CN110762876A - 一种液氦温区节流蒸发一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氦温区节流蒸发一体化装置。其包括节流法兰，节流孔板，密封银环，锥形导流槽道，蒸发器底板和蒸发器盖板。节流法兰用于将节流孔板固定在锥形导流槽道入口前，节流孔板两侧通过密封银环密封，节流法兰与锥形导流槽道通过螺接固定。锥形导流槽道与蒸发单元通过钎焊连接，提高密封性；蒸发器底板加工成叉排针肋结构，有效提高蒸发器换热效率。蒸发器盖板为规则矩形表面，利于与探测器接口或冷链等耦合。蒸发器盖板两侧加工有器件安装凸台，便于安装加热电阻和温度传感器。本发明优点在于将节流单元与蒸发单元一体化，结构紧凑，易于安装，并且通过钎焊连接，有效地保证密封性。同时，规则的几何形状使得装置与冷链连接更加方便。

Description

一种液氦温区节流蒸发一体化装置

技术领域：

本发明隶属于深低温制冷领域，具体涉及到一种液氦温区节流蒸发一体的装置。

背景技术：

空间探测器中的量子超导干涉器件，空间远红外探测器件，毫米波与亚毫米波探测器以及宇宙背景探测等空间探测器的工作温度在液氦温区甚至mK温区，其中mK温区的制冷需要液氦温区制冷机为其预冷。预冷型节流制冷是一种高可靠性的深低温制冷方式，与传统的低温制冷方式相比，它消除了冷端的机械运动部件，用焦耳-汤姆逊节流制冷效应进行制冷，以此达到液氦温区。预冷型JT制冷机具有结构简单、振动小、可靠性高等优点。而节流蒸发装置是预冷型JT制冷机的关键部件，它们的结构和性能直接影响到制冷机的整体制冷性能。

节流装置在预冷型JT系统中起到节流的作用，目的是将高压氦气节流降压至液氦温区低压两相氦工质。蒸发器在制冷系统中起到提供冷量的作用，经节流后的两相氦工质在蒸发器中蒸发相变，提供冷量。现有预冷型JT制冷系统中的节流装置与蒸发器两者分离，使得系统结构复杂且不紧凑，复杂的结构也降低了装置稳定性。目前应用较为广泛的深低温蒸发器多为螺旋盘管结构，具有体积大、难以与接口探测器连接等缺点。因此研制一种结构紧凑、便于安装、装置稳定性高和易于与探测器接口连接的节流蒸发一体化装置显得尤为重要。发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单紧凑、换热高效、易于加工与安装、便于与探测器接口连接的节流蒸发一体的装置，解决了现有深低温制冷系统中节流和蒸发单元装置复杂、紧凑性差、换热效率不高等问题。

本发明提供了一种液氦温区节流蒸发一体化的装置，分为节流单元1和蒸发单元2，包括节流法兰1.1、节流孔板1.2、密封银环1.3、锥形导流槽道1.4、叉排针肋式蒸发器底板2.1、蒸发器盖板2.2和器件安装凸台2.2.1；

其特征在于：节流法兰1.1将节流孔板1.2固定在锥形导流槽道1.4入口前，节流孔板1.2两侧通过密封银环1.3进行密封，节流法兰1.1与锥形导流槽道1.4通过螺接固定。锥形导流槽道1.4与叉排针肋式蒸发器底板2.1通过钎焊连接，叉排针肋式蒸发器底板2.1与蒸发器盖板2.2通过钎焊连接；

节流孔板1.2直径不超过5mm，板上小孔孔径在20um至45um之间；节流孔板1.2两侧通过密封银环1.3进行密封，密封银环1.3被挤压发生形变后填充接触面间隙，起到密封效果；叉排针肋式蒸发器底板2.1通过叉排针肋对来流氦气工质产生扰流作用；蒸发器盖板2.2为规则的矩形表面，便于与探测器接口、杜瓦冷链等进行耦合连接；器件安装凸台2.2.1位于蒸发器盖板2.2两侧表面，凸台上开有间距为8.5mm，深5mm的M1.6螺纹孔，便于测温、加热元件的安装。

所述节流法兰1.1进气口开焊接凹槽，与高压进气管间隙配合后通过银焊固定密封，并通过螺丝固定在锥形导流槽道1.4上；节流孔板1.2置于锥形导流槽道1.4一侧凹槽内，两侧分别放置密封银环1.3，节流法兰1.1一侧圆管压紧密封银环1.3；锥形导流槽道1.4与叉排针肋式蒸发器底板2.1和蒸发器盖板2.2通过钎焊固定密封；

本发明的优点在于：将节流部件与蒸发部件一体化，结构紧凑，易于安装，并且关键部位通过钎焊连接和银环密封，有效地保证装置的密封性。同时，规则的几何形状使得装置与冷链的连接更加方便。

