一种可快速制冷的线性斯特林-芯片级节流复合型制冷机的制作方法

一种可快速制冷的线性斯特林
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芯片级节流复合型制冷机
技术领域
1.本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种可快速制冷的线性斯特林
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芯片级节流复合型制冷机。


背景技术：

2.回热式制冷技术和间壁式制冷技术是低温制冷领域中的两个重要分支，根据这两种技术各自的特点，目前在低温物理、国防军事、能源、医疗等领域广泛应用。
3.斯特林制冷机和节流制冷机分别是回热式和间壁式两种制技术中的典型低温制冷机。其中，线性斯特林制冷机利用直线电机驱动压缩机构和膨胀机构，利用回热填料与工质之间的换热完成制冷效应，具有结构紧凑、效率高、体积小等优点，已被用于百万像素大面阵、双色等红外探测器之中，但斯特林制冷机初始制冷时间较长，使其在要求迅速获得足够冷量的应用中受到了限制。
4.节流制冷机利用焦耳
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汤姆逊效应，利用高压气体通过节流装置膨胀到低压以产生制冷效应，开式循环模式的节流制冷器采用高压储气器或高压气体钢瓶供气，这种系统不需要压缩机和制冷器之间的永久性连接，系统除要求连续供给高压气体外，不需要功率输入，开式节流器可以与小高压气瓶组装成一个完整的系统。但是由于高压气瓶容量的限制，开式节流制冷器无法长时间运行。
5.在某些应用领域中，既对预冷时间有苛刻的要求，又对探测器的体积和质量有严格的限制，例如红外制导系统。红外制导系统中，系统的尺寸规格直接影响到制导系统位标器的光学性能，制冷器的质量大小也会影响位标器的运动特性，如果有可能，会把制冷器的某些部件，如线性压缩机、阀门、压力传感器、高压气瓶或贮液器等尽量放置在远离位标器的部位，有时干脆不装在弹上，而是装在发射架上，导弹发射后红外探测器只靠蓄冷工作，但在某些特定场合，蓄冷量并不足以满足使用要求。


技术实现要素：

6.本发明涉及一种可快速制冷的线性斯特林
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芯片级节流复合型制冷机，至少可解决现有技术的部分缺陷。
7.本发明涉及一种可快速制冷的线性斯特林
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芯片级节流复合型制冷机，包括线性斯特林制冷单元、节流制冷单元和电控单元，所述电控单元用于控制所述线性斯特林制冷单元和节流制冷单元的运行，所述线性斯特林制冷单元包括直线压缩机、膨胀机以及与所述膨胀机直接耦合装配的封装杜瓦，所述节流制冷单元采用mems节流制冷器，所述mems节流制冷器贴装在所述封装杜瓦内的芯片基板上，所述mems节流制冷器配置有供气瓶。
8.作为实施方式之一，所述mems节流制冷器包括贴装在所述芯片基板上的制冷板，所述制冷板内形成有高压通道、低压通道和膨胀腔，所述高压通道与所述低压通道均呈平面螺旋形并且二者上下分层布置，所述高压通道的出口端通过节流单元与所述膨胀腔连通，所述低压通道的入口端与所述膨胀腔连通，于所述制冷板上开设有与高压通道入口端
连通的工质入口以及与低压通道出口端连通的工质出口，所述工质入口与所述供气瓶连接。
9.作为实施方式之一，所述制冷板包括层叠设置的第一层板、第二层板和第三层板，所述第二层板的第一板面和第二板面分别朝向所述第一层板和所述第三层板；
10.在所述第一层板的内侧板面上刻蚀形成有第一槽道，所述第一槽道由第二层板闭合以围设形成所述高压通道；或者，在所述第一板面上刻蚀形成有第二槽道，所述第二槽道与所述第一槽道上下拼合形成所述高压通道；
11.在所述第二板面上刻蚀形成有第三槽道，所述第三槽道由第三层板闭合以围设形成所述低压通道；或者，在所述第三层板上刻蚀形成有第四槽道，所述第四槽道与所述第三槽道上下拼合形成所述低压通道。
