一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器的制造方法
【專利摘要】一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，包括高壓氣罐，高壓氣罐經(jīng)開關(guān)閥與內(nèi)殼體外部呈螺旋狀纏繞的毛細(xì)翅片管相連通，毛細(xì)翅片管的出口連接節(jié)流孔，內(nèi)殼體內(nèi)部設(shè)置有充壓波紋管，充壓波紋管為變截面充壓波紋管或變厚度充壓波紋管充壓波紋管的一端通過限位結(jié)構(gòu)固定，充壓波紋管的另一端與感溫管一端連通，感溫管的另一端通過與感溫管頂端連接的針閥控制節(jié)流孔的通流面積，由于充壓波紋管采用變截面充壓波紋管或變厚度充壓波紋管的結(jié)構(gòu)，變截面充壓波紋管或變厚度充壓波紋管的形變可以隨溫度的降低呈現(xiàn)出預(yù)先設(shè)想的函數(shù)形變，通過采用變截面或變厚度波紋管來進(jìn)行溫度與軸向形變量的函數(shù)關(guān)系匹配，實現(xiàn)波紋管相對于溫降的線性調(diào)節(jié)。
【專利說明】
-種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種低溫制冷器，特別設(shè)及一種使用變截面或變厚度的波紋管自調(diào)式 節(jié)流制冷器。
【背景技術(shù)】
[0002] 低溫節(jié)流制冷器利用高壓氣體節(jié)流降溫效應(yīng)來實現(xiàn)對被冷卻單元的制冷，廣泛應(yīng) 用于低溫醫(yī)療器械、航空航天、軍事紅外制導(dǎo)等民用及國防領(lǐng)域。
[0003] 波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器是低溫節(jié)流制冷器的一種，其結(jié)構(gòu)特征包括:初始端為 系統(tǒng)提供氣源的高壓氣體容器，高壓氣體容器后面的逆流回?zé)釗Q熱器，回?zé)崞骱蟮墓?jié)流孔， 由閥針、感溫管及空屯、充壓波紋管構(gòu)成的流量調(diào)節(jié)機構(gòu)，W及外部包覆的殼體。
[0004] 波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器通過高壓氮氣或高壓氣W開式回?zé)崾窖h(huán)進(jìn)行冷量積 累，同時依靠波紋管感溫伸縮改變節(jié)流孔流通面積的方式進(jìn)行制冷溫度及冷量輸出調(diào)節(jié)。 其工作過程的主要特征包括:首先，高壓氣罐開啟，節(jié)流孔開啟，氣態(tài)高壓工質(zhì)依次經(jīng)過回 熱器熱邊-節(jié)流孔-回?zé)崞骼溥叾懦?，工質(zhì)經(jīng)過節(jié)流過程獲得冷量，并通過回?zé)崞鞣e累冷 量;其次，感溫管隨循環(huán)工質(zhì)溫度降低而降溫，同時吸收空屯、充壓波紋管熱量，引起波紋管 內(nèi)部充壓腔體壓力下降，波紋管回彈收縮，感溫管端部針閥實現(xiàn)聯(lián)動，通過改變工質(zhì)通流面 積，實現(xiàn)系統(tǒng)流量及冷量調(diào)節(jié)。第=，目前波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器均采用等截面波紋管結(jié) 構(gòu)(波峰波谷直徑在軸向保持不變），其顯著特征是受到溫度引起的壓力變化時，變形與溫 度變化具有強烈非線性特性。具體來說，其形變符合如下規(guī)律：
[0005]
[0006] 其中，1為波紋管的長度，dP/dT為等截面波紋管隨溫度變形長度;A為等截面波紋 管橫截面積，e為波紋管彈性系數(shù);dP/dT為波紋管由于溫度變化產(chǎn)生的壓力變化關(guān)系。根據(jù) 不同工質(zhì)等截面波紋管100K和120K情況下的dP/dT值，W氮氣工質(zhì)為例，120K時的dP/dT值 為124.53，100K時為52.53，120K時的 dP/dT為100K時的2.5倍左右。
