CN113587507A - 一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置 - Google Patents

一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置。装置包括过滤单元，节流单元和蒸发单元。过滤单元用于过滤节流前的固体杂质颗粒，防止固体颗粒堵塞节流孔板上的节流小孔。节流单元中，节流法兰用于将节流孔板固定在节流基座上，节流孔板一侧布置密封银环，在紧固螺丝的作用下密封银环发生形变，起到密封的作用。蒸发单元内部的蒸发器内芯为多层丝网或多孔介质，可以有效地提高蒸发单元的换热效率，蒸发器外壳可加工成多种外形结构，利于与探测器和冷链等接口耦合。本发明的优点在于将过滤单元，节流单元和蒸发单元集成于一体，结构紧凑，有效地解决了液氦温区节流制冷机节流孔板堵塞的问题，提高液氦温区节流制冷机运行稳定性。

Description

一种液氦温区过滤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过滤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。预冷型焦耳-汤姆逊(JT)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，基于JT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。而节流和蒸发装置是预冷型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。目前预冷型JT制冷机中最常用的节流装置是节流孔板，相较于毛细管节流，节流孔板的装置体积更紧凑。但是节流孔板的劣势在于，液氦温区下管路内杂质气体凝固而成的颗粒和其他固体颗粒会造成节流孔板堵塞，使得节流孔板失去节流的能力，最终导致预冷型JT制冷机失效。因此，需要在节流装置前增加过滤装置，用于净化节流前的气体。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制冷系统中的过滤装置同通常布置于室温管路或二级预冷冷头，难以对凝固点接近于液氦温区的杂质气体进行过滤，例如固氢。同时过滤装置，节流装置和蒸发器分开布置的方案使得系统结构变得复杂，降低了装置可靠性。因此研制一种结构紧凑、便于安装、可靠性高和易于与探测器接口耦合的过滤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、可靠性高、换热高效、便于与探测器耦合的过滤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不紧凑、可靠性低、换热效率不高等问题。
本发明的技术方案是：
本发明提供了一种液氦温区过滤节流蒸发一体化的装置，包括过滤单元1中的过滤器外壳1.1和过滤器内芯1.2；节流单元2中的节流法兰2.1、节流孔板2.2、密封银环2.3和节流基座2.4；蒸发单元3中的蒸发器外壳3.1和蒸发器内芯3.2。其特征在于，所述过滤单元1，节流单元2和蒸发单元3集成于一体，过滤单元包括过滤器外壳1.1和过滤器内芯1.2，过滤器外壳1.1包括过滤入口接口1.1.1和过滤出口接口1.1.2；所述节流单元2包括节流法兰2.1、节流孔板2.2、密封银环2.3和节流基座2.4，节流法兰2.1包括节流法兰凸台2.1.1和节流入口接口2.1.2，节流基座2.4包括节流基座凹孔2.4.1和节流出口接口2.4.2；蒸发单元3包括蒸发器外壳3.1和蒸发器内芯3.2，蒸发器外壳3.1包括蒸发器入口接口3.1.1和蒸发器出口接口3.1.2。过滤入口接口1.1.1与来流高压氦气管路连接，高压氦气经过滤器内芯1.2过滤固体颗粒后进入节流单元2。节流孔板2.2一侧布置密封银环2.3并放置于节流基座凹孔2.4.1中，节流法兰2.1与节流基座2.4通过通过焊接连接，保证连接的密封性，在紧固力的作用下节流法兰凸台2.1.1挤压密封银环2.3使之发生形变起到密封的作用。高压氦气经节流孔板2.2节流至两相态后进入蒸发单元3进行换热，蒸发单元3中的蒸发器内芯3.2为强化换热结构，换热后的低压氦气经蒸发器出口接口3.1.2流入低压氦气管路。过滤单元1和节流单元2的连接通过过滤出口接口1.1.2与节流入口接口2.1.3焊接连接，节流单元2和蒸发单元3的连接通过节流出口接口2.1.2与蒸发入口接口3.1.1焊接连接，焊接连接可以有效地保证装置的密封性。
本发明的优点在于：将过滤单元，节流单元与蒸发单元一体化连接，结构紧凑，可靠性高，易于安装。过滤单元的过滤功能极大的提高了节流单元工作的可靠性，利于预冷型JT制冷机的稳定运行。各个部件间通过焊接连接和银环密封，有效地保证装置的密封性。蒸发器内的强化换热结构有效地提高了液氦温区蒸发器的换热性能，同时，蒸发器外壳可加工成任意的几何形状使得该装置与探测器的耦合更加方便。
附图说明：
图1为本发明液氦温区过滤节流蒸发一体装置的装置示意图；
图中：1.1、过滤器外壳；1.1.1、过滤入口接口；1.1.2过滤出口接口；1.2、过滤器内芯；2.1、节流法兰；2.1.1、节流法兰凸台；2.1.2、节流入口接口；2.2、节流孔板；2.3、密封银环；2.4、节流基座；2.4.1、节流基座凹孔；2.4.2、节流出口接口；3.1蒸发器外壳；3.2.1、蒸发入口接口；3.1.2、蒸发出口接口；3.2、蒸发器内芯
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，本发明液氦温区过滤节流蒸发一体的装置，包括过滤单元1中的过滤器外壳1.1和过滤器内芯1.2；节流单元2中的节流法兰2.1、节流孔板2.2、密封银环2.3和节流基座2.4；蒸发单元3中的蒸发器外壳3.1和蒸发器内芯3.2。
过滤入口接口1.1.1与来流高压氦气管路连接，高压氦气经过滤器内芯1.2过滤固体颗粒后进入节流单元2。节流孔板2.2一侧布置密封银环2.3并放置于节流基座凹孔2.4.1中，节流法兰2.1与节流基座2.4通过焊接连接，在紧固力的作用下节流法兰凸台2.1.1挤压密封银环2.3使之发生形变起到密封的作用。高压氦气经节流孔板2.2上节流小孔节流至两相态后进入蒸发单元3进行换热，蒸发单元3中的蒸发器内芯3.2为强化换热结构，换热后的低压氦气经蒸发器出口接口3.1.2流入低压氦气管路。蒸发器外壳3.1上加工有温度传感器和加热电阻安装螺纹孔，可分别测试蒸发器温度和制冷机冷量。过滤单元1和节流单元2的连接通过过滤出口接口1.1.2与节流入口接口2.1.3焊接连接，节流单元2和蒸发单元3的连接通过节流出口接口2.1.2与蒸发入口接口3.1.1焊接连接，焊接连接可以有效地保证装置的密封性。
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 (7)

