U型脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器的结构及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的技术领域涉及制冷与低温工程领域、超导工程领域和通信工程领域，涉及脉冲管制冷机和高温超导滤波器，特别涉及一种U型脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器的结构及制造方法。
【背景技术】
[0002]高温超导技术作为近年来发展迅猛的前沿技术之一，应用于移动通信领域，具有许多优势，特别是高温超导材料制成的高温超导滤波器，与常规的滤波器相比，其通带损失小，阻带抑制大、边带陡峭、可制成极窄带滤波器、体积小、质量轻。应用于民用移动通信领域，高温超导滤波器可显著提高移动基站的选择性、灵敏度和信息传输速度、提高通话质量、增加通话容量、扩大基站覆盖面积、增强基站抗干扰能力、降低手机发射功率。随着高温超导滤波器理论和制造工艺的成熟，以及移动通讯业在全球范围内的迅猛发展，高温超导滤波器有望为全球移动通信领域带来革命性的变化。
[0003]移动基站用高温超导滤波器最佳工作环境温度为60?80K，目前在此温区，小型低温机械制冷机作为冷源，可以很好的满足高温超导滤波器冷量要求，考虑到高温超导滤波器的外在工作环境，除冷量要求外，还需要制冷机具有稳定、高效、低干扰、长寿命、小体积、轻重量等特点。目前，国内外移动基站用高温超导滤波器产品大多采用斯特林制冷机作为低温冷源，但由于斯特林制冷机冷头端排出器等运动部件会带来机械振动及电磁干扰信号，对高温超导滤波器的工作输出信号有较大影响。而且斯特林制冷机的可靠性和工作寿命也是影响其工作性能的一个较大瓶颈。
[0004]20世纪80年代以后投入使用的脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，与其他小型回热式低温制冷机尤其是斯特林制冷机相比，它取消了冷端排出器，相位调节由被动调相机构完成，因此在冷端无运动部件，实现了冷端低振动、低干扰以及无磨损，并经过调相结构方式上的改进，在一些典型温区如60?80K温区，其效率已经达到回热式低温制冷机中的最高值。因此，脉冲管制冷机具有冷量大、效率高、冷端无机械振动、可靠性高、预期寿命长等诸多优点。
[0005]脉冲管制冷机根据脉冲管与蓄冷器相对位置的不同有三种典型的布置方式，如图1所示，其中(a)为直线型，(b)为U型，(C)为同轴型。三种型式的脉冲管制冷机均由压缩机1、连管2、蓄冷器3、脉冲管4、调相结构5以及气库6等主要结构组成。直线型布置中脉冲管4和蓄冷器3处于一条直线，U型布置中脉冲管4和蓄冷器3相互平行，同轴型布置中脉冲管4同心地插入蓄冷器3。三种型式中，同轴型结构最为紧凑，但由于制冷机内部气体工质需要在冷端折转180度，会引起较大的阻力损失及气流扰动，并且由于蓄冷器3和脉冲管4的温度不匹配，不可避免地带来冷量损失；直线型布置中，气流不需要折返，可以最大限度降低气体流动阻力，在三种布置方式中效率最高，但是其冷端位于蓄冷器3与脉冲管4之间，冷指整体较长，使得冷量提取不便，与器件耦合困难，是制约直线型进一步应用的关键因素。
[0006]由图1可以看出，在脉管制冷机的三种典型布置方式中，U型结构与同轴型结构一样，冷端处于一端，与器件的耦合较为方便，相对于直线型布置而言结构较为紧凑。且蓄冷器和脉冲管不直接接触，避免了同轴型结构中蓄冷器和脉冲管温度分布不匹配带来的冷量损失。因此U型结构的制冷效率相对要高于同轴型，而较直线型布置结构更为紧凑且较方便与器件耦合，因而可充分利用U型脉冲管制冷机的优点，使其用于高温超导滤波器的冷却。
【发明内容】
[0007]鉴于高温超导滤波器及U型脉冲管制冷机的特点，本发明提出一种利用U型脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器的结构及制造方法，目的在于，充分利用U型脉冲管制冷机在60?80K温区效率高、冷量大、易于器件耦合等优点，为高温超导滤波器提供稳定可靠的低温冷源。
[0008]所发明的U型脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器的结构如图2所示，由U型冷头8、热端散热支撑平台7、圆柱杜瓦9、高反射屏11、防辐射屏12、细框架结构13、设备箱21组成，其特征如下:
[0009]U型脉冲管制冷机的冷指由蓄冷器3、脉冲管4、调相机构5、气库6、热端散热支撑平台7、U型冷头8组成，压缩机I通过连管2与冷指耦合组成U型脉冲管制冷机。其中热端散热支撑平台7将U型脉冲管制冷机的蓄冷器热端散热与脉冲管热端散热集成为一体，并与圆柱杜瓦9耦合，支撑组成真空室；高温超导滤波器10放置固定于U型冷头8工作面，以与U型脉冲管制冷机耦合。在U型冷头8上表面设置高反射屏11与防辐射屏12，将高温超导滤波器10和U型冷头8罩于其中，热端散热支撑平台7上安装细框架结构13，细框架结构13外部裹有多层防辐射材料，蓄冷器3和脉冲管4周围分别裹有多层防辐射材料，将U型脉冲管制冷机冷指罩于其中。圆柱杜瓦9下端与热端散热支撑平台7上端相贴合，利用螺钉进行紧固连接，密封圈进行密封。在圆柱杜瓦9侧壁上安装真空阀门14，运行时利用抽真空设备通过真空阀门14保持真空度在5.0X 10 6Pa以下。高温超导滤波器10通过同轴电缆15连接位于热端散热支撑平台7上的密封电连接件16将信号传递至真空室外，并通过电缆线17将信号传输至电控及信号采集装置18。电控及信号采集装置18通过信号线19对压缩机I进行电源信号的输入以及控制，电缆线17及信号线19通过束线装置20固定。整体设备放置于设备箱21中。电控及信号采集装置18位于设备箱21挡板22下方的电控室右侧，在电控室外侧设置有外部的电源及信号接口。在挡板22上方放置U型脉冲管制冷机，位于挡板22及上侧板之间的动力室放置压缩机1，利用压缩机支架24进行固定。压缩机I下端放置于散热平台25上端，散热平台25下端与气库连接件26连接，气库连接件26下端连接气库6，并放置于挡板22，利用固定板23进行固定。气库连接件26在滤波器结构正面一侧有开孔，方便U型脉冲管制冷机热端连管27通过。热端连管27绕过压缩机1，穿过气库连接件26开孔，与调相结构5及气库6相连。设备箱21左右侧板分别安装风扇28与栅栏29，设备运行时风扇28开启，在热端散热支撑平台7位置处形成空气流动通道，为其进行散热。
[0010]所发明的U型脉冲管制冷机冷却高温超导滤波器结构的制造方法如下:
[0011]U型冷头8采用导热性能良好的高纯无氧铜制作而成，由蓄冷器端冷头30、脉冲管端冷头31和狭缝柱32组成。蓄冷器端冷头30下端利用线切割慢走丝加工30-60条宽0.02?0.15mm的狭缝，形成狭缝孔34，方便蓄冷器3插入，在蓄冷器端冷头30右侧有盲孔方便狭缝柱32左端插入；在脉冲管端冷头31下端采用线切割慢走丝加工狭缝形成狭缝孔35，方便脉冲管4插入。在脉冲管端冷头32左侧车盲孔方便狭缝柱32插入。狭缝柱32为一段圆柱形阶梯段零件，分别在左右两端采用线切割慢走丝加工狭缝36。安装时狭缝柱32左端插入蓄冷器端冷头30，右端插入脉冲管端冷头31，在33处采用真空洁净钎焊方式将三部件密封焊接为一体。精车U型冷头8上表面平面度在0.1Omm以下，表面涂低温导热硅脂，与高温超导滤波器10紧密贴合。安装高反射屏11与防辐射屏12于U型冷头8上表面，将高温超导滤波器10和U型冷头8罩于其中，采用高反射率材料制成。高反射屏11截面呈几字形结构，两侧钻小孔37，方便同轴电缆15的通过，壁厚0.5?2.0mm。防辐射屏12的四壁厚度0.2?1.0mm。在高反射屏11下端边台及防福射屏12上端边台上车有均布通孔38。高反射屏11和防辐射屏12内表面发黑处理，外表面打磨抛光。利用均布通孔38用螺钉紧固连接于U型冷头8上表面。细框架结构13由3?10根材料为环氧玻璃钢纤维的折弯细棒构成，安装于热端散热支撑平台7，外部裹有多层防辐射材料，将U型脉冲管制冷机冷指与高温超导滤波器10罩于其中。热端散热支撑平台7整体呈圆形平板结构，下端车凸台39，连管2插入凸台39中心圆孔，另一端连接压缩机1，热端连管27插入下端右侧相应圆孔，另一端连接调相结构5及气库6。热端散热支撑平台7上端车凸台40。分别在热端散热支撑平台7上端利用线切割慢走丝加工狭缝孔41和狭缝孔42，蓄冷器3和脉冲管4分别插入蓄冷器端狭缝孔41及脉冲管端狭缝孔42。热端散热支撑平台7上端面车均布小凸台43，连接固定细框架结构13。热端散热支撑平台7对称安装密封电连接件16。热端散热支撑平台7上端面与圆柱杜瓦9耦合，通过螺钉利用均布通孔44进行紧固连接，利用密封圈进行密封。热端散热支撑平台7外圆安装于设备箱22上侧板的中心圆孔，使U型脉冲管制冷机冷指及真空室得到固定。挡板22及固定板23支撑U型脉冲管制冷机热端气库连接件26使U型脉冲管制冷机得到固定支撑。挡板22由对称的两块薄板组成，将两块对称半圆环形固定板23对称安装并利用螺钉固定于挡板22上，使挡板22两对称件连接成为一体。挡板22及固定板23将设备箱21空间分隔为动力室和电控室两部分，对U型脉冲管制冷机热端起到支撑作用。
[0012]本发明有如下特点: