專利名稱：斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫j-t節(jié)流制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷系統(tǒng)，具體是涉及一種斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，低溫制冷技術(shù)在過去近半個(gè)世紀(jì)中得到了快速發(fā)展，并在航空航天、國防軍事、超導(dǎo)、醫(yī)療、能源以及低溫物理等領(lǐng)域有著廣泛而不可替代的應(yīng)用。目前，對(duì)于空間液氦溫區(qū)的制冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技術(shù)和機(jī)械式制冷技術(shù)。其中液氦杜瓦制冷技術(shù)利用儲(chǔ)存在高真空多層絕熱儲(chǔ)罐里的液氦或者超流氦的蒸發(fā)吸熱來實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，這種方式可以獲得較穩(wěn)定的溫度，在早期的航天探測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟，但是它存在體積大、重量重、絕熱系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)射成本高以及使用壽命受工質(zhì)存儲(chǔ)量限制等缺點(diǎn)。隨著機(jī)械式制冷技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，特別是板彈簧和間隙密封等技術(shù)的應(yīng)用，徹底解決了杜瓦技術(shù)始終無法克服的長壽命問題，使得機(jī)械式制冷技術(shù)如斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)近20年來在航天領(lǐng)域快速發(fā)展并占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。而在15K以下溫區(qū)，氦嚴(yán)重偏離理想氣體性質(zhì)、回?zé)岵牧象w積比熱容急劇下降等原因造成已在空間大量運(yùn)用的斯特林制冷機(jī)和斯特林型脈管制冷機(jī)在液氦溫區(qū)制冷效率較低。實(shí)際空間應(yīng)用中經(jīng)常希望壓縮機(jī)單元能夠盡可能靠近散熱單元便于熱量的耗散，盡可能遠(yuǎn)離被冷卻的探測(cè)器裝置以減小壓縮機(jī)帶來的熱耗散、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾。而回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的冷端與熱端距離比較近，難以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)和冷頭分置的要求，從而限制了其在空間任務(wù)中的應(yīng)用。焦耳-湯普遜制冷機(jī)(Joule-Thomson Cooler,以下簡(jiǎn)稱J-T節(jié)流制冷機(jī))利用溫度低于15K時(shí),氦氣的非理想特性顯著這一特點(diǎn)引起的Joule-Thomson節(jié)流效應(yīng)來獲得制冷，效率較高。而且J-τ節(jié)流制冷機(jī)工質(zhì)直流流動(dòng)，冷端可根據(jù)所需冷卻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由設(shè)計(jì)等特點(diǎn)所帶來的一系列優(yōu)點(diǎn)使J-T節(jié)流制冷機(jī)成為空間液氦溫區(qū)任務(wù)的主流。空間液氦溫區(qū)機(jī)械式制冷技術(shù)主要集中在日本宇宙研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JapanAerospace Exploration Agency, JAXA)、美國宇航局(National Aeronautics and SpaceAdministration,NASA)和歐洲空間局(European Space Agency,ESA)等機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)在近年來已發(fā)射或即將發(fā)射的航天探測(cè)器中，使用液氦溫區(qū)機(jī)械式制冷技術(shù)的低溫空間項(xiàng)目如表I所示。表I采用液氦溫區(qū)機(jī)械式制冷技術(shù)的低溫空間任務(wù)
權(quán)利要求
1.一種斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，包括預(yù)冷單元和制冷單元，其特征在于，所述制冷單元包括J-T壓縮機(jī)(16)、第一級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(17)、第一級(jí)預(yù)冷換熱器(18)、第二級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(19)、第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)、節(jié)流前換熱器(21)、節(jié)流閥(22)和蒸發(fā)器(23)，按照制冷劑流向，J-T壓縮機(jī)(16)的出口依次通過第一級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(17)、第一級(jí)預(yù)冷換熱器(18)，第二級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(19)、第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)和節(jié)流前換熱器(21)的高溫側(cè)管路以及節(jié)流閥(22)與蒸發(fā)器(23)入口連通，蒸發(fā)器(23)出口依次通過節(jié)流前換熱器(21)、第二級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(19)和第一級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(17)的低溫側(cè)管路與J-T壓縮機(jī)(16)入口連通； 所述預(yù)冷單元為二級(jí)或二級(jí)以上的斯特林/脈管復(fù)合制冷機(jī)機(jī)構(gòu)，分別用于對(duì)第一級(jí)預(yù)冷換熱器(18)和第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述預(yù)冷單元為二級(jí)斯特林/脈管復(fù)合制冷機(jī)機(jī)構(gòu)，包括預(yù)冷機(jī)壓縮機(jī)(I)、與預(yù)冷機(jī)壓縮機(jī)(I)出口依次連通的熱端換熱器(5)、第一級(jí)斯特林氣缸(6)、第一級(jí)冷端換熱器(7)、第二級(jí)回?zé)崞?9)、第二級(jí)冷端換熱器(10)、第二級(jí)脈管(12)、第二級(jí)脈管熱端換熱器(13)和第二級(jí)調(diào)相部件； 