CN109556328B - 一种用于液氦温区毛细管节流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于液氦温区毛细管节流结构，其包括半圆盖板、可伸缩波纹管和毛细管结构。半圆盖板可以任意两两组合，通过卡槽固定在可伸缩波纹管上且半圆盖板可转动。可伸缩波纹管通过固定在其法兰盘面的螺栓调整波纹管的伸缩程度。毛细管盘绕后放入可伸缩波纹管中，毛细管进出口两通由半圆盖板侧壁面小孔伸出。该液氦温区毛细管节流结构具有简单紧凑可靠性高，节流部件不易堵塞，易于加工实现等优点。

Description

一种用于液氦温区毛细管节流装置

技术领域

本发明涉及液氦温区节流制冷领域，特别涉及一种毛细管节流结构。

背景技术

随着空间技术发展，未来空间探测项目将使用量子超导干涉器件(SQUID)、空间红外探测、毫米波亚毫米波探测以及宇宙背景探测等深空探测器。同时也对其空间制冷系统提出了液氦温区甚至毫开尔文(mK)温区的极低温度的需要。欧美日等发达国家已经针对空间液氦温区的需求提出了多种解决方案，如液氦恒温器、多级脉冲管制冷机、液氦温区J-T节流制冷机、吸附制冷机等，其中的液氦温区J-T节流制冷机具有结构简单、寿命长、低温下无振动部件、冷头可与压缩机分开至数十米远等优点，受到各国低温领域研究者的重视，采用液氦温区小型氦气节流制冷机作为冷源的空间冷却方案已经在国外多颗卫星上成功实施多年，为人类认识太空、推动科学技术进步作出了重要贡献。

节流元件是液氦温区J-T节流制冷机实现制冷的关键部件，现有空间应用的液氦温区节流制冷普遍采用微米级节流小孔作为节流元件。微米级小孔一般由激光打孔加工而成，由于加工工艺的原因容易造成锥形孔型(出口截面大于进口截面)。当流量一定的情况下，小孔出口截面增大时，节流前气体压力将降低，节流前后的压比降低，使节流制冷能力效率降低。

q_m——气体通过节流孔最大的流量，kg/s

A——节流孔出口处的横截面积，m²

p_in——节流孔前的气体压力，Pa

V_in——节流孔前气体的比热容，m³/kg

由于节流元件内部发生两相变化，当节流元件设计不良时，节流元件内部会发生水动力不稳和脉动现象。即两端压力差是相同的，但是流量不同且时大时小，工质出口状态也是不均衡的。当不同状态工质交变的与管材接触，会使得管材的温度发生周期波动而导致金属疲劳。影响节流制冷机的长寿命使用。

毛细管节流部件在制冷领域广泛应用，毛细管加工工艺简单，广泛使用证明其可靠性，为了达到一定的节流效果，需要对毛细管的长度进行控制毛细管有一定长度可以起到稳压，缓冲局部水动力不稳。

基于上述原因，我们采用了毛细管节流的方式实现节流过程。

但是由于加工精度的原因，细微毛细管的内径仅能到达0。1mm级别，节流开口太大会使得节流效果变差，毛细管两端的压降变小，进而影响节流制冷效应。为了优化毛细管的节流性能，增大节流前后压差，可以采用增加毛细管长度的方式实现这，公式如下。

Δp--表示进出压力差，Pa

V——比体积m³/kg

f——沿程摩擦阻力系数

ΔL——表示毛细管长度

m——下标，平均值

当节流管内的工质流体发生脉动波动时，较长的毛细管可以起到稳定压力，减缓波动，保护管路的作用。毛细管采用盘绕的方式可以进一步节省安装空间，亦在一定程度上起到缓冲减震的作用，且毛细管采用盘绕的方式一方面也会增加毛细管的节流效应。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种液氦温区节流制冷节流元件。该结构具有简单紧凑可靠性高，节流部件不易堵塞，易于加工实现等优点。适用于空间液氦温区节流制冷的应用。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于液氦温区毛细管节流结构，所述节流结构包括外力保护单元和毛细管节流单元；

所述外力保护单元包括第一半圆盖板3，第二半圆盖板4，第三半圆盖板5，第四半圆盖板6和可伸缩波纹管7，其材料均为反射率低和导热率低的非金属材料；

所述第一半圆盖板3、第二半圆盖板4、第三半圆盖板5和第四半圆盖板6外形结构一致，任意半圆盖板的第一小耳朵8上布置有螺纹孔9和第二小耳朵10上布置有通孔11，任意半圆盖板的第一小耳朵8和第二小耳朵10，与任意半圆盖板的第二小耳朵10和第一小耳朵8之间均可使用螺钉固定配合，螺钉固定方向相反；

所述第一半圆盖板3、第二半圆盖板4、第三半圆盖板5和第四半圆盖板6外形结构一致，任意半圆盖板侧壁面上开有第一小孔14和第二小孔15，第一小孔和第二小孔孔径相同且其孔径略大于毛细管两通，毛细管两通可从第一小孔14和第二小孔15穿出；

所述第一半圆盖板3、第二半圆盖板4、第三半圆盖板5和第四半圆盖板6外形结构一致，以第一半圆盖板3和第二半圆盖板4配合为例，第一半圆盖板3侧壁面上第一小孔14的位置与第二半圆盖板4侧壁面上第二小孔15的位置对应贯穿，第一半圆盖板3侧壁面上第一小孔15的位置与第二半圆盖板4侧壁面上第二小孔14的位置对应贯穿，4个小孔在半圆盖板侧壁面所在圆周上均布；

所述第一半圆盖板3、第二半圆盖板4、第三半圆盖板5和第四半圆盖板6外形结构一致，半圆盖板底面榫环13插入可伸缩波纹管7顶面环形卡槽18固定，半圆盖板底面榫环13可以在波纹管7顶面环形卡槽17受力转动。

所述可伸缩波纹管7包括可伸缩波纹管7顶面17，可伸缩波纹管7顶面环形卡槽18，可伸缩波纹管7法兰面19；可伸缩波纹管7与法兰面过渡壁面20，可伸缩波纹管7上的波纹21，所述可伸缩波纹管7内壁面22，可伸缩波纹管7法兰面的通孔23；

所述可伸缩波纹管7法兰面19均布有8个通孔23，且可伸缩波纹管7两个法兰面19上的通孔23位置均一一对应；

所述可伸缩波纹管7可以通过压缩波纹21实现长度变化。

所述毛细管节流单元包括第一两通接头1，第二两通接头2和毛细管24，两通接头通过焊接的方式固定在毛细管上。

所述一种用于液氦温区毛细管节流结构的具体工作过程如下：

本发明与现有液氦温区J-T节流制冷机节流部件相比较，其优点在于：

本发明所涉及节流部件其系统可拆卸，组装方便；

本发明所涉及节流部件的半圆盖板与波纹管通过环形卡槽配合，可以受力转动；

本发明所涉及节流部件的半圆盖板上开有小孔，便于毛细管两通穿过；

本发明所涉及节流部件的半圆盖板的螺钉固定组合有4个孔，毛细管两通穿过其中一个，其他小孔便于抽真空；

本发明所涉及节流部件的半圆盖板可以标准化配合使用；

本发明所涉及节流部件的可通过螺栓调整波纹管长度；

本发明发明所涉及节流部件的半圆盖板与可伸缩波纹管可保护毛细管不被外力破坏；

本发明发明所涉及节流部件的半圆盖板与可伸缩波纹管内壁发射率低于0.1，导热率低于0.01W/m·K，避免两相变化的毛细管被热环境影响；

本发明所涉及节流部件的半圆盖板可转动和盖板上对称布置的孔，使得毛细管出口可以柔滑，毛细管不被弯折。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所述液氦温区毛细管节流装置总体装配示意图；

图2为图1所述的半圆盖板结构示意图；

图3为图1所述可伸缩波纹管结构示意图；

图4为图1所述毛细管结构示意图；

图中标号

1：第一两通接头；2：第二两通接头；3：第一半圆盖板；4：第二半圆盖板；5：第三半圆盖板；6：第四半圆盖板；7：可伸缩波纹管；8：半圆盖板第一小耳朵；9:小耳朵8上的螺纹孔；10：半圆盖板上第二小耳朵；11：小耳朵上10的通孔；12：半圆盖板侧面；13：半圆盖板底面榫环；14：半圆盖板侧面第一小孔；15：半圆盖板侧面第二小孔；16：半圆盖板顶面；17:可伸缩波纹管7顶面；18:可伸缩波纹管7顶面环形卡槽；19：7波纹管法兰面；20：波纹面与法兰面过渡壁面；21：可伸缩波纹管7上的波纹面；22：可伸缩波纹管7内壁面；23：可伸缩波纹管7法兰面的通孔；24：毛细管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明实施例的技术方案。

本发明所述的液氦温区毛细管节流结构系统由三个部分构成，第一部分为半圆盖板，包括第一半圆盖板3、第二半圆盖板4、第三半圆盖板5和第四半圆盖板6；第二部分为可伸缩波纹管7；第三部分为毛细管单元，包括第一两通接头1，第二两通接头2和毛细管25。

所述的液氦温区毛细管节流结构系统第一部分的第一半圆盖板3、第二半圆盖板4、第三半圆盖板5和第四半圆盖板结构一致，其中第一半圆盖板3与第二半圆盖板4、第三半圆盖板5与第四半圆盖板6可以通过螺钉固定在一起。任意半圆盖板侧壁面底面榫环13，是用于固定在可伸缩波纹管7。任意半圆盖板与可伸缩波纹管7间隙配合可以转动，任意半圆盖板外壁面12上对称布置有第一小孔14和第二小孔15，其小孔作为毛细管24出口。由于毛细管24的长度、盘绕时的螺旋线圈数大小需根据实际情况确定，故任意两个半圆盖板的组合与可伸缩波纹管7可转动，且两个半圆盖板组合的侧壁面12上共有4个小孔，可以保证不同长度、不同盘绕方式的毛细管24的出口均可进行相应的调整。可避免为了配合出口过于弯折毛细管，加速毛细管的金属疲劳。

所述的液氦温区毛细管节流结构系统第二部分可伸缩波纹管7由可伸缩波纹管7顶面17、可伸缩波纹管7顶面环形卡槽18，可伸缩波纹管7法兰面19，波纹面与法兰面过渡壁面20，可伸缩波纹管7上的波纹面21，可伸缩波纹管7内壁面22和可伸缩波纹管7法兰面的通孔23构成；

所述可伸缩波纹管7包括其顶面环形卡槽18，可与任意半圆盖板咬合固定。任意半圆盖板底面榫环13可插入可伸缩波纹管7顶面环形卡槽18，其半圆盖板可以受力转动；

所述可伸缩波纹管7法兰面19法兰面的通孔23将将由螺栓穿过，通过调整螺栓的啮合长度来实现控制波纹管的长度。

所述半圆盖板与可伸缩波纹管7由低发射率低热导率的材料加工而成，避免外界热环境影响两相节流的毛细管出口状态。

所述的液氦温区毛细管节流结构系统第三部分由第一两通接头1，第二两通接头2和毛细管23构成。

毛细管预处理过程：

根据实际需要确定毛细管的长度、毛细管盘绕情况，再将毛细管两端分别焊接第一两通接头1，第二两通接头2。

调整波纹管长度过程：

根据实际需要确定波纹管所需长度，然后将螺栓穿过将可伸缩波纹管7法兰面19的通孔，通过调整螺栓上的螺母实现波纹管7的长度伸缩调整。

安装过程：

毛细管预处理完毕后(如图4状态，已经盘绕、焊接完毕)。先将毛细管第一两通接头1穿过第一半圆盖板3侧壁面12上的第一小孔14或第二小孔15。再将毛细管第二两通接头2和毛细管24穿过可伸缩波纹管7内壁22。将第一半圆盖板3的底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽18。此时再将第二半圆盖板4的底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽18。第一半圆盖板3和第二半圆盖板4的底面在可伸缩波纹管7的同一个法兰面19。第一半圆盖板3小耳朵8上的螺纹孔与第二半圆盖板4小耳朵10上的通孔11配合，通过螺钉将第一半圆盖板3小耳朵8与第二半圆盖板4小耳朵10固定。再将第二半圆盖板4小耳朵8上的螺纹孔与第一半圆盖板3小耳朵10上的通孔11配合，通过螺钉将第一半圆盖板3小耳朵10与第二半圆盖板4小耳朵8固定。

再将第一两通接头1套上一个第三半圆盖板5侧壁面12上的通第一小孔14或第二小孔15，将第二半圆盖板5的底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽18。此时再将第四半圆盖板6的底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽17，第三半圆盖板5和第四半圆盖板6的底面在可伸缩波纹管7的同一个法兰面19。第三半圆盖板5小耳朵8上的螺纹孔与第四半圆盖板6小耳朵10上的通孔11配合，通过螺钉将第三半圆盖板5小耳朵8与第四半圆盖板6小耳朵固定。再将第三半圆盖板5小耳朵8上的螺纹孔与第四半圆盖板6小耳朵10上的通孔11配合，通过螺钉将第三半圆盖板5小耳朵10与第四半圆盖板6小耳朵8固定。

