[實用新型]直線型脈沖管制冷機與紅外器件的耦合結構

有效

• 申請號: 201320362474.1
• 申請日: 2013-06-21
• 公開（公告）號: CN203533955U
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 黨海政
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本專利屬于制冷與低溫工程領域，涉及脈沖管制冷機，特別涉及一種直線型脈沖管制冷機與紅外器件的耦合結構。?

背景技術

脈沖管制冷機是對回熱式低溫制冷機的一次重大革新，它取消了廣泛應用于常規回熱式低溫制冷機（如斯特林和G-M制冷機）中的冷端排出器，而以熱端調相機構的運作來實現制冷所需的相位差。冷端運動部件的完全取消，實現了冷端的低振動、低干擾和無磨損；而經過結構和調相方式上的重要改進，在一些典型溫區，其實際效率也已經達到回熱式低溫制冷機中的最高值。這些顯著優點使得脈沖管制冷機成為20余年來低溫機械制冷機研究的一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業和低溫醫療業等方面都獲得了廣泛的應用。?

根據脈沖管與蓄冷器的相互關系不同，脈沖管制冷機可分為如下三種典型布置方式，如圖1所示：其中（1）為U型，（2）為同軸型，（3）為直線型。由圖1可以看出，三類脈沖管制冷機都主要由壓縮機、連管、蓄冷器熱端換熱器、蓄冷器、冷端換熱器、脈沖管、脈沖管熱端換熱器以及調相機構組成，其中冷端換熱器是脈沖管制冷機的應用端，與器件直接耦合。直線型布置中脈沖管和蓄冷器處于一條直線上；U型布置是指脈沖管和蓄冷器平行布置，脈沖管和蓄冷器的冷端通過管道連接；同軸型布置是指脈沖管和蓄冷器同心地布置在一起。在三種布置方式中，同軸型的結構最為緊湊，冷端換熱器與器件耦合方便，但該布置方式使得氣體在冷端換熱器折轉180°，流動阻力增大，同時引起?了較大的氣流擾動；尤其是由于脈沖管和蓄冷器沿軸向的溫度可能不匹配，將會存在較明顯的徑向導熱從而降低了制冷效率。U型布置的緊湊性不如同軸型，但蓄冷器和脈沖管不直接接觸，較之同軸型，避免了因二者軸向溫度不匹配而引起的徑向導熱損失，有利于提高制冷效率；但其氣流在冷端同樣需要180°的折返，和同軸型一樣會引起氣流擾動和不可逆損失。?

如圖1所示，脈沖管制冷機采用直線型布置方式時，脈沖管和蓄冷器處于一條直線上，氣流在冷端不需要折返，因而最大限度地降低了冷端換熱器的流動阻力，給冷端氣流以最小的擾動，因而在三種布置方式中制冷效率最高，在給定能耗時的制冷潛力最大。?

最近20余年來，對低溫紅外器件的冷卻，是脈沖管制冷機在航天領域的最大應用。特別是最近10余年來，隨著空間紅外器件對制冷機提出的要求越來越苛刻，直線型脈沖管制冷機高制冷效率和大制冷量潛力的優勢正日益受到高度重視，使得該類型脈沖管制冷機在航天領域顯示出越來越廣闊的應用前景。?

由圖1可以看出，直線型脈沖管制冷機可以大致分為四部分，即：壓縮機、連管、直線型脈沖管冷指（主要由蓄冷器熱端換熱器、蓄冷器、冷端換熱器、脈沖管、脈沖管熱端換熱器組成）以及調相機構（可以是小孔、閥門、噴嘴、慣性管、氣庫或者上述不同部件之間的組合體）。直線型脈沖管制冷機與紅外器件的耦合任務，便是如何有效地組織這四大部分，從而與紅外器件形成緊湊、可靠、高效的耦合結構。?

由圖1可以看出，脈沖管制冷機采用直線型布置時最大的缺點是由于冷端換熱器位于制冷機中部，兩端為熱端，且冷指長寬比很大，因而與器件的耦合十分不便。耦合方式不當會使得整體結構松散，可靠性降低，且漏熱急劇增大，難以發揮直線型脈沖管制冷機在應用上的優勢。實踐中常常出現的情況是，一?臺在制冷效率上堪稱優秀的直線型脈沖管制冷機，在與紅外器件耦合時，由于結構布置不當而帶來的冷損使得耦合后結構的制冷效率反而不如同軸型或U型脈沖管制冷機形成的耦合體。此外，另一個常常困擾應用實踐的問題是，長寬比很大的直線型冷指帶來了整機結構上的松散，可靠性急劇降低，這一點在特殊應用領域如航天應用實踐中是一個較為突出的問題。因而，直線型脈沖管制冷機與紅外器件的恰當耦合方式，正在逐漸成為直線型脈沖管制冷機在實用化方面的嚴重障礙，特別是在強調應用可靠性與高制冷效率的航天領域的實用化方面，直線型脈沖管制冷機與紅外器件的耦合已經逐漸成為應用實踐中的一大瓶頸。?

發明內容

有鑒于此，本專利提出一種適用于直線型脈沖管制冷機與紅外器件的耦合結構。?