所述第一級(jí)冷端換熱器(7)通過第一級(jí)熱橋(8)對(duì)第一級(jí)預(yù)冷換熱器(18)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷； 所述第二級(jí)冷端換熱器(10)通過第二級(jí)熱橋(11)對(duì)第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述第二級(jí)調(diào)相部件為與第二級(jí)脈管熱端換熱器連通的第二級(jí)慣性管(14)、以及與第二級(jí)慣性管(14)連通的第二級(jí)氣庫(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述第二級(jí)調(diào)相部件同時(shí)與所述第一級(jí)熱橋(8)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述預(yù)冷單元還包括同時(shí)與第二級(jí)冷端換熱器(10)出口連通的第三級(jí)回?zé)崞?24)、以及通過管路依次與第三級(jí)回?zé)崞?24)出口連通的第三級(jí)冷端換熱器(25)、第三級(jí)脈管(27)、第三級(jí)脈管熱端換熱器(28)和第三級(jí)調(diào)相部件； 所述制冷單元還包括第三級(jí)逆流式換熱器(31)和第三級(jí)預(yù)冷換熱器(32)，所述第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)出口依次通過第三級(jí)逆流式換熱器(31)的高溫側(cè)管路和第三級(jí)預(yù)冷換熱器(32)與節(jié)流前換熱器(21)的高溫側(cè)管路入口連通，節(jié)流前換熱器(21)的低溫側(cè)管路出口通過第三級(jí)逆流式換熱器(31)的低溫側(cè)管路與第二級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(19)的低溫側(cè)管路入口連通； 所述第三級(jí)冷端換熱器(25)通過第三級(jí)熱橋(26)對(duì)第三級(jí)預(yù)冷換熱器(32)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述第二級(jí)調(diào)相部件和第三級(jí)調(diào)相部件均為與其對(duì)應(yīng)脈管熱端換熱器連通的慣性管、以及與慣性管連通的氣庫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述第二級(jí)調(diào)相部件同時(shí)與第一級(jí)熱橋(8)相連；所述第三級(jí)調(diào)相部件同時(shí)與所述第二級(jí)熱橋(11)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述預(yù)冷單元為三級(jí)斯特林/脈管復(fù)合制冷機(jī)機(jī)構(gòu)，包括預(yù)冷機(jī)壓縮機(jī)(I)、與預(yù)冷機(jī)壓縮機(jī)(I)出口依次連通的熱端換熱器(5)、第一級(jí)斯特林氣缸￠)、第一級(jí)冷端換熱器(7)、第二級(jí)斯特林氣缸(34)、第二級(jí)冷端換熱器(10)、第三級(jí)回?zé)崞?24)、第三級(jí)冷端換熱器(25)、第三級(jí)脈管(27)、第三級(jí)脈管熱端換熱器(28)和第三級(jí)調(diào)相部件； 所述制冷單元還包括第三級(jí)逆流式換熱器(31)和第三級(jí)預(yù)冷換熱器(32)，所述第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)出口通過第三級(jí)逆流式換熱器(31)的高溫側(cè)管路和第三級(jí)預(yù)冷換熱器(32)與節(jié)流前換熱器(21)的高溫側(cè)管路入口連通，節(jié)流前換熱器(21)的低溫側(cè)管路出口通過第三級(jí)逆流式換熱器(31)的低溫側(cè)管路與第二級(jí)回?zé)崾綋Q熱器(19)的低溫側(cè)管路入口連通； 所述第一級(jí)冷端換熱器(7)通過第一級(jí)熱橋(8)對(duì)第一級(jí)預(yù)冷換熱器(18)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷； 所述第二級(jí)冷端換熱器(10)通過第二級(jí)熱橋(11)對(duì)第二級(jí)預(yù)冷換熱器(20)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷； 所述第三級(jí)冷端換熱器(25)通過第三級(jí)熱橋(26)對(duì)第三級(jí)預(yù)冷換熱器(32)內(nèi)的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述第三級(jí)調(diào)相部件為與第三級(jí)脈管熱端換熱器連通的第三級(jí)慣性管(29)、以及與第三級(jí)慣性管(29)連通的第三級(jí)氣庫(30)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，其特征在于，所述第三級(jí)調(diào)相部件同時(shí)與第二級(jí)熱橋(11)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的低溫J-T節(jié)流制冷機(jī)，包括預(yù)冷單元和制冷單元，制冷單元包括J-T壓縮機(jī)、第一級(jí)回?zé)崾綋Q熱器、第二級(jí)回?zé)崾綋Q熱器、節(jié)流前換熱器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器；預(yù)冷單元為二級(jí)或二級(jí)以上的斯特林/脈管復(fù)合制冷機(jī)機(jī)構(gòu)，用于對(duì)J-T節(jié)流制冷循環(huán)工質(zhì)氦在進(jìn)入節(jié)流前換熱器的高溫側(cè)管路前由斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)進(jìn)行多級(jí)預(yù)冷的制冷劑進(jìn)行預(yù)冷。本發(fā)明的斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī)預(yù)冷的J-T節(jié)流制冷循環(huán)的制冷性能也會(huì)比現(xiàn)有采用單一回?zé)崾街评錂C(jī)預(yù)冷的J-T節(jié)流制冷循環(huán)高，而且可靠性更高，壽命更長，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F25B9/14GK103062951SQ20131003196
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者劉東立, 王龍一, 王博, 甘智華, 張小斌, 張學(xué)軍, 汪偉偉, 劉雨夢(mèng), 吳鎂, 趙勝穎 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)