采用旁通節(jié)流的低溫間壁式換熱器及預(yù)冷型j-t制冷機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及低溫技術(shù)，具體涉及一種采用旁通節(jié)流的液氦溫區(qū)間壁式換熱器及預(yù) 冷型低溫J-T制冷機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間探測指發(fā)現(xiàn)和探索天體結(jié)構(gòu)和外層空間的技術(shù)，通過各種形式的太空望遠(yuǎn)鏡 或探測器實(shí)現(xiàn)。相比于常溫下的探測器，工作于低溫下的探測器可以實(shí)現(xiàn)更高的觀測精度 并捕捉更微弱的信號，其中，大量紅外探測器需要工作在液氦溫區(qū)（2-10K)，要求穩(wěn)定、可靠 的低溫環(huán)境。
[0003] 空間液氦溫區(qū)的制冷方式主要有超流氦杜瓦和機(jī)械式制冷機(jī)。機(jī)械式制冷機(jī)是一 種基于閉式制冷循環(huán)的主動制冷設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊，制冷量大，制冷溫度范圍廣，對軌道 和衛(wèi)星姿態(tài)要求低，安裝靈活的優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)在空間低溫技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是空間 低溫技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
[0004] 為滿足空間應(yīng)用的需求，機(jī)械式制冷技術(shù)不斷發(fā)展，運(yùn)動部件的支撐與密封、工質(zhì) 的純化、制冷機(jī)布置等風(fēng)險(xiǎn)降低技術(shù)日趨成熟。同時(shí)，對機(jī)械式制冷技術(shù)也提出了更高的要 求，包括提高制冷機(jī)效率、降低功耗、降低制冷溫度、增大制冷量、降低機(jī)械振動、減小制冷 機(jī)質(zhì)量、提尚可靠性并延長使用壽命等。
[0005] 目前可以選擇的制冷機(jī)包括G-M制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)、逆布雷頓制 冷機(jī)以及J-T制冷機(jī)。但由于低溫端排出器的使用，G-M制冷機(jī)和斯特林制冷機(jī)很難達(dá)到 低振動要求。在液氫溫區(qū)（10-30K)以及更低的溫度，氦工質(zhì)的非理想性明顯，回?zé)岵牧系?體積熱容急劇下降，使得以脈管制冷機(jī)為代表的回?zé)崾街评錂C(jī)制冷效率急劇下降。逆布雷 頓制冷機(jī)中多采用緊湊式換熱器（如孔板式換熱器和網(wǎng)格式換熱器等），體積大和質(zhì)量重， 在空間應(yīng)用中受到限制。
[0006] J-T制冷機(jī)（Joule-ThomsonCooler)利用了液氫溫區(qū)以下氦氣的非理想性，通過 J-T節(jié)流效應(yīng)制冷，制冷機(jī)效率較高。而且J-T制冷機(jī)沒有冷端運(yùn)動部件，消除了低溫端的 振動。工質(zhì)直流流動，采用間壁式換熱器，軸向漏熱小。
