CN109073293A - 具有紧凑交换器的低温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用“焦耳‑汤姆逊”膨胀原理的制冷装置。该制冷装置包括热交换器，高压流体和低压流体在热交换器内以逆流方式循环。热交换器由堆叠的芯块(5)构成，芯块(5)由多孔材料制成，特别地，芯块(5)由烧结材料制成，堆叠的芯块(5)形成圆柱状芯轴，毛细管(10)在圆柱状芯轴的周缘处缠绕并与圆柱状芯轴接触，毛细管内循环有高压流体，在以这种方式形成的多孔芯轴的内部的逆流中循环有低压流体。

Description

具有紧凑交换器的低温装置
技术领域
本发明属于制冷机的一般领域，特别地，属于旨在允许特定类型的检测器(特别地，为冷却型的红外检测器，也称为量子红外检测器)的操作的制冷设备。
本发明更特别地针对如下类型的装置：该装置作为冷源实施所谓“焦耳-汤姆逊”膨胀原理(the principle of“Joule-Thomson”expansion)。
背景技术
在红外检测器的特定背景中，由于显然的尺寸原因，期望的是限制低温源的体积。实际上，微型低温机经常使用“焦耳-汤姆逊”膨胀原理，因此能够具有高的低温动力(cryogenic power)，于是，能够快速冷却特别是红外检测器或为了红外冷却器的操作需要在相对低的温度下操作的电子部件。
已知这种低温机的性能取决于在流体的膨胀发生之前在高压流体与低压流体之间发生的热交换的效率。因此，热交换的效率是关键的。
为此，现有技术装置使用汉普森型逆流交换器(Hampson-type counterflowexchanger)，其中高压流体在围绕圆柱状套筒或圆柱状芯轴并由绝缘泡沫封闭的毛细管中流动。热交换在套筒的周缘处进行，其中低压流体在套筒处在逆流中循环。
为了优化这种热交换，通过设置具有径向散热片(fin)的毛细管提供在高压流体与低压流体之间的增加的交换表面积。然而，如果由此确实增加了热交换表面积，则归因于散热片的厚度，散热片的存在增加了两个连续螺旋之间的间隔，由此对于给定长度的芯轴减少了毛细管的螺旋数量，至少部分地中和了所期望的交换优化。
为了相同的目的，已经提供了增加的交换器长度，特别地，提供了增加的毛细管长度。然后，出现了所述交换器的尺寸问题，因此出现制冷机的尺寸问题。
已经提供了使交换器中的轴向传导减少，交换器中的轴向传导是芯轴的使用所固有的并且是效率损失的源头。
本发明旨在提供如下类型的装置：该装置能够在不改变现有装置的尺寸的情况下特别地通过减小装置的冷却时间来增加这种装置的效率，或者相反地，该装置能够在冷却时间恒定的情况下减小这种装置的尺寸。
发明内容
为此，本发明提供实施“焦耳-汤姆逊”膨胀原理的制冷装置，制冷装置包括热交换器，高压流体和低压流体在热交换器中以逆流方式循环。
根据本发明，热交换器由堆叠的芯块(pellets)形成，芯块由多孔材料制成，特别地，芯块由烧结材料制成，堆叠的芯块形成圆柱状芯轴，毛细管与圆柱状芯轴接触地缠绕圆柱状芯轴，高压流体循环通过毛细管，在由此形成的多孔芯轴的内部的逆流中循环有低压流体。
此外，典型地由玻璃纤维制成的热绝缘多孔织物插于由烧结材料制成的的各芯块之间。
换言之，本发明基本上包括以堆叠的多孔烧结材料代替现有技术的芯轴和散热片，帮助低压流体与高压流体之间的热交换，其中高压流体在与所述材料接触的周缘毛细管中循环。
这种交换的优化源自于形成芯轴的材料的本质，并且这种交换的优化还能够消除使现有技术的热交换优化的散热片，于是能够优化其中循环有高压流体的毛细管的螺旋集中度(spiral concentration)，于是能够优化制冷装置的紧凑性。
此外，由于在烧结材料的芯块之间插有典型地由玻璃纤维制成因而不导热的热绝缘栅格，所以轴向传导被减少，于是优化了制冷装置的操作。
有利地，芯块由烧结的银或烧结的铜制成。
毛细管由金属制成，典型地，毛细管由铜、不锈钢或白铜合金制成。
根据本发明的有利特征，毛细管的螺旋彼此不接触。为了实现毛细管的螺旋彼此不接触，典型地由玻璃纤维制成并用作间隔件的热绝缘纱线与所述毛细管缠绕在一起。这种纱线确保了不同的功能：
■使毛细管的两个连续螺旋热绝缘；
■使外部管或井与所述螺旋热绝缘，其中本发明的装置容易被引入外部管或井；
■确保本发明的装置与这种外部管或井的密封性，迫使低压流体经过烧结材料芯块，从而优化效率。
附图说明
结合附图，从以下非限制性的说明中将更好地显现可以实施本发明的方式和所得到的优点，在附图中：
-图1是示出在制冷装置处实施的“焦耳-汤姆逊”膨胀原理的图；
-图2是本发明的装置的简化表示；
-图3是与图2类似的示出高压流体和低压流体的相应回路的视图；
-图4是低温恒温器的简化表示；
-图5是图4的低温恒温器的一部分的局部矢状截面图的简化表示。
具体实施方式
因此，结合图1示出了实施“焦耳-汤姆逊”膨胀的装置的操作图。该图示出了高压流体HP的源以及所述流体在膨胀之后的返回，其中该流体可以是气体，典型地为氩气、氮气或空气。
双线圈(1)示出了源自高压源HP的高压流体与在蒸发器(2)处膨胀之后的低压流体之间的逆流热交换器，其中蒸发器之前安装有膨胀阀(3)。该组件集成在真空外壳(4)内。
图2示出了根据本发明的交换器的芯。该芯由堆叠的芯块(5)形成，芯块(5)由多孔材料制成、特别地由银制烧结材料制成。银确实是非常好的热导体并且还容易烧结。还可以想到用铜替代银。
典型地，这种芯块的孔隙度接近100纳米。换言之，通过烧结芯块产生的孔具有100纳米的典型直径。
通常为圆柱状的这种芯块(5)例如借助于固定杆(6)从高压连接器(7)开始相互组装，并且在芯块(5)的下基底处设置有螺母(8)。作为变型，芯块可以被胶合在一起。
根据本发明，芯块(5)通过插入物或栅格(9)而彼此分开，插入物或栅格(9)由典型地由玻璃纤维纺织材料形成的非传导性多孔材料制成。这种插入物具有典型地0.3毫米的厚度。这种插入物的使用倾向于对抗任何轴向热传导，分别在低压处和高压处优化了两个流之间的热交换表面积。
因芯块和插入物而形成的组件形成圆柱状芯轴，其中毛细管(10)接触圆柱状芯轴地缠绕圆柱状芯轴，高压流体流过毛细管。毛细管例如由铜、不锈钢或白铜合金制成。典型地，毛细管具有0.5毫米的外径和0.3毫米的内径。
归因于芯块(5)的多孔特性，低压流体穿过芯块(5)并冷却芯块(5)。转而，归因于芯块(5)的良好导热性，芯块冷却流过毛细管的高压流体。实际上，毛细管与芯块之间需要良好的热接触。
可以按照以下来执行这种装置的制造。
首先，借助于根据所述芯块的期望的形状成形的模具来形成芯块(5)。将银粉末倒入模具中，并且将模具的温度升高到比银的熔化温度低的温度，以在不引起粉末熔化的情况下获得简单的烧结。
在制造芯块之后，通过插入热绝缘元件(9)来堆叠芯块，热绝缘元件(9)的外径小于或等于芯块(5)的外径，使得热绝缘元件(9)不能与毛细管(10)接触。
芯块和插入物套于固定杆(6)(例如螺合于固定杆(6))，并且借助于螺母(8)锁定芯块和插入物。因此事实上形成了芯轴。
如果芯块由烧结的银制成，则对例如由白铜合金制成的毛细管进行例如通过电解的包括银沉积的处理。特别地，当通过熔接或焊接固定所述毛细管时，这种沉积旨在帮助所述毛细管与芯块(5)的接触。因此，在绕着芯轴缠绕毛细管(10)之后，将组件放在炉中以产生焊接现象。
作为变形，可以想到的是，借助于施加于毛细管/芯块区域的例如由填充有金属粉末的“溶胶”型胶膜形成的导热粘结剂来使所形成的组件固结。
根据本发明的有利特征，期望的是，避免毛细管的连续螺旋之间的任何接触，以避免毛细管的连续螺旋之间的任何热桥(thermal bridge)。
为此应当注意的是，诸如在图4中示出的，本发明的装置旨在集成在低温恒温器的圆筒状井中。传统地，这种低温恒温器(11)被保持在真空下。低温恒温器(11)接收于外壳中，外壳限定红外检测器(12)，红外检测器(12)被定位成与对于待检测的辐射呈透明的窗口(13)在竖直方向上对齐。最终，低温恒温器(11)包括两个井(14)，两个井(14)中均插有根据本发明的装置以产生所述检测器的操作所需要的冷量。
