CN106052179A - 一种波纹管自调式节流制冷器 - Google Patents

Abstract

一种波纹管自调式节流制冷器，包括高压气罐，高压气罐经开关阀与内壳体外部呈螺旋状缠绕的毛细翅片管相连通，毛细翅片管的出口连接节流孔，内壳体内部设置有充压波纹管，充压波纹管为变截面充压波纹管或变厚度充压波纹管充压波纹管的一端通过限位结构固定，充压波纹管的另一端与感温管一端连通，感温管的另一端通过与感温管顶端连接的针阀控制节流孔的通流面积，由于充压波纹管采用变截面充压波纹管或变厚度充压波纹管的结构，变截面充压波纹管或变厚度充压波纹管的形变可以随温度的降低呈现出预先设想的函数形变，通过采用变截面或变厚度波纹管来进行温度与轴向形变量的函数关系匹配，实现波纹管相对于温降的线性调节。

Description

一种波纹管自调式节流制冷器

技术领域

本发明涉及一种低温制冷器，特别涉及一种使用变截面或变厚度的波纹管自调式节流制冷器。

背景技术

低温节流制冷器利用高压气体节流降温效应来实现对被冷却单元的制冷，广泛应用于低温医疗器械、航空航天、军事红外制导等民用及国防领域。

波纹管自调式节流制冷器是低温节流制冷器的一种，其结构特征包括：初始端为系统提供气源的高压气体容器，高压气体容器后面的逆流回热换热器，回热器后的节流孔，由阀针、感温管及空心充压波纹管构成的流量调节机构，以及外部包覆的壳体。

波纹管自调式节流制冷器通过高压氮气或高压氩以开式回热式循环进行冷量积累，同时依靠波纹管感温伸缩改变节流孔流通面积的方式进行制冷温度及冷量输出调节。其工作过程的主要特征包括：首先，高压气罐开启，节流孔开启，气态高压工质依次经过回热器热边-节流孔-回热器冷边而排出，工质经过节流过程获得冷量，并通过回热器积累冷量；其次，感温管随循环工质温度降低而降温，同时吸收空心充压波纹管热量，引起波纹管内部充压腔体压力下降，波纹管回弹收缩，感温管端部针阀实现联动，通过改变工质通流面积，实现系统流量及冷量调节。第三，目前波纹管自调式节流制冷器均采用等截面波纹管结构(波峰波谷直径在轴向保持不变)，其显著特征是受到温度引起的压力变化时，变形与温度变化具有强烈非线性特性。具体来说，其形变符合如下规律：

$\frac{dl}{dT}=\frac{A}{e}\·\frac{dP}{dT}$

其中，l为波纹管的长度，dP/dT为等截面波纹管随温度变形长度；A为等截面波纹管横截面积，e为波纹管弹性系数；dP/dT为波纹管由于温度变化产生的压力变化关系。根据不同工质等截面波纹管100K和120K情况下的dP/dT值，以氮气工质为例，120K时的dP/dT值为124.53，100K时为52.53，120K时的dP/dT为100K时的2.5倍左右。

由于上述波纹管自调式节流制冷器自调节机构具有强烈的非线性形变特性，制冷器流量及冷量调节十分困难。自调节系统的强烈非线性，在制冷器设计方面，会造成整个制冷器设计缺乏理论设计指导，目前主要依靠经验试错的方式进行；在制冷器性能方面的主要影响是会造成制冷温度稳定性不理想、运行时间不理想等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种波纹管自调式节流制冷器，使用变截面或变厚度的波纹管，使充压波纹管实现函数性形变，促进系统设计规则的简化，提高温度稳定性和可控性，实现运行时间的最大化，提高制冷器的整体性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种波纹管自调式节流制冷器，包括高压气罐1，高压气罐1经开关阀2与内壳体4外部呈螺旋状缠绕的毛细翅片管5相连通，毛细翅片管5的出口连接节流孔10，内壳体4内部设置有充压波纹管，充压波纹管的一端通过限位结构6固定，充压波纹管的另一端与感温管8的一端连通，感温管8的另一端通过与感温管顶端连接的针阀9控制节流孔10的通流面积。