[0007] 對于工作在液氦溫區(qū)的J-T制冷機(jī)，為了提高J-T冷頭的效率，減小壓縮機(jī)的輸入 功，有必要在數(shù)個(gè)中間溫度對工質(zhì)進(jìn)行預(yù)冷。對于空間應(yīng)用，回?zé)崾街评錂C(jī)（包括斯特林制 冷機(jī)和斯特林型脈管制冷機(jī)）正好可以勝任中間溫度的高效預(yù)冷。采用這種混合制冷機(jī)的 方案可以有效地發(fā)揮兩種制冷機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 間壁式換熱器是液氦溫區(qū)J-T制冷機(jī)冷頭的核心部件，其換熱效率極大程度地影 響整機(jī)的性能，甚至直接關(guān)系到整臺制冷機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常要求換熱器效率達(dá)到97% 以上。由于間壁式換熱器的換熱量遠(yuǎn)大于液氦溫區(qū)的制冷量（大一個(gè)數(shù)量級以上），換熱 器損失增大將使制冷機(jī)效率急劇下降，這在低溫下尤為明顯。在預(yù)冷型J-T制冷循環(huán)中，部 分間壁式換熱器工作在預(yù)冷中間溫度以上，其效率直接影響回?zé)崾街评錂C(jī)的預(yù)冷換熱量， 末級換熱器指工作在預(yù)冷中間溫度以下的換熱器，其效率直接影響制冷量。因此，提高換熱 器效率，尤其是末級換熱器的效率至關(guān)重要。增大換熱面積可以增大換熱量，提高換熱器效 率，但末級換熱器工作在液氫溫區(qū)以下，氦的非理想性顯著，換熱器高壓側(cè)氣體的比熱容大 于低壓側(cè)（如圖5所示），導(dǎo)致高壓側(cè)氣體無法得到充分冷卻，影響了制冷機(jī)性能的進(jìn)一步 提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種采用旁通節(jié)流的間壁式換熱器，該種換熱器以氦為工質(zhì)，工作 于液氫溫區(qū)以及更低的溫度，通過從高壓側(cè)引出一部分工質(zhì)節(jié)流降溫后進(jìn)入低壓側(cè)，彌補(bǔ) 低壓側(cè)比熱容的不足，進(jìn)一步降低高壓側(cè)氣體的出口溫度。
[0010] 一種采用旁通節(jié)流的低溫間壁式換熱器，包括高壓側(cè)管路和低壓側(cè)管路，該低溫 間壁式換熱器工作于液氫溫區(qū)以及更低的溫區(qū)，所述高壓側(cè)管路上至少有一個(gè)與低壓側(cè)管 路連通的旁通管路，該旁通管路上設(shè)有能夠產(chǎn)生等焓節(jié)流效應(yīng)的節(jié)流元件；旁通管路將間 壁式換熱器分為兩部分，一部分與間壁式換熱器平行，低壓側(cè)的質(zhì)量流量大于高壓側(cè)，剩余 部分高低壓側(cè)的質(zhì)量流量相等；所述旁通管路出口處低壓側(cè)管路內(nèi)工質(zhì)的溫度低于旁通管 路入口處高壓側(cè)管路內(nèi)工質(zhì)的溫度。
[0011] 低溫下，常用的節(jié)流元件可分為兩類，一類節(jié)流元件的理想節(jié)流過程為等熵膨脹 過程，典型代表為膨脹機(jī)；另一類的理想節(jié)流過程為等焓膨脹過程，包括J-T節(jié)流閥、毛細(xì) 管、噴嘴、孔板等。在本發(fā)明中，節(jié)流元件的進(jìn)口溫度低于液氫溫區(qū)，膨脹機(jī)工作在此溫度 的等熵效率較低，膨脹過程中可能出現(xiàn)帶液，影響膨脹機(jī)的正常運(yùn)行。此外，膨脹機(jī)的冷熱 端之間存在熱傳導(dǎo)損失，且在低溫區(qū)和小流量時(shí)尤為顯著；低溫膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制難度 大，對加工工藝的要求尤其苛刻。以上特點(diǎn)決定了膨脹機(jī)不適用于本發(fā)明。氦在液氫溫區(qū) 以下的非理想性顯著，等焓節(jié)流的降溫效果明顯，且溫度越低，溫降越大，再加之以J-T節(jié) 流閥為代表的等焓節(jié)流元件結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，適合本發(fā)明。下文以J-T節(jié)流閥為例進(jìn)行 說明，稱為旁通J-T節(jié)流閥（與下文中制冷機(jī)中液氦溫區(qū)蒸發(fā)器前的主J-T節(jié)流閥區(qū)分）。
