一種可快速製冷的斯特林-節流複合型製冷的製造方法

2023-06-13 22:35:41 2

一種可快速製冷的斯特林-節流複合型製冷的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，包括斯特林製冷單元和節流製冷單元兩部分，斯特林製冷單元與封裝杜瓦採用直接耦合方式集成（DDCA），節流製冷單元的套管式逆流熱交換器布置在節流製冷單元的芯柱與杜瓦外殼之間的空容積內，斯特林製冷單元和節流製冷單元均由斯特林製冷單元的電控統一控制啟停。本發明的節流製冷單元有效地利用了杜瓦內部空容積，整個複合制冷機製冷部分的外型結構和體積與傳統集成式斯特林製冷組件相同，特別適合應用在一些對降溫時間和長期可靠性工作均有嚴格要求的紅外器件的冷卻場合，在不改變接口尺寸的前提下直接替換現有的集成式斯特林製冷組件，實現紅外器件較快的降溫速度和長期可靠性工作。
【專利說明】一種可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複合型制冷機，具體是涉及一種可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機。
【背景技術】
[0002]現代科學技術中，許多儀器和設備的運行和發展離不開低溫製冷技術，例如紅外器件、低溫電子器件、低溫冷凝真空裝置、超導磁體和超導磁共振成像儀等都需要符合要求的低溫制冷機來提供冷卻條件。
[0003]回熱式製冷技術和間壁式製冷技術是低溫製冷領域中的兩個重要分支，根據這兩種技術各自的特點，目前在低溫物理、國防軍事、能源、醫療等領域應用均較為廣泛。
[0004]斯特林制冷機和節流制冷機分別是回熱式和間壁式兩種製冷技術中的典型低溫制冷機。其中，斯特林制冷機利用電機驅動壓縮機構和膨脹機構，利用回熱填料與工質之間的換熱完成製冷效應，具有結構緊湊、效率高、體積小等優點，經過長期的競爭開發、評估和實質性的研究，斯特林制冷機已經從所有候選的微型制冷機中脫穎而出，廣泛應用於夜視儀、飛彈制導系統的冷卻器等，但斯特林制冷機受到驅動組件、傳動機構等結構特點的限制，初始預冷時間較長，使其在要求迅速獲得足夠冷量的應用中受到了限制；節流制冷機利用焦耳-湯姆遜效應，利用高壓氣體通過節流裝置膨脹到低壓以產生製冷效應，節流製冷器通常具有開式和閉式兩種形式，開式循環模式的節流製冷器採用高壓儲氣器或高壓氣體鋼瓶供氣，這種系統不需要壓縮機和製冷器之間的永久性連接，對壓縮機與低溫恆溫器的分隔距離沒有限制，系統除要求連續供給高壓氣體外，不需要功率輸入，開式節流器可以與小高壓氣瓶組裝成一個完整的系統，具有結構簡單、啟動時間短、製冷速度快、質量小等特點，但這種小型系統僅能維持較短時間的低溫效應。閉式節流製冷器需要將節流元件、熱交換器和氣源製備設備組成封閉的循環系統，壓縮機與製冷器永久的連接在一起，這種系統可以長期使用，但系統結構複雜，體積龐大，其應用領域受到極大的限制。
[0005]在某些應用領域中，既對預冷時間有苛刻的要求，又對探測器的體積和質量有嚴格的限制，例如紅外製導系統。紅外製導系統中，系統的尺寸規格直接影響到制導系統位標器的光學性能，製冷器的質量大小也會影響位標器的運動特性，如果有可能，設計人員會把製冷器的某些部件，如閥門、壓力傳感器、高壓氣瓶或貯液器等儘量放置在遠離位標器的部位，有時乾脆不裝在彈上，而是裝在發射架上，飛彈發射後紅外探測器只靠蓄冷工作，但在某些特定場合，蓄冷量並不足以滿足使用要求。因此既能快速預冷，又能持續穩定提供冷量的微型製冷裝置成為必然的需求。
