專利名稱：低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的j-t節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及制冷技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的探測器工作在4K及mK級溫區(qū)，而且mK級溫區(qū)必需4K溫區(qū)提供預(yù)冷，所以4K溫區(qū)是空間探測中一個(gè)極其重要的溫區(qū)，一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。空間液氦溫區(qū)的制冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技術(shù)和機(jī)械式制冷技術(shù)。其中液氦杜瓦制冷技術(shù)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(fā)吸熱來實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)，這種方式可以獲得較穩(wěn)定的溫度，在早期的航天探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)相對成熟，但是它存在體積大、重量重、絕熱系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)射成本高以及使用壽命受工質(zhì)存儲量限制等缺點(diǎn)。隨著機(jī)械式制冷技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，特別是板彈簧和間隙密封等技術(shù)的應(yīng)用，徹底解決了杜瓦技術(shù)始終無法克服的長壽命問題，使得機(jī)械式制冷技術(shù)如斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)近20年來在航天領(lǐng)域快速發(fā)展并占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。而在15K以下溫區(qū)，氦嚴(yán)重偏離理想氣體性質(zhì)、回?zé)岵牧象w積比熱容急劇下降等原因造成已在空間大量運(yùn)用的斯特林制冷機(jī)和斯特林型脈管制冷機(jī)在液氦溫區(qū)制冷效率較低。實(shí)際空間應(yīng)用中經(jīng)常希望壓縮機(jī)單元能夠盡可能靠近散熱單元便于熱量的耗散，盡可能遠(yuǎn)離被冷卻的探測器裝置以減小壓縮 機(jī)帶來的熱耗散、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾。而回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的冷端與熱端距離比較近，難以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)和冷頭分置的要求，從而限制了其在空間任務(wù)中的應(yīng)用。焦耳-湯普遜節(jié)流制冷機(jī)(Joule-Thomson Cooler,以下簡稱J-T節(jié)流制冷機(jī))利用溫度低于15K時(shí),氦氣的非理想特性顯著這一特點(diǎn)引起的Joule-Thomson節(jié)流效應(yīng)來獲得制冷，效率較高。而且J-τ制冷機(jī)沒有冷端運(yùn)動(dòng)部件，工質(zhì)直流流動(dòng)，冷頭可根據(jù)所需冷卻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由設(shè)計(jì)等特點(diǎn)所帶來的一系列優(yōu)點(diǎn)使J-τ制冷機(jī)成為空間液氦溫區(qū)任務(wù)的主流。J-T制冷機(jī)壓縮機(jī)單元可分為非機(jī)械壓縮機(jī)和機(jī)械壓縮機(jī)兩類。前者主要采用吸附壓縮機(jī)，是目前J-T制冷機(jī)研究的熱點(diǎn)之一，具有無運(yùn)動(dòng)部件、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾小等特點(diǎn)，但是吸附壓縮機(jī)的效率普遍偏低，壓縮機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜；后者則工作在室溫下，盡管壓縮機(jī)單元無可避免的存在一定的機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾，但是機(jī)械壓縮機(jī)技術(shù)相對成熟，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，效率比較高。