CN218179294U

CN218179294U - 一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构

Info

Publication number: CN218179294U
Application number: CN202221776279.9U
Authority: CN
Inventors: 刘少帅; 吴亦农; 潘小珊; 蒋珍华; 丁磊; 沙鑫权; 宋键镗; 董彩倩; 杨宝玉; 陆志; 黄政
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2032-07-11

Abstract

本专利公开了一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，降温结构包括节流压缩机单元、JT节流单元、两级脉管制冷机单元、气隙热开关单元。各单元之间通过螺钉紧固连接。节流压缩机单元、两级脉管制冷机单元分别为JT节流单元提供驱动源和预冷，气隙热开关为JT节流单元主动降温装置。节流压缩机单元包括节流压缩机组、低压稳压气库、高压稳流气库。JT节流单元包括高压及低压管路、真空腔、逆流换热器、一级冷屏、二级冷屏、节流阀、蒸发器。气隙热开关单元包括热端铜组件、冷端铜组件、支撑管、密封接口、吸附管路、吸附泵、柔性冷链。该专利具有降温时间短、紧凑性高、制冷效率高等优点。

Description

一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构

技术领域

本专利属于低温技术领域，具体涉及一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构。

背景技术

航天科技的蓬勃发展，为人类探索宇宙提供了极大的助力。对于超导量子干涉器件、超导光子探测器以及毫米亚毫米波探测等深空探测器等需要空间制冷系统提供深低温温度，所以高可靠性、长寿命的低温系统是其必要条件。其中4K温区不仅是某些探测器的工作温区，同时也是更低温区的制冷机的预冷级温度。预冷型的JT制冷机技术由于其高稳定性，长寿命，冷端无运动部件的优点，成为了一个重要的研究方向。研究人员对其结构设计和降温方案进行了广泛的研究。JT制冷机在降温过程中的冷量主要来源于预冷机，降温过程中所需的冷量主要由套管传导。由于氦气的节流转变温度为45K，因此JT制冷机冷端在45K以上本身并不产生冷量，造成了JT制冷机整体降温速度不如斯特林制冷机和脉管制冷机。因此如何将冷量快速传导到JT制冷机的冷端是加速JT制冷机降温速度的关键。

发明内容

预冷型JT制冷机技术是目前空间中获得4-6K温区的主流技术，在空间中有广阔的应用前景。然而JT制冷机的降温速度相比于脉管制冷机和斯特林制冷机是缓慢的，并且目前对于JT制冷机的辅助降温方案仍没有定论。旁通管技术是国外目前空间JT制冷机中使用较广的，国内研究过程中发现了缺少低温下截止阀，结构复杂、空间利用率低的问题。针对现有的利用旁通管路进行降温的局限，本专利提供了一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构。二级脉管冷头和JT节流制冷机蒸发器之间设置气隙热开关，热开关的热端铜组件与脉管制冷机冷端螺钉紧固连接，热开关冷端和吸附泵为一体式结构与JT节流压缩机蒸发器之间通过柔性冷链连接。在JT节流单元降温初期，热开关冷端和热端铜组件之间的间隙充满氦气，气隙热开关为开启状态，二级脉管冷头的冷量通过热开关传递到蒸发器，当蒸发器温度下降的到热开关的转变温度之下，此时系统进行节流制冷，吸附泵吸附热开关冷端和热端铜组件之间的氦气，热开关断开，加大脉管冷头和蒸发器之间的热阻，从而减小散热量，保持热源温度处于稳定的状态。节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构及实现方法具有降温时间短、紧凑性高、漏热小、制冷效率高等优点。