所述的充压波纹管为变截面充压波纹管7a，变截面充压波纹管7a的设置按进气方向采用渐缩或缩放式结构。

所述的变截面充压波纹管7a的变截面结构按进气方向采用梯形渐缩式结构。

所述的充压波纹管为变厚度充压波纹管7b，变厚度充压波纹管7b的设置按进气方向采用管壁逐渐增厚的结构，或者采用进气方向近端管壁等厚度但较薄、进气方向远端管壁等厚度但较厚的结构。

本发明的感温管8和与感温管顶端连接的针阀9及充压波纹管及波纹管内的充灌气体13构成了节流制冷器的自调节机构；感温管8为中空金属直管，感温管8与充压波纹管固结，感温管8内腔体与充压波纹管腔体联通，形成封闭腔体，内充高压气态氮或者氩。感温管8在感受到低温后，管壁首先降温，内部靠管壁的气体发生凝结，形成低压区域，同时充压波纹管中的压力气体会立刻将感温管8中的低压区填补且不断的被液化，从而使得联通腔体内的压力降低。充压波纹管内压力降低，由于内外压差的改变而产生收缩形变。由于充压波纹管采用变截面充压波纹管7a或变厚度充压波纹管7b的结构，变截面充压波纹管7a或变厚度充压波纹管7b的形变可以随温度的降低呈现出预先设想的函数形变，通过采用变截面或变厚度波纹管来进行温度与轴向形变量的函数关系匹配，实现波纹管相对于温度变化的线性调节。

本发明的自调节机构运动具有函数规律，使得自调节机构可以实现对节流孔10大小的调节可控，提高调节精度，进而使得整个制冷机系统获得更加精确的温控能力，提高系统响应能力，同时有效的调节能够节省有限的工质排放量，增加制冷器有效工作时长。

附图说明

图1为本发明充压波纹管为变截面充压波纹管7a的结构示意图。

图2为变截面充压波纹管7a自调节机构示意图。

图3为本发明充压波纹管为变厚度充压波纹管7b的结构示意图。

图4为变厚度充压波纹管7b自调节机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理做详细叙述。

实施例一：

参照图1和图2，一种波纹管自调式节流制冷器，包括高压气罐1，高压气罐1经开关阀2与内壳体4外部呈螺旋状缠绕的毛细翅片管5相连通，毛细翅片管5的出口连接节流孔10，内壳体4内部设置有变截面充压波纹管7a，变截面充压波纹管7a一端通过限位结构6固定，变截面充压波纹管7a的另一端与感温管8一端连通。感温管8的另一端通过与感温管顶端连接的针阀9控制节流孔10的通流面积。上述部件除高压气罐1和开关阀2外，全部封装在外壳体3内，外壳体3非进气侧设置有冷板11，外壳体3上设置有出流口12。

所述的变截面充压波纹管7a的变截面结构采用梯形渐缩式。

变截面充压波纹管7a的截面变化方式随着制冷器的设计制冷量大小的不同而不同。

通过改变变截面充压波纹管7a的截面，使得波纹管形变量与节流孔开度形成预先设想的函数变化关系，进而使得波纹管形变量与制冷器制冷温度和制冷量形成预先设想的函数变化关系。

本实施例的工作原理为：参照图1，开始工作前，高压气罐1预先充灌一定量的压力气体，通常为氮气或氩气，开关阀2关闭，出流口12关闭，变截面充压波纹管7a封闭腔内部充灌一定量的压力气体，且由于内外压差的作用处于扩张伸长状态，由于其一端被限位结构6固定，因此另外一端伸长，与此同时其末端的与感温管顶端连接的针阀9跟节流孔10之间的流通截面积达到最大。

