CN117847852A - 一种缩短启动时间的双工质节流制冷器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种缩短启动时间的双工质节流制冷器及控制方法，该双工质节流制冷器包括第一气体工质源、第二气体工质源和节流制冷组件，所述节流制冷组件包括预冷级制冷组件和制冷级制冷组件，所述预冷级制冷组件的进气端通过管道连接所述第一气体工质源，所述制冷级制冷组件的进气端通过管道与所述第一气体工质源和第二气体工质源连接。该发明通过设计制冷级制冷组件的进气端连接两种不同制冷量的气体工质源，从而控制制冷级的进气方式，使制冷级在制冷器降温初始阶段采用更大制冷量的第一气体工质，后期再采用第二气体工质，提升了制冷级前段温区的降温速率，进而有效缩短了制冷器整体启动时间。

Description

一种缩短启动时间的双工质节流制冷器及控制方法

技术领域

本发明属于节流制冷器技术领域，具体涉及一种缩短启动时间的双工质节流制冷器及控制方法。

背景技术

节流制冷探测器因其体积小、制冷时间短、电磁干扰小等特点，被广泛应用于空空及防空导弹中，新一代红外焦平面探测器发展方向为Swap3(小尺寸、低重量、高性能、低功耗和低成本集为一体)，探测器芯片常常受温度的限制，需要开发更低温区的节流制冷器。

双工质型节流制冷器主要包括高压气瓶、换热管、芯轴、节流孔及连接管路等，换热管通过螺旋盘绕的方式固定于芯轴上；一般地，高压气瓶内的工质流经换热管并在节流孔处产生温降，节流后的低温返流气体工质流经换热管外部翅片，与换热管内来流气体工质换热后排出到环境；这样，高温来流气体工质不断被低温返流气体工质冷却，使得气体工质可以在较低温度下节流进而获得更低制冷温度，直到一部分气体工质被液化，达到气液两相平衡状态。相较于现有的单工质型节流制冷器，双工质型节流制冷器采用两级喷射式结构，预冷级采用氩气实现快速预冷，制冷级采用氮气实现更低制冷温度，两者结合可实现节流制冷器更低温区的快速制冷。

现有双工质型节流制冷器采用两路进气管独立同时进气，一般制冷级工质采用氮气，预冷级工质采用氩气，利用氩气的大冷量可以在短时间内将制冷级高压氮气冷却，从而制冷级也可以在短时间内降至较低温度(相较于100K)；其整机启动时间包含两部分，即制冷级工质被预冷到合适的节流前温度的时间以及制冷级工质冷却杜瓦的时间。然而现有进气方式的制冷级采用氮气作为制冷工质，制冷量偏小，从而在冷却制冷级热质量时偏慢，进而延长整机启动时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种缩短启动时间的双工质节流制冷器，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种缩短启动时间的双工质节流制冷器，包括第一气体工质源、第二气体工质源和节流制冷组件，所述节流制冷组件包括预冷级制冷组件和制冷级制冷组件，所述预冷级制冷组件的进气端通过管道连接所述第一气体工质源，所述制冷级制冷组件的进气端通过管道与所述第一气体工质源和第二气体工质源连接。

进一步的，所述第一气体工质源为氩气源，第二气体工质源为氮气源。

进一步的，所述第一气体工质源通过第一进气管与所述预冷级制冷组件的进气端连接，所述第二气体工质源通过第二进气管与所述制冷级制冷组件的进气端连接，所述第一进气管与所述第二进气管通过连接管连通，且所述连接管与第二进气管通过三通阀连接。

进一步的，所述第一进气管上设有截止阀，且所述截止阀位于所述第一气体工质源与所述连接管之间。

进一步的，所述预冷级制冷组件包括预冷级换热管，所述预冷级换热管的进气端与所述第一进气管连接，所述预冷级换热管的出气端设有预冷级节流元件。

进一步的，所述预冷级换热管有两根，且两根预冷级换热管呈双螺旋并排布置，两根所述预冷级换热管的一端部相连通，且所述预冷级节流元件位于此两根预冷级换热管的连接处。

进一步的，所述制冷级制冷组件包括制冷级换热管，所述制冷级换热管的进气端与所述第二进气管连接，所述制冷级换热管的出气端设有制冷级节流元件，且所述制冷级换热管至少部分位于所述预冷级制冷组件的制冷区域。

