專利名稱：基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷機(jī)，尤其涉及一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
脈管制冷機(jī)由于去除了低溫運(yùn)動(dòng)部件——排出器，從而避免了低溫下的滑動(dòng)密封、機(jī)械磨損等問題，可望真正成為低成本、低振動(dòng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的長壽命低溫制冷機(jī)。特 別是隨著小孔和氣庫、雙向進(jìn)氣等調(diào)相結(jié)構(gòu)的提出和成功運(yùn)用，脈管制冷機(jī)制冷溫度不斷 降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已經(jīng)接近甚至在某些工況下超過傳統(tǒng)的回?zé)崾降蜏?制冷機(jī)(如G-M制冷機(jī)、Stirling制冷機(jī)等)，已在超導(dǎo)器件和紅外設(shè)備的冷卻，以及低溫 流體的液化等方面得以實(shí)際應(yīng)用。然而，對于那些對空間尺寸有嚴(yán)格限制的場合，則必須解 決其小型化乃至微型化問題，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出了極大的挑戰(zhàn)。譬如航天器紅外探測裝置、衛(wèi) 星電子器件冷卻等，由于被冷卻器件本身就非常小，甚至小至厘米量級以下，顯然在制冷機(jī) 尺度的要求方面就會(huì)非常嚴(yán)格，至少也要在厘米以下量級。傳統(tǒng)的脈管制冷機(jī)多采用金屬 材料制成，包括回?zé)崞骱兔}管采用不銹鋼管，回?zé)崞鞑牧蟿t采用金屬絲網(wǎng)或者金屬小球，其 他如閥門、換熱器或者連接管道也多采用不銹鋼或者銅制部件。這些材料在傳熱、力學(xué)等性 能方面都具有非常優(yōu)良的特性，但是對于微型脈管系統(tǒng)，它們都需要進(jìn)行在尺度上的微型 化，這給加工帶來了極大的困難，雖然近年來發(fā)展了一些諸如光刻、化學(xué)腐蝕、鍍膜等技術(shù)， 但是在成本、成品率和維修性等方面都還存在很多困難。多孔光纖技術(shù)是近年來發(fā)展起來 的新技術(shù)，在光電信息領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力而受到極大關(guān)注，該領(lǐng)域所利用的則是該 種新型光纖對于光電信號的傳播特性。實(shí)際上，某些類型的多孔光纖和空心光纖本身就是 一根多孔或者單孔毛細(xì)管，如果把它們的這一特性用于脈管制冷機(jī)中，來替代傳統(tǒng)脈管制 冷機(jī)所采用的金屬管件，就可以實(shí)現(xiàn)這些器件的微型化，進(jìn)而構(gòu)成微型脈管制冷機(jī)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷 機(jī)?；诠饫w技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)包括壓力波發(fā)生器、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞鳌?冷端換熱器、脈管、脈管熱端換熱器、慣性管、氣庫、第二進(jìn)氣管；壓力波發(fā)生器與回?zé)崞鳠?端換熱器、回?zé)崞?、冷端換熱器、脈管、脈管熱端換熱器、慣性管、氣庫依次相連，在回?zé)崞鳠?端換熱器進(jìn)氣口與脈管熱端換熱器之間設(shè)有第二進(jìn)氣管，第二進(jìn)氣管與慣性管和氣庫構(gòu)成 制冷機(jī)的雙向進(jìn)氣調(diào)相機(jī)構(gòu)。所述的回?zé)崞魇且欢味嗫坠饫w。所述的脈管、慣性管和第二進(jìn)氣管是一段空心光 纖。所述的壓力波發(fā)生器是壓電式聲波發(fā)生器。本發(fā)明采用多孔光纖制成回?zé)崞?，空心光纖制成脈管，以及更小直徑的空心光纖 代替常規(guī)的毛細(xì)管作為雙向進(jìn)氣和慣性管，從而實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的微型化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)金屬 材料在微加工方面的困難。此外，本發(fā)明中的壓力波發(fā)生器采用壓電式聲波發(fā)生器替代傳統(tǒng)的活塞式壓縮機(jī)，能提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，解決了密封、磨損等帶來的問題。同時(shí)，制冷 機(jī)中的各關(guān)鍵部件采用的都是電絕緣材料，可以極大地減少制冷機(jī)本身產(chǎn)生的電磁干擾。


