基于可控熱管的4k熱耦合回熱式低溫制冷機及其制冷方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機及其制冷方法，低溫制冷機包括壓縮機、多級回熱式低溫制冷機以及連接各級制冷機的熱橋，并采用可控熱管替代傳統材料銅作為熱橋。可控熱管依靠工質流體的氣液相變傳熱，熱阻很小，單位質量下可控熱管的導熱系數比銅大幾個數量級；可控熱管內填充有惰性氣體，其冷凝段的熱阻隨著熱流密度的增大而減小，因此熱管的工作溫度僅有較小變化；可控熱管相比于銅具有重量輕、體積小等優點，特別適用于空間軍事等領域。
【專利說明】
基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機及其制冷方法
技術領域
[0001]本發明涉及制冷機，尤其涉及一種基于可控熱管的4Κ熱耦合回熱式低溫制冷機及其制冷方法。
【背景技術】
[0002]隨著科技的不斷發展，回熱式低溫制冷機由于具有可靠性高、壽命長、效率高、控制簡單等優點，在航空航天、國防軍工、低溫超導、醫療、交通運輸等領域均得到越來越廣泛的應用。
[0003]多級回熱式低溫制冷機根據耦合方式可分為熱耦合與氣耦合。其中熱耦合的結構是高溫級回熱器通過熱橋對低溫級回熱器進行預冷。相比于氣耦合，熱耦合一般采用多壓縮機分別驅動，各級之間不存在工質質量流的分配問題，便于實驗和理論分析;不同溫區的回熱器最佳工作頻率、充氣壓力各不相同，氣耦合型無法分別優化，而熱耦合型的低溫級和預冷級之間在低溫下無質量流的耦合，各級回熱器的運行工況可以獨立優化，易于取得較優的性能。因此，多級回熱式低溫制冷機一般采用熱耦合。
[0004]傳統的多級回熱式低溫制冷機一般采用銅作為熱橋。銅作為熱橋時存在許多問題:為了增強傳熱能力，傳統熱橋一般采用實心銅管，而銅密度較高，質量較大，不利于減輕制冷機負重;銅的熱阻較高，傳熱溫差較大，并且隨著熱橋中熱流密度(預冷量)增加，傳熱溫差增大，回熱器的不可逆回熱損失增加，不利于提高制冷效率和降低無負荷制冷溫度，尤其對于20Κ溫區，傳熱溫差的增大將導致回熱器的不可逆換熱損失急劇增大。因此，如何優化熱橋設計對于優化多級回熱式低溫制冷機具有重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中所涉及到的缺陷，提供一種制冷效率好、可靠性高的基于可控熱管的4Κ熱耦合回熱式低溫制冷機及其制冷方法。
[0006]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
基于可控熱管的4Κ熱耦合回熱式低溫制冷機，包括第一壓縮機、第二壓縮機、一級氣庫、一級慣性管、一級脈管、一級回熱器、二級回熱器、三級回熱器、三級氣庫、三級慣性管、一級導流管、一級熱橋、二級氣庫、二級慣性管、二級脈管、三級脈管、二級導流管、二級熱橋和三級導流管；
其中，第一壓縮機、一級回熱器、一級導流管、一級脈管、一級慣性管、一級氣庫順序相連接;第二壓縮機出口分別與二級回熱器、三級回熱器入口相連接;二級回熱器、二級導流管、二級脈管、二級慣性管、二級氣庫順序相連接;三級回熱器、三級導流管、三級脈管、三級慣性管、三級氣庫順序相連接；一級熱橋分別包裹住一級回熱器的出口、二級回熱器的中部、三級回熱器的上半部，進行熱耦合連接;二級熱橋分別包裹住二級回熱器的出口、三級回熱器的下半部，進行熱耦合連接；
所述第一熱橋、第二熱橋均采用可控熱管作為導熱材料。
[0007]上述可控熱管通過填充不同的工質流體來實現不同溫區下的導熱，通過填充氮氣實現80K溫區下的導熱，通過填充氫氣實現20K溫區下的導熱。
[0008]該可控熱管的工作原理為:可控熱管的冷凝段連接有貯氣室，其中充有惰性氣體。熱管不工作時惰性氣體與工質蒸氣均勻混合。熱管工作時，蒸發段的工質蒸氣攜帶惰性氣體流向冷凝段。工質蒸氣在冷凝段凝結成液體后通過管芯返回蒸發段。惰性氣體在冷端不斷積聚。一段時間后，全部惰性氣體就積聚在貯氣室和冷凝段，形成一個氣塞。當熱管工作溫度增高時，內部蒸氣壓力升高，壓縮氣塞，使冷凝段有效散熱面積增加，減少冷凝段的熱阻，增加冷卻量，使熱管工作溫度的上升得到抑制。相反，當熱管工作溫度降低時則氣塞膨脹，增加冷凝段熱阻，使熱管工作溫度不再降低。這樣熱管的工作溫度就可以保持在一定的范圍之內。
[0009]本發明同時公開了該基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機的制冷方法，包含以下步驟:
步驟1)，氣體工質被第一壓縮機壓縮后首先進入一級回熱器進行預冷，然后通過一級導流管進入一級脈管，一級脈管通過一級氣庫與一級慣性管使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在一級脈管的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過一級熱橋對二級回熱器中部、三級回熱器上半部進行預冷；
