CN101963410A - 多路旁通型脉冲管制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多路旁通型脉冲管制冷系统，包括多路旁通型脉冲管制冷机(A)，该制冷机具有依次流体连通的压力波发生器(1)、蓄冷器(2)、热端换热器(3)、回热器(4)和冷端换热器(7)、以及与热端换热器(3)流体连通的调相机构，还具有通过多路旁通元件(5)与该回热器流体连通的脉冲管(6)，脉冲管设置在热端换热器和冷端换热器之间，其中，该制冷系统还包括预冷系统(B)，该预冷系统具有通过传冷机构(9)与该多路旁通型脉冲管制冷机的该热端换热器(3)相耦合的冷端(17)，该调相机构的至少一部分与该传冷机构(9)紧密接触，以对该热端换热器(3)进行预冷。这种制冷系统不仅结构简单，容易实现和加工，并采用预冷系统，使多路旁通型脉冲管制冷机的制冷温度达到大约10K的极低温，适合于空间应用。

Description

多路旁通型脉冲管制冷系统

技术领域

本发明主要涉及空间用低温区制冷系统，尤其涉及极低温区多路旁通型脉冲管制冷系统。

背景技术

随着空间技术的不断发展，用于冷却红外探测器和高温超导器件的小型、微型低温制冷机的研究引起了各国学者的极大兴趣。一些卫星的有效载荷，特别是高精度的遥感设备如红外望远镜、红外敏感器的焦平面和镜片以及无线电接收器的低噪音放大器等均需要在低于10K的背景温度下工作，以减小背景热噪声干扰，从而提高探测精度。制冷温区在10K以下的制冷机在空间技术上有着明确的应用背景，目前这一温区的实现主要是利用斯特林制冷机。然而，在这种温区工作的器件通常对振动、电磁干扰和寿命都有严格的要求，而这些要求恰是低温端采用固体活塞的斯特林制冷机无法克服的难点。相比之下，脉冲管制冷机的振动小、电磁干扰小和寿命长等优势显著体现出来。为了达到较低的制冷温度，脉冲管制冷机一般采用多级结构。例如，按照各级脉冲管的级间连接方式区分，多级脉冲管制冷机有串联型和并联型两种布置方式；而按照回热器的级间方式可以分为气耦合型和热耦合型两种。

周远等人于1992年提出了一种多路旁通结构，该结构最初使一台单级脉冲管制冷机的无负荷制冷温度从59K下降到33K。由于其在强化脉冲管制冷机性能上的有效性，加之结构紧凑而被美国航空航天局(NASA)作为空间应用脉冲管制冷机的重点研究方向之一。LMATC在1999年报道了基于多路旁通结构的高频二级脉冲管制冷机，第一级和第二级的无负荷制冷温度分别达到48K和23K。最近几年，在探索35K温区工作的高频脉冲管制冷机的合适方式方面，研究人员发现多路旁通有一定的优势，并在此基础上开发了满足我国需要的实用型35K多路旁通脉冲管制冷机样机，单级从室温已经达到了25K以下的低温。

但是，上述的多路旁通型的高频脉冲管制冷机都是将热端放在常温环境中，在这种条件下，将多路旁通型脉冲管制冷机从常温降到10K以下是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、易于制造并且能够达到极低温区的多路旁通型脉冲管制冷系统。

为此，本发明提供一种多路旁通型脉冲管制冷系统，包括多路旁通型脉冲管制冷机，该制冷机具有依次流体连通的压力波发生器、蓄冷器、热端换热器、回热器和冷端换热器、以及与热端换热器流体连通的调相机构，还具有通过多路旁通元件与该回热器流体连通的脉冲管，该脉冲管设置在热端换热器和冷端换热器之间，其中，该制冷系统还包括预冷系统，该预冷系统具有通过传冷机构与该多路旁通型脉冲管制冷机的热端换热器相耦合的冷端，该调相机构的至少一部分与该传冷机构紧密接触，以对该热端换热器进行预冷，进而使多路旁通型制冷系统实现极低温制冷。

