專利名稱：多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及空間用低溫區(qū)制冷系統(tǒng)，尤其涉及極低溫區(qū)多路旁通型脈沖管制 冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，用于冷卻紅外探測器和高溫超導(dǎo)器件的小型、微型低 溫制冷機(jī)的研究引起了各國學(xué)者的極大興趣。一些衛(wèi)星的有效載荷，特別是高精度的遙感 設(shè)備如紅外望遠(yuǎn)鏡、紅外敏感器的焦平面和鏡片以及無線電接收器的低噪音放大器等均需 要在低于IOK的背景溫度下工作，以減小背景熱噪聲干擾，從而提高探測精度。制冷溫區(qū)在 IOK以下的制冷機(jī)在空間技術(shù)上有著明確的應(yīng)用背景，目前這一溫區(qū)的實現(xiàn)主要是利用斯 特林制冷機(jī)。然而，在這種溫區(qū)工作的器件通常對振動、電磁干擾和壽命都有嚴(yán)格的要求， 而這些要求恰是低溫端采用固體活塞的斯特林制冷機(jī)無法克服的難點。相比之下，脈沖管 制冷機(jī)的振動小、電磁干擾小和壽命長等優(yōu)勢顯著體現(xiàn)出來。為了達(dá)到較低的制冷溫度，脈 沖管制冷機(jī)一般采用多級結(jié)構(gòu)。例如，按照各級脈沖管的級間連接方式區(qū)分，多級脈沖管制 冷機(jī)有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種布置方式；而按照回?zé)崞鞯募夐g方式可以分為氣耦合型和熱耦 合型兩種。周遠(yuǎn)等人于1992年提出了一種多路旁通結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最初使一臺單級脈沖管制 冷機(jī)的無負(fù)荷制冷溫度從59K下降到33K。由于其在強(qiáng)化脈沖管制冷機(jī)性能上的有效性， 加之結(jié)構(gòu)緊湊而被美國航空航天局(NASA)作為空間應(yīng)用脈沖管制冷機(jī)的重點研究方向之 一。LMATC在1999年報道了基于多路旁通結(jié)構(gòu)的高頻二級脈沖管制冷機(jī)，第一級和第二級 的無負(fù)荷制冷溫度分別達(dá)到48K和23K。最近幾年，在探索35K溫區(qū)工作的高頻脈沖管制冷 機(jī)的合適方式方面，研究人員發(fā)現(xiàn)多路旁通有一定的優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了滿足我國 需要的實用型35K多路旁通脈沖管制冷機(jī)樣機(jī)，單級從室溫已經(jīng)達(dá)到了 25K以下的低溫。但是，上述的多路旁通型的高頻脈沖管制冷機(jī)都是將熱端放在常溫環(huán)境中，在這 種條件下，將多路旁通型脈沖管制冷機(jī)從常溫降到IOK以下是非常困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于制造并且能夠達(dá)到極低溫區(qū)的多路旁通 型脈沖管制冷系統(tǒng)。為此，本發(fā)明提供一種多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，包括多路旁通型脈沖管制冷 機(jī)，該制冷機(jī)具有依次流體連通的壓力波發(fā)生器、蓄冷器、熱端換熱器、回?zé)崞骱屠涠藫Q熱 器、以及與熱端換熱器流體連通的調(diào)相機(jī)構(gòu)，還具有通過多路旁通元件與該回?zé)崞髁黧w連 通的脈沖管，該脈沖管設(shè)置在熱端換熱器和冷端換熱器之間，其中，該制冷系統(tǒng)還包括預(yù)冷 系統(tǒng)，該預(yù)冷系統(tǒng)具有通過傳冷機(jī)構(gòu)與該多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的熱端換熱器相耦合的 冷端，該調(diào)相機(jī)構(gòu)的至少一部分與該傳冷機(jī)構(gòu)緊密接觸，以對該熱端換熱器進(jìn)行預(yù)冷，進(jìn)而 使多路旁通型制冷系統(tǒng)實現(xiàn)極低溫制冷。
3