本专利的技术方案是：

本专利提供了一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，包括节流压缩机单元1、JT节流单元2、两级脉管制冷机单元3、气隙热开关单元4。所述节流压缩机单元1包括节流压缩机组1.1、低压稳压气库1.2、高压稳流气库1.3，节流压缩机组1.1采用直流有阀线性压缩机组或涡旋压缩机进行驱动，在压缩机组两端设置低压稳压气库1.2、高压稳流气库1.3可以起到稳定压力波和流量的作用。JT节流单元2包括低压管路2.1、高压管路2.2、真空腔2.3、一级逆流换热器2.4、一级冷屏2.5、二级逆流换热器2.6、二级冷屏2.7、三级逆流换热器2.8、过滤器2.9、节流阀2.10和蒸发器2.11，一级逆流换热器2.4、二级逆流换热器2.6、三级逆流换热器2.8采用两根不锈钢管套管同轴布置制作而成，依次焊接或通过三通焊接连接后末端与节流阀2.10、蒸发器2.11通过焊接连接。两级脉管制冷机单元3包括主动调相压缩机3.1、脉管主驱动压缩机3.2、一级脉管热端3.3、二级脉管热端3.4、密封法兰盘3.5、一级脉管回热器3.6、二级脉管高温段回热器3.7、中间换热器3.8、二级脉管低温段回热器3.9、二级脉管冷头3.10。主压缩机采用一拖二驱动压缩机结构，实现恒温系统高效紧凑小型化.采用主动调相技术，有利于脉管获得最佳的性能，具有调相范围广、温度低、效率高等优点。两级脉管冷指单元采用同轴型结构，并将一级、二级脉管做成一体式结构，中间换热器3.8集一级脉管冷头、二级脉管中间换热器两种功能为一体，减少中间接触热阻。气隙热开关单元4包括热端铜组件4.1、支撑管4.2、冷端铜组件4.3、密封接口4.4、吸附管路4.5、吸附泵4.6、柔性冷链4.7。在JT节流单元2降温过程中，气隙热开关通过吸附泵4.6对氦气的吸附能力随温度的变化实现热开关的启动和断开，从而实现二级脉管冷头3.10和蒸发器2.11的导热连接和断开。当蒸发器2.11的温度到达热开关的转变温度之下热开关断开加大导热热阻，减少蒸发器2.11的漏热量，提高制冷效率。

本专利的优点在于：在JT节流单元降温初期，热开关冷端和热端铜组件之间的间隙充满氦气，气隙热开关为开启状态，二级脉管冷头的冷量通过热开关传递到蒸发器，加快JT制冷机的降温速率。当蒸发器温度下降的到热开关的转变温度之下，此时系统进行节流制冷，吸附泵吸附热开关冷端和热端铜组件之间的氦气，热开关断开，加大脉管冷头和蒸发器之间的热阻，从而减小低温系统漏热量，保持热源温度处于稳定的状态。节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构及实现方法具有降温时间短、紧凑性高、漏热小、制冷效率高等优点。

附图说明

图1为一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构及实现方法的原理图；

图中：1.1节流压缩机组、1.2低压稳压气库、1.3高压稳流气库，2.1低压管路、2.2高压管路、2.3真空腔、2.4一级逆流换热器、2.5一级冷屏、2.6二级逆流换热器、2.7二级冷屏、2.8三级逆流换热器、2.9过滤器、2.10节流阀和2.11蒸发器、3.1主动调相压缩机、3.2脉管主驱动压缩机、3.3一级脉管热端、3.4二级脉管热端、3.5密封法兰盘、3.6一级脉管回热器、3.7二级脉管高温段回热器、3.8中间换热器、3.9二级脉管低温段回热器、3.10二级脉管冷头、4.1热端铜组件、4.2支撑管、4.3冷端铜组件、4.4密封接口、4.5吸附管路、4.6吸附泵、4.7柔性冷链；

