CN114087810B - 一种节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种节流制冷器，包括高压储气瓶、芯轴、螺旋毛细翅片管、节流阀以及密封外壳。在本申请中，螺旋毛细翅片管在热端的螺旋翅片的螺距大于在冷端的螺旋翅片的螺距。相比于传统翅片螺距等间距的节流制冷器，本申请的制冷器一方面在轴向方向上可以造成更大的压降，使得节流效应更强烈，温度下降更加快速，节流阀孔口上游处的密度更大，从而造成了更大的质量流量，另一方面由于合理的翅片排布，靠近热端处翅片稀疏，靠近冷端处翅片密集，因此所消耗的换热材料更少，整体的有效热容相较于传统结构更小，但是换热更加强烈。本申请的节流换热器可以使得降温时间缩短，从而达到快速启动。

Description

一种节流制冷器

技术领域

本申请涉及红外器件、低温电子、医疗器械等领域所使用的制冷器，具体是一种节流制冷器。

背景技术

J-T节流制冷器具有体积小、冷却时间短、可靠性高，无机械运动部件和抗电磁干扰等优点。其中它的无运动部件这一特点使得它在稳定流动时噪声低且冷头振动小，具有较高的灵敏度，在一些精密的光学仪器中有着较高需求。目前广泛应用于集成电子设备、红外制导、热成像摄像机、导弹制导系统等领域。在军事领域中，双方都使用先进的红外制导武器，以抢先发现对手目标，从而快速响应。红外制导系统的核心红外部件通常需要在70-100 K的低温环境下工作，实现快速启动是未来作战响应的迫切需要。快速降温低温冷却器装置的研发已成为重点发展方向。作为低温冷却器中的冷却能力回收组件，回热器在很大程度上决定了系统的整体热性能，例如冷却速率，冷却能力等等。因此，换热器的优化设计和性能分析对于制冷器性能至关重要。

目前传统的等间距螺距节流制冷器在降温阶段质量流量较小，导致了较少的换热和冷量，进而使得降温速度慢，制冷器启动所需时间长。

发明内容

本申请的目的在于解决传统等间距翅片结构的节流制冷器降温时间长、启动慢的问题，提供了一种能够减少降温时间，达到快速启动的节流制冷器。

为实现上述目的，本申请所采用的技术方案是：包括芯轴以及轴向螺旋缠绕在芯轴上的螺旋毛细翅片管，在螺旋毛细翅片管外套装有密封外壳，芯轴的下端与密封外壳之间具有蒸发腔，外部热负载紧贴在蒸发腔的外壁面，密封外壳远离蒸发腔的一端开设有排出管；

所述螺旋毛细翅片管包括毛细管以及螺旋缠绕在毛细管上的螺旋翅片，所述毛细管的进口与高压储气瓶连通，毛细管出口与蒸发腔连通，所述毛细管进口侧的流体温度大于毛细管出口侧的流体温度，且在毛细管出口设置有节流阀。

所述的螺旋毛细翅片管的毛细管的进口端为热端，出口端为冷端，所述热端即稀疏段螺旋毛细翅片管的螺距大于冷端即密集段螺旋毛细翅片管的螺距。

所述的螺旋毛细翅片管包括多个微元，每个微元绕芯轴的周向一圈，所述热端即稀疏段螺旋毛细翅片管在同一个微元内的螺距相同，所述冷端即密集段螺旋毛细翅片管在同一个所述微元内的螺距相同。

所述的热端即稀疏段螺旋毛细翅片管每个微元的螺距相同，所述冷端即密集段螺旋毛细翅片管每个微元内的螺距相同。

所述的螺旋毛细翅片管的螺旋翅片间距由下式得到：

(1)

(2)

式中n为整个螺旋毛细翅片管沿轴向的微元数，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为稀疏段螺旋毛细翅片管的微元数，密集段螺旋毛细翅片管的微元数为m-n，

