CN104792056B - 一种与回热式制冷机气耦合的jt节流制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，包括回热式制冷机和从回热式制冷机引出的JT节流制冷组件两部分。回热式制冷机包括回热式制冷机冷端换热器和回热式制冷机压缩装置；JT节流制冷组件包括通过管路依次连接的节流阀、节流制冷组件冷端换热器和JT压缩机；节流阀和回热式制冷机冷端换热器连接，JT压缩机和回热式制冷机压缩装置连接。本发明JT节流制冷机工质直接由回热式制冷机冷端引出，通过节流获得更低温度下的制冷量。相比当前常用的热耦合结构，本发明精简了部件，减小了重量和体积，消除了部分传热损失，对能量的利用更加合理充分，更能够满足空间应用高效、紧凑和轻量等要求。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，具体是涉及一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机。
背景技术
当前JT节流制冷机与回热式制冷机组成的热耦合型制冷机已成为空间望远镜探测器的主流制冷方式之一。在这个组合当中，回热式制冷机与JT节流制冷机之间只有热量传递，不发生工质的质量交换，回热式制冷机(如脉管制冷机和斯特林制冷机)为JT节流制冷机提供一定温度的预冷，使JT制冷机中的气体工质在预冷至该温度以下后通过绝热节流过程获得更低制冷温度下的制冷量。典型的空间实例如，回热式制冷机预冷至20K左右，JT节流制冷达4K左右，制冷量在50mW左右。
中国专利文献CN103062951A公开了一种斯特林/脉管复合型制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，包括预冷单元和制冷单元，制冷单元包括J-T压缩机、第一级回热式换热器、第二级回热式换热器、节流前换热器、节流阀和蒸发器；预冷单元为二级或二级以上的斯特林/脉管复合制冷机机构，用于对J-T节流制冷循环工质氦在进入节流前换热器的高温侧管路前由斯特林/脉管复合型制冷机进行多级预冷的制冷剂进行预冷。该制冷机预冷的J-T节流制冷循环的制冷性能比采用单一回热式制冷机预冷的J-T节流制冷循环高，而且可靠性更高，寿命更长，同时具备结构紧凑等优点。
但这样的制冷机采用的热耦合方式尚存在一些问题，主要有以下三点：
1、JT节流制冷机需要至少三级间壁式换热器，当前基本采用管套管式换热器，为实现高效制冷，换热器长度较长，所占空间较大，也是制冷机整机重量的主要组成部分之一；
2、当前回热式制冷机的制冷性能，所能提供的预冷温度在15-20K左右，JT制冷机的优化压比在16∶1左右，至少需要两级或以上的压缩机才能达到此压比，而压缩机的重量占制冷机整机重量的绝大部分，压比越大，压缩机活塞行程越大，轴向力越大，意味着电机重量越大；
3、热耦合机理不明确，且存在不可避免的热耦合换热器及不可逆的传热损失，这增加了整机的优化设计难度和不确定性。
发明内容
本发明提供了一种高效、轻量、紧凑可靠的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机。
为此，本发明采用以下技术方案：一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，包括回热式制冷机和从回热式制冷机引出的JT节流制冷组件两部分；回热式制冷机包括回热式制冷机冷端换热器和回热式制冷机压缩装置；JT节流制冷组件包括通过管路依次连接的节流阀、节流制冷组件冷端换热器和JT压缩机；节流阀和回热式制冷机冷端换热器连接，JT压缩机和回热式制冷机压缩装置连接。
按工质流向，气体工质由回热式制冷机冷端换热器引出，依次通过管路流经节流阀，节流制冷组件冷端换热器，JT压缩机，然后返回回热式制冷机压缩装置。由回热式制冷机冷端换热器引出的工质在通过节流阀的过程中绝热节流至更低温度，即可在节流制冷组件冷端换热器中提取到比回热式制冷机冷端换热器更低温度的制冷量。
作为优选，JT节流制冷组件包括间壁式换热器；按照工质流向，回热式制冷机冷端换热器的出口依次通过间壁式换热器的高压侧管路、节流阀、节流制冷组件冷端换热器、间壁式换热器的低压侧管路与JT压缩机连通，进一步降低节流后的制冷温度。