根据本发明的一个方案，传冷机构被构造成板状结构，例如可以由铜板制成，其主要作用是将预冷系统冷端的冷量传递到多路旁通型脉冲管制冷机的热端换热器。当然，其它任何合适的结构形式也是可行的，例如可以采取网状结构。

在本发明的一个实施方案中，预冷系统为脉冲管制冷机。预冷系统的冷端(冷端换热器)通过传冷机构与多路旁通型脉冲管制冷机的热端换热器相耦合，当预冷系统单独工作时，传冷机构的温度例如稳定在60K左右，当预冷系统和多路旁通型制冷机同时工作时，传冷机构的温度稳定在80K左右，即多路旁通型脉冲管制冷机的热端换热器温度稳定为80K左右，从而使来自压力波发生器的交变流动工质在经过热端换热器时被冷却到该温度。另外，预冷系统也可以为辐射制冷机。应当明白，可以采用任何合适的制冷装置作为上述预冷系统。

按照本发明的多路旁通型脉冲管制冷机的一个实施方案，回热器与脉冲管以同轴且回热器围绕脉冲管的方式布置，它们通过多路旁通元件彼此流体连通。进一步地，回热器由直径不同的两段或多段构成，同时脉冲管也由直径不同的两段或多段构成，从而构成两级或多级制冷。

在另一个方案中，回热器和脉冲管布置成U形并通过多路旁通元件彼此流体连通。和前一个方案类似，回热器和脉冲管也可分别由直径不同的两段或多段构成。

根据本发明的一个实施方案，调相机构包括与热端换热器依次流体连通的惯性管和气库，其中气库与例如板状的传冷机构紧密接触并由其支承。在此情况下，气库温度和传冷机构温度一致。另外，设置调相机构是为了调节压力波和质量流之间的相位，使制冷机获得更好的制冷性能。

在本发明中，多路旁通元件可以为小孔机构，也可以为阀门机构。可以想到，可以使用本领域技术人员熟悉的任何合适的机构用作多路旁通元件。另外，回热器和脉冲管可以均为薄壁管，其由金属或非金属制成。

在根据本发明的多路旁通型制冷系统运行时，来自压力波发生器的交变工质首先在蓄冷器中进行预冷，然后经过热端换热器进入回热器。当工质在回热器中运动到多路旁通元件处时，工质被分成两部分，一部分工质进入靠近热端换热器的脉冲管，产生制冷效应，使多路旁通元件处的温度稳定在40K左右；而另一部分工质进入下一段回热器，吸收回热器中的冷量后再进入靠近冷端换热器的脉冲管，产生制冷效应，从而使冷端换热器处的温度降低到大约10K。

根据本发明的多路旁通型脉冲管制冷系统不仅具有简单结构，而且容易实现和加工，由于采用了预冷系统，所以多路旁通型脉冲管制冷机的制冷温度能够达到大约10K的极低温，适合于空间应用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的多路旁通型脉冲管制冷系统的一个实施例的结构示意图；

