述平板基底长侧边；所述上肋片和下肋片在长度方向开有间隔分布的垂直于所述平板基底长侧边的槽道8，槽道宽0.2～0.5mm；所述上换热芯体的下肋片与所述下换热芯体的上肋片相 对放置而叠摞成上下叠摞的整体式换热芯体；
所述框式高压流道侧壁3为一框结构，其将所述上下叠摞的整体式换热芯体框套于其框内；所述上换热芯体的上肋片位于所述上盖板1的下凹槽内；所述下换热芯体的下肋片位于所述下盖板5的下凹槽内；
所述上盖板1、下盖板5及框装于框式高压流道侧壁3内的整体式换热芯体构成节流制冷器主体；
所述冷端封头6套装于所述节流制冷器主体的一端；所述热端封头7套装于所述节流制冷器主体的另一端；所述热端封头7上端面及外侧面分别开有小孔；外侧面上小孔上装有高压流体进气管；
所述框式高压流道侧壁3、上换热芯体的下肋片和下换热芯体的上肋片之间间隙共同构成高压流道A；
所述上盖板1、下盖板5、上换热芯体的上肋片和下换热芯体的下肋片之间间隙共同构成第一低压流道B1和第二低压流道B2；
框式高压流道侧壁3一端开有一进气孔，另一端开一节流孔C；热端封头7上开有一进气口Q1和一出气口Q2；
所述高压流道A、第一低压流道B1和第二低压流道B2入口端的槽道相对其它槽道密集，所述高压流道A、第一低压流道B1和第二低压流道B2入口端的槽道间距为3～5mm，以保证流体进入流道后均匀分布；
高温高压流体从进气口Q1进入高压流道A，经过节流孔C节流后变成低温低压流体，再分别进入第一低压流道B1和第二低压流道B2，最后从出气口Q2流出。
本发明的微型节流制冷器，还可由上盖板1、下盖板5、一个换热芯体和冷端封头6组成：
所述上盖板1为长度方向上带有下凹槽的槽式盖板；
所述下盖板5为长度方向上带有上凹槽的槽式盖板；
所述换热芯体由一长条状平板基底和分别垂向固定于所述长条状平板基底上表面的上肋片和下表面下肋片组成；所述上肋片和下肋片为高度相同间距均匀分布的片状肋片或者针状肋片；所述片状肋片平行于所述平板基底的长侧边；所述上肋片和下肋片在长度方向开有间隔分布的垂直于所述平板基底长侧边的槽道8，所述槽道宽为0.2～0.5mm；所述换热芯体的上肋片位于所述上盖板1的下凹槽内；所述换热芯 体的下肋片位于所述下盖板5的下凹槽内；
所述上盖板1一端顶部开有一个直径为4.0mm的通孔，另一端不封闭；
所述下盖板5一端顶部开有一个直径为4.0mm的通孔，另一端面开有一个直径为0.15mm的节流孔；
所述上盖板1、下盖板5及整体式换热芯体构成节流制冷器主体；
所述冷端封头6套装于所述节流制冷器主体有节流孔的一端；
所述上盖板1和换热芯体的上肋片之间间隙共同构成低压流道B3；
所述下盖板5和换热芯体的下肋片之间间隙共同构成高压流道A；
所述上盖板1一端开一进气口Q1，另一端开一节流孔C；下盖板5一端开一出气口Q2，另一端和上盖板1有节流孔C的一端利用冷端封头进行封装；
高温高压流体从进气口Q1进入高压流道A，经过节流孔C节流后变成低温低压流体进入低压流道B3，最后从出气口Q2流出。
所述槽道深度等于或者比肋片高度低10%～20%。
所述的节流孔C孔径在毫米量级之内。
所述的上盖板1、下盖板5、上换热芯体、下换热芯体、换热芯体、框式高压流道侧壁3及热端封头7的材质均为不锈钢，所述的冷端封头6材质为不锈钢或者紫铜。
所述的冷端封头6的内侧表面加工出微小翅片结构，以此强化换热，减小温度测量误差。
本发明也可以只采用一个所述的换热芯体2和上盖板1、下盖板5以及冷端封头6共同组成一个微型节流制冷器；其中，上盖板1的一端开有进气口；下盖板5的一端开有出气口，另一端开一个节流孔C；上盖板1和换热芯体2之间间隙构成低压通道B3；下盖板5和换热芯体2之间间隙构成高压通道A；在有节流孔C的一端用一个冷端封头6进行封装，以构成一个微型逆流换热器。