圖1是基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的多孔光纖截面示意圖；圖3是本發(fā)明的空心光纖截面示意圖。圖中壓力波發(fā)生器1、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、脈管5、脈管 熱端換熱器6、慣性管7、氣庫8、第二進(jìn)氣管9。
具體實(shí)施例方式如圖1 3所示，基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)包括壓力波發(fā)生器1、回?zé)崞鳠?端換熱器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、脈管5、脈管熱端換熱器6、慣性管7、氣庫8、第二進(jìn)氣 管9 ；壓力波發(fā)生器1與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、脈管5、脈管熱端換 熱器6、慣性管7、氣庫8依次相連，在回?zé)崞鳠岫藫Q熱器2進(jìn)氣口與脈管熱端換熱器6之間 設(shè)有第二進(jìn)氣管9，第二進(jìn)氣管9與慣性管7和氣庫8構(gòu)成制冷機(jī)的雙向進(jìn)氣調(diào)相機(jī)構(gòu)。所述的回?zé)崞?是一段多孔光纖。利用其孔徑為1 μ m 100 μ m的空孔做為回?zé)?器流道，起到強(qiáng)化換熱與減小壓降的作用。同時(shí)增大了氣體換熱的比表面積，從而減小回?zé)?器尺寸，使得裝置微型化。所述的脈管5、慣性管7和第二進(jìn)氣管9是一段空心光纖。所述的空心光纖屬于中 空薄壁的光纖，其中包含有一個(gè)通道，可供流體通過；而所述的多孔光纖則在一根光纖內(nèi)包 含有多個(gè)按照一定規(guī)律布置的通道，即由多個(gè)平行通道構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)，或者可被視為一 組管束。在結(jié)構(gòu)尺寸方面，構(gòu)成回?zé)崞?的多孔光纖和構(gòu)成脈管5的空心光纖在直徑上處 于相當(dāng)量級，而構(gòu)成第二進(jìn)氣管9和慣性管7的空心光纖則比構(gòu)成脈管5的空心光纖在直 徑上小一個(gè)數(shù)量級。其中，第二進(jìn)氣管9和慣性管7及氣庫8共同構(gòu)成系統(tǒng)的雙向進(jìn)氣調(diào) 相機(jī)構(gòu)。此外，所述的壓力波發(fā)生器1是壓電式聲波發(fā)生器。本發(fā)明的工作過程如下基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，以壓電式壓力波發(fā)生器產(chǎn)生的壓力波作 為驅(qū)動(dòng)源，在高頻交變的壓縮、膨脹過程中實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)。具體來講，在壓縮過程階段，來自 壓力波發(fā)生器的高壓氣體在回?zé)崞鬟M(jìn)氣口分流，一部分流經(jīng)回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞鞅?預(yù)冷，然后通過冷端換熱器進(jìn)入脈管冷端，另一部分流經(jīng)第二進(jìn)氣管流向脈管一側(cè)，其中部 分經(jīng)脈管熱端換熱器進(jìn)入脈管，推移脈管中的氣體活塞向冷端方向移動(dòng)，脈管內(nèi)工質(zhì)被壓 縮，壓縮熱由脈管熱端換熱器帶出系統(tǒng)。在膨脹過程階段，回?zé)崞鬟M(jìn)氣口處于低壓，脈管中 工質(zhì)因膨脹實(shí)現(xiàn)降溫，脈管冷端的工質(zhì)將冷量傳遞給冷端換熱器后，從回?zé)崞骼涠讼驘岫?流動(dòng)，回?zé)崞髦械奶盍媳焕淞黧w冷卻(為下一壓縮過程儲(chǔ)備冷量)；而脈管內(nèi)的高溫端部分 工質(zhì)經(jīng)脈管熱端換熱器和第二進(jìn)氣管回到壓力波發(fā)生器。在此過程中，慣性管和氣庫會(huì)根 據(jù)第二進(jìn)氣和脈管之間的氣體流動(dòng)情況，參與系統(tǒng)內(nèi)的氣量和相位的調(diào)節(jié)。如此周而復(fù)始， 冷端溫度逐漸下降，直到達(dá)到平衡狀態(tài)。
