CN112880231A

CN112880231A - 吸附制冷系统

Info

Publication number: CN112880231A
Application number: CN202110156355.XA
Authority: CN
Inventors: 赵雅楠; 雷祎琳; 梁惊涛; 洪国同
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明提供一种吸附制冷系统，包括：低温冷源；吸附制冷机，所述吸附制冷机与所述低温冷源通过导热装置连接；储气腔，所述储气腔与所述吸附制冷机连通。本发明提供的吸附制冷系统，通过设置与吸附制冷机连通的储气腔，一方面能够有效降低吸附制冷机的结构强度要求，提高吸附制冷机的安全性能，防止吸附制冷机在室温环境下承受过高压力而出现安全性问题；另一方面能够使吸附制冷机在低温工作环境下获得足够质量的工质，在冷凝和制冷过程中产生充足的液体工质。同时，通过设置储气腔，既能够减小吸附制冷机腔体的体积和质量，便于系统灵活布局，又能够降低吸附制冷机的轴向漏热，使低温冷量更为高效地利用。

Description

吸附制冷系统

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种吸附制冷系统。

背景技术

吸附制冷技术是利用吸附效应使液体减压蒸发实现制冷效应。在不同温度下，吸附剂对吸附质的吸附率不同，通过周期性地加热和冷却吸附剂，使吸附质气体交替被解吸和吸附，利用吸附效应取代传统的机械压缩机获得制冷效果。由于没有运动部件，因此吸附制冷机具有工作寿命长、无振动、可靠性高、无电磁干扰等优点。

吸附式制冷机的工作温度取决于吸附质气体的性质。例如，在制冷温度为1K以下的极低温吸附制冷机中，选用氦气(⁴He或³He)作为吸附质，活性炭等多孔材料作为吸附剂，在压力足够低时，使用³He作为工质的吸附制冷机的最低温度能达到250mK左右，⁴He吸附制冷机最低温度能达到约590mK。

但是现在工作于低温温区的吸附制冷机，为了使其在低温环境下能够形成充足的液体，需要在室温环境下充入足够质量的气体工质，会使得在室温下吸附制冷机内部的气体压强高达数兆帕甚至达到10MPa以上，对吸附制冷机结构强度和安全性提出了更高的要求，从而导致其体积重量增加，还会造成吸附制冷机轴向导热漏热增大等不利影响。

发明内容

本发明提供一种吸附制冷系统，用以解决现有技术中吸附制冷机在室温下充气压力高导致结构强度要求高、安全性差的缺陷。

本发明提供一种吸附制冷系统，包括：低温冷源；吸附制冷机，所述吸附制冷机与所述低温冷源通过导热装置连接；储气腔，所述储气腔与所述吸附制冷机连通。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，还包括：冷屏，所述吸附制冷机设置在所述冷屏内，所述低温冷源与所述冷屏连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述低温冷源为多级低温冷源，所述多级低温冷源包括：一级冷头，与所述冷屏连接；二级冷头，设置在所述冷屏的内部，并与所述导热装置连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述储气腔与所述一级冷头或所述冷屏连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述多级低温冷源为多级低温制冷机。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述吸附制冷机包括：吸附床；泵管，所述泵管的一端与所述吸附床连接；蒸发器，所述蒸发器与所述泵管的另一端连接；其中，所述二级冷头通过所述导热装置与所述吸附床连接，并通过所述导热装置与所述泵管和/或所述蒸发器连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述导热装置包括：第一导热组件，所述第一导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述蒸发器连接；第二导热组件，所述第二导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述导热装置包括：第二导热组件，所述第二导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接；第二导热柱，所述第二导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述泵管连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述导热装置包括：第一导热组件，所述第一导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述蒸发器连接；第二导热组件，所述第二导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接；第二导热柱，所述第二导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述泵管连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述第一导热组件包括：第一导热柱，所述第一导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述蒸发器连接；第一热开关，所述第一热开关设置在所述第一导热柱上；所述第二导热组件包括：导热链和/或第二热开关，所述导热链或所述第二热开关的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接；其中，所述第二导热组件包括所述导热链和所述第二热开关时，所述第二热开关设置在所述导热链上。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，所述吸附制冷机还包括预冷器，安装在所述泵管，所述第二导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述预冷器连接。

