CN110553416A - 一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，涉及深低温制冷技术领域，包括：依次连通的主压缩机、斯特林制冷机、中间换热器、脉管制冷机、第一间壁式换热器、末级预冷换热器、第二间壁式换热器和蒸发器；所述第二间壁式换热器通过第二连接管路与所述蒸发器连接，所述第二连接管路上设置有节流元件；所述脉管制冷机的脉管冷头通过冷链与所述末级预冷换热器连通；所述中间换热器上设置有单向阀。以克服现有技术制冷效率低和结构复杂的缺陷，本发明能够实现1‑4K温区的高效可靠制冷且结构紧凑。

Description

一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统
技术领域
本发明涉及深低温制冷技术领域，特别是涉及一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统。
背景技术
航天科技的蓬勃发展为人类探索宇宙提供了极大的助力，近30年来，美国、欧盟和日本等国家相继开展了一批空间探测项目，为了降低背景噪音，提高光学探测器的信噪比、灵敏度和分辨率，探测器及其附属的光学设备和电子设备往往需要工作在深低温的环境中。对于诸如超导量子干涉仪、超导辐射热计等采用超导材料的高灵敏度探测装置，合适的深低温环境是保证其超导装置正常工作的必要条件。对于超导量子干涉器件(SQUID)、超导光子探测器(SNSPD)、超导太赫兹探测器、毫米亚毫米波探测以及宇宙背景探测等深空探测器等需要空间制冷系统提供1-4K温区甚至mK温区的极低温温度，1-4K温区同样是获取mK级冷量的所需热沉。因此，1-4K温区空间低温制冷系统是空间探测任务得以实现的关键技术之一。
空间任务对于系统可靠性的要求极为严苛，尤其是在深空探测任务中，如观测宇宙、研究天文的理想场所L2点，距离地球150x104km，是日地距离的十分之一，目前难以对运行于该点的航天器进行维修。目前国际上已经发射或即将发射的一些空间探测器或望远镜，其采用的深低温制冷技术主要有被动方式(液氦杜瓦技术)和主动方式(机械式制冷技术)。采用液氦直接冷却的方案，虽具有技术成熟、无振动无干扰等特点，但作为空间应用，其运行寿命受到所携带的液氦量限制。空间1-4K深低温机械制冷技术，具有效率高、重量轻、寿命长、可靠性高等优势，是未来空间技术得以更好应用的关键技术之一。
1-4K温区的制冷工质为氦气，由于氦气的转化温度较低，因此，需要前级预冷。采用回热式制冷机预冷的JT制冷技术，是实现液氦温区空间应用的主要途径。目前采用的回热式制冷机主要为脉管制冷技术，其内部气流处于交变振荡状态，受限于回热器填料物性问题，应用温区一般为10-20K；采用氦工质的JT制冷技术，其内部气体为直流流动状态，利用工质的实际气体效应产生制冷性能。将两者结合可以实现1-4K温区的高效制冷，是国际空间低温制冷的主要技术。
然而目前的脉管预冷JT获取深低温制冷方案，氦气的非理想气体效应使得10-20K温区的回热式制冷技术效率降低，使得整体输入功率较高；JT侧由于温度跨度常温至1-4K温区，需要额外增加多个换热器部件，使得系统结构较为复杂。10-20K温区氦气的非理想气体效应逐渐增加，导致脉管制冷机效率降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现1-4K温区的高效可靠制冷且结构紧凑。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，包括依次连通的主压缩机、斯特林制冷机、中间换热器、脉管制冷机、第一间壁式换热器、末级预冷换热器、第二间壁式换热器和蒸发器；所述第二间壁式换热器通过第二连接管路与所述蒸发器连接，所述第二连接管路上设置有节流元件；所述脉管制冷机的脉管冷头通过冷链与所述末级预冷换热器连通；所述中间换热器上设置有单向阀。
优选的，所述主压缩机通过第一连接管路与所述斯特林制冷机连接。
优选的，所述主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统还包括增压泵，所述增压泵一端与所述第一间壁式换热器连通，所述增压泵另一端与所述主压缩机连通，形成一闭环回路。
优选的，所述第二间壁式换热器通过JT回流管路与所述增压泵连接。
优选的，所述增压泵通过JT回流连接管路与所述主压缩机连接。
优选的，所述增压泵为传统无油泵或直流线性压缩机。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供了一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，包括依次连通的主压缩机、斯特林制冷机、中间换热器、脉管制冷机、第一间壁式换热器、末级预冷换热器、第二间壁式换热器和蒸发器，将回热式交变流动和JT直流流动两种方式进行耦合，并通过节流元件和单向阀进行主动控制，调节压力与流量的可控配比关系实现1-4K温区的高效可靠制冷且结构紧凑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统结构示意图。
