CN109059396A - 一种双温区航天冰箱 - Google Patents

Abstract

根据本发明的双温区航天冰箱，包括冰箱箱体和制冷装置，制冷装置包括制冷机部、导冷部以及控制部，制冷机部包括具有压缩腔的压缩单元、两个冷指单元以及功回收单元，两个功回收活塞以及功回收缸构成膨胀腔，膨胀腔分别通过第一膨胀管路与第一热端换热器相连通、通过第二膨胀管路与第二热端换热器相连通，第一功回收腔通过第一功回收管路与第一压缩管路相连通，第二功回收腔通过第二功回收管路与第二压缩管路相连通，第一压缩管路上设置有第一电磁阀，第二压缩管路上设置有第二电磁阀，分别用于控制第一冷指单元和第二冷指单元的工作状态，第一膨胀管路上设置有第三电磁阀，第二膨胀管路上设置有第四电磁阀，分别用于控制功回收部的工作状态。

Description

一种双温区航天冰箱

技术领域

本发明属于低温冰箱技术领域，具体涉及一种双温区航天冰箱。

背景技术

近年来，我国航空航天技术与产业迅速发展。在载人飞船和国际空间站中，需要使用航天冰箱来低温储存航天食品和供宇航员进行科研工作的生物实验用品。考虑航空航天工作的特殊性和经济性，对航天低温冰箱的需求主要有结构紧凑、可靠性高、制冷效率高、振动小等。脉管制冷机冷端无运动部件，具有噪音小，寿命长，可实现较低的制冷温度等优势，在航空航天领域有着较为可观的发展前景。

此外，无重力环境中无自然对流换热，导致箱内换热条件恶化，冷量的高效传导也是航天冰箱需要解决的难题之一。在航天低温冰箱的低温工作条件和低振动要求下，并没有合适的风机可以用于强化对流换热。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的之一在于提供一种双温区航天冰箱。本发明的双温区航天冰箱中采用的制冷系统为一拖二功回收型脉管制冷机，制冷机中线性压缩机和功回收系统均采用对置结构，同时驱动两台直线型脉管制冷机，不仅结构紧凑、可靠性高、振动小，还能通过控制阀门的开闭来控制两台直线型脉管制冷机的工作状态并以较高的制冷效率实现双温区制冷与控温。

本发明提供了一种双温区航天冰箱，具有这样的特征，包括冰箱箱体；以及制冷装置，设置在冰箱箱体内，其中，冰箱箱体具有第一冷冻室、第二冷冻室，制冷装置包括制冷机部、导冷部以及控制部，制冷机部包括具有压缩腔的压缩单元、两个冷指单元以及功回收单元，第一冷指单元具有第一级后换热器、第一冷端换热器、第一热端换热器，第二冷指单元具有第二级后换热器、第二冷端换热器、第二热端换热器，压缩腔通过第一压缩管路与第一级后换热器相连通、通过第二压缩管路与第二级后换热器相连通；以及功回收单元，具有功回收缸，功回收缸内设置有两个对称布置的功回收活塞以及两个对称布置的位于功回收活塞外侧的固定活塞，功回收活塞、固定活塞以及功回收缸分别构成第一功回收腔和第二功回收腔，两个功回收活塞以及功回收缸构成膨胀腔，膨胀腔分别通过第一膨胀管路与第一热端换热器相连通、通过第二膨胀管路与第二热端换热器相连通，第一功回收腔通过第一功回收管路与第一压缩管路相连通，第二功回收腔通过第二功回收管路与第二压缩管路相连通，

第一压缩管路上设置有第一电磁阀，第二压缩管路上设置有第二电磁阀，分别用于控制第一冷指单元和第二冷指单元的工作状态，第一膨胀管路上设置有第三电磁阀，第二膨胀管路上设置有第四电磁阀，分别用于控制功回收部的工作状态，导冷部包括第一导冷单元以及第二导冷单元，第一导冷单元具有设置在第一冷冻室内的多个第一均温板，第二导冷单元具有设置在第二冷冻室内的多个第二均温板。

