CN115388571B - 一种大冷量超微型节流制冷器及其制冷工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于大冷量超微型节流制冷器技术领域，具体提供了一种大冷量超微型节流制冷器及制冷工艺，该结构相比于现有的超微型节流制冷器流道结构，在不增加总基板数量的条件下，将高压侧板正反两面同时刻蚀出相同形状尺寸的高压流道，同时将两侧低压侧板刻蚀出相同的低压流道，最后将三块基板键合形成大冷量超微型节流制冷器，上述方法在不增加总基板数量的情况下，提升了参与节流效应的工质流量，从而增加了大冷量超微型节流制冷器制冷量。

Description

一种大冷量超微型节流制冷器及其制冷工艺

技术领域

本发明属于大冷量超微型节流制冷器技术领域，特别涉及一种通过改变高低压流道布置方法提升制冷量的大冷量超微型节流制冷器及制冷工艺。

背景技术

节流制冷探测器因其体积小、制冷时间短、电磁干扰小等特点，被广泛应用于空空及防空导弹中，探测器常常受空间的限制，需要开发更小型的低温制冷机，相对于现有的快速降温型节流制冷器，超微型节流制冷器采用MEMS技术制备微流通道来代替机械缠绕的毛细管，具有尺寸小、重量轻、批产性好、成本低等特点，有利于实现红外组件低成本小型化。

目前超微型节流制冷器大部分采用三块玻璃基板键合而成，在键合之前分别在其中两块玻璃基板上刻蚀加工出高压气体微通道、低压气体微通道、节流元件、膨胀腔等部件，当高压气体经过高压气体微通道后经过节流元件产生节流效应，节流后的低温气体通过低压气体微通道流出排到大气环境，在此过程中返流低温气体通过玻璃基板与高压来流气体换热，不断降低节流前气体温度，最终制冷器的制冷温度降至工质两相区并达到平衡。

目前这种类型超微型节流制冷器的流量普遍偏低，导致制冷器制冷量偏低，这可能会导致制冷器冷端工质无法进入两相区，从而导致焦平面温度偏高，影响制冷器的输出性能，且目前现有技术里的超微型节流制冷器通常具备结构复杂，制造成本较高，制造工艺复杂，体积大，不利于工业化生产，因此，需要提升超微型节流制冷器的冷量和降低其工业制造难度及制造成本，以便于其拓宽应用场合。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、容易加工、成本低、制冷效果好的通过改变高低压流道布置方法提升制冷量的大冷量超微型节流制冷器及制冷工艺。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种大冷量超微型节流制冷器，包括依次叠合设置的第一低压侧板、高压侧板、第二低压侧板，高压侧板正反两面设置有高压气体流道，第一低压侧板上设置有第一低压流道，第二低压侧板上设置有第二低压流道，第一高压流道和第一低压流道之间通过第一膨胀腔连通，第二高压流道和第二低压流道之间通过第二膨胀腔连通；其中高压侧板进气孔与高压侧板上的第一高压流道和高压侧板上的第二高压流道连通，使得高压进气孔进入的高压气体被一分为二，一支气流进入第一低压侧板，另一支气流进入第二低压侧板。

作为本发明所述的一种大冷量超微型节流制冷器的优选方案，其中：在第一低压侧板上设置有与外部连通的高压进气孔，高压进气孔与第一高压流道和第二高压流道连通。

作为本发明所述的一种大冷量超微型节流制冷器的优选方案，其中：所述高压侧板上贯穿设置有与高压进气孔连通的高压侧板进气孔，高压侧板进气孔的两端分别与高压侧板上的第一高压流道和第二高压流道连通。

作为本发明所述的一种大冷量超微型节流制冷器的优选方案，为提高换热效果，第一低压流道与第一高压流道位于第一低压侧板和高压侧板相贴合的两个面上且相互错开，第二低压流道与第二高压流道位于第二低压侧板和高压侧板相贴合的两个面上且相互错开。

作为本发明所述的一种大冷量超微型节流制冷器的优选方案，制冷器的加工方法为：第一高压流道、第二高压流道、第一低压流道、第二低压流道均采用阴刻的方式形成在对应的板上，第一低压侧板、高压侧板、第二低压侧板除阴刻区域之外的所有接触面均键合，第一高压流道、第二高压流道、第一低压流道、第二低压流道均通过激光刻蚀或湿法腐蚀形成在对应的板上。