12.作为实施方式之一，所述高压通道由蛇形流道布置成平面螺旋形。
13.作为实施方式之一，所述低压通道内布置有多个针肋。
14.作为实施方式之一，所述高压通道与所述低压通道上下正对设置，以便于低压通道对高压通道内的工质进行预冷。
15.作为实施方式之一，所述工质出口连接有排气管，所述排气管上设有单向阀。
16.作为实施方式之一，所述直线压缩机包括压缩机外壳、气缸组件和直线电机，所述气缸组件包括缸体、活塞和永磁体，所述缸体固定于所述压缩机外壳内，所述活塞具有滑设于所述缸体内的活塞主体以及连接于所述活塞主体上并且位于所述缸体外的驱动臂，所述永磁体固定于所述驱动臂上，所述直线电机包括外定子轭铁和内动子轭铁，所述外定子轭铁固定于所述压缩机外壳内，所述内动子轭铁收容于由所述驱动臂与所述缸体所围设形成的环形空间内；所述外定子轭铁的表面和/或所述内动子轭铁的表面设有用于截断轭铁涡流路径的割槽。
17.本发明至少具有如下有益效果：
18.本发明提供的制冷机具有多种工作模式：线性斯特林制冷模式、节流制冷模式和复合制冷模式。线性斯特林制冷单元与节流制冷单元在功能和结构上相互独立，可采用不同的工质制冷，二者之间无气路连通，可分别进行调试，二者功能测试正常后再进行组装即可。两个制冷单元取长补短，既解决了线性斯特林制冷机受热质量和冷头温度限制等导致初始预冷时间较长的缺点，使系统能够根据实际要求迅速地降温，快速地获取冷量，又解决了节流制冷器易受到高压气源供气有限等限制，实现既可快速制冷又可长期稳定提供冷量的目的。
19.本发明进一步具有如下有益效果：
20.本发明提供的mems节流制冷器，在制冷板内形成平面螺旋形的高压通道和低压通道，在达到可靠、快速、高效制冷效果的同时，能够显著地减小节流制冷器的体积，具有尺寸小、振动低和无磁性等特点，可以实现红外组件的小型化、低成本等。上述节流制冷器无传统节流制冷器中的套管换热器等结构，制冷板可直接贴装在芯片基板上，便于安装，制冷板与芯片之间的换热面积大、换热速度快，因此能保证对芯片的冷却效率，实现快速制冷，而且可直接用于线性斯特林制冷器中，不对线性斯特林制冷器的尺寸结构等造成影响。
附图说明
21.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获得其它的附图。
22.图1为本发明实施例提供的复合制冷机的结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的mems节流制冷器的结构示意图；
24.图3为图2中第一层板的结构示意图；
25.图4为图2中第二层板的结构示意图；
26.图5为本发明实施例提供的直线压缩机的结构示意图；
27.图6为图5中设有割槽的外定子轭铁的结构示意图；
28.图7为图5中设有割槽的内定子轭铁的结构示意图；
29.图8为图5中永磁体在驱动臂上的安装结构示意图。
具体实施方式
30.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例一
32.如图1，本发明实施例提供一种可快速制冷的线性斯特林
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芯片级节流复合型制冷机，包括线性斯特林制冷单元、节流制冷单元和电控单元，所述电控单元用于控制所述线性斯特林制冷单元和节流制冷单元的运行，所述线性斯特林制冷单元包括直线压缩机11、膨胀机12以及与所述膨胀机12直接耦合装配的封装杜瓦13，所述节流制冷单元采用mems节流制冷器21，所述mems节流制冷器21贴装在所述封装杜瓦13内的芯片基板14上，所述mems节流制冷器21配置有供气瓶22。
33.上述电控单元可采用常规的制冷器控制电路，其中，通过该电控单元，可控制线性斯特林制冷单元和节流制冷单元各自单独启动，也可控制二者同时启动，使得上述复合型制冷机具有多种工作模式：线性斯特林制冷模式、节流制冷模式和复合制冷模式。
