一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷的制造方法

日期:2019-04-08 07:18:37

一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,包括斯特林制冷单元和节流制冷单元两部分,斯特林制冷单元与封装杜瓦采用直接耦合方式集成(DDCA),节流制冷单元的套管式逆流热交换器布置在节流制冷单元的芯柱与杜瓦外壳之间的空容积内,斯特林制冷单元和节流制冷单元均由斯特林制冷单元的电控统一控制启停。本发明的节流制冷单元有效地利用了杜瓦内部空容积,整个复合制冷机制冷部分的外型结构和体积与传统集成式斯特林制冷组件相同,特别适合应用在一些对降温时间和长期可靠性工作均有严格要求的红外器件的冷却场合,在不改变接口尺寸的前提下直接替换现有的集成式斯特林制冷组件,实现红外器件较快的降温速度和长期可靠性工作。
【专利说明】一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合型制冷机,具体是涉及一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机。
【背景技术】
[0002]现代科学技术中,许多仪器和设备的运行和发展离不开低温制冷技术,例如红外器件、低温电子器件、低温冷凝真空装置、超导磁体和超导磁共振成像仪等都需要符合要求的低温制冷机来提供冷却条件。
[0003]回热式制冷技术和间壁式制冷技术是低温制冷领域中的两个重要分支,根据这两种技术各自的特点,目前在低温物理、国防军事、能源、医疗等领域应用均较为广泛。
[0004]斯特林制冷机和节流制冷机分别是回热式和间壁式两种制冷技术中的典型低温制冷机。其中,斯特林制冷机利用电机驱动压缩机构和膨胀机构,利用回热填料与工质之间的换热完成制冷效应,具有结构紧凑、效率高、体积小等优点,经过长期的竞争开发、评估和实质性的研究,斯特林制冷机已经从所有候选的微型制冷机中脱颖而出,广泛应用于夜视仪、导弹制导系统的冷却器等,但斯特林制冷机受到驱动组件、传动机构等结构特点的限制,初始预冷时间较长,使其在要求迅速获得足够冷量的应用中受到了限制;节流制冷机利用焦耳-汤姆逊效应,利用高压气体通过节流装置膨胀到低压以产生制冷效应,节流制冷器通常具有开式和闭式两种形式,开式循环模式的节流制冷器采用高压储气器或高压气体钢瓶供气,这种系统不需要压缩机和制冷器之间的永久性连接,对压缩机与低温恒温器的分隔距离没有限制,系统除要求连续供给高压气体外,不需要功率输入,开式节流器可以与小高压气瓶组装成一个完整的系统,具有结构简单、启动时间短、制冷速度快、质量小等特点,但这种小型系统仅能维持较短时间的低温效应。闭式节流制冷器需要将节流元件、热交换器和气源制备设备组成封闭的循环系统,压缩机与制冷器永久的连接在一起,这种系统可以长期使用,但系统结构复杂,体积庞大,其应用领域受到极大的限制。
[0005]在某些应用领域中,既对预冷时间有苛刻的要求,又对探测器的体积和质量有严格的限制,例如红外制导系统。红外制导系统中,系统的尺寸规格直接影响到制导系统位标器的光学性能,制冷器的质量大小也会影响位标器的运动特性,如果有可能,设计人员会把制冷器的某些部件,如阀门、压力传感器、高压气瓶或贮液器等尽量放置在远离位标器的部位,有时干脆不装在弹上,而是装在发射架上,导弹发射后红外探测器只靠蓄冷工作,但在某些特定场合,蓄冷量并不足以满足使用要求。因此既能快速预冷,又能持续稳定提供冷量的微型制冷装置成为必然的需求。
[0006]目前国内对斯特林制冷机和节流制冷机的研究较多,但将斯特林制冷机与节流制冷机结合起来的研究还较为少见。利用斯特林制冷机可长期可靠工作的特点,结合开式节流制冷器快速制冷的优势,将二者组合成一套完整的斯特林-节流复合制冷系统,既可以快速地达到所需的制冷温度,又可以长期稳定的工作,并能够重复、多次使用,这样的制冷装置将具有广泛的应用领域。
【发明内容】

[0007]本发明的目的是克服斯特林制冷机启动较慢、预冷时间长和开式节流制冷器不能长期稳定工作的技术缺点,提供了一种可快速制冷同时可以长期稳定提供冷量的斯特林-节流复合型制冷机。
