[发明专利]在二级低温冷却装置中获得温度稳定性的装置和方法

说明书

该申请是申请日为1999年4月16日、申请序列号为09/292028的申请的部分继续申请，该申请要求上述申请的优先权，并引用上述申请的说明书作为参考。

本发明涉及一种低温冷却装置，更具体而言，本发明涉及一种运行期间热负荷变化且是热稳定化的二级低温冷却装置。

                           发明背景

空间飞行器和航空器的一些传感器和其它元件必须被冷却到约77°K或低于77°K才能够正常工作。有几种方法都是可行的，包括与液化气体热接触以及通常称为低温冷却装置的低温制冷装置。液化气体的使用通常只限于短期任务。低温冷却装置通常通过气体从周围环境吸热蒸发而起作用。可以使用单级蒸发而在被冷却元件内达到中间温度。为了达到一些传感器工作要求的更低的温度，例如约40°K或低于40°K，可以使用多级蒸发冷却器。本发明人关注需要长期连续冷却到这样非常低的温度的应用领域。

一些应用领域中碰到的问题之一是必须由低温冷却装置从被冷却物体排出和由于热损失带来的总热负荷可以在正常或非正常运行状态下在大范围内变化。热负荷通常处于稳态水平，但是在回落到稳态水平之前偶尔也会有峰值。低温冷却装置必须能够保持元件被冷却到要求的工作温度，不管热负荷和瞬时峰值水平如何变化。尽管低温冷却装置能够控制热负荷变化，但是希望低温冷却装置保持基本恒定的冷却功率水平，以便动力需求不出现大的波动，该动力变化迫使设计电源以适应该变化。

该问题的一种可能的解决方法是确定低温冷却装置的大小，控制最大可能热负荷。这种解决方法的缺点是低温冷却装置要建造得比稳态条件要求的更大，必须增加运载工具的尺寸和重量。这种尺寸过大的低温冷却装置还要求功率水平根据热负荷变化而进行较大变化。

因此需要改进使传感器和其它元件达到非常低的温度的方法。本发明满足了上述要求，并进一步具有相关的优点。

                           发明概述

本发明提供了一种低温冷却装置，该低温冷却装置将元件冷却到一个非常低的温度，同时适应热负荷的较大变化。确定该低温冷却装置的尺寸以满足稳态热负荷而不是最大热负荷的要求。尽管功率水平可以变化，但是在稳态热负荷下本发明能够将功率连续保持在使元件维持要求温度的水平，同时还能够适应热负荷变化。

根据本发明，一种混合式二级低温冷却装置包括一个具有第一级界面和一个斯特林蒸发器出口的第一级斯特林蒸发器，一个具有脉冲管入口的第二级脉冲管蒸发器，一个在该斯特林蒸发器出口和该脉冲管入口之间延伸的气体流动通道，以及一个与该气体流动通道热接触的热交换器。一个热能存储装置与该第一级界面热连通。该热能存储装置可以是任何可操作型的，优选是三相点式冷却器。该三相点式冷却器可以利用任何可运行的工作流体，例如氮、氩、甲烷或氖。

第一级斯特林蒸发器优选具有一个有蒸发器入口的蒸发体积，一个第一级再生装置，该斯特林蒸发器出口，一个迫使工作气体通过该蒸发器入口进入蒸发体积然后进入气体流动通道的排出器，及一个驱动该排出器的电机。电机有一个电机控制器，电机控制器可运行，至少改变排出器的冲程和相角之一(其中排出器的相是逆压测量的)。

脉冲管蒸发器优选包括一个脉冲管入口，及一个与脉冲管入口气体连通的气体体积。该脉冲管气体体积包括一个第二级再生器、一个脉冲管气体柱、一个节流装置及一个浪涌箱(surge tank)。第二级热交换器与第二级再生器和脉冲管气体柱热连通。

因此，混合式二级低温冷却装置最优选包括一个第一级斯特林蒸发器，该斯特林蒸发器具有一个有蒸发器入口的蒸发体积、一个第一级再生器、一个出口和一个迫使工作气体通过该蒸发器入口进入蒸发体积的排出器。有一个与第一级斯特林蒸发器的蒸发体积热连通的热能存储装置。第二级脉冲管蒸发器具有一个脉冲管入口，一个与脉冲管入口气体连通的脉冲管气体体积，该气体体积包括一个第二级再生器、一个脉冲管气体柱、一个节流装置、一个浪涌箱和一个与第二级再生器和该脉冲管气体柱热连通的第二级热交换器。一个气流通道在斯特林蒸发器的蒸发体积出口与该脉冲管入口之间建立热连通，一个流通热交换器沿斯特林蒸发器的蒸发体积出口与该脉冲管入口之间的气体流动通道布置。