回热节流板、组件、W形微通道节流制冷器及制冷装置的制作方法

本发明属于强化换热领域，具体涉及回热节流板、回热节流组件、节流制冷器及制冷装置。

背景技术

微型节流制冷器利用焦耳－汤姆逊效应(j-t效应)来进行制冷，由于其具有结构简单、尺寸较小、快速冷却等特点，广泛应用于空间尺寸较小的场合，如内腔冷冻治疗、红外夜视装置、冷冻外科探针、导弹制导系统、电子设备冷却等医学、军事、工业等领域。目前主要的j-t效应制冷器仍然采用汉普逊型(螺旋翅片管式)，外径为0.5mm-1mm直径的不锈钢管缠绕芯轴，高压气体流过整个不锈钢管进入管头的毛细管节流。节流后的低压气体回流掠过不锈钢管外翅片，预冷入流的高压气体。但汉普逊型节流制冷器的进气只有一至二路，制冷量较小，且中心的支撑轴占据了制冷器内部较大空间，制冷器结构不紧凑，换热效率低。

随着微通道技术发展，微通道节流制冷器得到了广泛的研究与应用，为了保证微通道的加工精度，一般采用玻璃、硅等非金属材料制作，但上述材料制作的微通道节流制冷器承压能力较低，入流气体压力受到材料的限制，制冷温度下降空间有限；同时，一般的微通道多为单层换热结构，导致进气量较小，制冷量较低；现有的矩形微通道侧壁虽然有效支撑了板片，但增加了通道间壁的轴向导热，微通道节流制冷器热损失较高；圆柱型微通道结构通过圆柱间的间隔可减小板片上的轴向导热，但其承压能力受到削减，且矩形及圆柱型板片的通道内压降还存在增大的空间，故温度降低不够充分。综上，现有的微通道节流制冷器进气量较小，换热效率较低，承压能力受限，制约了微通道节流制冷器的应用与发展。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，一方面的目的在于提供一种新型回热节流板、回热节流组件、节流制冷器及制冷装置。

本发明提供了一种第一回热节流板，具有这样的特征，包括依次连接的入口段、第一通道段以及第一扩容段，入口段具有贯通的第一入口孔、入口凹槽、入口凹槽上阵列布置的多个微圆柱以及贯通的第一出口孔，第一入口孔与入口凹槽相连通，第一出口孔与入口凹槽不连通，第一通道段上设置有多条贯通该板上下表面的连通的第一折线槽，第一折线槽呈w形，该w形折线槽内凹的深度等于第一回热节流板的厚度，第一折线槽的两个端点沿第一通道段的宽度方向设置，多个w形第一折线槽沿第一通道段的长度方向相互平行设置，多条第一折线槽与入口凹槽交汇形成多个入口开口，第一扩容段具有贯通的第一扩容孔，第一扩容孔与第一通道段相连，多条第一折线槽与第一扩容孔交汇形成多个第一扩容口。

本发明提供了一种第一回热节流组件，具有这样的特征，包括上下叠合的两块第一回热节流板，其中，相邻的两块入口段的两个第一入口孔相连通并形成第一入口通道，两个第一出口孔相连通形成第一出口通道，两个入口凹槽相向设置形成连通的入口槽通道，上下两板的入口凹槽内的多个微圆柱叠合用于支撑与导流，入口槽通道连通入口开口，相邻的两块第一通道段上的w形第一折线槽相互交错且在交错处相连通，多个入口开口连通多个第一扩容口形成多个第一回热节流通道，相邻的第一扩容段的第一扩容孔相连通形成第一扩容通道，第一扩容通道通过第一扩容口连通第一通道段。

本发明提供了一种第二回热节流板，具有这样的特征，包括依次连接的出口段、第二通道段以及第二扩容段，出口段具有贯通的第二入口孔、出口凹槽、出口凹槽上阵列布置的多个微圆柱以及贯通的第二出口孔，第二出口孔与出口凹槽相连通，第二入口孔与出口凹槽不连通，第二通道段上设置有多条内凹且连通的第二折线槽，第二折线槽呈w形，该w形第二折线槽内凹的深度小于第二回热节流板的厚度，第二折线槽的两个端点沿第二通道段的宽度方向设置，多个w形第二折线槽沿第二通道段的长度方向相互平行设置，多条第二折线槽与出口凹槽交汇形成多个出口开口，第二扩容段具有贯通的第二扩容孔，第二扩容孔与第二通道段相连，多条第二折线槽与第二扩容孔交汇形成多个第二扩容口。

