低溫線性壓縮機驅動的j-t節流製冷循環系統的製作方法

2023-07-26 00:21:36

專利名稱：低溫線性壓縮機驅動的j-t節流製冷循環系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及製冷技術領域，具體是涉及一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統。
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。空間液氦溫區的製冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技術和機械式製冷技術。其中液氦杜瓦製冷技術利用儲存在高真空多層絕熱儲罐裡的液氦或者超流氦的蒸發吸熱來實現製冷效應，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、絕熱系統複雜，發射成本高以及使用壽命受工質存儲量限制等缺點。隨著機械式製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，使得機械式製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並佔有相當的份額。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製冷效率較低。實際空間應用中經常希望壓縮機單元能夠儘可能靠近散熱單元便於熱量的耗散，儘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、機械振動和電磁幹擾。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)利用溫度低於15K時,氦氣的非理想特性顯著這一特點引起的Joule-Thomson節流效應來獲得製冷，效率較高。而且J-τ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-τ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。前者主要採用吸附壓縮機，是目前J-T制冷機研究的熱點之一，具有無運動部件、機械振動和電磁幹擾小等特點，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複雜；後者則工作在室溫下，儘管壓縮機單元無可避免的存在一定的機械振動和電磁幹擾，但是機械壓縮機技術相對成熟，系統結構簡單，效率比較高。而對於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制冷機大多存在製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節流製冷循環系統，該製冷循環系統採用低溫下工作的壓縮機，減少了製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節流製冷性能。—種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，包括製冷單元和預冷單元，所述製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；按照製冷劑流向，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迴路；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迴路。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。對於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，節流後壓力更接近壓縮機吸氣壓力，節流導致的溫降更大，可獲得更低的製冷溫度或者更大的製冷量(更好的製冷性能)。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製冷溫度要求而定。為進一步提 高製冷性能，作為優選，所述一級低溫線性壓縮機為超導線性壓縮機。