CN112283974A - 一种自带预冷的节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷与低温工程技术领域，提供了一种自带预冷的节流制冷器，包括换热器，还包括依次布设的多级预冷组件，每一级所述预冷组件均包括用于制冷的节流元件、供气流进入的入流通道以及供用于与所述换热器进行换热的气流回流的回流通道，每一所述入流通道均置于所述换热器中，各所述入流通道以及各所述回流通道均依次导通，且在每一级所述预冷组件中，所述入流通道、所述节流元件以及所述回流通道依次导通。本发明的通过配合换热器集成设置的多级预冷组件，在不增大制冷器的体积和重量的情况下，还能够通过回流的方式形成预冷循环，进行迅速地预冷降温，可提高制冷器的降温速率，降低制冷器的降温时间。

Description

一种自带预冷的节流制冷器

技术领域

本发明涉及制冷与低温工程技术领域，具体为一种自带预冷的节流制冷器。

背景技术

节流制冷器在红外热像仪、导弹制导、医疗和空间应用等民用和军事装备上广泛应用。与其他低温制冷机相比，它具有体积小、质量轻、降温快、可靠性高等优点。

节流制冷器不仅为红外导引系统提供低温环境，而且与导弹的性能密切相关，比如制冷器的降温时间决定了导弹的反应时间，制冷器的蓄冷时间决定了导弹的飞行时间。其中快速启动的地空导弹等武器系统一般采用节流制冷器，如美国的Stinger、俄罗斯的Igla等。

现有技术中，对于要求快速制冷的场合，一般选择开式节流制冷器，也有为了提高降温速率，采用预冷的方式，虽能提高制冷器的降温速率，但是现有常规预冷方式增大了制冷器的体积和重量，不利于系统的集成和小型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自带预冷的节流制冷器，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种自带预冷的节流制冷器，包括换热器，还包括依次布设的多级预冷组件，每一级所述预冷组件均包括用于制冷的节流元件、供气流进入的入流通道以及供用于与所述换热器进行换热的气流回流的回流通道，每一所述入流通道均置于所述换热器中，各所述入流通道以及各所述回流通道均依次导通，且在每一级所述预冷组件中，所述入流通道、所述节流元件以及所述回流通道依次导通。

进一步，还包括气瓶，第一级所述预冷组件的所述入流通道与所述气瓶连通。

进一步，还包括冷指，各所述回流通道均位于所述换热器和所述冷指之间。

进一步，所述冷指和所述换热器均为锥形结构，各级所述预冷组件沿所述锥形结构的大口径端至小口径端依次布设。

进一步，位于所述小口径端处的所述预冷组件为最后一级预冷组件，该最后一级预冷组件的节流元件设于所述换热器的小口径端面上。

进一步，还包括位于所述锥形结构的小口径端处的蒸发室，最后一级预冷组件的节流元件处于所述蒸发室内。

进一步，还包括冷盘，所述冷盘置于所述冷指的外侧。

进一步，每一所述节流元件均为开设于换热器上的节流孔。

进一步，每一级所述预冷组件的节流孔的孔径均不同。

进一步，每一级所述预冷组件的节流孔均为锥形孔，且沿所述换热器内至所述换热器外的方向，所述锥形孔的孔径渐扩。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过配合换热器集成设置的多级预冷组件，在不增大制冷器的体积和重量的情况下，还能够通过回流的方式形成预冷循环，进行迅速地预冷降温，可提高制冷器的降温速率，降低制冷器的降温时间。

2、预冷循环和制冷循环所需的高压气体均源自于同一气瓶，因此预冷和制冷的节流元件采用不同大小的直径，从而进一步保证及优化制冷器末端的降温速率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种自带预冷的节流制冷器的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种自带预冷的节流制冷器的自预冷流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种自带预冷的节流制冷器的节流元件的示意图；