根据本发明提供的一种吸附制冷系统，还包括：加热器，安装在所述吸附床的内部或外部。

本发明提供的吸附制冷系统，通过设置与吸附制冷机连通的储气腔，一方面能够有效降低吸附制冷机的结构强度要求，提高吸附制冷机的安全性能，防止吸附制冷机在室温环境下承受过高压力而出现安全性问题；另一方面能够使吸附制冷机在低温工作环境下获得足够质量的工质，在冷凝和制冷过程中产生充足的液体工质。同时，通过设置储气腔，既能够减小吸附制冷机腔体的体积和质量，便于系统灵活布局，又能够降低吸附制冷机的轴向漏热，使低温冷量更为高效地利用，还能通过对储气腔进行预冷减小多级低温制冷机的制冷负担，节约多级低温制冷机的制冷量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的吸附制冷系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的吸附制冷系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的吸附制冷系统的结构示意图之三；

附图标记：

10：冷屏； 20：多级低温制冷机； 21：一级冷头；

22：二级冷头； 30：吸附制冷机； 31：吸附床；

32：泵管； 33：蒸发器； 34：预冷器；

40：储气腔； 51：第一导热柱； 52：第一热开关；

53：导热链； 54：第二热开关； 55：第二导热柱；

56：加热器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动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。

下面结合图1-图3描述本发明的吸附制冷系统。

如图1至图3所示，在本发明的一个实施例中，吸附制冷系统包括：低温冷源、吸附制冷机30、导热装置以及储气腔40。低温冷源与吸附制冷机30通过导热装置连接，为吸附制冷机30提供冷源，储气腔40与吸附制冷机30连通，以使气体工质由储气腔40进入吸附制冷机30内。

具体来说，本发明实施例提供的吸附制冷系统的工作原理为：整个吸附制冷系统放置于真空环境中，在初始条件下处于室温状态，吸附制冷机30的腔体和储气腔40内部的工质均处于气体状态。低温冷源为吸附制冷机30提供冷源，使吸附制冷机30的温度不断下降，气体工质在吸附制冷机30内进行冷却，变成液体工质。随着冷凝过程的不断进行，吸附制冷机30腔体中的压力逐渐下降，储气腔40中的气体不断地向吸附制冷机30的腔体内补充，最终使吸附制冷机30内产生充足的液体工质。当吸附制冷机30的腔体被冷却到一定的低温条件时，吸附制冷机30腔体内的吸附剂的吸附效应增强，气体工质被吸附到吸附剂中，吸附制冷机30中的压力进一步下降，吸附制冷机30中的液体工质发生减压蒸发，产生制冷效应，使吸附制冷机30的温度进一步下降，最终达到最低的制冷温度，吸附制冷机30中剩余液体工质即可转化为吸附制冷机30可以利用的低温制冷量，通过吸附制冷机30将低温制冷量向被冷却器件传递。

进一步地，通过设置储气腔40，能够使吸附制冷机30在满足低温工作时所需液体工质质量的情况下，有效降低吸附制冷机30结构强度要求，提高吸附制冷机30的安全性能，防止吸附制冷机30在室温环境下承受过高压力而导致安全性问题。

进一步地，在本发明的一个实施例中，低温冷源可为装有液氦、液氖、液氢或液氮等低温液体的杜瓦或储罐作为低温冷源，也可以为低温制冷机。

进一步地，在本发明的一个实施例中，吸附制冷机30包括依次连接的吸附床31、泵管32和蒸发器33，吸附床31中设置有吸附剂，用于吸附气体工质。

进一步地，对于工作于低温环境下的吸附制冷机30，常用的工质包括氮气、氖气、氢气、氦气(³He和⁴He)等，根据不同工作温区要求，选择不同的气体作为工质。采用活性炭、分子筛等具有吸附效应的物质作为吸附剂，这些吸附材料通常具有多孔结构，能够吸附相应的气体工质。

本发明实施例提供的吸附制冷系统，通过设置与吸附制冷机连通的储气腔，一方面能够有效降低吸附制冷机的结构强度要求，提高吸附制冷机的安全性能，防止吸附制冷机在室温环境下承受过高压力而出现安全性问题；另一方面能够使吸附制冷机在低温工作环境下获得足够质量的工质，在冷凝和制冷过程中产生充足的液体工质。同时，通过设置储气腔，既能够减小吸附制冷机腔体的体积和质量，便于系统灵活布局，又能够降低吸附制冷机的轴向漏热，使低温冷量更为高效地利用。

