一种混合式二级低温冷却装置（１０）包括一个具有第一级界面（１０４）和斯特林蒸发器出口（２９）的第一级斯特林蒸发器（２０），一个与第一级界面（１０４）热连通的热能存储装置（１０８），和一个具有一个脉冲管入口（３６）的第二级脉冲管蒸发器（３０）。一个气体流动通道（３８）在该斯特林蒸发器出口（２９）和该脉冲管入口（３６）之间延伸，一个热交换器（２４）与该气体流动通道（３８）热接触。第一和第二级相对冷却功率可以得到控制，以便根据第二级热负荷的增加，相对于第一级增加第二级的冷却功率。该热能存储装置（１０８）在此期间用作一个热缓冲器，在调节相对冷却功率以增加第一级的冷却功率之后被冷却。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
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。本专利技术涉及一种低温冷却装置，更具体而言，本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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。本专利技术满足了上述要求，并进一步具有相关的优点。专利技术概述本专利技术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专利技术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。根据本专利技术，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。这种多级低温冷却装置有能力通过驱动第一级斯特林蒸发器排出器的电机运转，在第一级斯特林蒸发器和第二级脉冲管蒸发器之间分配冷却功率。如果检测到热负荷增加，那么该电机将增加的冷却功率分配给第二级脉冲管蒸发器，以便正被冷却的元件保持在其温度要求内。给第一级斯特林蒸发器的冷却功率减少，但是热能存储装置临时吸收不能被以减少的冷却功率运行的第一级斯特林蒸发器排出的第二级脉冲管蒸发器热端的那部分热量。当第二级脉冲管蒸发器的热负荷返回到更接近稳态水平时，从该第二级脉冲管蒸发器将冷却功率再分配给第一级斯特林蒸发器，从而从热能存储装置中将临时存储的热量排出，并存储和准备用于后面的热负荷峰值。所有这些循环中，尽管冷却功率根据需要进行了再分配，低温冷却装置的动力消耗水平保持大体恒定。因此本专利技术提供了一种比传统低温冷却装置更先进的低温冷却装置。本专利技术的低温冷却装置的大小根据稳态热负荷要求确定，热能存储装置用作一个缓冲器。显然，该热能存储装置将低温冷却装置稳定于第一级斯特林蒸发器，同时将温度保持在第二级脉冲管蒸发器的热负荷工作范围内。因此该热能存储装置在基本高于被冷却元件的温度下工作，但是允许被冷却元件的温度保持基本恒定。从下面结合附图对通过实例说明本专利技术原理的最佳实施例的更详细描述中，本专利技术的其它特点和优点将变的更加清楚。但是本专利技术的保护范围不受该最佳实施例的限制。附图简述附图说明图1是该低温冷却装置的示意图；图2是具有第一级斯特林蒸发器的该低温冷却装置的剖视示意图；图3是该脉冲管蒸发器的剖视示意图；图4是沿图3中4-4线的该脉冲管蒸发器的剖视示意图；图5是图1中的低温冷却装置运行的方框流程图；图6A-6C是P-V冷却功率图，其中大部分冷却功率被分配给第一级斯特林蒸发器(图6A)，冷却功率在二级之间是平衡的(图6B)，大部分冷却功率被分配给第二级脉冲管蒸发器(图6C)；及图7表示该低温冷却装置的计算机模拟结果。专利技术详述图1大体表示了一个也称为二级蒸发器的二级低温冷却装置10。该二级低温冷却装置10包括一个第一级斯特林蒸发器20和一个第二级脉冲管蒸发器30。下面将详细讨论第一级斯特林蒸发器20和第二级脉冲管蒸发器30的结构和运行。压缩机100给第一级斯特林蒸发器20提供压缩工作气体，如氦。该工作气体蒸发进入蒸发体积28。该工作气体从蒸发体积28流出通过一个斯特林蒸发器出口29，并进入第二级脉冲管蒸发器30的脉冲管入口36内。下面将更详细讨论第一级斯特林蒸发器20和第二级脉冲管蒸发器30之间的第一级界面104。第二级热界面41设置在第二级脉冲管蒸发器30和此处用传感器106表示的有待被冷却的元件形式的热负荷之间。一个主要特征是与第一级界面104热连通的热能存储装置108。当第一级斯特林蒸发器运行时，该热能存储装置108吸收来自第一级界面104的多余热量，以便不能排出冷却第一级界面104所需要的所有热量。如将要讨论的那样，当引入第二级热界面41的热通量高时会出现这种情况，该系统运行，以便冷却(制冷)功率优先分配给第二级脉冲管蒸发器30。热能存储装置108可以是任何一种类型的，但是优选一种可以通过材料相变吸收和释放能量的热能存储装置。当工作流体受热到气态时热本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种混合式二级低温冷却装置（１０）包括： 一个具有第一级界面（１０４）和斯特林蒸发器出口（２９）的第一级斯特林蒸发器（２０）； 一个与第一级界面（１０４）热连通的热能存储装置（１０８）； 一个具有脉冲管入口（３６）的第二级脉冲管蒸发器（３０）； 一个在该斯特林蒸发器出口（２９）和该脉冲管入口（３６）之间延伸的气体流动通道（３８）；及 一个与该气体流动通道（３８）热接触的热交换器（２４）。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼思D普赖斯，卡尔S柯康奈尔，
申请(专利权)人：雷斯昂公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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