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，傳冷機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成板狀結(jié)構(gòu)，例如可以由銅板制成，其主 要作用是將預(yù)冷系統(tǒng)冷端的冷量傳遞到多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的熱端換熱器。當(dāng)然，其 它任何合適的結(jié)構(gòu)形式也是可行的，例如可以采取網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個實施方案中，預(yù)冷系統(tǒng)為脈沖管制冷機(jī)。預(yù)冷系統(tǒng)的冷端(冷端 換熱器)通過傳冷機(jī)構(gòu)與多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的熱端換熱器相耦合，當(dāng)預(yù)冷系統(tǒng)單獨 工作時，傳冷機(jī)構(gòu)的溫度例如穩(wěn)定在60K左右，當(dāng)預(yù)冷系統(tǒng)和多路旁通型制冷機(jī)同時工作 時，傳冷機(jī)構(gòu)的溫度穩(wěn)定在80K左右，即多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的熱端換熱器溫度穩(wěn)定 為80K左右，從而使來自壓力波發(fā)生器的交變流動工質(zhì)在經(jīng)過熱端換熱器時被冷卻到該溫 度。另外，預(yù)冷系統(tǒng)也可以為輻射制冷機(jī)。應(yīng)當(dāng)明白，可以采用任何合適的制冷裝置作為上 述預(yù)冷系統(tǒng)。按照本發(fā)明的多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的一個實施方案，回?zé)崞髋c脈沖管以同軸 且回?zé)崞鲊@脈沖管的方式布置，它們通過多路旁通元件彼此流體連通。進(jìn)一步地，回?zé)崞?由直徑不同的兩段或多段構(gòu)成，同時脈沖管也由直徑不同的兩段或多段構(gòu)成，從而構(gòu)成兩 級或多級制冷。在另一個方案中，回?zé)崞骱兔}沖管布置成U形并通過多路旁通元件彼此流體連 通。和前一個方案類似，回?zé)崞骱兔}沖管也可分別由直徑不同的兩段或多段構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，調(diào)相機(jī)構(gòu)包括與熱端換熱器依次流體連通的慣性管 和氣庫，其中氣庫與例如板狀的傳冷機(jī)構(gòu)緊密接觸并由其支承。在此情況下，氣庫溫度和傳 冷機(jī)構(gòu)溫度一致。另外，設(shè)置調(diào)相機(jī)構(gòu)是為了調(diào)節(jié)壓力波和質(zhì)量流之間的相位，使制冷機(jī)獲 得更好的制冷性能。在本發(fā)明中，多路旁通元件可以為小孔機(jī)構(gòu)，也可以為閥門機(jī)構(gòu)?？梢韵氲剑梢?使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的任何合適的機(jī)構(gòu)用作多路旁通元件。另外，回?zé)崞骱兔}沖管可 以均為薄壁管，其由金屬或非金屬制成。在根據(jù)本發(fā)明的多路旁通型制冷系統(tǒng)運(yùn)行時，來自壓力波發(fā)生器的交變工質(zhì)首先 在蓄冷器中進(jìn)行預(yù)冷，然后經(jīng)過熱端換熱器進(jìn)入回?zé)崞鳌．?dāng)工質(zhì)在回?zé)崞髦羞\(yùn)動到多路旁 通元件處時，工質(zhì)被分成兩部分，一部分工質(zhì)進(jìn)入靠近熱端換熱器的脈沖管，產(chǎn)生制冷效 應(yīng)，使多路旁通元件處的溫度穩(wěn)定在40K左右；而另一部分工質(zhì)進(jìn)入下一段回?zé)崞?，吸收?熱器中的冷量后再進(jìn)入靠近冷端換熱器的脈沖管，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，從而使冷端換熱器處的 溫度降低到大約10K。根據(jù)本發(fā)明的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)不僅具有簡單結(jié)構(gòu)，而且容易實現(xiàn)和加 工，由于采用了預(yù)冷系統(tǒng)，所以多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的制冷溫度能夠達(dá)到大約IOK的 極低溫，適合于空間應(yīng)用。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)的另一個實施例的結(jié)構(gòu)示 意圖。