为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种利用上述大冷量超微型节流制冷器的制冷工艺，包括，

高压气体由第一低压侧板上的高压进气孔进入，高压气体穿过第一低压侧板抵达高压侧板，这时高压气体会在高压侧板进气孔分成两股气流：第一股气流流经高压侧板上的第一高压流道，随后节流膨胀进入第一膨胀腔，气体温度降低，低温低压返流气体经过第一低压侧板上的第一低压流道，最后经过第一低压侧板上的第一低压侧板出气孔排出。

作为本发明所述的一种利用上述大冷量超微型节流制冷器的制冷工艺的优选方案，其中：另外一股气流流经高压侧板上的第二高压流道，随后节流膨胀进入第二膨胀腔，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第二低压侧板上的第二低压流道，最后经过第二低压侧板上的第二低压侧板出气孔排出。

作为本发明所述的一种利用上述大冷量超微型节流制冷器的制冷工艺的优选方案，其中：高压侧板正反两面均刻有气体流道，这样使得从高压进气孔进入的高压气体被一分为二，一支气流进入第一低压侧板，另一支气流进入第二低压侧板，第一低压流道内的低温低压返流气体预冷第一高压流道内的高压来流气体，使气体节流前温度不断降低，最终降至气体两相区，达到动态平衡，温度保持稳定，相应的，第二低压流道内的低温低压返流气体预冷第二高压流道内的高压来流气体，使气体节流前温度不断降低，最终降至气体两相区，达到动态平衡，温度保持稳定，另外，该大冷量超微型节流制冷器仅由三块基板键合而成，为了保证流道之间不会相互串气，在键合时必须将两片基板的所有接触面均键合，基板上的微通道则是通过激光刻蚀和湿法腐蚀得到。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种大冷量超微型节流制冷器及其制冷工艺，该结构相比于现有的超微型节流制冷器流道结构，在不增加总基板数量的条件下，将高压侧板正反两面同时刻蚀出相同形状尺寸的高压流道，同时将两侧低压侧板刻蚀出相同的低压流道，最后将三块基板键合形成大冷量超微型节流制冷器，上述方法在不增加总基板数量的情况下，提升了参与节流效应的工质流量，从而增加了大冷量超微型节流制冷器制冷量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1制冷器高低流道布置及气体流向示意图。

图中，1-高压进气孔，2-第一低压侧板，3-高压侧板，4-第一高压流道，5-高压侧板进气孔，6-第二低压流道，7-第二低压侧板出气孔，8-第二低压侧板，9-第一低压侧板出气孔，10-第一低压流道，11-第二高压流道，12-第二膨胀腔，13-第一膨胀腔。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供了一种大冷量超微型节流制冷器及其利用工艺，具有如下优势：

(1)本发明的大冷量超微型节流制冷器，包括第一低压侧板、高压侧板、第二低压侧板，仅由三块基板键合而成，降低了制造成本，及加工难度。

(2)本发明结构相比于现有的超微型节流制冷器流道结构，在不增加总基板数量的条件下，将高压侧板正反两面同时刻蚀出相同形状尺寸的第一高压流道和第二高压流道，更有利的是，可以利用现有材料直接加工，不需要额外的引进材料。

(3)在高压侧板正反两面相对的低压侧板上设置有低压流道，增强了换热效果，相比于现有技术的超微型节流制冷器，以更小的体积获得更加有效的换热效果，即提升了参与节流效应的工质流量，从而增加了大冷量超微型节流制冷器制冷量。

以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。

如图1所示，大冷量超微型节流制冷器仅由三块基板键合而成，三块基板分别为第一低压侧板2、高压侧板3、第二低压侧板8，基板上的微通道则是通过激光刻蚀或湿法腐蚀等阴刻方式得到，相邻两块基板在键合时除阴刻区域之外的所有接触面均键合，如采用MEMS技术，采用真空扩散焊技术或钎焊等技术，将三块基板进行成型或加工处理来保证密封性，并使结构紧凑，制冷器由第一低压侧板2、高压侧板3、第二低压侧板8依次叠合而成，高压侧板3正反两面分别设置有第一高压流道4和第二高压流道11，从高压进气孔1进入的高压气体被一分为二，一支气流进入第一高压流道4，另一支气流进入第二高压流道11，第一低压侧板2上设置有第一低压流道10，第二低压侧板8上设置有第二低压流道6，第一高压流道4和第一低压流道10之间通过第一膨胀腔13连通，第二高压流道11和第二低压流道6之间通过第二膨胀腔12连通，当然，第一高压流道4与第一膨胀腔13之间以及第二高压流道11与第二膨胀腔12之间还设有节流元件，由此通过三块基板形成了两组节流制冷器，在不增加总基板数量的情况下，提升了参与节流效应的工质流量，从而增加了超微型节流制冷器制冷量。