[0006]目前國內對斯特林制冷機和節流制冷機的研究較多，但將斯特林制冷機與節流制冷機結合起來的研究還較為少見。利用斯特林制冷機可長期可靠工作的特點，結合開式節流製冷器快速製冷的優勢，將二者組合成一套完整的斯特林-節流複合製冷系統，既可以快速地達到所需的製冷溫度，又可以長期穩定的工作，並能夠重複、多次使用，這樣的製冷裝置將具有廣泛的應用領域。
【發明內容】

[0007]本發明的目的是克服斯特林制冷機啟動較慢、預冷時間長和開式節流製冷器不能長期穩定工作的技術缺點，提供了一種可快速製冷同時可以長期穩定提供冷量的斯特林-節流複合型制冷機。
[0008]本發明的技術方案為:一種可快速降溫的斯特林-節流複合型制冷機，包括斯特林製冷單元和節流製冷單元兩部分，斯特林製冷單元與封裝杜瓦I採用DDCA方式集成,節流製冷單元的套管式逆流熱交換器6布置在節流製冷單元芯柱17與杜瓦I外殼之間的空容積內，斯特林製冷單元和節流製冷單元均由斯特林製冷單元的電控12統一控制啟停。
[0009]本發明所用的斯特林製冷單元為經典的整體集成式斯特林制冷機，包括驅動電控
12、直流無刷電機、曲柄連杆機構、壓縮組件與膨脹組件，其本身為一獨立的完整體，製冷工質為高純氦氣，氦氣純度優於99.999%以上，充氣壓力在3.2-3.5MPa。在進行複合型制冷機的組裝前先進行性能測試，待性能達到指標後再進行與節流製冷單元的組裝。
[0010]本發明所採用的斯特林製冷單元的冷頭5上部中間加工出圓形冷頭凸臺19，冷頭凸臺19的上端面與冷帽2的底端面緊密接觸，以減少冷頭凸臺19與冷帽2間的傳熱熱阻，冷帽2的環形端面與冷頭冷盤20的上端面緊配合，邊緣處通過雷射焊焊接成一體，焊接處要保證在節流製冷單元40MPa的絕對充氣壓力下，製冷工質的洩漏率在KT9-1O-wPa.m3/s。冷頭凸臺19的直徑小於冷頭冷盤20的外徑，以實現冷帽2與冷頭冷盤20焊接後形成節流製冷單元的環形積液腔3。
[0011]本發明的節流製冷單元示的套管式逆流熱交換器6由下至上緊密盤繞在以兩端開口的不鏽鋼薄壁圓筒為節流製冷單元芯柱17的外壁上，節流製冷單元芯柱17底端焊接在冷指基座10的上端面，套管式逆流熱交換器6的外管與節流製冷單元芯柱17外壁的上下端焊接固定，套管式逆流熱交換器6的上下端分別引出相應的長度，上端用於與環形積液腔3連接，下端用於與管接頭13連接，焊接時注意避免損傷套管式逆流熱交換器6的外管，以免導致高壓節流製冷工質的洩漏。節流製冷單元芯柱17高度應低於冷指7的高度，以保持節流製冷單元芯柱17內外側腔體連通，從而使杜瓦I採用一個排氣口排出內部所有空間的氣體，且由於節流製冷單元芯柱17的上端與冷頭5之間無接觸，可有效地減少斯特林製冷單元工作時通過節流製冷單元芯柱17的軸向漏熱。
[0012]本發明的套管式逆流熱交換器6的冷端伸出部分(也就是上端)插入環形積液腔3的外殼內5mm,在連接處密封焊接,熱端伸出部分(也就是下端)穿過杜瓦連接法蘭11的底部，且與管接頭13的一端焊接，在穿過杜瓦連接法蘭11處焊接實現套管式逆流熱交換器6的外管與杜瓦連接法蘭11密封焊接，焊接處均要保證在節流製冷單元40MPa的絕對充氣壓力下，製冷工質的洩漏率在KT9-KTwPa.m3/s,且同時需要滿足杜瓦I真空檢漏優於10_12Pa.m3/s。