[发明专利]液氢温区预冷型直接节流JT制冷机

说明书

本发明公开了一种液氢温区预冷型直接节流JT制冷机，包括JT制冷机系统和预冷系统；JT制冷机系统包括两级线性压缩机、一级逆流换热器、一级预冷换热器、节流阀、冷端换热器、二级加热器；预冷系统可以用制冷机预冷也可以用各种形式的冷能预冷。本发明简化了传统预冷型JT节流制冷机系统结构，消除了部分传热损失，避免了旁通阀的使用，具有结构简单、压比小、重量轻的优势，这种优势在预冷温度较低时尤为明显。在保证制冷机可靠性的同时，本发明使得JT制冷机与清洁无油的线性压缩机匹配性更好，从而保证了系统的清洁性。同时，较单纯使用制冷机制冷，本发明制冷效率也有所提高。

技术领域

本发明属于低温制冷机技术领域，具体是涉及一种液氢温区预冷型直接节流JT制冷机。

背景技术

近年来，航天技术的蓬勃发展，为人类探索宇宙提供了极大的助力。尤其是十三五规划中明确提出航空航天设备是重点发展的领域。其中，4K温区(液氦温区)及20K温区(液氢温区)空间探测器所需低温环境的营造主要分为存储低温液体与机械式制冷机制冷两大类。在主动机械式制冷机技术中预冷型JT节流制冷机是唯一通过空间检验的技术。液氦温区预冷型JT制冷机近年来有了较大的发展，但是，对液氢温区预冷型JT节流制冷机的研究较少。

线性压缩机冷端无运动部件，有望成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机动力系统。线性压缩机已被广泛地应用于空间斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机中作为长寿命的驱动源。但是线性压缩机压比不大，这就对系统提出了要求。

目前，对于回热式JT制冷机的优化压比在16:1左右，压比较高，至少需要两级或以上线性压缩机才能达到这样的压比。因此，与线性压缩机匹配不高效。但是若不采用线性压缩机驱动JT制冷机，其他压缩机清洁度难以保证，可能会使油污随工质进入JT制冷机系统，系统清洁度及可靠性不能保证。

对于传统预冷型JT节流制冷机相关的能耗计算过程如下：

如图1所示，为传统预冷型JT节流制冷机结构示意图。该结构中JT节流部分由两级涡旋压缩机(0-1)、三级逆流换热器(0-2、0-4、0-6)、两级预冷换热器(0-3、0-5)、节流阀(0-7)、冷端换热器(0-8)、旁通阀(0-11)、三级加热器(0-14)组成；预冷部分由两级斯特林制冷机或者GM制冷机组成，包括一级冷头(0-9)、二级冷头(0-10)、一级加热器(0-12)、二级加热器(0-13)。以高纯度氢气为工质，则对应的液氢温区单位制冷量为

q_l＝h_a(x_a,P_l)-h_b(x_b,P_l)

单位预冷量为

q_pre＝[h_c(T_c,P_h)-h_d(T_d,P_h)]+[h_e(T_e,P_h)-h_f(T_f,P_h)]

其中，h代表焓值；x代表干度，一般在冷端换热器出口x＝1；T代表开尔文温度；P_h、P_l代表绝对高压压力与绝对低压压力；a、b、c、d、e、f代表图1中的状态点。根据前面所述，传统预冷型JT节流制冷机压比较大，无法高效地与线性压缩机进行匹配；结构复杂，同时存在多个逆流换热器与预冷换热器使得系统产生热损失的部位较多，效率难以保证。另外，由于存在最后一级逆流换热器，在预冷初期，最后一级逆流换热器低压侧工质温度要高于高压侧工质的温度，因此，高压侧工质会被低压侧温度较高的工质加热，使得预冷能量损失增加，必须设置相应的旁通环节(0-11)。

发明内容