CN106322874A - 一种低温流体节流制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温及制冷工程技术领域，具体地，本发明涉及一种低温流体节流制冷装置。本发明所述装置主要包括气体节流管路与液体节流管路。节流阀之前的管路分别为气体输送管和液体输送管，节流阀之后合并为一条管路。节流阀前的两条支路上各设置一个低温手动截止阀，以控制两条支路的开闭。节流阀的开闭通过手动调节装置控制流体流量，节流流道的流通面积可变，其结构由流道和可轴向移动的顶部为锥形的螺杆组成，螺杆与流道之间的相对移动改变流通面积。

Description

一种低温流体节流制冷装置

技术领域

本发明属于低温及制冷工程技术领域，具体地，本发明涉及一种低温流体节流制冷装置。

背景技术

随着科学技术的不断进步，低温液体不论是在地面还是在太空中都有着广泛的应用需求。而随着近些年来国内在太空探索方面的深入发展，例如探月工程，轨道空间站和补给站以及未来的深空探测技术等，载荷量逐渐增大，低温液体在空间的存储量及其使用时间也将大大增加。低温液体如液氢、液氧等比冲较高，环境友好，因此在国内外的运载火箭和上面级上得到了广泛的应用。液氢/液氧等低温液体虽然性能高，但其沸点很低，在轨运行过程中由于受到辐射、导热等热环境容易蒸发，因而难于长时间贮存。

为了使低温贮箱保持安全压力，避免其遭到破坏，需要将低温液体蒸发的气体排出箱体以外，这不但造成了低温液体的浪费，排出的气体还会干扰飞行姿态，这就为长时间在轨低温液体系统的设计带来了困难。由此可看出低温液体长期在轨应用的核心问题是蒸发量的控制技术，最终实现零蒸发损失。热力学排气系统(TVS)是实现低温液体高效贮存的技术途径之一，它是一种采用焦汤膨胀节流的方法，使贮箱内的流体经过节流后形成温度和压力降低的两相流，该两相流导入与贮箱内液池或贮箱壁联通的热交换器，通过换热使贮箱内部低温推进剂产生制冷效应，同时贮箱压力下降。

节流技术是英国科学家Joule和Thomson在19世纪50年代首次发现，他们研究了气体从高压膨胀到低压环境时温度降低的现象。基于该流体节流制冷结构的装置能够实现降低低温液体或低温蒸气的温度，从而降低贮箱内气枕压力，达到减少液体挥发，回收冷能的目的，是一种可靠、简易的实现低温推进剂高效贮存的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种低温流体节流制冷装置，该制冷系统具有结构简单、容易加工和实现的优点，能够实现冷却低温液体，减少液体挥发的目的。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明的低温流体节流制冷装置，主要由流通截面积调节器、节流孔9、气体节流管路10以及液体节流管路11组成；

所述流通截面积调节器包括调节把手1、密封螺帽2、阀杆4、密封阀座5、壳管6、顶锥7及缩放管14；其中，所述密封阀座5、壳管6和缩放管14依次连接形成筒体，所述阀杆4与顶锥7的尾部连接置于筒体内，所述的顶锥7的锥头位于缩放管14内，且锥头的底面直径与缩放管14的内径相配合，所述缩放管14下部内径小于上部，以固定顶锥7的锥头；

所述密封螺帽2固定连接于密封阀座5外壁，所述阀杆4外壁设有密封凹槽3，所述阀杆4通过密封凹槽3上设置的四氟垫或O圈与所述密封阀座5相配合密封连接；所述阀杆4背向顶锥7一端穿过密封阀座5和密封螺帽2，与调节把手1相连接；

所述节流孔9所在管路垂直连接于缩放管14侧壁上，与被固定的顶锥7的侧面相对应；所述气体节流管路10与液体节流管路11并联连接于节流孔9所在管路；

所述低温流体节流制冷装置还包括流体排出管8，连接于缩放管14朝向顶锥7的锥头一侧。

根据本发明的低温流体节流制冷装置，其中，所述顶锥7的锥头底部呈圆柱体，所述圆柱体的高不小于所述连接于缩放管14侧壁的节流孔9所在管路的内径。

本发明所述的顶锥7可随所述调节把手1的转动而垂直上下移动，并与所述缩放管14之间形成可变的流通截面积。

根据本发明的低温流体节流制冷装置，其中，所述顶锥7尾部设置顶锥连杆15，通过顶锥连接15与阀杆4相连。所述阀杆4与顶锥7之间通过螺纹连接。

根据本发明的低温流体节流制冷装置，其中，所述气体节流管路10与液体节流管路11上分别设有气体节流截止阀12和液体节流截止阀13，从而可以分别控制两条节流管路(支路)的开闭。所述的气体节流截止阀12和液体节流截止阀13，当其中一个打开时另一个处于关闭状态。

根据本发明的低温流体节流制冷装置，其中，作为优选的，所述气体节流管路10或者液体节流管路11之一靠近节流孔9，另一节流管路远离节流孔9。两条节流管路在节流孔9前合并为一条管路。