套管式逆流熱交換器6伸出杜瓦連接法蘭11的下端外管路與管接頭13的左端密封焊接，管接頭13的外管出口處21安裝單向壓力閥16，右側內管出口處22安裝有電磁閥14，電磁閥14的右端通過高壓管路與快速接頭15連接，快速接頭15再通過高壓管路與高壓氣瓶18連接，高壓氣瓶18內裝有製冷工質，所有連接部位需嚴格檢漏，各連接處保證高壓製冷工質不洩漏。節流製冷單元的高壓氣瓶18設置在外圍，可根據複合型制冷機應用場合、使用工況和使用時間更換或切斷高壓氣瓶18，高壓氣瓶18也可根據具體工程應用情況靈活布置。
[0013]本發明的節流製冷單元通過電控12發出開啟信號，之後電磁閥14打開，高壓製冷工質由高壓氣瓶18流出，經高壓管路流經快速接頭15，再流過電磁閥14，通過管接頭13流出套管式逆流熱交換器6的內部螺旋毛細管4，經螺旋毛細管4節流膨脹後進入環形積液腔3，在環形積液腔3內實現與冷帽2的換熱，換熱後的工質氣體通過套管式逆流熱交換器6的外管返回，預冷螺旋毛細管4內的高壓氣體，最後由管接頭13中的單向壓力閥16排出到大氣。當節流製冷單元關閉，套管式逆流熱交換器6的外管壓力值低於外部大氣壓時，單向壓力閥16將自行關閉，切斷與大氣的連通。耦合前，節流製冷單元與斯特林製冷單元在結構和功能上相互獨立，採用高純氮氣作為製冷工質，工作壓力12-40MPa，純度優於99.999%,雜質含量小於5ppm,露點溫度優於_65°C,固體雜質尺寸小於5 y m。
[0014]本發明的兩個製冷單元可同時啟動，也可單獨啟動，節流製冷單元可實現冷頭5的快速降溫，斯特林製冷單元可維持冷頭5的長期低溫環境。斯特林製冷單元與節流製冷單元在功能和結構上相互獨立，採用不同工質製冷，中間無氣路連通，可分別進行調試，測試其功能正常後再進行最後的組裝。
[0015]本發明的優點是:
[0016]本發明充分利用了整體集成式斯特林制冷機結構緊湊、效率高、體積小和長期可靠性工作的特點，並配合開式節流製冷器體積小、快速製冷的優勢，取長補短，形成一種可快速製冷的斯特林-節流複合型製冷系統，既解決了斯特林制冷機受膨脹機熱質量、驅動組件和傳動機構等結構特點的限制，初始預冷時間較長的缺點，使系統能夠根據實際要求迅速地降溫，快速地獲取冷量，又解決了開式節流製冷器受到高壓氣源供氣有限的限制，實現了一種既可快速製冷同時又可長期穩定提供冷量的複合型制冷機。
[0017]本發明的斯特林製冷單元和節流製冷單元在結構和功能上具有各自的獨立性，可分別進行裝配、測試，再進行最後的組裝，且裝配過程中不會對彼此性能造成較大的影響，具有較強的工程可操作性。本發明的節流製冷單元的熱交換器和節流部件有效地利用了節流製冷單元芯柱17與杜瓦I外殼之間的空容積，整個複合制冷機的外形與體積(不含節流製冷單元的氣體管路和高壓氣瓶)與傳統的整體式斯特林製冷組件相同，故這種複合型制冷機將可以直接用在傳統的斯特林製冷組件的應用領域，在不改變接口尺寸的情況下直接替代現有的斯特林製冷組件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的結構示意圖；
[0019]圖2是斯特林製冷單元結構示意圖；
[0020]圖3是節流製冷單元與斯特林製冷單元製冷部位耦合示意圖；
[0021]圖4是節流製冷單元結構示意圖；
[0022]圖5是管接頭結構示意圖；
[0023]圖中，杜瓦1、冷帽2、環形積液腔3、螺旋毛細管4、冷頭5、套管式逆流熱交換器