进一步的，上述双工质节流制冷器还包括杜瓦，所述节流制冷组件置于所述杜瓦内，所述节流制冷组件与所述杜瓦的壳体之间形成气体腔，所述制冷级制冷组件的出气端与气体腔连通。

另外，本发明还提供了上述双工质节流制冷器的控制方法，包括如下步骤：

在双工质节流制冷器降温的初始阶段，开启第一气体工质源，关闭第二气体工质源，第一气体工质源分别向预冷级制冷组件和制冷级制冷组件输送第一气体工质，第一气体工质经过预冷级制冷组件和制冷级制冷组件产生节流效应排出冷气体；

待制冷级制冷组件排出冷气体温度降至预设温度值时，关闭第一气体工质源向制冷级制冷组件输送第一气体工质，同时开启第二气体工质源向制冷级制冷组件输送第二气体工质，直至制冷级制冷组件排出冷气体冷却工件至目标温度。

进一步的，所述第一气体工质节流产生的制冷量大于相同条件下第二气体工质节流产生的制冷量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的这种双工质节流制冷器通过设计制冷级制冷组件的进气端连接两种不同制冷量的气体工质源，从而控制制冷级的进气方式，使制冷级在制冷器降温初始阶段采用更大制冷量的第一气体工质，后期再采用第二气体工质，提升了制冷级前段温区的降温速率，进而有效缩短了制冷器整体启动时间。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明缩短启动时间的双工质节流制冷器的结构示意图。

附图标记说明：1、第一气体工质源；2、第二气体工质源；3、连接管；4、截止阀；5、第一进气管；6、三通阀；7、第二进气管；8、预冷级换热管；9、预冷级节流元件；10、制冷级换热管；11、制冷级节流元件；12、杜瓦；13、气体腔。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实施例提供了一种缩短启动时间的双工质节流制冷器，包括第一气体工质源1、第二气体工质源2和节流制冷组件，所述节流制冷组件包括预冷级制冷组件和制冷级制冷组件，所述预冷级制冷组件的进气端通过管道连接所述第一气体工质源1，所述制冷级制冷组件的进气端通过管道与所述第一气体工质源1和第二气体工质源2连接。其中，第一气体工质源1用于输送第一气体工质，第二气体工质源2用于输送第二气体工质，同时设定在相同条件下，第一气体工质节流产生的制冷量大于第二气体工质节流产生的制冷量，例如，第一气体工质可采用氩气，第二气体工质可采用氮气，相同条件下，氮气本身物性决定了其节流产生的制冷量仅为氩气的三分之一，而第一气体工质和第二气体工质的具体选择可根据待降温工件的降温温区进行确定。

采用本实施例的双工质节流制冷器进行制冷工作时，在双工质节流制冷器降温的初始阶段，开启第一气体工质源1，关闭第二气体工质源2，第一气体工质源1分别向预冷级制冷组件和制冷级制冷组件输送第一气体工质，第一气体工质经过预冷级制冷组件和制冷级制冷组件产生节流效应排出冷气体，在此制冷器降温的初始阶段，预冷级与制冷级均采用节流制冷量更大的第一气体工质进行制冷；而由于受工件的制冷目标温度限制，制冷级工质只能使用第二气体工质，因而待制冷级制冷组件排出冷气体温度降至某一预设温度值时，关闭第一气体工质源1向制冷级制冷组件输送第一气体工质，第一气体工质源1持续向预冷级制冷之间输送第一气体工质，同时开启第二气体工质源2向制冷级制冷组件输送第二气体工质，直至制冷级制冷组件排出冷气体冷却工件至目标温度。