如图1-图3所示，在本发明的一个实施例中，吸附制冷系统还包括冷屏10。吸附制冷机30设置在冷屏10内，低温冷源与冷屏10连接。储气腔40可设置在冷屏10内，也可以设置在冷屏10的外部。

具体来说，冷屏10与低温冷源连接，通过低温冷源将冷屏10冷却至较低的温度，利用冷屏10降低外界对吸附制冷系统内部低温部件的辐射漏热。进一步地，冷屏10由导热性能好的材料制成，例如紫铜、无氧铜、纯铝、铝合金等。储气腔40设置在冷屏10内，通过冷屏10对储气腔40进行冷却降温，使储气腔40中的气体工质被预冷到较低的温度，然后再进入吸附制冷机30的腔体中，以利于吸附制冷机30更快地实现制冷。同时，通过设置冷屏10对储气腔40进行预冷，能够减小低温冷源的制冷负担，节约低温冷源的制冷量。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，低温冷源包括：一级冷头21和二级冷头22，一级冷头21与冷屏10连接，可通过一级冷头21将冷屏10冷却至较低的温度。二级冷头22设置在冷屏10的内部，并与导热装置连接。具体来说，在工作过程中，二级冷头22的温度低于一级冷头21的温度，二级冷头22和一级冷头21能够提供不同温区的低温冷量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，储气腔40还可与一级冷头21或冷屏10连接，以使储气腔40中的气体工质被预冷到较低的温度，然后再进入吸附制冷机30的腔体中，以利于吸附制冷机30更快地实现制冷。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多级低温冷源为多级低温制冷机20。具体来说，多级低温制冷机20包括G-M制冷机、斯特林制冷机、脉冲管制冷机等。可选地，在本实施例中，多级低温制冷机20采用多级斯特林型脉冲管制冷机，其具有体积小、重量轻、寿命长以及可靠性高等优点。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，吸附制冷机30包括：吸附床31、泵管32和蒸发器33。泵管32的两端分别与吸附床31和蒸发器33连接。二级冷头22通过导热装置与吸附床31连接，并通过导热装置与泵管32或蒸发器33连接，同时，也可通过导热装置与泵管32和蒸发器33同时连接。蒸发器33的底部安装有蒸发器冷头，用于将低温制冷量向被冷却器件传递。

具体来说，泵管32通常由不锈钢、钛合金等热导率较低、强度较好的材料制成薄壁管，沿着其径向具有较大的导热热阻，利用泵管32在吸附床31和蒸发器33之间形成较大的温度梯度，降低吸附床31向蒸发器33的导热漏热。蒸发器33壳体也可以选用不锈钢、钛合金等热导率较低、强度较好的材料制成，进一步降低吸附制冷机30轴向的导热漏热。储气腔40通过管道与吸附床31相连，由于连接位置远离蒸发器33，可以使通过储气腔40向蒸发器33的漏热降低，减少吸附制冷机30的低温冷量损失。管道可以由小管径的不锈钢薄壁管制成，进一步降低管道的导热漏热。

进一步地，如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，吸附制冷机还包括预冷器34，安装在泵管32。具体来说，预冷器34可套接在泵管32的外部，也可安装在上下两段泵管32的中间。

如图1-图3所示，在本发明的一个实施例中，导热装置包括：第一导热组件、第二导热组件和第二导热柱55。具体来说，第一导热组件的两端分别与二级冷头22和蒸发器33连接；第二导热组件的两端分别与二级冷头22和吸附床31连接；第二导热柱55的两端分别与二级冷头22和泵管32连接，进一步地，第二导热柱55的两端也可分别与二级冷头22和预冷器34连接。

进一步地，第一导热组件包括：第一导热柱51和第一热开关52，第一导热柱51的两端分别与二级冷头22和蒸发器33连接，第一热开关52设置在第一导热柱51上，用于控制二级冷头22和蒸发器33之间导热路径的通断。

可选地，第二导热组件包括导热链53，导热链53的两端分别与二级冷头22和吸附床31连接。可选地，第二导热组件也可以为第二热开关54，第二热开关54的两端分别与二级冷头22和吸附床31连接。可选地，第二导热组件也可以为：导热链53和第二热开关54的组合，导热链53的两端分别与二级冷头22和吸附床31连接，第二热开关54设置在导热链53上，用于控制二级冷头22和吸附床31之间导热路径的通断。