随后是节流制冷过程，开关阀2开启，高压气体通过开关阀2进入外壳体3内部的毛细翅片管5内，随后通过节流孔与针阀之间的空隙进行节流，节流后的低温气体将冷板11的温度降低，冷板11再将冷量传递给用冷区。气体流经冷板11后温度升高，随后进入外壳体3的腔体内。部分外壳体3腔体内的气体流经毛细翅片管5外侧，与毛细翅片管内的高温来流进行换热，降低进入节流孔10前的工质温度，进而实现节流后温度的进一步降低。随后外壳体3腔体内的低温气体由出流口12排出。

随后是自调节机构动作过程，感温管8和与感温管顶端连接的针阀9及变截面充压波纹管7a及波纹管内的充灌气体13构成了节流制冷器的自调节机构。当节流后的气体温度降低到变截面充压波纹管7a内冲压气体所对应的饱和温度及以下时，感温管8的充压气体会因为温度低于饱和温度而液化。对于一般的工质来说，其液态密度要远远大于气态密度，因而液态工质的体积要远远小于相应气态工质体积。因此，感温管8内气态工质液化后，体积迅速缩小，会引起与其联通的变截面充压波纹管7a的内部压力降低；为了保证管内外压力的平衡，变截面充压波纹管7a会产生一定量的收缩，从而带动感温管8和与感温管顶端连接的针阀9向限位结构6运动，近似三角形的感温管顶端针阀9会慢慢伸入节流孔10，减小了节流孔10的通流面积，从而减小工质流量，进一步减小了节流后的冷量。系统输出冷量减小到一定程度，感温管8内液体会因为冷量不足而过热气化，引起变截面充压波纹管7a内压力上升，从而使得变截面充压波纹管7a扩张，带动针阀9向远离节流孔10的方向移动，扩大节流孔10通流面积，促使系统工质流量增加，使系统冷量输出增加。利用以上整个过程，自调节机构进行节流制冷器冷量调节。在自调节机构动作的过程中，变截面充压波纹管7a形变量与压力跟温度变量的比值，以及变截面充压波纹管7a的截面积相关，压力跟温度的变化量由工质自身的物性决定，因此可以通过改变波纹管截面面积来调节波纹管形变量，使其形变量随温度变化表现出预先设想的函数特性。基于此种规律性变化特性，可以更加准确的确定温度变化引起的节流孔通流面积变化量，从而准确估算出系统流量变化和冷量变化。自调节机构使温度或冷量近似线性变化，有利于系统设计及冷量调节，对于系统控温精度和有限气体量下系统的实际工作时长的延伸是十分有利的。

实施例二

参照图3和图4，一种波纹管自调式节流制冷器，包括高压气罐1，高压气罐1经开关阀2与内壳体4外部呈螺旋状缠绕的毛细翅片管5相连通。毛细翅片管5的出口连接节流孔10，内壳体4内部设置有变厚度充压波纹管7b，变厚度充压波纹管7b一端通过限位结构6固定，变厚度充压波纹管7b的另一端与感温管8一端连通。感温管8的另一端通过与感温管顶端连接的针阀9控制节流孔10的通流面积，上述部件除高压气罐1和开关阀2外，全部封装在外壳体3内，外壳体3非进气侧设置有冷板11，外壳体3上设置有出流口12。

所述变厚度充压波纹管7b的设置按进气方向采用管壁逐渐增厚的结构。

变厚度充压波纹管7b的厚度变化方式随着制冷器的设计制冷量大小的不同而不同。

可以通过改变变厚度充压波纹管7b的厚度，使得波纹管形变量与节流孔开度形成预先设想的函数变化关系，进而使得波纹管形变量与制冷器制冷温度和制冷量形成预先设想的函数变化关系。

本实施例的工作原理为：参照图3，开始工作前，高压气罐1预先充灌一定量的压力气体，通常为氮气或氩气，开关阀2关闭，出流口12关闭，变厚度充压波纹管7b封闭腔内部充灌一定量的压力气体，且由于内外压差的作用处于扩张伸长状态，由于其一端被限位结构6固定，因此另外一端伸长，与此同时其末端的针阀9跟节流孔10之间的流通截面积达到最大。

