CN104236153A - 一种液氦温区小型节流制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氦温区小型节流制冷系统，所述制冷系统包括预冷系统以及氦气节流系统，所述氦气节流系统包括线性节流压缩机、节流阀和蒸发器以及第一级、第二级、第三级套管式逆流换热器，所述线性节流压缩机、第一级套管式逆流换热器、第二级套管式逆流换热器、第三级套管式逆流换热器、节流阀和蒸发器之间依次通过管道连接形成氦气循环回路，所述预冷系统共有第一冷头和第二冷头为氦气节流系统提供预冷环境，所述第一冷头、第二冷头分别连接于高压氦气输送管道上。本发明的制冷系统不仅具有结构简单，容易加工和实现的优点。

Description

一种液氦温区小型节流制冷系统

技术领域

本发明属于低温及制冷工程技术领域，具体地，本发明涉及一种液氦温区小型节流制冷机。

背景技术

随着国际空间与地面制冷技术的不断发展，对液氦温区甚至超流氦温区的冷环境需求场合越来越广。例如空间科学实验、深空探测、新一代通讯技术、弱磁测量等领域，很多元器件均需要在低于10K的背景温度下工作，这样能减少热干扰，提高元器件灵敏度，从而增加器件工作寿命和可靠性。如极低温深空探测需要低于1K的低温环境，深空探测、低温超导需要1～2.17K的低温环境，X射线、超长波红外射线需要液氦（4.2K）温区的环境，如下一代太空望远镜詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）上的红外探测器（MIRI）设备的光焦面排列需要低于6.8K的温度环境，而它的光学成像需低于15K的低温环境才能抵制背景噪音，因此MIRI设备的整个环境需在6K以下温区，才能满足设备的要求，从而发挥设备性能。目前的液氦温区低温制冷机，如G-M制冷机和G-M型脉冲管制冷机，都普遍存在制冷效率低、体积重量大、功耗高，需要水冷及定期维护等突出问题，不适合于空间应用。空间液氦温区制冷技术需要突破，且发展趋势是研究长寿命、小功率、高效率、大冷量的空间液氦温区小型制冷机。

英国科学家Joule和Thomson在19世纪50年代首先研究了气体从高压等焓膨胀到低压从而导致温度降低的现象。气体在高压下流经管道中的小孔使压力显著降低的过程称为节流。当气体在管路中遇到缩口或调节阀门时，由于局部阻力将使其压力显著下降，而此时气体来不及与外界进行热交换，气体节流前后的能量保持不变，即节流前后焓相等。理想气体的焓只是温度的函数，因此理想气体在节流前后的温度不变。但对于实际气体来说，等焓节流前后温度将发生较大的变化，即焦耳—汤姆逊效应。在接近液氦温区时，氦气的非理想性越来越明显，正好可以利用这一特性来获得很好的节流制冷效应。Joule-Thomson(J-T)制冷机利用工质节流的J-T效应获得低温，其冷头没有运动部件，具有机械振动和电磁干扰小、寿命长的优点。且结构简单，可靠性高，易于微型化，降温速度快，可以做成非常小的设备。

J-T节流制冷机制冷温度的高低不仅与节流的温度有关，还与制冷工质的转化温度有关，一定压力下，节流工质只有低于其对应的转化温度时才能产生节流效应，因此在节流前需要将其温度预冷至低于其转化温度。氦气的转化温度在40K左右，为使氦气产生节流效应，需要通过合适的预冷方式使节流前氦气温度降低至40K。采用线性压缩机驱动的斯特林型脉冲管制冷机在低温端无机械运动部件，具有机械振动和电磁干扰小、结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，是适合空间应用的新一代小型制冷机。从高频斯特林型脉冲管制冷机技术的研究和样机研制来看，目前已取得了很大的突破，能在10K以上温度范围提供一定制冷量，可以为节流循环提供预冷。

目前，现有的脉冲管制冷机预冷JT节流循环的制冷系统存在以下缺陷：功耗大，重量重，且换热器长度过长，占用空间大，不适合空间应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种液氦温区小型节流制冷系统，该制冷系统具有结构简单、容易加工和实现的优点，并且采用了两级脉冲管预冷的结构使节流制冷系统的制冷温度达到液氦温区，适合于空间应用。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种液氦温区小型节流制冷系统，所述制冷系统包括预冷系统以及氦气节流系统；