步驟2)，第二壓縮機內的一部分氣體工質通過被預冷后的二級回熱器，質量焓流降低，然后氣體工質通過二級導流管進入二級脈管，二級脈管通過二級氣庫與二級慣性管使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在二級脈管的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過二級熱橋對三級回熱器的下半部進行預冷;
步驟3)，第二壓縮機內的另一部分氣體工質通過被預冷的三級回熱器后，質量焓流顯著降低，從而顯著提高三級脈管冷端的凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。
[0010]本發明還公開了另一種基于可控熱管的4K熱耦合低頻回熱式低溫制冷機:
包括第一壓縮機、一級氣庫、一級慣性管、一級脈管、一級回熱器、二級回熱器、一級導流管、一級熱橋、二級氣庫、二級慣性管、二級脈管和二級導流管；
其中，第一壓縮機分別與一級回熱器和二級回熱器的入口相連接;一級回熱器、一級導流管、一級脈管、一級慣性管、一級氣庫順序相連接;二級回熱器、二級導流管、二級脈管、二級慣性管、二級氣庫順序相連接;一級熱橋分別包裹住一級回熱器的出口、二級回熱器的中部，進行熱耦合連接；
所述第一熱橋(12)采用可控熱管作為導熱材料。
[0011]本發明同時公開了上述基于可控熱管的4K熱耦合低頻回熱式低溫制冷機的制冷方法，包含以下步驟:
步驟1)，第一壓縮機內的一部分氣體工質首先進入一級回熱器進行預冷，然后通過一級導流管進入一級脈管，一級脈管通過一級氣庫與一級慣性管使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在一級脈管的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過一級熱橋對二級回熱器中部進行預冷；
步驟2)，第一壓縮機內的另一部分氣體工質通過被預冷的二級回熱器，質量焓流顯著降低，從而顯著提高二級脈管冷端的凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。
[0012]本發明創新性地采用可控熱管替代傳統材料銅作為熱橋。相比于銅熱橋來說，可控熱管具有以下優點:
1.熱管內部主要靠工質流體的氣液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力，單位質量下可控熱管可以比銅多傳遞數幾個數量級的熱量；
2.熱管內腔的蒸汽處于飽和狀態，飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小，溫降亦很小，因此熱管具有優良的等溫性；
3.可控熱管內填充有惰性氣體，并且在冷凝段連接一個貯氣室，隨著熱管內熱流密度的變化，惰性氣體在貯氣室內膨脹或者壓縮，改變冷凝段的有效散熱面積，從而改變冷凝段的熱阻，保持熱管的工作溫度只有很小的變化。
【附圖說明】
[0013]圖1為基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機示意圖；
圖2為基于可控熱管的4K熱耦合低頻回熱式低溫制冷機示意圖；
圖3為可控熱管原理圖；
圖4為氦-4工質不同冷端壓比下回熱器熱端溫度對回熱器回熱損失的影響；
圖5為單位質量下銅與熱管導熱系數數值對比。
[0014]圖中，1-第一壓縮機，2-第二壓縮機，3-—級氣庫，4-一級慣性管，5-—級脈管，6_一級回熱器，7-二級回熱器，8-三級回熱器，9-三級氣庫，10-三級慣性管，11-一級導流管，12-—級熱橋，13-二級氣庫，14-二級慣性管，15-二級脈管，16-三級脈管，17-二級導流管，18-二級熱橋，19-三級導流管。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機，包括第一壓縮機1、第二壓縮機2、一級氣庫3、一級慣性管4、一級脈管5、一級回熱器6、二級回熱器7、三級回熱器8、三級氣庫9、三級慣性管10、一級導流管11、一級熱橋12、二級氣庫13、二級慣性管14、二級脈管15、三級脈管16、二級導流管17、二級熱橋18和三級導流管19;
其中，第一壓縮機1、一級回熱器6、一級導流管11、一級脈管5、一級慣性管4、一級氣庫3順序相連接;第二壓縮機2出口分別與二級回熱器7、三級回熱器8入口相連接;二級回熱器
7、二級導流管17、二級脈管15、二級慣性管14、二級氣庫13順序相連接;三級回熱器8、三級導流管19、三級脈管16、三級慣性管10、三級氣庫9順序相連接;一級熱橋12分別包裹住一級回熱器6的出口、二級回熱器7的中部、三級回熱器8的上半部，進行熱耦合連接;二級熱橋18分別包裹住二級回熱器7的出口、三級回熱器8的下半部，進行熱耦合連接。
[0016]上述基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機，采用可控熱管作為一級熱橋
