[发明专利]紧凑耦合的惯性管型直线脉冲管制冷机及制造方法

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，特别涉及一种紧凑耦合的惯性管型直线脉冲管制冷机及制造方法。

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，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构优化和调相方式上的重要改进，在典型温区，其实际效率也已达到回热式低温制冷机的最高值。这些显著优点使得脉冲管制冷机成为近30年来低温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，脉冲管制冷机又可分为如下三种典型布置方式：U型、同轴型和直线型。三类脉冲管制冷机都主要由压缩机、连管、脉冲管冷指（包括蓄冷器热端换热器、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。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。

调相机构是脉冲管制冷机的关键部件之一。脉冲管制冷机区别于常规回热式低温制冷机（如斯特林或G-M制冷机）的最大特点便是取消了冷端用于调节相位的排出器，而在热端布置了相应的调相机构。常用的调相机构主要有小孔加气库、阀门加气库、喷嘴加气库以及惯性管加气库等，相应地，脉冲管制冷机根据上述调相机构的不同而分为小孔型、阀门型、喷嘴型、惯性管型脉冲管制冷机等等。其中惯性管型脉冲管制冷机因其调相范围宽、结构简单、性能稳定可靠等突出优点成为航天及军事应用脉冲管制冷机的首选机种。

驱动脉冲管制冷机的压缩机分为直线压缩机和G-M型压缩机两种。航天及军事等应用领域的脉冲管制冷机，对重量和体积有非常严格的限制，针对这部分应用的脉冲管制冷机一般都采用轻量化高频运转的直线压缩机，直线压缩机的工作频率在30Hz以上，而针对地面应用的较为笨重的G-M型压缩机的频率一般在1～2Hz。因而，根据驱动压缩机的不同，又将脉冲管制冷机分为由直线压缩机驱动的高频脉冲管制冷机和由G-M型压缩机驱动的低频脉冲管制冷机两种。由直线压缩机驱动的高频脉冲管制冷机由于结构紧凑、重量轻、体积小、效率高、运转可靠、预期寿命长等突出优点，正日益成为新一代航天回热式低温制冷机的更新换代品种。

图1显示了三种典型布置形式的直线压缩机驱动的惯性管型高频脉冲管制冷机的常规组合示意图，其中：（1）为U型，（2）为同轴型，（3）为直线型。根据图1，三种典型布置形式都由直线压缩机、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、惯性管以及气库组成。

由图1可以看出，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。近年来，随着相关应用（如航天与军事红外器件冷却应用等）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，逐渐显示出越来越广阔的应用前景。

由图1可以看出，惯性管主要使用一些长径比很大的细长金属管，气库主要使用能提供一定空容积的金属容器。对于实际应用而言，由惯性管和气库组成的调相机构与直线压缩机、直线脉冲管冷指的耦合需要在不影响效率情况下的结构紧凑化是一个至关重要的问题（特别是对于航天及军事应用而言）。在很多情况下，往往因为无法提供一个能实用化的紧凑结构，或者紧凑化后带来了很可观的效率降低，而使得许多已研制成功的脉冲管制冷机原理样机无法进入真正的实用化。

对于直线型脉冲管制冷机而言，由于脉冲管与蓄冷器成一条直线，结构十分松散，对于其紧凑化设计更提出了非常大的挑战，成为惯性管型高频U型脉冲管制冷机在实用化方面的重要瓶颈之一。在强调应用可靠性与高制冷效率的航天及军事等领域，获得实用化的紧凑耦合的惯性管型高频直线脉冲管制冷机已经逐渐成为应用实践中迫切需要解决的一大难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种适用于惯性管型直线脉冲管冷指与直线压缩机的紧凑耦合结构及制造方法。