作为一种具体的实施方式，所述第一气体工质源1通过第一进气管5与所述预冷级制冷组件的进气端连接，所述第二气体工质源2通过第二进气管7与所述制冷级制冷组件的进气端连接，所述第一进气管5与所述第二进气管7通过连接管3连通，且所述连接管3与第二进气管7通过三通阀6连接。工作时，开始第一气体工质源1和第二气体工质源2均处于关闭状态，制冷器未工作；然后同时开启第一气体工质源1和三通阀6，此时第一气体工质源1输送第一气体工质，同时三通阀6使连接管3与第二进气管7连通，第一工质气体分成两路，一路通过第一进气管5进入预冷级制冷组件，产生节流效应后预冷制冷级制冷组件，另一路通过连接管3经第二进气管7进入制冷级制冷组件，产生节流效应后排出冷气体冷却工件；待制冷级制冷组件排出冷气体温度降至预设温度值时，旋转三通阀6，关闭连接管3与第二进气管7的连接，而使第二进气管7与第二气体工质源2连通，同时开启第二气体工质源2，此时第一气体工质源1仍处于开启状态，第一气体工质仅经第一进气管5进入预冷级制冷组件，与此同时，第二气体工质源2输送第二气体工质进入制冷级制冷组件，产生节流效应后排出冷气体冷却工件至目标温度。在本实施例中，预设温度值应大于第一气体工质的液化温度，至少保证第一气体工质不会液化。

本实施例提供的这种双工质节流制冷器通过设置连通管3和三通阀6将预冷级的第一进气管5和制冷级的第二进气管7连通，从而可改变制冷级的进气方式，对于制冷级而言，采用两种气体工质分时间段进气方式，即在制冷器降温初始阶段，制冷级采用制冷量更大的第一气体工质制冷，在降温后期阶段，则采用适宜工件制冷目标温区的第二气体工质制冷；通过改进的这种进气方式，制冷级采用制冷量更大的第一气体工质将工件降温至某一温度的时间相比于采用第二气体工质降至相同温度的降温时间更短，由于制冷器的启动时间包含制冷级气体工质被预冷到合适的节流前温度的时间和制冷级工质冷却工件的时间两部分，而采用本实施例的这种双工质节流制冷器和进气方式，大大缩短了制冷级气体工质被预冷到合适的节流前温度的时间，进而达到缩短整机启动时间的目的。

在一些实施例中，所述第一进气管5上设有截止阀4，通过截止阀4控制第一气体工质输送的开启/关闭；具体的，所述截止阀4设置于第一进气管5上位于第一气体工质源1与连接管3之间部分。

作为一种具体实施方式，所述预冷级制冷组件包括预冷级换热管8，所述预冷级换热管8的进气端与所述第一进气管5连接，所述预冷级换热管8的出气端设有预冷级节流元件9；第一气体工质通过第一进气管5进入预冷级换热管8，再流经预冷级换热管8抵达预冷级节流元件9，高压的第一气体工质经过预冷级节流元件9时，压力骤然降低，产生节流效应，导致第一气体工质温度降低，形成的冷气体以用于冷却制冷级组件。同样的，所述制冷级制冷组件包括制冷级换热管10，所述制冷级换热管10的进气端与所述第二进气管7连接，所述制冷级换热管10的出气端设有制冷级节流元件11，且所述制冷级换热管10至少部分位于所述预冷级制冷组件的制冷区域；制冷级的气体工质(即第一气体工质或第二气体工质)通过第二进气管进入制冷级换热管10，再流经制冷级换热管10抵达制冷级节流元件11，高压的制冷级的气体工质经过制冷级节流元件11时，压力骤然降低，产生节流效应，导致制冷级的气体工质温度降低，形成的冷气体以用于冷却工件。

在一些实施例中，所述预冷级换热管8和制冷级换热管10均采用翅片管结构，具体的，双工质节流制冷器还包括有芯轴，预冷级换热管8和制冷级换热管10都盘绕于芯轴上；预冷级节流元件9可以是开设于预冷级换热管上的节流孔，制冷级节流元件11也可以是开设于制冷级换热管上的节流孔。

