[发明专利]回热式制冷机预冷的低温J‑T节流制冷机

说明书

技术领域

本发明属于涉及一种制冷系统，具体是涉及一种高效回热式制冷机预冷的低温J-T节流制冷机。

背景技术

随着科学技术的进步，低温制冷技术在过去近半个世纪中得到了快速发展，并在航空航天、国防军事、超导、医疗、能源以及低温物理等领域有着广泛而不可替代的应用。目前，对于空间液氦温区的制冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技术和机械式制冷技术。其中液氦杜瓦制冷技术利用储存在高真空多层绝热储罐里的液氦或者超流氦的蒸发吸热来实现制冷效应，这种方式可以获得较稳定的温度，在早期的航天探测领域具有广泛的应用，技术相对成熟，但是它存在体积大、重量重、绝热系统复杂，发射成本高以及使用寿命受工质存储量限制等缺点。

随着机械式制冷技术的进步和发展，特别是板弹簧和间隙密封等技术的应用，彻底解决了杜瓦技术始终无法克服的长寿命问题，使得机械式制冷技术如斯特林制冷机和脉管制冷机近20年来在航天领域快速发展并占有相当的份额。而在15K以下温区，氦严重偏离理想气体性质、回热材料体积比热容急剧下降等原因造成已在空间大量运用的斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机在液氦温区制冷效率较低。实际空间应用中经常希望压缩机单元能够尽可能靠近散热单元便于热量的耗散，尽可能远离被冷却的探测器装置以减小压缩机带来的热耗散、机械振动和电磁干扰。而回热式低温制冷机的冷端与热端距离比较近，难以实现压缩机和冷头分置的要求，从而限制了其在空间任务中的应用。

焦耳-汤普逊制冷机(Joule-Thomson Cooler，以下简称J-T节流制冷机)利用温度低于15K时，氦气的非理想特性显著这一特点带来的Joule-Thomson节流效应获得制冷效应，效率较高。而且J-T节流制冷机工质直流流动，冷端可根据所需冷却的结构进行自由设计等特点所带来的一系列优点使J-T节流制冷机成为空间液氦温区任务的主流。

空间液氦温区机械式制冷技术主要集中在日本宇宙研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)、美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)和欧洲空间局(European Space Agency，ESA)等机构，这些机构在近年来已发射或即将发射的航天探测器中，使用液氦温区机械式制冷技术的低温空间项目如表1所示。

表1采用液氦温区机械式制冷技术的低温空间任务

从表1可以看到，以上提到的研究机构近年来已有的应用于空间的液氦温区的机械式制冷机大多为预冷型的J-T节流制冷机，且主要采用回热式制冷机预冷，如SMILES、Asrto-H和SPICA项目中的液氦温区J-T节流制冷循环均采用两级斯特林制冷机预冷，在ACTDP项目的竞标过程中更是出现了采用四级高频脉管制冷机、三级斯特林制冷机和三级高频脉管制冷机三种不同的预冷方式，但是预冷性J-T节流制冷技术在低温温区均存在这冷效率不高的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种高效回热式制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，该制冷系统制冷性能高，且同时具备结构紧凑、寿命长和可靠性高等优点。

一种回热式制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，包括回热预冷单元和J-T节流制冷单元，所述回热预冷单元为带有流动阻隔的声功传输部件的多级回热式制冷机，回热预冷单元与J-T节流制冷单元通过热桥进行热耦合连接。

作为优选，所述回热预冷单元包括依次相连的两个或两个以上的回热器，至少有一组相邻的两个回热器的连接部位设有阻隔流动的声功传输部件，该阻隔流动的声功传输部件将相邻的两个回热器独立开来，保证各个回热器工作在各自的最佳充气压力下，且可将相邻回热器的声功传输。

带有流动阻隔的声功传输部件的多级回热式制冷机，在不同工作温区的子回热器的连接处布置有阻隔流动的声功传输部件，将多级回热式制冷机的若干个子回热器相互隔绝，无质量的交换，且依据各子回热器的工作温区，利用实验测试或者数值模拟，采用现有的方法，确定与之对应的最优充气压力，同时由于该部件具有弹性可以实现来自压缩机的声功的近乎无损的高效传输，使得该多级回热式制冷机的子回热器在任何一个温度区间都工作在最优的工况，从而使整个回热器工作在较大的温度区间的同时具有较高的效率，且结构更加紧凑，因此，用带有流动阻隔的声功传输部件的多级回热式制冷机预冷的液氦温区J-T节流制冷循环的制冷性能也会比现有采用常用回热式制冷机预冷的液氦温区J-T节流制冷循环更好，同时也具备其他方面的优点。