超導線性壓縮機是工作在低溫下的採用超導線圈的線性壓縮機，它既有普通線性壓縮機的優點，而且在低溫下表現出更好的性能。採用超導電機的線性壓縮機在低於其線圈材料溫度以下時，其電阻幾乎為零，因而消除了超導線性壓縮機的銅損，從而消除了相應的線圈產生的焦耳熱。因此在超導線性壓縮機在其線圈材料臨界溫度以下工作時，其自身產生的熱負荷僅為壓縮工質所產生的壓縮熱，也就是說為其維持低溫環境所需的製冷量較小。所以採用超導線性壓縮機的液氦溫區J-T節流製冷循環便可以更高效地獲得液氦溫區製冷性能，同時具有結構緊湊、壽命長、可靠性高等優點。實際使用過程中，作為優選，壓縮機可採用多級壓縮，例如採用兩級壓縮時，所述一級預冷換熱器高溫側管路出口與節流前換熱器高溫側管路入口之間的管路上還設有二級低溫線性壓縮機和二級預冷換熱器；所述二級低溫線性壓縮機入口與一級預冷換熱器的高溫側管路連通，二級低溫線性壓縮機出口通過二級預冷換熱器的高溫側管路與節流前換熱器高溫側管路入口連通；所述二級預冷換熱器的低溫側管路入口通過管路同時與預冷機構出口連通，出口與二級低溫線性壓縮機的表面盤管入口連通；二級低溫線性壓縮機的表面盤管出口通過管路同時與預冷機構的入口連通。採用兩級壓縮時，在第一級低溫線性壓縮機出口將工質冷卻至第一級低溫線性壓縮機吸氣溫度，然後再進入第二級低溫線性壓縮機，可減少第二級壓縮的發熱量，也可減小總的輸入功，提高循環效率。作為進一步優選，所述二級低溫線性壓縮機為超導線性壓縮機。在製冷單元中也可根據實際需要增加線性壓縮機，作為優選，所述節流前換熱器的低溫側管路出口和一級低溫線性壓縮機入口之間的管路上還設有線性壓縮機、一級換熱器、高溫預冷換熱器、二級換熱器；按照製冷劑流向，所述節流前換熱器的低溫側管路出口通過管路依次與二級換熱器的低溫側管路、一級換熱器的低溫側管路與所述線性壓縮機入口連通，線性壓縮機出口通過管路依次與一級換熱器的高溫側管路、高溫預冷換熱器以及二級換熱器的高溫側管路與所述一級低溫線性壓縮機入口連通。[0012]所述預冷機構可根據低溫線性壓縮機需要工作的溫度不同，選用不同製冷劑的制冷機構，例如:若壓縮機需工作在20K，那麼一般用液氫作為冷卻壓縮機的低溫流體，也可以是氦氣，相應的制冷機構可選用氫吸附式制冷機構或以氫為工質的J-T節流制冷機構，或者以氦為工質的回熱式制冷機構(GM制冷機，斯特林制冷機，GM脈管制冷機，斯特林脈管制冷機或斯特林/脈管複合型制冷機)。若壓縮機工作在80K左右溫區，所述制冷機構可採用以氮為工質的J-τ節流制冷機構，或以氦為工質的回熱式制冷機構。為得到4K的製冷溫區，作為優選，所述的製冷劑為氦氣，所述的預冷機構為能夠提供20K以下溫度冷源的預冷機構；所述的超導線性壓縮機的線圈為臨界溫度高於20K的超導材料；所述預冷換熱器製冷劑出口的製冷劑需預冷至20K及以下溫度。與現有技術相比，本實用新型的有益效果體現在:(I)本實用新型的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統可調性較強，即可採用單級或多級超導線性壓縮機在線圈材料臨界溫度以下壓縮的形式，也可採用線性壓縮機在常溫下一級壓縮，超導線性壓縮機在線圈材料臨界溫度以下一級或二級壓縮的形式，前者結構更加緊湊，J-T循環自身的理論能效比(卡諾C0P)高，後者有利於實現更大的壓比並降低壓縮機成本，可根據實際需要選擇。(2)本實用新型採用超導線性壓縮機工作在20K左右的低溫環境中，對液氦溫區J-T節流製冷循環的工質進行壓縮，有利於增大節流前後實際壓比，提升該循環製冷性能。同時由於超導線性壓縮機採用了超導線圈，消除了超導線性壓縮機線性電機中由電阻引起的銅損，有效地提高了壓縮機的效率。因此由超導線性壓縮機驅動的液氦溫區J-T節流製冷循環將具有較高的效率，也具有壽命長、可靠性高等優點。

圖1為本實用新型 的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統的第一種實施方式示意圖。圖2為本實用新型的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統的第二種實施方式示意圖。圖3為本實用新型的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統的第三種實施方式示意圖。圖4為圖1所示循環系統的Τ-s示意圖。圖5為圖2所示循環系統的Τ-s示意圖。其中:1:一級低溫線性壓縮機、2:—級預冷換熱器、3:節流前換熱器、4:節流閥、5:蒸發器、6:預冷機構、7:—級低溫線性壓縮機表面盤管、8:線性壓縮機、9:一級換熱器、10:高溫預冷換熱器、11:二級換熱器、12:二級低溫線性壓縮機、13:二級低溫線性壓縮機表面盤管、14:二級預冷換熱器。
