一种功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机

1.本发明属于空间用机械式制冷领域，具体设计一种功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机。


背景技术：

2.随着科技的飞速发展，航空航天方向也有越来越多的空间探测装置发射升空。这些深空探测器都需要在深低温的环境下实现高精度的探测，4k温区的制冷技术就成为了其中关键的一环。预冷型焦耳-汤姆逊(joule-thomson，jt)节流制冷机具有小振动、高效率、长寿命等特点，成为了空间探测任务用制冷系统的优选方案。采用声功回收型预冷耦合低温驱动的节流蒸发一体式制冷机，其高可靠、小型化的特点可为节流制冷机的研制及后续工程应用提供技术保障。
3.节流系统工质循环的驱动器一般处于常温环境，与jt部件通过管路连接，采用低温驱动器，能够解决驱动器体积过大的问题，通过预冷机给低温驱动器散热，提高低温驱动器的输出性能，有利于提升jt制冷系统的效率。设置节流前换热器可以加速降温且避免杂质堵塞节流小孔。同时，采用功回收调相压缩机提高冷指运行的效率，此布局大大降低了系统压缩机的功耗、减小了电机体积和重量，提升了节流蒸发制冷机的性能，满足空间小型化、低功耗制冷机的应用需求。


技术实现要素：

4.针对上述问题及需求，本发明的目的是提供一种功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机及其实现的方法。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，包括一级预冷机单元1、二级预冷机单元2、节流低温驱动单元3、jt节流单元4、真空罐5其特征在于：一级预冷机单元1、二级预冷机单元2、jt节流单元4之间依次通过螺钉紧固连接，且都置于真空罐5真空环境中；一级预冷机单元中的一级冷指1-1和一级驱动器1-2、二级预冷机单元中的二级冷指2-1和二级驱动器2-2、节流低温驱动单元3和jt节流单元4之间依次通过管路连接；节流低温驱动单元3位于一级冷板1-3上且通过螺钉紧固连接。
7.所述的一级冷指1-1为g-m型制冷机或斯特林型脉管制冷机；采用g-m型制冷机时，一级预冷机驱动器1-2采用带旋转阀的线性压缩机；斯特林型脉管制冷机时，一级预冷机驱动器1-2采用具有功回收调相功能的驱动器。
8.所述的二级冷指2-1采用斯特林型脉管制冷机时，二级预冷机驱动器2-2采用具有功回收调相功能的驱动器，或采用惯性管、双向进气或活塞型调相器。
9.所述的节流低温驱动单元3采用单压缩腔双活塞对置式线性压缩机、双压缩腔单活塞对置式线性压缩机、三压缩腔双活塞对置式压缩机、无油涡旋压缩机组进行驱动。
10.所述的jt节流单元4包括一级预冷换热器4-1、低压管路4-2、高压管路4-3、一级逆
流换热器4-4、二级预冷换热器4-5、二级逆流换热器4-6、节流前换热器4-7、节流元件4-8、蒸发器4-9、一级冷屏4-11、二级冷屏4-10；其中节流前换热器4-7、节流元件4-8、蒸发器4-9三者按序通过管路串联连接。
11.所述的一级预冷换热器4-1、二级预冷换热器4-5、节流前换热器4-7采用林德型换热器汉普逊型换热器。
12.所述的jt节流单元4中的节流元件4-8采用金属孔板，孔径为微米级。
13.所述的jt节流单元4中的蒸发器4-9采用狭缝型、螺旋管型蒸发器、针肋型蒸发器或多孔填充型蒸发器。
14.所述的jt节流单元4中的一级冷屏4-11、二级冷屏4-10的材料为无氧铜；
15.与现有技术对比，本发明的优点在于：
16.(1)将驱动器放置于低温环境下，能够有效减小驱动器的活塞直径和行程，满足小型化、轻量化的需求；
17.(2)通过设置节流前换热器可以加速降温且避免杂质堵塞节流小孔；
18.(3)采用功回收调相压缩机提高冷指运行的效率，此布局大大降低了系统压缩机的功耗、减小了电机体积和重量，提升了节流蒸发制冷机的性能，满足空间小型化、低功耗制冷机的应用需求。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；
20.图中标号示意如下：1为一级预冷机单元，1-1为一级冷指，1-2为一级预冷机驱动器，1-3为一级冷板；2为二级预冷机单元，2-1为二级冷指，2-2为二级预冷机驱动器，2-3为二级冷板；3为低温驱动器；4-1为一级预冷换热器，4-2为低压管，4-3为高压管，4-4为一级逆流换热器，4-5为二级预冷换热器，4-6为二级逆流换热器，4-7为节流前换热器，4-8为节流元件，4-9为蒸发器，4-10为二级冷屏，4-11为一级冷屏；5为真空罐。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述说明。
22.如图1所示，为本发明功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机结构图。jt循环中的制冷工质(氦气、氢气、氖气或其混合工质)在预冷机单元中一级冷指1-1和二级冷指2-1上的管路中被一级预冷机单元1和二级预冷机单元2预冷，低温驱动器3通过螺钉固定在一级预冷单元1的一级冷板1-3上。通过低温驱动器3将制冷工质压缩并提供单向循环流动动力，通过高压管路4-3进入一级预冷换热器4-1换热，进入一级逆流换热器4-5与低压管路4-3换热，再进入二级预冷换热器4-5换热，进入二级逆流换热器4-6与低压管路4-3换热达到一定的低温，最终进入节流前换热器4-7与蒸发器4-9接触换热的同时过滤工质，在节流元件4-8的作用下制冷工质产生制冷效应，同时在蒸发器4-9中获取到一定的制冷量，继而通过低压管路回到二级逆流换热器4-5、一级逆流换热器4-4，进行下一个循环。
23.安装在一级冷板1-3和二级冷板2-3上的一级冷屏4-11和二级冷屏4-10，能够减小辐射漏热；真空罐5为节流蒸发制冷系统提供真空环境。本发明中低温驱动器3布置在预冷机1中一级冷板1-3上。具有功回收功能的低温驱动器可以与一级预冷机单元1、二级预冷机
单元2相连，可根据制冷系统需求进行改变，具体的实施方式与上述一致。
24.最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。


