流量调节的节流制冷器及其流量自调方法与流程

本发明涉及制冷与低温工程技术领域，具体为一种流量调节的节流制冷器及其流量自调方法。

背景技术：

节流制冷器在红外热像仪、导弹制导、医疗和空间应用等民用和军事装备上广泛应用。与其他低温制冷机相比，它具有体积小、质量轻、降温快、可靠性高等优点。

节流制冷器不仅为红外导引系统提供低温环境，而且与导弹的性能密切相关，比如制冷器的降温时间决定了导弹的反应时间，制冷器的蓄冷时间决定了导弹的飞行时间。其中快速启动的地空导弹等武器系统一般采用节流制冷器，如美国的stinger、俄罗斯的igla等。

自调型节流制冷器的调节器采用感温元件，如密闭的波纹管、低温记忆合金等。冷端自调的节流制冷器的自调机构布置在冷端，在降温过程中，感温元件受温度影响而变化，带动冷端的自调机构运动，调节节流元件开度的大小，从而达到流量调节的目的。

然而冷端型自调节流制冷器对于自调机构和感温元件等部件的装配及加工精度均具有较高的要求，其成品率较低。同时，自调机构布置在制冷器的冷端，受到较大的热应力，进行开关机或长期运行时，可靠性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种流量调节的节流制冷器及其流量自调方法，通过自调的方式来进行流量调节，流量调节发生在制冷器的热端，可以保证制冷红外探测器的长时间可靠运行。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种流量调节的节流制冷器，包括具有内腔的芯轴以及可于所述内腔中滑动的阀座，所述阀座将所述内腔分隔为独立的第一空间和第二空间，所述第一空间中注入有自调气体工质；所述节流制冷器还包括用于制冷并可在制冷时降低所述第一空间中的自调气体工质温度的制冷机构以及可在所述阀座的带动下移动的自调杆，所述制冷机构具有可加注制冷工质的第一进气口，所述自调杆远离所述阀座的一端为可活动封堵所述第一进气口以调节所述第一进气口的开度的调节端。

进一步，所述节流制冷器包括缠绕于所述芯轴外的换热器以及设于所述芯轴远离所述第二空间的一端的冷头，所述换热器的进气端与所述第一进气口连通，所述冷头具有节流孔和第二进气口，所述节流孔和所述第二进气口连通，所述换热器与所述冷头的第二进气口连通。

进一步，所述第一空间中设有可伸缩且支撑所述阀座的第一波纹管。

进一步，所述第一波纹管具有供自调气体工质进入其内的第三进气口。

进一步，所述第一空间中的自调气体工质通过引气管送至所述第一空间中。

进一步，所述引气管的中部为第二波纹管。

进一步，所述芯轴远离所述第一空间的一端设有法兰，所述自调杆的一端焊接在所述法兰上，另一端活动插设于所述法兰的安置位中，所述第一进气口开设于所述法兰上。

进一步，所述自调杆与所述法兰的安置位的内壁之间具有第一间隙，所述自调杆上套设有第一密封圈，所述第一密封圈活动封堵于所述第一间隙中。

进一步，所述阀座与所述芯轴的内壁之间具有第二间隙，所述阀座外设有一圈第二密封圈，所述第二密封圈活动封堵于所述第二间隙中。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种流量自调节方法，包括如下步骤：

s1，采用阀座将芯轴的内腔分隔为独立的第一空间和第二空间，且所述阀座滑动设置于所述内腔中，并配置在制冷时降低所述第一空间中的自调气体工质温度的制冷机构，所述制冷机构具有可加注制冷工质的第一进气口；

s2，向所述第一空间中注入自调气体工质后封堵加注口，此时第一空间中的气压增强，阀座朝所述第二空间的方向滑动至稳定位置；

s3，从所述第一进气口向制冷机构加注制冷工质，所述制冷机构开始工作，所述第一空间中的自调气体工质温度降低，第一空间中的气压也降低，所述阀座朝向所述第一空间的方向滑动并带动自调杆向下移动以增大对所述第一进气口的封堵以减小所述第一进气口的开度；

s4，在所述第一进气口的开度逐渐减小后，所述制冷机构的制冷量逐渐减少至稳定，此时所述第一进气口的开度稳定，以保持制冷工质的稳定输出；

s5，在当前稳定的制冷程度无法达到制冷要求而导致所述第一空间中的自调气体工质温度升高时，所述第一空间中的气压变大，所述阀座朝向所述第二空间的方向滑动并带动自调杆向上移动以减小对所述第一进气口的封堵以增大所述第一进气口的开度，加强所述制冷工质的输出；

s6，接着重回所述s3步骤，并循环所述s3步骤至所述s5步骤以实现流量自调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过利用制冷机构降温过程中对自调气体工质的温度变化，形成一定的压力差，驱动阀座和自调杆组成的自调机构运动，从而调节热端的第一进气口的开度大小，从而实现流量自调节的目的，流量调节发生在制冷器的热端，可以保证制冷红外探测器的长时间可靠运行。相较于冷端自调的节流制冷器，本发明具有结构简单、安装方便和可靠性高等优点。