而對于空間液氦溫區(qū)的長壽命，低振動(dòng)，無油的要求，機(jī)械壓縮機(jī)中目前唯有線性壓縮機(jī)能夠滿足。因此線性壓縮機(jī)是目前J-T制冷機(jī)實(shí)際空間應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)類型。目前存在的J-T制冷機(jī)大多存在制冷性能不高的技術(shù)問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，該制冷循環(huán)系統(tǒng)采用低溫下工作的壓縮機(jī)，減少了制冷劑因逆流式換熱器而產(chǎn)生的壓力損失，在壓縮機(jī)進(jìn)出口壓比相同的情況下，增加了節(jié)流閥兩端壓比，提高了 J-T節(jié)流制冷性能?！N低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括制冷單元和預(yù)冷單元，所述制冷單元包括一級低溫線性壓縮機(jī)、節(jié)流前換熱器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器；所述的預(yù)冷單元包括一級預(yù)冷換熱器和預(yù)冷機(jī)構(gòu)；按照制冷劑流向，所述一級低溫線性壓縮機(jī)出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器的高溫側(cè)管路、節(jié)流前換熱器的高溫側(cè)管路、節(jié)流閥和蒸發(fā)器入口連通，蒸發(fā)器出口通過管路依次與節(jié)流前換熱器的低溫側(cè)管路和壓縮機(jī)入口連通形成循環(huán)回路；按照預(yù)冷劑流向，所述預(yù)冷機(jī)構(gòu)出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器的低溫側(cè)管路、一級低溫線性壓縮機(jī)的表面盤管和預(yù)冷機(jī)構(gòu)入口連通形成循環(huán)預(yù)冷回路。壓縮機(jī)如果工作在低溫下，其線圈電阻會大大減小，本身產(chǎn)生的焦耳熱也會隨之減小，其維持低溫環(huán)境的熱負(fù)荷為焦耳熱與工質(zhì)壓縮熱之和，也會大大減小。對于常溫下壓縮的深冷溫區(qū)的J-T節(jié)流制冷機(jī)往往需要多級逆流式換熱器回收冷量，若壓縮機(jī)直接在低溫下壓縮，則可以減少逆流式換熱器個(gè)數(shù)，因而可以減少多個(gè)換熱器帶來的壓降，使得節(jié)流前壓力更加接近壓縮機(jī)排氣壓力，節(jié)流后壓力更接近壓縮機(jī)吸氣壓力，節(jié)流導(dǎo)致的溫降更大，可獲得更低的制冷溫度或者更大的制冷量(更好的制冷性能)。其工質(zhì)可以是氦，氫，氖(稀有氣體很貴，一般不用)，氮等，其壓縮機(jī)所處低溫環(huán)境視其工質(zhì)和制冷溫度要求而定。為進(jìn)一步提 高制冷性能，作為優(yōu)選，所述一級低溫線性壓縮機(jī)為超導(dǎo)線性壓縮機(jī)。超導(dǎo)線性壓縮機(jī)是工作在低溫下的采用超導(dǎo)線圈的線性壓縮機(jī)，它既有普通線性壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且在低溫下表現(xiàn)出更好的性能。采用超導(dǎo)電機(jī)的線性壓縮機(jī)在低于其線圈材料溫度以下時(shí)，其電阻幾乎為零，因而消除了超導(dǎo)線性壓縮機(jī)的銅損，從而消除了相應(yīng)的線圈產(chǎn)生的焦耳熱。因此在超導(dǎo)線性壓縮機(jī)在其線圈材料臨界溫度以下工作時(shí)，其自身產(chǎn)生的熱負(fù)荷僅為壓縮工質(zhì)所產(chǎn)生的壓縮熱，也就是說為其維持低溫環(huán)境所需的制冷量較小。所以采用超導(dǎo)線性壓縮機(jī)的液氦溫區(qū)J-T節(jié)流制冷循環(huán)便可以更高效地獲得液氦溫區(qū)制冷性能，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際使用過程中，作為優(yōu)選，壓縮機(jī)可采用多級壓縮，例如采用兩級壓縮時(shí)，所述一級預(yù)冷換熱器高溫側(cè)管路出口與節(jié)流前換熱器高溫側(cè)管路入口之間的管路上還設(shè)有二級低溫線性壓縮機(jī)和二級預(yù)冷換熱器；所述二級低溫線性壓縮機(jī)入口與一級預(yù)冷換熱器的高溫側(cè)管路連通，二級低溫線性壓縮機(jī)出口通過二級預(yù)冷換熱器的高溫側(cè)管路與節(jié)流前換熱器高溫側(cè)管路入口連通；所述二級預(yù)冷換熱器的低溫側(cè)管路入口通過管路同時(shí)與預(yù)冷機(jī)構(gòu)出口連通，出口與二級低溫線性壓縮機(jī)的表面盤管入口連通；二級低溫線性壓縮機(jī)的表面盤管出口通過管路同時(shí)與預(yù)冷機(jī)構(gòu)的入口連通。