12、二級熱橋18的導熱材料，并通過填充不同的工質流體來實現不同溫區下的導熱，通過填充氮氣實現80K溫區下的導熱，通過填充氫氣實現20K溫區下的導熱。
[0017]上述基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機的制冷方法，包含以下步驟:
步驟1)，氣體工質被第一壓縮機I壓縮后首先進入一級回熱器6進行預冷，然后通過一級導流管11進入一級脈管5，一級脈管5通過一級氣庫3與一級慣性管4使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在一級脈管5的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過一級熱橋12對二級回熱器7中部、三級回熱器8上半部進行預冷；
步驟2)，第二壓縮機2內的一部分氣體工質通過被預冷后的二級回熱器7，質量焓流降低，然后氣體工質通過二級導流管17進入二級脈管15，二級脈管15通過二級氣庫13與二級慣性管14使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在二級脈管15的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過二級熱橋18對三級回熱器8的下半部進行預冷；
步驟3)，第二壓縮機2內的另一部分氣體工質通過被預冷的三級回熱器8后，質量焓流顯著降低，從而顯著提高三級脈管16冷端的凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。
[0018]如圖2所示，本發明還公開了另一種基于可控熱管的4K熱耦合低頻回熱式低溫制冷機，包括第一壓縮機1、一級氣庫3、一級慣性管4、一級脈管5、一級回熱器6、二級回熱器7、一級導流管11、一級熱橋12、二級氣庫13、二級慣性管14、二級脈管15和二級導流管17;
其中，第一壓縮機I分別與一級回熱器6和二級回熱器7的入口相連接;一級回熱器6、一級導流管11、一級脈管5、一級慣性管4、一級氣庫3順序相連接;二級回熱器7、二級導流管17、二級脈管15、二級慣性管14、二級氣庫13順序相連接;一級熱橋12分別包裹住一級回熱器6的出口、二級回熱器7的中部，進行熱耦合連接。
[0019]上述基于可控熱管的4K熱耦合低頻回熱式低溫制冷機，采用可控熱管作為第一熱橋12的導熱材料。
[0020]上述基于可控熱管的4K熱耦合低頻回熱式低溫制冷機制冷方法，包含以下步驟: 步驟1)，第一壓縮機I內的一部分氣體工質首先進入一級回熱器6進行預冷，然后通過一級導流管11進入一級脈管5，一級脈管5通過一級氣庫3與一級慣性管4使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在一級脈管5的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過一級熱橋12對二級回熱器中部進行預冷；
步驟2)，第一壓縮機I內的另一部分氣體工質通過被預冷的二級回熱器7，質量焓流顯著降低，從而顯著提高二級脈管15冷端的凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。
[0021 ]如圖3所示，可控熱管的工作原理為:可控熱管的冷凝段連接有貯氣室，其中充有惰性氣體。熱管不工作時惰性氣體與工質蒸氣均勻混合。熱管工作時，蒸發段的工質蒸氣攜帶惰性氣體流向冷凝段。工質蒸氣在冷凝段凝結成液體后通過管芯返回蒸發段。惰性氣體在冷端不斷積聚。一段時間后，全部惰性氣體就積聚在貯氣室和冷凝段，形成一個氣塞。當熱管工作溫度增高時，內部蒸氣壓力升高，壓縮氣塞，使冷凝段有效散熱面積增加，減少冷凝段的熱阻，增加冷卻量，使熱管工作溫度的上升得到抑制。相反，當熱管工作溫度降低時則氣塞膨脹，增加冷凝段熱阻，使熱管工作溫度不再降低。這樣熱管的工作溫度就可以保持在一定的范圍之內。
[0022]如圖4所示，隨著熱端溫度的升高，回熱器的不可逆回熱損失增大，尤其當冷端壓比為1.2，熱端溫度大于20K時，回熱器的不可逆回熱損失急劇增加。因此，采用銅作為熱橋時，傳熱溫差較大，導致回熱器的不可逆回熱損失很大，而可控熱管，傳熱溫差很小，可以有效減少回熱器的不可逆回熱損失。
[0023]如圖5所示，隨著溫度的升高，銅的導熱系數雖然有所增加，但相比熱管來說仍然很小，從數值上可以看出，相同溫度下，熱管的導熱系數是銅的數千倍。因此采用可控熱管作為熱橋可以有效增強傳熱能力，減小冷熱端的傳熱溫差，降低回熱器的不可逆回熱損失。