在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：第一导冷单元还包括多个第一冷凝端导热片、多个第一槽道低温热管、多个第一蒸发端导热片、多个第一导冷隔板，第一冷凝端导热片与第一冷端换热器相连，第一蒸发端导热片与第一均温板的冷凝面端盖相连接，第一槽道低温热管连接第一冷凝端导热片与第一蒸发端导热片，多个第一导冷隔板分别设置在第一冷冻室内，第一导冷隔板与第一均温板相连，第二导冷单元还包括：多个第二冷凝端导热片、多个第二槽道低温热管、多个第二蒸发端导热片、多个第二导冷隔板，第二冷凝端导热片与第二冷端换热器相连，第二蒸发端导热片与第二均温板的冷凝面端盖相连接，第二槽道低温热管连接第二冷凝端导热片与第二蒸发端导热片，多个第二导冷隔板分别设置在第二冷冻室内，第二导冷隔板与第二均温板相连。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，第一均温板、第二均温板分别设置在第一冷冻室、第二冷冻室的内壁上，第一均温板、第二均温板的蒸发面端盖分别朝向第一冷冻室、第而冷冻室内部空间，

第一均温板、第二均温板分别采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与第一冷冻室、第二冷冻室内壁面进行连接。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，第一导冷隔板设置有多个用于固定物品的卡槽或夹持结构。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，控制部包括控制器，控制器与制冷机部相连，用于控制电磁阀的开合，从而控制第一冷冻室、第二冷冻室的制冷温度。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，第一冷凝端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与第一冷端换热器进行连接，第一蒸发端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与第一均温板的冷凝面端盖相连接，第二冷凝端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与第二冷端换热器进行连接，第二蒸发端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与第二均温板的冷凝面端盖相连接。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，第一槽道低温热管、第二槽道低温热管内的毛细结构均采用铜粉烧结。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，第一均温板、第二均温板内的毛细结构均采用铜粉烧结，第一均温板、第二均温板均采用高热导率的铜制成。

另外，在本发明提供的双温区航天冰箱中，还可以具有这样的特征：其中，第一导冷隔板、第二导冷隔板均采用轻质的铝合金材料制成。

发明的作用与效果

本发明所涉及的双温区航天冰箱采用了新型的一拖二功回收型脉管制冷机作为制冷系统，结构紧凑，寿命长、制冷效率高，对置式结构可减轻振动，配合以电磁阀开闭的精确控制，可以高效地实现双温区的制冷量调节和控温；又采用了槽道低温热管、均温板和高热导率且轻质的铝合金导冷隔板作为导冷机构，通过高效传热组件传导冷量，解决了无重力条件下无法自然对流和低温条件下无合适风机进行强制对流的问题。

另外，槽道低温热管与均温板都是不受重力影响的高效传热组件，可以强化冷量传导，实现无噪声、高均温控制。

附图说明

图1是本发明的实施例中双温区航天冰箱的结构主视图；

图2是本发明的实施例中双温区航天冰箱的工作流程图；以及

图3是本发明的实施例中双温区航天冰箱的轴侧视图(无外部箱体)。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的双温区航天冰箱作具体阐述。

实施例

双温区航天冰箱包括冰箱箱体以及设置在冰箱箱体内的制冷装置，制冷装置包括制冷机部、导冷部以及控制部。

如图1所示，制冷机部安装于冰箱箱体7内且位于箱体7的顶部，冰箱箱体7具有第一冷冻室11、第二冷冻室12，第一冷冻室11的设计温度为-20℃，第二冷冻室12的设计温度为-80℃，箱体实体部分采用真空绝热板制成。

如图2、3所示，制冷机部包括对置压缩线性压缩机201、第一冷指单元20、第二冷指单元21、功回收单元30。

对置压缩线性压缩机201采用对置方式布置压缩活塞，用于确保线性压缩机的轴向力得到最大的平衡，减少震动。

对置压缩线性压缩机201具有压缩腔，压缩管路501的一端连通压缩腔，另一端连通压缩管路502，压缩管路501与压缩管路502在连接处A相连通，线性电机通电后通过压缩活塞杆带动压缩活塞运动，气体工质被压缩活塞压缩后，由压缩腔进入冷指部分。

第一冷指单元20和第二冷指单元21大小类型相同，对称布置。

第一冷指单元20包括顺次连接的级后换热器301、回热器302、冷端换热器303、脉管304、热端换热器305以及膨胀管路505。

第二冷指单元21包括顺次连接的级后换热器211、回热器、冷端换热器213、脉管、热端换热器212。

压缩管路501的一端连通压缩腔，另一端连通压缩管路502，压缩管路502的一端连通第一级后换热器301，另一端连通第二级后换热器211，电磁阀401设置在压缩管路502上，位于级后换热器301与连接处A之间，电磁阀403设置在压缩管路502上，位于级后换热器211与连接处A之间，分别用于控制第一冷指单元20和第二冷指单元21的工作状态。在电磁线圈上施加固定周期的电压脉冲，一个周期内阀开、闭循环一次。负荷大时，脉宽增加，阀打开时间长；负荷低时，脉宽减小，阀打开时间短。断电时，阀完全关闭，还起到电磁截止阀的作用。