具體實施方式
實施例1如圖1所示，一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，包括製冷單元和預冷單元，製冷單元包括一級低溫線性壓縮機1、節流前換熱器3、節流閥4和蒸發器5 ;預冷單元包括一級預冷換熱器2和預冷機構6，其中一級低溫線性壓縮機I為超導線性壓縮機。製冷單元和預冷單元各部件之間的連接關係為:按照製冷劑流向，一級低溫線性壓縮機I出口通過管路依次與一級預冷換熱器2的高溫側管路、節流前換熱器3的高溫側管路、節流閥4和蒸發器5入口連通，蒸發器5出口通過管路依次與節流前換熱器3的低溫側管路和壓縮機I入口連通形成循環迴路；按照預冷劑流向，預冷機構6出口通過管路依次與一級預冷換熱器2的低溫側管路、一級低溫線性壓縮機I的表面盤管7和預冷機構6入口連通形成循環預冷迴路。製冷單元和預冷單元內工質的工作過程分別為:製冷單元內製冷劑的工作過程為:製冷劑由一級低溫線性壓縮機I壓縮至高壓並排出，流經一級預冷換熱器2、節流前換熱器3的高溫側管路和節流閥4，在節流閥4處節流至低壓並達到液氦溫區後流入蒸發器5，經蒸發器5蒸發氣體後進入節流前換熱器3的低溫側管路，最終返回一級低溫線性壓縮機I。預冷單元內預冷劑的工作過程為:預冷劑由預冷機構6出發，流經一級預冷換熱器2和一級低溫線性壓縮機表面盤管7，冷卻一級低溫線性壓縮機I出口工質及一級低溫線性壓縮機I後返回預冷機構6。預冷機構6需提供20K以下溫度的冷源及輸送預冷劑的動力裝置，預冷機構可選擇以氦為工質的回熱式制冷機構(GM制冷機，斯特林制冷機，GM脈管制冷機，斯特林脈管制冷機或斯特林/脈管複合型制冷機)。一級低溫線性壓縮機I線圈採用臨界溫度高於20K的超導材料。系統如上述流程及要求安裝，安裝完畢後，對系統內部抽真空至10_2Pa左右，然後充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對系統內部抽真空至10_2Pa左右。如此反覆抽真空充氣3-4次後，最終充入工作壓力的高純氦氣，即可保證系統中氦氣工質的純度。開啟預冷機構6，使預冷機構6中預冷劑流經一級預冷換熱器2將一級低溫線性壓縮機I出口工質預冷至20K及以下溫度，之後流經一級低溫線性壓縮機表面盤管7將一級低溫線性壓縮機I冷卻至一級低溫線性壓縮機I的線圈材料的臨界溫度以下，最終流回預冷機構6。然後，調節一級低溫線性壓縮機I的運行頻率至液氦溫區J-T節流製冷循環最佳工作頻率。在系統穩定前，同時調節預冷機構6以保證一級低溫線性壓縮機I線圈材料的臨界溫度以下穩定運行，且一級預冷換熱器2工質出口溫度穩定在20K及以下溫度。系統穩定後即可在蒸發器5處獲得液氦溫度及相應的製冷量。圖4為本實施方式的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統的T-s示意圖。圖4中各編號曲線為工質在圖1相應編號部件中的過程曲線。實施例2如圖2所示一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，與實施例1區別在於:一級預冷換熱器2高溫側管路出口與節流前換熱器3高溫側管路入口之間的管路上還設有二級低溫線性壓縮機12和二級預冷換熱器14。其中二級低溫線性壓縮機12入口與一級預冷換熱器2的高溫側管路連通，二級低溫線性壓縮機12出口通過二級預冷換熱器14的高溫側管路與節流前換熱器3高溫側管路入口連通；二級預冷換熱器14的低溫側管路入口通過管路同時與預冷機構6出口連通，二級預冷換熱器14的低溫側管路出口與二級低溫線性壓縮機12的表面盤管13入口連通；二級低溫線性壓縮機12的表面盤管13出口通過管路同時與預冷機構 6的入口連通。[0034]預冷機構6需提供20K以下溫度的冷源及輸送預冷劑的動力裝置，預冷機構可選擇以氦為工質的回熱式制冷機構(GM制冷機，斯特林制冷機，GM脈管制冷機，斯特林脈管制冷機或斯特林/脈管複合型制冷機)。