本发明提供了一种第二回热节流组件，具有这样的特征，包括上下叠合且w形第二折线槽内凹面相向设置的两块第二回热节流板，其中，相邻的出口段的两个第二入口孔相连通并形成第二入口通道，两个第二出口孔相连通形成第二出口通道，两个出口凹槽相向设置形成连通的出口槽通道，上下两板的出口凹槽内的多个微圆柱叠合用于支撑与导流，出口槽通道连通出口开口，相邻的第二通道段上的w形第二折线槽相互交错且在交错处相连通，多个出口开口连通多个第二扩容口形成多个第二回热节流通道，相邻的第二扩容段的第二扩容孔相连通形成第二扩容通道，第二扩容通道通过第二扩容口连通第二通道段。

本发明提供了一种w形微通道节流制冷器，具有这样的特征，包括依次叠合的上盖板、多个上下叠合的回热节流部件以及下盖板，其中，回热节流部件包括上下叠合的第一回热节流组件和第二回热节流组件，第一回热节流组件为上述的第一回热节流组件，第二回热节流组件为上述的第二回热节流组件，相邻的第一入口通道与第二入口通道相连通，相邻的第一出口通道与第二出口通道相连通，相邻的第一扩容通道与第二扩容通道相连通，外界的制冷介质从第一入口通道流入，经入口槽通道和第一通道段的入口开口进入第一回热节流通道进行节流制冷并与第二回热节流通道中的流体介质回热换热，然后汇入第一扩容通道，在第一扩容通道与第二扩容通道内达到冷端温度，第二扩容通道内的制冷介质从多个第二扩容口进入第二回热节流通道，后经过出口槽通道从第二出口通道流出。

本发明提供了一种制冷装置，具有这样的特征，包括用于对多种形式热源进行冷却的制冷器，制冷器为上述的微通道节流制冷器。

在本发明提供的制冷装置中，还可以具有这样的特征：制冷装置为红外夜视仪、内腔冷冻治疗仪以及肿瘤冷冻治疗仪中的任意一种。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的回热节流板上设置有多条平行设置的w形折线槽，w形回热节流组件包括上下叠合的两块回热节流板，回热节流板上w形折线槽相互交错且在交错处相连通形成回热节流通道，两个板片中w形波纹相互倒置形成网状触点，工质在通道中流动过程中将形成网状旋网流，能够增强板片与工质之间的换热效率。

另外，w形结构形成的通道截面周期性变化，每进过一个较窄的截面，形成一次节流，因此在整个回热节流通道内内，会形成分布式j-t效应。不需再刻蚀专门的节流槽道。

进一步地，该w形结构，能够有效地减少微通道金属材料的轴向导热对于制冷器性能的影响。提高高低压通道间的换热强度，增大制冷器的制冷量。

进一步地，通过多个第一、第二回热节流组件的交错叠放，能够并行放大工质流量，从而增加总体制冷量。

所以，本发明的具有w形回热节流组件的节流制冷器具有换热效率高、制冷量大的特点。

附图说明

图1是本发明的实施例中w型微通道节流制冷器整体外形图；

图2是本发明的实施例中w型微通道节流制冷器爆炸示意图；

图3是本发明的实施例中单个高压通道下板片示意图；

图4是图3中a局部放大示意图；

图5是本发明的实施例中w型回热节流组件外形示意图；

图6是图5中b局部放大示意图；以及

图7是图5中b的局部立体放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的回热节流板、回热节流组件、节流制冷器及制冷装置作具体阐述。

图1为w型微通道节流制冷器整体外形图，该w型微通道节流换热制冷器包括入口段/出口段1，回热节流段2和扩容段3,高压常温气体从制冷器入口段1进入回热节流区，经相邻侧低压低温回流气体换热预冷，在此流动过程中高压流体既有伯努利效应又存在焦汤节流效应，回热节流后的多层低温低压气体汇集到扩容段3内，在扩容段3内吸收外界热源热量，随后进入低压通道，最后经低压出口流出。高低压板片相邻布置，确保高压工质回热的充分性，且多层高压通道内的预冷效果尽可能均匀一致。

本发明提供的w形微通道节流制冷器，由多个高压通道组件、低压通道组件交错排列布置。在制冷器的最外层，布置有上、下两块具有一定厚度的盖板，起到支撑稳固制冷器的作用。在制冷过程中，按工质的流动依次通过高压通道组件的入口段，用于疏导高压气体制冷工质进入制冷器；高压通道组件的回热节流段，用于高压气体与低压返流气体的换热，同时在整个流动过程中，由于通道截面积的周期性变化，形成分布式j-t效应，对高压气体再次降温；高压通道组件的扩容段和高压气体通道出口相连，用于让低温低压工质吸收热负载热量，蒸发降温过程液化的工质；低压通道组件回热节流段与高压气体通道原理一样，主要用于低压返气与高压气体换热，对高压气体预冷；低压通道组件出口段，用于将低压气体通道单元内的制冷工质排出微通道制冷器。