拆卸过程

拆卸时，先将通过螺钉固定的第一半圆盖板3小耳朵8与第二半圆盖板4小耳朵10的拆解，再将通过螺钉固定的第一半圆盖板3小耳朵10与第二半圆盖板4小耳朵8，将固定二者的螺钉拆卸掉。

再将通过底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽17的第一半圆盖板3和第二半圆盖板4取出，此时毛细管第一两通接头1从第一半圆盖板3的第一小孔14穿出。通过底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽17的第三半圆盖板5和第四半圆盖板6，此时毛细管第二两通接头2穿过第三半圆盖板5的第一小孔14。

取出再将亦将通过第一半圆盖板3侧壁面12上的通孔14取出，再将通过底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽17的第二半圆盖板4取出。先将通过螺钉固定的第三半圆盖板5小耳朵8与第四半圆盖板6小耳朵10和通过螺钉固定的第三半圆盖板5小耳朵10与第四半圆盖板6小耳朵8，将固定二者的螺钉拆卸掉。再将通过底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽17的第三半圆盖板5取出，毛细管两通接头1亦将通过第三半圆盖板5侧壁面12上的通孔14取出，再将通过底面榫环13卡到可伸缩波纹管7的环形卡槽17的第四半圆盖板6取出。再将毛细管24从可伸缩波纹管7取出。

更换毛细管

先将所述液氦温区毛细管节流结构拆卸，按照新要求处理毛细管，再将系统安装。

调整出口方向

毛细管两通接头1和毛细管两通接头2与毛细管24连接处由于外力原因等造成弯折，需通过调整以期避免毛细管被折断。先将通过螺钉固定的第一半圆盖板3小耳朵8与第二半圆盖板4小耳朵10和通过螺钉固定的第一半圆盖板3小耳朵10与第二半圆盖板4小耳朵8，将固定二者的螺钉拆卸或者拧松。通过转动调整第一半圆盖板3侧壁面12上的第一小孔14的位置，使得毛细管不被过度弯折。再将第二半圆盖板4小耳朵8上的螺纹孔与第一半圆盖板3小耳朵10上的通孔11配合，通过螺钉将第一半圆盖板3小耳朵10与第二半圆盖板4小耳朵8固定。

将通过螺钉固定的第三半圆盖板5小耳朵8与第四半圆盖板6小耳朵10和通过螺钉固定的第三半圆盖板5小耳朵10与第四半圆盖板6小耳朵8，将固定二者的螺钉拆卸或者拧松。通过转动调整第三半圆盖板5侧壁面12上的第一小孔14的位置，使得毛细管不被过度弯折。再将第四半圆盖板6小耳朵8上的螺纹孔与第三半圆盖板5小耳朵10上的通孔11配合，通过螺钉将第三半圆盖板5小耳朵10与第四半圆盖板6小耳朵8固定。

以上显示和描述了发明的基本原理和主要特征和发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于液氦温区毛细管节流结构，由包括半圆盖板(3，4，5，6)、可伸缩波纹管(7)和毛细管(24)构成，其特征在于：

所述半圆盖板(3，4，5，6)任意两两可组合配合，半圆盖板(3，4，5，6)通过可伸缩波纹管(7)顶面环形卡槽(18)固定到可伸缩波纹管法兰面上(19)，且半圆盖板(3，4，5，6)水平方向可旋转，半圆盖板侧壁面对称分布有第一小孔(14)和第二小孔(15)，用以穿过毛细管两通接头(1，2)；

所述可伸缩波纹管(7)顶面环形卡槽(18)用来固定半圆盖板(3，4，5，6)，且其由穿过可伸缩波纹管法兰面(19)通孔的螺栓调整可伸缩波纹管(7)的压缩程度；

半圆盖板(3，4，5，6)与可伸缩波纹管(7)由低发射率低热导率的材料加工而成，避免外界热环境影响两相节流的毛细管出口状态；

所述毛细管节流单元由毛细管(24)与两端两通接头(1，2)组成，两通接头(1，2)焊接在毛细管(24)两端，两通接头(1，2)将可穿过半圆盖板侧壁面的第一小孔(14)和第二小孔(15)，根据毛细管(24)的盘绕方式可以调整第一小孔(14)和第二小孔(15)位置，毛细管(24)进行盘绕，放进可伸缩波纹管(7)内部。

2.根据权利要求1所述的一种用于液氦温区毛细管节流结构，其特征在于：所述的毛细管节流结构材料的导热率低于0.01W/m·K、发射率低于0.1。