为毛细管螺距，

为密封外壳内径，

为芯轴外径，n＝50，m＝0.8n＝40，α、β为修正系数，α＝0.3，β＝0.15。

所述的热端即稀疏段螺旋毛细翅片管沿毛细管进口侧至冷端即密集段螺旋毛细翅片管分为A、B、C三个部分，每个部分内螺旋翅片的螺距相同，且A、B、C三个部分螺旋翅片的螺距为A<B<C；

所述的冷端即密集段螺旋毛细翅片管沿热端即稀疏段螺旋毛细翅片管至毛细管出口侧分为D、E两个部分，每个部分内螺旋翅片的螺距相同，且D、E两个部分螺旋翅片的螺距为D<E。

所述的各部分螺旋翅片的螺距由下式得到：

(3)

(4)

式中n为整个换热器沿轴向的微元数，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为稀疏段的微元数，密集段的微元数为m-n，

为毛细管螺距，

为外壳内径，

为芯轴外径，n＝50，m＝0.6n＝30，α、β为修正系数，α＝0.13，β＝0.0127。

所述的芯轴的材料为蒙乃尔合金，密闭外壳的材料为杜瓦，毛细管的材料为不锈钢，螺旋翅片的材料为铜。

所述的高压储气瓶的压力为12兆帕至20兆帕。

本发明结合超临界流体的特性，基于翅片结构形式与制冷剂随温度的物性变化的特点，深入研究节流制冷器的瞬态特性和回热器工作特点。本申请采用热端疏冷端密的翅片结构，该翅片结构下的节流制冷器被分为两个部分，分别为稀疏段和密集段。稀疏段的翅片螺距较大，在每个微元上的翅片数量相对较少，整体质量小，有效固体热容较小，固体散热所消耗的冷量较小。密集段的翅片螺距较小，在每个微元上的翅片数量相对较多，整体质量较大，有效固体热容较大，固体散热所消耗的冷量较小，但是由于靠近冷端处的温度差更大更加密集的翅片造成了更大的换热面积，增强了换热。

热流体在毛细管内自上而下呈螺旋状流动，经过毛细管出口处的节流阀后其温度和压力大幅下降，在冷端成为过冷流体，在与外部热负载进行换热后，冷流体在芯轴、螺旋毛细翅片管与外壳形成的环形空间中自下而上流动，对毛细管内的热流体进行预冷。

本申请基于热端疏冷端密结构可以减少换热器整体有效热容，增加降温阶段的质量流量这一特点进一步研究热端疏冷端密双螺旋节流制冷器稀疏段和密集段在不同变化趋势下的特性，提出了热端疏冷端密双螺旋节流制冷器稀疏段和密集段翅片螺距连续变化由热端向冷端逐步减少失误新型结构。相比于传统翅片螺距等间距的节流制冷器，本申请的制冷器一方面在轴向方向上可以造成更大的压降，使得节流效应更强烈，温度下降更加快速，节流阀孔口上游处的密度更大，从而造成了更大的质量流量，另一方面由于合理的翅片排布，靠近热端处翅片稀疏，靠近冷端处翅片密集，因此所消耗的换热材料更少，整体的有效热容相较于传统结构更小，但是换热更加强烈。本申请的节流换热器可以使得降温时间缩短，从而达到快速启动。

附图说明

图1a为本的整体结构示意图；

图1b为本发明流体流动示意图；

图2为本发明稀疏段螺旋毛细翅片管与密集段螺旋毛细翅片管分界点处局部放大图；

图3 为质量流量随时间变化示意图；

图4为冷端温度随时间降温示意图。

其中：1-高压储气瓶，2-毛细管，3-芯轴，4-螺旋毛细翅片管，5-密封外壳，6-螺旋翅片，7-稀疏段螺旋毛细翅片管，8-密集段螺旋毛细翅片管，9-节流阀，10-蒸发腔，11-外部热负载，12-排出管。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1a、图1b和图2所示，为本发明包括高压储气瓶1、螺旋毛细翅片管4、节流阀9、芯轴3以及密封外壳5。