所述氦气节流系统包括线性节流压缩机2、第一级套管式逆流换热器3、第二级套管式逆流换热器4、第三级套管式逆流换热器5、节流阀6和蒸发器7，所述线性节流压缩机2的排气口、第一级套管式逆流换热器3、第二级套管式逆流换热器4、第三级套管式逆流换热器5、节流阀6和蒸发器7依次采用高压氦气输送管道连通，所述蒸发器7、第三级套管式逆流换热器5、第二级套管式逆流换热器4、第一级套管式逆流换热器3和线性节流压缩机2的进气口依次采用低压冷氦气输送管道连通，所述线性节流压缩机2的排气口、第一级套管式逆流换热器3、第二级套管式逆流换热器4、第三级套管式逆流换热器5、节流阀6和蒸发器7以及高压氦气输送管道和低压冷氦气输送管道形成氦气循环回路；

所述预冷系统共有第一冷头10和第二冷头11为氦气节流系统提供预冷环境，所述第一冷头10连接于第一级套管式逆流换热器3和第二级套管式逆流换热器4之间的高压氦气输送管道上，所述第二冷头11连接于第二级套管式逆流换热器4和第三级套管式逆流换热器5之间高压氦气输送管道上。

所述氦气节流系统还包括气体纯化装置8，所述气体纯化装置设置于第二冷头11与高压氦气输送管道的连接点和第三级套管式逆流换热器5之间的高压氦气输送管道上。

所述气体纯化装置8的结构为盛有粉末状活性炭结构。

所述氦气节流系统还包括一旁通阀9，所述旁通阀9通过旁路管道与第三级套管式逆流换热器5和节流阀6并联设置于高压氦气输送管道上。

所述预冷系统采用两级热耦合脉冲管制冷机1，进一步地，所述脉冲管为斯特林型脉冲管。

所述节流阀6为微孔节流阀，节流孔直径为20～50微米。

如图4或图5所示，所述套管式逆流换热器为同轴套管式逆流换热器，其内管14采用铜材料，外管采用不锈钢材料，并且内管14外壁螺旋缠绕紫铜丝13或者嵌套金属薄肋片15。

所述线性节流压缩机2采用单缸式有阀压缩机，并且压缩机的进气口与排气口处分别通过阀片控制，或者通过在压缩机内部安装单向阀片的形式以实现气体单向流动，节流压缩机能够为节流循环提供持续恒定的压力波，使节流效应能够持续而稳定的进行。

如图2或图3所示，第一冷头10和第二冷头11通过铜管12缠绕或丝网17铜块16的热耦合方式连接于管道上。

本发明工作时，低压冷氦气回气进入单向线性节流压缩机，压缩后输出的高压氦气经第一级套管式逆流换热器后在脉冲管制冷机的第一冷头上进行第一次预冷，经第二级套管式逆流换热器后在脉冲管制冷机的第二冷头上进行第二次预冷，两次预冷后的氦气经过第三级套管式换热器后温度进一步降低至氦气节流前所需的温度，经节流微孔后，高压氦气等焓节流为液氦，液氦在蒸发器内受热蒸发形成低压冷氦气，低压冷氦气依次经过三级套管式逆流换热器后流回线性节流压缩机进气口。

本发明中高压氦气在套管式逆流换热器的内管中流动，低压冷氦气在内管与外管之间逆向流动来冷却高压氦气，内管外壁绕有铜丝可以进一步提高换热器效率，铜丝优选为紫铜丝。

本发明的液氦温区小型节流制冷系统，制冷量很小，所需的氦气流量在毫克每秒级别，相应地节流孔直径为几十微米，其材料为紫铜或不锈钢等，可以采用激光打孔或光刻腐蚀等方法得到微孔，亦可采用孔径相等的毛细管代替。由于国内在微孔节流方面的技术尚不成熟，微孔长度可以根据试验中对应的微孔直径，制冷工质的流量等参数确定。

本发明的液氦温区小型节流制冷系统，其中节流阀的节流孔为几十微米的小孔，当氦气的纯度低时可能会导致小孔堵塞，这种情况下可以在制冷系统的循环回路中加入气体纯化装置8，以使氦气在进入节流孔前达到纯度要求，防止堵塞节流孔。

本发明的液氦温区小型节流制冷系统，所采用的三级换热器为套管式逆流换热器，为提高效率，内管可采用铜管以增大内侧高压气体和外侧低压气体之间的换热系数，并且内管外壁螺旋缠绕紫铜丝或者嵌套金属薄肋片以增大换热面积，外管可采用不锈钢管以减少周围环境热辐射对换热器的影响。

本发明的液氦温区小型节流制冷系统，由于节流孔为微孔，氦气流量极小，导致气体从预冷系统的冷头获取的冷量较小，从而需要较长时间将节流孔周围空间环境预冷到20K低温，为解决上述问题减小预冷时间，可在节流阀处并联一基于温度控制的旁通阀，节流前温度尚未达到所需温度前，旁通阀打开以增大流量，实现快速降温，节流前温度接近所需温度时，关闭旁通阀，气体通过节流孔实现节流降温。

