专利名称：在二级低温冷却装置中获得温度稳定性的装置和方法
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。
本发明涉及一种低温冷却装置，更具体而言，本发明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。
背景技术：
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。本发明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。本发明满足了上述要求，并进一步具有相关的优点。
发明概述本发明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发明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。
根据本发明，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。
因此本发明提供了一种比传统低温冷却装置更先进的低温冷却装置。本发明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发明原理的最佳实施例的更详细描述中，本发明的其它特点和优点将变的更加清楚。但是本发明的保护范围不受该最佳实施例的限制。
附图简述
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。
发明详述图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量被吸收，当工作流体被冷却到固态或液态时热量被释放。热能存储装置108优选是一种本领域公知的用于其它应用领域中的一种三相点式冷却器。用于三相点式冷却器的工作流体优选是氮、氩、甲烷或氖。
图2-4更详细表示了二级低温冷却装置10的工作元件。实例中混合式二级低温冷却装置10的第一级斯特林蒸发器20包括一个挠曲安装的斯特林蒸发器20。该斯特林蒸发器20具有一个增压室22和一个包括薄壁冷圆柱体的冷端，一个位于该蒸发体积28热端的蒸发器入口26，一个设置在蒸发体积28内的可移动活塞或排出器23，以及一个第一级再生器21和热交换器24。
该排出器23悬挂在前和后挠曲元件25上。该排出器23由位于增压室22前端的电机12控制和推动。可以使用一个挠曲悬挂的平衡器27提供抵抗移动排出器23惯性的内部作用。
第二级脉冲管蒸发器30包括一个第二级再生器(再生热交换器)31、一个脉冲管32、一个相角控制管口和一个浪涌体积33。该脉冲管32连接在第二级热界面41的一端。第二级热界面41的第一端盖42密封脉冲管气体柱32，第二端盖43密封第二级再生器31。一个第二级热交换器44设置在连接在脉冲管32和第二级再生器31间的第二级热界面41内。
流通热交换器34设置在第一级斯特林蒸发器20和第二级脉冲管入口热交换器51和脉冲管出口热交换器52之间的热界面35处。工作气体沿在斯特林蒸发器出口29和脉冲管入口36之间延伸的气体流动通道38流动。热交换器24与气体流动通道38热接触。第三端盖53密封流通热交换器34内的脉冲管32的气体柱的端部。开口54设置在连接浪涌体积33的流通热交换器34内，并用作相角控制管口。
在该混合式二级低温冷却装置10中，工作气体如氦流入蒸发器入口26，进入第一级再生器21和热交换器24内。流入第一级斯特林蒸发器20内冷体积内的气体由第一级再生器21和热交换器24再生。一部分气体保留在位于第一级再生器21和热交换器24之间的第一级蒸发体积内。气体逐渐变少的部分继续到达第二级再生器31、脉冲管32和浪涌体积33内。气体回流沿相同通道逆向流动。
与其它多级蒸发器相比，混合式二级低温冷却装置10的一个显著优点是容易在二级20、30之间调节制冷能力。方法是改变斯特林第一级蒸发器20内排出器23的冲程和/或相角，利用改变进入浪涌体积33的质流分布的开口54(相角控制管口)。附加控制等级能够使任何工作点的性能优化，包括在实际太空飞行器热环境的轨道上。该特点在使用混合式二级低温冷却装置10时能够节省能源。
在从二级低温冷却装置10内的气体中排出绝大部分热负荷时，第一级斯特林蒸发器20具有很高的热力学性能。第二级脉冲管蒸发器30提供了附加的制冷功率并提高了能源利用系数。由于其没有移动部件的简单性，第二级脉冲管蒸发器30不会增加制造的复杂性。
通过提高第一级和第二级蒸发器20、30之间热界面的热交换系数，位于第一级和第二级蒸发器20、30之间的热界面35上的流通热交换器34显著提高了第一级的效率(相对于传统单级斯特林蒸发器)。与具有相当热力学能力的传统一级或二级脉冲管冷却器相比，该斯特林蒸发器20减少了混合式蒸发器10的总无用体积。因此该斯特林蒸发器20减少了质流需求，减少了压缩机的工作体积，能够用较小的压缩机完成制冷。
由于脉冲管再生器31在降低了的温度下运行，因此混合式二级低温冷却装置10内再生器压降较小。因此气体密度较大，气体粘度较低，导致压降降低。
电机控制器70控制电机12的运行，至少包括排出器23的冲程和电机的相角。在第二级热界面41的情况下，热负荷传感器72与传感器106以及第二级脉冲管蒸发器30热连通。热负荷传感器72通过测量第二级热界面41的温度来测量第二级热界面41上的热负荷。电机控制器70利用热流传感器72的信号确定冷却功率在第一级斯特林蒸发器20和第二级脉冲管蒸发器30之间的分配。
图5表示冷却待冷元件如传感器106的一种最优选方法。提供低温冷却装置10，附图标记80。该低温冷却装置10首先在稳态能力分配下运行，附图标记82。将该冷却(制冷)能力分配给第一级斯特林蒸发器20和第二级脉冲管蒸发器30，以便在稳态热负荷下使传感器106保持在要求的温度。之后，必须在这两个蒸发器20和30之间再次分配冷却功率，附图标记84。能够给第一级斯特林蒸发器20分配较多的冷却功率(因此给第二级脉冲管蒸发器30分配较少的冷却功率)，附图标记86，或者给第二级脉冲管蒸发器30分配较多的冷却功率(因此给第一级斯特林蒸发器20分配较少的冷却功率)，附图标记88。