采用兩級壓縮時(shí)，在第一級低溫線性壓縮機(jī)出口將工質(zhì)冷卻至第一級低溫線性壓縮機(jī)吸氣溫度，然后再進(jìn)入第二級低溫線性壓縮機(jī)，可減少第二級壓縮的發(fā)熱量，也可減小總的輸入功，提高循環(huán)效率。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述二級低溫線性壓縮機(jī)為超導(dǎo)線性壓縮機(jī)。在制冷單元中也可根據(jù)實(shí)際需要增加線性壓縮機(jī)，作為優(yōu)選，所述節(jié)流前換熱器的低溫側(cè)管路出口和一級低溫線性壓縮機(jī)入口之間的管路上還設(shè)有線性壓縮機(jī)、一級換熱器、高溫預(yù)冷換熱器、二級換熱器；按照制冷劑流向，所述節(jié)流前換熱器的低溫側(cè)管路出口通過管路依次與二級換熱器的低溫側(cè)管路、一級換熱器的低溫側(cè)管路與所述線性壓縮機(jī)入口連通，線性壓縮機(jī)出口通過管路依次與一級換熱器的高溫側(cè)管路、高溫預(yù)冷換熱器以及二級換熱器的高溫側(cè)管路與所述一級低溫線性壓縮機(jī)入口連通。[0012]所述預(yù)冷機(jī)構(gòu)可根據(jù)低溫線性壓縮機(jī)需要工作的溫度不同，選用不同制冷劑的制冷機(jī)構(gòu)，例如:若壓縮機(jī)需工作在20K，那么一般用液氫作為冷卻壓縮機(jī)的低溫流體，也可以是氦氣，相應(yīng)的制冷機(jī)構(gòu)可選用氫吸附式制冷機(jī)構(gòu)或以氫為工質(zhì)的J-T節(jié)流制冷機(jī)構(gòu)，或者以氦為工質(zhì)的回?zé)崾街评錂C(jī)構(gòu)(GM制冷機(jī)，斯特林制冷機(jī)，GM脈管制冷機(jī)，斯特林脈管制冷機(jī)或斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī))。若壓縮機(jī)工作在80K左右溫區(qū)，所述制冷機(jī)構(gòu)可采用以氮為工質(zhì)的J-τ節(jié)流制冷機(jī)構(gòu)，或以氦為工質(zhì)的回?zé)崾街评錂C(jī)構(gòu)。為得到4K的制冷溫區(qū)，作為優(yōu)選，所述的制冷劑為氦氣，所述的預(yù)冷機(jī)構(gòu)為能夠提供20K以下溫度冷源的預(yù)冷機(jī)構(gòu)；所述的超導(dǎo)線性壓縮機(jī)的線圈為臨界溫度高于20K的超導(dǎo)材料；所述預(yù)冷換熱器制冷劑出口的制冷劑需預(yù)冷至20K及以下溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:(I)本實(shí)用新型的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)可調(diào)性較強(qiáng)，即可采用單級或多級超導(dǎo)線性壓縮機(jī)在線圈材料臨界溫度以下壓縮的形式，也可采用線性壓縮機(jī)在常溫下一級壓縮，超導(dǎo)線性壓縮機(jī)在線圈材料臨界溫度以下一級或二級壓縮的形式，前者結(jié)構(gòu)更加緊湊，J-T循環(huán)自身的理論能效比(卡諾C0P)高，后者有利于實(shí)現(xiàn)更大的壓比并降低壓縮機(jī)成本，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。(2)本實(shí)用新型采用超導(dǎo)線性壓縮機(jī)工作在20K左右的低溫環(huán)境中，對液氦溫區(qū)J-T節(jié)流制冷循環(huán)的工質(zhì)進(jìn)行壓縮，有利于增大節(jié)流前后實(shí)際壓比，提升該循環(huán)制冷性能。同時(shí)由于超導(dǎo)線性壓縮機(jī)采用了超導(dǎo)線圈，消除了超導(dǎo)線性壓縮機(jī)線性電機(jī)中由電阻引起的銅損，有效地提高了壓縮機(jī)的效率。因此由超導(dǎo)線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的液氦溫區(qū)J-T節(jié)流制冷循環(huán)將具有較高的效率，也具有壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1為本實(shí)用新型 的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)的第一種實(shí)施方式示意圖。圖2為本實(shí)用新型的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)的第二種實(shí)施方式示意圖。圖3為本實(shí)用新型的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)的第三種實(shí)施方式示意圖。