[實(shí)用新型]采用聲壓放大器的多級(jí)脈管制冷機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220598196.5
• 申請(qǐng)日: 2012-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN202902684U
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王博;劉東立;王龍一;甘智華;張學(xué)軍;張小斌;汪偉偉;吳鎂;劉雨夢(mèng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): F25B9/14
• 分類號(hào): F25B9/14
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，尤其涉及一種帶有聲功放大器的深低溫脈管制冷機(jī)

背景技術(shù)

伴隨著空間探測(cè)技術(shù)在過去半個(gè)世紀(jì)中的快速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，并在航空航天、國(guó)防軍事、能源醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。低溫探測(cè)器近30年來在航空航天領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，但是更高的成像像素敏感度和像素密度也給低溫探測(cè)器的冷卻系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)，相比攜帶液氦（超流氦）杜瓦的被動(dòng)式低溫系統(tǒng)，機(jī)械式主動(dòng)制冷系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)（不受液氦冷媒攜帶量的限制）、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前世界各國(guó)均投入了大量的人力物力進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)研究。

在低溫探測(cè)領(lǐng)域中大部分的低溫探測(cè)器工作在液氦溫區(qū)和更低的溫度，而且更低溫區(qū)（mK級(jí)溫區(qū)）的獲得需要液氦溫區(qū)提供預(yù)冷，所以液氦溫區(qū)高效機(jī)械式制冷技術(shù)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。與G-M制冷機(jī)、逆布雷頓制冷機(jī)以及斯特林制冷機(jī)等相比，脈管制冷機(jī)在冷端沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、機(jī)械振動(dòng)小、可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是非常適合空間應(yīng)用的理想機(jī)型。但是由于液氦溫區(qū)的制冷機(jī)理和損失機(jī)理尚未完全掌握，目前高頻脈管制冷機(jī)仍很難到達(dá)液氦溫度，只有美國(guó)Lockheed?Martin公司使用四級(jí)結(jié)構(gòu)到達(dá)液氦溫區(qū)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。

經(jīng)過預(yù)冷型單級(jí)高頻脈管制冷機(jī)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，限制高頻脈管制冷機(jī)高效獲得液氦溫區(qū)的主要原因是由于液氦溫區(qū)級(jí)回?zé)崞鞯臏囟瓤缍却螅◤?00K至4K），從而導(dǎo)致回?zé)崞鞯膲毫p失遠(yuǎn)較高溫級(jí)回?zé)崞鞔螅M(jìn)而使液氦溫區(qū)級(jí)回?zé)崞鞯睦涠藟罕绕。涠藟罕仁敲}管制冷機(jī)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，大的壓比意味著更大的做功能力，所以對(duì)高頻脈管制冷機(jī)而言，高效地獲得液氦溫區(qū)的關(guān)鍵是如何獲得較大的冷端壓比。采用回?zé)崞髂M軟件REGEN對(duì)液氦溫區(qū)回?zé)崞髯詈笠患?jí)的模擬結(jié)果表明，當(dāng)冷端溫度定為4K，在特定尺寸、回?zé)岵牧虾洼^低的充氣壓力條件下(一般為0.5-1.0MPa)，其熱端溫度隨著回?zé)崞骼涠藟罕鹊脑龃蠖@著提高，熱端溫度的提高意味著可以在更高的溫區(qū)為其提供預(yù)冷，減輕了對(duì)預(yù)冷級(jí)的性能要求，計(jì)算結(jié)果還表明當(dāng)采用氦-4為工質(zhì)，冷端壓比為1.4時(shí)，其熱端溫度接近40K，這是當(dāng)前單級(jí)和兩級(jí)高頻脈管制冷機(jī)可以較為輕松獲得的溫區(qū)，所以若采用合適的結(jié)構(gòu)能夠使液氦溫區(qū)回?zé)崞鞯睦涠双@得1.4甚至更高的壓比，則采用三級(jí)甚至是兩級(jí)的結(jié)構(gòu)便可以高效地獲得液氦溫區(qū)。同時(shí)對(duì)氦氣的熱物理性質(zhì)分析得出：氦氣的粘度隨著溫度的降低而顯著降低，即回?zé)崞鞯膲毫p失主要發(fā)生在300-80K的高溫段，而在低溫下幾乎可以無損的傳過回?zé)崞鳌?/p>

為降低回?zé)崞髦械膲毫p失和熱量損失，申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710098933.9的專利文獻(xiàn)公開了熱耦合多級(jí)脈沖管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈沖管制冷機(jī)和低溫脈沖管制冷機(jī)；還包括連接于所述低溫脈沖管制冷機(jī)的低溫脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞骱偷蜏孛}沖管制冷機(jī)室溫?fù)Q熱器之間的低溫脈沖管制冷機(jī)熱緩沖管；所述預(yù)冷脈沖管制冷機(jī)的預(yù)冷脈沖管制冷機(jī)冷頭通過一熱橋與所述低溫脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鞯目拷龅蜏孛}沖管制冷機(jī)熱緩沖管的一端相連。該熱耦合多級(jí)脈沖管制冷機(jī)采用熱緩沖管連接低溫脈沖管制冷機(jī)的室溫?fù)Q熱器和回?zé)崞鳎瑴p少了其回?zé)崞鞯目傞L(zhǎng)度，因此可以減少回?zé)崞鲀?nèi)的壓力損失和導(dǎo)熱損失，提高制冷機(jī)效率，獲得更低的制冷溫度。

但是上述熱耦合多級(jí)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間較大，且冷端壓比仍然相對(duì)較低，無法得到更低的制冷溫區(qū)。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型提供了一種采用聲壓放大器的多級(jí)脈管制冷機(jī)，通過對(duì)脈管制冷機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能夠獲得較大的冷端壓比，在提高工作效率的同時(shí)，使得脈管制冷機(jī)能夠向更低溫區(qū)延伸。

脈管制冷機(jī)按照耦合方式不同分為氣耦合和熱耦合，為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，分別在氣耦合和熱耦合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出兩種技術(shù)方案，其中第一種技術(shù)方案采用熱耦合，第二種方案采用氣耦合。雖然兩種耦合方式不同，但是本實(shí)用新型的總體思路均是為增加脈管制冷機(jī)單元冷端壓比，在提高工作效率的同時(shí)，使得脈管制冷機(jī)能得向更低溫區(qū)延伸，屬于同一發(fā)明構(gòu)思。

第一種技術(shù)方案為：一種采用聲壓放大器的多級(jí)脈管制冷機(jī)，包括預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元，所述低溫脈管制冷機(jī)單元的回?zé)崞靼A(yù)冷段回?zé)崞骱偷蜏囟位責(zé)崞鳎鲱A(yù)冷段的出口端與低溫段進(jìn)口端之間通過聲壓放大器連通；所述預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元和低溫脈管制冷機(jī)單元之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機(jī)單元的冷端和所述聲壓放大器之間的熱橋進(jìn)行熱耦合，該熱橋同時(shí)與所述預(yù)冷段回?zé)崞骱偷蜏囟位責(zé)崞飨噙B。