具体实施方式

下面结合附图及实施案例进一步描述本专利。

如图1所示，本专利提供了一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构及实现方法，该主动降温方法应用于液氦温区JT节流制冷机中。该主动降温结构包括节流压缩机单元1、JT节流单元2、两级脉管制冷机单元3、气隙热开关单元4。其特征在于：各单元之间通过螺钉紧固连接。节流压缩机单元1、两级脉管制冷机单元3分别为JT节流单元2提供驱动源和预冷，气隙热开关单元4为JT节流单元2主动降温装置。在JT节流单元2降温过程中随着温度的变化气隙热开关单元4中吸附剂对氦气的吸附能力发生变化，实现导通和断开，从而实现快速降温，减少了降温时间且减少漏热。节流压缩机组1.1采用直流有阀线性压缩机组或涡旋压缩机进行驱动，在压缩机组两端设置低压稳压气库1.2、高压稳流气库1.3可以起到稳定压力波和流量的作用。JT节流单元2包括低压管路2.1、高压管路2.2、真空腔2.3、一级逆流换热器2.4、一级冷屏2.5、二级逆流换热器2.6、二级冷屏2.7、三级逆流换热器2.8、过滤器2.9、节流阀2.10和蒸发器2.11，一级逆流换热器2.4、二级逆流换热器2.6、三级逆流换热器2.8采用两根不锈钢管套管同轴布置制作而成，依次焊接或通过三通焊接连接后末端与节流阀2.10、蒸发器2.11通过焊接连接。两级脉管制冷机单元3包括主动调相压缩机3.1、脉管主驱动压缩机3.2、一级脉管热端3.3、二级脉管热端3.4、密封法兰盘3.5、一级脉管回热器3.6、二级脉管高温段回热器3.7、中间换热器3.8、二级脉管低温段回热器3.9、二级脉管冷头3.10。主压缩机采用一拖二驱动压缩机结构，实现恒温系统高效紧凑小型化.采用主动调相技术，有利于脉管获得最佳的性能，具有调相范围广、温度低、效率高等优点。两级脉管冷指单元采用同轴型结构，并将一级、二级脉管做成一体式结构，中间换热器3.8集一级脉管冷头、二级脉管中间换热器两种功能为一体，减少中间接触热阻。气隙热开关单元4包括热端铜组件4.1、支撑管4.2、冷端铜组件4.3、密封接口4.4、吸附管路4.5、吸附泵4.6、柔性冷链4.7。在JT节流单元2降温过程中，气隙热开关通过吸附泵4.6对氦气的吸附能力随温度的变化实现热开关的启动和断开，从而实现二级脉管冷头3.10和蒸发器2.11的导热连接和断开。当蒸发器2.11的温度到达热开关的转变温度之下热开关断开加大导热热阻，减少蒸发器2.11的漏热量，提高制冷效率。

实际使用时，该耦合气隙热开关主动降温结构进行抽真空处理，保持真空腔真空度在10^-4Pa以上，用于减少低温系统中的对流换热，加快降温速率。

本专利的工作过程按以下步骤进行：

安装过程：

节流压缩机组1.1、低压稳压气库1.2、高压稳流气库1.3和JT节流单元2之间通过低压管路2.1、高压管路2.2连接，相关接口采用焊接形式。中间换热器3.8、二级脉管冷头3.10分别与一级冷屏2.5、二级冷屏2.7进行螺纹连接。一级逆流换热器2.4、二级逆流换热器2.6、三级逆流换热器2.8采用两根不锈钢管套管同轴布置制作而成，依次焊接或通过三通焊接连接后末端与节流阀1.10、JT制冷机冷端1.12通过焊接连接。气隙热开关单元4的热端铜组件4.1与二级脉管冷头3.10螺钉紧固连接，冷端铜组件4.3和吸附泵4.6为一体式结构与蒸发器2.11之间通过柔性冷链4.7连接进行热传输。

抽真空过程：

按上述安装方式安装后，为了减少制冷机的对流换热损失，在安装好制冷系统之后，要对整个系统进行抽真空操作，真空度要保持在10^-4Pa以上。然后对制冷机的管路进行抽真空置换，最后充入高纯度氦气，保证系统的洁净度。

降温过程：

在JT节流单元2降温初期，气隙热开关单元4的热端铜组件4.1和冷端铜组件4.3之间的微米级间隙充满氦气，气隙热开关为开启状态，二级脉管冷头3.10的冷量通过气隙热开关单元4传递到蒸发器2.11，使得节流阀2.10和蒸发器2.11部分组件快速降温，加快制冷机的降温速率。当蒸发器2.11温度下降的到热开关的转变温度之下，此时系统进行节流制冷，吸附泵4.6吸附热端铜组件4.1和冷端铜组件4.3之间的微米级间隙之间的氦气，热开关断开，加大二级脉管冷头3.10和蒸发器2.11之间的热阻，从而减小散热量，保持热源温度处于稳定的状态。