圖4為圖1所示循環(huán)系統(tǒng)的Τ-s示意圖。圖5為圖2所示循環(huán)系統(tǒng)的Τ-s示意圖。其中:1:一級低溫線性壓縮機(jī)、2:—級預(yù)冷換熱器、3:節(jié)流前換熱器、4:節(jié)流閥、5:蒸發(fā)器、6:預(yù)冷機(jī)構(gòu)、7:—級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管、8:線性壓縮機(jī)、9:一級換熱器、10:高溫預(yù)冷換熱器、11:二級換熱器、12:二級低溫線性壓縮機(jī)、13:二級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管、14:二級預(yù)冷換熱器。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括制冷單元和預(yù)冷單元，制冷單元包括一級低溫線性壓縮機(jī)1、節(jié)流前換熱器3、節(jié)流閥4和蒸發(fā)器5 ;預(yù)冷單元包括一級預(yù)冷換熱器2和預(yù)冷機(jī)構(gòu)6，其中一級低溫線性壓縮機(jī)I為超導(dǎo)線性壓縮機(jī)。制冷單元和預(yù)冷單元各部件之間的連接關(guān)系為:按照制冷劑流向，一級低溫線性壓縮機(jī)I出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器2的高溫側(cè)管路、節(jié)流前換熱器3的高溫側(cè)管路、節(jié)流閥4和蒸發(fā)器5入口連通，蒸發(fā)器5出口通過管路依次與節(jié)流前換熱器3的低溫側(cè)管路和壓縮機(jī)I入口連通形成循環(huán)回路；按照預(yù)冷劑流向，預(yù)冷機(jī)構(gòu)6出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器2的低溫側(cè)管路、一級低溫線性壓縮機(jī)I的表面盤管7和預(yù)冷機(jī)構(gòu)6入口連通形成循環(huán)預(yù)冷回路。制冷單元和預(yù)冷單元內(nèi)工質(zhì)的工作過程分別為:制冷單元內(nèi)制冷劑的工作過程為:制冷劑由一級低溫線性壓縮機(jī)I壓縮至高壓并排出，流經(jīng)一級預(yù)冷換熱器2、節(jié)流前換熱器3的高溫側(cè)管路和節(jié)流閥4，在節(jié)流閥4處節(jié)流至低壓并達(dá)到液氦溫區(qū)后流入蒸發(fā)器5，經(jīng)蒸發(fā)器5蒸發(fā)氣體后進(jìn)入節(jié)流前換熱器3的低溫側(cè)管路，最終返回一級低溫線性壓縮機(jī)I。預(yù)冷單元內(nèi)預(yù)冷劑的工作過程為:預(yù)冷劑由預(yù)冷機(jī)構(gòu)6出發(fā)，流經(jīng)一級預(yù)冷換熱器2和一級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管7，冷卻一級低溫線性壓縮機(jī)I出口工質(zhì)及一級低溫線性壓縮機(jī)I后返回預(yù)冷機(jī)構(gòu)6。預(yù)冷機(jī)構(gòu)6需提供20K以下溫度的冷源及輸送預(yù)冷劑的動(dòng)力裝置，預(yù)冷機(jī)構(gòu)可選擇以氦為工質(zhì)的回?zé)崾街评錂C(jī)構(gòu)(GM制冷機(jī)，斯特林制冷機(jī)，GM脈管制冷機(jī)，斯特林脈管制冷機(jī)或斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī))。一級低溫線性壓縮機(jī)I線圈采用臨界溫度高于20K的超導(dǎo)材料。系統(tǒng)如上述流程及要求安裝，安裝完畢后，對系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至10_2Pa左右，然后充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至10_2Pa左右。如此反復(fù)抽真空充氣3-4次后，最終充入工作壓力的高純氦氣，即可保證系統(tǒng)中氦氣工質(zhì)的純度。開啟預(yù)冷機(jī)構(gòu)6，使預(yù)冷機(jī)構(gòu)6中預(yù)冷劑流經(jīng)一級預(yù)冷換熱器2將一級低溫線性壓縮機(jī)I出口工質(zhì)預(yù)冷至20K及以下溫度，之后流經(jīng)一級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管7將一級低溫線性壓縮機(jī)I冷卻至一級低溫線性壓縮機(jī)I的線圈材料的臨界溫度以下，最終流回預(yù)冷機(jī)構(gòu)6。然后，調(diào)節(jié)一級低溫線性壓縮機(jī)I的運(yùn)行頻率至液氦溫區(qū)J-T節(jié)流制冷循環(huán)最佳工作頻率。