在给第二级热界面41临时增加热负荷的一种典型情况下，接续步骤88，给第二级脉冲管蒸发器30分配较多的冷却功率。由于在给第一级斯特林蒸发器20分配较少冷却功率的期间内，第一级斯特林蒸发器20不能够满足热负荷要求，并倾向于落在后边，因此其温度上升。多余的热量临时存储在用作第二级脉冲管蒸发器30的散热装置的热能存储装置108内。之后的时间内，当第二级热界面41的热负荷从临时高负荷回落到稳态水平时，冷却功率转移到第一级，附图标记86，回收热能存储装置108内存储的热量，并准备给下一个高热负荷周期。当达到平衡时，恢复稳态冷却功率82。
进行冷却功率分配的方法是改变排出器23的冲程(改变电机12的大小)，或者改变排出器23的相角(改变电机12的相角)。图6A-6C使用传统的压力-体积(PV)图表示了冷却功率的分配。在图6A中，较大部分的冷却功率被分配给第一级斯特林蒸发器20，较小部分冷却功率被分配给第二级脉冲管蒸发器30，对应于图5中的步骤86。在图6C中，较小部分的冷却功率被分配给第一级斯特林蒸发器20，较大部分冷却功率被分配给第二级脉冲管蒸发器30，对应于图5中的步骤88。在图6B中，冷却功率的比例基本平衡，对应于图5中的步骤82。
本发明的方法已经被二级低温冷却装置10的计算机模型证实，结果表示在图7中。在该模型中，第一级斯特林蒸发器20的排出器23的工作相角从50度-90度变化，并计算了二级中每一级的冷却功率。图7表示具有36.5°K第二级负荷和氮三相点热能存储装置108的低温冷却装置的结果。当第一级排出器23的相角从90度减小时，第一级制冷减少而第二级制冷增加。这种情况下，通过两个因素中的一个，使第二级制冷增加，同时通过约7个因素中的一个使第一级制冷减少。只要热能存储装置108维持必须的第一级温度，那么该运行状态就能够保持。当热能存储装置108中的冷却功率用尽时，相角返回到90度，通过7个因素中的一个使第一级制冷增加，热能存储装置108再蓄能，以备另一个高热负荷工作循环。实践中，确定热能存储装置108的尺寸，以适应运行中出现的所有热能波动。
该混合式二级低温冷却装置10可以用于适合军用和商用的需要以一种温度或两种温度高效制冷的低温制冷机中。该混合式二级低温冷却装置10也能够很好地用于要求小型、重量轻、寿命长、可靠性高和效能成本合算生产能力高的应用领域中。该混合式二级低温冷却装置10是
权利要求
1.一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)。
2.如权利要求1的低温冷却装置(10)，其中该热能存储装置(108)包括一个三相点冷却器。
3.如权利要求1的低温冷却装置(10)，其中该热能存储装置(108)包括一个使用氮、氩、甲烷和氖之一作为工作流体的三相点冷却器。
4.如权利要求1-3之一的低温冷却装置(10)，其中该第一级斯特林蒸发器(20)包括一个具有蒸发器入口(26)和斯特林蒸发器出口(29)的蒸发体积(28)，一个排出器(23)，该排出器迫使工作气体通过该蒸发器入口(36)和第一级再生器(21)，进入该蒸发体积(28)并因此进入气体流动通道(38)，及一个驱动该排出器(23)的电机(12)。
5.如权利要求4的低温冷却装置(10)，进一步包括一个用于电机(12)的电机控制器(70)，该电机控制器(70)可运行，至少改变电机(12)的冲程和相角之一。
6.如权利要求5的低温冷却装置(10)，进一步包括一个热负荷传感器(72)，其中该电机控制器(70)对该热负荷传感器(72)的控制信号作出响应。
7.如权利要求1-6之一的低温冷却装置(10)，其中该脉冲管蒸发器(30)包括一个脉冲管入口(36)，一个与该脉冲管入口(36)气体连通的脉冲管(32)气体体积，该气体体积包括一个第二级再生器(31)、一个脉冲管(32)气体柱和一个浪涌体积(33)，以及一个与第二级再生器(31)和该脉冲管(32)气体柱热连通的第二级热交换器(44)。
8.一种混合式二级低温冷却装置(10)包括一个第一级斯特林蒸发器(20)包括一个具有一个蒸发器入口(26)的蒸发体积(28)、一个第一级再生器(26)和一个出口(29)，及一个迫使工作气体通过该蒸发器入口(26)和第一级再生器(21)并进入该蒸发体积(28)的排出器(23)；一个与第一级斯特林蒸发器(20)的蒸发体积(28)热连通的热能存储装置(108)；一个第二级脉冲管蒸发器(30)包括一个脉冲管入口(36)，一个与脉冲管入口(36)气体连通的脉冲管(32)气体体积，该气体体积包括一个第二级再生器(31)、脉冲管(32)气体柱和浪涌体积(33)；及一个与第二级再生器(31)和脉冲管(32)气体柱热连通的第二级热交换器(44)；该气体流动通道(38)在斯特林蒸发器(20)蒸发体积(28)的出口(29)和脉冲管入口(36)之间建立气体连通，及一个沿斯特林蒸发器(20)蒸发体积(28)的出口和脉冲管入口(36)之间的气体流动通道布置的流通热交换器(24)。
9.如权利要求8的低温冷却装置(10)，其中该热能存储装置(108)包括一个三相点冷却器。
10.如权利要求8的低温冷却装置(10)，其中该热能存储装置(108)包括一个使用氮、氩、甲烷和氖之一作为工作流体的三相点冷却器。
全文摘要
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。
文档编号F25B9/00GK1383481SQ01801872
公开日2002年12月4日 申请日期2001年7月3日 优先权日2000年7月5日
发明者肯尼思·D·普赖斯, 卡尔·S·柯康奈尔 申请人:雷斯昂公司