[0007] 由于上述波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器自調(diào)節(jié)機構(gòu)具有強烈的非線性形變特性，制冷 器流量及冷量調(diào)節(jié)十分困難。自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的強烈非線性，在制冷器設(shè)計方面，會造成整個制 冷器設(shè)計缺乏理論設(shè)計指導(dǎo)，目前主要依靠經(jīng)驗試錯的方式進(jìn)行;在制冷器性能方面的主 要影響是會造成制冷溫度穩(wěn)定性不理想、運行時間不理想等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷 器，使用變截面或變厚度的波紋管，使充壓波紋管實現(xiàn)函數(shù)性形變，促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則的簡 化，提高溫度穩(wěn)定性和可控性，實現(xiàn)運行時間的最大化，提高制冷器的整體性能。
[0009] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0010] -種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，包括高壓氣罐1，高壓氣罐1經(jīng)開關(guān)閥2與內(nèi)殼體4 外部呈螺旋狀纏繞的毛細(xì)翅片管5相連通，毛細(xì)翅片管5的出口連接節(jié)流孔10,內(nèi)殼體4內(nèi)部 設(shè)置有充壓波紋管，充壓波紋管的一端通過限位結(jié)構(gòu)6固定，充壓波紋管的另一端與感溫管 8的一端連通，感溫管8的另一端通過與感溫管頂端連接的針閥9控制節(jié)流孔10的通流面積。
[0011] 所述的充壓波紋管為變截面充壓波紋管7曰，變截面充壓波紋管7a的設(shè)置按進(jìn)氣方 向采用漸縮或縮放式結(jié)構(gòu)。
[0012] 所述的變截面充壓波紋管7a的變截面結(jié)構(gòu)按進(jìn)氣方向采用梯形漸縮式結(jié)構(gòu)。
[0013] 所述的充壓波紋管為變厚度充壓波紋管7b，變厚度充壓波紋管7b的設(shè)置按進(jìn)氣方 向采用管壁逐漸增厚的結(jié)構(gòu)，或者采用進(jìn)氣方向近端管壁等厚度但較薄、進(jìn)氣方向遠(yuǎn)端管 壁等厚度但較厚的結(jié)構(gòu)。
[0014] 本發(fā)明的感溫管8和與感溫管頂端連接的針閥9及充壓波紋管及波紋管內(nèi)的充灌 氣體13構(gòu)成了節(jié)流制冷器的自調(diào)節(jié)機構(gòu);感溫管8為中空金屬直管，感溫管8與充壓波紋管 固結(jié)，感溫管8內(nèi)腔體與充壓波紋管腔體聯(lián)通，形成封閉腔體，內(nèi)充高壓氣態(tài)氮或者氣。感溫 管8在感受到低溫后，管壁首先降溫，內(nèi)部靠管壁的氣體發(fā)生凝結(jié)，形成低壓區(qū)域，同時充壓 波紋管中的壓力氣體會立刻將感溫管8中的低壓區(qū)填補且不斷的被液化，從而使得聯(lián)通腔 體內(nèi)的壓力降低。充壓波紋管內(nèi)壓力降低，由于內(nèi)外壓差的改變而產(chǎn)生收縮形變。由于充壓 波紋管采用變截面充壓波紋管7a或變厚度充壓波紋管7b的結(jié)構(gòu)，變截面充壓波紋管7a或變 厚度充壓波紋管7b的形變可W隨溫度的降低呈現(xiàn)出預(yù)先設(shè)想的函數(shù)形變，通過采用變截面 或變厚度波紋管來進(jìn)行溫度與軸向形變量的函數(shù)關(guān)系匹配，實現(xiàn)波紋管相對于溫度變化的 線性調(diào)節(jié)。
[0015] 本發(fā)明的自調(diào)節(jié)機構(gòu)運動具有函數(shù)規(guī)律，使得自調(diào)節(jié)機構(gòu)可W實現(xiàn)對節(jié)流孔10大 小的調(diào)節(jié)可控，提高調(diào)節(jié)精度，進(jìn)而使得整個制冷機系統(tǒng)獲得更加精確的溫控能力，提高系 統(tǒng)響應(yīng)能力，同時有效的調(diào)節(jié)能夠節(jié)省有限的工質(zhì)排放量，增加制冷器有效工作時長。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明充壓波紋管為變截面充壓波紋管7a的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為變截面充壓波紋管7a自調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明充壓波紋管為變厚度充壓波紋管7b的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖4為變厚度充壓波紋管7b自調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理做詳細(xì)敘述。
