CN1388344A - 辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射制冷与脉冲管制冷相复合的回热式空间低温制冷机,包括镶嵌在辐冷板上的压力波发生器和金属板,在金属板上设置有热端换热器、双向进气口和小孔口,双向进气口与压力波发生器、回热器及脉冲管热端换热器相连通,小孔口与脉冲管热端换热器及气库相连通,在金属板上还设置有相互联通的可调节的双向进气阀和小孔阀,气库通过小孔阀与脉冲管热端换热器相联通,压力波发生器和回热器通过双向进气阀与脉冲管热端换热器相联通。由于本发明采用辐射制冷作为脉冲管制冷的冷源,解决了脉冲管制冷在空间应用需附加冷源问题;采用辐射制冷来冷却压力波发生器,进一步降低压缩气体和压力波发生器的温度,解决压力波发生器空间低能耗的要求。

Description

辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机

一、技术领域

本发明属于回热式气体低温制冷领域，特别涉及一种用于产生温度从室温到液氮温区的低温范围，尤其适用于航天领域的空间红外探测遥感元件冷却等需要低温情况的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机。

二、背景技术

随着探测器和空间遥感技术的发展，红外探测器已从单元发展到了线列、面阵，所需的制冷量也越来越大。为了更方便、有效、可靠地冷却红外探测器，各种形式的低温制冷机应运而生。而空间环境的独特性(真空环境，不存在对流换热)及各种航天器在执行各自任务时的不同技术需求，都对低温获得技术提出了特殊的要求，即需要体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、能耗低的低温制冷机。以往采用的空间制冷机主要有：辐射制冷、固体制冷、绝热去磁制冷、He₃稀释制冷、机械制冷(如斯特林制冷)等。它们各有优缺点，如辐射制冷空间应用制冷量较小(约在mW级)、制冷温度较高(90K～100K)，斯特林制冷机冷头部件的振动，和各类机械式制冷机的空间辅助冷源等问题，导致它们不能完全满足航天任务的需求。

1963年，脉冲管(亦称脉管)制冷机由美国人吉福特(Gifford)和朗斯沃斯(Longsworth)共同发明，在此之后，低温工作者分别用各种类型的压力波发生器(即压缩机)取代了低频旋转阀和高低压气源，来产生周期性变化的压力波动，取得了一定的成绩。自1984年，前苏联人米库林(Mikulin)改进的带小孔和气库的脉冲管制冷机和1990年西安交通大学朱绍伟等改进的双向进气脉冲管制冷机之后，使脉冲管制冷机应用前景更加广阔。该制冷机由压力波发生器、回热器、冷端换热器、层流化元件、脉冲管、热端换热器、气库、小孔、双向进气阀组成。

脉冲管制冷机同其它传统的小型机械式低温制冷机相比，例如：Stirling制冷机，G-M制冷机，脉冲管制冷机具有得天独厚的优势：

1、由于它取消了机械式的低温排出器(即冷端运动活塞)，代之以气体在管内往复运动，故解决了低温密封的问题；

2、由于低温下无任何运动部件，使整个系统仅需一个动力源(压力波发生器)，故可使振动源远离工作地点，并减少了工作噪音，同时冷头振动对冷却元件的干扰也大大减小、机体放置位置也不受方向性约束；

3、冷端运动活塞的取消，也不再需要与之相对应的驱动装置、相位匹配、支承等一套复杂的机械传动系统，故结构十分简单，由运动部件所产生的尘粒也明显的减少，从而减少了内部流道的堵塞现象，使制冷机运转的可靠性和工作寿命从根本上得到显著提高；

4、运动部件的减少，使整台制冷机加工容易，制造简单，成本低。

正是由于上述特点，保证了它能在众多高新技术领域内对目标部件或元件的冷却要求得以顺利完成，特别是符合航天和空间技术上涉及的低温红外装置所要求长寿命、高可靠性、无振动和无干涉的严格要求，是空间机械式低温制冷技术的一个重大进步，代表了空间机械制冷技术的未来和发展方向，极具发展潜能。

脉冲管制冷机的基本原理是利用高低压气体对脉冲管空腔的充放气过程而获得制冷效果。回热器的作用是累计上一次循环所得的冷量，并传递给下一次循环流入气体而使脉冲管冷端温度逐渐降低下去。其制冷过程如下：

1、压力波发生器产生的高压气体流经回热器、冷端换热器、层流化元件而以层流形式进入脉冲管，渐次推挤管内气体向封闭端移动，同时使之受到挤压，压力升高，温度上升，在脉冲管封闭端气体的温度达到最高值；