[0008]本发明的技术方案为:一种可快速降温的斯特林-节流复合型制冷机,包括斯特林制冷单元和节流制冷单元两部分,斯特林制冷单元与封装杜瓦I采用DDCA方式集成,节流制冷单元的套管式逆流热交换器6布置在节流制冷单元芯柱17与杜瓦I外壳之间的空容积内,斯特林制冷单元和节流制冷单元均由斯特林制冷单元的电控12统一控制启停。
[0009]本发明所用的斯特林制冷单元为经典的整体集成式斯特林制冷机,包括驱动电控
12、直流无刷电机、曲柄连杆机构、压缩组件与膨胀组件,其本身为一独立的完整体,制冷工质为高纯氦气,氦气纯度优于99.999%以上,充气压力在3.2-3.5MPa。在进行复合型制冷机的组装前先进行性能测试,待性能达到指标后再进行与节流制冷单元的组装。
[0010]本发明所采用的斯特林制冷单元的冷头5上部中间加工出圆形冷头凸台19,冷头凸台19的上端面与冷帽2的底端面紧密接触,以减少冷头凸台19与冷帽2间的传热热阻,冷帽2的环形端面与冷头冷盘20的上端面紧配合,边缘处通过激光焊焊接成一体,焊接处要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下,制冷工质的泄漏率在KT9-1O-wPa.m3/s。冷头凸台19的直径小于冷头冷盘20的外径,以实现冷帽2与冷头冷盘20焊接后形成节流制冷单元的环形积液腔3。
[0011]本发明的节流制冷单元示的套管式逆流热交换器6由下至上紧密盘绕在以两端开口的不锈钢薄壁圆筒为节流制冷单元芯柱17的外壁上,节流制冷单元芯柱17底端焊接在冷指基座10的上端面,套管式逆流热交换器6的外管与节流制冷单元芯柱17外壁的上下端焊接固定,套管式逆流热交换器6的上下端分别引出相应的长度,上端用于与环形积液腔3连接,下端用于与管接头13连接,焊接时注意避免损伤套管式逆流热交换器6的外管,以免导致高压节流制冷工质的泄漏。节流制冷单元芯柱17高度应低于冷指7的高度,以保持节流制冷单元芯柱17内外侧腔体连通,从而使杜瓦I采用一个排气口排出内部所有空间的气体,且由于节流制冷单元芯柱17的上端与冷头5之间无接触,可有效地减少斯特林制冷单元工作时通过节流制冷单元芯柱17的轴向漏热。
[0012]本发明的套管式逆流热交换器6的冷端伸出部分(也就是上端)插入环形积液腔3的外壳内5mm,在连接处密封焊接,热端伸出部分(也就是下端)穿过杜瓦连接法兰11的底部,且与管接头13的一端焊接,在穿过杜瓦连接法兰11处焊接实现套管式逆流热交换器6的外管与杜瓦连接法兰11密封焊接,焊接处均要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下,制冷工质的泄漏率在KT9-KTwPa.m3/s,且同时需要满足杜瓦I真空检漏优于10_12Pa.m3/s。套管式逆流热交换器6伸出杜瓦连接法兰11的下端外管路与管接头13的左端密封焊接,管接头13的外管出口处21安装单向压力阀16,右侧内管出口处22安装有电磁阀14,电磁阀14的右端通过高压管路与快速接头15连接,快速接头15再通过高压管路与高压气瓶18连接,高压气瓶18内装有制冷工质,所有连接部位需严格检漏,各连接处保证高压制冷工质不泄漏。节流制冷单元的高压气瓶18设置在外围,可根据复合型制冷机应用场合、使用工况和使用时间更换或切断高压气瓶18,高压气瓶18也可根据具体工程应用情况灵活布置。
[0013]本发明的节流制冷单元通过电控12发出开启信号,之后电磁阀14打开,高压制冷工质由高压气瓶18流出,经高压管路流经快速接头15,再流过电磁阀14,通过管接头13流出套管式逆流热交换器6的内部螺旋毛细管4,经螺旋毛细管4节流膨胀后进入环形积液腔3,在环形积液腔3内实现与冷帽2的换热,换热后的工质气体通过套管式逆流热交换器6的外管返回,预冷螺旋毛细管4内的高压气体,最后由管接头13中的单向压力阀16排出到大气。当节流制冷单元关闭,套管式逆流热交换器6的外管压力值低于外部大气压时,单向压力阀16将自行关闭,切断与大气的连通。耦合前,节流制冷单元与斯特林制冷单元在结构和功能上相互独立,采用高纯氮气作为制冷工质,工作压力12-40MPa,纯度优于99.999%,杂质含量小于5ppm,露点温度优于_65°C,固体杂质尺寸小于5 y m。