作为优选，回热式制冷机冷端换热器和间壁式换热器之间连接有稳压组件，稳压组件包括排气阀和气库；按照工质流向，回热式制冷机冷端换热器的出口依次通过排气阀、气库与间壁式换热器的高压侧管路连通；稳压组件有利于将回热式制冷机内的交变流工质转变为稳定的直流工质，获得稳定的制冷量。
作为优选，回热式制冷机为脉管制冷机，包括通过管路依次连接的回热式制冷机压缩装置、回热器热端换热器、回热器、回热式制冷机冷端换热器、脉管、脉管热端换热器和调相机构，消除了冷端运动部件；脉管制冷机内部工作压力较高，在1MPa以上，与JT节流制冷机优化的高压压力范围有重叠部分，可以实现优化匹配设计。
作为优选，回热式制冷机压缩装置与回热器热端换热器之间的管路为第一管路，调相机构与脉管热端换热器之间的管路为第二管路；回热式制冷机包括双向进气阀组，双向进气阀组由两个单向调节阀组成，两个单向调节阀方向相反放置；两个单向调节阀的同侧一端通过管路和第一管路连通，另一端通过管路和第二管路连通；双向进气阀组能够抑制JT直流循环对脉管制冷机造成的负面影响。
作为优选，JT压缩机和间壁式换热器之间连接有回热器换热器，回热器换热器沿回热器外壁螺旋设置。实际安装时，可以根据需要在回热器长度方向整体螺旋布置回热器换热器，也可集中回热器某一段螺旋布置回热器换热器。回热器换热器能够回收低温工质气体的冷能，提高整机效率。回收的冷能用于对回热器进行冷却，能够进一步降低回热式制冷机冷端换热器处的温度，节流前温度也因此下降，节流效应更强，所获制冷量更大。
作为优选，回热式制冷机为两级脉管制冷机，两级结构可以是热耦合结构或者气耦合结构。
作为优选，两级热耦合脉管制冷机，在原基础上增加预冷级脉管制冷机，预冷级脉管制冷机包括依次连接的预冷级回热器热端换热器、预冷级回热器、预冷级冷端换热器、预冷级脉管、预冷级脉管热端换热器、预冷级调相机构；预冷级回热器热端换热器与回热式制冷机压缩装置通过管路连接，预冷级冷端换热器通过热桥冷却回热器中部。
与同样采用两级回热式制冷机与JT节流制冷机热耦合的结构相比，本结构省去了两级间壁式换热器和两级预冷换热器，消除了绝大部分的传热损失，使回热式制冷机的制冷温度能够直接体现在JT节流制冷机上，不仅更加轻量紧凑，整机性能也会大大提升，进一步降低节流制冷组件冷端换热器处的温度。
作为优选，回热式制冷机压缩装置为GM型压缩机组，由通过管路依次连接的涡旋压缩机、高压控制阀和低压控制阀组成，JT压缩机出口与涡旋压缩机吸气口通过管路连通，回热器热端换热器与高压控制阀和低压控制阀之间的管路连通，能够充分利用回热式制冷机压缩装置提供的压比。
作为优选，回热式制冷机压缩装置为斯特林型压缩机组，由线性压缩机组成，线性压缩机的压缩腔通过管路与回热器换热器连通，背压腔与JT压缩机出口通过管路连通；此处压力根据脉管制冷机设计而定，一般在1MPa以上，满足实际使用中低振动等要求。
因此，本发明与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，将JT节流制冷循环与回热式制冷机进行气路耦合，精简了部件，减小了重量和体积，消除了部分传热损失，充分利用了回热式制冷机压力振幅中蕴含的能量，更加满足空间应用高效、轻量、紧凑可靠的要求。
附图说明
图1与单级脉管制冷机气耦合的JT节流制冷机示意图。
图2与GM型脉管制冷机气耦合的JT节流制冷机。
图3与斯特林型脉管制冷机气耦合的JT节流制冷机。
图4间壁式换热器在制冷机中的示意图。
图5稳压装置在制冷机中的示意图。
图6双向进气阀组在制冷机中的示意图。
图7回热器换热器在制冷机中的示意图。
图8与两级热耦合脉管制冷机气耦合的JT节流制冷机示意图。
其中：