在系統(tǒng)穩(wěn)定前，同時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)冷機(jī)構(gòu)6以保證一級低溫線性壓縮機(jī)I線圈材料的臨界溫度以下穩(wěn)定運(yùn)行，且一級預(yù)冷換熱器2工質(zhì)出口溫度穩(wěn)定在20K及以下溫度。系統(tǒng)穩(wěn)定后即可在蒸發(fā)器5處獲得液氦溫度及相應(yīng)的制冷量。圖4為本實(shí)施方式的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)的T-s示意圖。圖4中各編號曲線為工質(zhì)在圖1相應(yīng)編號部件中的過程曲線。實(shí)施例2如圖2所示一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，與實(shí)施例1區(qū)別在于:一級預(yù)冷換熱器2高溫側(cè)管路出口與節(jié)流前換熱器3高溫側(cè)管路入口之間的管路上還設(shè)有二級低溫線性壓縮機(jī)12和二級預(yù)冷換熱器14。其中二級低溫線性壓縮機(jī)12入口與一級預(yù)冷換熱器2的高溫側(cè)管路連通，二級低溫線性壓縮機(jī)12出口通過二級預(yù)冷換熱器14的高溫側(cè)管路與節(jié)流前換熱器3高溫側(cè)管路入口連通；二級預(yù)冷換熱器14的低溫側(cè)管路入口通過管路同時(shí)與預(yù)冷機(jī)構(gòu)6出口連通，二級預(yù)冷換熱器14的低溫側(cè)管路出口與二級低溫線性壓縮機(jī)12的表面盤管13入口連通；二級低溫線性壓縮機(jī)12的表面盤管13出口通過管路同時(shí)與預(yù)冷機(jī)構(gòu) 6的入口連通。[0034]預(yù)冷機(jī)構(gòu)6需提供20K以下溫度的冷源及輸送預(yù)冷劑的動(dòng)力裝置，預(yù)冷機(jī)構(gòu)可選擇以氦為工質(zhì)的回?zé)崾街评錂C(jī)構(gòu)(GM制冷機(jī)，斯特林制冷機(jī)，GM脈管制冷機(jī)，斯特林脈管制冷機(jī)或斯特林/脈管復(fù)合型制冷機(jī))。一級低溫線性壓縮機(jī)I線圈采用臨界溫度高于20K的超導(dǎo)材料。系統(tǒng)如上述流程及要求安裝，安裝完畢后，對系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至10_2Pa左右，然后充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至10_2Pa左右。如此反復(fù)抽真空充氣3-4次后，最終充入工作壓力的高純氦氣，即可保證系統(tǒng)中氦氣工質(zhì)的純度。開啟預(yù)冷機(jī)構(gòu)6，使預(yù)冷機(jī)構(gòu)6中預(yù)冷劑分別流經(jīng)一級預(yù)冷換熱器2和二級預(yù)冷換熱器14，將一級低溫線性壓縮機(jī)I和二級低溫線性壓縮機(jī)12出口溫度冷卻至20K及以下溫度，之后分別流經(jīng)一級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管7和二級低溫壓縮及表面盤管13，并將一級低溫線性壓縮機(jī)I和二級低溫線性壓縮機(jī)12冷卻至一級低溫線性壓縮機(jī)I和二級低溫線性壓縮機(jī)12的線圈材料的臨界溫度以下，最終流回預(yù)冷機(jī)構(gòu)6。然后，調(diào)節(jié)一級低溫線性壓縮機(jī)I的運(yùn)行頻率至液氦溫區(qū)J-T節(jié)流制冷循環(huán)最佳工作頻率。在系統(tǒng)穩(wěn)定前，同時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)冷機(jī)構(gòu)6以保證一級低溫線性壓縮機(jī)I線圈材料的臨界溫度以下穩(wěn)定運(yùn)行，且一級預(yù)冷換熱器2工質(zhì)出口溫度穩(wěn)定在20K及以下溫度。系統(tǒng)穩(wěn)定后即可在蒸發(fā)器5處獲得液氦溫度及相應(yīng)的制冷量。實(shí)施例3如圖3所示，一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括制冷單元和預(yù)冷單元，制冷單元包括一級低溫線性壓縮機(jī)1、節(jié)流前換熱器3、節(jié)流閥4、蒸發(fā)器5、線性壓縮機(jī)8、一級換熱器9、高溫預(yù)冷換熱器10和二級換熱器11 ;預(yù)冷單元包括一級預(yù)冷換熱器2和預(yù)冷機(jī)構(gòu)6，其中一級低溫線性壓縮機(jī)I為超導(dǎo)線性壓縮機(jī)。
