[发明专利]测量直线型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种杜瓦，特别涉及一种测量直线型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦及制造方法。

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30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、蓄冷器、冷头的相互关系不同，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(a)为同轴型结构，(b)为U型结构，(c)为直线型结构。由图1可以看出，直线型布置中脉冲管、脉冲管冷头、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，各自的冷端连接到共同的脉冲管冷头之上；同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心地布置在一起，各自的冷端连接到共同的脉冲管冷头之上。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，因而在实际应用中也获得较广泛应用。

在一台直线型脉冲管制冷机制作完毕并投入使用之前，需要对其制冷性能做出系统的评价。目前普遍采用的是热平衡测量法。热平衡测量法即利用加热装置，对制冷机冷头端面施加指定热量，通过调整制冷机输入功率，使制冷机冷头端面温度稳定在指定温度点，此时制冷机冷头端面达到热平衡状态，加热装置所施加的热量即等于制冷机在指定温度点所提供的净制冷量。

在测量与评价过程中，通常需要为不同的冷指单独制作杜瓦系统。首先，由于每台制冷机冷指的情况一般都不相同，从而导致其相应的杜瓦系统也不相同，因而，在大多数情况下，测量不同制冷机制冷性能时所使用的测量系统便不尽相同；其次，在测量每台制冷机的制冷性能时，在冷指上放置包括加热片和温度计在内的测量元件时，本过程中不可避免地受到较大的人为影响，如所放置的相关测量元件的位置、与冷头端面的贴紧程度等因素都会对制冷性能的测量产生干扰。在这样情况下，便使得所测得的不同制冷机在进行制冷性能比对时，便没有比较科学的可比性。以上所述的这些因素使得在对同轴型脉冲管制冷机制冷性能评价测量时需要耗费更多资源与时间，并且对不同同轴型脉冲管制冷机制冷性能评价的对比上，也会产生使对比测量不一致的外界干扰因素。

由于直线型脉冲管制冷机相比较另外两种常用的布置方式(同轴型和U型)结构更为松散，利用热平衡测量法测量直线型脉冲管制冷机制冷性能对杜瓦结构提出更高的要求，其困难主要体现在：

1)由于直线型脉冲管制冷机结构松散，冷头冷量提取困难，使得冷头与加热片和柱状温度计等测量元件的耦合困难，如果耦合方式不恰当，将严重影响测量准确度；

2)测量元件与冷头的耦合过程中不可避免的会受到较大的人为影响，所耦合测量元件的位置、与冷头端面的贴紧程度等因素都会对制冷性能的测量产生干扰，且通常情况下并非使用同一测量元件，使得不同直线型冷指之间制冷性能的对比存在不确定度；

3)为保证冷指工作所需真空环境，需要为直线型脉冲管制冷机冷指制作真空罩结构，而由于直线型结构松散，冷指长宽比过大，相应的真空罩结构安装不便，密封存在难度；

4)由于每台直线型脉冲管制冷机冷指的情况有所不同，如冷指长度存在差别，通常需要为每台直线型冷指单独适配真空罩结构，从而导致所制作的冷指真空罩结构与不同冷指之间出现不能互配的情况。

以上所述的因素使得在对直线型脉冲管制冷机制冷性能评价测量时需要耗费更多资源与时间，并且对不同直线型脉冲管制冷机制冷性能的评价对比不可避免地产生较多干扰因素。目前针对直线型脉冲管制冷机进行制冷性能测量的标准杜瓦还很少见。