[0021] 實施例一；
[0022] 參照圖1和圖2,一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，包括高壓氣罐1，高壓氣罐1經(jīng)開關(guān) 閥2與內(nèi)殼體4外部呈螺旋狀纏繞的毛細(xì)翅片管5相連通，毛細(xì)翅片管5的出口連接節(jié)流孔 10,內(nèi)殼體4內(nèi)部設(shè)置有變截面充壓波紋管7曰，變截面充壓波紋管7a-端通過限位結(jié)構(gòu)6固 定，變截面充壓波紋管7a的另一端與感溫管8-端連通。感溫管8的另一端通過與感溫管頂 端連接的針閥9控制節(jié)流孔10的通流面積。上述部件除高壓氣罐1和開關(guān)閥2外，全部封裝在 外殼體3內(nèi)，外殼體3非進(jìn)氣側(cè)設(shè)置有冷板11，外殼體3上設(shè)置有出流口 12。
[0023] 所述的變截面充壓波紋管7a的變截面結(jié)構(gòu)采用梯形漸縮式。
[0024] 變截面充壓波紋管7a的截面變化方式隨著制冷器的設(shè)計制冷量大小的不同而不 同。
[0025] 通過改變變截面充壓波紋管7a的截面，使得波紋管形變量與節(jié)流孔開度形成預(yù)先 設(shè)想的函數(shù)變化關(guān)系，進(jìn)而使得波紋管形變量與制冷器制冷溫度和制冷量形成預(yù)先設(shè)想的 函數(shù)變化關(guān)系。
[0026] 本實施例的工作原理為:參照圖1，開始工作前，高壓氣罐1預(yù)先充灌一定量的壓力 氣體，通常為氮氣或氣氣，開關(guān)閥2關(guān)閉，出流口 12關(guān)閉，變截面充壓波紋管7a封閉腔內(nèi)部充 灌一定量的壓力氣體，且由于內(nèi)外壓差的作用處于擴張伸長狀態(tài)，由于其一端被限位結(jié)構(gòu)6 固定，因此另外一端伸長，與此同時其末端的與感溫管頂端連接的針閥9跟節(jié)流孔10之間的 流通截面積達(dá)到最大。
[0027] 隨后是節(jié)流制冷過程，開關(guān)閥2開啟，高壓氣體通過開關(guān)閥2進(jìn)入外殼體3內(nèi)部的毛 細(xì)翅片管5內(nèi)，隨后通過節(jié)流孔與針閥之間的空隙進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流后的低溫氣體將冷板11的 溫度降低，冷板11再將冷量傳遞給用冷區(qū)。氣體流經(jīng)冷板11后溫度升高，隨后進(jìn)入外殼體3 的腔體內(nèi)。部分外殼體3腔體內(nèi)的氣體流經(jīng)毛細(xì)翅片管5外側(cè)，與毛細(xì)翅片管內(nèi)的高溫來流 進(jìn)行換熱，降低進(jìn)入節(jié)流孔10前的工質(zhì)溫度，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)流后溫度的進(jìn)一步降低。隨后外殼 體3腔體內(nèi)的低溫氣體由出流口 12排出。
[0028] 隨后是自調(diào)節(jié)機構(gòu)動作過程，感溫管8和與感溫管頂端連接的針閥9及變截面充壓 波紋管7a及波紋管內(nèi)的充灌氣體13構(gòu)成了節(jié)流制冷器的自調(diào)節(jié)機構(gòu)。當(dāng)節(jié)流后的氣體溫度 降低到變截面充壓波紋管7a內(nèi)沖壓氣體所對應(yīng)的飽和溫度及W下時，感溫管8的充壓氣體 會因為溫度低于飽和溫度而液化。對于一般的工質(zhì)來說，其液態(tài)密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣態(tài)密度， 因而液態(tài)工質(zhì)的體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)氣態(tài)工質(zhì)體積。因此，感溫管8內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)液化后，體 積迅速縮小，會引起與其聯(lián)通的變截面充壓波紋管7a的內(nèi)部壓力降低;為了保證管內(nèi)外壓 力的平衡，變截面充壓波紋管7a會產(chǎn)生一定量的收縮，從而帶動感溫管8和與感溫管頂端連 接的針閥9向限位結(jié)構(gòu)6運動，近似=角形的感溫管頂端針閥9會慢慢伸入節(jié)流孔10,減小了 節(jié)流孔10的通流面積，從而減小工質(zhì)流量，進(jìn)一步減小了節(jié)流后的冷量。