制冷單元和預(yù)冷單元內(nèi)工質(zhì)的工作過程分別為:制冷單元內(nèi)制冷劑的工作過程為:制冷劑由線性壓縮機(jī)8壓縮至高壓并排出，流經(jīng)一級換熱器9、高溫預(yù)冷換熱器10和二級換熱器11后進(jìn)入一級低溫線性壓縮機(jī)1，再次被壓縮至更高壓力并排出，流經(jīng)一級預(yù)冷換熱器2、節(jié)流前換熱器3高溫側(cè)管路和節(jié)流閥4，在節(jié)流閥4處節(jié)流至低壓并達(dá)到液氦溫度后流入蒸發(fā)器5，經(jīng)蒸發(fā)器5蒸發(fā)氣體后流經(jīng)節(jié)流前換熱器3低溫側(cè)管路、二級換熱器11的低溫側(cè)管路和一級換熱器9的低溫側(cè)管路，最終返回線性壓縮機(jī)8。同時(shí)，高溫預(yù)冷換熱器10中引入冷量直接冷卻一級換熱器9高溫側(cè)管路出口工質(zhì)。而預(yù)冷劑由預(yù)冷機(jī)構(gòu)6出發(fā)，流經(jīng)一級預(yù)冷換熱器2和一級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管7，冷卻一級低溫線性壓縮機(jī)I出口工質(zhì)及一級低溫線性壓縮機(jī)I后返回預(yù)冷機(jī)構(gòu)
6。預(yù)冷機(jī)構(gòu)6需提供20K以下溫度的冷源及輸送預(yù)冷劑的動(dòng)力裝置。一級低溫線性壓縮機(jī)I線圈采用臨界溫度高于20K的超導(dǎo)材料。系統(tǒng)如上述流程及要求安裝，安裝完畢后，對系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至10_2Pa左右，然后充入高純氦氣，保持5分鐘左右再對系統(tǒng)內(nèi)部抽真空至10_2Pa左右。如此反復(fù)抽真空充氣3-4次后，最終充入工作壓力的高純氦氣，即可保證系統(tǒng)中氦氣工質(zhì)的純度。在高溫預(yù)冷換熱器10中引入冷量冷卻液氦J-T節(jié)流循環(huán)內(nèi)工質(zhì)，開啟預(yù)冷機(jī)構(gòu)6，使預(yù)冷機(jī)構(gòu)6中預(yù)冷劑流經(jīng)一級低溫線性壓縮機(jī)表面盤管7將一級低溫線性壓縮機(jī)I冷卻至一級低溫線性壓縮機(jī)I線圈材料的臨界溫度以下。然后，分別調(diào)節(jié)線性壓縮機(jī)8，一級低溫線性壓縮機(jī)I的運(yùn)行頻率至液氦溫區(qū)J-T節(jié)流制冷循環(huán)最佳工作頻率。在系統(tǒng)穩(wěn)定前，分別調(diào)節(jié)高溫預(yù)冷換熱器10引入的冷量和預(yù)冷機(jī)構(gòu)6以保證一級低溫線性壓縮機(jī)I在線圈材料的臨界溫度以下穩(wěn)定運(yùn)行，且一級預(yù)冷換熱器2工質(zhì)出口溫度穩(wěn)定在20K及以下溫度。系統(tǒng)穩(wěn)定后即可在蒸發(fā)器9處獲得液氦溫度及相應(yīng)的制冷量。圖5為實(shí)施方式的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)的T-S示意圖。圖5中各編號曲線為工質(zhì)在 圖3相應(yīng)編號部件中的過程曲線。
權(quán)利要求1.一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括制冷單元和預(yù)冷單元，其特征在于，所述制冷單元包括一級低溫線性壓縮機(jī)(I)、節(jié)流前換熱器(3)、節(jié)流閥(4)和蒸發(fā)器(5);所述的預(yù)冷單元包括一級預(yù)冷換熱器(2)和預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6);按照制冷劑流向，所述一級低溫線性壓縮機(jī)(I)出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器(2)的高溫側(cè)管路、節(jié)流前換熱器(3)的高溫側(cè)管路、節(jié)流閥(4)和蒸發(fā)器(5)入口連通，蒸發(fā)器(5)出口通過管路依次與節(jié)流前換熱器(3)的低溫側(cè)管路和壓縮機(jī)(I)入口連通形成循環(huán)回路；按照預(yù)冷劑流向，所述預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6)出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器(2)的低溫側(cè)管路、一級低溫線性壓縮機(jī)(I)的表面盤管(7)和預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6)入口連通形成循環(huán)預(yù)冷回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述一級低溫線性壓縮機(jī)(I)為超導(dǎo)線性壓縮機