[實用新型]采用聲壓放大器的多級脈管制冷機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220598196.5
• 申請日: 2012-11-13
• 公開（公告）號: CN202902684U
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）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
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

伴隨著空間探測技術(shù)在過去半個世紀中的快速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)取得了顯著的技術(shù)進步，并在航空航天、國防軍事、能源醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。低溫探測器近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）杜瓦的被動式低溫系統(tǒng)，機械式主動制冷系統(tǒng)具有壽命長（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，成為當前研究的熱點和難點，目前世界各國均投入了大量的人力物力進行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)研究。

在低溫探測領(lǐng)域中大部分的低溫探測器工作在液氦溫區(qū)和更低的溫度，而且更低溫區(qū)（mK級溫區(qū)）的獲得需要液氦溫區(qū)提供預(yù)冷，所以液氦溫區(qū)高效機械式制冷技術(shù)成為當前研究的重點和難點。與G-M制冷機、逆布雷頓制冷機以及斯特林制冷機等相比，脈管制冷機在冷端沒有運動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機械振動小、可靠性高和壽命長等優(yōu)點，是非常適合空間應(yīng)用的理想機型。但是由于液氦溫區(qū)的制冷機理和損失機理尚未完全掌握，目前高頻脈管制冷機仍很難到達液氦溫度，只有美國Lockheed?Martin公司使用四級結(jié)構(gòu)到達液氦溫區(qū)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。

經(jīng)過預(yù)冷型單級高頻脈管制冷機的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，限制高頻脈管制冷機高效獲得液氦溫區(qū)的主要原因是由于液氦溫區(qū)級回?zé)崞鞯臏囟瓤缍却螅◤?00K至4K），從而導(dǎo)致回?zé)崞鞯膲毫p失遠較高溫級回?zé)崞鞔螅M而使液氦溫區(qū)級回?zé)崞鞯睦涠藟罕绕。涠藟罕仁敲}管制冷機中一個非常重要的參數(shù)，大的壓比意味著更大的做功能力，所以對高頻脈管制冷機而言，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對液氦溫區(qū)回?zé)崞髯詈笠患壍哪M結(jié)果表明，當冷端溫度定為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，減輕了對預(yù)冷級的性能要求，計算結(jié)果還表明當采用氦-4為工質(zhì)，冷端壓比為1.4時，其熱端溫度接近40K，這是當前單級和兩級高頻脈管制冷機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，則采用三級甚至是兩級的結(jié)構(gòu)便可以高效地獲得液氦溫區(qū)。同時對氦氣的熱物理性質(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?zhí)枮镃N200710098933.9的專利文獻公開了熱耦合多級脈沖管制冷機，包括預(yù)冷脈沖管制冷機和低溫脈沖管制冷機；還包括連接于所述低溫脈沖管制冷機的低溫脈沖管制冷機回?zé)崞骱偷蜏孛}沖管制冷機室溫換熱器之間的低溫脈沖管制冷機熱緩沖管；所述預(yù)冷脈沖管制冷機的預(yù)冷脈沖管制冷機冷頭通過一熱橋與所述低溫脈沖管制冷機回?zé)崞鞯目拷龅蜏孛}沖管制冷機熱緩沖管的一端相連。該熱耦合多級脈沖管制冷機采用熱緩沖管連接低溫脈沖管制冷機的室溫換熱器和回?zé)崞鳎瑴p少了其回?zé)崞鞯目傞L度，因此可以減少回?zé)崞鲀?nèi)的壓力損失和導(dǎo)熱損失，提高制冷機效率，獲得更低的制冷溫度。

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

實用新型內(nèi)容

本實用新型提供了一種采用聲壓放大器的多級脈管制冷機，通過對脈管制冷機內(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，使得脈管制冷機能夠向更低溫區(qū)延伸。

脈管制冷機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，本實用新型通過對現(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，但是本實用新型的總體思路均是為增加脈管制冷機單元冷端壓比，在提高工作效率的同時，使得脈管制冷機能得向更低溫區(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脈管制冷機，包括預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元，所述低溫脈管制冷機單元的回?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口端之間通過聲壓放大器連通；所述預(yù)冷脈管制冷機單元和低溫脈管制冷機單元之間通過連接在預(yù)冷脈管制冷機單元的冷端和所述聲壓放大器之間的熱橋進行熱耦合，該熱橋同時與所述預(yù)冷段回?zé)崞骱偷蜏囟位責(zé)崞飨噙B。