螺旋毛细翅片管4沿芯轴3的轴向螺旋缠绕在芯轴3上。

密封外壳5位于螺旋毛细翅片管4远离芯轴3的一侧，该芯轴3的下端与密封外壳5之间具有蒸发腔10，外部热负荷11紧贴蒸发腔10的外壁面，密封外壳5远离蒸发腔10的一端开设有排出管12。

螺旋毛细翅片管4包括毛细管2以及螺旋翅片6，毛细管2缠绕在芯轴3上，螺旋翅片6缠绕在毛细管2上，毛细管2进口与高压储气瓶1连通，毛细管2出口与蒸发腔10连通。其中，高压储气瓶1用于储存高压制冷剂。

其中，螺旋毛细翅片管4的毛细管2的进口端为热端，出口端为冷端，所述热端即稀疏段螺旋毛细翅片管7的螺距大于冷端即密集段螺旋毛细翅片管8的螺距。也即是，靠近热端处的毛细管2上的螺旋翅片6的螺距稀疏，靠近冷端处的毛细管2上的螺旋翅片6螺距密集，螺旋毛细翅片管4呈现“热端疏冷端密”的结构。

节流阀9设置在毛细管2出口，对流体进行节流，使得流体温度和压力大幅下降。

该毛细管2被配置为：毛细管2进口侧的流体温度大于毛细管2出口侧的流体温度。

本申请实施例提供的节流制冷器的工作原理如下：热流体从高压储气瓶1的进气口进入螺旋毛细翅片管4的毛细管2内，在毛细管2内由上而下做螺旋流动降温后，经过节流阀9等焓膨胀，压力和温度均大幅度降低，在蒸发腔10内低温低压气液两相流体冲击外部热负荷11，吸热蒸发带走外部热负荷11的热量。随后作为冷流体在芯轴3、螺旋毛细翅片管4与密封外壳5之间形成的环形通道内由下而上呈螺旋流动状态，冷却螺旋毛细翅片管4内的热流体后经排出管12排向大气。

本发明毛螺旋毛细翅片管4包括多个微元，每个微元绕芯轴3的周向一圈，所述热端即稀疏段螺旋毛细翅片管7在同一个微元内的螺距相同，所述冷端即密集段螺旋毛细翅片管8在同一个所述微元内的螺距相同。

稀疏段螺旋毛细翅片管7与密集段螺旋毛细翅片管8的螺距大小有多种可能的实现方式，本申请以下两种可能的实现方式为例进行示意性说明：

在第一种可能的实现方式中，热端即稀疏段螺旋毛细翅片管7每个微元的螺距相同，所述冷端即密集段螺旋毛细翅片管8每个微元内的螺距相同。

其中，螺旋毛细翅片管4的螺旋翅片6间距由下式得到：

(1)

(2)

式中n为整个换热器沿轴向的微元数，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为稀疏段的微元数，密集段的微元数为m-n，

为毛细管螺距，

为密封外壳内径，

为芯轴外径。n＝50，m＝0.8n＝40。α、β为修正系数，α＝0.3，β＝0.15。

热流体在螺旋毛细翅片管4内自上而下做螺旋运动。冷流体在芯轴3、螺旋毛细翅片管4与密封外壳5形成的环形空间中自下而上螺旋流动，对毛细翅片管内的热流体冷却，最终排入大气。

相比于传统的等翅片螺距节流制冷器，在耗材减少的情况下，降温时间大大减少。本申请翅片分布更加合理，整体的有效热容更小，固体所需要消耗的冷量更少。在降温阶段，质量流量更大。本申请可以实现快速启动。

