CN115289711B - 一种超微型节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超微型节流制冷器，包括板结构以及形成于板结构中的高压流道、低压流道、底流道，所述高压流道形成于所述板结构的中层位置，所述低压流道、所述底流道分别形成于所述高压流道两侧的所述板结构上；所述板结构内开设有轴向的膨胀腔室，所述高压流道的出气端、所述低压流道的进气端、所述底流道的进气端于所述膨胀腔室连通，使得从所述高压流道进入的高压气流能够被分流释压至所述低压流道、所述底流道内并排出。

Description

一种超微型节流制冷器

技术领域

本发明涉及超微型节流制冷技术领域，特别是涉及一种超微型节流制冷器。

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，例如我司的TN-2项目。新一代红外焦平面探测器发展方向为Swap3(小尺寸、低重量、高性能、低功耗和低成本集为一体)，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，超微型节流制冷器通过采用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通过键合而成。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气体两相区并达到平衡。

目前这种类型超微型节流制冷器的高压来流气体与低压返流气体是通过玻璃基板进行换热，且仅有少部分是有效换热面积，导致制冷器换热不充分，换热效率低，同时有效换热面积小还会导致制冷器降温时间较长。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种超微型节流制冷器，增加了换热器的有效换热面积，提升了超微型节流制冷器换热器的换热效率，同时降低了降温时间。

本发明解决问题的技术方案为，提供一种超微型节流制冷器，包括板结构以及形成于板结构中的高压流道、低压流道、底流道，所述高压流道形成于所述板结构的中层位置，所述低压流道、所述底流道分别形成于所述高压流道两侧的所述板结构上；所述板结构内开设有轴向的膨胀腔室，所述高压流道的出气端、所述低压流道的进气端、所述底流道的进气端于所述膨胀腔室连通，使得从所述高压流道进入的高压气流能够被分流释压至所述低压流道、所述底流道内并排出。

进一步的，所述板结构包括依次中心堆叠并键合在一起的盖板、低压板、高压板、底板，所述高压流道形成于所述低压板和所述高压板之间，所述低压流道形成于所述盖板和所述低压板之间，所述底流道形成于所述高压板和所述底板之间。

进一步的，所述高压流道远离所述膨胀腔室的一端为进气端，所述高压流道的进气端处对应开设进气孔，所述进气孔贯穿所述板结构与外部连通。

进一步的，所述低压流道、所述底流道远离所述膨胀腔室的一端为出气端，所述低压流道、所述底流道的出气端处对应开设出气孔，所述出气孔贯穿板结构与外部连通。

优选的，可包括依次中心堆叠并键合在一起的盖板、低压板、高压板、底板，所述盖板的边缘位置开设有贯穿至所述高压板的进气孔、贯穿至所述低压板的上出气孔，所述底板的边缘上开设有下出气孔；所述高压板的正面刻蚀有高压流道，所述高压流道的一端与所述进气孔连通，所述高压流道的另一端与开设于所述高压板中心位置的高压分流孔连通；所述低压板的正面刻蚀有低压流道，所述低压流道的一端与开设于所述低压板中心位置的低压中心孔连通，所述低压流道的另一端与所述上出气孔连通；所述底板的正面刻蚀有底流道，所述底流道的一端与开设于所述底板中心位置的底腔连通，所述底流道的另一端与开设于所述底板的边缘位置的下出气孔连通，所述底腔、所述低压中心孔分别位于所述高压分流孔的上下侧并连通，使得从所述进气孔进入的高压气流能够被分流释压并从所述上出气孔、所述下出气孔排出。

