Микрокриогенный рефрижератор Советский патент 1979 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к криогенной технике и касается технических устройств охлаждения, созданньгх на базе газовых хоподипьных машин, реализующих циклы Стирлинга, Гиффорда, Такониса и др., для термостатирования миниатюрных объектов в области чрезвычайно низких температур. Подобные микрокриогенные устройства могут применяться как в наземных условиях, так и на летательных аппаратурах для термостатирования чувствительных элементов и блоков электронных и радиотехнических устройств. Известен микрокриогенный рефрижератор с уровнем термостатирования 4,2 К, холодоироизводительностью до 5 Вт, содержащий компрессор, каскадные теплообменники между прямым и обратным потоками, например гепия, газовую холодильную ма- шйну с теплообменниками - охладителями прямого потока, концевой теплообменник дроссельного контура, дроссель и холодиль ную камеру, к которой или подводится теп ло от объекта термостатйровяния или отводится часть жидкого хладагента l. При всей простоте и надежности в работе известный микрокриогенный рефрижератор имеет существенный недостаток - длительный пусковой период, а следовательно, и более значительное энергопотребление. Это обстоятельство объясняется значительной массой охлаждаемых деталей в нижнем каскаде рефрижератора и тормозящим действием концевого теплообменника, в результате которого замедляетсй процесс охлаждения дросселя и холодильной камеры. Последнее объясняется тем, что, как правило, в рефрижераторах глубокого охлаждения используются трудноконденсирующиеся хладагенты, имеющие отрицательный дроссель-эффект вплоть до очень низких температур. Таким образом, для того, чтобы начал работать нижний каскад рефрижератора необходимо снизить температуру хладагента в зоне дросселя ниже температуры точки инверсии. Во время Пускового периода, когда верхние каскады дроссельного контура уже практически вышли на режим, элементы нижнего каскада имеют еще более высокую температуру, В результате этого прямой поток хлапагента, охлаждаемый ниже точки инверсии , в верхних каскадах цикла, попути к дрос .сепю нижнего каскада нагревается выше температуры инверсии, вследствие чего. процесс дросселирования происходит с Повьппением температуры хладагента обратного потока, который далее охлаждается прй мым потоком концевотчэ теплообменника. Кроме того, в подобных рефрижераторах дроссель выполнен регулируемым (вручную либо с помощью автоматического привода Однако, несмотря на то, что создается возможность поддерживать расчетный расход газа в любом каскаде дроссельного контура по мере снижения температуры, пусковой период рефрижераторов значителен и составляет более 3 ч. На практике известные конструктивные решения регулируемых дросселей являются неудовлетво рительными с точки зрения надежной работы микрокриогенных рефрижераторов с большим ресурсом работы, предназначенных для большого числа циклов включения. В связи с этим часто применяются более надежные нерегулируемые дроссели-дюзы, что однако приводит к снижению эффективности работг теплообменников дроссельного контура в пусковом режиме по мере достижения рабочей те.мпературы так как сопровождается увеличением расх да хладагента в контуре, в десятки раз превышающего значение расхода в начале пуска рефрижератора. Известен также микрокриогенный рефр жератор, содержащий основной контур, включающий компрессор, ресивер, теплооб менники между прямьтми и обра тными пот - ками, газовую холодильную машину с теппообменникрм-охладителем прямого поток нерегуяируемый рабочий дроссель и холодильную камеру, и вспомогательный контур с последовательно включенными по ходу криоагента пусковым нерегулируемым дросселем, вентилем, автоматически открывающимся в пусковом режиме, теп- пообмёнником воздушного охлаждения и охладителем, имсгющим тепповрй контакт с корпусом рабочего дросселя и холодиль ной камерой . Подключение вспомогательного контура, который в пусковой период пропускает большую долю расхода (80-90% от общего расхода компрессора интенсивное охлаждение рабочего дросселя и холодильной камеры, в результате компенсирования отрицательного дроссельэффекта на уровне окружающей среды позволило снизить пусковой период микрокриогенного рефрижератора до 6О мин. При всех значительных достоинствах известная конструкция микрокриогенного рефрижератора имеет ряд недостатков. Сложная конструкция, так как требуется постановка автономного теплообменника, в результате чего появляется дополнительная масса, которую необходимо охлаждать только на время пуска рефрижератора. Несмотря на высокую эффективность автономного теплообменника, темп рйсхолажива- ния нижнего каскада дроссельного контура всегда отстает от темпа р схолаживания ГХМ за счет тепловой инерции дополнительного теплообменного аппарата. Двукратное охлаждение и нагрев большой массы хладагента при самых эффегйгивных теплообменных аппаратах всегда идет с Потерями, что в конечном счете приводит к увеличению времени выхода на рабочий режим из-за необходимости стабилизации дроссельного и вспомогательного контуров. Целью настоящего изобретения является сокращение времени выхода на рабочий режим. Поставленная цель.