[發明專利]慣性管型兩級高頻脈管制冷機級間最佳連接位置設計方法

在審

• 申請號: 201410546723.1
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104462746A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 黨海政;譚軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;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

本發明涉及制冷與低溫工程領域，特別涉及一種慣性管型兩級高頻脈管制冷機級間最佳連接位置的設計方法。

背景技術

脈管制冷機是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，實現了冷端的低振動、低干擾和無磨損；而經過結構優化和調相方式上的重要改進，在典型溫區，其實際效率也已達到回熱式低溫制冷機的最高值。這些顯著優點使得脈管制冷機成為近30年來低溫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。

根據驅動壓縮機的不同，又將脈管制冷機分為由直線壓縮機驅動的高頻脈管制冷機和由G-M型壓縮機驅動的低頻脈管制冷機兩種。航天及軍事等領域應用的脈管制冷機，因為對重量和體積有著非常嚴格的限制，一般都采用輕量化高頻運轉的直線壓縮機，壓縮機的工作頻率通常都在30Hz以上。由直線壓縮機驅動的高頻脈管制冷機由于結構緊湊、重量輕、體積小、效率高、運轉可靠、預期壽命長等突出優點，已逐漸成為航天紅外設備冷卻的最熱門機型之一。

壓力波和質量流之間的相位差是回熱式低溫制冷機產生制冷效應的關鍵參數。在脈管制冷機中，實現壓力波和質量流之間的相位差的相位調節方式有多種，如小孔、氣庫、雙向進氣、多路旁通、對稱噴嘴和非對稱噴嘴等等，而20世紀90年代中期發展起來的慣性管則因為調相范圍寬、效率高、潛力大、性能穩定可靠等突出優點，后來居上，目前已成為脈管制冷機相位調節方式的主流形式；特別是在強調性能穩定可靠的航空航天及軍事領域，使用慣性管調相的慣性管型高頻脈管制冷機更占到絕對主流地位。

脈管制冷機根據使用溫區和應用對象的不同，還可以分為單級、兩級乃至多級脈管制冷機。兩級脈管制冷機的使用范圍很廣，僅以航天遙感遙測系統中的應用而言，如不同類型的紅外探測器和光學器件工作在不同溫區，對冷量的要求也大小不一。如某些甚長波紅外探測器需工作在35K以下乃至20K以下的溫區，單級高頻脈管制冷機難以在該溫區高效工作，一般都需采用兩級結構。另外，在一些需要同時提供兩個制冷溫度的應用中，如同時冷卻兩個不同類型探測器，或者同時冷卻探測器和光學系統的應用等等，兩級高頻脈管制冷機都具有明顯的應用優勢。在脈管制冷機技術發展十分成熟的美國，近年來已經有多臺慣性管型兩級高頻脈管制冷機進入航天任務中。

影響慣性管型兩級高頻脈管制冷機制冷性能的因素很多，不僅包括蓄冷器、脈管以及換熱器等的材料和尺寸，同時，整個制冷機的總體結構布置也會對制冷性能產生較大影響。這其中，因為第二級的溫度較低，影響更為明顯。總體結構布置主要包括：每個單級的布置結構，低溫級的散熱布置，級間的耦合方式以及級間的連接位置等等。從已公開的文獻來看，關于慣性管型兩級高頻脈管制冷機外部結構布置的研究主要針對單級結構、低溫級的散熱布置以及級間耦合方式，對于級間連接位置對慣性管型兩級高頻脈管制冷機制冷性能影響的理論與實驗研究都甚少涉及。有學者曾針對小孔調相型的兩級脈管制冷機級間不同連接位置進行過相關研究，在假設蓄冷器中的軸向熱傳導損失為脈管制冷機中唯一損失的前提下，發現級間不同連接位置會對第二級最大制冷量和最低制冷溫度產生重大影響。部分航天脈管制冷機的研發及生產單位對慣性管型兩級高頻脈管制冷機級間不同連接位置進行過相關的實驗研究，出于技術保密等原因，并未公開發表過相關的研究成果。

近年來，中國單級高頻脈管制冷技術也獲得了長足進步，并已開始向空間實用化發展，但對于慣性管型兩級高頻脈管制冷機的研究仍然較少，特別是針對于慣性管型兩級高頻脈管制冷機級間最優連接位置的研究仍為空白。

發明內容

鑒于現有技術的不足，本發明提出一種慣性管型兩級高頻脈管制冷機級間最佳連接位置設計方法。

本發明的目的在于，提供了一種慣性管型兩級高頻脈管制冷機級間最佳連接位置的設計方法。通過該設計方法可合理的設計兩級高頻脈管制冷機級間的最優連接位置，優化制冷機的級間布置方法，從而最大限度地降低因級間連接帶來的制冷機不可逆損失，大幅度提高慣性管型兩級高頻脈管制冷機的制冷性能。該設計方法包括以下步驟：