附图标记中：1-冷盘；2-蒸发室；3-制冷级节流元件；4-换热器；5-二级预冷节流元件；6-芯轴；7-一级预冷节流元件；8-冷指；9-一级预冷换热器；10-二级预冷换热器；11-制冷级换热器；a-入流通道；b-回流通道。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种自带预冷的节流制冷器，包括换热器4以及依次布设的多级预冷组件，每一级所述预冷组件均包括用于制冷的节流元件、供气流进入的入流通道a以及供用于与所述换热器4进行换热的气流回流的回流通道b，每一所述入流通道a均置于所述换热器4中，各所述入流通道a以及各所述回流通道b均依次导通，且在每一级所述预冷组件中，所述入流通道a、所述节流元件以及所述回流通道b依次导通。在本实施例中，在不改变制冷器体积和大小的前提下，在原制冷器的结构上增加节流元件，形成预冷循环。同时预冷循环与下一级的制冷循环相互独立，并提前预冷下一级制冷的热端，从而提高降温速率。采用多级预冷的形式来进行预冷，可以迅速地预冷降温，可提高制冷器的降温速率，降低制冷器的降温时间。具体地，这里面涉及到两个通道，一个通道是气体工质进入的，我们将其定义为入流通道a，有几级预冷组件，就有几个入流通道a，这些入流通道a是依次连通的，还有一个通道是回流通道b，有几级预冷组件，就有几个回流通道b，这些回流通道b也是依次连通的，即气体工质经过了该级预冷组件中的节流元件降温制冷后，会回流，去将入流通道a中的气体工质的温度降低，因此随着时间的推移，从上一级预冷组件中的气体工质流至下一级预冷组件中的气体工质的温度是会降低的，而且是一级比一级低，从而实现预冷循环。以三级预冷组件来举例说明，第三级是最后一级，它体现的制冷效果最好，因此我们将第一级预冷组件的节流元件定义为一级预冷节流元件7，将第二级预冷组件的节流元件定义为二级预冷节流元件5，将第三级预冷组件的节流元件定义为制冷级节流元件3，这三级预冷组件是依次连通的，而对应的，我们也可以将换热器4按照三级划分为三段，第一级是一级预冷换热器9，第二级是二级预冷换热器10，第三级是制冷级换热器11，三级预冷组件可以沿着换热器的长度方向来布设，这三级正好对应换热器划分的三级。首先，气瓶流出的高压气体工质q首先进入一级预冷换热器9的入流通道a中(各入流通道a均是置于换热器中的)，即第一级所述预冷组件的所述入流通道a远离第二级所述预冷组件的所述入流通道a的一端与所述气瓶连通，一部分气体工质q1经过一级预冷节流元件7产生制冷效应，冷气回流进入到该级预冷组件的回流通道b中，与一级预冷换热器9中的高压气体换热，并形成一级预冷循环；另一部分气体工质q2进入第二预冷换热器的入流通道a中，q2经过二级预冷节流元件5产生制冷效应，冷气回流进入到该级预冷组件的回流通道b中，与二级预冷换热器10产生制冷效应，并形成二级预冷循环；另一部分气体工质q3进入制冷级制冷循环，经制冷级节流元件3产生冷气体，达到最冷状态，后续再与其他部件配合降温，下面实施例再来详述。至于选择多少级可以根据实际情况而定，上述仅为举例说明。优选的，入流通道a和回流通道b平行设置，且二者中的工质的流动方向是相反的，如此可以保证换热器的换热效率更高。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，本节流制冷器还包括冷指8，各所述回流通道b均位于所述换热器4和所述冷指8之间。在本实施例中，各所述回流通道b是均设于所述换热器外的，具体地是在换热器和冷指8之间，冷指8为制冷器的常规部件，此处就不再详述其具体的结构和工作原理。优选的，换热器4缠绕于芯轴6上。进一步优化上述方案，请参阅图1和图2，所述冷指8和所述换热器4均为锥形结构，各级所述预冷组件沿所述锥形结构的大口径端至小口径端依次布设。在本实施例中，本制冷器整体结构形式是锥形结构，如此可以按照锥形结构的形状来布设多级预冷组件，具体地，位于所述小口径端处的所述预冷组件为最后一级预冷组件，该最后一级预冷组件的节流元件设于所述换热器的小口径端面上，预冷组件是从锥形结构的大口径端至小口径端，逐级分布，在小口径端处是最后一级预冷组件。将预冷元件分别布置于制冷器的不同高度。每个预冷元件与原有的换热器等部件可分别形成不同的预冷循环，上一级制冷的冷端可作为下一级制冷的热端。

