[发明专利]两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控系统及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及制冷与低温工程领域和物理电子学领域，特别涉及一种两级脉管制冷机的直流驱动与主动温控系统及设计方法。

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。航天及军事等领域应用的脉冲管制冷机，因为对重量和体积有着非常严格的限制，一般都采用轻量化高频运转的直线压缩机，压缩机的工作频率通常都在30Hz以上。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。

中国航天事业的快速发展促进了中国低温行业的发展，特别是具备先天航天应用优势的脉冲管制冷机，这些年来得到了飞速的发展。其中单级脉冲管制冷机技术已经相对成熟，并逐步走向航天工程化和实用化。而能同时提供两个不同冷区的两级脉冲管制冷机需求变得日益迫切，也有着更为广阔的航天应用前景。例如，相比较同样能提供两个冷端温度的两个单级脉冲管制冷机系统，双级脉冲管制冷机为单系统，只需要一套被认为是脉冲管制冷机中结构最复杂的线性压缩机及电子系统，因此结构相对更加紧凑；冷却长波红外探测器一般需要冷端的温度低至30K左右，单级脉冲管制冷机较难达到该温度，即使达到了效率也比较低，而两级脉冲管制冷机可以依靠结构的优势在第二级的冷端比较容易实现这个温度并提供一定的冷量，两级脉冲管制冷机扩大了实际应用中冷却的温度范围；两级脉冲管制冷机相对于单级脉冲管制冷机在资源、重量以及空间上有较大的节约，这能降低极其昂贵的航天应用成本。

直线压缩机作为两级高频脉冲管制冷机的驱动单元，需要通过输入合适的电压产生相应的线性力，脉冲管制冷机才能产生最佳制冷效果。在地面一般应用场合，主要使用交流电源仪器对脉冲管制冷机的输入电压大小、频率进行调整以匹配目标制冷量和制冷温度。而在空间应用环境中，可用的往往只是存储方便的直流电源，因此，航天应用中要求使用直流电源正常高效地驱动脉冲管制冷机，这是脉冲管制冷机在星载应用与地面应用环境中的显著区别之一。

在使用脉冲管制冷机冷却元器件(例如红外探测器，光学器件等)时，一般都需要在一个固定的温度点或是很小的温度范围内才能够正常、稳定、高效地工作。这些元器件的性能通常对工作温度的反应非常灵敏，外界的微小干扰往往都会使工作温度产生一定程度的波动，从而对被冷却器件的性能产生影响。因此，在实际应用中，通常需要为脉冲管制冷机配置相应的温度控制系统，以便高精度地对脉冲管制冷机每一级冷端的温度进行调控。由于脉冲管制冷机系统是一个复杂的机械-热力系统，输入功的变化反映到制冷温度的改变存在时间延滞，而且航天应用环境也排除了手动调节的可能性，在这种情况下，就需要对该直流驱动系统设置自动的精确控制功能，以便根据设定的制冷温度自动地对输入电压大小和频率进行灵活调整。因此，在有着高精度温度控制要求的应用中(特别是航天应用环境)，还要求为脉冲管制冷机配备主动温控系统，以便于脉冲管制冷机能够长期稳定可靠地运行。两级脉冲管制冷机系统相比较单级脉冲管制冷机系统而言，因为要驱动和控制两级脉冲管冷指，驱动和控制任务变得更为敏感和繁琐。

综上所述，在面向航天星载环境的高频脉冲管制冷机的研究和应用中，其直流驱动与主动温控便成为了两项重要的研究需求。近年来，国内单级高频脉冲管制冷技术也获得了长足进步，并已开始向空间实用化发展，而两级高频脉冲管制冷机在空间应用方面还处于技术储备阶段，对于其直流下的驱动与主动控制系统的相关技术研究的发展在国内才刚刚起步。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出一种两级高频脉管制冷机直流驱动与主动温控系统及其设计方法。