本发明的优势在于，该微型节流制冷器采用了高低压流道整体式的换热芯体，从根本上消除了流道间的接触热阻，比表面积可以高达5000m2/m3，而且能够承受高压运行，换热芯体的肋片可以采用线切割加工工艺进行加工，封装时可以采用激光焊接技术进行焊接，焊接面平整而且美观，容易实现规模化生产。
附图说明
图1是本发明采用双换热芯体的微型节流制冷器的结构***图；
图2是本发明采用双换热芯体的微型节流制冷器的外形结构示意图；
图3是本发明整体式换热芯体的结构示意图；
图4是本发明高压通道侧壁的结构示意图；
图5是本发明采用双换热芯体的微型节流制冷器的内部结构示意图；
图6是本发明采用双换热芯体的微型节流制冷器的横截面示意图；
图7是本发明采用单个换热芯体的微型节流制冷器的结构示意图；
图8是本发明采用单个换热芯体的微型节流制冷器的横截面示意图；
图9是本发明采用单个换热芯体的微型节流制冷器的轴向断面示意图；
图10是本发明采用单个换热芯体的微型节流制冷器的外形结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1、2、3、4、5和6所示，本发明的微型节流制冷器为三流道微型节流制冷器，其中中间流道为高压流道A，两侧流道为第一低压流道B1和第二低压流道B2；该微型节流制冷器由上盖板1和下盖板5、两个换热芯体2、高压流道侧壁3、冷端封头6以及热端封头7组成；两个换热芯体2分别为上换热芯体和下换热芯体，均由一长条状平板基底和分别垂向固定于所述长条状平板基底上表面的上肋片和下表面下肋片组成；所述上肋片和下肋片为高度相同间距均匀分布的片状肋片或者针状肋片；所述片状肋片平行于所述平板基底长侧边；所述上肋片和下肋片在长度方向开有间隔分布的垂直于所述平板基底长侧边的槽道8，槽道宽0.2～0.5mm；所述上换热芯体的下肋片与所述下换热芯体的上肋片相对放置而叠摞成上下叠摞的整体式换热芯体；上盖板1为长度方向上带有下凹槽的槽式盖板；下盖板5为长度方向上带有上凹槽的槽式盖板；上盖板1和下盖板5长度均为150mm，厚度均为0.5mm，宽度均为14.7mm；整体式换热芯体2长度也为150mm，宽度也为14.7mm，上肋片21高度为3.0mm，宽度为0.3mm；下肋片22高度为2.5mm，宽度为0.3mm；同一侧两相邻肋片之间的间距为0.2mm，上、下肋片基底厚度为0.5mm，在上、下肋片纵向方向上每隔30mm加工出一个深度为肋片高度值或者比肋片高度低10%～20%的宽度为0.2mm槽道8，其中在靠近高、低压流道进气口30mm的距离内槽道比较密集，每隔3mm加工一个深度为肋片高度，宽度为0.2mm的纵向槽道8；高压通道侧壁3壁厚0.5mm，一 端中心开有一个直径为3.0mm的通孔，另一端中心开有一直径为0.15mm的节流孔C；上下盖板、整体式换热芯体、冷端封头6以及热端封头7采用不锈钢材料制造加工。
在该微型节流制冷器中，从高压流道A、第一低压流道B1和第一低压流道B2的入口端起，前30mm的距离内每隔3mm加工一个纵向槽道8，其目的是使得流体进入高压流道A、第一低压流道B1和第二低压流道B2内进行多次再分配，以保证气体在每一个微流道内可以均匀流动；
该微型节流制冷器中的高压流道设计的压力范围为1.5～3.0MPa,低压流道设计的压力范围为0～0.5MPa；高压流体从进气口Q1进入由换热芯体2下肋片间隙、高压通道侧壁3以及另一个换热芯体2上肋片间隙共同组成的高压流道时，先经过入口端的短槽道8进行多次再分配，然后进入后续的微流道，接着进入节流孔C，经节流孔C后，高压流体被节流成为低压低温流体，然后回到由两换热芯体2肋片间隙和盖板1、5组成的低压流道（即第一低压流道B1和第二低压流道B2），先经过入口端的短槽道8进行多次再分配，然后进入后续的微流道，这样高压流道中的流体被节流后的低压低温流体冷却，完成换热。在低压流道（第一低压流道B1和第二低压流道B2）进口端面安装一个冷端封头6，形成高压气体与低压气体之间的回路，然后在第一低压流道B1和第二低压流道B2出口端面安装一个热端封头7进行封装，便可以制造成一个微型节流制冷器。该微型节流制冷器中的高压气体根据不同的工质种类经过节流后，在冷端封头6处可以实现200K～80K的低温。
