[发明专利]低温线性压缩机驱动的J-T节流制冷循环系统

说明书

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体是涉及一种低温线性压缩机驱动的J-T节流制冷循环系统。

背景技术

随着空间探测技术的发展，有越来越多的探测器工作在4K及mK级温区，而且mK级温区必需4K温区提供预冷，所以4K温区是空间探测中一个极其重要的温区，一直是科学研究的重点和难点。

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-汤普逊节流制冷机（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引起的Joule-Thomson节流效应来获得制冷，效率较高。而且J-T制冷机没有冷端运动部件，工质直流流动，冷头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制冷机成为空间液氦温区任务的主流。

J-T制冷机压缩机单元可分为非机械压缩机和机械压缩机两类。前者主要采用吸附压缩机，是目前J-T制冷机研究的热点之一，具有无运动部件、机械振动和电磁干扰小等特点，但是吸附压缩机的效率普遍偏低，压缩机系统的结构也比较复杂；后者则工作在室温下，尽管压缩机单元无可避免的存在一定的机械振动和电磁干扰，但是机械压缩机技术相对成熟，系统结构简单，效率比较高。而对于空间液氦温区的长寿命，低振动，无油的要求，机械压缩机中目前唯有线性压缩机能够满足。因此线性压缩机是目前J-T制冷机实际空间应用的主要驱动类型。目前存在的J-T制冷机大多存在制冷性能不高的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种低温线性压缩机驱动的J-T节流制冷循环系统，该制冷循环系统采用低温下工作的压缩机，减少了制冷剂因逆流式换热器而产生的压力损失，在压缩机进出口压比相同的情况下，增加了节流阀两端压比，提高了J-T节流制冷性能。

一种低温线性压缩机驱动的J-T节流制冷循环系统，包括制冷单元和预冷单元，所述制冷单元包括一级低温线性压缩机、节流前换热器、节流阀和蒸发器；所述的预冷单元包括一级预冷换热器和预冷机构；按照制冷剂流向，所述一级低温线性压缩机出口通过管路依次与一级预冷换热器的高温侧管路、节流前换热器的高温侧管路、节流阀和蒸发器入口连通，蒸发器出口通过管路依次与节流前换热器的低温侧管路和压缩机入口连通形成循环回路；按照预冷剂流向，所述预冷机构出口通过管路依次与一级预冷换热器的低温侧管路、一级低温线性压缩机的表面盘管和预冷机构入口连通形成循环预冷回路。

压缩机如果工作在低温下，其线圈电阻会大大减小，本身产生的焦耳热也会随之减小，其维持低温环境的热负荷为焦耳热与工质压缩热之和，也会大大减小。对于常温下压缩的深冷温区的J-T节流制冷机往往需要多级逆流式换热器回收冷量，若压缩机直接在低温下压缩，则可以减少逆流式换热器个数，因而可以减少多个换热器带来的压降，使得节流前压力更加接近压缩机排气压力，节流后压力更接近压缩机吸气压力，节流导致的温降更大，可获得更低的制冷温度或者更大的制冷量（更好的制冷性能）。其工质可以是氦，氢，氖（稀有气体很贵，一般不用），氮等，其压缩机所处低温环境视其工质和制冷温度要求而定。