一級低溫線性壓縮機I線圈採用臨界溫度高於20K的超導材料。系統如上述流程及要求安裝，安裝完畢後，對系統內部抽真空至10_2Pa左右，然後充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對系統內部抽真空至10_2Pa左右。如此反覆抽真空充氣3-4次後，最終充入工作壓力的高純氦氣，即可保證系統中氦氣工質的純度。開啟預冷機構6，使預冷機構6中預冷劑分別流經一級預冷換熱器2和二級預冷換熱器14，將一級低溫線性壓縮機I和二級低溫線性壓縮機12出口溫度冷卻至20K及以下溫度，之後分別流經一級低溫線性壓縮機表面盤管7和二級低溫壓縮及表面盤管13，並將一級低溫線性壓縮機I和二級低溫線性壓縮機12冷卻至一級低溫線性壓縮機I和二級低溫線性壓縮機12的線圈材料的臨界溫度以下，最終流回預冷機構6。然後，調節一級低溫線性壓縮機I的運行頻率至液氦溫區J-T節流製冷循環最佳工作頻率。在系統穩定前，同時調節預冷機構6以保證一級低溫線性壓縮機I線圈材料的臨界溫度以下穩定運行，且一級預冷換熱器2工質出口溫度穩定在20K及以下溫度。系統穩定後即可在蒸發器5處獲得液氦溫度及相應的製冷量。實施例3如圖3所示，一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，包括製冷單元和預冷單元，製冷單元包括一級低溫線性壓縮機1、節流前換熱器3、節流閥4、蒸發器5、線性壓縮機8、一級換熱器9、高溫預冷換熱器10和二級換熱器11 ;預冷單元包括一級預冷換熱器2和預冷機構6，其中一級低溫線性壓縮機I為超導線性壓縮機。
製冷單元和預冷單元內工質的工作過程分別為:製冷單元內製冷劑的工作過程為:製冷劑由線性壓縮機8壓縮至高壓並排出，流經一級換熱器9、高溫預冷換熱器10和二級換熱器11後進入一級低溫線性壓縮機1，再次被壓縮至更高壓力並排出，流經一級預冷換熱器2、節流前換熱器3高溫側管路和節流閥4，在節流閥4處節流至低壓並達到液氦溫度後流入蒸發器5，經蒸發器5蒸發氣體後流經節流前換熱器3低溫側管路、二級換熱器11的低溫側管路和一級換熱器9的低溫側管路，最終返回線性壓縮機8。同時，高溫預冷換熱器10中引入冷量直接冷卻一級換熱器9高溫側管路出口工質。而預冷劑由預冷機構6出發，流經一級預冷換熱器2和一級低溫線性壓縮機表面盤管7，冷卻一級低溫線性壓縮機I出口工質及一級低溫線性壓縮機I後返回預冷機構
6。預冷機構6需提供20K以下溫度的冷源及輸送預冷劑的動力裝置。一級低溫線性壓縮機I線圈採用臨界溫度高於20K的超導材料。系統如上述流程及要求安裝，安裝完畢後，對系統內部抽真空至10_2Pa左右，然後充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對系統內部抽真空至10_2Pa左右。如此反覆抽真空充氣3-4次後，最終充入工作壓力的高純氦氣，即可保證系統中氦氣工質的純度。在高溫預冷換熱器10中引入冷量冷卻液氦J-T節流循環內工質，開啟預冷機構6，使預冷機構6中預冷劑流經一級低溫線性壓縮機表面盤管7將一級低溫線性壓縮機I冷卻至一級低溫線性壓縮機I線圈材料的臨界溫度以下。然後，分別調節線性壓縮機8，一級低溫線性壓縮機I的運行頻率至液氦溫區J-T節流製冷循環最佳工作頻率。在系統穩定前，分別調節高溫預冷換熱器10引入的冷量和預冷機構6以保證一級低溫線性壓縮機I在線圈材料的臨界溫度以下穩定運行，且一級預冷換熱器2工質出口溫度穩定在20K及以下溫度。系統穩定後即可在蒸發器9處獲得液氦溫度及相應的製冷量。圖5為實施方式的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統的T-S示意圖。圖5中各編號曲線為工質在 圖3相應編號部件中的過程曲線。
權利要求1.一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，包括製冷單元和預冷單元，其特徵在於，所述製冷單元包括一級低溫線性壓縮機(I)、節流前換熱器(3)、節流閥(4)和蒸發器(5);所述的預冷單元包括一級預冷換熱器(2)和預冷機構(6);按照製冷劑流向，所述一級低溫線性壓縮機(I)出口通過管路依次與一級預冷換熱器(2)的高溫側管路、節流前換熱器(3)的高溫側管路、節流閥(4)和蒸發器(5)入口連通，蒸發器(5)出口通過管路依次與節流前換熱器(3)的低溫側管路和壓縮機(I)入口連通形成循環迴路；按照預冷劑流向，所述預冷機構(6)出口通過管路依次與一級預冷換熱器(2)的低溫側管路、一級低溫線性壓縮機(I)的表面盤管(7)和預冷機構(6)入口連通形成循環預冷迴路。