1、回热式制冷机压缩装置；2、回热器热端换热器；3、回热器；4、回热式制冷机冷端换热器；5、脉管；6、脉管热端换热器；7、调相机构；8、节流阀；9、节流制冷组件冷端换热器；10、JT压缩机；11、间壁式换热器；12、排气阀；13、气库；14、双向进气阀组；15、回热器换热器；16、涡旋压缩机；17、高压控制阀；18、低压控制阀；19、线性压缩机；20、预冷级回热器热端换热器；21、预冷级回热器；22、预冷级脉管冷端换热器；23、预冷级脉管；24、预冷级脉管热端换热器；25、预冷级调相机构；26、热桥；27、第二管路；28、第一管路。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，包括回热式制冷机和从回热式制冷机引出的JT节流制冷组件两部分，回热式制冷机为脉管制冷机；回热式制冷机包括回热式制冷机压缩装置1、回热器热端换热器2、回热器3、回热式制冷机冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6和调相机构7；JT节流制冷组件包括节流阀8、节流制冷组件冷端换热器9和JT压缩机10。
如图2所示，回热式制冷机为GM型脉管制冷机，回热式制冷机压缩装置1由涡旋压缩机16、高压控制阀17和低压控制阀18组成。
各部件之间的连接关系为：
涡旋压缩机16、高压控制阀17和低压控制阀18依次通过管路连接，JT压缩机10的出口与涡旋压缩机16的吸气口通过管路连通，回热器热端换热器2与高压控制阀17和低压控制阀18之间的管路相连接，回热器热端换热器2、回热器3、回热式制冷机冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6和调相机构7依次连接，回热式制冷机冷端换热器4通过管路与节流阀8、节流制冷组件冷端换热器9、JT压缩机10依次连接。
工作过程为：
系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先打开高压控制阀17和低压控制阀18的控制电源，使其按脉管制冷机工作频率运行，再打开涡旋压缩机16的电源，脉管制冷机开始降温，当回热式制冷机冷端换热器4温度降低至20K后，打开JT压缩机10的电源，使JT节流循环开始工作，使系统正常工作至节流制冷组件冷端换热器温度稳定不变，即可在节流制冷组件冷端换热器9处获得相应制冷温度和制冷量。
实施例2
如图3所示，一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，结构与图1所示的制冷机结构基本相同，其不同之处在于，回热式制冷机为斯特林型脉管制冷机，回热式制冷机压缩装置1由线性压缩机19组成。
各部件之间的连接关系为：
线性压缩机19的压缩腔通过管路与回热器换热器2连通，线性压缩机19的背压腔与JT压缩机10的出口通过管路连通，回热器热端换热器2、回热器3、回热式制冷机冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6和调相机构7依次连接，回热式制冷机冷端换热器4通过管路与节流阀8、节流制冷组件冷端换热器9、JT压缩机10依次连接。
工作过程为：
系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先打开线性压缩机19的电源，脉管制冷机开始降温，当回热式制冷机冷端换热器4温度降低至工质转变温度以下，打开JT压缩机10的电源，使JT节流循环开始工作，使系统正常工作至节流制冷组件冷端换热器温度稳定不变，即可在节流制冷组件冷端换热器9处获得相应制冷温度和制冷量。
实施例3
如图4所示，一种回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，结构与图1所示的制冷机结构基本相同，其不同之处在于，JT节流制冷组件包括间壁式换热器11，用于积累JT节流制冷效应，以获得更低的制冷温度。
各部件的连接方式为：
回热式制冷机压缩装置1、回热器热端换热器2、回热器3、回热式制冷机冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6和调相机构7依次连接；
按照工质流向，回热式制冷机冷端换热器4的出口依次通过间壁式换热器11的高压侧管路、节流阀8、节流制冷组件冷端换热器9、间壁式换热器11的低压侧管路与JT压缩机10通过管路连通。
工作过程为：