2、通过波纹管限制自调机构的运动，当制冷机构未制冷时，限制自调机构的运动位移，而当制冷机构制冷时，也可配合自调机构运动。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种流量调节的节流制冷器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种流量调节的节流制冷器的冷头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种流量调节的节流制冷器的阀座和自调杆的示意图；

附图标记中：1-法兰；2-第一进气口；3-第一密封圈；4-自调杆；5-换热器；6-阀座；7-第一波纹管；8-冷头；9-节流孔；10-第三进气口；11-第二密封圈；12-第二波纹管；13-引气管；14-第二进气口；15-引气管安装口；16-芯轴；17-第一空间；18-第二空间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图3，本发明实施例提供一种流量调节的节流制冷器，包括具有内腔的芯轴16以及可于所述内腔中滑动的阀座6，所述阀座6将所述内腔分隔为独立的第一空间17和第二空间18，所述第一空间17中注入有自调气体工质；所述节流制冷器还包括用于制冷并可在制冷时降低所述第一空间17中的自调气体工质温度的制冷机构以及可在所述阀座6的带动下移动的自调杆4，所述制冷机构具有可加注制冷工质的第一进气口2，所述自调杆4远离所述阀座6的一端为可活动封堵所述第一进气口2以调节所述第一进气口2的开度的调节端。在本实施例中，通过利用制冷机构降温过程中对自调气体工质的温度变化，形成一定的压力差，驱动阀座6和自调杆4组成的自调机构运动，从而调节热端的第一进气口2的开度大小，从而实现流量自调节的目的，流量调节发生在制冷器的热端，也可以保证制冷红外探测器的长时间可靠运行。相较于冷端自调的节流制冷器，本发明具有结构简单、安装方便和可靠性高等优点。具体地，采用阀座6将芯轴16的内腔分隔为独立的第一空间17和第二空间18，且所述阀座6滑动设置于所述内腔中，然后配置在制冷时降低所述第一空间17中的自调气体工质温度的制冷机构，该制冷机构具有可加注制冷工质的第一进气口2，通过从第一进气口2加注的制冷工质的量来控制制冷程度。在向所述第一空间17中注入自调气体工质，随着注入的自调气体工质增多，第一空间17中的气压增强，相对于第二空间18的气压来说气压更大，阀座6就会朝所述第二空间18的方向滑动，此时的自调气体是一次性注入，注入完后就会将注入口封堵住，使其保存在第一空间17中，而随着自调气体的充入，阀座6会移动，但是注入的自调气体量是固定的，因此移动到一定位置后阀座6就会停止，此处可以看作是阀座6初始位置。接着开始制冷，打开第一进气口2，为了尽快达到需要的制冷量，可以使第一进气口2的开度最大，此时制冷工质大量地流入到制冷机构中，制冷机构开始进行制冷工作，冷量作用在第一空间17，第一空间17中的自调气体工质的温度就会降低，从而第一空间17中的气压也会降低，阀座6就会朝着第一空间17的方向滑动并带动自调杆4向下(即冷端)移动，以增大对第一进气口2的封堵，进而减小对第一进气口2的开度。在第一进气口2的开度逐渐减小后，制冷机构的制冷量将逐渐减少至稳定，此时第一进气口2的开度稳定，就可以保持制冷工质的稳定输出。而在当前稳定的制冷程度无法达到制冷要求而导致第一空间17中的自调气体工质温度升高时，第一空间17中的气压又会变大，阀座6朝向所述第二空间18的方向滑动并带动自调杆4向上(热端)移动，以减小对第一进气口2的封堵，进而增大第一进气口2的开度，加强制冷工质的输出。此时又重回了加大制冷量的工作状态，再重复上述的步骤即可实现流量自调节。