进一步优化上述方案，请参阅图1和图2，本节流制冷器还包括位于所述锥形结构的小口径端处的蒸发室2，最后一级预冷组件的节流元件处于所述蒸发室2内。在本实施例中，经制冷级节流元件3产生的冷气在蒸发室2中与热负载进行换热，同时回流冷却高压气体到制冷级换热器11，这里的循环形式与上述的循环形式相同。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，本节流制冷器还包括冷盘1，所述冷盘1置于所述冷指8的外侧。在本实施例中，接上面的实施例，工质经制冷级节流元件3降温降压，并在蒸发室2中压力进一步释放，产生气液两相流体，以射流冲击传热的方式与冷盘1上面的热负载进行换热。将冷盘1置于冷指8的外侧，具体是在小口径端面上，从而增大蒸发室2的体积并提高热负载的换热面积。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，每一所述节流元件均为开设于换热器上的节流孔。在本实施例中，节流元件采用的是节流孔，每一级所述预冷组件的节流孔的孔径均不同，预冷循环和制冷循环所需的高压气体均源自于同一气瓶，因此应对其进行流量适配，预冷和制冷的节流元件采用不同大小的直径，从而进一步保证及优化制冷器末端的降温速率。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图2和图3，每一级所述预冷组件的节流孔均为锥形孔，且沿所述换热器内至所述换热器外的方向，所述锥形孔的孔径渐扩。在本实施例中，采用锥形孔的形式，可以进一步降低节流后的压力，增强节流制冷效应。优选的，节流孔可由激光打孔制备，为了保障节流孔的锥形形态，可调节激光的打孔次数等参数，同时利用激光打孔时两个面所受能量的不同，制备出锥形形态。优选的，制备的所述锥形孔的小口径开口的口径控制在0.04～0.2mm之间，在选择孔径时，越小的孔径可以给出越大的阻力，但是为了保证工质的制冷效应，最小尺寸不应小于0.04mm，而最大尺寸控制在0.2mm。优选的，节流孔的数量有多个，当节流孔的面积一定时(即在不改变制冷时间的前提下)，多个节流孔的形式可以在一定范围内增大节流孔的阻力，其质量流量减小，因此可以提升其蓄冷时间，另外，两个或多个节流孔的阻力增大可以造成节流前后的压差增大，从而增强微分节流制冷效应，缩短降温时间。节流制冷器的制冷效果是节流积分效应的放大，积分效应的增大对提升节流制冷机的性能是有利的。因此增大节流孔的阻力是提升节流制冷机性能的一种有效途径。本发明通过增加节流孔的个数，并使其在顶端的一段上均匀布设的形式，增加了在一定面积内的节流孔的阻力，从而提升制冷器的降温速率、减少制冷器的气体消耗量，提高目标的冷却效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种自带预冷的节流制冷器，包括换热器，其特征在于：还包括依次布设的多级预冷组件，每一级所述预冷组件均包括用于制冷的节流元件、供气流进入的入流通道以及供用于与所述换热器进行换热的气流回流的回流通道，每一所述入流通道均置于所述换热器中，各所述入流通道以及各所述回流通道均依次导通，且在每一级所述预冷组件中，所述入流通道、所述节流元件以及所述回流通道依次导通。

2.如权利要求1所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：还包括气瓶，第一级所述预冷组件的所述入流通道与所述气瓶连通。

3.如权利要求1所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：还包括冷指，各所述回流通道均位于所述换热器和所述冷指之间。

4.如权利要求3所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：所述冷指和所述换热器均为锥形结构，各级所述预冷组件沿所述锥形结构的大口径端至小口径端依次布设。

5.如权利要求4所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：位于所述小口径端处的所述预冷组件为最后一级预冷组件，该最后一级预冷组件的节流元件设于所述换热器的小口径端面上。

6.如权利要求5所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：还包括位于所述锥形结构的小口径端处的蒸发室，最后一级预冷组件的节流元件处于所述蒸发室内。

7.如权利要求3所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：还包括冷盘，所述冷盘置于所述冷指的外侧。

8.如权利要求1所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：每一所述节流元件均为开设于换热器上的节流孔。

9.如权利要求8所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：每一级所述预冷组件的节流孔的孔径均不同。

10.如权利要求8所述的一种自带预冷的节流制冷器，其特征在于：每一级所述预冷组件的节流孔均为锥形孔，且沿所述换热器内至所述换热器外的方向，所述锥形孔的孔径渐扩。

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