在二級低溫冷卻裝置中獲得溫度穩定性的裝置和方法

2023-12-03 17:31:21

專利名稱：在二級低溫冷卻裝置中獲得溫度穩定性的裝置和方法
該申請是申請日為1999年4月16日、申請序列號為09/292028的申請的部分繼續申請，該申請要求上述申請的優先權，並引用上述申請的說明書作為參考。
本發明涉及一種低溫冷卻裝置，更具體而言，本發明涉及一種運行期間熱負荷變化且是熱穩定化的二級低溫冷卻裝置。
背景技術：
空間飛行器和航空器的一些傳感器和其它元件必須被冷卻到約77°K或低於77°K才能夠正常工作。有幾種方法都是可行的，包括與液化氣體熱接觸以及通常稱為低溫冷卻裝置的低溫製冷裝置。液化氣體的使用通常只限於短期任務。低溫冷卻裝置通常通過氣體從周圍環境吸熱蒸發而起作用。可以使用單級蒸發而在被冷卻元件內達到中間溫度。為了達到一些傳感器工作要求的更低的溫度，例如約40°K或低於40°K，可以使用多級蒸發冷卻器。本發明人關注需要長期連續冷卻到這樣非常低的溫度的應用領域。
一些應用領域中碰到的問題之一是必須由低溫冷卻裝置從被冷卻物體排出和由於熱損失帶來的總熱負荷可以在正常或非正常運行狀態下在大範圍內變化。熱負荷通常處於穩態水平，但是在回落到穩態水平之前偶爾也會有峰值。低溫冷卻裝置必須能夠保持元件被冷卻到要求的工作溫度，不管熱負荷和瞬時峰值水平如何變化。儘管低溫冷卻裝置能夠控制熱負荷變化，但是希望低溫冷卻裝置保持基本恆定的冷卻功率水平，以便動力需求不出現大的波動，該動力變化迫使設計電源以適應該變化。
該問題的一種可能的解決方法是確定低溫冷卻裝置的大小，控制最大可能熱負荷。這種解決方法的缺點是低溫冷卻裝置要建造得比穩態條件要求的更大，必須增加運載工具的尺寸和重量。這種尺寸過大的低溫冷卻裝置還要求功率水平根據熱負荷變化而進行較大變化。
因此需要改進使傳感器和其它元件達到非常低的溫度的方法。本發明滿足了上述要求，並進一步具有相關的優點。
發明概述本發明提供了一種低溫冷卻裝置，該低溫冷卻裝置將元件冷卻到一個非常低的溫度，同時適應熱負荷的較大變化。確定該低溫冷卻裝置的尺寸以滿足穩態熱負荷而不是最大熱負荷的要求。儘管功率水平可以變化，但是在穩態熱負荷下本發明能夠將功率連續保持在使元件維持要求溫度的水平，同時還能夠適應熱負荷變化。
根據本發明，一種混合式二級低溫冷卻裝置包括一個具有第一級界面和一個斯特林蒸發器出口的第一級斯特林蒸發器，一個具有脈衝管入口的第二級脈衝管蒸發器，一個在該斯特林蒸發器出口和該脈衝管入口之間延伸的氣體流動通道，以及一個與該氣體流動通道熱接觸的熱交換器。一個熱能存儲裝置與該第一級界面熱連通。該熱能存儲裝置可以是任何可操作型的，優選是三相點式冷卻器。該三相點式冷卻器可以利用任何可運行的工作流體，例如氮、氬、甲烷或氖。
第一級斯特林蒸發器優選具有一個有蒸發器入口的蒸發體積，一個第一級再生裝置，該斯特林蒸發器出口，一個迫使工作氣體通過該蒸發器入口進入蒸發體積然後進入氣體流動通道的排出器，及一個驅動該排出器的電機。電機有一個電機控制器，電機控制器可運行，至少改變排出器的衝程和相角之一(其中排出器的相是逆壓測量的)。
脈衝管蒸發器優選包括一個脈衝管入口，及一個與脈衝管入口氣體連通的氣體體積。該脈衝管氣體體積包括一個第二級再生器、一個脈衝管氣體柱、一個節流裝置及一個浪湧箱(surge tank)。第二級熱交換器與第二級再生器和脈衝管氣體柱熱連通。