最终就可以实现动平衡，达到自调的目的。以上过程都是一个渐变的过程，第一进气口2的开度会反复的增大和减小，实现自调。这其中先是伴随着阀座6带着自调杆4朝下(即冷端)移动，然后再是阀座6带着自调杆4朝上(即热端)移动，直至阀座6达到新的受力平衡，自调杆4才停止继续运动，第一进气口2的开度也达到定值。优选的，阀座6为充气阀座6，可以通过充气来调整其在内腔中的大小，以便于达到要求。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述节流制冷器包括缠绕于所述芯轴16外的换热器5以及设于所述芯轴16远离所述第二空间18的一端的冷头8，所述换热器5的进气端与所述第一进气口2连通，所述冷头8具有节流孔9和第二进气口14，所述节流孔9和所述第二进气口14连通，所述冷头8与第二进气口14连通。在本实施例中，冷头8的这一端为冷端，即图1的下端，其相对的一端为热端，即图1的上端，上端处设置法兰1，供其余部件安装。换热器5缠绕在芯轴16外，冷头8降温后可以作用到第一空间17中的自调气体工质，自调气体工质温度降低。制冷工质进入到换热器5和冷头8，在节流孔9处产生节流制冷效应，回流冷却换热器5管内的制冷工质，如此循环往复，直至制冷工质在节流孔9处达到两相区温度。制冷后的工质用于冷却芯片等热负载，冷却热负载的制冷工质回流，预冷制冷工质。当自调气体工质达到一定的制冷温度后，自调机构就开始工作，调节第一进气口2进气量的大小，最终达到最小维持压力，从而减小第一进气口2的流量，达到流量调节的目的。优选的，所述换热器5为翅片管换热器。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述第一空间17中设有可伸缩且支撑所述阀座6的第一波纹管7。在本实施例中，在第一空间17中设第一波纹管7，第一波纹管7的两端分别连接在冷头8和阀座6上，一方面向第一空间17中充入自调气体工质时，阀座6向上移动，第一波纹管7被拉伸，可以限制阀座6的运动位移，另一方面，第一空间17中的自调气体工质温度降低，即第一波纹管7受冷时，本身会产生相应的形变，可以加强自调机构的运动。优选的，所述第一波纹管7具有供自调气体工质进入其内的第三进气口10，在制冷机构工作前，自调气体工质被注入至第一空间17中，可以通过该第三进气口10进入到第一波纹管7内部，保证第一波纹管7内外压力相同。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述第一空间17中的自调气体工质通过引气管13送至所述第一空间17中。在本实施例中，可以采用引气管13将自调气体工质送往第一空间17，引气管13可以与自调杆4平行设置，不会占用太多的内部空间。优选的，细化上述的引气管13，引气管13的中部也可以为波纹管，为了与上述的波纹管进行区分，此处的波纹管可以命名为第二波纹管12。该引气管13可以是由两端的光滑光管加上中间的波纹管的直管组成，其一端的光管与法兰1密封焊接，另一端的光管与阀座6密封焊接。此处也采用波纹管，可以配合第一波纹管7，具体地，在阀座6朝上(即热端)移动，第一波纹管7被拉伸，第二波纹管12就会被压缩，达到设定位移时，就可以达到阀座6的受力平衡。优选的，阀座6具有供引气管13插入安装的引气管安装口15。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述芯轴16远离所述第一空间17的一端设有法兰1，所述自调杆4的一端焊接在所述法兰1上，另一端活动插设于所述法兰1的安置位中，所述第一进气口2开设于所述法兰1上。在本实施例中，设此法兰1可以方便自调杆4和引气管13的安设，也可以封堵芯轴16的内腔。