6、冷指7、蓄冷器外殼8、填料9、冷指基座10、杜瓦連接法蘭11、電控12、管接頭13、電磁閥14、快速接頭15、單向壓力閥16、節流製冷單元芯柱17、高壓氣瓶18、冷頭凸臺19、冷頭冷盤20、外管出口處21、內管出口處22。【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細說明:
[0025]如圖1所示，本發明包括斯特林製冷單元和節流製冷單元兩部分，斯特林製冷單元與封裝杜瓦I採用IDDCA的方式直接耦合，節流製冷單元的套管式逆流熱交換器6布置在節流製冷單元芯柱17與杜瓦外殼之間的空容積內，斯特林製冷單元和節流製冷單元均由斯特林製冷單元的電控12統一控制啟停。
[0026]如圖2所示，本發明的斯特林製冷單元為經典的整體集成式斯特林制冷機，包括驅動電控12、直流無刷電機、曲柄連杆機構、壓縮組件與膨脹組件，其本身為一獨立的完整體，製冷工質為高純氦氣，氦氣純度優於99.999%以上，充氣壓力在3.2-3.5MPa。在進行複合型制冷機的組裝前先進行性能測試，待性能達到指標後再進行與節流製冷單元的組裝。
[0027]如圖2所示，本發明的斯特林製冷單元冷頭5上部中間加工出圓形冷頭凸臺19，冷頭凸臺19的上端面與冷帽2的底端面緊密接觸，以減少冷頭凸臺19與冷帽2間的傳熱熱阻，冷帽2的環形端面與冷頭冷盤20的上端面緊配合，邊緣處通過雷射焊焊接成一體，焊接處要保證在節流製冷單元40MPa的絕對充氣壓力下，工質的洩漏率在lO-g-lO-』a.m3/s。冷頭凸臺19的直徑小於冷頭冷盤20的外徑，以實現冷帽2與冷頭冷盤20焊接後形成節流製冷單元的環形積液腔3。冷頭凸臺19的高度和直徑需考慮到斯特林製冷單元(如圖2)膨脹腔的冷量到冷帽2上端面的高效傳遞；節流製冷單元(如圖3)環形積液腔3的大小需根據節流工質的換熱面積，根據冷帽2上端面貼裝的被冷卻物品的熱質量和所需要的降溫時間由熱力學計算優化給出。
[0028]如圖4所示，本發明的節流製冷單元的套管式逆流熱交換器6由下至上緊密盤繞在以兩端開口的不鏽鋼薄壁圓筒為節流製冷單元芯柱17的外壁上，節流製冷單元芯柱17底端通過雷射焊與冷指基座10的上端面固定，套管式逆流熱交換器6的外管與節流製冷單元芯柱17外壁的上下端通過銀焊焊接固定，且套管式逆流熱交換器6的上下端分別引出相應的長度，上端用於與環形積液腔3連接，下端用於與管接頭13連接，焊接時注意避免損傷套管式逆流熱交換器6的外管，以免導致高壓節流製冷工質的洩漏。節流製冷單元芯柱17高度應低於冷指7的高度，以保持節流製冷單元芯柱17內外側腔體連通，從而使杜瓦I採用一個排氣口排出內部所有空間的氣體，且由於節流製冷單元芯柱17的上端與冷頭5之間無接觸，可有效地減少斯特林製冷單元工作時通過節流製冷單元芯柱17的軸向漏熱。節流製冷單元芯柱17的高度和直徑需要綜合考慮節流製冷單元套管式逆流熱交換器的盤繞尺寸、斯特林製冷單元工作而節流製冷單元關閉時冷指7與節流製冷單元芯柱17之間輻射換熱損失，由熱力學優化設計給出。
[0029]如圖1所示，本發明的套管式逆流熱交換器6的冷端伸出部分(也就是上端)插入環形積液腔3的外殼內5mm，在連接處通過雷射焊或銀焊密封焊接，熱端伸出部分(也就是下端)穿過杜瓦連接法蘭11的底部，且與管接頭13的一端焊接，在穿過杜瓦連接法蘭11處通過雷射焊實現套管式逆流熱交換器6的下端外管與杜瓦連接法蘭11密封焊接，各焊接處均要保證在節流製冷單元40MPa的絕對充氣壓力下，製冷工質的洩漏率在KT9-KTwPa.m3/s，且同時需要滿足杜瓦I真空檢漏優於10_12Pa.m3/s。