2、布置在封闭端的热端换热器将热量带走，使管内气体因放热使其温度和压力稍有降低；

3、当系统内气体位于低压气源时，脉冲管内的气体又以层状流动渐次向压力波发生器推移扩张，气体膨胀降压而获得低温；

4、然后，压力波发生器产生高压气源，再重复上述循环。

目前，大部分脉冲管制冷机的工作频率较低(1Hz～20Hz)，且需要辅助的冷却措施(水冷、风冷或其它低温冷源)，来降低压力波发生器和脉冲管热端的压缩气体的温度，从而进一步膨胀来产生低温环境和冷量。通常采用的辅助冷源是依靠外界大气自然对流和强制对流的风冷方式，或依靠外加冷却水源的水冷方式，或增加一套制冷机组等等。这些冷却方式都无一例外的都需要另外一种介质(大气、水、低温介质、制冷剂等)作为冷媒。而外围空间环境的独特性(真空环境，不存在对流换热)及对空间制冷机的体积、质量等严格要求，导致脉冲管制冷机必须解决空间辅助冷源的问题，才能满足空间实用化的要求。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种采用复合制冷方式，将“被动式”辐射制冷和“主动式”脉冲管制冷方式相耦合的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，充分地利用了辐射制冷不需依靠任何中间介质进行传热的特性，来作为冷却高温气流的冷源，使脉冲管制冷技术在空间上更加实用化。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：包括压力波发生器，压力波发生器镶嵌在辐冷板上，其特点是，辐冷板上还镶嵌有金属板，在金属板上设置有热端换热器、双向进气口和小孔口，双向进气口与压力波发生器、回热器及脉冲管热端换热器相连通，小孔口与脉冲管热端换热器及气库相连通，在金属板上还设置有相互联通的可调节的双向进气阀和小孔阀，气库通过小孔阀与脉冲管热端换热器相联通，压力波发生器和回热器通过双向进气阀与脉冲管热端换热器相联通，回热器通过冷端换热器与脉冲管相联通，脉冲管与设置在金属板上的脉冲管热端换热器相联通。

本发明的另一特点是：辐冷板上设置有与压力波发生器外圆的外径相等的内孔，压力波发生器通过焊接镶嵌在内孔内；辐冷板上还设置有与金属板相配套的内孔，金属板通过焊接镶嵌在内孔内；压力波发生器、金属板和辐冷板为一整体结构；小孔阀、双向进气阀和脉冲管热端换热器共同设置在金属板上；金属板为紫铜金属板或其它良导热性的金属材料；辐冷板采用高吸收率的蜂窝状材料或其它高吸收率的新型材料；双向进气阀和小孔阀通过细牙螺纹调节升距；双向进气阀和小孔阀上分别设置有密封圈。

本发明将小孔阀、双向进气阀和脉冲管热端换热器加工在一个紫铜块上，从而减少了系统的死容积，提高了制冷效率，同时也使制冷机的结构更加紧凑，更符合空间制冷机的结构要求。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明辐冷板11的结构示意图；

图3是本发明金属板12的结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，2，3，本发明在辐冷板11上设计有与压力波发生器1外壳的外径相等的内孔13和与金属紫铜板12配套的内孔14，辐冷板11、压力波发生器1和金属紫铜板12通过焊接的方法连成一体，从而实现用辐冷板11产生的冷量来冷却压力波发生器1、回热器2和脉冲管热端换热器5的高温气体的功能，在金属板12上设置有脉冲管热端换热器5、双向进气口9和小孔口6，这种设计减少了系统的死容积，提高了制冷效率，同时也使制冷机的结构更加紧凑，双向进气口9与压力波发生器1、回热器2及脉冲管热端换热器5相连通，小孔口6与脉管热端换热器5及气库8相连通，在金属板12上还设置有相互联通的可调节的双向进气阀10和小孔阀7，双向进气阀10和小孔阀7通过细牙螺纹调节升距，进而改变阀的流量，同时起间隙密封的作用，双向进气阀10和小孔阀7上分别设置有密封圈15和密封圈16，气库8通过小孔阀7与脉冲管热端换热器5相联通，压力波发生器1和回热器2通过双向进气阀10与脉冲管热端换热器5相联通，回热器2通过冷端换热器3与脉冲管4相联通，脉冲管4与设置在金属板12上的脉冲管热端换热器5相联通。

本发明的工作机理与脉冲管制冷机的工作机理基本相同，唯一不同的是本发明采用辐冷板11作为传统的脉冲管制冷机的冷源，即辐冷板11产生冷量来冷却压力波发生器1、回热器2和脉冲管热端换热器5及脉冲管4热端的高温气体，从而替代了传统脉冲管制冷机所普遍采用的风冷或水冷等其它辅助冷量系统。

本发明的具体工作过程如下：

1、压力波发生器1产生周期性交变的压力波动，并吸收辐冷板11产生的部分冷量，从而降低了压力波发生器1出口的气体温度；

2、当压力波发生器1处于排气状态时，压力波发生器1的气体压力要高于脉冲管4内的气体压力，从而使压力波发生器1产生的高压气体流入系统，进一步被辐冷板11冷却的金属紫铜板12所冷却，温度降低，然后，流入回热器2，在回热器2内高温气体进一步吸收上个循环存储在回热器2填料的冷量，温度进一步降低，然后，气体流过冷端换热器和层流化元件3，通过冷端换热器和层流化元件3使气体以层流形式进入脉冲管4，渐次推挤管内气体向脉冲管热端换热器5移动，同时使之受到挤压，压力升高，温度上升，在脉冲管4热端气体的温度达到最高值；