进一步优化上述方案，请参阅图1和图3，所述自调杆4与所述法兰1的安置位的内壁之间具有第一间隙，所述自调杆4上套设有第一密封圈3，所述第一密封圈3活动封堵于所述第一间隙中。在本实施例中，法兰1具有供自调杆4伸入的安置位，可以将该安置位的内径做得比自调杆4的杆径稍大，使得自调杆4伸入后与安置位之间还存在一定的间隙，第一密封圈3套在自调杆4上，然后第一密封圈3再与安置位的内壁接触，以形成动密封，因此自调杆4可以随阀座6的运动而运动。优选的，可以在自调杆4上设凹槽，将第一密封圈3套在该凹槽中，避免凸出的太多。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图3，所述阀座6与所述芯轴16的内壁之间具有第二间隙，所述阀座6外设有一圈第二密封圈11，所述第二密封圈11活动封堵于所述第二间隙中。在本实施例中，除了采用上述的第一密封圈3外，同理，阀座6和芯轴16也采用动密封的方式，阀座6可以在芯轴16内相对运动。

本发明实施例提供一种流量自调节方法，包括如下步骤：s1，采用阀座6将芯轴的内腔分隔为独立的第一空间17和第二空间18，且所述阀座6滑动设置于所述内腔中，并配置在制冷时降低所述第一空间17中的自调气体工质温度的制冷机构，所述制冷机构具有可加注制冷工质的第一进气口2；s2，向所述第一空间17中注入自调气体工质后封堵加注口，此时第一空间17中的气压增强，阀座6朝所述第二空间18的方向滑动至稳定位置；s3，从所述第一进气口2向制冷机构加注制冷工质，所述制冷机构开始工作，所述第一空间17中的自调气体工质温度降低，第一空间17中的气压也降低，所述阀座6朝向所述第一空间17的方向滑动并带动自调杆4向下移动以增大对所述第一进气口2的封堵以减小所述第一进气口2的开度；s4，在所述第一进气口2的开度逐渐减小后，所述制冷机构的制冷量逐渐减少至稳定，此时所述第一进气口2的开度稳定，以保持制冷工质的稳定输出；s5，在当前稳定的制冷程度无法达到制冷要求而导致所述第一空间17中的自调气体工质温度升高时，所述第一空间17中的气压变大，所述阀座6朝向所述第二空间18的方向滑动并带动自调杆4向上移动以减小对所述第一进气口2的封堵以增大所述第一进气口2的开度，加强所述制冷工质的输出；s6，接着重回所述s3步骤，并循环所述s3步骤至所述s5步骤以实现流量自调节。在本实施例中，通过利用制冷机构降温过程中对自调气体工质的温度变化，形成一定的压力差，驱动阀座6和自调杆4组成的自调机构运动，从而调节热端的第一进气口2的开度大小，从而实现流量自调节的目的，流量调节发生在制冷器的热端，也可以保证制冷红外探测器的长时间可靠运行。相较于冷端自调的节流制冷器，本发明具有结构简单、安装方便和可靠性高等优点。具体地，采用阀座6将芯轴16的内腔分隔为独立的第一空间17和第二空间18，且所述阀座6滑动设置于所述内腔中，然后配置在制冷时降低所述第一空间17中的自调气体工质温度的制冷机构，该制冷机构具有可加注制冷工质的第一进气口2，通过从第一进气口2加注的制冷工质的量来控制制冷程度。在向所述第一空间17中注入自调气体工质，随着注入的自调气体工质增多，第一空间17中的气压增强，相对于第二空间18的气压来说气压更大，阀座6就会朝所述第二空间18的方向滑动，此时的自调气体是一次性注入，注入完后就会将注入口封堵住，使其保存在第一空间17中，而随着自调气体的充入，阀座6会移动，但是注入的自调气体量是固定的，因此移动到一定位置后阀座6就会停止，此处可以看作是阀座6初始位置。接着开始制冷，打开第一进气口2，为了尽快达到需要的制冷量，可以使第一进气口2的开度最大，此时制冷工质大量地流入到制冷机构中，制冷机构开始进行制冷工作，冷量作用在第一空间17，第一空间17中的自调气体工质的温度就会降低，从而第一空间17中的气压也会降低，阀座6就会朝着第一空间17的方向滑动并带动自调杆4向下(即冷端)。移动，以增大对第一进气口2的封堵，进而减小对第一进气口2的开度。在第一进气口2的开度逐渐减小后，制冷机构的制冷量将逐渐减少至稳定，此时第一进气口2的开度稳定，就可以保持制冷工质的稳定输出。而在当前稳定的制冷程度无法达到制冷要求而导致第一空间17中的自调气体工质温度升高时，第一空间17中的气压又会变大，阀座6朝向所述第二空间18的方向滑动并带动自调杆4向上(热端)移动，以减小对第一进气口2的封堵，进而增大第一进气口2的开度，加强制冷工质的输出。此时又重回了加大制冷量的工作状态，再重复上述的步骤即可实现流量自调节。最终就可以实现动平衡，达到自调的目的。以上过程都是一个渐变的过程，第一进气口2的开度会反复的增大和减小，实现自调。这其中先是伴随着阀座6带着自调杆4朝下(即冷端)移动，然后再是阀座6带着自调杆4朝上(即热端)移动，直至阀座6达到新的受力平衡，自调杆4才停止继续运动，第一进气口2的开度也达到定值。优选的，阀座6为充气阀座6，可以通过充气来调整其在内腔中的大小，以便于达到要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。