достигается тем, . что в известном рефрижераторе 2 вспомогательный контур дополнительно содержит пусковой теплообменник, установленный между теплообменником воздушного охлаждения и охладителем и имеющий тепловой контакт с газовой холодильной машиной а вспомогательный контур подключен к выходу компрессора основного контура и к холодильной камере. Пусковой теплообменник вспомогательного контура целесообразно выполнять в виде змеевика капиллярного сечения, навитого на стенку газовой холодильной машины. На чертеже представлена принципиальная схема микрокриогенного рефрижератора, выполненного согласно данному изобретению. Рефрижератор содержит основной контур 1, включающий компрессор 2, ресивер 3, теплообменники 4 между прямым и обратными потоками, газовую холодильную машину 5 с теплообменником - охладителем 6 прямого потока, нерегулируемый рабочий дроссель 7 и холодильную камеру 8, и вспомогательный копутр 9 с последовательно включенными по ходу хладагента пусковым нерегулируемым дросселем 10, вентилем II, автоматически открывающимся в пусковом режиме, теплообмен ником 12 воздушиогх охлаждения и охладителем 13, имеющем тепловой контакт с корпусом рабочего дросселя 7 и холо- дильной камерой 8. Вспомогательный контур дополнительно coдepжиt пусковой теплообменник 14 , установленный между теп лообменником 12 воздушного охлаждения и охладителем 13 и имеюший тепловой кон-с такт с газовой холодильной машиной 5. Вспомогательный контур подключен к вых ду компрессора 2 основного контура I и к холодильной камере 8. Во время пуска микрокриогекиого рёфрижератора пусковой вентиль 11 открыт, поэтому хладагент высокого давления после компрессора 2 раздваивается на два потока: большая часть хладагента, поступает во вспомогательный контур, а незначительная часть (5-10%) течет по теплообменной арматуре основного контура, так как После пуска рефрижератора неохлажденный рабочий дроссель 7 пропускает не более 10-20% расчетного потока хладаге та на рабочем режиме. Попадая во вспомо гательный контур хладагент высокого дав ления дросселируется практически до давления, близкого к давлению в обратном потоке дроссельного контура в пусковом нерегулируемом дросселе 1О, затем охлаждается до температуры окружающей среды в теплообменнике 12 воздушного охлаждения. Далее пусковой поток низкого давления поступает в пусковой теплообмен ник 14, где охлаждается за счет теплово го контакта со стенками цилиндра газовой холодильной машины, после чего отбирает тепло от элементов дроссельного контура (дросселя 7 и холодильной камеры 8) в охладителе 13, и попадает в холодильную камеру 8, где смешивается с обратным потоком основного контура, подогревается в теплообменниках 4 и попадает через резистор .3 на всасывание в компрессор 2. Таким, образом, по мере расхолаживания газовой .холодильной машины 5, пуско вой поток хладагента низкого давления охлаждается в теплообменниках 14довсе более низких температур. Причем, так как через вспомогательный контур течет большой поток газа, создаются благоприятные условия Для расхолаживания каскада дроссельного контура. Практически температура последнего отслеживает температуру нижней ступени охлаждения газовой холоДИЛЬНОЙ машины 5. Поэтому температура нерегулируемого дросселя 7 бьхстро снижается до температуры ниже точки инверсии хладагента. Пусковой режим считается законченным при стабилизации температуры в нижних каскадах газовой холодильной машины 5 основного контура, В это время автоматически закрывается пусковой вентиль 11 и весь поток хладагента высокого давления направляется в основной контур. Наступает вторая стадия пускового периода - процесс непосредственного расхолаживания нижнего каскада дроссельного контура. Момент перехода от первой ко второй , стадии пускового периода характеризуется резким изменением параметров в цикле мшсрокриогенного рефрижератора: в первый момент величина расхода газа в дроссельном контуре снижается, однако несмотря на это циркуляция хладагента остается весьма значительной, что было предопределено предварительным охлаждением корпуса дросселя 7 и холодильной камеры 8 газом вспомогательного контура.. Так как благоприятные условия работы дросселя 7 созданы, то вторая стадия пускового режима протекает самопроизвольно и зависит от величины дроссельэффекта, эксплуатационньгх условий и конструктивных параметров. Практически в течение которого времени температура холодильной камеры 8 падает до рабочего значения, определяемого перепадом давлений на компрессоре и и гидравликой теплообменной аппаратуры и коммутаций. Таким образом, подключение вспомогательного контура, в котором охлаждение пускового потока хладагента осушествляется В; пусковом теплообменнике за счет теплового контакта со стенкой цилиндра, позволяет значительно уменьшить время первой стадии пускового режима и довести его практически до такового в газовой холодильной машине. Малое гидравлическое сопротивление вспомогательного контура позволяет пропустить большой расход хладагента. Предлагаемый змеевиковый тепло- . обменник, в качестве которого используется капиллярная трубка, навитая и припаянная к стенке цилиндра холодильной машины, достаточно высокоэффезктивен, имеет малую охлаждаемую .массу, незначительно влияет на работу самой холодильной машины и практически не вносит дополнительных тепловых потерь из окружающей среды в рефрижератор.