因此，混合式二級低溫冷卻裝置最優選包括一個第一級斯特林蒸發器，該斯特林蒸發器具有一個有蒸發器入口的蒸發體積、一個第一級再生器、一個出口和一個迫使工作氣體通過該蒸發器入口進入蒸發體積的排出器。有一個與第一級斯特林蒸發器的蒸發體積熱連通的熱能存儲裝置。第二級脈衝管蒸發器具有一個脈衝管入口，一個與脈衝管入口氣體連通的脈衝管氣體體積，該氣體體積包括一個第二級再生器、一個脈衝管氣體柱、一個節流裝置、一個浪湧箱和一個與第二級再生器和該脈衝管氣體柱熱連通的第二級熱交換器。一個氣流通道在斯特林蒸發器的蒸發體積出口與該脈衝管入口之間建立熱連通，一個流通熱交換器沿斯特林蒸發器的蒸發體積出口與該脈衝管入口之間的氣體流動通道布置。
這種多級低溫冷卻裝置有能力通過驅動第一級斯特林蒸發器排出器的電機運轉，在第一級斯特林蒸發器和第二級脈衝管蒸發器之間分配冷卻功率。如果檢測到熱負荷增加，那麼該電機將增加的冷卻功率分配給第二級脈衝管蒸發器，以便正被冷卻的元件保持在其溫度要求內。給第一級斯特林蒸發器的冷卻功率減少，但是熱能存儲裝置臨時吸收不能被以減少的冷卻功率運行的第一級斯特林蒸發器排出的第二級脈衝管蒸發器熱端的那部分熱量。當第二級脈衝管蒸發器的熱負荷返回到更接近穩態水平時，從該第二級脈衝管蒸發器將冷卻功率再分配給第一級斯特林蒸發器，從而從熱能存儲裝置中將臨時存儲的熱量排出，並存儲和準備用於後面的熱負荷峰值。所有這些循環中，儘管冷卻功率根據需要進行了再分配，低溫冷卻裝置的動力消耗水平保持大體恆定。
因此本發明提供了一種比傳統低溫冷卻裝置更先進的低溫冷卻裝置。本發明的低溫冷卻裝置的大小根據穩態熱負荷要求確定，熱能存儲裝置用作一個緩衝器。顯然，該熱能存儲裝置將低溫冷卻裝置穩定於第一級斯特林蒸發器，同時將溫度保持在第二級脈衝管蒸發器的熱負荷工作範圍內。因此該熱能存儲裝置在基本高於被冷卻元件的溫度下工作，但是允許被冷卻元件的溫度保持基本恆定。
從下面結合附圖對通過實例說明本發明原理的最佳實施例的更詳細描述中，本發明的其它特點和優點將變的更加清楚。但是本發明的保護範圍不受該最佳實施例的限制。
附圖簡述

圖1是該低溫冷卻裝置的示意圖；圖2是具有第一級斯特林蒸發器的該低溫冷卻裝置的剖視示意圖；圖3是該脈衝管蒸發器的剖視示意圖；圖4是沿圖3中4-4線的該脈衝管蒸發器的剖視示意圖；圖5是圖1中的低溫冷卻裝置運行的方框流程圖；圖6A-6C是P-V冷卻功率圖，其中大部分冷卻功率被分配給第一級斯特林蒸發器(圖6A)，冷卻功率在二級之間是平衡的(圖6B)，大部分冷卻功率被分配給第二級脈衝管蒸發器(圖6C)；及圖7表示該低溫冷卻裝置的計算機模擬結果。
發明詳述圖1大體表示了一個也稱為二級蒸發器的二級低溫冷卻裝置10。該二級低溫冷卻裝置10包括一個第一級斯特林蒸發器20和一個第二級脈衝管蒸發器30。下面將詳細討論第一級斯特林蒸發器20和第二級脈衝管蒸發器30的結構和運行。壓縮機100給第一級斯特林蒸發器20提供壓縮工作氣體，如氦。該工作氣體蒸發進入蒸發體積28。該工作氣體從蒸發體積28流出通過一個斯特林蒸發器出口29，並進入第二級脈衝管蒸發器30的脈衝管入口36內。下面將更詳細討論第一級斯特林蒸發器20和第二級脈衝管蒸發器30之間的第一級界面104。第二級熱界面41設置在第二級脈衝管蒸發器30和此處用傳感器106表示的有待被冷卻的元件形式的熱負荷之間。
一個主要特徵是與第一級界面104熱連通的熱能存儲裝置108。當第一級斯特林蒸發器運行時，該熱能存儲裝置108吸收來自第一級界面104的多餘熱量，以便不能排出冷卻第一級界面104所需要的所有熱量。如將要討論的那樣，當引入第二級熱界面41的熱通量高時會出現這種情況，該系統運行，以便冷卻(製冷)功率優先分配給第二級脈衝管蒸發器30。熱能存儲裝置108可以是任何一種類型的，但是優選一種可以通過材料相變吸收和釋放能量的熱能存儲裝置。當工作流體受熱到氣態時熱量被吸收，當工作流體被冷卻到固態或液態時熱量被釋放。熱能存儲裝置108優選是一種本領域公知的用於其它應用領域中的一種三相點式冷卻器。用於三相點式冷卻器的工作流體優選是氮、氬、甲烷或氖。