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述一級預(yù)冷換熱器(2)高溫側(cè)管路出口與節(jié)流前換熱器(3)高溫側(cè)管路入口之間的管路上還設(shè)有二級低溫線性壓縮機(jī)(12)和二級預(yù)冷換熱器(14);所述二級低溫線性壓縮機(jī)(12)入口與一級預(yù)冷換熱器(2)的高溫側(cè)管路連通，二級低溫線性壓縮機(jī)(12)出口通過二級預(yù)冷換熱器(14)的高溫側(cè)管路與節(jié)流前換熱器(3)高溫側(cè)管路入口連通；所述二級預(yù)冷換熱器(14)的低溫側(cè)管路入口通過管路同時(shí)與預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6)出口連通，出口與二級低溫線性壓縮機(jī)(12)的表面盤管(13)入口連通；二級低溫線性壓縮機(jī)(12)的表面盤管(13)出口通過管路同時(shí)與預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6)的入口連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述二級低溫線性壓縮機(jī)(12)為超導(dǎo)線性壓縮機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述節(jié)流前換熱器(3)的低溫側(cè)管路出口和一級低溫線性壓縮機(jī)(I)入口之間的管路上還設(shè)有線性壓縮機(jī)(8)、一級換 熱器(9)、高溫預(yù)冷換熱器(10)、二級換熱器(11);按照制冷劑流向，所述節(jié)流前換熱器(3)的低溫側(cè)管路出口通過管路依次與二級換熱器(11)的低溫側(cè)管路、一級換熱器(9)的低溫側(cè)管路與所述線性壓縮機(jī)(8)入口連通，線性壓縮機(jī)(8)出口通過管路依次與一級換熱器(9)的高溫側(cè)管路、高溫預(yù)冷換熱器(10)以及二級換熱器(11)的高溫側(cè)管路與所述一級低溫線性壓縮機(jī)(I)入口連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述的低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6)為氫吸附式制冷機(jī)構(gòu)、以氫為工質(zhì)的J-T節(jié)流制冷機(jī)構(gòu)、以氮為工質(zhì)的J-τ節(jié)流制冷機(jī)構(gòu)、或者以氦為工質(zhì)的回?zé)崾街评錂C(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的制冷劑為氦氣，所述的預(yù)冷機(jī)構(gòu)(6)為能夠提供20K以下溫度冷源的預(yù)冷機(jī)構(gòu)；所述的超導(dǎo)線性壓縮機(jī)的線圈為臨界溫度高于20K的超導(dǎo)材料；所述預(yù)冷換熱器(2)制冷劑出口的制冷劑需預(yù)冷至20K及以下溫度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種低溫線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)，包括制冷單元和預(yù)冷單元，制冷單元包括一級低溫線性壓縮機(jī)、節(jié)流前換熱器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器；預(yù)冷單元包括一級預(yù)冷換熱器和預(yù)冷機(jī)構(gòu)；一級低溫線性壓縮機(jī)出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器的高溫側(cè)管路、節(jié)流前換熱器的高溫側(cè)管路、節(jié)流閥、節(jié)流前換熱器的低溫側(cè)管路和壓縮機(jī)入口連通形成循環(huán)回路；預(yù)冷機(jī)構(gòu)出口通過管路依次與一級預(yù)冷換熱器的低溫側(cè)管路、一級低溫線性壓縮機(jī)的表面盤管和預(yù)冷機(jī)構(gòu)入口連通形成循環(huán)預(yù)冷回路。本實(shí)用新型的制冷循環(huán)系統(tǒng)采用低溫下工作的壓縮機(jī)，減少了制冷劑因逆流式換熱器而產(chǎn)生的壓力損失，增加了節(jié)流閥兩端壓比，提高了J-T節(jié)流制冷性能。
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(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者劉東立, 王博, 王龍一, 甘智華, 褚建琛, 張小斌, 張學(xué)軍, 汪偉偉, 吳鎂, 劉雨夢, 趙勝穎 申請人:浙江大學(xué)