根据本发明的低温流体节流制冷装置，其中，作为优选地，所述调节把手1与阀杆4之间为固定连接，所述密封阀座5与所述壳管6之间为固定连接，所述密封螺帽2通过螺纹连接于密封阀座5外壁。

本发明中的工作介质为研究对象所用的流动介质，为防止外部空气等流体进入该装置，需设置密封装置。因此，优选地，所述密封螺帽2与阀杆4之间通过四氟垫密封。

本发明工作时，打开气体节流管路10或者液体节流管路11之一的截止阀，并使另一条节流管路的截止阀处于关闭状态。流体通过节流孔后形成压力与温度都降低的气液两相流，旋转调节把手，顶锥垂直上下移动，从而改变锥面与缩放管之间的流通截面积，以此改变流体的流量大小，进而影响节流后的制冷量。节流后的流体通过锥面与缩放管之间的环形截面，经过缩放管后进入到流体排出管，并为后续结构提供冷量。

本发明在实际应用工作时，气体节流与液体节流可分别控制，为避免两种流体的混合而对测量结果带来的不利影响，气液两条节流支路分别设置截止阀以控制支路的通断。

本发明的工作原理为：由于受到低温贮箱外部漏热的影响，使得贮箱内的气相压力升高，为使贮箱内的压力维持在一定安全范围之内，打开气体节流支路或液体节流支路上任一的(低温)截止阀，并关闭另一支路的(低温)截止阀，使另一条支路处于关闭状态。流体通过节流孔减压降温后形成气液两相流进入低温换热器，在低温换热器内与低温贮箱内的液体进行热量交换，使贮箱内低温液体温度降低达到过冷状态，而节流后产生的气液两相流由于受热变成蒸气，通过蒸气排出管道排到贮箱外部。通过降低气相空间的压力及低温液体的温度，达到减小低温液体蒸发量的目的。

本发明主要优点可表现在以下两方面：首先，本发明提供了两条节流支路，根据不同需要可分别实现气体或液体的节流制冷功能，并且两支路可分别控制其开闭而互不影响；其次，通过流通面积调节装置可控制节流制冷工质的流量，从而根据实际需要提供相应的制冷量。

附图说明

图1为本发明的低温流体节流制冷装置示意图。

图2为本发明实施例的低温液体贮存系统示意图。

附图标记

1、调节把手 2、密封螺帽 3、密封凹槽 4、阀杆

5、密封阀座 6、壳管 7、顶锥 8、流体排出管

9、节流孔 10、气体节流管路 11、液体节流管路

12、气体节流截止阀 13、液体节流截止阀

14、缩放管 15、顶锥连杆 16、气体节流支路

17、液体节流支路 18、节流阀 19、低温换热器

20、蒸汽排出管路 21、冷屏

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置作进一步说明。

如图1所示，本发明的低温流体节流制冷装置，主要由流通截面积调节器、节流孔9、气体节流管路10以及液体节流管路11组成；所述流通截面积调节器包括调节把手1、密封螺帽2、阀杆4、密封阀座5、壳管6、顶锥7及缩放管14；其中，所述密封阀座5、壳管6和缩放管14依次连接形成筒体，所述阀杆4与顶锥7的尾部连接置于筒体内，所述的顶锥7的锥头位于缩放管14内，且锥头的底面直径与缩放管14的内径相配合，所述缩放管14下部内径小于上部，以固定顶锥7的锥头；所述密封螺帽2固定连接于密封阀座5外壁，所述阀杆4外壁设有密封凹槽3，所述阀杆4通过密封凹槽3上设置的四氟垫或O圈与所述密封阀座5相配合密封连接；所述阀杆4背向顶锥7一端穿过密封阀座5和密封螺帽2，与调节把手1相连接；所述节流孔9所在管路垂直连接于缩放管14侧壁上，与被固定的顶锥7的侧面相对应；所述气体节流管路10与液体节流管路11并联连接于节流孔9所在管路；所述低温流体节流制冷装置还包括流体排出管8，连接于缩放管14朝向顶锥7的锥头一侧。

根据本发明的低温流体节流制冷装置，其中，所述顶锥7的锥头底部呈圆柱体，所述圆柱体的高不小于所述连接于缩放管14侧壁的节流孔9所在管路的内径。本发明所述的顶锥7可随所述调节把手1的转动而垂直上下移动，并与所述缩放管14之间形成可变的流通截面积。所述顶锥7尾部设置顶锥连杆15，通过顶锥连接15与阀杆4相连。所述阀杆4与顶锥7之间通过螺纹连接。所述气体节流管路10与液体节流管路11上分别设有气体节流截止阀12和液体节流截止阀13，从而可以分别控制两条节流管路(支路)的开闭。所述的气体节流截止阀12和液体节流截止阀13，当其中一个打开时另一个处于关闭状态。所述气体节流管路10或者液体节流管路11之一靠近节流孔9，另一节流管路远离节流孔9。两条节流管路在节流孔9前合并为一条管路。