34.线性斯特林制冷单元与节流制冷单元在功能和结构上相互独立，可采用不同的工质制冷，二者之间无气路连通，可分别进行调试，二者功能测试正常后再进行组装即可。两个制冷单元取长补短，既解决了线性斯特林制冷机受热质量和冷头温度限制等导致初始预冷时间较长的缺点，使系统能够根据实际要求迅速地降温，快速地获取冷量，又解决了节流制冷器21易受到高压气源供气有限等限制，实现既可快速制冷又可长期稳定提供冷量的目的。
35.上述线性斯特林制冷单元中，直线压缩机11与膨胀机12之间可通过软管连接，从而便于直线压缩机11的布置，例如远离红外光学器件进行灵活布置，节省空间。上述mems节流制冷单元中，供气瓶22与节流制冷器21之间也可采用软管连接，从而便于供气瓶22的布置，例如远离红外光学器件进行灵活布置，节省空间。
36.实施例二
37.本实施例用于对上述实施例一进行进一步说明。
38.在上述实施例一中，节流制冷单元可采用现有的芯片级节流制冷器。本实施例中，提供一种优化的mems节流制冷器21。
39.如图2
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图4，所述mems节流制冷器21包括贴装在所述芯片基板14上的制冷板，所述制冷板内形成有高压通道214、低压通道215和膨胀腔216，所述高压通道214与所述低压通道215均呈平面螺旋形并且二者上下分层布置，所述高压通道214的出口端通过节流单元与所述膨胀腔216连通，所述低压通道215的入口端与所述膨胀腔216连通，于所述制冷板上开设有与高压通道214入口端连通的工质入口以及与低压通道215出口端连通的工质出口，所述工质入口与所述供气瓶22连接。
40.优选地，所述工质出口连接有排气管，所述排气管上设有单向阀。当节流制冷系统关闭、低压通道215内的压力值低于外部大气压时，通过该单向阀可切断低压通道215与大气的连通，保证该节流制冷器21的运行安全。
41.在优选的方案中，上述制冷板采用分层结构，在其层板上刻蚀槽道或制腔以形成上述高压通道214、低压通道215和膨胀腔216，再将层板组装为一体，可便于制冷板内工质通道的制作，保证工质通道的结构精度。
42.在其中一个实施例中，如图2，所述制冷板包括层叠设置的第一层板211、第二层板212和第三层板213，所述第二层板212的第一板面和第二板面分别朝向所述第一层板211和所述第三层板213；三块层板之间可采用键合连接结构，能够保证该制冷板的气密性及结构强度等性能，板内工质不会泄漏或串流或有外界空气混入，进而保证节流制冷器21工作可靠性。当然，层板之间粘接等连接方式也为可行方案。上述各块层板均优选为采用玻璃，可实现在层板上刻蚀工质槽道以形成上述高压通道和低压通道的目的，提高高压通道和低压通道的结构精密度；另外，由于节流制冷器的工作压力较高，且需解决冷端漏热和提升换热效率等问题，所以材料必须具有足够的强度和合适的换热系数，采用玻璃作为基板材质能够较好地满足上述要求。
43.其中，优选地：
44.(1)在所述第一层板211的内侧板面上刻蚀形成有第一槽道，所述第一槽道由第二层板212闭合以围设形成所述高压通道214；或者，在所述第一板面上刻蚀形成有第二槽道，所述第二槽道与所述第一槽道上下拼合形成所述高压通道214。所谓第一层板211的内侧板面，也即其面朝第二层板212的板面；当仅刻蚀第一槽道时，第二层板212的第一板面为光滑平面，该第一板面贴合在第一层板211的内侧板面上从而能够闭合第一槽道的槽口并围合形成高压通道214；当刻蚀有第一槽道和第二槽道时，在第一层板211上刻蚀的第一槽道与在第二层板212上刻蚀的第二槽道优选为形状、规格相同，即槽形、槽深等都相同，第一层板211的内侧板面与第一板面贴合时，第一槽道与第二槽道正对拼合连通形成上述的高压通道214。
45.(2)在所述第二板面上刻蚀形成有第三槽道，所述第三槽道由第三层板213闭合以围设形成所述低压通道215；或者，在所述第三层板213上刻蚀形成有第四槽道，所述第四槽道与所述第三槽道上下拼合形成所述低压通道215。该低压通道215的刻蚀方式与上述高压通道214的刻蚀方式相同，此处不作赘述。
