基于可控热管的4k热耦合回热式低温制冷机及其制冷方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机及其制冷方法，低温制冷机包括压缩机、多级回热式低温制冷机以及连接各级制冷机的热桥，并采用可控热管替代传统材料铜作为热桥。可控热管依靠工质流体的气液相变传热，热阻很小，单位质量下可控热管的导热系数比铜大几个数量级；可控热管内填充有惰性气体，其冷凝段的热阻随着热流密度的增大而减小，因此热管的工作温度仅有较小变化；可控热管相比于铜具有重量轻、体积小等优点，特别适用于空间军事等领域。
【专利说明】
基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机及其制冷方法
技术领域
[0001]本发明涉及制冷机，尤其涉及一种基于可控热管的4Κ热耦合回热式低温制冷机及其制冷方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的不断发展，回热式低温制冷机由于具有可靠性高、寿命长、效率高、控制简单等优点，在航空航天、国防军工、低温超导、医疗、交通运输等领域均得到越来越广泛的应用。
[0003]多级回热式低温制冷机根据耦合方式可分为热耦合与气耦合。其中热耦合的结构是高温级回热器通过热桥对低温级回热器进行预冷。相比于气耦合，热耦合一般采用多压缩机分别驱动，各级之间不存在工质质量流的分配问题，便于实验和理论分析;不同温区的回热器最佳工作频率、充气压力各不相同，气耦合型无法分别优化，而热耦合型的低温级和预冷级之间在低温下无质量流的耦合，各级回热器的运行工况可以独立优化，易于取得较优的性能。因此，多级回热式低温制冷机一般采用热耦合。
[0004]传统的多级回热式低温制冷机一般采用铜作为热桥。铜作为热桥时存在许多问题:为了增强传热能力，传统热桥一般采用实心铜管，而铜密度较高，质量较大，不利于减轻制冷机负重;铜的热阻较高，传热温差较大，并且随着热桥中热流密度(预冷量)增加，传热温差增大，回热器的不可逆回热损失增加，不利于提高制冷效率和降低无负荷制冷温度，尤其对于20Κ温区，传热温差的增大将导致回热器的不可逆换热损失急剧增大。因此，如何优化热桥设计对于优化多级回热式低温制冷机具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及到的缺陷，提供一种制冷效率好、可靠性高的基于可控热管的4Κ热耦合回热式低温制冷机及其制冷方法。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
基于可控热管的4Κ热耦合回热式低温制冷机，包括第一压缩机、第二压缩机、一级气库、一级惯性管、一级脉管、一级回热器、二级回热器、三级回热器、三级气库、三级惯性管、一级导流管、一级热桥、二级气库、二级惯性管、二级脉管、三级脉管、二级导流管、二级热桥和三级导流管；
其中，第一压缩机、一级回热器、一级导流管、一级脉管、一级惯性管、一级气库顺序相连接;第二压缩机出口分别与二级回热器、三级回热器入口相连接;二级回热器、二级导流管、二级脉管、二级惯性管、二级气库顺序相连接;三级回热器、三级导流管、三级脉管、三级惯性管、三级气库顺序相连接；一级热桥分别包裹住一级回热器的出口、二级回热器的中部、三级回热器的上半部，进行热耦合连接;二级热桥分别包裹住二级回热器的出口、三级回热器的下半部，进行热耦合连接；
所述第一热桥、第二热桥均采用可控热管作为导热材料。
[0007]上述可控热管通过填充不同的工质流体来实现不同温区下的导热，通过填充氮气实现80K温区下的导热，通过填充氢气实现20K温区下的导热。
[0008]该可控热管的工作原理为:可控热管的冷凝段连接有贮气室，其中充有惰性气体。热管不工作时惰性气体与工质蒸气均匀混合。热管工作时，蒸发段的工质蒸气携带惰性气体流向冷凝段。工质蒸气在冷凝段凝结成液体后通过管芯返回蒸发段。惰性气体在冷端不断积聚。一段时间后，全部惰性气体就积聚在贮气室和冷凝段，形成一个气塞。当热管工作温度增高时，内部蒸气压力升高，压缩气塞，使冷凝段有效散热面积增加，减少冷凝段的热阻，增加冷却量，使热管工作温度的上升得到抑制。相反，当热管工作温度降低时则气塞膨胀，增加冷凝段热阻，使热管工作温度不再降低。这样热管的工作温度就可以保持在一定的范围之内。
[0009]本发明同时公开了该基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机的制冷方法，包含以下步骤:
步骤1)，气体工质被第一压缩机压缩后首先进入一级回热器进行预冷，然后通过一级导流管进入一级脉管，一级脉管通过一级气库与一级惯性管使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在一级脉管的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过一级热桥对二级回热器中部、三级回热器上半部进行预冷；