[0014]本发明的两个制冷单元可同时启动,也可单独启动,节流制冷单元可实现冷头5的快速降温,斯特林制冷单元可维持冷头5的长期低温环境。斯特林制冷单元与节流制冷单元在功能和结构上相互独立,采用不同工质制冷,中间无气路连通,可分别进行调试,测试其功能正常后再进行最后的组装。
[0015]本发明的优点是:
[0016]本发明充分利用了整体集成式斯特林制冷机结构紧凑、效率高、体积小和长期可靠性工作的特点,并配合开式节流制冷器体积小、快速制冷的优势,取长补短,形成一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷系统,既解决了斯特林制冷机受膨胀机热质量、驱动组件和传动机构等结构特点的限制,初始预冷时间较长的缺点,使系统能够根据实际要求迅速地降温,快速地获取冷量,又解决了开式节流制冷器受到高压气源供气有限的限制,实现了一种既可快速制冷同时又可长期稳定提供冷量的复合型制冷机。
[0017]本发明的斯特林制冷单元和节流制冷单元在结构和功能上具有各自的独立性,可分别进行装配、测试,再进行最后的组装,且装配过程中不会对彼此性能造成较大的影响,具有较强的工程可操作性。本发明的节流制冷单元的热交换器和节流部件有效地利用了节流制冷单元芯柱17与杜瓦I外壳之间的空容积,整个复合制冷机的外形与体积(不含节流制冷单元的气体管路和高压气瓶)与传统的整体式斯特林制冷组件相同,故这种复合型制冷机将可以直接用在传统的斯特林制冷组件的应用领域,在不改变接口尺寸的情况下直接替代现有的斯特林制冷组件。
【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图;
[0019]图2是斯特林制冷单元结构示意图;
[0020]图3是节流制冷单元与斯特林制冷单元制冷部位耦合示意图;
[0021]图4是节流制冷单元结构示意图;
[0022]图5是管接头结构示意图;
[0023]图中,杜瓦1、冷帽2、环形积液腔3、螺旋毛细管4、冷头5、套管式逆流热交换器
6、冷指7、蓄冷器外壳8、填料9、冷指基座10、杜瓦连接法兰11、电控12、管接头13、电磁阀14、快速接头15、单向压力阀16、节流制冷单元芯柱17、高压气瓶18、冷头凸台19、冷头冷盘20、外管出口处21、内管出口处22。【具体实施方式】
[0024]下面结合附图及实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明:
[0025]如图1所示,本发明包括斯特林制冷单元和节流制冷单元两部分,斯特林制冷单元与封装杜瓦I采用IDDCA的方式直接耦合,节流制冷单元的套管式逆流热交换器6布置在节流制冷单元芯柱17与杜瓦外壳之间的空容积内,斯特林制冷单元和节流制冷单元均由斯特林制冷单元的电控12统一控制启停。
[0026]如图2所示,本发明的斯特林制冷单元为经典的整体集成式斯特林制冷机,包括驱动电控12、直流无刷电机、曲柄连杆机构、压缩组件与膨胀组件,其本身为一独立的完整体,制冷工质为高纯氦气,氦气纯度优于99.999%以上,充气压力在3.2-3.5MPa。在进行复合型制冷机的组装前先进行性能测试,待性能达到指标后再进行与节流制冷单元的组装。
[0027]如图2所示,本发明的斯特林制冷单元冷头5上部中间加工出圆形冷头凸台19,冷头凸台19的上端面与冷帽2的底端面紧密接触,以减少冷头凸台19与冷帽2间的传热热阻,冷帽2的环形端面与冷头冷盘20的上端面紧配合,边缘处通过激光焊焊接成一体,焊接处要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下,工质的泄漏率在lO-g-lO-’a.m3/s。冷头凸台19的直径小于冷头冷盘20的外径,以实现冷帽2与冷头冷盘20焊接后形成节流制冷单元的环形积液腔3。冷头凸台19的高度和直径需考虑到斯特林制冷单元(如图2)膨胀腔的冷量到冷帽2上端面的高效传递;节流制冷单元(如图3)环形积液腔3的大小需根据节流工质的换热面积,根据冷帽2上端面贴装的被冷却物品的热质量和所需要的降温时间由热力学计算优化给出。