圖2-4更詳細表示了二級低溫冷卻裝置10的工作元件。實例中混合式二級低溫冷卻裝置10的第一級斯特林蒸發器20包括一個撓曲安裝的斯特林蒸發器20。該斯特林蒸發器20具有一個增壓室22和一個包括薄壁冷圓柱體的冷端，一個位於該蒸發體積28熱端的蒸發器入口26，一個設置在蒸發體積28內的可移動活塞或排出器23，以及一個第一級再生器21和熱交換器24。
該排出器23懸掛在前和後撓曲元件25上。該排出器23由位於增壓室22前端的電機12控制和推動。可以使用一個撓曲懸掛的平衡器27提供抵抗移動排出器23慣性的內部作用。
第二級脈衝管蒸發器30包括一個第二級再生器(再生熱交換器)31、一個脈衝管32、一個相角控制管口和一個浪湧體積33。該脈衝管32連接在第二級熱界面41的一端。第二級熱界面41的第一端蓋42密封脈衝管氣體柱32，第二端蓋43密封第二級再生器31。一個第二級熱交換器44設置在連接在脈衝管32和第二級再生器31間的第二級熱界面41內。
流通熱交換器34設置在第一級斯特林蒸發器20和第二級脈衝管入口熱交換器51和脈衝管出口熱交換器52之間的熱界面35處。工作氣體沿在斯特林蒸發器出口29和脈衝管入口36之間延伸的氣體流動通道38流動。熱交換器24與氣體流動通道38熱接觸。第三端蓋53密封流通熱交換器34內的脈衝管32的氣體柱的端部。開口54設置在連接浪湧體積33的流通熱交換器34內，並用作相角控制管口。
在該混合式二級低溫冷卻裝置10中，工作氣體如氦流入蒸發器入口26，進入第一級再生器21和熱交換器24內。流入第一級斯特林蒸發器20內冷體積內的氣體由第一級再生器21和熱交換器24再生。一部分氣體保留在位於第一級再生器21和熱交換器24之間的第一級蒸發體積內。氣體逐漸變少的部分繼續到達第二級再生器31、脈衝管32和浪湧體積33內。氣體回流沿相同通道逆向流動。
與其它多級蒸發器相比，混合式二級低溫冷卻裝置10的一個顯著優點是容易在二級20、30之間調節製冷能力。方法是改變斯特林第一級蒸發器20內排出器23的衝程和/或相角，利用改變進入浪湧體積33的質流分布的開口54(相角控制管口)。附加控制等級能夠使任何工作點的性能優化，包括在實際太空飛行器熱環境的軌道上。該特點在使用混合式二級低溫冷卻裝置10時能夠節省能源。
在從二級低溫冷卻裝置10內的氣體中排出絕大部分熱負荷時，第一級斯特林蒸發器20具有很高的熱力學性能。第二級脈衝管蒸發器30提供了附加的製冷功率並提高了能源利用係數。由於其沒有移動部件的簡單性，第二級脈衝管蒸發器30不會增加製造的複雜性。
通過提高第一級和第二級蒸發器20、30之間熱界面的熱交換係數，位於第一級和第二級蒸發器20、30之間的熱界面35上的流通熱交換器34顯著提高了第一級的效率(相對於傳統單級斯特林蒸發器)。與具有相當熱力學能力的傳統一級或二級脈衝管冷卻器相比，該斯特林蒸發器20減少了混合式蒸發器10的總無用體積。因此該斯特林蒸發器20減少了質流需求，減少了壓縮機的工作體積，能夠用較小的壓縮機完成製冷。
由於脈衝管再生器31在降低了的溫度下運行，因此混合式二級低溫冷卻裝置10內再生器壓降較小。因此氣體密度較大，氣體粘度較低，導致壓降降低。
電機控制器70控制電機12的運行，至少包括排出器23的衝程和電機的相角。在第二級熱界面41的情況下，熱負荷傳感器72與傳感器106以及第二級脈衝管蒸發器30熱連通。熱負荷傳感器72通過測量第二級熱界面41的溫度來測量第二級熱界面41上的熱負荷。電機控制器70利用熱流傳感器72的信號確定冷卻功率在第一級斯特林蒸發器20和第二級脈衝管蒸發器30之間的分配。