由于线性压缩机201提供的是交变的压力波，所以气体工质在整个系统中为交变流动。

当电磁阀401开通，电磁阀403关闭，第一冷指单元20工作时，来自压缩腔的高压气体通过级后换热器301、回热器302、冷端换热器303，以层流形式进入脉管304，渐次推挤脉管304管内气体向热端移动，同时使之压缩，管内压力沿管长升高，温度上升，热端换热器305将气体的热量带走，管内气体放热，其温度和压力稍有降低，由于压缩机的往复运动，脉管304中的气体又以层流形式渐次向气源推移扩张，气体膨胀降压而获得低温，热端换热器305通过膨胀管路505与功回收单元30相连通。

功回收单元30包括功回收缸31、两个对称布置的功回收活塞104、两个功回收活塞杆107、两个固定活塞106、两个板弹簧105、功回收管路505以及功回收管路506。

两个功回收活塞104、两个功回收活塞杆107、两个固定活塞106、两个板弹簧105分别对称设置在功回收缸31内，两个功回收活塞104的活塞面相对设置，两个板弹簧105分别位于两个功回收活塞104的外侧，分别与两个功回收活塞104相连的两个功回收活塞杆107位于两个功回收活塞104的外侧，功回收活塞杆107一端与功回收活塞104相连，另一端与板弹簧105相连，两个固定活塞106分别位于功回收活塞104与板弹簧105之间。

两个功回收活塞104以及功回收缸31构成膨胀腔101，功回收活塞104、固定活塞106以及功回收缸31构成功回收腔102，固定活塞106与功回收缸31构成背压腔103。功回收部30具有两个功回收腔102和两个背压腔103。

功回收管路505的一端连通膨胀腔101，另一端连通功回收管路506，功回收管路505与功回收管路506在连接处B相连通。功回收管路506的一端连通热端换热器305，另一端连通热端换热器212，电磁阀402设置在功回收管路506上，位于热端换热器305与连接处B之间，电磁阀404设置在功回收管路506上，位于热端换热器212与连接处B之间，分别用于控制第一冷指单元20和第二冷指单元21进入膨胀腔101的声功流动。

两个功回收腔102分别通过功回收管路503、功回收管路504与压缩管路502相连通，功回收管路503与压缩管路502的连接处位于第一电磁阀401与连接处A之间，功回收管路504与压缩管路502的连接处位于第二电磁阀403与连接处A之间。

功回收单元30采用两个功回收活塞104对置布置的结构，相比于仅设置一个功回收活塞104，其优点一是可以有效的平衡活塞运动产生的振动，二是可以有效的减小每个功回收活塞104的振幅，从而使得板弹簧的105形变减小，有助于减小板弹簧105的应力，保证板弹簧105长寿命运行。同时，两个功回收活塞104对置布置的结构也会产生两个功回收腔102，使得功回收效果更好。

实施例中，第二冷冻室12的导冷机构的冷量传导过程如下：槽道低温热管602的热管冷凝端方形导热片601与冷端换热器213相连接将冷量从制冷机导出，在槽道低温热管602冷凝端冷凝后的液体工质经毛细力作用回流至热管的蒸发端吸热蒸发，热管蒸发端方形导热片603与均温板604的冷凝面端盖相连接，均温板604的蒸发面端盖朝向第二冷冻室12内部空间，箱体内部设有导冷隔板605，导冷隔板605与均温板604蒸发面端盖直接接触传导冷量，航天食品与航天生物实验用品放置在导冷隔板605上低温保存。导冷隔板605上设置有多个用于固定物品的卡槽或夹持结构，实施例中，导冷隔板605上设置有多个固定物品的夹持结构，该夹持结构为弹性夹。热管冷凝端方形导热片601、槽道低温热管602、热管蒸发端方形导热片603、均温板604、的数量均为两个，导冷隔板605的数量为一个。

均温板604采用螺栓连接或导热硅脂粘接固定于温室内壁面，热管冷凝端方形导热片601、热管蒸发端方形导热片603采用螺栓连接或导热硅脂粘接分别固定于冷端换热器213和均温板604的冷凝面端盖上。槽道低温热管602和均温板604内的毛细结构采用铜粉烧结，均温板604材质采用高热导率的铜，导冷隔板采用轻质的铝合金材料制成，槽道低温热管602和均温板604内的传热工质根据实际制冷温区选择。