本实施中采用节流制冷器的翅片螺距可以分为两部分，热端翅片螺距为1.305毫米，冷端翅片螺距为0.173毫米，分离点为40，即稀疏段微元数为40，密集段微元数为10。如图3所示，在降温阶段本申请实施例的节流制冷器质量流量均大于传统制冷器质量流量。本申请实例的换热器质量比传统换热器质量减少了21.6%。如图4所示，本申请实施例中所采用的节流制冷器冷端降至最低温度91 K所需要的时间为3.626秒，传统等间距结构的节流制冷器冷端降至最低温度91 K所需要的时间为4.041秒，本申请实施例可以减少10.27%的降温时间。

在第二种可能的实现方式中，热端即稀疏段螺旋毛细翅片管7沿毛细管2进口侧至冷端即密集段螺旋毛细翅片管8分为A、B、C三个部分，每个部分内螺旋翅片6的螺距相同，且A、B、C三个部分螺旋翅片6的螺距为A<B<C；

冷端即密集段螺旋毛细翅片管8沿热端即稀疏段螺旋毛细翅片管7至毛细管2出口侧分为D、E两个部分，每个部分内螺旋翅片6的螺距相同，且D、E两个部分螺旋翅片6的螺距为D<E。

各部分螺旋翅片6的螺距由下式得到：

(3)

(4)

式中n为整个换热器沿轴向的微元数，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为稀疏段的微元数，密集段的微元数为m-n，

为毛细管螺距，

为外壳内径，

为芯轴外径。n＝50，m＝0.6n＝30。α、β为修正系数，α＝0.13，β＝0.0127。

本申请实施中采用节流制冷器的翅片螺距可以分为五个部分，本申请实例的换热器质量比传统换热器质量减少了16.9%。本申请实施例中所采用的节流制冷器冷端降至最低温度91 K所需要的时间为3.821秒，传统等间距结构的节流制冷器冷端降至最低温度91K所需要的时间为4.041秒，本申请实施例可以减少5.4%的降温时间。

可选的，在本申请中，芯轴3的材料可以包括蒙乃尔合金，密闭外壳5的材料可以包括杜瓦，毛细管2的材料可以包括不锈钢，螺旋翅片6的材料可以包括铜。

可选的，高压储气瓶1的压力的范围为12兆帕至20兆帕，高压储气瓶1的体积的范围为100立方厘米至500立方厘米。

综上所述，本申请结合超临界流体的特性，基于翅片结构形式与制冷剂随温度的物性变化的特点，深入研究节流制冷器的瞬态特性和回热器工作特点。本申请采用热端疏冷端密的翅片结构，该翅片结构下的节流制冷器被分为两个部分，分别为稀疏段和密集段。稀疏段的翅片螺距较大，在每个微元上的翅片数量相对较少，整体质量小，有效固体热容较小，固体散热所消耗的冷量较小。密集段的翅片螺距较小，在每个微元上的翅片数量相对较多，整体质量较大，有效固体热容较大，固体散热所消耗的冷量较小，但是由于靠近冷端处的温度差更大更加密集的翅片造成了更大的换热面积，增强了换热。热流体在毛细管内自上而下呈螺旋状流动，经过毛细管出口处的节流阀后其温度和压力大幅下降，在冷端成为过冷流体，在与外部热负载进行换热后，冷流体在芯轴、螺旋毛细翅片管与外壳形成的环形空间中自下而上流动，对毛细管内的热流体进行预冷。

本申请基于热端疏冷端密结构可以减少换热器整体有效热容，增加降温阶段的质量流量这一特点进一步研究热端疏冷端密双螺旋节流制冷器稀疏段和密集段在不同变化趋势下的特性，提出了热端疏冷端密双螺旋节流制冷器稀疏段和密集段翅片螺距连续变化由热端向冷端逐步减少失误新型结构。相比于传统翅片螺距等间距的节流制冷器，本申请的制冷器一方面在轴向方向上可以造成更大的压降，使得节流效应更强烈，温度下降更加快速，节流阀孔口上游处的密度更大，从而造成了更大的质量流量，另一方面由于合理的翅片排布，靠近热端处翅片稀疏，靠近冷端处翅片密集，因此所消耗的换热材料更少，整体的有效热容相较于传统结构更小，但是换热更加强烈。本申请的节流换热器可以使得降温时间缩短，从而达到快速启动。