本实施例中大冷量超微型节流制冷器示意图如图1所示，在第一低压侧板2上设置有与外部连通的高压进气孔1，高压进气孔1与第一高压流道4和第二高压流道11连通，具体地，高压侧板3上贯穿设置有与高压进气孔1连通的高压侧板进气孔5，高压侧板进气孔5的两端分别与高压侧板3上的第一高压流道4和第二高压流道11连通，高压气体在高压侧板进气孔5处一分为二，分别进入第一高压流道4和第二高压流道11，第一低压侧板2上还设置有连通外部以及第一低压流道10的第一低压侧板出气孔9，在第二低压侧板8上设置有连通外部以及第二低压流道6的第二低压侧板出气孔7，第一低压流道10内的低温低压返流气体通过第一低压侧板出气孔9排出，第二低压流道6内的低温低压返流气体通过第二低压侧板出气孔7排出。第一低压流道10与第一高压流道4位于第一低压侧板2和高压侧板3相贴合的两个面上且相互错开，第二低压流道6与第二高压流道11位于第二低压侧板8和高压侧板3相贴合的两个面上且相互错开，使得位于相贴合的两个面上的低压流道与高压流道之间相隔开，避免制冷工质窜流。

本实施例中大冷量超微型节流制冷器制备方法如下，第一高压流道4、第二高压流道11、第一低压流道10、第二低压流道6均通过激光刻蚀或湿法腐蚀等阴刻方式形成在对应的板上，第一膨胀腔13、第二膨胀腔12、节流元件、各进气孔及出气孔也均可以通过激光刻蚀或湿法腐蚀等阴刻方式形成在对应的板上，其中第一膨胀腔13和第二膨胀腔12可以仅在高压侧板3上刻蚀形成，也可以同时在高压侧板3以及对应的低压侧板上刻蚀形成，第一膨胀腔13和第二膨胀腔12之间可以隔开，也可以相互连通。第一低压侧板2、高压侧板3、第二低压侧板8的材料为玻璃基板或不锈钢，密封性良好，提高了承压能力，结构简单，制备工艺简单，易于工业化，将第一低压侧板2、高压侧板3、第二低压侧板8加工好之后，将三板一次成型一体化加工处理进行键合，可以保证密封性。

本实施例制造的大冷量超微型节流制冷器工作过程如下，高压气体由第一低压侧板2上的高压进气孔1进入，高压气体穿过第一低压侧板2抵达高压侧板3，这时高压气体会在高压侧板进气孔5分成两股气流：第一股气流流经高压侧板3上的第一高压流道4，随后节流膨胀进入第一膨胀腔13，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第一低压侧板2上的第一低压流道10，第一低压侧板的第一低压流道10内的低温低压返流气体预冷第一高压流道4内的高压来流气体，使气体在进入第一膨胀腔13节流前温度不断降低，最终降至气体两相区，达到动态平衡，温度保持稳定，最后经过第一低压侧板2上的第一低压侧板出气孔9排出；另外一股气流流经高压侧板3上的第二高压流道11，随后节流膨胀进入第二膨胀腔12，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第二低压侧板8上的第二低压流道6，第二低压侧板8的第二低压流道6内的低温低压返流气体预冷第二高压流道11内的高压来流气体，使气体在进入第二膨胀腔12节流前温度不断降低，最终降至气体两相区，达到动态平衡，温度保持稳定，最后经过第二低压侧板8上的第二低压侧板出气孔7排出。

本实施例中大冷量超微型节流制冷器拆分得到各块基板结构如图1所示，下面以图1为例来阐述该大冷量超微型节流制冷器高低压气体流道的布置方式以及高压与低压气体的流向，以此来说明该大冷量超微型节流制冷器可以提升制冷量的原因，微型节流制冷器为双流道的微型节流制冷器的制冷工艺如下：如图1中(a)-(b)所示，高压气体由第一低压侧板2上的高压进气孔1进入，高压气体穿过第一低压侧板2抵达高压侧板3，高压气体在高压侧板进气孔5分成两股气流：第一股气流流经高压侧板3上的第一高压流道4，随后节流膨胀进入第一膨胀腔13，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第一低压侧板2上的第一低压流道10，最后经过第一低压侧板2上的第一低压侧板出气孔9排出；