[0012] 本發(fā)明的換熱器用于液氦溫區(qū)的J-T循環(huán)中，旁通J-T節(jié)流閥的進(jìn)出口靠近換熱 器的低溫端，出口溫度低于進(jìn)口。旁通節(jié)流的氣體質(zhì)量和從高壓側(cè)引出旁通的位置受到多 個(gè)因素的影響，對于一定的J-T循環(huán)，質(zhì)量流量和高低壓力確定：當(dāng)旁通質(zhì)量增大時(shí)，高壓 側(cè)的熱負(fù)荷減小，剩余高壓氣體得到更充分的冷卻，在液氦溫區(qū)獲得更大的制冷量，但旁通 質(zhì)量過分增大使剩余在液氦溫區(qū)節(jié)流制冷的工質(zhì)減小，換熱器低壓側(cè)氣體的冷量無法得到 充分利用，制冷量反而減小；當(dāng)引出旁通的位置由換熱器的低溫端向高溫端靠近時(shí)，即旁通 J-T節(jié)流閥入口氣體的溫度升高，高壓側(cè)的熱負(fù)荷減小，剩余高壓氣體得到更充分的冷卻， 在液氦溫區(qū)獲得更大的制冷量，但引出旁通的位置過于靠近換熱器的高溫端即旁通J-T節(jié) 流閥入口氣體的溫度過高時(shí)，節(jié)流后氣體的溫度也過高，換熱器低壓側(cè)氣體的冷量無法得 到充分利用，制冷量反而減小。綜上要綜合各個(gè)因素的影響，獲得最佳的旁通量和旁通位 置。
[0013] 作為優(yōu)選，所述低溫間壁式換熱器為單段結(jié)構(gòu)。采用單段結(jié)構(gòu)時(shí)，換熱器整體設(shè) 置，兩側(cè)通道連續(xù)，從高壓側(cè)通道引出的氣體經(jīng)節(jié)流降溫后進(jìn)入低壓側(cè)通道；旁通管路的入 口位置可設(shè)置在高壓側(cè)通道的中間位置，出口與低壓側(cè)管路連接。
[0014] 作為另一種優(yōu)選，所述低溫間壁式換熱器為多段結(jié)構(gòu)，所述旁通管路入口設(shè)于其 中兩段結(jié)構(gòu)高壓側(cè)管路連接處，所述旁通管路出口設(shè)于其中兩段結(jié)構(gòu)低壓側(cè)管路連接處。 此時(shí)同樣需要保證旁通管路出口處低壓側(cè)管路內(nèi)工質(zhì)的溫度低于旁通管路入口處高壓側(cè) 管路內(nèi)工質(zhì)的溫度。
[0015] 作為優(yōu)選，所述旁通管路為一條或多條，多條時(shí)并聯(lián)在高壓側(cè)管路和低壓側(cè)管路 之間。作為優(yōu)選，所述-節(jié)流元件為J-T節(jié)流閥、毛細(xì)管、孔板、噴嘴、文丘里管、節(jié)流閥、多 孔材料。
[0016] 基于上述采用旁通節(jié)流的低溫間壁式換熱器和液氦溫區(qū)預(yù)冷型J-T制冷機(jī)技術(shù)， 本發(fā)明提供了幾種低溫J-T制冷機(jī)的方案，獲得液氦溫區(qū)的制冷量：
[0017] -種預(yù)冷型J-T制冷機(jī)，包括J-T級制冷機(jī)以及對J-T級制冷機(jī)進(jìn)行預(yù)冷的預(yù)冷 級制冷機(jī)，所述J-T級制冷機(jī)包括用于輸出制冷量的冷頭、以及與冷頭相連的末級換熱器， 所述末級換熱器為上述任一技術(shù)方案所述的采用旁通節(jié)流的低溫間壁式換熱器。
[0018] 作為優(yōu)選，所述旁通管路的入口靠近冷頭設(shè)置。作為優(yōu)選，所述J-T級制冷機(jī)包括 J-T壓縮機(jī)、以及設(shè)置于J-T壓縮機(jī)與末級換熱器之間的一級或多級間壁式換熱器、一級或 多級預(yù)冷換熱器；所述預(yù)冷級制冷機(jī)包括一級或多級冷頭，通過熱橋?qū)σ患壔蚨嗉夘A(yù)冷換 熱器進(jìn)行預(yù)冷。