进一步的，所述盖板的中心位置开设有顶腔，所述顶腔位于所述低压中心孔的上侧并与之连通。

进一步的，所述顶腔、所述低压中心孔、所述高压分流孔、所述底腔轴向连通形成膨胀腔室。

进一步的，所述高压流道与所述膨胀腔室之间形成有多个节流气道，位于所述高压流道出气端的流道腔通过多个所述节流气道与所述膨胀腔室连通。

进一步的，所述高压流道、所述低压流道、所述底流道以及所述节流气道均刻蚀形成于所述板结构上。

具体的，所述高压流道与所述高压分流孔之间刻蚀有多个节流气道，位于所述高压流道末端的流道腔通过多个所述节流气道与所述高压分流孔连通。

进一步的，所述节流气道的刻蚀深度小于所述流道腔的深度。

进一步的，多个所述节流气道的横截面积之和小于所述流道腔的横截面积。

进一步的，所述低压流道、所述底流道内均刻蚀遗留有阵列式的支撑体，所述支撑体之间存在间隙。

进一步的，所述高压流道包括多个高压流道节段，多个所述高压流道节段依次连接呈回旋式分布；每个所述高压流道节段包括刻蚀形成的单通道式的蛇形弯折结构。

单通道式的弯折结构形成弯折的内腔，以延长高压流道的流道腔的长度。

进一步的，所述高压流道、所述低压流道、所述底流道均以所处板结构的中心位置为中心向边缘位置扩散环绕式刻蚀多圈。

进一步的，所述高压流道、所述低压流道、所述底流道的刻蚀方式为阴刻，除阴刻区域之外的对接面之间均键合。

本发明的有益效果为：

本发明为一种超微型节流制冷器，采用双层分流的键合流道增加有效换热面积，大幅提升换热效率，同时降低了制冷器的降温时间。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。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，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种超微型节流制冷器的正视分解图；

图2为本发明实施例的一种超微型节流制冷器的气流流向示意图；

图3为本发明实施例的一种超微型节流制冷器的背视分解图；

图4为本发明实施例的一种超微型节流制冷器的结构图；

图5为本发明实施例的一种超微型节流制冷器的高压板的正面结构图；

图6为本发明实施例的一种超微型节流制冷器的低压板的正视结构图。

图中：1、盖板；2、低压板；3、高压板；4、底板；5、进气孔；6、上出气孔；11、顶腔；21、低压中心孔；22、出气槽；23、低压流道；25、穿孔；31、高压分流孔；32、节流气道；33、高压流道；34、流道腔；35、进气槽；41、底腔；42、底流道；45、下出气孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做出创造性劳动的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。

为解决上述问题，本发明提出了一种超微型节流制冷器，请参阅图1-图6，包括板结构以及形成于板结构中的高压流道33、低压流道23、底流道42，高压流道33形成于板结构的中层位置，低压流道23、底流道42分别形成于高压流道33两侧的板结构上；板结构内开设有轴向的膨胀腔室，高压流道33的出气端、低压流道23的进气端、底流道42的进气端于膨胀腔室连通，使得从高压流道33进入的高压气流能够被分流释压至低压流道23、底流道42内并排出。

应当明确的是，高压流道33远离膨胀腔室的一端为进气端，高压流道33的进气端处对应开设进气孔5，进气孔5贯穿板结构与外部连通，使得外部高压气流可输入至高压流道33内；低压流道23、底流道42远离膨胀腔室的一端为出气端，低压流道23、底流道42的出气端处对应开设出气孔，出气孔贯穿板结构与外部连通，使得低压流道23、底流道42内的气流能够排出至外部。

本发明的高压流道33两侧分别设置用于出气的流道(即，低压流道23、底流道42)，且与高压流道33的路径形态存在整体上的共性，能够有效冷却高压流道33内的气流。

本发明的一个实施例中，板结构包括依次中心堆叠并键合在一起的盖板1、低压板2、高压板3、底板4，高压流道33形成于低压板2和高压板3之间，低压流道23形成于盖板1和低压板2之间，底流道42形成于高压板3和底板4之间。

具体的，制冷器可包括依次中心堆叠并键合在一起的盖板1、低压板2、高压板3、底板4，盖板1的边缘位置开设有贯穿至高压板3的进气孔5、贯穿至低压板2的上出气孔6，底板4的边缘上开设有下出气孔；高压板3的正面刻蚀有高压流道33，高压流道33的一端与进气孔5连通，高压流道33的另一端与开设于高压板3中心位置的高压分流孔31连通；低压板2的正面刻蚀有低压流道23，低压流道23的一端与开设于低压板2中心位置的低压中心孔21连通，低压流道23的另一端与上出气孔6连通；底板4的正面刻蚀有底流道42，底流道42的一端与开设于底板4中心位置的底腔41连通，底流道42的另一端与开设于底板4的边缘位置的下出气孔45连通，底腔41、低压中心孔21分别位于高压分流孔31的上下侧并连通，使得从进气孔5进入的高压气流能够被分流释压并从上出气孔6、下出气孔45排出。

