[发明专利]实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法

说明书

本发明公开了一种实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法，分为八步：1)将两级热耦合型高频脉管制冷机等效成为交流电路；2)计算第一级脉管冷指和第二级脉管冷指入口动态压力和体积流率关系；3)计算第一级冷指净制冷量；4)计算第二级净制冷量；5)赋予第二级脉管冷指参数初始值并计算；6)计算第一级脉管冷指阻抗范围及总制冷量；7)赋予第一级脉管冷指参数初始值并计算；8)计算热桥长度与横截面面积。本发明所提出能实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法，对于两级脉管制冷机在航空航天、超导等特殊领域的实用化发展具有非常积极的意义。

技术领域

本发明涉及制冷与低温工程领域，特别涉及一种实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法。

背景技术

脉管制冷机是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。

实际应用中，经常需要在不同温区同时提供不同的制冷量。例如：对于许多低温设备，有一些拥有两个运行在不同温度条件下的部件，有一些需要同时提供探测器和光学器件的冷却，因为只有当光学器件被冷却至一定温度才能最大程度上减小背景热噪声，从而显著提升探测精度。甚至有一些设备中需要同时冷却不同温区的超导器件。在许多应用场合中，考虑到目前单级脉管制冷机技术依然比较成熟，一般建议使用两台单级脉管制冷机来提供两个不同的制冷温度。但是，只需一台压缩机驱动的两级脉管制冷机则在重量、紧凑型和系统集成等方面具有显著优势。

根据两级冷指之间耦合方式的不同，两级脉管制冷机可以分为热耦合型和气耦合型。气耦合型的气体分流出现在第一级的冷端，低温条件下的气体分配相比于常温下的复杂的多。而对于热耦合型，第一级冷指和第二级冷指气体的分流位置为压缩机出口处，为常温端，因此气体分配相比于低温环境简单。此外，气耦合型两级脉管制冷机中也会出现第一级气流和第二级气流中的混流现象，这使得气耦合型两级脉管制冷机的稳定性大幅下降。综上所述，在面向航空航天、超导等方面的两级高频脉管制冷机的研究和应用中，系统的稳定性是极其重要的考虑因素。因此，热耦合型的两级高频脉管制冷机更加适合。

由于只采用单台压缩机进行驱动，而每一级冷指所需提供的制冷温度以及质量也需要根据实际情况进行确定。因此，一种能实现级间冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机及其设计方法对于其实际的设计与应用就必不可少。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出一种实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法。

本发明的目的在于，提供了一种实现冷量分配的两级热耦合型高频脉管制冷机的设计方法。通过该设计方法可合理地设计两级热耦合型高频脉管制冷机，实现两级冷量的按需分配，大幅度提高两级高频脉管制冷机的实用范围。该设计方法包括以下步骤：