随后是节流制冷过程，开关阀2开启，高压气体通过开关阀2进入外壳体3内部的毛细翅片管5内，随后通过节流孔与针阀之间的空隙进行节流，节流后的低温气体将冷板11的温度降低，冷板11再将冷量传递给用冷区。气体流经冷板11后温度升高，随后进入外壳体3的腔体内。部分外壳体3腔体内的气体流经毛细翅片管5外侧，与毛细翅片管内的高温来流进行换热，降低进入节流孔10前的工质温度，进而实现节流后温度的进一步降低。随后外壳体3腔体内的低温气体由出流口12排出。

随后是自调节机构动作过程，随后是自调节机构动作过程，感温管8和感温管顶端针阀9及变厚度充压波纹管7b及波纹管内的充灌气体13构成了节流制冷器的自调节机构，当节流后的气体温度降低到变厚度充压波纹管7b内冲压气体所对应的饱和温度及以下时，感温管8的充压气体会因为温度低于饱和温度而液化。对于一般的工质来说，其液态密度要远远大于气态密度，因而液态工质的体积要远远小于相应气态工质体积。因此，感温管8内气态工质液化后，体积迅速缩小，会引起与其联通的变厚度充压波纹管7b的内部压力降低；为了保证管内外压力的平衡，变厚度充压波纹管7b会产生一定量的收缩。由于变厚度充压波纹管7b按进气方向初段薄，刚度小，随后逐渐增厚，刚度逐渐增大，因此按进气方向初段的充压波纹管7b首先开始收缩，从而带动感温管8和感温管顶端针阀9向限位结构6运动，近似三角形的感温管顶端针阀9会慢慢伸入节流孔10，减小了节流孔10的通流面积，从而减小工质流量，进一步减小了节流后的冷量。系统输出冷量减小到一定程度，感温管8内液体会因为冷量不足而过热气化，引起变厚度充压波纹管7b内压力上升，从而使得波纹管扩张，带动感温管顶端针阀9向远离节流孔10的方向移动，扩大节流孔10通流面积，促使系统工质流量增加，使系统冷量输出增加。利用以上整个过程，自调节机构进行节流制冷器冷量调节。在自调节机构动作的过程中，变厚度充压波纹管7b形变量与压力跟温度变量的比值，以及波纹管的厚度相关，压力跟温度的变化量由工质自身的物性决定，因此可以通过改变波纹管厚度来调节波纹管形变量，使其形变量随温度变化表现出预先设想的函数特性。基于此种线性规律性变化特性，可以更加准确的确定温度变化引起的节流孔通流面积变化量，从而准确估算出系统流量变化和冷量变化。

Claims (4)

1.一种波纹管自调式节流制冷器，其特征在于，包括高压气罐(1)，高压气罐(1)经开关阀(2)与内壳体(4)外部呈螺旋状缠绕的毛细翅片管(5)相连通，毛细翅片管(5)的出口连接节流孔(10)，内壳体(4)内部设置有充压波纹管，充压波纹管的一端通过限位结构(6)固定，充压波纹管的另一端与感温管(8)一端连通，感温管(8)的另一端通过与感温管顶端连接的针阀(9)控制节流孔(10)的通流面积。

2.根据权利要求1所述的一种波纹管自调式节流制冷器，其特征在于，所述的充压波纹管为变截面充压波纹管(7a)，变截面充压波纹管(7a)的设置按进气方向采用渐缩或缩放式结构。

3.根据权利要求1所述的一种波纹管自调式节流制冷器，其特征在于，所述的充压波纹管为变厚度充压波纹管(7b)，变厚度充压波纹管(7b)的设置按进气方向采用管壁逐渐增厚的结构，或者采用进气方向近端管壁等厚度但较薄、进气方向远端管壁等厚度但较厚的结构。

4.根据权利要求2所述的一种波纹管自调式节流制冷器，其特征在于，所述的变截面充压波纹管(7a)的变截面结构采用梯形渐缩式。