46.由于膨胀腔216需与高压通道214和低压通道215连通，并且高压通道214与低压通道215分层设置，因此，在制冷板的厚度方向上，该膨胀腔216具有一定的高度，最好一端能与高压通道214处于同一平面，另一端与低压通道215同平面。可选地，在第一层板211的内侧板面上开设第一膨胀槽，上述第一槽道延伸至与该第一膨胀槽连通(通过上述节流单元连通)，在第二层板212上开设膨胀孔，上述第三槽道延伸至与该膨胀孔连通，并且该膨胀孔与上述第一膨胀槽正对连通，该膨胀孔与第一膨胀槽可拼合构成为上述膨胀腔216；还可进一步在第三层板213的内侧板面(即其面向第二层板212的板面)上开设第二膨胀槽，该第二膨胀槽与上述膨胀孔正对连通，可增大膨胀腔216的体积。
47.上述节流单元可以是通道截面积较小的节流槽道2141，该节流槽道2141的数量可为一个或多个，有多个时，该多个节流槽道2141的通道截面积之和应小于高压通道214的通道截面积；优选为采用多个节流槽道2141，以避免仅有单个节流槽道2141时易发生堵塞而导致该节流制冷器21失效。
48.在其中一个实施例中，如图3和图4，上述高压通道214呈回形式平面螺旋形，上述低压通道215也优选为呈回形式平面螺旋形。
49.进一步优选地，如图3，所述高压通道214由蛇形流道布置成平面螺旋形；例如，对于上述回形式高压通道214，其各直线边部均由蛇形流道延伸而成。采用蛇形流道，可有效地延长高压工质在高压通道214内的停留时间，相应地提高节流制冷器21的制冷效果和节流性，或者说，可显著地减小高压通道214的占用面积，从而显著地减小节流制冷器21的体积，便于其小型化设计；尤其地，当低压通道215内的工质能对高压通道214进行预冷时，基于上述蛇形流道式高压通道214，可相应地提高预冷效果。
50.进一步优选地，如图4，所述低压通道215内布置有多个针肋，可增加低压通道215内的工质换热面积，增大换热系数，提高换热效率，从而提高冷流体的冷量利用率，减小制冷器的冷量损失。
51.如上所述，优选为设计低压通道215内的工质能对高压通道214进行预冷，可提高节流制冷器21的响应速度以及制冷效果，节能效果显著；相应地，如图2，所述高压通道214与所述低压通道215上下正对设置，低压通道215内的冷量可快速地传递给高压通道214内的工质，以便于低压通道215对高压通道214内的工质进行预冷。
52.本实施例提供的mems节流制冷器21，在制冷板内形成平面螺旋形的高压通道214和低压通道215，在达到可靠、快速、高效制冷效果的同时，能够显著地减小节流制冷器21的体积，具有尺寸小、振动低和无磁性等特点，可以实现红外组件的小型化、低成本等。上述节流制冷器21无传统节流制冷器21中的套管换热器等结构，制冷板可直接贴装在芯片基板14上，便于安装，制冷板与芯片3之间的换热面积大、换热速度快，因此能保证对芯片3的冷却效率，实现快速制冷，而且可直接用于线性斯特林制冷器中，不对线性斯特林制冷器的尺寸结构等造成影响。
53.实施例三
54.本实施例用于对上述实施例一进行进一步说明。
55.本实施例中，对上述线性斯特林制冷单元的直线压缩机11进行优化。
56.如图5
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图7，该直线压缩机11包括压缩机外壳111、气缸组件和直线电机，所述气缸组件包括缸体1131、活塞和永磁体1133，所述缸体1131固定于所述压缩机外壳111内，所述
活塞具有滑设于所述缸体1131内的活塞主体11321以及连接于所述活塞主体11321上并且位于所述缸体1131外的驱动臂11322，所述永磁体1133固定于所述驱动臂11322上，所述直线电机包括外定子轭铁1121和内定子轭铁1123，所述外定子轭铁1121固定于所述压缩机外壳111内，所述内定子轭铁1123收容于由所述驱动臂11322与所述缸体1131所围设形成的环形空间内；所述外定子轭铁1121的表面和/或所述内定子轭铁1123的表面设有用于截断轭铁涡流损耗路径的割槽1124。
57.如图5，上述压缩机外壳111可采用一端开口的结构，并在该开口端设置压盖1111。