[0028]如图4所示,本发明的节流制冷单元的套管式逆流热交换器6由下至上紧密盘绕在以两端开口的不锈钢薄壁圆筒为节流制冷单元芯柱17的外壁上,节流制冷单元芯柱17底端通过激光焊与冷指基座10的上端面固定,套管式逆流热交换器6的外管与节流制冷单元芯柱17外壁的上下端通过银焊焊接固定,且套管式逆流热交换器6的上下端分别引出相应的长度,上端用于与环形积液腔3连接,下端用于与管接头13连接,焊接时注意避免损伤套管式逆流热交换器6的外管,以免导致高压节流制冷工质的泄漏。节流制冷单元芯柱17高度应低于冷指7的高度,以保持节流制冷单元芯柱17内外侧腔体连通,从而使杜瓦I采用一个排气口排出内部所有空间的气体,且由于节流制冷单元芯柱17的上端与冷头5之间无接触,可有效地减少斯特林制冷单元工作时通过节流制冷单元芯柱17的轴向漏热。节流制冷单元芯柱17的高度和直径需要综合考虑节流制冷单元套管式逆流热交换器的盘绕尺寸、斯特林制冷单元工作而节流制冷单元关闭时冷指7与节流制冷单元芯柱17之间辐射换热损失,由热力学优化设计给出。
[0029]如图1所示,本发明的套管式逆流热交换器6的冷端伸出部分(也就是上端)插入环形积液腔3的外壳内5mm,在连接处通过激光焊或银焊密封焊接,热端伸出部分(也就是下端)穿过杜瓦连接法兰11的底部,且与管接头13的一端焊接,在穿过杜瓦连接法兰11处通过激光焊实现套管式逆流热交换器6的下端外管与杜瓦连接法兰11密封焊接,各焊接处均要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下,制冷工质的泄漏率在KT9-KTwPa.m3/s,且同时需要满足杜瓦I真空检漏优于10_12Pa.m3/s。
[0030]如图4所示,本发明的套管式逆流热交换器6伸出杜瓦连接法兰11的下端外管与如图5所示的管接头13的左端密封焊接,管接头13的外管出口处21安装单向压力阀16,右侧内管出口处22安装有电磁阀14,电磁阀14的右端通过高压管路与快速接头15连接,快速接头15再通过高压管路与高压气瓶18连接,高压气瓶18内装有制冷工质,所有连接部位需严格检漏,各连接处保证高压制冷工质不泄漏。高压气瓶18设置在制冷机组件外围,可根据复合型制冷机应用场合、使用工况和使用时间更换或切断高压气瓶18,高压气瓶18也可根据具体工程应用情况灵活布置。
[0031]如图4所示,本发明的节流制冷单元通过电控12发出开启信号,之后电磁阀14打开,高压制冷工质由高压气瓶18流出,经高压管路流经快速接头15,再流过电磁阀14,通过管接头13流出套管式逆流热交换器6的内部螺旋毛细管4,经螺旋毛细管4节流膨胀后进入环形积液腔3,在环形积液腔3内实现与冷帽2的换热,换热后的工质气体通过套管式逆流热交换器6的外管返回,预冷螺旋毛细管4内的高压气体,最后由管接头13中的单向压力阀16排出到大气。当节流制冷单元关闭,套管式逆流热交换器6的外管压力值低于外部大气压时,单向压力阀16将自行关闭,切断与大气的连通。
[0032]如图4所示,稱合前,节流制冷单元与斯特林制冷单元在结构和功能上相互独立,采用高纯氮气作为制冷工质,工作压力12-40MPa,纯度优于99.999%,杂质含量小于5ppm,露点温度优于_65°C,固体杂质尺寸小于5 u m。在进行复合制冷机组装前,节流制冷单元可单独进行性能测性后再进行最后的组装。
【权利要求】
1.一种可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,包括斯特林制冷单元和节流制冷单元两部分,其特征在于:斯特林制冷单元与封装杜瓦(I)采用直接耦合方式集成(DDCA),节流制冷单元的套管式逆流热交换器(6 )布置在节流制冷单元的芯柱(17 )与杜瓦(I)外壳之间的空容积内,斯特林制冷单元和节流制冷单元均由斯特林制冷单元的电控(12 )统一控制启停。
2.根据权利要求1所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的斯特林制冷单元为经典的整体集成式斯特林制冷机,包括电控(12)、直流无刷电机、曲柄连杆机构、压缩组件与膨胀组件,制冷工质为高纯氦气,氦气纯度在99.999%以上,充气压力在 3.2-3.5MPa。