4
附圖標(biāo)記一覽表1-壓力波發(fā)生器；2-蓄冷器；3-熱端換熱器；4-回?zé)崞鳎?-多路旁通元件；6_脈 沖管；7-冷端換熱器；8-氣庫；9-傳冷機(jī)構(gòu)；10-慣性管；12-壓力波發(fā)生器；13-熱端換熱 器；14-回?zé)崞鳎?5-脈沖管；16-慣性管；17-冷端；18-氣庫。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)的一個實施例，該制冷系統(tǒng) 由多路旁通型脈沖管制冷機(jī)A和預(yù)冷系統(tǒng)B耦合而成。如圖所示，多路旁通型脈沖管制冷 機(jī)包括依次流體連通的壓力波發(fā)生器1、蓄冷器2、熱端換熱器3、回?zé)崞?和冷端換熱器7， 還包括套裝在回?zé)崞?中通過多路旁通元件5與之相連通的脈沖管6，該脈沖管布置在熱、 冷端換熱器之間。另外，該多路旁通型脈沖管制冷機(jī)還設(shè)有與熱端換熱器3流體連通的慣 性管10和氣庫8。在此實施例中，回?zé)崞骱兔}沖管均為兩段結(jié)構(gòu)并同軸布置，回?zé)崞鞯膬啥?分別為直徑不同的第一回?zé)崞?a和第二回?zé)崞?b，脈沖管6的兩段分別為直徑不同的第一 脈沖管6a和第二脈沖管6b。在此實施例中，多路旁通元件5為小孔機(jī)構(gòu)，其上設(shè)有不同直 徑或相同直徑的小孔，小孔的直徑和數(shù)量可根據(jù)制冷機(jī)內(nèi)部的壓力和流量分配。本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)該想到，多路旁通元件5采用閥門機(jī)構(gòu)也是可行的，并且其可以由銅、不銹鋼、聚 四氟乙烯等材料制成。在這里，設(shè)置蓄冷器2的作用是，由于從壓力波發(fā)生器出來的工質(zhì)的溫度較高，所 以如果其直接進(jìn)入回?zé)崞?，則冷量損失特別大，從而導(dǎo)致制冷機(jī)效率降低，為此，增加蓄冷 器將有利于減小熱損失。并且，根據(jù)實際的需要，可去掉蓄冷器2和熱端換熱器3之間的連 管，使蓄冷器2直接和回?zé)崞?連接起來，組成一個新的回?zé)崞?。為了使制冷系統(tǒng)獲得極低的制冷溫度例如IOK或更低，制冷系統(tǒng)設(shè)有預(yù)冷系統(tǒng)B。 在此實施例中，預(yù)冷系統(tǒng)為脈沖管制冷機(jī)。如圖1和圖2所示，預(yù)冷用脈沖管制冷機(jī)為現(xiàn)有 技術(shù)中常用的類型，其包括流體連通的壓力波發(fā)生器12、熱端換熱器13、回?zé)崞?4、脈沖管 15和冷端換熱器即冷端17、以及與熱端換熱器13流體連通的慣性管16和氣庫18。預(yù)冷用 脈沖管制冷機(jī)的冷端換熱器17通過傳冷機(jī)構(gòu)9與多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的熱端換熱器 3相耦合，并且氣庫8與傳冷機(jī)構(gòu)9緊密接觸并由其支承，從而實現(xiàn)對氣庫8和熱端換熱器 3的預(yù)冷，預(yù)冷溫度可達(dá)到例如大約80K。在這種情況下，多路旁通型制冷機(jī)的熱端換熱器、 慣性管和氣庫以及傳冷機(jī)構(gòu)的溫度均處于溫度為上述預(yù)冷溫度的低溫環(huán)境中。在脈沖管制冷機(jī)中，工質(zhì)流動為交變流動，在壓力波和工質(zhì)流之間存在一個相位 角。為了調(diào)節(jié)壓力波和質(zhì)量流之間的相位，與熱端換熱器流體連通的慣性管10和氣庫8構(gòu) 成調(diào)相機(jī)構(gòu)，使得脈沖管制冷機(jī)可以獲得更好的制冷性能。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解，在本發(fā)明中，調(diào)相機(jī)構(gòu)也可以為純慣性管，或是慣性管、小孔和氣庫的組合。在圖1示出的多路旁通型制冷機(jī)的兩段式結(jié)構(gòu)中，第一脈沖管6a的直徑大于第二 脈沖管6b的直徑，同時第一回?zé)崞?a的直徑大于第二回?zé)崞?b的直徑。本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)理解，脈沖管和回?zé)崞骺梢苑謩e具有相同或不同的直徑，可以為一體的或者分成若干 段。