58.上述外定子轭铁1121优选为固定在压缩机外壳111的内壁上；如图5和图6，该外定子轭铁1121一般为环形结构，则其外壁与压缩机外壳111的内壁适配地固定连接。
59.同样地，上述缸体1131也优选为与压缩机外壳111的内壁固定连接。本实施例中，压缩机外壳111、外定子轭铁1121、缸体1131、内定子轭铁1123都为圆柱形结构，并且均同轴布置。显然地，上述活塞主体11321与缸体1131同轴布置，上述驱动臂11322一般为环形臂并且与活塞主体11321同轴，该驱动臂11322连接于活塞主体11321的伸出至缸体1131外的一端之上；该环形的驱动臂11322与缸体1131外壁之间围设形成一环形空间，可收容上述的内定子轭铁1123，在其中一个实施例中，该内定子轭铁1123套装固定在缸体1131的外壁上。
60.通过外定子、外定子内收容的载流线圈1122和内定子的作用可驱动永磁体1133作直线运动(直线运动方向平行于活塞主体11321的轴向)，从而带动驱动臂11322及活塞主体11321作直线运动，实现对气体的压缩等工况；该原理为本领域常识，此处不作详述。
61.可选地，上述驱动臂11322为磁钢臂体。有别于常规的将永磁体1133粘接固定在磁钢上的方式，本实施例中，如图8，所述永磁体1133通过机械固定结构安装在所述驱动臂11322上。通过机械固定的方式实现永磁体1133的固定安装，可避免胶水等造成压缩机内气体工质污染，保证气体工质的纯净度，因此能有效地提高压缩机的工作稳定性和可靠性。在其中一个实施例中，如图8，所述机械固定结构包括第一卡槽和第二卡槽，所述第一卡槽与所述第二卡槽均形成于所述驱动臂11322上并且槽口相对设置，所述永磁体1133的两端分别卡嵌在所述第一卡槽与所述第二卡槽内。上述永磁体1133一般为环形磁体，则上述第一卡槽和第二卡槽优选为是环形卡槽；当然也可沿驱动臂11322的周向依次布置多组卡槽组，每组卡槽组包括相对设置的一个第一卡槽与一个第二卡槽，能实现对永磁体1133的可靠固定即可。
62.如图8，在第一卡槽与第二卡槽中，可设置其中一个卡槽具有相对较浅的槽深，以便于永磁体1133的拆装。
63.在上述驱动臂11322为磁钢臂体的结构中，第一卡槽和第二卡槽也优选为是磁钢卡槽。上述第一卡槽与第二卡槽优选为是一体成型于上述驱动臂11322上的，结构稳定可靠。
64.当然，其它的机械固定方式也适用于本实施例中，例如采用卡扣锁紧固定方式、通过螺栓将压板固定在驱动臂11322上并由压板压紧永磁体1133等，此处不作一一例举。
65.本实施例提供的直线压缩机11，采用外定子和内定子分别设置磁轭的分离式磁轭结构，并且外定子轭铁1121的表面和/或内定子轭铁1123的表面设有割槽1124以截断轭铁涡流损耗路径，在保证电机性能的同时显著地降低了电机的涡流损耗，从而能提升压缩机的工作效率，可实现线性斯特林制冷机高cop、低能耗的制冷性能。
66.优选地，如图6和图7，外定子轭铁1121的表面和内定子轭铁1123的表面均设有割槽1124，上述涡流损耗降低效果更为明显；尤其地，如图6和图7，所述割槽1124为长度方向平行于对应轭铁轴向的轴向割槽1124，应用效果较佳。可以仅在轭铁的外环表面设置割槽1124，也可以是轭铁的外环表面和内环表面均设置割槽1124。
67.进一步优化上述的直线压缩机11，如图5，所述活塞主体11321的一端伸出至所述缸体1131外并且套装有板弹簧114，所述板弹簧114固定于所述压缩机外壳111内。通过板弹簧114对活塞主体11321进行支撑限位是本领域常规结构，此处不作详述。
68.进一步优化上述的直线压缩机11，如图5，所述活塞有两个并且两个活塞主体11321在所述缸体1131内的滑动方向相反，所述直线电机对应配置为两组；采用两组压缩机构对置的结构，两个活塞主体11321可分别作直线往复运动，共同对气体做功、压缩气体工质产生压力波，而且两个活塞主体11321往复运动产生的力始终大小相等、方向相反，可相互抵消，达到减轻或消除压缩机振动的目的。
69.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。