步骤2)，第二压缩机内的一部分气体工质通过被预冷后的二级回热器，质量焓流降低，然后气体工质通过二级导流管进入二级脉管，二级脉管通过二级气库与二级惯性管使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在二级脉管的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过二级热桥对三级回热器的下半部进行预冷;
步骤3)，第二压缩机内的另一部分气体工质通过被预冷的三级回热器后，质量焓流显著降低，从而显著提高三级脉管冷端的净制冷量，降低无负荷制冷温度。
[0010]本发明还公开了另一种基于可控热管的4K热耦合低频回热式低温制冷机:
包括第一压缩机、一级气库、一级惯性管、一级脉管、一级回热器、二级回热器、一级导流管、一级热桥、二级气库、二级惯性管、二级脉管和二级导流管；
其中，第一压缩机分别与一级回热器和二级回热器的入口相连接;一级回热器、一级导流管、一级脉管、一级惯性管、一级气库顺序相连接;二级回热器、二级导流管、二级脉管、二级惯性管、二级气库顺序相连接;一级热桥分别包裹住一级回热器的出口、二级回热器的中部，进行热耦合连接；
所述第一热桥(12)采用可控热管作为导热材料。
[0011]本发明同时公开了上述基于可控热管的4K热耦合低频回热式低温制冷机的制冷方法，包含以下步骤:
步骤1)，第一压缩机内的一部分气体工质首先进入一级回热器进行预冷，然后通过一级导流管进入一级脉管，一级脉管通过一级气库与一级惯性管使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在一级脉管的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过一级热桥对二级回热器中部进行预冷；
步骤2)，第一压缩机内的另一部分气体工质通过被预冷的二级回热器，质量焓流显著降低，从而显著提高二级脉管冷端的净制冷量，降低无负荷制冷温度。
[0012]本发明创新性地采用可控热管替代传统材料铜作为热桥。相比于铜热桥来说，可控热管具有以下优点:
1.热管内部主要靠工质流体的气液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，单位质量下可控热管可以比铜多传递数几个数量级的热量；
2.热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，温降亦很小，因此热管具有优良的等温性；
3.可控热管内填充有惰性气体，并且在冷凝段连接一个贮气室，随着热管内热流密度的变化，惰性气体在贮气室内膨胀或者压缩，改变冷凝段的有效散热面积，从而改变冷凝段的热阻，保持热管的工作温度只有很小的变化。
【附图说明】
[0013]图1为基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机示意图；
图2为基于可控热管的4K热耦合低频回热式低温制冷机示意图；
图3为可控热管原理图；
图4为氦-4工质不同冷端压比下回热器热端温度对回热器回热损失的影响；
图5为单位质量下铜与热管导热系数数值对比。
[0014]图中，1-第一压缩机，2-第二压缩机，3-—级气库，4-一级惯性管，5-—级脉管，6_一级回热器，7-二级回热器，8-三级回热器，9-三级气库，10-三级惯性管，11-一级导流管，12-—级热桥，13-二级气库，14-二级惯性管，15-二级脉管，16-三级脉管，17-二级导流管，18-二级热桥，19-三级导流管。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机，包括第一压缩机1、第二压缩机2、一级气库3、一级惯性管4、一级脉管5、一级回热器6、二级回热器7、三级回热器8、三级气库9、三级惯性管10、一级导流管11、一级热桥12、二级气库13、二级惯性管14、二级脉管15、三级脉管16、二级导流管17、二级热桥18和三级导流管19;
其中，第一压缩机1、一级回热器6、一级导流管11、一级脉管5、一级惯性管4、一级气库3顺序相连接;第二压缩机2出口分别与二级回热器7、三级回热器8入口相连接;二级回热器
7、二级导流管17、二级脉管15、二级惯性管14、二级气库13顺序相连接;三级回热器8、三级导流管19、三级脉管16、三级惯性管10、三级气库9顺序相连接;一级热桥12分别包裹住一级回热器6的出口、二级回热器7的中部、三级回热器8的上半部，进行热耦合连接;二级热桥18分别包裹住二级回热器7的出口、三级回热器8的下半部，进行热耦合连接。