实施例2
如图7、8、9和10所示，该实施例2的微型节流制冷器为双流道的微型节流制冷器，其中一流道为高压流道，另一流道为低压流道；该微型节流制冷器由上盖板1和下盖板5、换热芯体2以及冷端封头6组成；换热芯体2长度为150mm，宽度为14.7mm，上肋片21高度为3.0mm，宽度为0.3mm，下肋片高度为2.5mm，宽度为0.3mm，上、下肋片的基底厚度为0.5mm，在上、下肋片上每隔30mm加工出一个深度为肋片高度值或者比肋片高度低10%～20%，宽度为0.2mm的槽道8，其中在高、低压流道进气口前30mm的距离内每隔3mm加工一个深度为肋片高度，宽度为0.2mm的纵向槽道8；盖板1长度为150mm，厚度为0.5mm，宽度为14.7mm，一端顶部开有一个直径为4.0mm的通孔，另一端不封闭；盖板5长度为150mm，厚度为0.5mm，宽度为14.7mm，一端顶部开有一个直径为4.0mm的通孔，另一端面开有一个直径为0.15mm的节流孔； 微型节流制冷器盖板和换热芯体采用不锈钢材料制造加工，冷端封头6采用紫铜材料加工。
在该微型节流制冷器中，从高压流道A、低压流道B3的入口端起前30mm的距离内每隔3mm加工一个纵向槽道，其目的是使得流体进入高压流道A、低压流道B3内进行多次再分配，以保证气体在每一个微流道内可以均匀流动。
该微型节流制冷器中的高压流道设计的压力范围为1.5～3.0MPa,低压流道设计的压力范围为0～0.5MPa。
高温高压流体从进气口Q1进入由换热芯体2下肋片间隙和盖板5组成的高压流道时，先经过入口端的短槽道8进行多次再分配，然后进入后续的微流道，在流道的出口端进入节流孔C，经节流孔C后，高温高压流体被节流成为低温低压流体，然后进入由换热芯体2上肋片间隙和盖板1组成的低压流道B3，先经过入口端的短槽道8进行多次再分配，然后进入后续的微流道，这样高压流道中的流体被节流后的低压低温流体冷却，完成换热。在高压流道A的出口端面和低压流道B3进口端面安装一个冷端封头6，形成高压气体与低压气体之间的回路，便可以制造成一个微型节流制冷器。该微型节流制冷器中的高压气体根据不同的工质种类经过节流后，在冷端封头6处可以实现200K～80K的低温。
以上实例提供的具体尺寸都是为了帮助详细说明本发明微型节流制冷器的，不应当成为本发明的限制，在实际操作时，可以根据具体要求变化。
Claims (7)
1.一种微型节流制冷器，其特征在于，由上盖板（1）、下盖板（5）、两个上下叠摞的上换热芯体和下换热芯体、框式高压流道侧壁（3）、冷端封头（6）及热端封头（7）组成：
所述上盖板（1）为长度方向上带有下凹槽的槽式盖板；
所述下盖板（5）为长度方向上带有上凹槽的槽式盖板；
所述上换热芯体和下换热芯体均由一长条状平板基底和分别垂向固定于所述长条状平板基底上表面的上肋片和下表面下肋片组成；所述上肋片和下肋片为高度相同间距均匀分布的片状肋片或者针状肋片；所述片状肋片平行于所述平板基底长侧边；所述上肋片和下肋片在长度方向开有间隔分布的垂直于所述平板基底长侧边的槽道8，槽道宽0.2～0.5mm；所述上换热芯体的下肋片与所述下换热芯体的上肋片相对放置而叠摞成上下叠摞的整体式换热芯体；
所述框式高压流道侧壁（3）为一框结构，其将所述上下叠摞的整体式换热芯体框套于其框内；所述上换热芯体的上肋片位于所述上盖板（1）的下凹槽内；所述下换热芯体的下肋片位于所述下盖板（5）的下凹槽内；