图5示出了设置有本发明的装置的一个井(14)的局部矢状截面图的简化视图。
因此，为了迫使低压流体(特别是低压气体)经过多孔芯块(5)，设置了由绝缘材料制成(例如由玻璃纤维或聚酯纤维(诸如以商标商品化的聚酯纤维)制成)的纱线(15)，其中纱线(15)支撑于毛细管(10)的两个连续螺旋之间、即该纱线(15)支撑在使所述螺旋分开的间隔中，并且抵靠圆筒状井(14)的内壁(16)。因此，纱线(15)沿着芯轴缠绕，然后在纱线(15)的两端处典型地通过胶合固定。
因此，利用纱线(15)的配置，一方面消除了螺旋之间的任何热桥，另一方面消除了螺旋与井(14)之间的任何热桥。
因此，毛细管(10)的连续螺旋彼此热绝缘。此外，毛细管(10)的螺旋与井(14)热绝缘。
最终，纱线(15)的存在提供了装置相对于所述井的密封性，迫使低压流体经过芯块(5)，从而有助于优化本发明的装置的效率。
在用于红外检测器的本发明的装置的实施的特定情况下，典型地，红外检测器的操作温度处于77K至250K的范围。
典型地，高压流体的压力处于几十bar至几百bar的范围。
与现有技术装置相比，根据本发明的装置能够显著地增加包括具有散热片的毛细管的类型的热交换表面积，典型地为恒定尺寸的1000倍。于是，能够容易理解的是，这种制冷机效率自身增加，或者这种制冷机的尺寸可以显著地减小、同时保持与现有技术装置相同的性能。在冷却的红外检测器的背景下，这种结果特别有利。

Claims (8)

1.一种实施“焦耳-汤姆逊”膨胀原理的制冷装置，所述制冷装置包括热交换器(1)，高压流体和低压流体在所述热交换器(1)中以逆流方式循环，其特征在于，
■所述热交换器由堆叠的芯块(5)形成，所述芯块(5)由多孔材料制成，特别地，所述芯块(5)由烧结材料制成，所述堆叠的芯块(5)形成圆柱状芯轴，毛细管(10)在所述圆柱状芯轴的周缘处缠绕并与所述圆柱状芯轴接触，所述高压流体循环通过所述毛细管，在由此形成的多孔芯轴的内部的逆流中循环有所述低压流体；并且
■各所述芯块(5)之间插入有多孔热绝缘元件(9)。
2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述多孔热绝缘元件(9)由织物形成，特别地，所述多孔热绝缘元件(9)由玻璃纤维制成。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述芯块(5)具有圆柱形状，所述热绝缘插入物元件(9)具有圆形形状，所述插入物元件(9)的直径小于或等于所述芯块(5)的外径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述芯块(5)由烧结的银或烧结的铜制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制冷装置，其特征在于，所述毛细管(10)由金属制成，特别地，所述毛细管(10)由铜、不锈钢或白铜合金制成。
6.根据权利要求5所述的制冷装置，其特征在于，所述毛细管(10)在缠绕于通过所述芯块(5)的堆叠形成的所述芯轴之前接收银沉积，所述银沉积是形成所述芯块(5)的材料的本质的功能。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制冷装置，其特征在于，通过所述毛细管(10)绕着由所述芯块(5)的堆叠形成的所述芯轴缠绕而限定的螺旋彼此不接触。
8.根据权利要求7所述的制冷装置，其特征在于，热绝缘纱线(15)缠绕于使所述螺旋分开的间隔，特别地，所述纱线由玻璃纤维制成。
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