请参阅图1、图2，高压气体由盖板1上的进气孔5进入，穿过中间的低压板2，抵达高压板3，此时，高压气体从高压流道33边缘端(前端)进入，沿着高压流道33的走向流动前行至高压流道33的中心端(末端)，进入至与高压流道33末端连通的高压分流孔31内；由于，低压板2的低压中心孔21、高压板3的高压分流孔31、底板4的底腔41是轴向连通的并在三块板的中心位置形成膨胀腔室，因此，当高压气体进入高压分流孔31内时，膨胀腔室内的高压气体节流膨胀后温度和压力均会降低，低压气体会分成两股，一股低压气流向上经由低压中心孔21进入至低压板2的低压流道23内，并沿着低压流道23的走向流动，最终经过盖板1上的上出气孔6排出到大气；另一股低压气流向下经由底腔41进入至底板4的底流道42内，并沿着底流道42的走向流动，最终通过底板4上的下出气孔45排出到大气。

低压气体在低压流道23、底流道42内流动时，可对高压流道33内的高压气体进行预冷，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。

在一个具体的实施例中，超微型制冷器由四块基板依次中心堆叠并通过激光键合而成，四块基板即为：盖板1、低压板2、高压板3、底板4，各基板均可采用玻璃材质，基板上的流道则通过激光刻蚀开设，高压流道33、低压流道23、底流道42均以采用阴刻的方式进行激光刻蚀，为了保证流道之间不会相互串气，在进行键合时，可将两基板之间除阴刻区域之外的对接面均进行键合。

应当明确的是，底流道42、低压流道23、高压流道33分别位于不同的三块基板上，底流道42、低压流道23分别位于高压流道33的上下两侧，当超微型节流制冷器进行逆流换热时，高压流道33内的气体同时与低压流道23、底流道42内的气体进行换热，提升了超微型节流制冷器换热效率，降低了降温时间。

本申请的实施例中，高压流道33、低压流道23、底流道42均以所处板结构的中心位置为中心向边缘位置扩散环绕式刻蚀多圈，如图1中所示，本发明的实施例中以方形扩散形式为例进行图示说明，流道的整体结构还可以是环状扩散的，根据流道的实际长度需求可进行适应性调整。

可以理解的是，每个基板上的流道均以向外扩散的形式环绕多圈至边缘位置，流道的环绕路径不交叉，气流的整体流向单一；气体的局部流向则受限于流道的结构。

本申请的实施例中，低压流道23与底流道42内的气流属性相似均为低压气体流道，在进行刻蚀时，可遗留阵列式的支撑体，支撑体得劲结构可为圆柱体，低压流道23的支撑体阵列如图6中所示，底流道42可同理设置。支撑体之间存在足够的间隙用于气流流通，流道内不额外生成独立的多流道结构，支撑体可对气流进行阻碍。进一步的，支撑体与上层基板之间可进行键合支撑，防止基板的局部结构塌陷，堵塞气流的流通、串气等。

高压流道33在进行刻蚀时，流道的结构可包括多个高压流道节段，多个所述高压流道节段依次连接呈回旋式分布；每个所述高压流道节段包括刻蚀形成的单通道式的蛇形弯折结构，从而对高压气体的流动行程进行延长。单通道式的弯折结构如图5中所示，循环设置的弯折结构形成单通道式的流道腔34。本发明的实施例中，高压流道33的流道腔34与高压分流孔31之间开设有多个节流气道32进行连通，节流气道32的刻蚀深度小于流道腔34的深度，多个节流气道32的横截面积之和小于流道腔34的横截面积，以使高压流道33内的高压气流可分多个支流进入膨胀腔室，但不会降低气流压缩比。