3.根据权利要求2所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的斯特林制冷单元的冷头(5)上部中间加工出圆形冷头凸台(19),冷头凸台(19)的上端面与冷帽(2 )的底端面紧密接触,冷帽(2 )的环形端面与冷头冷盘(20 )的上端面紧配合,边缘处通过激光焊焊接成一体,焊接处要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下,氦气的泄漏率在10_9-10_呷&.m3/s ;冷头凸台(19)的直径小于冷头冷盘(20)的外径,以实现冷帽(2 )与冷头冷盘(20 )焊接后形成节流制冷单元的环形积液腔(3 )。
4.根据权利要求1所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的节流制冷单元的套管式逆流热交换器(6)由下至上紧密盘绕在以两端开口的不锈钢薄壁圆筒为节流制冷单元芯柱(17)的外壁上,节流制冷单元芯柱(17)底端焊接在冷指基座(10)的上端面,套管式逆流热交换器(6)的外管与节流制冷单元芯柱(17)外壁的上下端焊接固定,且套管式逆流热交换器(6)的上下端分别引出相应的长度,上端用于与环形积液腔(3)连接,下端用于与管接头(13)连接,节流制冷单元芯柱(17)高度应低于冷指(7)的高度。
5.根据权利要求4所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的节流制冷单元的套管式逆流热交换器(6)的冷端伸出部分也就是上端插入环形积液腔(3)的外壳内5mm,在连接处密封焊接,热端伸出部分也就是下端穿过杜瓦连接法兰(11)的底部,且与管接头(13)的一端焊接,在穿过杜瓦连接法兰(11)处焊接实现套管式逆流热交换器(6)的下端外管与杜瓦连接法兰(11)密封焊接,焊接处均要保证在节流制冷单元40MPa的绝对充气压力下,工质的泄漏率在KT9-1O-wPa.m3/s,且同时需要满足杜瓦(I)真空检漏优于KT12Pa.m3/s。
6.根据权利要求4所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的套管式逆流热交换器(6)伸出杜瓦连接法兰(11)的下端外管与管接头(13)的左端密封焊接,管接头(13)的外管出口处(21)安装单向压力阀(16),管接头(13)的右侧内管出口处(22)安装有电磁阀(14),电磁阀(14)的右端通过高压管路与快速接头(15)连接,快速接头(15)再通过高压管路与高压气瓶(18)连接,高压气瓶(18)内装有制冷工质,各连接处保证高压制冷工质不泄漏。
7.根据权利要求4所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的节流制冷单元通过电控(12)发出开启信号,之后电磁阀(14)打开,高压制冷工质由高压气瓶(18)流出,经高压管路流经快速接头(15),再流过电磁阀(14),通过管接头(13)流入套管式逆流热交换器(6)的内部螺旋毛细管(4),经螺旋毛细管(4)节流膨胀后进入环形积液腔(3),在环形积液腔(3)内实现与冷帽(2)的换热,换热后的工质气体通过套管式逆流热交换器(6)的外管返回,预冷螺旋毛细管(4)内的高压气体,最后由管接头(13)中的单向压力阀(16)排出到大气。当节流制冷单元关闭,套管式逆流热交换器(6)的外管压力值低于外部大气压时,单向压力阀(16)将自行关闭,切断与大气的连通。
8.根据权利要求4所述的可快速制冷的斯特林-节流复合型制冷机,其特征在于:所述的节流制冷单元与斯特林制冷单元在结构和功能上相互独立,采用高纯氮气作为制冷工质,工作压力12-40MPa,纯度优于99.999%,杂质含量小于5ppm,露点温度优于_65°C,固体杂质尺寸小于5 ii m。`
【文档编号】F25B49/00GK103615823SQ201310660186
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】黄立, 王立保, 孙超, 张满春, 余波, 程成 申请人:武汉高芯科技有限公司


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