[發(fā)明專利]一種液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機

有效

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• 申請日: 2020-11-29
• 公開（公告）號: CN112503796B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 曹海山
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F25B23/00
• 分類號: F25B23/00;F25B41/30;H05K7/20
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發(fā)明提供了一種液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機，具有三種結構形式，第一種結構的液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機具有五層基片，第一基片作為蓋板，第二基片和第三基片構成一級制冷循環(huán)器和二級制冷循環(huán)器，第四基片和第五基片構成三級制冷循環(huán)器；第二種結構的液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機具有五層基片，第一基片作為蓋板，第二基片和第三基片構成一級制冷循環(huán)器，第四基片和第五基片構成二級制冷循環(huán)器和三級制冷循環(huán)器；第三種結構的液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機具有三層基片，第一基片作為蓋板，第二基片和第三基片構成一級制冷循環(huán)器二級制冷循環(huán)器和三級制冷循環(huán)器。本發(fā)明將多級工質(zhì)的通道布置在同一基片上，制冷機的結構更緊湊，可節(jié)約加工成本。

技術領域

本發(fā)明屬于微型節(jié)流制冷器技術領域，尤其涉及一種液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機。

背景技術

很多電子器件都在低溫環(huán)境下工作具有更高的靈敏度，比如應用于航空航天的紅外探測器件、射電望遠鏡中的低噪音放大器、移動通信系統(tǒng)中的濾波器等。此外，對于超導體電子器件而言，只有在低溫環(huán)境下才能正常工作。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，電子器件的尺寸越來越小，所需的制冷量也很小。而現(xiàn)有的制冷機在大小和制冷量方面都與電子器件的要求不匹配，急需與之匹配的制冷機。微型節(jié)流制冷機具有無運動部件，無振動，無電磁干擾，易于微型化等優(yōu)點，在電子器件冷卻方面倍受青睞。微型節(jié)流制冷機可通過MEMS加工技術得以實現(xiàn)，但目前的研究主要集中在液氫以上的溫區(qū)(Cao HS,ter Crake HJM,Progress in and Outlook for Cryogenic Microcooling,Physical Review Applied,2020,14,044044.)，尚未見有基于MEMS技術的液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機的實驗研究。

液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機之所以難實現(xiàn)，主要原因是氦氣的最大節(jié)流轉(zhuǎn)化溫度太低，只有45K。如果從室溫通過節(jié)流制冷實現(xiàn)液氦溫度，至少需要兩級預冷，原因是可通過節(jié)流制冷提供45K以下預冷溫度的工質(zhì)只有氖氣和氫氣，而氖氣和氫氣的最大節(jié)流轉(zhuǎn)化溫度分別為250K和205K，所以利用氖氣和氫氣節(jié)流制冷也需要一級預冷。可通過節(jié)流實現(xiàn)205K以下制冷溫度的工質(zhì)較多，比如氮氣、氧氣、氬氣和一氧化碳等，并且這幾種工質(zhì)的最大節(jié)流轉(zhuǎn)化溫度均遠高于室溫，無需預冷即可通過節(jié)流實現(xiàn)制冷。為后文討論方便，本文將無需預冷可實現(xiàn)節(jié)流制冷的工質(zhì)稱為一級工質(zhì)，氖氣和氫氣稱為二級工質(zhì)，氦氣稱為三級工質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機。本發(fā)明的液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機結構緊湊，具有易于大規(guī)模生產(chǎn)、成本低、精度高、可重復性強因而可有效提升成品率等優(yōu)點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

本發(fā)明提出的第一種液氦溫區(qū)微型節(jié)流制冷機，其特征在于，由依次疊設的五層基片焊接成一體結構；第一基片作為蓋板，第二基片和第三基片構成一級制冷循環(huán)器和二級制冷循環(huán)器，第四基片和第五基片構成三級制冷循環(huán)器；

所述第一基片頂端開設有六個通孔分別作為一級工質(zhì)進口、二級工質(zhì)進口、三級工質(zhì)進口、一級工質(zhì)出口、二級工質(zhì)出口和三級工質(zhì)出口；所述第二基片頂端開設有三個通孔分別作為一級工質(zhì)進口、三級工質(zhì)進口和三級工質(zhì)出口；所述第三基片頂端開設有兩個通孔分別作為三級工質(zhì)進口和三級工質(zhì)出口；所述第四基片頂端開設有一個通孔作為三級工質(zhì)進口；同一類型的工質(zhì)出口和工質(zhì)進口在在相應基片上的布設位置相同；

所述第三基片上設有依次連通的一級高壓側(cè)通道、一級節(jié)流閥和一級緩沖室，以及依次連通的二級高壓側(cè)通道、二級節(jié)流閥和二級緩沖室，一級高壓側(cè)通道與二級高壓側(cè)通道之間不連通；一級高壓側(cè)通道和二級高壓側(cè)通道的頂端分別與一級工質(zhì)進口和二級工質(zhì)進口連通；一級高壓側(cè)通道的至少兩個側(cè)壁與二級高壓側(cè)通道的至少兩個側(cè)壁相對設置，二級高壓側(cè)通道內(nèi)設有用于調(diào)節(jié)二級工質(zhì)在二級高壓側(cè)通道內(nèi)流動方向的二級導流片；