[0019] 上述技術(shù)方案中，預(yù)冷級制冷機(jī)為J-T級制冷機(jī)提供中間溫度的預(yù)冷，預(yù)冷級制 冷機(jī)可選用回?zé)崾街评錂C(jī)如斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)等。J-T級制冷機(jī)包括J-T壓縮機(jī)、 三級間壁式換熱器、兩級預(yù)冷換熱器、液氦溫區(qū)蒸發(fā)器、主J-T節(jié)流閥、旁通J-T節(jié)流閥，其 中末級間壁式換熱器采用旁通節(jié)流的低溫間壁式換熱器。J-T級制冷機(jī)的預(yù)冷換熱器和預(yù) 冷級制冷機(jī)的冷頭通過熱橋進(jìn)行熱耦合。
[0020] 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)經(jīng)J-T壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入第一級間壁式換熱器，被返流的低壓 氣體冷卻，出口高壓氣體進(jìn)入第一級預(yù)冷換熱器并被預(yù)冷級制冷機(jī)第一級冷頭冷卻，然后 依次流經(jīng)第二級間壁式換熱器和第二級預(yù)冷換熱器。高壓氣體進(jìn)入末級間壁式換熱器后， 在旁通J-T節(jié)流閥入口處分為兩路，一路繼續(xù)在末級間壁式換熱器中被冷卻，出口的高壓 氣體在主J-T節(jié)流閥中節(jié)流至兩相并在蒸發(fā)器中提供冷量；另一路在旁通J-T節(jié)流閥中 節(jié)流降溫進(jìn)入低壓側(cè)并與從蒸發(fā)器返流的氣體匯合，再在各級間壁式換熱器中冷卻高壓氣 體，工質(zhì)離開第一級間壁式換熱器后進(jìn)入壓縮機(jī)完成循環(huán)。末級間壁式換熱器旁通節(jié)流可 以改善換熱器中氣體的溫度場分布，減小兩側(cè)氣體的平均溫差，尤其是冷端的溫差，更充分 地利用低壓氣體的冷量，增大液氦溫區(qū)的制冷量。
[0021] 為進(jìn)一步提高制冷機(jī)性能，作為優(yōu)選，末級間壁式換熱器可采用多次旁通節(jié)流，例 如采用兩次旁通節(jié)流時(shí)，末級間壁式換熱器中有兩個(gè)旁通J-T節(jié)流閥。在所述的循環(huán)中，高 壓氣體進(jìn)入末級間壁式換熱器后，在第一個(gè)旁通J-T節(jié)流閥的進(jìn)口處分為兩路，一路繼續(xù) 在末級間壁式換熱器的高壓側(cè)中被冷卻，另一路在第一個(gè)旁通J-T節(jié)流閥中節(jié)流降溫后進(jìn) 入低壓側(cè)與返流氣體匯合。高壓氣體再在第二個(gè)旁通J-T節(jié)流閥的進(jìn)口處分為兩路，一路 繼續(xù)在末級間壁式換熱器中被冷卻后在主J-T節(jié)流閥中節(jié)流至兩相并提供液氦溫區(qū)的冷 量，另一路在第二個(gè)旁通J-T節(jié)流閥中節(jié)流降溫后與返流氣體匯合，匯合后的氣體返流再 與第一個(gè)旁通J-T節(jié)流閥出口的氣體匯合，在各級間壁式換熱器中冷卻高壓氣體。采用兩 次旁通節(jié)流時(shí)，可以更好地調(diào)整末級間壁式換熱器中氣體的溫度場分布，減小冷端和中間 段的換熱溫差，進(jìn)一步降低高壓氣體進(jìn)入主J-T節(jié)流閥前的溫度，最終提高J-T制冷機(jī)的效 率。
[0022] 為簡化制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，提高