附图说明：

图1为本发明液氦温区节流蒸发一体装置的装置示意图；

图中：1、1.1、节流法兰；1.2、节流孔板；1.3、密封银环；1.4、锥形导流槽道；2.1、叉排针肋式蒸发器底板；2.2蒸发器盖板；2.2.1、器件安装凸台。

具体实施方式：

下面结合附图及实施案例进一步描述本发明。

如图1所示，本发明液氦温区节流蒸发一体的装置，包括节流法兰1.1、节流孔板1.2、密封银环1.3、锥形导流槽道1.4、针肋叉排式蒸发器底板2.1、蒸发器盖板2.2和器件安装凸台2.2.1；

节流法兰1.1进气口开焊接凹槽，与高压进气管间隙配合后通过银焊固定密封，并通过螺接固定于锥形导流槽道1.4上；直径5mm的节流孔板1.2置于锥形导流槽道1.4入口前，节流孔板1.3两侧分别放置线径1mm的密封银环1.3，节流法兰1.1一侧凸台圆管在螺丝的压紧力下挤压密封银环1.3，使其发生形变起到密封效果；锥形导流槽道1.4与针肋叉排式蒸发器底板2.1和蒸发器盖板2.2通过钎焊固定密封；蒸发器盖板2.2出口圆管开焊接凹槽，与低压出气管间隙配合后通过银焊固定密封，蒸发器盖板2.2上加工了两个器件安装凸台2.2.1，安装Cernox低温温度传感器和加热电阻，分别用于测试蒸发器工作温度和确定蒸发器制冷量。

该发明装置的工作过程按以下步骤进行：

1装置气体置换过程：

节流蒸发一体装置运行前需要确保管路中无杂质气体，因此在工作前需对装置进行管道气体置换。首先对装置进行抽真空操作，节流孔板2两侧管路真空度保持在10^-4Pa以上，维持一段时间后进行充气操作，充气工质为高纯度氦气(99.999％)，当节流孔板)两侧压力一致时充气过程结束，一个置换周期结束。重复进行上述置换操作若干次即可除去节流蒸发一体化装置和管路中杂质气体。

2降温过程

节流蒸发一体化装置运行时，压缩机排出的高压氦气工质经过预冷降至转化温度以下后进入节流法兰1.1，之后通过节流孔板1.2上30μm的节流小孔。根据焦耳-汤姆逊效应，经节流过后的氦气工质温度降低达到液氦温区，变成两相流。

3换热过程

经过节流后的两相流氦气工质经过锥形导流槽道1.4导流后均匀进入蒸发器中叉排针肋结构，低温氦气两相流流经叉排针肋时，在导热和流动对流换热的作用下，一部分冷量由针肋结构导出，实现制冷的效果。当液氦温度升高至其沸点时，液氦蒸发提供可观的冷量并传导至蒸发器，达到制冷的目的。

4回温过程

节流蒸发一体化装置结束运行时仍具有较低的温度，不能直接打开真空罐使其接触大气，以防装置表面结霜影响性能。而制冷系统处于真空环境中，热量只能通过辐射换热导入，故被动回温方式时间较长，因此需要采用主动加热回温。蒸发器盖板)上的器件安装凸台2.2.1安装加热电阻，为节流蒸发一体化装置提供回温所需热量，缩短装置回温所需时间。

最后应说明的是：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，这些变化和改进都要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。

Claims (4)

1.一种液氦温区节流蒸发一体化装置，包括节流单元(1)中的节流法兰(1.1)、节流孔板(1.2)、密封银环(1.3)、锥形导流槽道(1.4)与蒸发单元(2)中的叉排针肋式蒸发器底板(2.1)和蒸发器盖板(2.2)，其特征在于：

所述的节流单元(1)与蒸发单元(2)集成于一体，所述节流单元(1)包括节流法兰(1.1)、节流孔板(1.2)、密封银环(1.3)和锥形导流槽道(1.4)；所述蒸发单元(2)包括叉排针肋式蒸发器底板(2.1)、蒸发器盖板(2.2)和器件安装凸台(2.2.1)；所述的蒸发器盖板(2.2)包括侧壁面的器件安装凸台(2.2.1)；节流法兰(1.1)将节流孔板(1.2)固定在锥形导流槽道(1.4)入口前，节流孔板(1.2)两侧通过密封银环(1.3)进行密封，节流法兰(1.1)与锥形导流槽道(1.4)通过螺接固定；锥形导流槽道(1.4)与叉排针肋式蒸发器底板(2.1)通过钎焊连接，叉排针肋式蒸发器底板(2.1)与蒸发器盖板(2.2)通过钎焊连接。

2.根据权利要求1所述的一种液氦温区节流蒸发一体化装置，其特征在于，所述的节流孔板(1.2)直径不超过5mm，板上小孔孔径在20um至45um之间。

3.根据权利要求1所述的一种液氦温区节流蒸发一体化装置，其特征在于，所述蒸发器盖板(2.2)为规则的矩形表面，便于与探测器接口、杜瓦冷链等进行耦合连接。

4.根据权利要求1所述的一种液氦温区节流蒸发一体化装置，其特征在于，所述器件安装凸台(2.2.1)位于蒸发器盖板(2.2)两侧表面，凸台上开有间距为8.5mm，深5mm的M1.6螺纹孔，便于测温、加热元件的安装。