系統(tǒng)輸出冷量減小 到一定程度，感溫管8內(nèi)液體會因為冷量不足而過熱氣化，引起變截面充壓波紋管7a內(nèi)壓力 上升，從而使得變截面充壓波紋管7a擴張，帶動針閥9向遠(yuǎn)離節(jié)流孔10的方向移動，擴大節(jié) 流孔10通流面積，促使系統(tǒng)工質(zhì)流量增加，使系統(tǒng)冷量輸出增加。利用W上整個過程，自調(diào) 節(jié)機構(gòu)進(jìn)行節(jié)流制冷器冷量調(diào)節(jié)。在自調(diào)節(jié)機構(gòu)動作的過程中，變截面充壓波紋管7a形變 量與壓力跟溫度變量的比值，W及變截面充壓波紋管7a的截面積相關(guān)，壓力跟溫度的變化 量由工質(zhì)自身的物性決定，因此可W通過改變波紋管截面面積來調(diào)節(jié)波紋管形變量，使其 形變量隨溫度變化表現(xiàn)出預(yù)先設(shè)想的函數(shù)特性?；诖朔N規(guī)律性變化特性，可W更加準(zhǔn)確 的確定溫度變化引起的節(jié)流孔通流面積變化量，從而準(zhǔn)確估算出系統(tǒng)流量變化和冷量變 化。自調(diào)節(jié)機構(gòu)使溫度或冷量近似線性變化，有利于系統(tǒng)設(shè)計及冷量調(diào)節(jié)，對于系統(tǒng)控溫精 度和有限氣體量下系統(tǒng)的實際工作時長的延伸是十分有利的。
[0029] 實施例二
[0030] 參照圖3和圖4,一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，包括高壓氣罐1，高壓氣罐1經(jīng)開關(guān) 閥2與內(nèi)殼體4外部呈螺旋狀纏繞的毛細(xì)翅片管5相連通。毛細(xì)翅片管5的出口連接節(jié)流孔 10,內(nèi)殼體4內(nèi)部設(shè)置有變厚度充壓波紋管7b，變厚度充壓波紋管7b-端通過限位結(jié)構(gòu)6固 定，變厚度充壓波紋管7b的另一端與感溫管8-端連通。感溫管8的另一端通過與感溫管頂 端連接的針閥9控制節(jié)流孔10的通流面積，上述部件除高壓氣罐1和開關(guān)閥2外，全部封裝在 外殼體3內(nèi)，外殼體3非進(jìn)氣側(cè)設(shè)置有冷板11，外殼體3上設(shè)置有出流口 12。
[0031] 所述變厚度充壓波紋管7b的設(shè)置按進(jìn)氣方向采用管壁逐漸增厚的結(jié)構(gòu)。
[0032] 變厚度充壓波紋管7b的厚度變化方式隨著制冷器的設(shè)計制冷量大小的不同而不 同。
[0033] 可W通過改變變厚度充壓波紋管7b的厚度，使得波紋管形變量與節(jié)流孔開度形成 預(yù)先設(shè)想的函數(shù)變化關(guān)系，進(jìn)而使得波紋管形變量與制冷器制冷溫度和制冷量形成預(yù)先設(shè) 想的函數(shù)變化關(guān)系。
[0034] 本實施例的工作原理為:參照圖3,開始工作前，高壓氣罐1預(yù)先充灌一定量的壓力 氣體，通常為氮氣或氣氣，開關(guān)閥2關(guān)閉，出流口 12關(guān)閉，變厚度充壓波紋管7b封閉腔內(nèi)部充 灌一定量的壓力氣體，且由于內(nèi)外壓差的作用處于擴張伸長狀態(tài)，由于其一端被限位結(jié)構(gòu)6 固定，因此另外一端伸長，與此同時其末端的針閥9跟節(jié)流孔10之間的流通截面積達(dá)到最 大。
[0035] 隨后是節(jié)流制冷過程，開關(guān)閥2開啟，高壓氣體通過開關(guān)閥2進(jìn)入外殼體3內(nèi)部的毛 細(xì)翅片管5內(nèi)，隨后通過節(jié)流孔與針閥之間的空隙進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流后的低溫氣體將冷板11的 溫度降低，冷板11再將冷量傳遞給用冷區(qū)。氣體流經(jīng)冷板11后溫度升高，隨后進(jìn)入外殼體3 的腔體內(nèi)。部分外殼體3腔體內(nèi)的氣體流經(jīng)毛細(xì)翅片管5外側(cè)，與毛細(xì)翅片管內(nèi)的高溫來流 進(jìn)行換熱，降低進(jìn)入節(jié)流孔10前的工質(zhì)溫度，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)流后溫度的進(jìn)一步降低。隨后外殼 體3腔體內(nèi)的低溫氣體由出流口 12排出。