另外，回?zé)崞饕部梢赃x擇相同或者不同的蓄冷材料，蓄冷材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知 的。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，為了獲得想要的極低溫度，預(yù)冷用脈沖管制冷機(jī)通過傳冷機(jī)構(gòu)9將多路旁通脈沖管制冷機(jī)的熱端換熱器3冷卻到80K左右。在壓力波發(fā)生器1 通過線性電動機(jī)驅(qū)動的情況下，交變流動的工質(zhì)通過蓄冷器2，吸收蓄冷器內(nèi)部的冷量，使 得工質(zhì)溫度降低后進(jìn)入第一回?zé)崞?a，并進(jìn)一步吸收該回?zé)崞?a內(nèi)部的冷量。當(dāng)工質(zhì)流動 到多路旁通部件5時，該工質(zhì)分成兩部分，其中一部分工質(zhì)通過多路旁通部件5上的小孔直 接進(jìn)入第一脈沖管6a中，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，使多路旁通元件5處的溫度降低到例如大約40K， 而另一部分工質(zhì)進(jìn)入第二回?zé)崞?b并且吸收第二回?zé)崞髦械睦淞?，溫度進(jìn)一步降低后，流 過冷端換熱器7并進(jìn)入第二脈沖管6b，在第一脈沖管6b中壓縮膨脹產(chǎn)生制冷效應(yīng)，從而使 冷端換熱器7處的溫度降低至大約10K。圖2示出了多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)的另一個實施例，其中回?zé)崞骱兔}沖管布 置成U形。在本實施例中，預(yù)冷系統(tǒng)B與上一實施例中的完全相同，也為脈沖管制冷機(jī)。在 本實施例中，多路旁通型脈沖管制冷機(jī)A包括依次流體連通的壓力波發(fā)生器1、蓄冷器2、熱 端換熱器3、回?zé)崞?、冷端換熱器7和脈沖管6，脈沖管6布置在熱、冷端換熱器的之間，并 且回?zé)崞?和脈沖管6在中間位置處通過多路旁通元件5相連通。在這里，多路旁通型脈 沖管制冷機(jī)A的熱端換熱器3通過傳冷機(jī)構(gòu)9與預(yù)冷系統(tǒng)的的冷端(冷端換熱器)17緊密 華禹合。在該制冷系統(tǒng)運(yùn)行時，預(yù)冷系統(tǒng)B通過傳冷機(jī)構(gòu)9將多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的 熱端換熱器冷卻到例如大約80K。在壓力波發(fā)生器1被線性電動機(jī)驅(qū)動之下，交變工質(zhì)流過 蓄冷器2，吸收蓄冷器2內(nèi)部的冷量，在使工質(zhì)溫度降低后進(jìn)入回?zé)崞?內(nèi)，進(jìn)一步吸收該回 熱器內(nèi)部的冷量。當(dāng)工質(zhì)流動到多路旁通部件5時，工質(zhì)被分成兩部分，其中一部分工質(zhì)通 過多路旁通元件5直接進(jìn)入脈沖管6，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，使多路旁通元件5附近的溫度穩(wěn)定在 例如大約40K，而另一部分工質(zhì)流過冷端換熱器7，進(jìn)入脈沖管6，并在脈沖管中產(chǎn)生制冷效 果，從而使冷端換熱器7的溫度降低至大約10K，甚至更低。在本發(fā)明中，蓄冷器和回?zé)崞鞯闹睆胶烷L度、以及蓄冷材料的選擇可根據(jù)多路旁 通型脈沖管制冷機(jī)的壓力波幅值的大小發(fā)生變化。另外，所采用的制冷工質(zhì)可以為無毒、無 污染且不可燃的氣體，包括但不限于氦3、氦4及其混合氣體。在上述實施例中，制冷系統(tǒng)為預(yù)冷_制冷兩級制冷。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，根 據(jù)實際需要，也可以采用兩級以上的制冷。上述實施例僅是對實施本發(fā)明的方式的示例性說明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該 理解，在不超出后附權(quán)利要求書所限定的范圍和精神的前提下，可采用不同于上述本發(fā)明 實施例的特征或手段。后附的權(quán)利要求書旨在用來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，并想要涵蓋落 于該權(quán)利要求范圍內(nèi)的任何等同和變化。