圖5表示冷卻待冷元件如傳感器106的一種最優選方法。提供低溫冷卻裝置10，附圖標記80。該低溫冷卻裝置10首先在穩態能力分配下運行，附圖標記82。將該冷卻(製冷)能力分配給第一級斯特林蒸發器20和第二級脈衝管蒸發器30，以便在穩態熱負荷下使傳感器106保持在要求的溫度。之後，必須在這兩個蒸發器20和30之間再次分配冷卻功率，附圖標記84。能夠給第一級斯特林蒸發器20分配較多的冷卻功率(因此給第二級脈衝管蒸發器30分配較少的冷卻功率)，附圖標記86，或者給第二級脈衝管蒸發器30分配較多的冷卻功率(因此給第一級斯特林蒸發器20分配較少的冷卻功率)，附圖標記88。
在給第二級熱界面41臨時增加熱負荷的一種典型情況下，接續步驟88，給第二級脈衝管蒸發器30分配較多的冷卻功率。由於在給第一級斯特林蒸發器20分配較少冷卻功率的期間內，第一級斯特林蒸發器20不能夠滿足熱負荷要求，並傾向於落在後邊，因此其溫度上升。多餘的熱量臨時存儲在用作第二級脈衝管蒸發器30的散熱裝置的熱能存儲裝置108內。之後的時間內，當第二級熱界面41的熱負荷從臨時高負荷回落到穩態水平時，冷卻功率轉移到第一級，附圖標記86，回收熱能存儲裝置108內存儲的熱量，並準備給下一個高熱負荷周期。當達到平衡時，恢復穩態冷卻功率82。
進行冷卻功率分配的方法是改變排出器23的衝程(改變電機12的大小)，或者改變排出器23的相角(改變電機12的相角)。圖6A-6C使用傳統的壓力-體積(PV)圖表示了冷卻功率的分配。在圖6A中，較大部分的冷卻功率被分配給第一級斯特林蒸發器20，較小部分冷卻功率被分配給第二級脈衝管蒸發器30，對應於圖5中的步驟86。在圖6C中，較小部分的冷卻功率被分配給第一級斯特林蒸發器20，較大部分冷卻功率被分配給第二級脈衝管蒸發器30，對應於圖5中的步驟88。在圖6B中，冷卻功率的比例基本平衡，對應於圖5中的步驟82。
本發明的方法已經被二級低溫冷卻裝置10的計算機模型證實，結果表示在圖7中。在該模型中，第一級斯特林蒸發器20的排出器23的工作相角從50度-90度變化，並計算了二級中每一級的冷卻功率。圖7表示具有36.5°K第二級負荷和氮三相點熱能存儲裝置108的低溫冷卻裝置的結果。當第一級排出器23的相角從90度減小時，第一級製冷減少而第二級製冷增加。這種情況下，通過兩個因素中的一個，使第二級製冷增加，同時通過約7個因素中的一個使第一級製冷減少。只要熱能存儲裝置108維持必須的第一級溫度，那麼該運行狀態就能夠保持。當熱能存儲裝置108中的冷卻功率用盡時，相角返回到90度，通過7個因素中的一個使第一級製冷增加，熱能存儲裝置108再蓄能，以備另一個高熱負荷工作循環。實踐中，確定熱能存儲裝置108的尺寸，以適應運行中出現的所有熱能波動。
該混合式二級低溫冷卻裝置10可以用於適合軍用和商用的需要以一種溫度或兩種溫度高效製冷的低溫制冷機中。該混合式二級低溫冷卻裝置10也能夠很好地用於要求小型、重量輕、壽命長、可靠性高和效能成本合算生產能力高的應用領域中。該混合式二級低溫冷卻裝置10是
權利要求
1.一種混合式二級低溫冷卻裝置(10)包括一個具有第一級界面(104)和斯特林蒸發器出口(29)的第一級斯特林蒸發器(20)；一個與第一級界面(104)熱連通的熱能存儲裝置(108)；一個具有脈衝管入口(36)的第二級脈衝管蒸發器(30)；一個在該斯特林蒸發器出口(29)和該脈衝管入口(36)之間延伸的氣體流動通道(38)；及一個與該氣體流動通道(38)熱接觸的熱交換器(24)。