制冷循环过程：

当蒸发器2.11到达预定温度时，节流压缩机单元1排出高温高压气体，流经一级逆流换热器2.4，在一级逆流换热器2.4中被回流低压工质冷却；然后高压气体流经预冷机中间换热器3.8预冷后高压气体流经二级逆流换热器2.6，在二级逆流换热器2.6中被回流低压工质冷却；然后高压气体流经预冷机二级冷头换热器，被二级脉管冷头3.10被进一步预冷；随后高压气体流经三级逆流换热器2.8，在三级逆流换热器2.8中被回流低压工质冷却；然后高压气体通过节流阀2.10节流降压降温，从而获得气液两相混合工质；气液两相混合工质随后进入蒸发器2.11中蒸发吸热，向外界提供冷量；从蒸蒸发器2.11流出的回流低压气体依次流经三级逆流换热器2.8、二级逆流换热器2.6和一级逆流换热器2.4，依次冷却逆流换热器中高压工质；随后低压气体进入节流压缩机单元1中进行多级压缩，获得高压气体，继续下个循环。

回温过程：

该制冷系统在系统结束运行时仍具有较低的温度，为了保护系统部件，要先对其进行回温操作。首先对关闭主动调相压缩机3.1、脉管主驱动压缩机3.2和节流压缩机单元1从而实现对系统关机，在温度回到常温后再打开真空腔2.3拆卸相关部件。

综上所述，本专利提出的一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构及实现方法具有降温时间短、紧凑性高、漏热小、制冷效率高等优点。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本专利不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本专利的原理，在不脱离本专利精神和范围的前提下，本专利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专利范围内。本专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，包括节流压缩机单元(1)、JT节流单元(2)、两级脉管制冷机单元(3)、气隙热开关单元(4)，其特征在于：

所述的节流压缩机单元(1)、JT节流单元(2)、两级脉管制冷机单元(3)和气隙热开关单元(4)之间通过螺钉紧固连接，JT节流单元(2)、两级脉管制冷机单元(3)低温部分放置在真空腔室中，节流压缩机单元(1)、两级脉管制冷机单元(3)分别为JT节流单元(2)提供驱动源和预冷，气隙热开关单元(4)为JT节流单元(2)主动降温装置，在JT节流单元(2)降温过程中随着温度的变化气隙热开关单元(4)中吸附剂对氦气的吸附能力发生变化，实现导通和断开，从而实现快速降温，减少了降温时间且减少漏热。

2.根据权利要求1所述的一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，其特征在于：所述的节流压缩机单元(1)包括节流压缩机组(1.1)、低压稳压气库(1.2)、高压稳流气库(1.3)，节流压缩机组(1.1)采用直流有阀线性压缩机组或涡旋压缩机进行驱动，在压缩机组两端设置低压稳压气库(1.2)、高压稳流气库(1.3)起到稳定压力波和流量的作用。

3.根据权利要求1所述的一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，其特征在于：所述的JT节流单元(2)包括低压管路(2.1)、高压管路(2.2)、真空腔(2.3)、一级逆流换热器(2.4)、一级冷屏(2.5)、二级逆流换热器(2.6)、二级冷屏(2.7)、三级逆流换热器(2.8)、过滤器(2.9)、节流阀(2.10)和蒸发器(2.11)。

4.根据权利要求1所述的一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，其特征在于：所述的两级脉管制冷机单元(3)包括主动调相压缩机(3.1)、脉管主驱动压缩机(3.2)、一级脉管热端(3.3)、二级脉管热端(3.4)、密封法兰盘(3.5)、一级脉管回热器(3.6)、二级脉管高温段回热器(3.7)、中间换热器(3.8)、二级脉管低温段回热器(3.9)、二级脉管冷头(3.10)；主压缩机采用一拖二驱动压缩机结构，采用主动调相技术，两级脉管冷指单元采用同轴型结构，并将一级、二级脉管做成一体式结构，中间换热器(3.8)集一级脉管冷头、二级脉管中间换热器两种功能为一体，减少中间接触热阻。

5.根据权利要求1所述的一种节流制冷机耦合气隙式热开关的降温结构，其特征在于：所述的气隙热开关单元(4)包括热端铜组件(4.1)、支撑管(4.2)、冷端铜组件(4.3)、密封接口(4.4)、吸附管路(4.5)、吸附泵(4.6)、柔性冷链(4.7)。