權(quán)利要求
一種多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，包括多路旁通型脈沖管制冷機(jī)(A)，該制冷機(jī)具有依次流體連通的壓力波發(fā)生器(1)、蓄冷器(2)、熱端換熱器(3)、回?zé)崞?4)和冷端換熱器(7)，以及與該熱端換熱器(3)流體連通的調(diào)相機(jī)構(gòu)，還具有通過多路旁通元件(5)與該回?zé)崞髁黧w連通的脈沖管(6)，該脈沖管設(shè)置在該熱端換熱器和該冷端換熱器之間，其特征在于，該制冷系統(tǒng)還包括預(yù)冷系統(tǒng)(B)，該預(yù)冷系統(tǒng)具有通過傳冷機(jī)構(gòu)(9)與該多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的該熱端換熱器(3)相耦合的冷端(17)，該調(diào)相機(jī)構(gòu)的至少一部分與該傳冷機(jī)構(gòu)(9)緊密接觸，以對該熱端換熱器(3)進(jìn)行預(yù)冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該預(yù)冷系統(tǒng)(B)為 脈沖管制冷機(jī)或輻射制冷機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該傳冷機(jī)構(gòu)(9)構(gòu) 造成板狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，該調(diào)相機(jī)構(gòu)包括與該熱端換熱 器(3)依次流體連通的慣性管(10)和氣庫(8)，該氣庫(8)與板狀的該傳冷機(jī)構(gòu)(9)緊密 接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該回 熱器(4)和該脈沖管(6)以同軸且該回?zé)崞鲊@該脈沖管的方式布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該回?zé)崞?4)和該 脈沖管(6)均由直徑不同的兩段或多段構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該回 熱器(4)和該脈沖管(6)布置成U形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該多路旁通元件 (5)為小孔機(jī)構(gòu)或閥門機(jī)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，其特征在于，該傳冷機(jī)構(gòu)(9)構(gòu) 造成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多路旁通型脈沖管制冷系統(tǒng)，包括多路旁通型脈沖管制冷機(jī)(A)，該制冷機(jī)具有依次流體連通的壓力波發(fā)生器(1)、蓄冷器(2)、熱端換熱器(3)、回?zé)崞?4)和冷端換熱器(7)、以及與熱端換熱器(3)流體連通的調(diào)相機(jī)構(gòu)，還具有通過多路旁通元件(5)與該回?zé)崞髁黧w連通的脈沖管(6)，脈沖管設(shè)置在熱端換熱器和冷端換熱器之間，其中，該制冷系統(tǒng)還包括預(yù)冷系統(tǒng)(B)，該預(yù)冷系統(tǒng)具有通過傳冷機(jī)構(gòu)(9)與該多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的該熱端換熱器(3)相耦合的冷端(17)，該調(diào)相機(jī)構(gòu)的至少一部分與該傳冷機(jī)構(gòu)(9)緊密接觸，以對該熱端換熱器(3)進(jìn)行預(yù)冷。這種制冷系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)和加工，并采用預(yù)冷系統(tǒng)，使多路旁通型脈沖管制冷機(jī)的制冷溫度達(dá)到大約10K的極低溫，適合于空間應(yīng)用。
文檔編號F25B41/00GK101963410SQ20091008979
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者劉彥杰, 楊魯偉, 梁驚濤 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所