采用旁通节流的低温间壁式换热器及预冷型j-t制冷机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低温技术，具体涉及一种采用旁通节流的液氦温区间壁式换热器及预 冷型低温J-T制冷机。
【背景技术】
[0002] 空间探测指发现和探索天体结构和外层空间的技术，通过各种形式的太空望远镜 或探测器实现。相比于常温下的探测器，工作于低温下的探测器可以实现更高的观测精度 并捕捉更微弱的信号，其中，大量红外探测器需要工作在液氦温区（2-10K)，要求稳定、可靠 的低温环境。
[0003] 空间液氦温区的制冷方式主要有超流氦杜瓦和机械式制冷机。机械式制冷机是一 种基于闭式制冷循环的主动制冷设备，具有结构紧凑，制冷量大，制冷温度范围广，对轨道 和卫星姿态要求低，安装灵活的优点，己经在空间低温技术领域得到了广泛的应用，是空间 低温技术发展的必然趋势。
[0004] 为满足空间应用的需求，机械式制冷技术不断发展，运动部件的支撑与密封、工质 的纯化、制冷机布置等风险降低技术日趋成熟。同时，对机械式制冷技术也提出了更高的要 求，包括提高制冷机效率、降低功耗、降低制冷温度、增大制冷量、降低机械振动、减小制冷 机质量、提尚可靠性并延长使用寿命等。
[0005] 目前可以选择的制冷机包括G-M制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机、逆布雷顿制 冷机以及J-T制冷机。但由于低温端排出器的使用，G-M制冷机和斯特林制冷机很难达到 低振动要求。在液氢温区（10-30K)以及更低的温度，氦工质的非理想性明显，回热材料的 体积热容急剧下降，使得以脉管制冷机为代表的回热式制冷机制冷效率急剧下降。逆布雷 顿制冷机中多采用紧凑式换热器（如孔板式换热器和网格式换热器等），体积大和质量重， 在空间应用中受到限制。
[0006] J-T制冷机（Joule-ThomsonCooler)利用了液氢温区以下氦气的非理想性，通过 J-T节流效应制冷，制冷机效率较高。而且J-T制冷机没有冷端运动部件，消除了低温端的 振动。工质直流流动，采用间壁式换热器，轴向漏热小。
[0007] 对于工作在液氦温区的J-T制冷机，为了提高J-T冷头的效率，减小压缩机的输入 功，有必要在数个中间温度对工质进行预冷。对于空间应用，回热式制冷机（包括斯特林制 冷机和斯特林型脉管制冷机）正好可以胜任中间温度的高效预冷。采用这种混合制冷机的 方案可以有效地发挥两种制冷机各自的优点。
[0008] 间壁式换热器是液氦温区J-T制冷机冷头的核心部件，其换热效率极大程度地影 响整机的性能，甚至直接关系到整台制冷机能否正常运转，通常要求换热器效率达到97% 以上。由于间壁式换热器的换热量远大于液氦温区的制冷量（大一个数量级以上），换热 器损失增大将使制冷机效率急剧下降，这在低温下尤为明显。在预冷型J-T制冷循环中，部 分间壁式换热器工作在预冷中间温度以上，其效率直接影响回热式制冷机的预冷换热量， 末级换热器指工作在预冷中间温度以下的换热器，其效率直接影响制冷量。因此，提高换热 器效率，尤其是末级换热器的效率至关重要。增大换热面积可以增大换热量，提高换热器效 率，但末级换热器工作在液氢温区以下，氦的非理想性显著，换热器高压侧气体的比热容大 于低压侧（如图5所示），导致高压侧气体无法得到充分冷却，影响了制冷机性能的进一步 提尚。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种采用旁通节流的间壁式换热器，该种换热器以氦为工质，工作 于液氢温区以及更低的温度，通过从高压侧引出一部分工质节流降温后进入低压侧，弥补 低压侧比热容的不足，进一步降低高压侧气体的出口温度。
[0010] 一种采用旁通节流的低温间壁式换热器，包括高压侧管路和低压侧管路，该低温 间壁式换热器工作于液氢温区以及更低的温区，所述高压侧管路上至少有一个与低压侧管 路连通的旁通管路，该旁通管路上设有能够产生等焓节流效应的节流元件；旁通管路将间 壁式换热器分为两部分，一部分与间壁式换热器平行，低压侧的质量流量大于高压侧，剩余 部分高低压侧的质量流量相等；所述旁通管路出口处低压侧管路内工质的温度低于旁通管 路入口处高压侧管路内工质的温度。
[0011] 低温下，常用的节流元件可分为两类，一类节流元件的理想节流过程为等熵膨胀 过程，典型代表为膨胀机；另一类的理想节流过程为等焓膨胀过程，包括J-T节流阀、毛细 管、喷嘴、孔板等。在本发明中，节流元件的进口温度低于液氢温区，膨胀机工作在此温度 的等熵效率较低，膨胀过程中可能出现带液，影响膨胀机的正常运行。此外，膨胀机的冷热 端之间存在热传导损失，且在低温区和小流量时尤为显著；低温膨胀机结构复杂，研制难度 大，对加工工艺的要求尤其苛刻。以上特点决定了膨胀机不适用于本发明。氦在液氢温区 以下的非理想性显著，等焓节流的降温效果明显，且温度越低，温降越大，再加之以J-T节 流阀为代表的等焓节流元件结构简单，可靠性高，适合本发明。下文以J-T节流阀为例进行 说明，称为旁通J-T节流阀（与下文中制冷机中液氦温区蒸发器前的主J-T节流阀区分）。