图2示出了根据本发明的多路旁通型脉冲管制冷系统的另一个实施例的结构示意图。

附图标记一览表

1-压力波发生器；2-蓄冷器；3-热端换热器；4-回热器；5-多路旁通元件；6-脉冲管；7-冷端换热器；8-气库；9-传冷机构；10-惯性管；12-压力波发生器；13-热端换热器；14-回热器；15-脉冲管；16-惯性管；17-冷端；18-气库。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的多路旁通型脉冲管制冷系统的一个实施例，该制冷系统由多路旁通型脉冲管制冷机A和预冷系统B耦合而成。如图所示，多路旁通型脉冲管制冷机包括依次流体连通的压力波发生器1、蓄冷器2、热端换热器3、回热器4和冷端换热器7，还包括套装在回热器4中通过多路旁通元件5与之相连通的脉冲管6，该脉冲管布置在热、冷端换热器之间。另外，该多路旁通型脉冲管制冷机还设有与热端换热器3流体连通的惯性管10和气库8。在此实施例中，回热器和脉冲管均为两段结构并同轴布置，回热器的两段分别为直径不同的第一回热器4a和第二回热器4b，脉冲管6的两段分别为直径不同的第一脉冲管6a和第二脉冲管6b。在此实施例中，多路旁通元件5为小孔机构，其上设有不同直径或相同直径的小孔，小孔的直径和数量可根据制冷机内部的压力和流量分配。本领域技术人员应该想到，多路旁通元件5采用阀门机构也是可行的，并且其可以由铜、不锈钢、聚四氟乙烯等材料制成。

在这里，设置蓄冷器2的作用是，由于从压力波发生器出来的工质的温度较高，所以如果其直接进入回热器，则冷量损失特别大，从而导致制冷机效率降低，为此，增加蓄冷器将有利于减小热损失。并且，根据实际的需要，可去掉蓄冷器2和热端换热器3之间的连管，使蓄冷器2直接和回热器4连接起来，组成一个新的回热器。

为了使制冷系统获得极低的制冷温度例如10K或更低，制冷系统设有预冷系统B。在此实施例中，预冷系统为脉冲管制冷机。如图1和图2所示，预冷用脉冲管制冷机为现有技术中常用的类型，其包括流体连通的压力波发生器12、热端换热器13、回热器14、脉冲管15和冷端换热器即冷端17、以及与热端换热器13流体连通的惯性管16和气库18。预冷用脉冲管制冷机的冷端换热器17通过传冷机构9与多路旁通型脉冲管制冷机的热端换热器3相耦合，并且气库8与传冷机构9紧密接触并由其支承，从而实现对气库8和热端换热器3的预冷，预冷温度可达到例如大约80K。在这种情况下，多路旁通型制冷机的热端换热器、惯性管和气库以及传冷机构的温度均处于温度为上述预冷温度的低温环境中。

在脉冲管制冷机中，工质流动为交变流动，在压力波和工质流之间存在一个相位角。为了调节压力波和质量流之间的相位，与热端换热器流体连通的惯性管10和气库8构成调相机构，使得脉冲管制冷机可以获得更好的制冷性能。另外，本领域技术人员应当理解，在本发明中，调相机构也可以为纯惯性管，或是惯性管、小孔和气库的组合。

在图1示出的多路旁通型制冷机的两段式结构中，第一脉冲管6a的直径大于第二脉冲管6b的直径，同时第一回热器4a的直径大于第二回热器4b的直径。本领域技术人员应当理解，脉冲管和回热器可以分别具有相同或不同的直径，可以为一体的或者分成若干段。另外，回热器也可以选择相同或者不同的蓄冷材料，蓄冷材料为本领域技术人员熟知的。

在根据本发明的实施例中，为了获得想要的极低温度，预冷用脉冲管制冷机通过传冷机构9将多路旁通脉冲管制冷机的热端换热器3冷却到80K左右。在压力波发生器1通过线性电动机驱动的情况下，交变流动的工质通过蓄冷器2，吸收蓄冷器内部的冷量，使得工质温度降低后进入第一回热器4a，并进一步吸收该回热器4a内部的冷量。当工质流动到多路旁通部件5时，该工质分成两部分，其中一部分工质通过多路旁通部件5上的小孔直接进入第一脉冲管6a中，产生制冷效应，使多路旁通元件5处的温度降低到例如大约40K，而另一部分工质进入第二回热器4b并且吸收第二回热器中的冷量，温度进一步降低后，流过冷端换热器7并进入第二脉冲管6b，在第一脉冲管6b中压缩膨胀产生制冷效应，从而使冷端换热器7处的温度降低至大约10K。