[0036] 隨后是自調(diào)節(jié)機構(gòu)動作過程，隨后是自調(diào)節(jié)機構(gòu)動作過程，感溫管8和感溫管頂端 針閥9及變厚度充壓波紋管7b及波紋管內(nèi)的充灌氣體13構(gòu)成了節(jié)流制冷器的自調(diào)節(jié)機構(gòu)， 當(dāng)節(jié)流后的氣體溫度降低到變厚度充壓波紋管7b內(nèi)沖壓氣體所對應(yīng)的飽和溫度及W下時， 感溫管8的充壓氣體會因為溫度低于飽和溫度而液化。對于一般的工質(zhì)來說，其液態(tài)密度要 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣態(tài)密度，因而液態(tài)工質(zhì)的體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)氣態(tài)工質(zhì)體積。因此，感溫管8內(nèi) 氣態(tài)工質(zhì)液化后，體積迅速縮小，會引起與其聯(lián)通的變厚度充壓波紋管7b的內(nèi)部壓力降低； 為了保證管內(nèi)外壓力的平衡，變厚度充壓波紋管7b會產(chǎn)生一定量的收縮。由于變厚度充壓 波紋管7b按進(jìn)氣方向初段薄，剛度小，隨后逐漸增厚，剛度逐漸增大，因此按進(jìn)氣方向初段 的充壓波紋管7b首先開始收縮，從而帶動感溫管8和感溫管頂端針閥9向限位結(jié)構(gòu)6運動，近 似=角形的感溫管頂端針閥9會慢慢伸入節(jié)流孔10,減小了節(jié)流孔10的通流面積，從而減小 工質(zhì)流量，進(jìn)一步減小了節(jié)流后的冷量。系統(tǒng)輸出冷量減小到一定程度，感溫管8內(nèi)液體會 因為冷量不足而過熱氣化，引起變厚度充壓波紋管7b內(nèi)壓力上升，從而使得波紋管擴張，帶 動感溫管頂端針閥9向遠(yuǎn)離節(jié)流孔10的方向移動，擴大節(jié)流孔10通流面積，促使系統(tǒng)工質(zhì)流 量增加，使系統(tǒng)冷量輸出增加。利用W上整個過程，自調(diào)節(jié)機構(gòu)進(jìn)行節(jié)流制冷器冷量調(diào)節(jié)。 在自調(diào)節(jié)機構(gòu)動作的過程中，變厚度充壓波紋管7b形變量與壓力跟溫度變量的比值，W及 波紋管的厚度相關(guān)，壓力跟溫度的變化量由工質(zhì)自身的物性決定，因此可W通過改變波紋 管厚度來調(diào)節(jié)波紋管形變量，使其形變量隨溫度變化表現(xiàn)出預(yù)先設(shè)想的函數(shù)特性。基于此 種線性規(guī)律性變化特性，可W更加準(zhǔn)確的確定溫度變化引起的節(jié)流孔通流面積變化量，從 而準(zhǔn)確估算出系統(tǒng)流量變化和冷量變化。
【主權(quán)項】
1. 一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，其特征在于，包括高壓氣罐（1)，高壓氣罐（1)經(jīng)開關(guān) 閥（2)與內(nèi)殼體(4)外部呈螺旋狀纏繞的毛細(xì)翅片管(5)相連通，毛細(xì)翅片管(5)的出口連接 節(jié)流孔(10)，內(nèi)殼體(4)內(nèi)部設(shè)置有充壓波紋管，充壓波紋管的一端通過限位結(jié)構(gòu)(6)固定， 充壓波紋管的另一端與感溫管(8)-端連通，感溫管(8)的另一端通過與感溫管頂端連接的 針閥(9)控制節(jié)流孔(10)的通流面積。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，其特征在于，所述的充壓波紋 管為變截面充壓波紋管(7a)，變截面充壓波紋管(7a)的設(shè)置按進(jìn)氣方向采用漸縮或縮放式 結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，其特征在于，所述的充壓波紋 管為變厚度充壓波紋管(7b)，變厚度充壓波紋管(7b)的設(shè)置按進(jìn)氣方向采用管壁逐漸增厚 的結(jié)構(gòu)，或者采用進(jìn)氣方向近端管壁等厚度但較薄、進(jìn)氣方向遠(yuǎn)端管壁等厚度但較厚的結(jié) 構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，其特征在于，所述的變截面充 壓波紋管(7a)的變截面結(jié)構(gòu)采用梯形漸縮式。
【文檔編號】F25B9/14GK106052179SQ201610404348
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】侯予, 曹菁, 張澤, 李家鵬, 陳軍, 陳雙濤
【申請人】西安交通大學(xué)