[0016]上述基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机，采用可控热管作为一级热桥
12、二级热桥18的导热材料，并通过填充不同的工质流体来实现不同温区下的导热，通过填充氮气实现80K温区下的导热，通过填充氢气实现20K温区下的导热。
[0017]上述基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机的制冷方法，包含以下步骤:
步骤1)，气体工质被第一压缩机I压缩后首先进入一级回热器6进行预冷，然后通过一级导流管11进入一级脉管5，一级脉管5通过一级气库3与一级惯性管4使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在一级脉管5的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过一级热桥12对二级回热器7中部、三级回热器8上半部进行预冷；
步骤2)，第二压缩机2内的一部分气体工质通过被预冷后的二级回热器7，质量焓流降低，然后气体工质通过二级导流管17进入二级脉管15，二级脉管15通过二级气库13与二级惯性管14使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在二级脉管15的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过二级热桥18对三级回热器8的下半部进行预冷；
步骤3)，第二压缩机2内的另一部分气体工质通过被预冷的三级回热器8后，质量焓流显著降低，从而显著提高三级脉管16冷端的净制冷量，降低无负荷制冷温度。
[0018]如图2所示，本发明还公开了另一种基于可控热管的4K热耦合低频回热式低温制冷机，包括第一压缩机1、一级气库3、一级惯性管4、一级脉管5、一级回热器6、二级回热器7、一级导流管11、一级热桥12、二级气库13、二级惯性管14、二级脉管15和二级导流管17;
其中，第一压缩机I分别与一级回热器6和二级回热器7的入口相连接;一级回热器6、一级导流管11、一级脉管5、一级惯性管4、一级气库3顺序相连接;二级回热器7、二级导流管17、二级脉管15、二级惯性管14、二级气库13顺序相连接;一级热桥12分别包裹住一级回热器6的出口、二级回热器7的中部，进行热耦合连接。
[0019]上述基于可控热管的4K热耦合低频回热式低温制冷机，采用可控热管作为第一热桥12的导热材料。
[0020]上述基于可控热管的4K热耦合低频回热式低温制冷机制冷方法，包含以下步骤: 步骤1)，第一压缩机I内的一部分气体工质首先进入一级回热器6进行预冷，然后通过一级导流管11进入一级脉管5，一级脉管5通过一级气库3与一级惯性管4使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在一级脉管5的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过一级热桥12对二级回热器中部进行预冷；
步骤2)，第一压缩机I内的另一部分气体工质通过被预冷的二级回热器7，质量焓流显著降低，从而显著提高二级脉管15冷端的净制冷量，降低无负荷制冷温度。
[0021 ]如图3所示，可控热管的工作原理为:可控热管的冷凝段连接有贮气室，其中充有惰性气体。热管不工作时惰性气体与工质蒸气均匀混合。热管工作时，蒸发段的工质蒸气携带惰性气体流向冷凝段。工质蒸气在冷凝段凝结成液体后通过管芯返回蒸发段。惰性气体在冷端不断积聚。一段时间后，全部惰性气体就积聚在贮气室和冷凝段，形成一个气塞。当热管工作温度增高时，内部蒸气压力升高，压缩气塞，使冷凝段有效散热面积增加，减少冷凝段的热阻，增加冷却量，使热管工作温度的上升得到抑制。相反，当热管工作温度降低时则气塞膨胀，增加冷凝段热阻，使热管工作温度不再降低。这样热管的工作温度就可以保持在一定的范围之内。
[0022]如图4所示，随着热端温度的升高，回热器的不可逆回热损失增大，尤其当冷端压比为1.2，热端温度大于20K时，回热器的不可逆回热损失急剧增加。因此，采用铜作为热桥时，传热温差较大，导致回热器的不可逆回热损失很大，而可控热管，传热温差很小，可以有效减少回热器的不可逆回热损失。
[0023]如图5所示，随着温度的升高，铜的导热系数虽然有所增加，但相比热管来说仍然很小，从数值上可以看出，相同温度下，热管的导热系数是铜的数千倍。因此采用可控热管作为热桥可以有效增强传热能力，减小冷热端的传热温差，降低回热器的不可逆回热损失。
