[发明专利]采用声压放大器的多级脉管制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及一种回热式低温制冷机，尤其涉及一种带有声功放大器的深低温脉管制冷机

背景技术

伴随着空间探测技术在过去半个世纪中的快速发展，低温制冷技术取得了显著的技术进步，并在航空航天、国防军事、能源医疗等领域得到了广泛应用。低温探测器近30年来在航空航天领域得到了普遍应用，但是更高的成像像素敏感度和像素密度也给低温探测器的冷却系统带来新的挑战，相比携带液氦（超流氦）杜瓦的被动式低温系统，机械式主动制冷系统具有寿命长（不受液氦冷媒携带量的限制）、结构紧凑、效率高、可靠性好等优点，成为当前研究的热点和难点，目前世界各国均投入了大量的人力物力进行相关技术的攻关研究。

在低温探测领域中大部分的低温探测器工作在液氦温区和更低的温度，而且更低温区（mK级温区）的获得需要液氦温区提供预冷，所以液氦温区高效机械式制冷技术成为当前研究的重点和难点。与G-M制冷机、逆布雷顿制冷机以及斯特林制冷机等相比，脉管制冷机在冷端没有运动部件，具有结构简单、成本低、机械振动小、可靠性高和寿命长等优点，是非常适合空间应用的理想机型。但是由于液氦温区的制冷机理和损失机理尚未完全掌握，目前高频脉管制冷机仍很难到达液氦温度，只有美国Lockheed Martin公司使用四级结构到达液氦温区，但是结构复杂，效率低。

经过预冷型单级高频脉管制冷机的相关研究发现，限制高频脉管制冷机高效获得液氦温区的主要原因是由于液氦温区级回热器的温度跨度大（从300K至4K），从而导致回热器的压力损失远较高温级回热器大，进而使液氦温区级回热器的冷端压比偏小，而冷端压比是脉管制冷机中一个非常重要的参数，大的压比意味着更大的做功能力，所以对高频脉管制冷机而言，高效地获得液氦温区的关键是如何获得较大的冷端压比。采用回热器模拟软件REGEN对液氦温区回热器最后一级的模拟结果表明，当冷端温度定为4K，在特定尺寸、回热材料和较低的充气压力条件下(一般为0.5-1.0MPa)，其热端温度随着回热器冷端压比的增大而显著提高，热端温度的提高意味着可以在更高的温区为其提供预冷，减轻了对预冷级的性能要求，计算结果还表明当采用氦-4为工质，冷端压比为1.4时，其热端温度接近40K，这是当前单级和两级高频脉管制冷机可以较为轻松获得的温区，所以若采用合适的结构能够使液氦温区回热器的冷端获得1.4甚至更高的压比，则采用三级甚至是两级的结构便可以高效地获得液氦温区。同时对氦气的热物理性质分析得出：氦气的粘度随着温度的降低而显著降低，即回热器的压力损失主要发生在300-80K的高温段，而在低温下几乎可以无损的传过回热器。

为降低回热器中的压力损失和热量损失，申请号为CN200710098933.9的专利文献公开了热耦合多级脉冲管制冷机，包括预冷脉冲管制冷机和低温脉冲管制冷机；还包括连接于所述低温脉冲管制冷机的低温脉冲管制冷机回热器和低温脉冲管制冷机室温换热器之间的低温脉冲管制冷机热缓冲管；所述预冷脉冲管制冷机的预冷脉冲管制冷机冷头通过一热桥与所述低温脉冲管制冷机回热器的靠近所述低温脉冲管制冷机热缓冲管的一端相连。该热耦合多级脉冲管制冷机采用热缓冲管连接低温脉冲管制冷机的室温换热器和回热器，减少了其回热器的总长度，因此可以减少回热器内的压力损失和导热损失，提高制冷机效率，获得更低的制冷温度。

但是上述热耦合多级脉管制冷机结构复杂，占用空间较大，且冷端压比仍然相对较低，无法得到更低的制冷温区。

发明内容

本发明提供了一种采用声压放大器的多级脉管制冷机，通过对脉管制冷机内部结构的调整，能够获得较大的冷端压比，在提高工作效率的同时，使得脉管制冷机能够向更低温区延伸。

脉管制冷机按照耦合方式不同分为气耦合和热耦合，为解决上述技术问题，本发明通过对现有技术的分析，分别在气耦合和热耦合的基础上设计出两种技术方案，其中第一种技术方案采用热耦合，第二种方案采用气耦合。虽然两种耦合方式不同，但是本发明的总体思路均是为增加脉管制冷机单元冷端压比，在提高工作效率的同时，使得脉管制冷机能得向更低温区延伸，属于同一发明构思。

第一种技术方案为：一种采用声压放大器的多级脉管制冷机，包括预冷脉管制冷机单元和低温脉管制冷机单元，所述低温脉管制冷机单元的回热器包括预冷段回热器和低温段回热器，所述预冷段的出口端与低温段进口端之间通过声压放大器连通；所述预冷脉管制冷机单元和低温脉管制冷机单元之间通过连接在预冷脉管制冷机单元的冷端和所述声压放大器之间的热桥进行热耦合，该热桥同时与所述预冷段回热器和低温段回热器相连。

下面为对第一种技术方案的优选方案：