1.一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，包括过滤单元(1)，节流单元(2)和蒸发单元(3)，其特征在于：
所述过滤单元(1)，节流单元(2)和蒸发单元(3)依次通过管路与接口焊接成一体，高压氦气经过过滤单元(1)过滤后进入节流单元(2)，在节流单元(2)中高压氦气节流后成为低压两相氦工质，随后两相氦工质进入蒸发单元(3)中进行换热，使得蒸发单元(3)达到液氦温区并可提供一定的冷量。
2.根据权利要求1所述的一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，其特征在于：所述的过滤单元(1)包括过滤器外壳(1.1)和过滤器内芯(1.2)，过滤器外壳(1.1)包括过滤入口接口(1.1.1)和过滤出口接口(1.1.2)。过滤入口接口(1.1.1)与来流高压氦气管路焊接连接，过滤器内芯(1.2)内置于过滤器外壳(1.1)中，高压氦气经过滤器内芯(1.2)过滤固体颗粒后经过滤出口接口(1.1.2)进入节流单元(2)。
3.根据权利要求1所述的一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，其特征在于：所述的节流单元(2)包括节流法兰(2.1)、节流孔板(2.2)、密封银环(2.3)和节流基座(2.4)，节流法兰(2.1)包括节流法兰凸台(2.1.1)和节流入口接口(2.1.2)，节流基座(2.4)包括节流基座凹孔(2.4.1)和节流出口接口(2.4.2)；经过滤单元(1)过滤后在高压氦气通过节流入口接口(2.1.2)进入节流单元(2)。节流孔板(2.2)一侧布置密封银环(2.3)并放置于节流基座凹孔(2.4.1)中，节流法兰(2.1)与节流基座(2.4)通过焊接连接，保证连接的密封性，在紧固力的作用下节流法兰凸台(2.1.1)挤压密封银环(2.3)使之发生形变起到密封的作用。高压氦气经节流孔板(2.2)节流至两相氦工质后经节流出口接口(2.4.2)进入蒸发单元(3)进行换热。
4.根据权利要求1所述的一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，其特征在于：所述的蒸发单元(3)包括蒸发器外壳(3.1)和蒸发器内芯(3.2)，蒸发器外壳(3.1)包括蒸发器入口接口(3.1.1)和蒸发器出口接口(3.1.2)。经节流单元(2)节流后的两相氦工质通过蒸发器入口接口(3.1.1)进入蒸发单元(3)；蒸发单元(3)中的蒸发器内芯(3.2)为强化换热结构，内置于蒸发器外壳(3.1)中。两相氦工质在蒸发器内芯(3.2)换热后的低压氦气经蒸发器出口接口(3.1.2)流入回流氦气管路。
5.根据权利要求2所述的一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，其特征在于：所述的过滤器内芯(1.2)为多层丝网结构或者多孔介质结构，内芯孔径需小于节流孔板(2.2)上节流小孔的孔径。
6.根据权利要求3所述的一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，其特征在于：所述的蒸发器外壳(3.1)的外形结构以及位于表面的接口形式应能与被耦合的探测器或低温冷链相匹配。
7.根据权利要求3所述的一种液氦温区过滤节流蒸发一体化装置，其特征在于：所述的蒸发器内芯(3.2)为多层丝网结构或者多孔介质结构，与蒸发器外壳(3.1)之间为过盈配合。
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