[发明专利]一种辐射预冷式脉冲管制冷系统

说明书

技术领域

本发明属于脉冲管制冷系统，特别设计一种适合于空间应用的辐射预 冷式脉冲管制冷系统。

背景技术

随着空间技术的发展，用于红外探测器和高温超导器件的小型、微型 低温制冷机的研究引起了各国的极大兴趣。一些卫星的有效载荷，特别是 高精度的遥感设备如红外望远镜、红外敏感器的焦平面和镜片以及无线电 接收器的低噪音放大器等均需要很低的背景温度，以减小背景的热噪声干 扰，提高探测精度。所需要冷却温度各有不同，自200K-2K。能够满足该 需求的制冷技术有很多种，总体上可以分为辐射式制冷、热电制冷、储存 式制冷以及机械式制冷(候增祺，航天器热控制技术，中国科学技术出版 社)。

辐射式制冷在理想状态下可以达到60K，能初步满足早期红外探测的 需求。但是由于辐射能力跟温度的四次方成正比，在100K以下辐射能力 迅速降低，并且整个系统可行性和温度性取决于飞行器的轨道、姿态和辐 射器的方位息息相关，因而应用受到很大的限制。

热电制冷主要用于150K以上温区，并且制冷量较小，在制冷量较大 的场合，通常增加热管设备来排除废热，由于没有运动部件，因此可长期 运行。

储存式制冷系统可以提供在很宽的温区内制冷，从1.5K(超流氦)到 150K(固体氨)。但是该制冷方式需要不断消耗工质，运行时间取决于携 带工质的多少。因此在要求制冷量较大或者制冷温度较低的情况下，空间 应用更多选择机械式制冷。

空间用机械式制冷机主要包括VM制冷机、J-T制冷机、逆布雷顿制 冷机、斯特林制冷机和脉冲管制冷机。VM制冷机最早于1918年提出，由 于该制冷机转速低，轴承载荷小，磨损小，因此寿命长、运行平稳，但是 该制冷机制作要求严格，热源温度要求较高(1000K)，功率和温度控制都 比较复杂。J-T制冷机利用节流效应来获得低温，降温速度快，携带灵巧， 但是需要高压比，效率较低。在脉冲管技术获得突破之前，斯特林制冷机 最具有空间应用潜力；早期斯特林制冷机由于使用曲柄连杆压缩机，寿命 较短，因此进展缓慢；随着牛津式压缩机的出现，斯特林压缩机在效率、 可靠性、轻型化、寿命等方面取得了重大进展，在空间和军事上获得广泛 应用；美国宇航局和欧洲航天局从八十年代末至今发射的探测卫星上大部 分都采用斯特林制冷技术；而随着空间技术对低温制冷机要求越来越严 格，斯特林制冷机的缺陷也逐渐显现出来，由于排出器的存在，磨损和振 动的问题不可避免，从而导致寿命降低和制冷性能恶化。脉冲管制冷机可 以看作是斯特林制冷机的一个改进；由于取消了斯特林制冷机冷端的运动 部件，不仅使得制造难度降低，更是大大减小了冷端的振动，提高了制冷 机的可靠性，也减小了电磁干扰；因此自从六十年代提出之后，在八十年 代获得迅速发展，成为近些年来最热门的小型低温制冷机，同时也是适合 空间应用的新一代制冷机。