第一冷冻室11的导冷机构与第二冷冻室12的导冷机构结构类型相同。

控制部包括控制器，设置在冰箱箱体7的上部空间，控制器与制冷机部相连，用于控制相关电磁阀的开合以及制冷机的工作状态，设置在第一冷冻室11内的第一温度传感器、第一冷冻室12内的第二温度传感器分别与控制器相连用于分别测量第一冷冻室11、第二冷冻室12的室内温度。控制器还起到控制线性压缩机输入电压的作用，以精确控制制冷温度。

双温区航天冰箱制冷过程。

对置压缩的线性压缩机201提供压力波，产生近似正弦的压力波，高压气体通过级后换热器301，回热器302，冷端换热器303，压缩过程产生的热量由级后换热器301传递至室外环境。随后气体以层流形式进入脉管304，将管内的气体向热端挤压，温度升高，热端换热器305将热量带走，脉管304内气体的温度和压力稍有降低，当线性压缩机201出口处的压力为最低压力时，脉管304中的气体膨胀而获得低温，冷量通过冷端换热器303导出。与热端换热器305相连的是功回收部30，通过热端换热器305的气体仍具有一定的做功能力，进入功回收部30的压缩腔101后对功回收活塞104膨胀做功，功回收腔102内的气体被压缩后通过功回收管503或功回收管504进入压缩机的压缩管路502，起到辅助压缩的效果。

当制冷负荷降低，仅需一台直线型脉管制冷机(左侧)工质时，可将电磁阀403和电磁阀404同时关闭，气体工质只会在一台脉管制冷机及功回收系统内循环，虽然此时仅有一台脉管制冷机在工作，但是功回收部30的两个功回收腔102均在回收声功，回收的声功分别由相应两个功回收管503和功回收管504进入压缩管路502，起到辅助压缩的效果。

同样，仅需一台直线型脉管制冷机(右侧)工质时，可将电磁阀401和电磁阀402同时关闭，两个功回收腔102均在回收声功。

当左侧第一冷冻室11达到指定低温-20℃时，延长左侧电磁阀401与电磁阀402的在一个周期内的关闭时间，相应地，右侧电磁阀403与电磁阀404的开启时间延长，左侧第二冷冻室12控温，右侧第二冷冻室12持续降温至-80℃。

通过控制左右两侧的电磁阀在一个工作周期内交替开闭的持续时间来实现两侧冷冻室内的制冷量调节与控温，使两侧冷冻室的温度达到指定的低温条件(左侧-20℃储存航天食品与右侧-80℃储存航天生物实验用品)。

值得注意的是，为了避免气体在整个系统内乱流，必须保证一下几点：

1、电磁阀401、电磁阀402必须为同开同闭。电磁阀403和电磁阀404必须为同开同闭。电磁阀的开闭时间需要相互错开，当两个电磁阀处在开启状态时另两个电磁阀为关闭状态，也就是说，始终保持线性压缩机驱动单台斯特林制冷机进行工作，保证线性压缩机处于最佳工作点，且与斯特林制冷机达到最佳匹配。

2、电磁阀401和电磁阀403必须置于压缩管路502上，且必须分别位于在连接处A与级后换热器之间，否则均会出现气体乱流的现象。

本发明的两台脉管制冷机共用一套功回收单元30，使整机系统更加简单紧凑，并且有效的减小了整个系统的空容积，有利于制冷性能的提升。

进一步地，无论是两台脉管制冷机同时工作还是其中一台工作，功回收单元30的两个功回收腔102均在回收声功，使得功回收效率更高。

实施例的作用与效果

本实施例所涉及的双温区航天冰箱采用了新型的一拖二功回收型脉管制冷机作为制冷系统，结构紧凑，寿命长、制冷效率高，对置式结构可减轻振动，配合以电磁阀开闭的精确控制，可以高效地实现双温区的制冷量调节和控温；又采用了槽道低温热管、均温板和高热导率且轻质的铝合金导冷隔板作为导冷机构，通过高效传热组件传导冷量，解决了无重力条件下无法自然对流和低温条件下无合适风机进行强制对流的问题。

另外，槽道低温热管与均温板都是不受重力影响的高效传热组件，可以强化冷量传导，实现无噪声、高均温控制。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双温区航天冰箱，其特征在于，包括：