[0030]如圖4所示，本發明的套管式逆流熱交換器6伸出杜瓦連接法蘭11的下端外管與如圖5所示的管接頭13的左端密封焊接，管接頭13的外管出口處21安裝單向壓力閥16，右側內管出口處22安裝有電磁閥14，電磁閥14的右端通過高壓管路與快速接頭15連接，快速接頭15再通過高壓管路與高壓氣瓶18連接，高壓氣瓶18內裝有製冷工質，所有連接部位需嚴格檢漏，各連接處保證高壓製冷工質不洩漏。高壓氣瓶18設置在制冷機組件外圍，可根據複合型制冷機應用場合、使用工況和使用時間更換或切斷高壓氣瓶18，高壓氣瓶18也可根據具體工程應用情況靈活布置。
[0031]如圖4所示，本發明的節流製冷單元通過電控12發出開啟信號，之後電磁閥14打開，高壓製冷工質由高壓氣瓶18流出，經高壓管路流經快速接頭15，再流過電磁閥14，通過管接頭13流出套管式逆流熱交換器6的內部螺旋毛細管4，經螺旋毛細管4節流膨脹後進入環形積液腔3，在環形積液腔3內實現與冷帽2的換熱，換熱後的工質氣體通過套管式逆流熱交換器6的外管返回，預冷螺旋毛細管4內的高壓氣體，最後由管接頭13中的單向壓力閥16排出到大氣。當節流製冷單元關閉，套管式逆流熱交換器6的外管壓力值低於外部大氣壓時，單向壓力閥16將自行關閉，切斷與大氣的連通。
[0032]如圖4所示,稱合前,節流製冷單元與斯特林製冷單元在結構和功能上相互獨立，採用高純氮氣作為製冷工質，工作壓力12-40MPa，純度優於99.999%，雜質含量小於5ppm，露點溫度優於_65°C，固體雜質尺寸小於5 u m。在進行複合制冷機組裝前，節流製冷單元可單獨進行性能測性後再進行最後的組裝。
【權利要求】
1.一種可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，包括斯特林製冷單元和節流製冷單元兩部分，其特徵在於:斯特林製冷單元與封裝杜瓦(I)採用直接耦合方式集成(DDCA)，節流製冷單元的套管式逆流熱交換器(6 )布置在節流製冷單元的芯柱(17 )與杜瓦(I)外殼之間的空容積內，斯特林製冷單元和節流製冷單元均由斯特林製冷單元的電控(12 )統一控制啟停。
2.根據權利要求1所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的斯特林製冷單元為經典的整體集成式斯特林制冷機，包括電控(12)、直流無刷電機、曲柄連杆機構、壓縮組件與膨脹組件，製冷工質為高純氦氣，氦氣純度在99.999%以上，充氣壓力在 3.2-3.5MPa。
3.根據權利要求2所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的斯特林製冷單元的冷頭(5)上部中間加工出圓形冷頭凸臺(19)，冷頭凸臺(19)的上端面與冷帽(2 )的底端面緊密接觸，冷帽(2 )的環形端面與冷頭冷盤(20 )的上端面緊配合，邊緣處通過雷射焊焊接成一體，焊接處要保證在節流製冷單元40MPa的絕對充氣壓力下,氦氣的洩漏率在10_9-10_呷&.m3/s ;冷頭凸臺(19)的直徑小於冷頭冷盤(20)的外徑，以實現冷帽(2 )與冷頭冷盤(20 )焊接後形成節流製冷單元的環形積液腔(3 )。