实施例一

如图2所示，w型微通道节流制冷器100包括依次叠合的上盖板10、上下交错叠合的多个高压通道组件20和多个低压通道组件30、下盖板40以及进口管50、出口管60。

在w型微通道节流制冷器100的最外层，布置有上、下两块具有一定厚度的盖板上盖板10和下盖板40，起到支撑稳固整个制冷器的作用。

上盖板10上设置有贯通的入口孔。

高压通道组件20包括上下叠合的高压通道上板片21和高压通道下板片22。

高压通道上板片21和高压通道下板片22均包括依次连接的入口段、回热节流段以及扩容段。

如图3所示，高压通道下板片22入口段呈矩形，具有贯通的第一入口孔221、内凹的入口凹槽223以及贯通的第一出口孔222，第一入口孔221与入口凹槽223相连通，第一出口孔222与入口凹槽223不连通。实施例中，入口凹槽223呈“l”形，从板的上表面向内凹，入口凹槽223通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱2231，该微圆柱阵列结构有支撑和导流的作用。

高压通道下板片22回热节流段呈矩形，如图4所示，板上设置有多条贯通该板上下表面的连通的折线槽224，折线槽224呈w形，折线槽224具有两个端点2241和2242，该两个端点2241和2242沿回热节流段的宽度方向设置，多个w形折线槽224沿回热节流段的长度方向相互平行设置，多条折线槽224与入口凹槽223交汇形成多个入口开口。实施例中折线槽224尺寸均为微米级，通道间距也在微米级，以保证通道排布的紧密性。

高压通道下板片22入口段矩形的长边与回热节流段矩形的短边相连后呈t形。

如图4的局部放大图a所示，折线槽224为回热节流段上设计的w形凹槽，226为未设计凹槽的平面区域。实施例中，高压通道下板片22宽度方向的两边均留有未设计凹槽的平面区域227。

实施例中，高压通道下板片22采用不锈钢材料制成，采用印刷电路板刻蚀技术对折线槽224进行刻蚀，根据制冷换热需求预先设计刻出不同折线斜度的板片。

高压通道下板片22扩容段具有贯通的第一扩容孔225，第一扩容孔225与回热节流段相连通，回热节流段上的w形折线槽224与第一扩容孔225交汇形成多个扩容口。扩容段形状可以为矩形、梯形、椭圆形等形状。实施例中，扩容段形状为梯形，其梯形的底边长的一边朝外，用于增大热负载与尾部散热单元的接触面积，扩容孔225也呈与扩容段形状相配的梯形状。

高压通道上板片21与高压通道下板片22形状大小一样，只是在局部有些差异。

高压通道上板片21入口段与高压通道下板片22入口段结构一样，只是高压通道上板片21的入口凹槽从板的下表面向内凹。

高压通道上板片入口段呈矩形，具有贯通的第一入口孔、内凹的入口凹槽以及贯通的第一出口孔，第一入口孔与入口凹槽相连通，第一出口孔与入口凹槽不连通。实施例中，入口凹槽呈“l”形，从板的下表面向内凹，入口凹槽通道内的槽底面上阵列间隔设置有多个直立的微圆柱，该微圆柱阵列结构有支撑和导流的作用。

高压通道上板片21回热节流段与高压通道下板片22回热节流段结构一样，只是高压通道上板片21的w形折线槽中的折线与高压通道下板片22的w形折线槽224中的折线相互交错。

如图4所示的直线槽224局部放大图a。实施例中，高压通道下板片22宽度方向的两边均留有未设计凹槽的平面区域227。

高压通道上板片21扩容段与高压通道下板片22扩容段结构一样，第一扩容孔与第一扩容孔225形状大小一样。

如图5、6所示，高压通道上板片21与高压通道下板片22上下叠合，入口段的两个第一入口孔和221相连通并形成第一入口通道，两个第一出口孔和222相连通形成第一出口通道，两个内凹的入口凹槽和223相向设置形成连通的入口槽通道，入口槽通道连通入口开口，如高压通道上板片21与高压通道下板片22回热节流段上的w形折线槽相互交错且在交错处相连通，图7中可以看到工质在上下板片交错处中的流向。至少一个入口开口连通至少一个扩容口形成至少一个高压节流通道，高压通道上板片21与高压通道下板片22扩容段的第一扩容孔和225相连通形成第一扩容通道并连通各自的扩容口。