具体来说，第一导热柱51对吸附制冷机30起到固定支撑作用，具有柔性的导热链53能够使吸附制冷系统便于装配，消除温度变化形成的应力。第一导热柱51和第二导热柱55的导热性能优于导热链53，通常情况下，采用导热链53的连接方式能够使吸附制冷机30实现单次制冷工作，为了使吸附制冷机30能够重复循环工作，可以采用第二热开关54取代导热链53，或者将导热链53与第二热开关54结合使用，通过控制第二热开关54的通断，使吸附床31与二级冷头22之间的导热路径导通或断开，实现间歇性制冷工作。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一导热柱51、导热链53、第二导热柱55由导热性能好的材料和结构制成，例如紫铜、无氧铜、纯铝、铝合金等，以便于将吸附制冷机30的热量向二级冷头22高效传递。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一热开关52和第二热开关54可以是机械热开关、磁热开关、气隙式热开关、热管等。可选地，在本实施例中，第一热开关52和第二热开关54为气隙式热开关。

具体来说，如图2所示，通过第二导热柱55将预冷器34与多级低温制冷机20的二级冷头22进行连接，通过导热链53将吸附床31与多级低温制冷机20的二级冷头22连接。在工作过程中，预冷器34被冷却到非常低的温度，当气体工质由吸附床31通过泵管32流向蒸发器33时，通过预冷器34对气体工质进行预冷，使气体工质在进入蒸发器33以前被冷却，减小蒸发器33的冷却负担。同时，通过预冷器34对泵管32中部进行冷却，能够使温度较高的吸附床31沿着泵管32向蒸发器33传递的热量由预冷器34带走，减少吸附制冷机30沿着轴向对蒸发器33的导热漏热，从而使蒸发器33能够达到更低的温度。在本实施例中，由于蒸发器33没有与二级冷头22进行热连接，所以无法直接在蒸发器33内形成液体，气体工质流经预冷器34附近时凝结为液体，然后可以借助重力作用流入蒸发器33中汇集，这种结构使吸附制冷系统更加简洁。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，吸附制冷系统还包括加热器56，加热器56安装在吸附床31的外部或内部。具体来说，加热器56可以是加热片、加热块、加热丝或加热棒等，加热器56既可以设置在吸附床31的外部，也可以设置在吸附床31的内部。

以下以图1-图3所示的实施例为例，详细说明本发明提供的吸附制冷系统的工作原理。

如图1所示，整个吸附制冷系统放置于真空环境中，在初始条件下处于室温状态，吸附制冷机30的吸附床31和储气腔40内部的工质均处于气体状态。当开启多级低温制冷机20以后，一级冷头21和二级冷头22的温度不断下降，与它们分别连接的冷屏10和吸附制冷机30的温度随之不断下降，二级冷头22通过第一导热柱51、第一热开关52与蒸发器33连接。在工作过程中，蒸发器33的蒸发器冷头直接被二级冷头22冷却到低温工作温度，气体工质直接在蒸发器33内冷凝为液体工质。当蒸发器33内积累了充足的液体工质以后，随着吸附床31温度的下降，吸附剂的吸附能力逐渐增强，液体工质发生减压蒸发实现制冷效应，最终使剩余液体工质和蒸发器冷头降至最低温度。通过第一热开关52连接二级冷头22和蒸发器33，能够自由控制导热路径的导通或断开，气体工质可以直接在蒸发器33内部凝结为液体，使本实施例的吸附制冷系统不依赖重力作用也能够正常工作。在本实施例中，也可以采用第二热开关54取代导热链53，或者将导热链53与第二热开关54结合使用，通过控制第二热开关54的通断，使吸附床31与二级冷头22之间的导热路径导通或断开，使吸附制冷机30能够重复循环工作，实现间歇性制冷。