Claims (6)

1.一种节流制冷器，其特征在于，包括芯轴（3）上的螺旋毛细翅片管（4），在螺旋毛细翅片管（4）外套装有密封外壳（5），芯轴（3）的下端与密封外壳（5）之间具有蒸发腔（10），外部热负载（11）紧贴在蒸发腔（10）的外壁面，密封外壳（5）远离蒸发腔（10）的一端开设有排出管（12）；

所述螺旋毛细翅片管（4）包括毛细管（2）以及螺旋缠绕在毛细管（2）上的螺旋翅片（6），所述的螺旋毛细翅片管（4）的毛细管（2）的进口端为热端，出口端为冷端，所述热端即稀疏段螺旋毛细翅片管（7），冷端即密集段螺旋毛细翅片管（8），所述毛细管（2）的进口与高压储气瓶（1）连通，毛细管（2）出口与蒸发腔（10）连通，所述毛细管（2）进口侧的流体温度大于毛细管（2）出口侧的流体温度，且在毛细管（2）出口设置有节流阀（9）；

所述的螺旋毛细翅片管（4）的螺旋翅片（6）间距由下式得到：

(1)

(2)

式中n为整个螺旋毛细翅片管（4）沿轴向的微元数，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为稀疏段螺旋毛细翅片管（7）的微元数，密集段螺旋毛细翅片管（8）的微元数为m-n，

为毛细管螺距，

为密封外壳内径，

为芯轴外径，n＝50，m＝0.8n＝40；

所述的热端即稀疏段螺旋毛细翅片管（7）沿毛细管（2）进口侧至冷端即密集段螺旋毛细翅片管（8）分为A、B、C三个部分，每个部分内螺旋翅片（6）的螺距相同，且A、B、C三个部分螺旋翅片（6）的螺距为A<B<C；

所述的冷端即密集段螺旋毛细翅片管（8）沿热端即稀疏段螺旋毛细翅片管（7）至毛细管（2）出口侧分为D、E两个部分，每个部分内螺旋翅片（6）的螺距相同，且D、E两个部分螺旋翅片（6）的螺距为D<E；

所述的螺旋翅片（6）的A、B、C、D、E螺距由下式得到：

(3)

(4)

式中n为整个换热器沿轴向的微元数，每个微元的长度为所缠绕毛细管螺距的整数倍，i表示从热流体入口开始划分的第i个微元，m为稀疏段的微元数，密集段的微元数为m-n，

为毛细管螺距，

为外壳内径，

为芯轴外径，n＝50，m＝0.6n＝30，α、β为修正系数，α＝0.13，β＝0.0127。

2.根据权利要求1所述的节流制冷器，其特征在于，所述的热端即稀疏段螺旋毛细翅片管（7）的螺距大于冷端即密集段螺旋毛细翅片管（8）的螺距。

3.根据权利要求2所述的节流制冷器，其特征在于，所述的螺旋毛细翅片管（4）包括多个微元，每个微元绕芯轴（3）的周向一圈，所述热端即稀疏段螺旋毛细翅片管（7）在同一个微元内的螺距相同，所述冷端即密集段螺旋毛细翅片管（8）在同一个所述微元内的螺距相同。

4.根据权利要求3所述的节流制冷器，其特征在于，所述的热端即稀疏段螺旋毛细翅片管（7）每个微元的螺距相同，所述冷端即密集段螺旋毛细翅片管（8）每个微元内的螺距相同。

5.根据权利要求1所述的节流制冷器，其特征在于，所述的芯轴（3）的材料为蒙乃尔合金，密封外壳（5）的材料为杜瓦，毛细管（2）的材料为不锈钢，螺旋翅片（6）的材料为铜。

6.根据权利要求1所述的节流制冷器，其特征在于，所述的高压储气瓶（1）的压力为12兆帕至20兆帕。

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