本发明采用的节流循环压缩机为带有单向阀的单缸式压缩机，具有功耗小，重量轻等优点。

本发明采用3个同轴套管式逆流换热器，内管的外壁采用缠绕铜丝或者嵌套金属薄肋片的方式增强换热效果，减少换热器长度，改善占用空间。

附图说明

图1为本发明液氦温区小型节流制冷系统的结构示意图；

图2为本发明中第一冷头或第二冷头与高压氦气输送管道的铜管缠绕连接结构示意图；

图3为本发明中第一冷头或第二冷头与高压氦气输送管道的丝网铜块连接结构示意图；

图4为本发明中套管式逆流换热器的内管螺旋缠绕铜丝结构示意图；

图5为本发明中套管式逆流换热器的内管嵌套金属薄肋片结构示意图；

其中，1、两级热耦合脉冲管制冷机；2、线性节流压缩机；3、第一级套管式逆流换热器；4、第二级套管式逆流换热器；5、第三级套管式逆流换热器；6、节流阀；7、蒸发器；8、气体纯化装置；9、旁通阀；10、第一冷头；11、第二冷头；12、铜管；13、铜丝；14、内管；15、金属薄肋片；16、铜块；17、丝网。

具体实施方式

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种液氦温区小型节流制冷系统，所述制冷系统包括预冷系统以及氦气节流系统；

所述氦气节流系统包括线性节流压缩机2、第一级套管式逆流换热器3、第二级套管式逆流换热器4、第三级套管式逆流换热器5、节流阀6和蒸发器7，所述线性节流压缩机2的排气口、第一级套管式逆流换热器3、第二级套管式逆流换热器4、第三级套管式逆流换热器5、节流阀6和蒸发器7依次采用高压氦气输送管道连通，所述蒸发器7、第三级套管式逆流换热器5、第二级套管式逆流换热器4、第一级套管式逆流换热器3和线性节流压缩机2的进气口依次采用低压冷氦气输送管道连通，所述线性节流压缩机2的排气口、第一级套管式逆流换热器3、第二级套管式逆流换热器4、第三级套管式逆流换热器5、节流阀6和蒸发器7以及高压氦气输送管道和低压冷氦气输送管道形成氦气循环回路；

所述预冷系统共有第一冷头10和第二冷头11为氦气节流系统提供预冷环境，所述第一冷头10连接于第一级套管式逆流换热器3和第二级套管式逆流换热器4之间的高压氦气输送管道上，所述第二冷头11连接于第二级套管式逆流换热器4和第三级套管式逆流换热器5之间高压氦气输送管道上。

所述氦气节流系统还包括气体纯化装置8，所述气体纯化装置设置于第二冷头11与高压氦气输送管道的连接点和第三级套管式逆流换热器5之间的高压氦气输送管道上。

所述气体纯化装置8的结构为盛有粉末状活性炭结构。

所述氦气节流系统还包括一旁通阀9，所述旁通阀9通过旁路管道与第三级套管式逆流换热器5和节流阀6并联设置于高压氦气输送管道上。

所述预冷系统采用两级热耦合脉冲管制冷机1。

所述节流阀6为微孔节流阀，节流孔直径为20～50微米。

如图4所示，所述套管式逆流换热器的内管14采用铜材料，外管采用不锈钢材料，并且内管14外壁螺旋缠绕紫铜丝13。

所述线性节流压缩机2采用单缸式有阀压缩机，并且压缩机的进气口与排气口处分别通过阀片控制以实现气体单向流动。

如图2和图3所示，第一冷头10和第二冷头11通过铜管缠绕或丝网铜块的热耦合方式连接于管道上。

本实施例的工作原理为：低压冷氦气流入单向线性节流压缩机，压缩后输出的高压氦气经第一级套管式逆流换热器后在脉冲管制冷机的第一冷头上进行第一次预冷，经第二级套管式逆流换热器后在脉冲管制冷机的第二冷头上进行第二次预冷，两次预冷后的高压氦气通过气体纯化装置除去氦气中的少量杂质，防止堵塞节流孔，再经过第三级换热器后温度进一步降低至氦气节流前所需的温度，经节流孔节流后，高压氦气等焓节流为液氦，进入在蒸发器内受热蒸发得到低压冷氦气，低压冷氦气依次经过三级换热器后流回单向线性节流压缩机进气口；高压氦气在套管式逆流换热器的内管中流动，低压冷回气在内管与外管之间逆向流动来冷却高压氦气。