[0012] 本发明的换热器用于液氦温区的J-T循环中，旁通J-T节流阀的进出口靠近换热 器的低温端，出口温度低于进口。旁通节流的气体质量和从高压侧引出旁通的位置受到多 个因素的影响，对于一定的J-T循环，质量流量和高低压力确定：当旁通质量增大时，高压 侧的热负荷减小，剩余高压气体得到更充分的冷却，在液氦温区获得更大的制冷量，但旁通 质量过分增大使剩余在液氦温区节流制冷的工质减小，换热器低压侧气体的冷量无法得到 充分利用，制冷量反而减小；当引出旁通的位置由换热器的低温端向高温端靠近时，即旁通 J-T节流阀入口气体的温度升高，高压侧的热负荷减小，剩余高压气体得到更充分的冷却， 在液氦温区获得更大的制冷量，但引出旁通的位置过于靠近换热器的高温端即旁通J-T节 流阀入口气体的温度过高时，节流后气体的温度也过高，换热器低压侧气体的冷量无法得 到充分利用，制冷量反而减小。综上要综合各个因素的影响，获得最佳的旁通量和旁通位 置。
[0013] 作为优选，所述低温间壁式换热器为单段结构。采用单段结构时，换热器整体设 置，两侧通道连续，从高压侧通道引出的气体经节流降温后进入低压侧通道；旁通管路的入 口位置可设置在高压侧通道的中间位置，出口与低压侧管路连接。
[0014] 作为另一种优选，所述低温间壁式换热器为多段结构，所述旁通管路入口设于其 中两段结构高压侧管路连接处，所述旁通管路出口设于其中两段结构低压侧管路连接处。 此时同样需要保证旁通管路出口处低压侧管路内工质的温度低于旁通管路入口处高压侧 管路内工质的温度。
[0015] 作为优选，所述旁通管路为一条或多条，多条时并联在高压侧管路和低压侧管路 之间。作为优选，所述-节流元件为J-T节流阀、毛细管、孔板、喷嘴、文丘里管、节流阀、多 孔材料。
[0016] 基于上述采用旁通节流的低温间壁式换热器和液氦温区预冷型J-T制冷机技术， 本发明提供了几种低温J-T制冷机的方案，获得液氦温区的制冷量：
[0017] -种预冷型J-T制冷机，包括J-T级制冷机以及对J-T级制冷机进行预冷的预冷 级制冷机，所述J-T级制冷机包括用于输出制冷量的冷头、以及与冷头相连的末级换热器， 所述末级换热器为上述任一技术方案所述的采用旁通节流的低温间壁式换热器。
[0018] 作为优选，所述旁通管路的入口靠近冷头设置。作为优选，所述J-T级制冷机包括 J-T压缩机、以及设置于J-T压缩机与末级换热器之间的一级或多级间壁式换热器、一级或 多级预冷换热器；所述预冷级制冷机包括一级或多级冷头，通过热桥对一级或多级预冷换 热器进行预冷。
[0019] 上述技术方案中，预冷级制冷机为J-T级制冷机提供中间温度的预冷，预冷级制 冷机可选用回热式制冷机如斯特林制冷机和脉管制冷机等。J-T级制冷机包括J-T压缩机、 三级间壁式换热器、两级预冷换热器、液氦温区蒸发器、主J-T节流阀、旁通J-T节流阀，其 中末级间壁式换热器采用旁通节流的低温间壁式换热器。J-T级制冷机的预冷换热器和预 冷级制冷机的冷头通过热桥进行热耦合。
[0020] 稳定运行时，工质经J-T压缩机压缩后进入第一级间壁式换热器，被返流的低压 气体冷却，出口高压气体进入第一级预冷换热器并被预冷级制冷机第一级冷头冷却，然后 依次流经第二级间壁式换热器和第二级预冷换热器。高压气体进入末级间壁式换热器后， 在旁通J-T节流阀入口处分为两路，一路继续在末级间壁式换热器中被冷却，出口的高压 气体在主J-T节流阀中节流至两相并在蒸发器中提供冷量；另一路在旁通J-T节流阀中 节流降温进入低压侧并与从蒸发器返流的气体汇合，再在各级间壁式换热器中冷却高压气 体，工质离开第一级间壁式换热器后进入压缩机完成循环。末级间壁式换热器旁通节流可 以改善换热器中气体的温度场分布，减小两侧气体的平均温差，尤其是冷端的温差，更充分 地利用低压气体的冷量，增大液氦温区的制冷量。
[0021] 为进一步提高制冷机性能，作为优选，末级间壁式换热器可采用多次旁通节流，例 如采用两次旁通节流时，末级间壁式换热器中有两个旁通J-T节流阀。在所述的循环中，高 压气体进入末级间壁式换热器后，在第一个旁通J-T节流阀的进口处分为两路，一路继续 在末级间壁式换热器的高压侧中被冷却，另一路在第一个旁通J-T节流阀中节流降温后进 入低压侧与返流气体汇合。高压气体再在第二个旁通J-T节流阀的进口处分为两路，一路 继续在末级间壁式换热器中被冷却后在主J-T节流阀中节流至两相并提供液氦温区的冷 量，另一路在第二个旁通J-T节流阀中节流降温后与返流气体汇合，汇合后的气体返流再 与第一个旁通J-T节流阀出口的气体汇合，在各级间壁式换热器中冷却高压气体。采用两 次旁通节流时，可以更好地调整末级间壁式换热器中气体的温度场分布，减小冷端和中间 段的换热温差，进一步降低高压气体进入主J-T节流阀前的温度，最终提高J-T制冷机的效 率。
[0022] 为简化制冷机结构，提高