低压通道组件30包括上下叠合的低压通道上板片31和低压通道下板片32。

低压通道板31包括依次连接的出口段、回热节流段以及扩容段。

低压通道上板片31出口段呈矩形，具有贯通的第二入口孔、内凹的出口凹槽以及贯通的第二出口孔，第二出口孔与出口凹槽相连通，第二入口孔与出口凹槽不连通。实施例中，出口凹槽呈“l”形，从板的下表面向内凹，出口凹槽通道内的槽底面上阵列设置有多个直立的微圆柱，该微圆柱阵列结构有支撑和导流的作用。

低压通道上板片回热节流段呈矩形，板上设置有多条内凹且连通的折线槽，折线槽呈w形，该w形折线槽内凹的深度小于低压通道上板片31的厚度，折线槽具有两个端点，该两个端点沿回热节流段的宽度方向设置，多个w形折线槽沿回热节流段的长度方向相互平行设置，多条折线槽与出口凹槽交汇形成多个出口开口。实施例中折线槽尺寸均为微米级，通道间距也在微米级，以保证通道排布的紧密性。

低压通道上板片31出口段矩形的长边与回热节流段矩形的短边相连后呈t形。

实施例中，低压通道上板片31采用不锈钢材料制成，采用印刷电路板刻蚀技术对直线槽进行刻蚀，根据制冷换热需求预先设计刻出不同折线斜度的板片。

低压通道上板片31扩容段具有贯通的第二扩容孔，第二扩容孔与回热节流段相连通，回热节流段上的w形折线槽与第二扩容孔交汇形成多个扩容口。扩容段形状可以为矩形、梯形、椭圆形等形状。实施例中，扩容段形状为梯形，其梯形的底边长的一边朝外，用于增大接触物与尾部散热单元的接触面积，第二扩容孔也呈与扩容段形状相配的梯形状。

低压通道下板片32与低压通道上板片31形状大小一样，只是在局部有些差异。

低压通道下板片32出口段与低压通道上板片31出口段结构一样，只是低压通道下板片的出口凹槽从板的上表面向内凹。

低压通道下板片32回热节流段与低压通道上板片31回热节流段结构一样，只是低压通道下板片32中折线槽的倾斜方向与低压通道上板片31折线槽的倾斜方向交错。

低压通道下板片32扩容段与低压通道上板片31扩容段结构一样，第一扩容孔与第二扩容孔形状大小一样。

低压通道上板片31和低压通道下板片32上下叠合，出口段的两个第二入口孔相连通并形成第二入口通道，两个第二出口孔相连通形成第二出口通道，两个内凹的出口凹槽相向设置形成连通的出口槽通道，出口槽通道连通出口开口，回热节流段上的折线槽相互交错且在交错处相连通，至少一个出口开口连通至少一个扩容口形成至少一个低压节流通道，扩容段的两个扩容孔相连通形成第二扩容通道并连通各自的扩容口。

实施例中，共有3组高压通道组件20和3组低压通道组件30相互交错叠加而成，叠层交叉型微通道节流制冷器100从上至下依次为上盖板10、高压通道组件20、低压通道组件30、高压通道组件20、低压通道组件30、高压通道组件20、低压通道组件30、下盖板40。

相邻的第一入口通道与第二入口通道相连通，相邻的第一出口通道与第二出口通道相连通，相邻的第一扩容通道与第二扩容通道相连通。

上盖板10上设置有贯通的入口孔，该入口孔连通第一入口通道，进口管50连通入口孔。

下盖板40上设置有贯通的出口孔，该出口孔连通出口通道，出口管60连通出口孔。

实施例中，盖板、高压通道板片、低压通道板片之间的连接均采用扩散融合焊接技术，依靠每层板片之间材料的原子扩散融合焊接技术而相互结合，密封性好且无接触热阻。微通道的形状尺寸可根据需求改动，具有灵活性。

如图7所示，换热工质在w型通道间上下前后流动，其中,虚线x表示下板片中工质流向，实线s表示上板片中工质流向，线条h表示上下板片流体交汇，如虚线x下从h交汇后以实线s朝两边流动，这表明换热工质每进过一个较窄的截面，会形成一次节流，而且w形结构形成的通道截面呈周期性变化。换热通道尺寸为微米级，可很大程度上增大通道上换热工质的流动阻力，增大流道间压降，从而增强高低压换热单元间的换热，提高制冷效率。