系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。回热式制冷机压缩装置1和JT压缩机11的操作过程与实施例1和2基本相同。待系统正常工作至节流制冷组件冷端换热器温度稳定不变后，至节流制冷组件冷端换热器9处获得最低温度后，即获得整机最佳制冷性能。
实施例4
如图5所示，一种回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，结构与图4所示的制冷机结构基本相同，其不同之处在于，回热式制冷机冷端换热器4和间壁式换热器11之间连接有稳压组件，稳压组件包括排气阀12和气库13，以稳定JT节流制冷过程，获得稳定的制冷温度和制冷量。
如图6所示，一种回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，结构与图5所示的制冷机结构基本相同，其不同之处在于，回热式制冷机包括双向进气阀组14，能够抑制由JT组件引起的直流，利于系统内工质流动的调节，达到一个较优的工作状态。
如图7所示，一种回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，结构与图6所示的制冷机结构基本相同，其不同之处在于，JT压缩机10和间壁式换热器11低压管路之间连接有回热器换热器15，用于进一步回收冷量，提升整机效率。
各部件的连接关系为：
回热式制冷机压缩装置1、回热器热端换热器2、回热器3、回热式制冷机冷端换热器4、脉管5、脉管热端换热器6和调相机构7依次连接；
回热式制冷机压缩装置1与回热器热端换热器2之间的管路为第一管路28，调相机构7与脉管热端换热器6之间的管路为第二管路27；双向进气阀组14由两个单向调节阀组成，两个单向调节阀方向相反放置；两个单向调节阀的同侧一端通过管路和第一管路28连通，另一端通过管路和第二管路27连通；
按照工质流向，回热式制冷机冷端换热器4的出口依次通过排气阀12、气库13、间壁式换热器11的高压侧管路、节流阀8、节流制冷组件冷端换热器9、间壁式换热器11的低压侧管路、回热器换热器15与JT压缩机10通过管路连通；回热器换热器15沿回热器3外壁在长度方向整体螺旋设置。
工作过程为：
系统如上述流程及要求安装，安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。回热式制冷机压缩装置1和JT压缩机11的操作过程与实施例1和2基本相同。待系统正常工作至节流制冷组件冷端换热器温度稳定不变后，调节双向进气阀组14的两个单向阀，至节流制冷组件冷端换热器9处获得最低温度后，即获得整机最佳制冷性能。
实施例5
如图8所示，一种回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，结构与图4所示的制冷机结构基本相同，其不同之处在于，回热式制冷机为两级热耦合脉管制冷机，在原脉管制冷机基础上，增加了预冷级脉管制冷机，用于预冷回热器3中部。
预冷级脉管制冷机包括预冷级回热器热端换热器20、预冷级回热器21、预冷级冷端换热器22、预冷级脉管23、预冷级脉管热端换热器24、预冷级调相机构25，以上部件依次连接。预冷级回热器热端换热器20与回热式制冷机压缩装置1通过管路连接，预冷级冷端换热器22通过热桥26冷却回热器3中部。增加了间壁式换热器11，回热式制冷机冷端换热器4通过管路与间壁式换热器11高压侧管路、节流阀8依次连通，节流制冷组件冷端换热器9通过管路与间壁式换热器11低压侧管路、JT压缩机10依次连通。
系统安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入气体工质，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空充气3-4次后，最终充入工作压力的气体工质，即可保证系统中工质的纯度。先打开线性压缩机19的电源，脉管制冷机开始降温，当回热式制冷机冷端换热器4温度降低至工质转变温度以下，打开JT压缩机10的电源，使JT节流循环开始工作，使系统正常工作至节流制冷组件冷端换热器温度稳定不变，即可在节流制冷组件冷端换热器9处获得相应制冷温度和制冷量。
