[发明专利]直线型脉冲管制冷机与红外器件的耦合结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于制冷与低温工程领域，涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种直线型脉冲管制冷机与红外器件的耦合结构及制造方法。

背景技术

脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，它取消了广泛应用于常规回热式低温制冷机（如斯特林和G-M制冷机）中的冷端排出器，而以热端调相机构的运作来实现制冷所需的相位差。冷端运动部件的完全取消，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构和调相方式上的重要改进，在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式低温制冷机中的最高值。这些显著优点使得脉冲管制冷机成为20余年来低温机械制冷机研究的一大热门，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。

根据脉冲管与蓄冷器的相互关系不同，脉冲管制冷机可分为如下三种典型布置方式，如图1所示：其中（1）为U型，（2）为同轴型，（3）为直线型。由图1可以看出，三类脉冲管制冷机都主要由压缩机、连管、蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷端换热器、脉冲管、脉冲管热端换热器以及调相机构组成，其中冷端换热器是脉冲管制冷机的应用端，与器件直接耦合。直线型布置中脉冲管和蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉冲管和蓄冷器平行布置，脉冲管和蓄冷器的冷端通过管道连接；同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心地布置在一起。在三种布置方式中，同轴型的结构最为紧凑，冷端换热器与器件耦合方便，但该布置方式使得气体在冷端换热器折转180°，流动阻力增大，同时引起了较大的气流扰动；尤其是由于脉冲管和蓄冷器沿轴向的温度可能不匹配，将会存在较明显的径向导热从而降低了制冷效率。U型布置的紧凑性不如同轴型，但蓄冷器和脉冲管不直接接触，较之同轴型，避免了因二者轴向温度不匹配而引起的径向导热损失，有利于提高制冷效率；但其气流在冷端同样需要180°的折返，和同轴型一样会引起气流扰动和不可逆损失。

如图1所示，脉冲管制冷机采用直线型布置方式时，脉冲管和蓄冷器处于一条直线上，气流在冷端不需要折返，因而最大限度地降低了冷端换热器的流动阻力，给冷端气流以最小的扰动，因而在三种布置方式中制冷效率最高，在给定能耗时的制冷潜力最大。

最近20余年来，对低温红外器件的冷却，是脉冲管制冷机在航天领域的最大应用。特别是最近10余年来，随着空间红外器件对制冷机提出的要求越来越苛刻，直线型脉冲管制冷机高制冷效率和大制冷量潜力的优势正日益受到高度重视，使得该类型脉冲管制冷机在航天领域显示出越来越广阔的应用前景。

由图1可以看出，直线型脉冲管制冷机可以大致分为四部分，即：压缩机、连管、直线型脉冲管冷指（主要由蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷端换热器、脉冲管、脉冲管热端换热器组成）以及调相机构（可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体）。直线型脉冲管制冷机与红外器件的耦合任务，便是如何有效地组织这四大部分，从而与红外器件形成紧凑、可靠、高效的耦合结构。

由图1可以看出，脉冲管制冷机采用直线型布置时最大的缺点是由于冷端换热器位于制冷机中部，两端为热端，且冷指长宽比很大，因而与器件的耦合十分不便。耦合方式不当会使得整体结构松散，可靠性降低，且漏热急剧增大，难以发挥直线型脉冲管制冷机在应用上的优势。实践中常常出现的情况是，一台在制冷效率上堪称优秀的直线型脉冲管制冷机，在与红外器件耦合时，由于结构布置不当而带来的冷损使得耦合后结构的制冷效率反而不如同轴型或U型脉冲管制冷机形成的耦合体。此外，另一个常常困扰应用实践的问题是，长宽比很大的直线型冷指带来了整机结构上的松散，可靠性急剧降低，这一点在特殊应用领域如航天应用实践中是一个较为突出的问题。因而，直线型脉冲管制冷机与红外器件的恰当耦合方式，正在逐渐成为直线型脉冲管制冷机在实用化方面的严重障碍，特别是在强调应用可靠性与高制冷效率的航天领域的实用化方面，直线型脉冲管制冷机与红外器件的耦合已经逐渐成为应用实践中的一大瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种适用于直线型脉冲管制冷机与红外器件的耦合结构及制造方法。