所述上盖板（1）、下盖板（5）及框装于框式高压流道侧壁（3）内的整体式换热芯体构成节流制冷器主体；
所述冷端封头（6）套装于所述节流制冷器主体的一端；所述热端封头（7）套装于所述节流制冷器主体的另一端；所述热端封头（7）上端面及外侧面分别开有小孔；外侧面上小孔上装有高压流体进气管；
所述框式高压流道侧壁（3）、上换热芯体的下肋片和下换热芯体的上肋片之间间隙共同构成高压流道（A）；
所述上盖板（1）、下盖板（5）、上换热芯体的上肋片和下换热芯体的下肋片之间间隙共同构成第一低压流道（B1）和第二低压流道（B2）;
框式高压流道侧壁（3）一端开有一进气孔，另一端开一节流孔（C）；热端封头（7）上开有一进气口（Q1）和一出气口（Q2）；
所述高压流道（A）、第一低压流道（B1）和第二低压流道（B2）入口端的槽道8相对其它槽道密集，所述高压流道（A）、第一低压流道（B1）和第二低压流道（B2）入口端的槽道间距为3～5mm，以保证流体进入流道后均匀分布；
高温高压流体从进气口（Q1）进入高压流道（A），经过节流孔（C）节流后变成低温低压流体，再分别进入第一低压流道（B1）和第二低压流道（B2），最后从出气口（Q2）流出。
2.一种微型节流制冷器，其特征在于，其由上盖板（1）、下盖板（5）、一个换热芯体和冷端封头（6）组成：
所述上盖板（1）为长度方向上带有下凹槽的槽式盖板；
所述下盖板（5）为长度方向上带有上凹槽的槽式盖板；
所述换热芯体由一长条状平板基底和分别垂向固定于所述长条状平板基底上表面的上肋片和下表面下肋片组成；所述上肋片和下肋片为高度相同间距均匀分布的片状肋片或者针状肋片；所述片状肋片平行于所述平板基底的长侧边；所述上肋片和下肋片在长度方向开有间隔分布的垂直于所述平板基底长侧边的槽道8，所述槽道宽为0.2～0.5mm；所述换热芯体的上肋片位于所述上盖板（1）的下凹槽内；所述换热芯体的下肋片位于所述下盖板（5）的下凹槽内；
所述上盖板（1）一端顶部开有一个直径为4.0mm的通孔，另一端不封闭；
所述下盖板（5）一端顶部开有一个直径为4.0mm的通孔，另一端面开有一个直径为0.15mm的节流孔；
所述上盖板（1）、下盖板（5）及整体式换热芯体构成节流制冷器主体；
所述冷端封头（6）套装于所述节流制冷器主体有节流孔的一端；
所述上盖板（1）和换热芯体的上肋片之间间隙共同构成低压流道B3；
所述下盖板（5）和换热芯体的下肋片之间间隙共同构成高压流道（A）;
所述上盖板（1）一端开一进气口（Q1），另一端开一节流孔（C）；下盖板（5）一端开一出气口（Q2），另一端和上盖板（1）有节流孔（Q1）的一端利用冷端封头进行封装；
高温高压流体从进气口（Q1）进入高压流道（A），经过节流孔（C）节流后变成低温低压流体进入低压流道（B3），最后从出气口（Q2）流出。
3.根据权利要求1或2所述的微型节流制冷器，其特征在于，所述槽道深度等于或者比肋片高度低10%～20%。
4.根据权利要求1或2所述的微型节流制冷器，其特征在于，所述的节流孔（C）孔径在毫米量级之内。
5.根据权利要求1所述的微型节流制冷器，其特征在于，所述的上盖板（1）、下盖板（5）、上换热芯体、下换热芯体、框式高压流道侧壁（3）及热端封头（7）的材质均为不锈钢，所述的冷端封头（6）材质为不锈钢或者紫铜。
6.根据权利要求2所述的微型节流制冷器，其特征在于，所述的上盖板（1）、下盖板（5）和换热芯体的材质均为不锈钢，所述的冷端封头（6）材质为不锈钢或者紫铜。
7.根据权利要求1或2所述的微型节流制冷器，其特征在于，所述的冷端封头（6）的内侧表面加工出翅片结构，以强化换热。
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