Claims (8)
1.一种与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：包括回热式制冷机和从回热式制冷机引出的JT节流制冷组件两部分；回热式制冷机包括回热式制冷机冷端换热器(4)和回热式制冷机压缩装置(1)；JT节流制冷组件包括通过管路依次连接的节流阀(8)、节流制冷组件冷端换热器(9)和JT压缩机(10)；节流阀(8)和回热式制冷机冷端换热器(4)连接，JT压缩机(10)和回热式制冷机压缩装置(1)连接；所述JT节流制冷组件包括间壁式换热器(11)；按照工质流向，回热式制冷机冷端换热器(4)的出口依次通过间壁式换热器(11)的高压侧管路、节流阀(8)、节流制冷组件冷端换热器(9)、间壁式换热器(11)的低压侧管路与JT压缩机(10)连通；
所述回热式制冷机冷端换热器(4)和所述间壁式换热器(11)之间连接有稳压组件，稳压组件包括排气阀(12)和气库(13)；按照工质流向，回热式制冷机冷端换热器(4)的出口依次通过排气阀(12)、气库(13)与间壁式换热器(11)的高压侧管路连通。
2.根据权利要求1所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述回热式制冷机为脉管制冷机，包括依次连接的回热式制冷机压缩装置(1)、回热器热端换热器(2)、回热器(3)、回热式制冷机冷端换热器(4)、脉管(5)、脉管热端换热器(6)和调相机构(7)。
3.根据权利要求2所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述回热式制冷机压缩装置(1)与所述回热器热端换热器(2)之间的管路为第一管路(28)，所述调相机构(7)与所述脉管热端换热器(6)之间的管路为第二管路(27)；所述回热式制冷机包括双向进气阀组(14)，双向进气阀组(14)由两个单向调节阀组成，两个单向调节阀方向相反放置；两个单向调节阀的同侧一端通过管路和第一管路(28)连通，另一端通过管路和第二管路(27)连通。
4.根据权利要求1所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述JT压缩机(10)和所述间壁式换热器(11)之间连接有回热器换热器(15)，回热器换热器(15)沿回热器(3)外壁螺旋设置。
5.根据权利要求1所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述回热式制冷机为两级脉管制冷机，两级结构为热耦合结构或气耦合结构。
6.根据权利要求5所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述两级脉管制冷机为两级热耦合制冷机，包括预冷级脉管制冷机；预冷级脉管制冷机包括依次连接的预冷级回热器热端换热器(20)、预冷级回热器(21)、预冷级冷端换热器(22)、预冷级脉管(23)、预冷级脉管热端换热器(24)、预冷级调相机构(25)；预冷级回热器热端换热器(20)与回热式制冷机压缩装置(1)通过管路连接，预冷级冷端换热器(22)通过热桥(26)冷却回热器(3)中部。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述回热式制冷机压缩装置(1)为GM型压缩机组，由通过管路依次连接的涡旋压缩机(16)、高压控制阀(17)和低压控制阀(18)组成；JT压缩机(10)的出口与涡旋压缩机(16)的吸气口通过管路连通，回热器热端换热器(2)与高压控制阀(17)和低压控制阀(18)之间的管路连通。
8.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的与回热式制冷机气耦合的JT节流制冷机，其特征在于：所述回热式制冷机压缩装置(1)为斯特林型压缩机组，由线性压缩机(19)组成；线性压缩机(19)的压缩腔通过管路与回热器换热器(2)连通，背压腔与JT压缩机(10)出口通过管路连通。
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