本发明的实施例中，高压流道33末端的流道腔34与高压分流孔31之间开设有三个节流气道32，如图5中所示。

本发明的实施例中，可在盖板1的中心位置开设顶腔11，与低压中心孔21对应，位于其上侧与之直接连通，再配合高压分流孔31、底腔41，基于键合在一起的基板结构，可形成一个轴向连通的膨胀腔室，顶腔11的开设可加大膨胀腔室的体积。

本发明的四个基板中，为配合气流在上下层之间的顺利转移，可在低压流道23的前端(位于边缘的一端)开设出气槽22，出气槽22正对盖板1上的上出气孔6并与低压流道23直接连通，使得低压气流可通过出气槽22与上出气孔6连通；可在高压流道33的前端(位于边缘的一端)开设进气槽35，进气槽35正对进气孔5并与高压流道33直接连通，低压板2上对应进气槽35开设进气孔5的延长孔，即穿孔25，使得高压流道33能够通过进气槽35与进气孔5连通。

可以理解的是，进气槽35、出气槽22、顶腔11、底腔41均未贯穿基板，穿孔25、高压分流孔31、低压中心孔21则均为贯穿孔。穿孔25连通了盖板1上的进气孔5与进气槽35。

基于本申请所列举的实施例，高压流道33的刻蚀位置还可以为低压板2的背面，低压流道23则可以为盖板1的背面，底流道42则可以为高压板3的背面，能够确保高压流道33的两侧分设有用于出气的流道即可，具体的刻蚀位置则可根据实际情况进行适应性调整。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施例只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超微型节流制冷器，其特征在于，包括板结构以及形成于板结构中的高压流道(33)、低压流道(23)、底流道(42)，所述高压流道(33)形成于所述板结构的中层位置，所述低压流道(23)、所述底流道(42)分别形成于所述高压流道(33)两侧的所述板结构上；所述板结构内开设有轴向的膨胀腔室，所述高压流道(33)的出气端、所述低压流道(23)的进气端、所述底流道(42)的进气端于所述膨胀腔室连通，使得从所述高压流道(33)进入的高压气流能够被分流释压至所述低压流道(23)、所述底流道(42)内并排出；所述高压流道(33)远离所述膨胀腔室的一端为进气端，所述高压流道(33)的进气端处对应开设进气孔(5)，所述进气孔(5)贯穿所述板结构与外部连通；所述低压流道(23)、所述底流道(42)远离所述膨胀腔室的一端为出气端，所述低压流道(23)、所述底流道(42)的出气端处对应开设出气孔，所述出气孔贯穿板结构与外部连通。

2.根据权利要求1所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述板结构包括依次中心堆叠并键合在一起的盖板(1)、低压板(2)、高压板(3)、底板(4)，所述高压流道(33)形成于所述低压板(2)和所述高压板(3)之间，所述低压流道(23)形成于所述盖板(1)和所述低压板(2)之间，所述底流道(42)形成于所述高压板(3)和所述底板(4)之间。

3.根据权利要求1所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述高压流道(33)与所述膨胀腔室之间形成有多个节流气道(32)，位于所述高压流道(33)出气端的流道腔(34)通过多个所述节流气道(32)与所述膨胀腔室连通。

4.根据权利要求3所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述高压流道(33)、所述低压流道(23)、所述底流道(42)以及所述节流气道(32)均刻蚀形成于所述板结构上；所述节流气道(32)的刻蚀深度小于所述流道腔(34)的深度。

5.根据权利要求1所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述低压流道(23)、所述底流道(42)内均刻蚀遗留有阵列式的支撑体，所述支撑体之间存在间隙。

6.根据权利要求1所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述高压流道(33)包括多个高压流道节段，多个所述高压流道节段依次连接呈回旋式分布；每个所述高压流道节段包括刻蚀形成的单通道式的蛇形弯折结构。

7.根据权利要求1所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述高压流道(33)、所述低压流道(23)、所述底流道(42)均以所处板结构的中心位置为中心向边缘位置扩散环绕式刻蚀多圈。

8.根据权利要求1所述的一种超微型节流制冷器，其特征在于，所述高压流道(33)、所述低压流道(23)、所述底流道(42)的刻蚀方式为阴刻，除阴刻区域之外的对接面之间均键合。