3、然后，高温气体在脉冲管热端换热器5被辐冷板11冷却的金属紫铜板12所冷却，使脉冲管4内的气体因放热使温度和压力稍有降低；

4、当压力波发生器1处于吸气状态时，压力波发生器1处于低于脉冲管4压力的低压状态，从而使脉冲管4内的气体又以层状流动渐次向压力波发生器1推移扩张，气体膨胀降压而获得低温，在脉冲管4冷端换热器和层流化元件3处气体温度达到最低并产生冷量，通常被冷却的电子元件就安装在冷端换热器和层流化元件3的部位，吸收冷端换热器3释放出的冷量而被冷却。

5、然后，低温气体继续流向压力波发生器1，当流经回热器2的时候，回热器填料被流进的低温气体进一步冷却，填料温度得以降低，低温气体温度逐渐升至正常温度；

6、最后，压力波发生器1开始压缩排气，产生高压气源，重复上述循环。

本发明是“被动式”辐射制冷与“主动式”脉冲管制冷的复合制冷方式，不需任何其它辅助的冷却装置(例如水冷、风冷、冷却机组)；通过辐射制冷来冷却压力波发生器1，一方面降低了压缩气体的温度，另一方面也降低了压力波发生器1的工作温度，进而降低功耗，从而提高了制冷机的整机效率；辐射制冷与脉冲管制冷相复合的制冷方式，将二者做成一体，满足空间应用体积小型化的要求；将辐冷板11和脉冲管热端换热器5做成整体式，减少了二者之间的导热热阻，提高了二者之间的换热效率，从而进一步提高制冷机的效率；将小孔阀7和双向进气阀10及脉冲管热端换热器5做成一整体，减少了系统的死容积，提高了系统的制冷效率；采用“被动式”的辐射制冷作为冷源，解决了外围空间近真空环境条件下，因没有对流换热而导致辅助冷却系统无法向外散热的问题；去除了其它辅助的“主动式”冷却装置，采用简单的辐射制冷方式，使系统得以简化；利用外围空间这一特殊的冷背景(约3K)，进行辐射换热，采用“被动式”的辐射制冷作为高温冷源，来冷却高温压缩气体。

本发明不仅适用于空间应用的脉冲管制冷与辐射制冷直接复合制冷机，而且还适用于空间制冷的脉冲管制冷与辐射制冷相耦合的制冷方式(包括直接接触式耦合方式和间接接触式耦合方式)或者是应用于空间制冷的与辐射制冷相复合的其它形式的脉冲管制冷机或其它制冷机，或者是应用于空间制冷的与各种形式的辐冷板结构相复合的其它制冷机，或者是将辐射制冷方式应用于冷却制冷机的其它部件(例如气库)。

本发明与现有技术相比，解决了脉冲管制冷机空间应用的附加冷源的问题，具有结构紧凑、制冷效率高等优点，满足空间实用化的要求。

Claims (9)

1、一种辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，包括压力波发生器[1]，压力波发生器[1]镶嵌在辐冷板[11]上，其特征在于：辐冷板[11]上还镶嵌有金属板[12]，在金属板[12]上设置有热端换热器[5]、双向进气口[9]和小孔口[6]，双向进气口[9]与压力波发生器[1]、回热器[2]及脉冲管热端换热器[5]相连通，小孔口[6]与脉冲管热端换热器[5]及气库[8]相连通，在金属板[12]上还设置有相互联通的可调节的双向进气阀[10]和小孔阀[7]，气库[8]通过小孔阀[7]与脉冲管热端换热器[5]相联通，压力波发生器[1]和回热器[2]通过双向进气阀[10]与脉冲管热端换热器[5]相联通，回热器[2]通过冷端换热器[3]与脉冲管[4]相联通，脉冲管[4]与设置在金属板[12]上的脉冲管热端换热器[5]相联通。

2、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的辐冷板[11]上设置有与压力波发生器[1]外圆的外径相等的内孔[13]，压力波发生器[1]通过焊接镶嵌在内孔[13]内。

3、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的辐冷板[11]上还设置有与金属板[12]相配套的内孔[14]，金属板[12]通过焊接镶嵌在内孔[14]内。

4、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的压力波发生器[1]、金属板[12]和辐冷板[11]为一整体结构。

5、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的小孔阀[7]、双向进气阀[10]和脉冲管热端换热器[5]共同设置在金属板[12]上。

6、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的金属板[12]为紫铜金属板或其它良导热性的金属材料。

7、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的辐冷板[11]采用高吸收率的蜂窝状材料或其它高吸收率的新型材料。

8、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的双向进气阀[10]和小孔阀[7]通过细牙螺纹调节升距。

9、根据权利要求1所述的辐射制冷与脉冲管制冷相复合的空间低温制冷机，其特征在于：所说的在双向进气阀[10]和小孔阀[7]上分别设置有密封圈[15]和[16]。

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