如图2所示，整个吸附制冷系统放置于真空环境中，在初始条件下处于室温状态，吸附制冷机30的吸附床31和储气腔40内部的工质均处于气体状态。当开启多级低温制冷机20以后，一级冷头21和二级冷头22的温度不断下降，与它们分别连接的冷屏10和吸附制冷机30的温度随之不断下降，与二级冷头22连接的预冷器34最先被冷却到低温工作温区，气体工质在预冷器34附近区域进行冷凝，在重力作用下流入到蒸发器33中，对蒸发器33进行冷却，液体工质逐渐汇集。随着冷凝过程的不断进行，吸附制冷机30吸附床31中的压力逐渐下降，储气腔40中的气体继续不断地向吸附制冷机30的吸附床31内进行补充，最终使蒸发器33中产生充足的液体工质。当吸附床31被冷却到一定的低温条件时，吸附剂的吸附效应增强，气体工质被吸附到吸附剂中，吸附制冷机30中的压力进一步下降，蒸发器33中的液体工质发生减压蒸发，产生制冷效应，使蒸发器33温度进一步下降，最终达到最低的制冷温度，蒸发器33中剩余液体工质即可转化为吸附制冷机30可以利用的低温制冷量，通过蒸发器冷头将低温制冷量向被冷却器件传递。

如图3所示，整个吸附制冷系统放置于真空环境中，在初始条件下处于室温状态，吸附制冷机30的吸附床31和储气腔40内部的工质均处于气体状态。当开启多级低温制冷机20以后，一级冷头21和二级冷头22的温度不断下降，与它们分别连接的冷屏10和吸附制冷机30的温度随之不断下降，通过第一导热柱51、第一热开关52将蒸发器33与二级冷头22进行热连接；通过第二热开关54将吸附床31与二级冷头22进行连接；通过第二导热柱55将预冷器54与二级冷头22进行连接。在吸附床31上设置了加热器56，通过加热器56对吸附床31内部的吸附剂进行加热，使气体工质发生脱附，以便吸附制冷过程能够重复循环。利用预冷器34能够对流过泵管32的气体工质进行预冷，降低吸附床31向蒸发器33的轴向导热漏热。利用第一热开关52和第二热开关54能够灵活地控制二级冷头22与吸附制冷机30相应导热路径的通断，结合加热器56对吸附剂进行加热，能够使吸附制冷机30切换各种不同的工作模式，重复循环工作，实现间歇性制冷。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种吸附制冷系统，其特征在于，包括：

低温冷源；

吸附制冷机，所述吸附制冷机与所述低温冷源通过导热装置连接；

储气腔，所述储气腔与所述吸附制冷机连通。

2.根据权利要求1所述的吸附制冷系统，其特征在于，还包括：

冷屏，所述吸附制冷机设置在所述冷屏内，所述低温冷源与所述冷屏连接。

3.根据权利要求2所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述低温冷源为多级低温冷源，所述多级低温冷源包括：

一级冷头，与所述冷屏连接；

二级冷头，设置在所述冷屏的内部，并与所述导热装置连接。

4.根据权利要求3所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述储气腔与所述一级冷头或所述冷屏连接。

5.根据权利要求3所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述多级低温冷源为多级低温制冷机。

6.根据权利要求3所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述吸附制冷机包括：

吸附床；

泵管，所述泵管的一端与所述吸附床连接；

蒸发器，所述蒸发器与所述泵管的另一端连接；

其中，所述二级冷头通过所述导热装置与所述吸附床连接，并通过所述导热装置与所述泵管和/或所述蒸发器连接。

7.根据权利要求6所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述导热装置包括：

第一导热组件，所述第一导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述蒸发器连接；

第二导热组件，所述第二导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接。

8.根据权利要求6所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述导热装置包括：

第二导热组件，所述第二导热组件的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接；

第二导热柱，所述第二导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述泵管连接。

9.根据权利要求6所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述导热装置包括：

10.根据权利要求7或9所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述第一导热组件包括：

第一导热柱，所述第一导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述蒸发器连接；

第一热开关，所述第一热开关设置在所述第一导热柱上；

所述第二导热组件包括：

导热链和/或第二热开关，所述导热链或所述第二热开关的两端分别与所述二级冷头和所述吸附床连接；

其中，所述第二导热组件包括所述导热链和所述第二热开关时，所述第二热开关设置在所述导热链上。

11.根据权利要求8所述的吸附制冷系统，其特征在于，所述吸附制冷机还包括预冷器，安装在所述泵管，所述第二导热柱的两端分别与所述二级冷头和所述预冷器连接。

12.根据权利要求6所述的吸附制冷系统，其特征在于，还包括：

加热器，安装在所述吸附床的内部或外部。