[實用新型]低溫線性壓縮機驅動的J-T節流制冷循環系統

有效

• 申請號: 201320033469.6
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN203132192U
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 劉東立;王博;王龍一;甘智華;褚建琛;張小斌;張學軍;汪偉偉;吳鎂;劉雨夢;趙勝穎
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B1/00
• 分類號: F25B1/00;F25B1/10;F25B9/00;F25B41/00;F25B41/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本實用新型涉及制冷技術領域，具體是涉及一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流制冷循環系統。

背景技術

隨著空間探測技術的發展，有越來越多的探測器工作在4K及mK級溫區，而且mK級溫區必需4K溫區提供預冷，所以4K溫區是空間探測中一個極其重要的溫區，一直是科學研究的重點和難點。

空間液氦溫區的制冷方式主要有液氦（或超流氦）杜瓦技術和機械式制冷技術。其中液氦杜瓦制冷技術利用儲存在高真空多層絕熱儲罐里的液氦或者超流氦的蒸發吸熱來實現制冷效應，這種方式可以獲得較穩定的溫度，在早期的航天探測領域具有廣泛的應用，技術相對成熟，但是它存在體積大、重量重、絕熱系統復雜，發射成本高以及使用壽命受工質存儲量限制等缺點。隨著機械式制冷技術的進步和發展，特別是板彈簧和間隙密封等技術的應用，徹底解決了杜瓦技術始終無法克服的長壽命問題，使得機械式制冷技術如斯特林制冷機和脈管制冷機近20年來在航天領域快速發展并占有相當的份額。而在15K以下溫區，氦嚴重偏離理想氣體性質、回熱材料體積比熱容急劇下降等原因造成已在空間大量運用的斯特林制冷機和斯特林型脈管制冷機在液氦溫區制冷效率較低。實際空間應用中經常希望壓縮機單元能夠盡可能靠近散熱單元便于熱量的耗散，盡可能遠離被冷卻的探測器裝置以減小壓縮機帶來的熱耗散、機械振動和電磁干擾。而回熱式低溫制冷機的冷端與熱端距離比較近，難以實現壓縮機和冷頭分置的要求，從而限制了其在空間任務中的應用。

焦耳-湯普遜節流制冷機（Joule-Thomson?Cooler，以下簡稱J-T節流制冷機）利用溫度低于15K時，氦氣的非理想特性顯著這一特點引起的Joule-Thomson節流效應來獲得制冷，效率較高。而且J-T制冷機沒有冷端運動部件，工質直流流動，冷頭可根據所需冷卻的結構進行自由設計等特點所帶來的一系列優點使J-T制冷機成為空間液氦溫區任務的主流。

J-T制冷機壓縮機單元可分為非機械壓縮機和機械壓縮機兩類。前者主要采用吸附壓縮機，是目前J-T制冷機研究的熱點之一，具有無運動部件、機械振動和電磁干擾小等特點，但是吸附壓縮機的效率普遍偏低，壓縮機系統的結構也比較復雜；后者則工作在室溫下，盡管壓縮機單元無可避免的存在一定的機械振動和電磁干擾，但是機械壓縮機技術相對成熟，系統結構簡單，效率比較高。而對于空間液氦溫區的長壽命，低振動，無油的要求，機械壓縮機中目前唯有線性壓縮機能夠滿足。因此線性壓縮機是目前J-T制冷機實際空間應用的主要驅動類型。目前存在的J-T制冷機大多存在制冷性能不高的技術問題。

實用新型內容

本實用新型提供了一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流制冷循環系統，該制冷循環系統采用低溫下工作的壓縮機，減少了制冷劑因逆流式換熱器而產生的壓力損失，在壓縮機進出口壓比相同的情況下，增加了節流閥兩端壓比，提高了J-T節流制冷性能。

一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流制冷循環系統，包括制冷單元和預冷單元，所述制冷單元包括一級低溫線性壓縮機、節流前換熱器、節流閥和蒸發器；所述的預冷單元包括一級預冷換熱器和預冷機構；按照制冷劑流向，所述一級低溫線性壓縮機出口通過管路依次與一級預冷換熱器的高溫側管路、節流前換熱器的高溫側管路、節流閥和蒸發器入口連通，蒸發器出口通過管路依次與節流前換熱器的低溫側管路和壓縮機入口連通形成循環回路；按照預冷劑流向，所述預冷機構出口通過管路依次與一級預冷換熱器的低溫側管路、一級低溫線性壓縮機的表面盤管和預冷機構入口連通形成循環預冷回路。

壓縮機如果工作在低溫下，其線圈電阻會大大減小，本身產生的焦耳熱也會隨之減小，其維持低溫環境的熱負荷為焦耳熱與工質壓縮熱之和，也會大大減小。對于常溫下壓縮的深冷溫區的J-T節流制冷機往往需要多級逆流式換熱器回收冷量，若壓縮機直接在低溫下壓縮，則可以減少逆流式換熱器個數，因而可以減少多個換熱器帶來的壓降，使得節流前壓力更加接近壓縮機排氣壓力，節流后壓力更接近壓縮機吸氣壓力，節流導致的溫降更大，可獲得更低的制冷溫度或者更大的制冷量（更好的制冷性能）。其工質可以是氦，氫，氖（稀有氣體很貴，一般不用），氮等，其壓縮機所處低溫環境視其工質和制冷溫度要求而定。