[发明专利]制冷器

说明书

技术领域

一种用于应用于卫星、武器、雷达等探测与制导、低温电子显微、低温医学、电子元器件散热等领域的采用原子扩散融合焊接技术加工而成的基于微通道回热换热技术与焦汤效应的制冷器。

背景技术：

在气体液化和低温制冷技术中，利用实际气体的焦耳-汤姆逊节流致冷效应(以下简称J-T效应)是一种最常用的方法，而且早在1895年，一次J-T效应节流制冷循环就用于工业上的气体液化^[1]。微型J-T效应制冷器的研制始于上个世纪50年代，它通常由逆流回热换热器、节流元件和蒸发腔组成。一般采用管径细小(约为φ0.5-φ1mm)的不锈钢管，管外绕肋片后再在芯轴上绕成螺旋管，不锈钢管的一端装有节流元件(固定或可调小孔、毛细管或多孔材料)，然后插入杜瓦管。节流后的气液混合物在杜瓦管底部(称为头部蒸发腔)蒸发制冷，杜瓦管内壁与芯轴间的环形缝隙是返流气体的通道，用返流的低压气体来预冷节流前的高压热气流^[1]。

图1具有逆流回热换热器的单级J-T效应制冷器，如图1所示，目前应用的J-T效应制冷器绝大部分还保持了与图1中的制冷器相似的结构。在这样的结构中，中间的芯轴仅起支撑作用却占很大空间；由于翅片螺旋管内来流与管外返流流程长度相差较多、环形缝隙间隙比较难控制，回热换热不充分；还有进气只有一至两路，制冷量比较小。这些问题使J-T效应制冷量不大，紧凑度不高，应用领域也比较局限。调研发现，J-T效应制冷器作为一种中高端电子设备散热解决方案，如果制冷量能够适当放大，其应用会越来越多^[2-9]。

分析国内外研究文献可以看到，随着一些关键技术的突破，J-T效应制冷器研制有新的发展。目前与本发明相关的国内外对于J-T效应制冷器的研发状况如下：

2006年王田刚^[10，11]等结合已有的设计参数和相关资料，提出了2种设计方案，方案1将换热器、节流元件、蒸发器全部配置在一块基底材料上，用不同尺寸的细微槽道代替相应的换热器、节流毛细管等部件。方案2是用尺寸较小且并行的细铜盘管作为换热器，用焊接的方法使进出气管路结合紧密，用闭合的螺旋细微槽道代替节流毛细管，将换热器、节流元件和蒸发器用管路连接起来，实现节流膨胀制冷。利用准分子激光微加工、激光焊接等技术制作了样机，进行了实验研究。

2007年Lerou^[12]在玻璃圆片上运用刻蚀加工技术制作了微J-T效应制冷器，玻璃圆片有三层，层间刻蚀有矩形槽道，做成的换热器共有8种不同设计14个样品，槽深从2毫米到4毫米，长度从15毫米到35毫米，采用氮气为工质。目标制冷量10mW，顶端温度96K。测量最大可达到制冷量20mW，顶端温度100K。

2008年Jianlin YU^[13]在蒸发腔后加入抽吸喷射装置构成新的焦汤闭式制冷循环，实验结果显示制冷效率得到显著提升。

2010年，美国科罗拉多大学M HLin^[14]等实验研究的微型焦汤制冷器采用毛细玻璃管中内置六个中空玻璃纤维管，玻璃纤维管内为高压来流，小管与大管间为低压返流，顶端为平板型，节流元件为J-T膨胀阀。采用5种成分组成的混合工质，实验极端制冷温度可以达到77K。

一般认为通道水力直径小于1毫米为微通道，诸多文献表明微通道换热与常规通道相比换热能力增强显著，微通道换热器紧凑度可达到1500m²/m³以上，液液换热体积换热系数达到7000W/(m³K)^[15]，但由于表面粗糙度效应、入口段效应等因素的作用效果相对于常规尺度不同，阻力系数相应比较大。由于通道小，工质如不够洁净还易造成堵塞。另外轴向导热在一些情况下影响比较显著。

原子扩散融合焊接技术加工为国内外较新的微加工技术，与目前国内外其他研究者提出的微通道J-T效应制冷器加工方法不同，它是依靠材料间表面产生原子扩散而相互结合为和材料本身微细结构相似的整体，可以实现：1)结合部分没有接触热阻，制作的制冷器密封性好，耐压高，可承受大压比，保证节流制冷效果。2)换热器冷热侧换热可以实现多层微通道架构，通道数目可以成百上千，布置及大小可以根据需要进行调节。目前有关微通道J-T效应制冷器文献中的其他微加工技术还不能做到这样的结构。

发明内容：