2.如權利要求1的低溫冷卻裝置(10)，其中該熱能存儲裝置(108)包括一個三相點冷卻器。
3.如權利要求1的低溫冷卻裝置(10)，其中該熱能存儲裝置(108)包括一個使用氮、氬、甲烷和氖之一作為工作流體的三相點冷卻器。
4.如權利要求1-3之一的低溫冷卻裝置(10)，其中該第一級斯特林蒸發器(20)包括一個具有蒸發器入口(26)和斯特林蒸發器出口(29)的蒸發體積(28)，一個排出器(23)，該排出器迫使工作氣體通過該蒸發器入口(36)和第一級再生器(21)，進入該蒸發體積(28)並因此進入氣體流動通道(38)，及一個驅動該排出器(23)的電機(12)。
5.如權利要求4的低溫冷卻裝置(10)，進一步包括一個用於電機(12)的電機控制器(70)，該電機控制器(70)可運行，至少改變電機(12)的衝程和相角之一。
6.如權利要求5的低溫冷卻裝置(10)，進一步包括一個熱負荷傳感器(72)，其中該電機控制器(70)對該熱負荷傳感器(72)的控制信號作出響應。
7.如權利要求1-6之一的低溫冷卻裝置(10)，其中該脈衝管蒸發器(30)包括一個脈衝管入口(36)，一個與該脈衝管入口(36)氣體連通的脈衝管(32)氣體體積，該氣體體積包括一個第二級再生器(31)、一個脈衝管(32)氣體柱和一個浪湧體積(33)，以及一個與第二級再生器(31)和該脈衝管(32)氣體柱熱連通的第二級熱交換器(44)。
8.一種混合式二級低溫冷卻裝置(10)包括一個第一級斯特林蒸發器(20)包括一個具有一個蒸發器入口(26)的蒸發體積(28)、一個第一級再生器(26)和一個出口(29)，及一個迫使工作氣體通過該蒸發器入口(26)和第一級再生器(21)並進入該蒸發體積(28)的排出器(23)；一個與第一級斯特林蒸發器(20)的蒸發體積(28)熱連通的熱能存儲裝置(108)；一個第二級脈衝管蒸發器(30)包括一個脈衝管入口(36)，一個與脈衝管入口(36)氣體連通的脈衝管(32)氣體體積，該氣體體積包括一個第二級再生器(31)、脈衝管(32)氣體柱和浪湧體積(33)；及一個與第二級再生器(31)和脈衝管(32)氣體柱熱連通的第二級熱交換器(44)；該氣體流動通道(38)在斯特林蒸發器(20)蒸發體積(28)的出口(29)和脈衝管入口(36)之間建立氣體連通，及一個沿斯特林蒸發器(20)蒸發體積(28)的出口和脈衝管入口(36)之間的氣體流動通道布置的流通熱交換器(24)。
9.如權利要求8的低溫冷卻裝置(10)，其中該熱能存儲裝置(108)包括一個三相點冷卻器。
10.如權利要求8的低溫冷卻裝置(10)，其中該熱能存儲裝置(108)包括一個使用氮、氬、甲烷和氖之一作為工作流體的三相點冷卻器。
全文摘要
一種混合式二級低溫冷卻裝置(10)包括一個具有第一級界面(104)和斯特林蒸發器出口(29)的第一級斯特林蒸發器(20),一個與第一級界面(104)熱連通的熱能存儲裝置(108),和一個具有一個脈衝管入口(36)的第二級脈衝管蒸發器(30)。一個氣體流動通道(38)在該斯特林蒸發器出口(29)和該脈衝管入口(36)之間延伸,一個熱交換器(24)與該氣體流動通道(38)熱接觸。第一和第二級相對冷卻功率可以得到控制,以便根據第二級熱負荷的增加,相對於第一級增加第二級的冷卻功率。該熱能存儲裝置(108)在此期間用作一個熱緩衝器,在調節相對冷卻功率以增加第一級的冷卻功率之後被冷卻。
文檔編號F25B9/00GK1383481SQ01801872
公開日2002年12月4日 申請日期2001年7月3日 優先權日2000年7月5日
發明者肯尼思·D·普賴斯, 卡爾·S·柯康奈爾 申請人:雷斯昂公司