[0024]本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0025]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.基于可控熱管的4K熱耦合回熱式低溫制冷機，其特征在于:包括第一壓縮機(1)、第二壓縮機(2)、一級氣庫(3)、一級慣性管(4)、一級脈管(5)、一級回熱器(6)、二級回熱器(7)、三級回熱器(8)、三級氣庫(9)、三級慣性管(10)、一級導流管(11)、一級熱橋(12)、二級氣庫(13)、二級慣性管(14)、二級脈管(15)、三級脈管(16)、二級導流管(17)、二級熱橋(18)和三級導流管(19); 其中，第一壓縮機(1)、一級回熱器(6)、一級導流管(11)、一級脈管(5)、一級慣性管(4)、一級氣庫(3)順序相連接;第二壓縮機(2)出口分別與二級回熱器(7)、三級回熱器(8)入口相連接;二級回熱器(7)、二級導流管(17)、二級脈管(15)、二級慣性管(14)、二級氣庫(13)順序相連接;三級回熱器(8)、三級導流管(19)、三級脈管(16)、三級慣性管(10)、三級氣庫(9)順序相連接;一級熱橋(12)分別包裹住一級回熱器(6)的出口、二級回熱器(7)的中部、三級回熱器(8)的上半部，進行熱耦合連接;二級熱橋(18)分別包裹住二級回熱器(7)的出口、三級回熱器(8)的下半部，進行熱耦合連接； 所述一級熱橋(12)、二級熱橋(18)均采用可控熱管作為導熱材料。2.基于權利要求1所述的基于可控熱管的4Κ熱耦合回熱式低溫制冷機的制冷方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟I)，氣體工質被第一壓縮機(I)壓縮后首先進入一級回熱器(6)進行預冷，然后通過一級導流管(11)進入一級脈管(5)，一級脈管(5)通過一級氣庫(3)與一級慣性管(4)使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在一級脈管(5)的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過一級熱橋(12)對二級回熱器(7)中部、三級回熱器(8)上半部進行預冷； 步驟2)，第二壓縮機(2)內的一部分氣體工質通過被預冷后的二級回熱器(7)，質量焓流降低，然后氣體工質通過二級導流管(17)進入二級脈管(15)，二級脈管(15)通過二級氣庫(13)與二級慣性管(14)使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在二級脈管(15)的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過二級熱橋(18)對三級回熱器(8)的下半部進行預冷； 步驟3)，第二壓縮機(2)內的另一部分氣體工質通過被預冷的三級回熱器(8)后，質量焓流顯著降低，從而顯著提高三級脈管(16)冷端的凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。3.基于可控熱管的4Κ熱耦合低頻回熱式低溫制冷機，其特征在于: 包括第一壓縮機(I)、一級氣庫(3)、一級慣性管(4)、一級脈管(5)、一級回熱器(6)、二級回熱器(7)、一級導流管(11)、一級熱橋(12)、二級氣庫(13)、二級慣性管(14)、二級脈管(15)和二級導流管(17); 其中，第一壓縮機(I)分別與一級回熱器(6)和二級回熱器(7)的入口相連接;一級回熱器(6)、一級導流管(11)、一級脈管(5)、一級慣性管(4)、一級氣庫(3)順序相連接;二級回熱器(7)、二級導流管(17)、二級脈管(15)、二級慣性管(14)、二級氣庫(13)順序相連接;一級熱橋(12)分別包裹住一級回熱器(6)的出口、二級回熱器(7)的中部，進行熱耦合連接； 所述一級熱橋(12)采用可控熱管作為導熱材料。4.基于權利要求3所述的基于可控熱管的4Κ熱耦合低頻回熱式低溫制冷機的制冷方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟I)，第一壓縮機(I)內的一部分氣體工質首先進入一級回熱器(6)進行預冷，然后通過一級導流管(11)進入一級脈管(5)，一級脈管(5)通過一級氣庫(3)與一級慣性管(4)使氣體工質的質量流和壓力波之間產生相位差以增強換熱，氣體工質在一級脈管(5)的熱端被壓縮放熱，然后在冷端膨脹降溫，產生制冷效應，并通過一級熱橋(12)對二級回熱器中部進行預冷； 步驟2)，第一壓縮機(I)內的另一部分氣體工質通過被預冷的二級回熱器(7)，質量焓流顯著降低，從而顯著提高二級脈管(15)冷端的凈制冷量，降低無負荷制冷溫度。
【文檔編號】F25B40/06GK106091463SQ201610654637
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月10日 公開號201610654637.1, CN 106091463 A, CN 106091463A, CN 201610654637, CN-A-106091463, CN106091463 A, CN106091463A, CN201610654637, CN201610654637.1
【發明人】李卓裴, 張方駒, 侯聰, 蔣彥龍
【申請人】南京航空航天大學