其中：1-主压缩机，2-第一连接管路，3-斯特林制冷机，4-中间换热器，5-脉管制冷机，6-脉管冷头，7-单向阀，8-第二间壁式换热器，9-节流元件，10-蒸发器，11-JT回流管路，12-增压泵，13-JT回流连接管路，14-第一间壁式换热器，15-冷链，16-末级预冷换热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，以解决现有技术存在的问题，实现1-4K温区的高效可靠制冷且结构紧凑。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示：本实施例提供了一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，包括包括依次连通的主压缩机1、斯特林制冷机3、中间换热器4、脉管制冷机5、第一间壁式换热器14、末级预冷换热器16、第二间壁式换热器8和蒸发器10，，从而实现了将回热式交变流动和JT直流流动两种方式进行耦合，以满足1-4K的深低温制冷需求，第二间壁式换热器8通过第二连接管路与蒸发器10连接，第二连接管路上设置有节流元件9；脉管制冷机5的脉管冷头6通过冷链15与末级预冷换热器16连接；中间换热器4上设置有单向阀7，流体通过单向阀7，实现直流流动，作为JT制冷的高压流体，第一间壁式换热器14用于对高压流体预冷，并通过节流元件9和单向阀7进行主动控制，调节压力与流量的可控配比关系实现1-4K温区的高效可靠制冷且结构紧凑。
主压缩机1通过第一连接管路2与斯特林制冷机3连接。
主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统还包括增压泵12，增压泵12一端与第一间壁式换热器14连通，增压泵12另一端主压缩机1连通，形成一闭环回路，增压泵12用于提高回流的流体压力，使其与主压缩机1内流体压力相等。
第二间壁式换热器8通过JT回流管路11与增压泵12连接。
增压泵12通过JT回流连接管路13与主压缩机1连接。
增压泵12为传统无油泵或直流线性压缩机。
实施方法如下：
氦气在主压缩机1中被压缩产生交变流动压力波动，通过第一连接管路2进入斯特林制冷机3，来自斯特林制冷机3部分气流通过中间换热器4分流进入脉管制冷机5，中间换热器处经过单向阀7引出一股流量可控的单向流动的低温氦气，通过第二间壁式换热器8进入节流元件9，经节流元件9膨胀后在蒸发器10中产生两相低温流体提供冷量，后流经第二间壁式换热器8和JT回流管路11进入处于常温区域的增压泵12，将流体压力增加至与主压缩机1的背压腔内压力接近，最后，通过JT回流连接管路13进入主压缩机1，形成整体闭式回路，从而能够实现高效可靠制冷且结构紧凑。
该制冷系统可以同时在斯特林级(40～80K)、脉管级(10～30K)、蒸发器(1-4K)三个位置同时获取冷量。
在中间换热器部件处实现交流和直流的转化，提高低温脉管制冷效率，获得深低温紧凑结构。
斯特林制冷机3与脉管制冷机5通过中间换热器4连接。
中间换热器4为一种可以同时实现预冷脉管和气流分配作用的结构，还可以用于预冷脉管制冷机5的惯性管气库调相部件。
该中间换热器4可以作为斯特林冷头获取制冷量。
该中间换热器4可以安装单向阀7用于实现脉管中气体的直流流动。
可以单纯通过增压泵12实现直流闭环回路，亦可以通过增压泵12和单向阀7的组合调节方式实现直流闭环回路。
中间换热器4上单向阀7为一种可以在低温下高频启闭的结构。
高压管路上布置末级预冷换热器16，并通过冷链15与脉管冷头之间实现热连接。
脉管冷头上可以加工换热流道，用于中间换热器4流出的直流气体经过第二间壁式换热器8的预冷换热。
中间换热器4流出的高压气流与末级预冷换热器16之间增加第二间壁式换热器8，以回收冷量。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，其特征在于：包括依次连通的主压缩机、斯特林制冷机、中间换热器、脉管制冷机、第一间壁式换热器、末级预冷换热器、第二间壁式换热器和蒸发器；所述第二间壁式换热器通过第二连接管路与所述蒸发器连接，所述第二连接管路上设置有节流元件；所述脉管制冷机的脉管冷头通过冷链与所述末级预冷换热器连通；所述中间换热器上设置有单向阀。
2.根据权利要求1所述的主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，其特征在于：所述主压缩机通过第一连接管路与所述斯特林制冷机连接。
3.根据权利要求1所述的主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，其特征在于：还包括增压泵，所述增压泵一端与所述第一间壁式换热器连通，所述增压泵另一端与所述主压缩机连通，形成一闭环直流回路。
4.根据权利要求3所述的主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，其特征在于：所述第二间壁式换热器通过JT回流管路与所述增压泵连接。
5.根据权利要求3所述的主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，其特征在于：所述增压泵通过JT回流连接管路与所述主压缩机连接。
6.根据权利要求3所述的主动控制的交直流复合深低温机械制冷系统，其特征在于：所述增压泵为传统无油泵或直流线性压缩机。
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