所述调节把手1与阀杆4之间为固定连接，所述密封阀座5与所述壳管6之间为固定连接，所述密封螺帽2通过螺纹连接于密封阀座5外壁。所述密封螺帽2与阀杆4之间通过四氟垫密封。

实施例1

如图2所示，本发明的低温流体节流制冷装置具体应用可以是一种基于本发明低温流体节流制冷装置的低温液体贮存系统，所述的低温液体贮存系统包括低温液体贮存箱，还包括位于低温液体贮存箱内部的本发明上述的低温流体节流制冷装置、气体节流支路16、液体节流支路17、低温换热器19以及蒸汽排出管路20；所述气体节流支路16与气体节流管路10相连，所述液体节流支路17与液体节流管路11相连，所述流体排出管8连接于低温换热器19的入口，所述蒸汽排出管路20连接于低温换热器19的入口出口；所述蒸汽排出管路20伸出低温贮存箱外部。

在本发明所述的低温液体贮存系统中，其还包括若干冷屏21分层设置于低温液体贮存箱内顶部气相空间。冷屏由数层铜板组成，可以有效降低贮箱顶部法兰对低温液体的辐射换热。

根据本发明的低温液体贮存系统，其中，调节把手1、气体节流截止阀12的阀门开关以及液体节流截止阀13的阀门开关均设置于低温贮存箱外部。所述气体节流支路16的管口位于低温液体贮存箱内的气相中，所述液体节流支路17的管口位于低温液体贮存箱内的液相中。

本实施例中，两条低温流体的输送管道上的低温截止阀门都位于低温贮箱的气相空间，为方便对其进行开闭调节，可将手动调节装置放置于贮箱外部，并通过低导热率材料与低温截止阀门连接。

本实施例中的节流件位于低温贮箱的气相空间，为方便对流道的流通面积进行调节，设置了顶部为锥形的螺杆，螺杆可以垂直上下移动，通过改变锥面与缩放管之间形成的环形截面来改变节流流通面积，从而起到调节流体流量的效果。螺杆的手动调节装置设置于低温贮箱外部，并通过低导热率材料连接。

本实施例中的低温换热器材料为导热率高的铜以减小换热热阻，换热器入口与节流阀出口相连，换热器出口与排气管入口相连。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述装置主要由流通截面积调节器、节流孔(9)、气体节流管路(10)以及液体节流管路(11)组成；

所述流通截面积调节器包括调节把手(1)、密封螺帽(2)、阀杆(4)、密封阀座(5)、壳管(6)、顶锥(7)及缩放管(14)；其中，所述密封阀座(5)、壳管(6)和缩放管(14)依次连接形成筒体，所述阀杆(4)与顶锥(7)的尾部连接置于筒体内，所述的顶锥(7)的锥头位于缩放管(14)内，且锥头的底面直径与缩放管(14)的内径相配合，所述缩放管(14)下部内径小于上部，以固定顶锥(7)的锥头；

所述密封螺帽(2)固定连接于密封阀座(5)外壁，所述阀杆(4)外壁设有密封凹槽(3)，所述阀杆(4)通过密封凹槽(3)上设置的四氟垫或O圈与所述密封阀座(5)相配合密封连接；所述阀杆(4)背向顶锥(7)一端穿过密封阀座(5)和密封螺帽(2)，与调节把手(1)相连接；

所述节流孔(9)所在管路垂直连接于缩放管(14)侧壁上，与被固定的顶锥(7)的侧面相对应；所述气体节流管路(10)与液体节流管路(11)并联连接于节流孔(9)所在管路；

所述低温流体节流制冷装置还包括流体排出管(8)，连接于缩放管(14)朝向顶锥(7)的锥头一侧。

2.根据权利要求1所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述顶锥(7)的锥头底部呈圆柱体，所述圆柱体的高不小于所述连接于缩放管(14)侧壁的节流孔(9)所在管路的内径。

3.根据权利要求1所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述顶锥(7)尾部设置顶锥连杆(15)，通过顶锥连接(15)与阀杆(4)相连。

4.根据权利要求1或3所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述阀杆(4)与顶锥(7)之间通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述气体节流管路(10)与液体节流管路(11)上分别设有气体节流截止阀(12)和液体节流截止阀(13)。

6.根据权利要求1所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述气体节流管路(10)或者液体节流管路(11)之一靠近节流孔(9)，另一节流管路远离节流孔(9)。

7.根据权利要求1所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述调节把手(1)与阀杆(4)之间为固定连接，所述密封阀座(5)与所述壳管(6)之间为固定连接。

8.根据权利要求1或7所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述密封螺帽(2)通过螺纹连接于密封阀座(5)外壁。

9.根据权利要求1所述的低温流体节流制冷装置，其特征在于，所述密封螺帽(2)与阀杆(4)之间通过四氟垫密封。