4.根據權利要求1所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的節流製冷單元的套管式逆流熱交換器(6)由下至上緊密盤繞在以兩端開口的不鏽鋼薄壁圓筒為節流製冷單元芯柱(17)的外壁上，節流製冷單元芯柱(17)底端焊接在冷指基座(10)的上端面，套管式逆流熱交換器(6)的外管與節流製冷單元芯柱(17)外壁的上下端焊接固定，且套管式逆流熱交換器(6)的上下端分別引出相應的長度，上端用於與環形積液腔(3)連接，下端用於與管接頭(13)連接，節流製冷單元芯柱(17)高度應低於冷指(7)的高度。
5.根據權利要求4所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的節流製冷單元的套管式逆流熱交換器(6)的冷端伸出部分也就是上端插入環形積液腔(3)的外殼內5mm,在連接處密封焊接,熱端伸出部分也就是下端穿過杜瓦連接法蘭(11)的底部，且與管接頭(13)的一端焊接，在穿過杜瓦連接法蘭(11)處焊接實現套管式逆流熱交換器(6)的下端外管與杜瓦連接法蘭(11)密封焊接，焊接處均要保證在節流製冷單元40MPa的絕對充氣壓力下，工質的洩漏率在KT9-1O-wPa.m3/s,且同時需要滿足杜瓦(I)真空檢漏優於KT12Pa.m3/s。
6.根據權利要求4所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的套管式逆流熱交換器(6)伸出杜瓦連接法蘭(11)的下端外管與管接頭(13)的左端密封焊接，管接頭(13)的外管出口處(21)安裝單向壓力閥(16)，管接頭(13)的右側內管出口處(22)安裝有電磁閥(14)，電磁閥(14)的右端通過高壓管路與快速接頭(15)連接，快速接頭(15)再通過高壓管路與高壓氣瓶(18)連接，高壓氣瓶(18)內裝有製冷工質，各連接處保證高壓製冷工質不洩漏。
7.根據權利要求4所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的節流製冷單元通過電控(12)發出開啟信號，之後電磁閥(14)打開，高壓製冷工質由高壓氣瓶(18)流出，經高壓管路流經快速接頭(15)，再流過電磁閥(14)，通過管接頭(13)流入套管式逆流熱交換器(6)的內部螺旋毛細管(4)，經螺旋毛細管(4)節流膨脹後進入環形積液腔(3)，在環形積液腔(3)內實現與冷帽(2)的換熱，換熱後的工質氣體通過套管式逆流熱交換器(6)的外管返回，預冷螺旋毛細管(4)內的高壓氣體，最後由管接頭(13)中的單向壓力閥(16)排出到大氣。當節流製冷單元關閉，套管式逆流熱交換器(6)的外管壓力值低於外部大氣壓時，單向壓力閥(16)將自行關閉，切斷與大氣的連通。
8.根據權利要求4所述的可快速製冷的斯特林-節流複合型制冷機，其特徵在於:所述的節流製冷單元與斯特林製冷單元在結構和功能上相互獨立，採用高純氮氣作為製冷工質，工作壓力12-40MPa，純度優於99.999%，雜質含量小於5ppm，露點溫度優於_65°C，固體雜質尺寸小於5 ii m。`
【文檔編號】F25B49/00GK103615823SQ201310660186
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月9日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】黃立, 王立保, 孫超, 張滿春, 餘波, 程成 申請人:武漢高芯科技有限公司