图2示出了多路旁通型脉冲管制冷系统的另一个实施例，其中回热器和脉冲管布置成U形。在本实施例中，预冷系统B与上一实施例中的完全相同，也为脉冲管制冷机。在本实施例中，多路旁通型脉冲管制冷机A包括依次流体连通的压力波发生器1、蓄冷器2、热端换热器3、回热器4、冷端换热器7和脉冲管6，脉冲管6布置在热、冷端换热器的之间，并且回热器4和脉冲管6在中间位置处通过多路旁通元件5相连通。在这里，多路旁通型脉冲管制冷机A的热端换热器3通过传冷机构9与预冷系统的的冷端(冷端换热器)17紧密耦合。

在该制冷系统运行时，预冷系统B通过传冷机构9将多路旁通型脉冲管制冷机的热端换热器冷却到例如大约80K。在压力波发生器1被线性电动机驱动之下，交变工质流过蓄冷器2，吸收蓄冷器2内部的冷量，在使工质温度降低后进入回热器4内，进一步吸收该回热器内部的冷量。当工质流动到多路旁通部件5时，工质被分成两部分，其中一部分工质通过多路旁通元件5直接进入脉冲管6，产生制冷效应，使多路旁通元件5附近的温度稳定在例如大约40K，而另一部分工质流过冷端换热器7，进入脉冲管6，并在脉冲管中产生制冷效果，从而使冷端换热器7的温度降低至大约10K，甚至更低。

在本发明中，蓄冷器和回热器的直径和长度、以及蓄冷材料的选择可根据多路旁通型脉冲管制冷机的压力波幅值的大小发生变化。另外，所采用的制冷工质可以为无毒、无污染且不可燃的气体，包括但不限于氦3、氦4及其混合气体。

在上述实施例中，制冷系统为预冷-制冷两级制冷。本领域技术人员应该理解，根据实际需要，也可以采用两级以上的制冷。

上述实施例仅是对实施本发明的方式的示例性说明。本领域的普通技术人员应该理解，在不超出后附权利要求书所限定的范围和精神的前提下，可采用不同于上述本发明实施例的特征或手段。后附的权利要求书旨在用来限定本发明的保护范围，并想要涵盖落于该权利要求范围内的任何等同和变化。

Claims (9)

1.一种多路旁通型脉冲管制冷系统，包括多路旁通型脉冲管制冷机(A)，该制冷机具有依次流体连通的压力波发生器(1)、蓄冷器(2)、热端换热器(3)、回热器(4)和冷端换热器(7)，以及与该热端换热器(3)流体连通的调相机构，还具有通过多路旁通元件(5)与该回热器流体连通的脉冲管(6)，该脉冲管设置在该热端换热器和该冷端换热器之间，其特征在于，该制冷系统还包括预冷系统(B)，该预冷系统具有通过传冷机构(9)与该多路旁通型脉冲管制冷机的该热端换热器(3)相耦合的冷端(17)，该调相机构的至少一部分与该传冷机构(9)紧密接触，以对该热端换热器(3)进行预冷。

2.根据权利要求1所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该预冷系统(B)为脉冲管制冷机或辐射制冷机。

3.根据权利要求1所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该传冷机构(9)构造成板状结构。

4.根据权利要求3所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，该调相机构包括与该热端换热器(3)依次流体连通的惯性管(10)和气库(8)，该气库(8)与板状的该传冷机构(9)紧密接触。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该回热器(4)和该脉冲管(6)以同轴且该回热器围绕该脉冲管的方式布置。

6.根据权利要求5所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该回热器(4)和该脉冲管(6)均由直径不同的两段或多段构成。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该回热器(4)和该脉冲管(6)布置成U形。

8.根据权利要求1所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该多路旁通元件(5)为小孔机构或阀门机构。

9.根据权利要求1所述的多路旁通型脉冲管制冷系统，其特征在于，该传冷机构(9)构造成网状结构。

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