优选的实施方式，所述预冷级换热管8有两根，且两根预冷级换热管8呈双螺旋并排布置盘绕于芯轴上，两根所述预冷级换热管8的一端部相连通，且所述预冷级节流元件9位于此两根预冷级换热管8的连接处，对于两根所述预冷级换热管8中的其中一根预冷级换热管8的另一端与第一进气管5相连，作为所述预冷级制冷组件的进气端，而另一根预冷级换热管8的另一端则作为所述预冷级制冷组件的出气端。

进一步的，本实施例的双工质节流制冷器还包括杜瓦12，所述节流制冷组件置于所述杜瓦12内，所述节流制冷组件与所述杜瓦12的壳体之间形成气体腔13，所述制冷级制冷组件的出气端与气体腔13连通，待制冷的芯片、冷屏等工件置于杜瓦12内，利用制冷级制冷组件节流产生的冷气体对工件冷却。

综上所述，本发明提供的这种双工质节流制冷器通过设计制冷级制冷组件的进气端连接两种不同制冷量的气体工质源，从而控制制冷级的进气方式，使制冷级在制冷器降温初始阶段采用更大制冷量的第一气体工质，后期再采用第二气体工质，提升了制冷级前段温区的降温速率，进而有效缩短了制冷器整体启动时间。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：包括第一气体工质源、第二气体工质源和节流制冷组件，所述节流制冷组件包括预冷级制冷组件和制冷级制冷组件，所述预冷级制冷组件的进气端通过管道连接所述第一气体工质源，所述制冷级制冷组件的进气端通过管道与所述第一气体工质源和第二气体工质源连接。

2.如权利要求1所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：所述第一气体工质源为氩气源，第二气体工质源为氮气源。

3.如权利要求1所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：所述第一气体工质源通过第一进气管与所述预冷级制冷组件的进气端连接，所述第二气体工质源通过第二进气管与所述制冷级制冷组件的进气端连接，所述第一进气管与所述第二进气管通过连接管连通，且所述连接管与第二进气管通过三通阀连接。

4.如权利要求3所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：所述第一进气管上设有截止阀，且所述截止阀位于所述第一气体工质源与所述连接管之间。

5.如权利要求3所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：所述预冷级制冷组件包括预冷级换热管，所述预冷级换热管的进气端与所述第一进气管连接，所述预冷级换热管的出气端设有预冷级节流元件。

6.如权利要求5所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：所述预冷级换热管有两根，且两根预冷级换热管呈双螺旋并排布置，两根所述预冷级换热管的一端部相连通，且所述预冷级节流元件位于此两根预冷级换热管的连接处。

7.如权利要求3所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：所述制冷级制冷组件包括制冷级换热管，所述制冷级换热管的进气端与所述第二进气管连接，所述制冷级换热管的出气端设有制冷级节流元件，且所述制冷级换热管至少部分位于所述预冷级制冷组件的制冷区域。

8.如权利要求1所述的缩短启动时间的双工质节流制冷器，其特征在于：还包括杜瓦，所述节流制冷组件置于所述杜瓦内，所述节流制冷组件与所述杜瓦的壳体之间形成气体腔，所述制冷级制冷组件的出气端与气体腔连通。

9.一种权利要求1-8任一项所述的双工质节流制冷器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

在双工质节流制冷器降温的初始阶段，开启第一气体工质源，关闭第二气体工质源，第一气体工质源分别向预冷级制冷组件和制冷级制冷组件输送第一气体工质，第一气体工质经过预冷级制冷组件和制冷级制冷组件产生节流效应排出冷气体；

待制冷级制冷组件排出冷气体温度降至预设温度值时，关闭第一气体工质源向制冷级制冷组件输送第一气体工质，同时开启第二气体工质源向制冷级制冷组件输送第二气体工质，直至制冷级制冷组件排出冷气体冷却工件至目标温度。

10.如权利要求9所述的双工质节流制冷器控制方法，其特征在于：所述第一气体工质节流产生的制冷量大于相同条件下第二气体工质节流产生的制冷量。