在w型微通道焦汤节流制冷器中采用高压气体工质作为焦汤节流制冷剂，在常温工况下使用该制冷器时，可采用焦汤节流系数大于0的气体(如氮气、氩气、二氧化碳等)或者混合工质。

外界的气体工质从进口管50进入入口通道，气体工质同时进入三个高压通道组件20，从入口槽通道进入高压节流通道到达扩容通道，扩容通道中的气体工质同时进入三个低压通道组件30，经过低压节流通道、出口槽通道、出口通道后从出口管60流出。

高压常温气体从进口管50进入制冷器，通过高压通道组件20的入口段进入高压通道回热节流段进行焦汤节流效应，并经高压通道组件20的低压通道回热节流段预冷，达到回热节流低温汇入扩容腔，低压低温的气体在扩容腔与外界换热，吸收外界散热片上热量，流过低压通道组件30后由出口管60流出制冷器。

在回热节流制冷器的上下设计有具备承压能力的一定厚度的上下盖板，通过原子融合焊接工艺与高低压通道焊接为整体，以保证制冷器整体的承压能力。

通道板槽的制作方法：

本实施例选用强度较高的不锈钢为微通道结构的基板材料，将印刷电路板式的制作技术运用于此焦汤节流制冷器，板片采用印刷电路板激光刻蚀技术，通过曝光呈像原理将设计好的通道形状转移到光刻顶层光刻胶层上，进而刻蚀对应的不锈钢板表面，可接受的刻蚀槽道形状比较灵活，可以形成很好的最小特征尺寸。故采用印刷电路板激光刻蚀技术制作出所需的w型微通道板片。随后运用原子扩散融合焊接技术，板片之间相互接触，原子间相互扩散再结晶，形成可靠连接。

与以往微通道制冷器制造技术相比优点有：

1)印刷电路板激光刻蚀技术可以刻蚀的槽道形状比较灵活，可以根据需求改变通道倾斜角度以及通道数量；

2)扩散融合焊技术能无缝叠加多个换热单元，板片数量可根据具体换热需求调节；

3)原子融合焊接工艺可基本消除焊接板片间的接触热阻，将各层板片叠加结合为一整体，成型的制冷器密封良好且结合部分没有附加热阻，增大焊接板片间的换热效率。

实施例二

本实施例其它结构与实施例一相同，不同的是所有的高压通道组件采用三块板叠合而成，从上至下依次为高压通道上板片21、高压通道上板片21和高压通道下板片22。

实施例三

本实施例其它结构与实施例一相同，不同的所有的高压通道组件20中回热节流段结构采用低压通道组件30中回热节流段结构，并可取消上盖板10和下盖板40。

实施例四

一种制冷装置，使用上述的任意一种的微通道节流制冷器用于对多种形式热源进行冷却的制冷器。

本实施例中，制冷装置采用实施例一中的微通道节流制冷器用于热源的制冷器。

实施例五

本实施例的其它结构与实施例四相同，其制冷装置为红外夜视仪、内腔冷冻治疗仪以及肿瘤冷冻治疗仪中的任意一种。

本实施例中制冷装置为内腔冷冻治疗仪。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的回热节流板上设置有多条平行设置的w形折线槽，w形回热节流组件包括上下叠合的两块回热节流板，回热节流板上w形折线槽相互交错且在交错处相连通形成回热节流通道，两个板片中w形波纹相互倒置形成网状触点，工质在通道中流动过程中将形成网状旋网流，能够增强板片与工质之间的换热效率。

另外，w形结构形成的通道截面周期性变化，每进过一个较窄的截面，形成一次节流，因此在整个高低压通道内，会形成分布式j-t效应。不需再刻蚀专门的节流槽道。

进一步地，该w形结构，能够有效地减少微通道金属材料的轴向导热对于制冷器性能的影响。提高高低压通道间的换热强度，增大制冷器的制冷量。

进一步地，入口段设置的较松散的小圆柱起到导流气流，支撑通道的作用。

进一步地，高低压通道截面尺寸、通道与水平方向的夹角大小可由通道内工质的物性和换热需求确定，根据加工限制和尺寸要求来确定。

进一步地，微通道节流制冷器可以由单个高、低压通道组件叠加或多个高、低压通道组件叠加形成，通过增加换热单元的层数增大板片上的换热通道，提高制冷器的换热效率。

进一步地，采用不锈钢材料，使用扩散融合焊技术将单片的微通道连接起来，能够根据实际需要调节通道数量，而不局限于单层，能够并行放大制冷量。

所以，本实施例的具有w形回热节流组件的节流制冷器具有换热效率高、制冷量大的特点。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。