冰箱箱体；以及

制冷装置，设置在所述冰箱箱体内，

其中，所述冰箱箱体具有第一冷冻室、第二冷冻室，

所述制冷装置包括制冷机部、导冷部以及控制部，

所述制冷机部包括具有压缩腔的压缩单元、两个冷指单元以及功回收单元，

第一冷指单元具有第一级后换热器、第一冷端换热器、第一热端换热器，第二冷指单元具有第二级后换热器、第二冷端换热器、第二热端换热器，所述压缩腔通过第一压缩管路与所述第一级后换热器相连通、通过第二压缩管路与所述第二级后换热器相连通；以及

功回收单元，具有功回收缸，所述功回收缸内设置有两个对称布置的功回收活塞以及两个对称布置的位于所述功回收活塞外侧的固定活塞，

所述功回收活塞、所述固定活塞以及所述功回收缸分别构成第一功回收腔和第二功回收腔，

两个所述功回收活塞以及所述功回收缸构成膨胀腔，

所述膨胀腔分别通过第一膨胀管路与所述第一热端换热器相连通、通过第二膨胀管路与所述第二热端换热器相连通，

所述第一功回收腔通过第一功回收管路与所述第一压缩管路相连通，所述第二功回收腔通过第二功回收管路与所述第二压缩管路相连通，

所述第一压缩管路上设置有第一电磁阀，所述第二压缩管路上设置有第二电磁阀，分别用于控制所述第一冷指单元和所述第二冷指单元的工作状态，

所述第一膨胀管路上设置有第三电磁阀，所述第二膨胀管路上设置有第四电磁阀，分别用于控制所述功回收部的工作状态，

所述导冷部包括第一导冷单元以及第二导冷单元，

所述第一导冷单元具有设置在所述第一冷冻室内的多个第一均温板，

所述第二导冷单元具有设置在所述第二冷冻室内的多个第二均温板。

2.根据权利要求1所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一导冷单元还包括：多个第一冷凝端导热片、多个第一槽道低温热管、多个第一蒸发端导热片、多个第一导冷隔板，

所述第一冷凝端导热片与所述第一冷端换热器相连，

所述第一蒸发端导热片与所述第一均温板的冷凝面端盖相连接，

所述第一槽道低温热管连接所述第一冷凝端导热片与所述第一蒸发端导热片，

多个第一导冷隔板分别设置在所述第一冷冻室内，所述第一导冷隔板与所述第一均温板相连，

所述第二导冷单元还包括：多个第二冷凝端导热片、多个第二槽道低温热管、多个第二蒸发端导热片、多个第二导冷隔板，

所述第二冷凝端导热片与所述第二冷端换热器相连，

所述第二蒸发端导热片与所述第二均温板的冷凝面端盖相连接，

所述第二槽道低温热管连接所述第二冷凝端导热片与所述第二蒸发端导热片，

多个第二导冷隔板分别设置在所述第二冷冻室内，所述第二导冷隔板与所述第二均温板相连。

3.根据权利要求2所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一均温板、所述第二均温板分别设置在所述第一冷冻室、所述第二冷冻室的内壁上，所述第一均温板、所述第二均温板的蒸发面端盖分别朝向所述第一冷冻室、所述第二冷冻室内部空间，

所述第一均温板、所述第二均温板分别采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与所述第一冷冻室、所述第二冷冻室内壁面进行连接。

4.根据权利要求2所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一导冷隔板设置有多个用于固定物品的卡槽或夹持结构。

5.根据权利要求1所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述控制部包括控制器，所述控制器与制冷机部相连，用于控制所述电磁阀的开合，从而控制所述第一冷冻室、所述第二冷冻室的制冷温度。

6.根据权利要求2所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一冷凝端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与所述第一冷端换热器进行连接，

所述第一蒸发端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与所述第一均温板的冷凝面端盖相连接，

所述第二冷凝端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与所述第二冷端换热器进行连接，

所述第二蒸发端导热片采用螺栓连接或导热硅脂粘接方式与所述第二均温板的冷凝面端盖相连接。

7.根据权利要求2所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一槽道低温热管、所述第二槽道低温热管内的毛细结构均采用铜粉烧结。

8.根据权利要求2所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一均温板、第二均温板内的毛细结构均采用铜粉烧结，

所述第一均温板、所述第二均温板均采用高热导率的铜制成。

9.根据权利要求2所述的双温区航天冰箱，其特征在于：

其中，所述第一导冷隔板、所述第二导冷隔板均采用轻质的铝合金材料制成。