技术特征：
1.一种功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，包括一级预冷机单元(1)、二级预冷机单元(2)、节流低温驱动单元(3)、jt节流单元(4)、真空罐(5)其特征在于：所述采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，一级预冷机单元(1)、二级预冷机单元(2)、jt节流单元(4)之间依次通过螺钉紧固连接，且都置于真空罐(5)真空环境中；一级预冷机单元中的一级冷指(1-1)和一级驱动器(1-2)、二级预冷机单元中的二级冷指(2-1)和二级驱动器(2-2)、节流低温驱动单元(3)和jt节流单元(4)之间依次通过管路连接；节流低温驱动单元(3)位于一级冷板(1-3)上且通过螺钉紧固连接。2.根据权利要求1所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的一级冷指(1-1)为g-m型制冷机或斯特林型脉管制冷机；采用g-m型制冷机时，一级预冷机驱动器(1-2)采用带旋转阀的线性压缩机；斯特林型脉管制冷机时，一级预冷机驱动器(1-2)采用具有功回收调相功能的驱动器。3.根据权利要求1所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的二级冷指(2-1)采用斯特林型脉管制冷机时，二级预冷机驱动器(2-2)采用具有功回收调相功能的驱动器，或采用惯性管、双向进气或活塞型调相器。4.根据权利要求1所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的节流低温驱动单元(3)采用单压缩腔双活塞对置式线性压缩机、双压缩腔单活塞对置式线性压缩机、三压缩腔双活塞对置式压缩机或无油涡旋压缩机组进行驱动。5.根据权利要求1所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的jt节流单元(4)包括一级预冷换热器(4-1)、低压管路(4-2)、高压管路(4-3)、一级逆流换热器(4-4)、二级预冷换热器(4-5)、二级逆流换热器(4-6)、节流前换热器(4-7)、节流元件(4-8)、蒸发器(4-9)、一级冷屏(4-11)、二级冷屏(4-10)；其中节流前换热器(4-7)、节流元件(4-8)、蒸发器(4-9)三者按序通过管路串联连接。6.根据权利要求5所述的功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的一级预冷换热器(4-1)、二级预冷换热器(4-5)、节流前换热器(4-7)采用林德型换热器或汉普逊型换热器。7.根据权利要求5所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的jt节流单元(4)中的节流元件(4-8)采用金属孔板，孔径为微米级。8.根据权利要求5所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的jt节流单元(4)中的蒸发器(4-9)采用狭缝型、螺旋管型蒸发器、针肋型蒸发器或多孔填充型蒸发器。9.根据权利要求5所述的采用功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，其特征在于：所述的jt节流单元(4)中的一级冷屏(4-11)和二级冷屏(4-10)的材料为无氧铜。

技术总结
本发明公开了一种功回收预冷耦合低温驱动的一体式节流制冷机，制冷机结构包括一级预冷单元、二级预冷单元、低温驱动单元和JT节流单元，各部件之间通过管路连接。在该制冷系统中，预冷机采用功回收技术为JT循环管路中的制冷工质提供两级预冷，驱动器处于低温环境下，驱动工质循环，通过节流元件产生制冷效应，在蒸发器中获取冷量。本发明专利技术用于驱动节流系统工质循环的低温驱动器空间体积和重量很小，节流前设置的换热器加速降温且避免杂质堵塞节流小孔，同时功回收调相压缩机提高冷指运行效率，该制冷机结构功耗低、制冷机效率高，能满足空间小型化、低功耗制冷机的应用需求。低功耗制冷机的应用需求。低功耗制冷机的应用需求。


技术研发人员：刘少帅 吴亦农 褚晋简 沙鑫权 蒋珍华 丁磊 陈志超 黄政 杨宝玉 陆志
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/22