本实施例中，节流孔的直径为20微米，其材料为紫铜或不锈钢等，采用激光打孔或光刻腐蚀等方法得到微孔。

为了使节流孔前的温度降低到氦气节流制冷所需要的温度，本实施例的预冷系统采用两级脉冲管制冷机，分为第一和第二级，预冷用脉冲管制冷机为现有技术中常用的制冷机类型，其主要包括压力波发生器、热端、回热器、脉冲管、冷端、惯性管和气库，其中，第一级脉冲管制冷机的冷端通过传冷机构与第二级脉冲管制冷机的热端相耦合，并且第二级脉冲管制冷机气库与传冷机构紧密接触，从而实现第一级脉冲管制冷机对第二级脉冲管制冷机的气库和热端的预冷，第一级预冷温度为100K。第一级脉冲管制冷机的冷端同时用于预冷经过第一级套管式逆流热交换器的高压氦气，第二级脉冲管制冷机的冷端用于预冷经过第二级套管式逆流热交换器的高压氦气，预冷温度在20K。

本实施例中，在未达到所需要的温度之前，旁通阀处于常开状态，氦气同时通过节流孔和旁通阀预冷循环管路和周围环境温度，当温度达到预定温度时，关闭旁通阀，氦气只通过节流孔进行预冷，预冷前温度到达一定温度时开始节流降温。

本实施例中的三级热交换器采用同轴套管逆流的形式，高压氦气在内管中流动，经过节流后的低压冷氦气经过内管与外管之间的环形腔逆流流回节流压缩机。为加强换热器换热效果，内管外壁采用细铜丝紧密螺旋缠绕的形式以增大换热面积；外管可采用不锈钢管以减少周围环境热辐射对换热器的影响。三级套管式逆流换热器同时具有放大与积累节流效应的作用，节流后的低压冷氦气在三级套管式逆流换热器中冷却节流前的高压氦气，使其温度降低，经过三级套管式逆流换热器后，高压氦气的温度被冷却到经过节流能够形成液氦的温度，从而实现小型液氦节流制冷机的目的。

本实施案例中节流前与节流后的压比较大，节流压缩机采用单缸有阀压缩机，并且采用两级压缩式。压缩机进气口与排气口处分别通过阀片控制以实现气体单向流动。

Claims (9)

1.一种液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述制冷系统包括预冷系统以及氦气节流系统；

所述氦气节流系统包括线性节流压缩机（2）、第一级套管式逆流换热器（3）、第二级套管式逆流换热器（4）、第三级套管式逆流换热器（5）、节流阀（6）和蒸发器（7），所述线性节流压缩机（2）的排气口、第一级套管式逆流换热器（3）、第二级套管式逆流换热器（4）、第三级套管式逆流换热器（5）、节流阀（6）和蒸发器（7）依次采用高压氦气输送管道连通，所述蒸发器（7）、第三级套管式逆流换热器（5）、第二级套管式逆流换热器（4）、第一级套管式逆流换热器（3）和线性节流压缩机（2）的进气口依次采用低压冷氦气输送管道连通，所述线性节流压缩机（2）的排气口、第一级套管式逆流换热器（3）、第二级套管式逆流换热器（4）、第三级套管式逆流换热器（5）、节流阀（6）和蒸发器（7）以及高压氦气输送管道和低压冷氦气输送管道形成氦气循环回路；

所述预冷系统共有第一冷头（10）和第二冷头（11）为氦气节流系统提供预冷环境，所述第一冷头（10）连接于第一级套管式逆流换热器（3）和第二级套管式逆流换热器（4）之间的高压氦气输送管道上，所述第二冷头（11）连接于第二级套管式逆流换热器（4）和第三级套管式逆流换热器（5）之间的高压氦气输送管道上。

2.根据权利要求1所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述氦气节流系统还包括气体纯化装置（8），所述气体纯化装置设置于第二冷头（11）与高压氦气输送管道的连接点和第三级套管式逆流换热器（5）之间的高压氦气输送管道上。

3.根据权利要求1或2所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述氦气节流系统还包括一旁通阀（9），所述旁通阀（9）通过旁路管道与第三级套管式逆流换热器（5）和节流阀（6）并联设置于高压氦气输送管道上。

4.根据权利要求1所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述预冷系统采用两级热耦合脉冲管制冷机（1）。

5.根据权利要求1所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述节流阀（6）为微孔节流阀，节流孔直径为20～50微米。

6.根据权利要求1所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述套管式逆流换热器的内管（14）采用铜材料，外管采用不锈钢材料，并且内管（14）外壁螺旋缠绕紫铜丝（13）或者嵌套金属薄肋片（15）。

7.根据权利要求1所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述线性节流压缩机（2）采用单缸式有阀压缩机。

8.根据权利要求1所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，第一冷头（10）和第二冷头（11）通过铜管（12）缠绕或丝网铜块的热耦合方式连接于高压氦气输送管道上。

9.根据权利要求2所述的液氦温区小型节流制冷系统，其特征在于，所述气体纯化装置（8）的结构为盛有粉末状活性炭结构。