2.根據權利要求1所述的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，其特徵在於，所述一級低溫線性壓縮機(I)為超導線性壓縮機。
3.根據權利要求1所述的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，其特徵在於，所述一級預冷換熱器(2)高溫側管路出口與節流前換熱器(3)高溫側管路入口之間的管路上還設有二級低溫線性壓縮機(12)和二級預冷換熱器(14);所述二級低溫線性壓縮機(12)入口與一級預冷換熱器(2)的高溫側管路連通，二級低溫線性壓縮機(12)出口通過二級預冷換熱器(14)的高溫側管路與節流前換熱器(3)高溫側管路入口連通；所述二級預冷換熱器(14)的低溫側管路入口通過管路同時與預冷機構(6)出口連通，出口與二級低溫線性壓縮機(12)的表面盤管(13)入口連通；二級低溫線性壓縮機(12)的表面盤管(13)出口通過管路同時與預冷機構(6)的入口連通。
4.根據權利要求3所述的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，其特徵在於，所述二級低溫線性壓縮機(12)為超導線性壓縮機。
5.根據權利要求1所述的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，其特徵在於，所述節流前換熱器(3)的低溫側管路出口和一級低溫線性壓縮機(I)入口之間的管路上還設有線性壓縮機(8)、一級換 熱器(9)、高溫預冷換熱器(10)、二級換熱器(11);按照製冷劑流向，所述節流前換熱器(3)的低溫側管路出口通過管路依次與二級換熱器(11)的低溫側管路、一級換熱器(9)的低溫側管路與所述線性壓縮機(8)入口連通，線性壓縮機(8)出口通過管路依次與一級換熱器(9)的高溫側管路、高溫預冷換熱器(10)以及二級換熱器(11)的高溫側管路與所述一級低溫線性壓縮機(I)入口連通。
6.根據權利要求1-5任一權利要求所述的低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，其特徵在於，所述預冷機構(6)為氫吸附式制冷機構、以氫為工質的J-T節流制冷機構、以氮為工質的J-τ節流制冷機構、或者以氦為工質的回熱式制冷機構。
7.根據權利要求2所述低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，其特徵在於，所述的製冷劑為氦氣，所述的預冷機構(6)為能夠提供20K以下溫度冷源的預冷機構；所述的超導線性壓縮機的線圈為臨界溫度高於20K的超導材料；所述預冷換熱器(2)製冷劑出口的製冷劑需預冷至20K及以下溫度。
專利摘要本實用新型公開了一種低溫線性壓縮機驅動的J-T節流製冷循環系統，包括製冷單元和預冷單元，製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；預冷單元包括一級預冷換熱器和預冷機構；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、節流前換熱器的低溫側管路和壓縮機入口連通形成循環迴路；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迴路。本實用新型的製冷循環系統採用低溫下工作的壓縮機，減少了製冷劑因逆流式換熱器而產生的壓力損失，增加了節流閥兩端壓比，提高了J-T節流製冷性能。
文檔編號F25B1/00GK203132192SQ201320033469
公開日2013年8月14日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者劉東立, 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 申請人:浙江大學