[發明專利]回熱式制冷機預冷的低溫J?T節流制冷機

有效

• 申請號: 201610013612.3
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN105783319B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 王博;甘智華;郭永祥;尹成厚;王建軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/02
• 分類號: F25B9/02;F25B9/14;F25B9/10;F25B40/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 黃燕

技術領域

本發明屬于涉及一種制冷系統，具體是涉及一種高效回熱式制冷機預冷的低溫J-T節流制冷機。

背景技術

隨著科學技術的進步，低溫制冷技術在過去近半個世紀中得到了快速發展，并在航空航天、國防軍事、超導、醫療、能源以及低溫物理等領域有著廣泛而不可替代的應用。目前，對于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帶來的Joule-Thomson節流效應獲得制冷效應，效率較高。而且J-T節流制冷機工質直流流動，冷端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節流制冷機成為空間液氦溫區任務的主流。

空間液氦溫區機械式制冷技術主要集中在日本宇宙研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)、美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)和歐洲空間局(European Space Agency，ESA)等機構，這些機構在近年來已發射或即將發射的航天探測器中，使用液氦溫區機械式制冷技術的低溫空間項目如表1所示。

表1采用液氦溫區機械式制冷技術的低溫空間任務

從表1可以看到，以上提到的研究機構近年來已有的應用于空間的液氦溫區的機械式制冷機大多為預冷型的J-T節流制冷機，且主要采用回熱式制冷機預冷，如SMILES、Asrto-H和SPICA項目中的液氦溫區J-T節流制冷循環均采用兩級斯特林制冷機預冷，在ACTDP項目的競標過程中更是出現了采用四級高頻脈管制冷機、三級斯特林制冷機和三級高頻脈管制冷機三種不同的預冷方式，但是預冷性J-T節流制冷技術在低溫溫區均存在這冷效率不高的技術問題。

發明內容

本發明提供了一種高效回熱式制冷機預冷的低溫J-T節流制冷機，該制冷系統制冷性能高，且同時具備結構緊湊、壽命長和可靠性高等優點。

一種回熱式制冷機預冷的低溫J-T節流制冷機，包括回熱預冷單元和J-T節流制冷單元，所述回熱預冷單元為帶有流動阻隔的聲功傳輸部件的多級回熱式制冷機，回熱預冷單元與J-T節流制冷單元通過熱橋進行熱耦合連接。

作為優選，所述回熱預冷單元包括依次相連的兩個或兩個以上的回熱器，至少有一組相鄰的兩個回熱器的連接部位設有阻隔流動的聲功傳輸部件，該阻隔流動的聲功傳輸部件將相鄰的兩個回熱器獨立開來，保證各個回熱器工作在各自的最佳充氣壓力下，且可將相鄰回熱器的聲功傳輸。

帶有流動阻隔的聲功傳輸部件的多級回熱式制冷機，在不同工作溫區的子回熱器的連接處布置有阻隔流動的聲功傳輸部件，將多級回熱式制冷機的若干個子回熱器相互隔絕，無質量的交換，且依據各子回熱器的工作溫區，利用實驗測試或者數值模擬，采用現有的方法，確定與之對應的最優充氣壓力，同時由于該部件具有彈性可以實現來自壓縮機的聲功的近乎無損的高效傳輸，使得該多級回熱式制冷機的子回熱器在任何一個溫度區間都工作在最優的工況，從而使整個回熱器工作在較大的溫度區間的同時具有較高的效率，且結構更加緊湊，因此，用帶有流動阻隔的聲功傳輸部件的多級回熱式制冷機預冷的液氦溫區J-T節流制冷循環的制冷性能也會比現有采用常用回熱式制冷機預冷的液氦溫區J-T節流制冷循環更好，同時也具備其他方面的優點。