如图1中(a)-(b)所示，另外一股气流流经高压侧板3上的第二高压流道11，随后节流膨胀进入第二膨胀腔12，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第二低压侧板8上的第二低压流道6，最后经过第二低压侧板8上的第二低压侧板出气孔7排出。通过低压流道内的低温低压返流气体与高压流道内的高压气体之间换热，使气体节流前温度不断降低，最终降至气体两相区，达到动态平衡，温度保持稳定，该制冷器可以利用现有材料直接加工，不需要额外的引进材料，相比于现有技术的大冷量超微型节流制冷器，以更小的体积获得更加有效的换热效果，即提升了参与节流效应的工质流量，从而增加了大冷量超微型节流制冷器制冷量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种大冷量超微型节流制冷器，其特征在于，包括依次叠合设置的第一低压侧板(2)、高压侧板(3)、第二低压侧板(8)，高压侧板(3)正反两面分别设置有第一高压流道(4)和第二高压流道(11)，第一低压侧板(2)上设置有第一低压流道(10)，第二低压侧板(8)上设置有第二低压流道(6)，所述第一高压流道(4)和第一低压流道(10)之间通过第一膨胀腔(13)连通，所述第二高压流道(11)和第二低压流道(6)之间通过第二膨胀腔(12)连通；在第一低压侧板(2)上设置有与外部连通的高压进气孔(1)，高压进气孔(1)与第一高压流道(4)和第二高压流道(11)连通；在第一低压侧板(2)上还设置有连通外部以及第一低压流道(10)的第一低压侧板出气孔(9)，在第二低压侧板(8)上设置有连通外部以及第二低压流道(6)的第二低压侧板出气孔(7)。

2.根据权利要求1所述的大冷量超微型节流制冷器，其特征在于：所述高压侧板(3)上贯穿设置有与高压进气孔(1)连通的高压侧板进气孔(5)，高压侧板进气孔(5)的两端分别与高压侧板(3)上的第一高压流道(4)和第二高压流道(11)连通。

3.根据权利要求1所述的大冷量超微型节流制冷器，其特征在于：第一低压流道(10)与第一高压流道(4)位于第一低压侧板(2)和高压侧板(3)相贴合的两个面上且相互错开，第二低压流道(6)与第二高压流道(11)位于第二低压侧板(8)和高压侧板(3)相贴合的两个面上且相互错开。

4.根据权利要求1所述的大冷量超微型节流制冷器，其特征在于：所述第一高压流道(4)、第二高压流道(11)、第一低压流道(10)、第二低压流道(6)均采用阴刻的方式形成在对应的板上，所述第一低压侧板(2)、高压侧板(3)、第二低压侧板(8)除阴刻区域之外的所有接触面均键合。

5.根据权利要求4所述的大冷量超微型节流制冷器，其特征在于：所述第一高压流道(4)、第二高压流道(11)、第一低压流道(10)、第二低压流道(6)均通过激光刻蚀形成在对应的板上。

6.根据权利要求4所述的大冷量超微型节流制冷器，其特征在于：所述第一高压流道(4)、第二高压流道(11)、第一低压流道(10)、第二低压流道(6)均通过湿法腐蚀形成在对应的板上。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述大冷量超微型节流制冷器的制冷工艺，其特征在于：包括：

高压气体由第一低压侧板(2)上的高压进气孔(1)进入，高压气体穿过第一低压侧板(2)抵达高压侧板(3)，高压气体分成两股气流：第一股气流流经高压侧板(3)上的第一高压流道(4)，随后节流膨胀进入第一膨胀腔(13)，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第一低压侧板(2)上的第一低压流道(10)，最后经过第一低压侧板(2)上的第一低压侧板出气孔(9)排出；

另外一股气流流经高压侧板(3)上的第二高压流道(11)，随后节流膨胀进入第二膨胀腔(12)，气体温度降低，随后低温低压返流气体经过第二低压侧板(8)上的第二低压流道(6)，最后经过第二低压侧板(8)上的第二低压侧板出气孔(7)排出。

8.根据权利要求7所述的制冷工艺，其特征在于：通过第一低压流道(10)内的低温低压返流气体预冷第一高压流道(4)内的高压来流气体，通过第二低压流道(6)内的低温低压返流气体预冷第二高压流道(11)内的高压来流气体。