[0024]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0025]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.基于可控热管的4K热耦合回热式低温制冷机，其特征在于:包括第一压缩机(1)、第二压缩机(2)、一级气库(3)、一级惯性管(4)、一级脉管(5)、一级回热器(6)、二级回热器(7)、三级回热器(8)、三级气库(9)、三级惯性管(10)、一级导流管(11)、一级热桥(12)、二级气库(13)、二级惯性管(14)、二级脉管(15)、三级脉管(16)、二级导流管(17)、二级热桥(18)和三级导流管(19); 其中，第一压缩机(1)、一级回热器(6)、一级导流管(11)、一级脉管(5)、一级惯性管(4)、一级气库(3)顺序相连接;第二压缩机(2)出口分别与二级回热器(7)、三级回热器(8)入口相连接;二级回热器(7)、二级导流管(17)、二级脉管(15)、二级惯性管(14)、二级气库(13)顺序相连接;三级回热器(8)、三级导流管(19)、三级脉管(16)、三级惯性管(10)、三级气库(9)顺序相连接;一级热桥(12)分别包裹住一级回热器(6)的出口、二级回热器(7)的中部、三级回热器(8)的上半部，进行热耦合连接;二级热桥(18)分别包裹住二级回热器(7)的出口、三级回热器(8)的下半部，进行热耦合连接； 所述一级热桥(12)、二级热桥(18)均采用可控热管作为导热材料。2.基于权利要求1所述的基于可控热管的4Κ热耦合回热式低温制冷机的制冷方法，其特征在于，包含以下步骤: 步骤I)，气体工质被第一压缩机(I)压缩后首先进入一级回热器(6)进行预冷，然后通过一级导流管(11)进入一级脉管(5)，一级脉管(5)通过一级气库(3)与一级惯性管(4)使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在一级脉管(5)的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过一级热桥(12)对二级回热器(7)中部、三级回热器(8)上半部进行预冷； 步骤2)，第二压缩机(2)内的一部分气体工质通过被预冷后的二级回热器(7)，质量焓流降低，然后气体工质通过二级导流管(17)进入二级脉管(15)，二级脉管(15)通过二级气库(13)与二级惯性管(14)使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在二级脉管(15)的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过二级热桥(18)对三级回热器(8)的下半部进行预冷； 步骤3)，第二压缩机(2)内的另一部分气体工质通过被预冷的三级回热器(8)后，质量焓流显著降低，从而显著提高三级脉管(16)冷端的净制冷量，降低无负荷制冷温度。3.基于可控热管的4Κ热耦合低频回热式低温制冷机，其特征在于: 包括第一压缩机(I)、一级气库(3)、一级惯性管(4)、一级脉管(5)、一级回热器(6)、二级回热器(7)、一级导流管(11)、一级热桥(12)、二级气库(13)、二级惯性管(14)、二级脉管(15)和二级导流管(17); 其中，第一压缩机(I)分别与一级回热器(6)和二级回热器(7)的入口相连接;一级回热器(6)、一级导流管(11)、一级脉管(5)、一级惯性管(4)、一级气库(3)顺序相连接;二级回热器(7)、二级导流管(17)、二级脉管(15)、二级惯性管(14)、二级气库(13)顺序相连接;一级热桥(12)分别包裹住一级回热器(6)的出口、二级回热器(7)的中部，进行热耦合连接； 所述一级热桥(12)采用可控热管作为导热材料。4.基于权利要求3所述的基于可控热管的4Κ热耦合低频回热式低温制冷机的制冷方法，其特征在于，包含以下步骤: 步骤I)，第一压缩机(I)内的一部分气体工质首先进入一级回热器(6)进行预冷，然后通过一级导流管(11)进入一级脉管(5)，一级脉管(5)通过一级气库(3)与一级惯性管(4)使气体工质的质量流和压力波之间产生相位差以增强换热，气体工质在一级脉管(5)的热端被压缩放热，然后在冷端膨胀降温，产生制冷效应，并通过一级热桥(12)对二级回热器中部进行预冷； 步骤2)，第一压缩机(I)内的另一部分气体工质通过被预冷的二级回热器(7)，质量焓流显著降低，从而显著提高二级脉管(15)冷端的净制冷量，降低无负荷制冷温度。
【文档编号】F25B40/06GK106091463SQ201610654637
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月10日 公开号201610654637.1, CN 106091463 A, CN 106091463A, CN 201610654637, CN-A-106091463, CN106091463 A, CN106091463A, CN201610654637, CN201610654637.1
【发明人】李卓裴, 张方驹, 侯聪, 蒋彦龙
【申请人】南京航空航天大学