與傳統(tǒng)的小孔型脈管或慣性管型相比，本發(fā)明中的第二進(jìn)氣管旁通了部分流經(jīng)回 熱器的工質(zhì)，減小了回?zé)崞髁鲃?dòng)損失，于是回?zé)崞餍实靡蕴岣摺Ｓ伸柿髡{(diào)相理論可知，脈 管制冷機(jī)的理論制冷量等于流經(jīng)脈管的焓流，而當(dāng)脈管中速度波與壓力波同相時(shí)，脈管內(nèi) 的焓流最大，也即理論制冷量將會(huì)最大。在小孔型結(jié)構(gòu)運(yùn)行模式下，脈管內(nèi)的壓力波總是滯 后于質(zhì)量波，而流經(jīng)第二進(jìn)氣管進(jìn)入脈管熱端的質(zhì)量流，能夠促使在脈管的冷端實(shí)現(xiàn)壓力 波與速度波同相，甚至于壓力波超前于速度波，從而能提供合適的壓力波與速度波相位關(guān) 系，實(shí)現(xiàn)高效的脈管制冷過程。同時(shí)，由第二進(jìn)氣流向脈管熱端的質(zhì)量流還可起到強(qiáng)化脈管 內(nèi)工質(zhì)壓縮膨脹過程的作用，從而提高其制冷性能。本發(fā)明中采用了慣性管-氣庫結(jié)構(gòu)代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的小孔-氣庫結(jié)構(gòu)。與小孔相比，慣性管除了具有阻力元件特性外，還同時(shí)具有感抗 的調(diào)節(jié)能力，大大增強(qiáng)了其調(diào)相能力，于是可以縮小氣庫的體積，有助于整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微型 化。在本發(fā)明中，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化作為第二進(jìn)氣和慣性管的光纖的流阻特性，確定其長度和直徑，在運(yùn)行過程中無需再對第二進(jìn)氣和慣性管做任何調(diào)節(jié)，而且，由于結(jié)構(gòu)的確定 性，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。
權(quán)利要求
一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)，其特征在于包括壓力波發(fā)生器(1)、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(2)、回?zé)崞?3)、冷端換熱器(4)、脈管(5)、脈管熱端換熱器(6)、慣性管(7)、氣庫(8)、第二進(jìn)氣管(9)；壓力波發(fā)生器(1)與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(2)、回?zé)崞?3)、冷端換熱器(4)、脈管(5)、脈管熱端換熱器(6)、慣性管(7)、氣庫(8)依次相連，在回?zé)崞鳠岫藫Q熱器(2)進(jìn)氣口與脈管熱端換熱器(6)之間設(shè)有第二進(jìn)氣管(9)，第二進(jìn)氣管(9)與慣性管(7)和氣庫(8)構(gòu)成制冷機(jī)的雙向進(jìn)氣調(diào)相機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述的 回?zé)崞?3)是一段多孔光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述的 脈管(5)、慣性管(7)和第二進(jìn)氣管(9)是一段空心光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)，其特征在于，所述的 壓力波發(fā)生器(1)是壓電式聲波發(fā)生器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖技術(shù)的微型脈管制冷機(jī)。它包括壓力波發(fā)生器、回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞?、冷端換熱器、脈管、脈管熱端換熱器、慣性管、氣庫、第二進(jìn)氣管；壓力波發(fā)生器與回?zé)崞鳠岫藫Q熱器、回?zé)崞鳌⒗涠藫Q熱器、脈管、脈管熱端換熱器、慣性管、氣庫依次相連，在回?zé)崞鳠岫藫Q熱器進(jìn)氣口與脈管熱端換熱器之間設(shè)有第二進(jìn)氣管，第二進(jìn)氣管與慣性管和氣庫構(gòu)成制冷機(jī)的雙向進(jìn)氣調(diào)相機(jī)構(gòu)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的微型化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)金屬材料在微加工方面的困難。本發(fā)明能提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，解決了密封、磨損等帶來的問題。同時(shí)，制冷機(jī)中的各關(guān)鍵部件采用的都是電絕緣材料，可以極大地減少制冷機(jī)本身產(chǎn)生的電磁干擾。
文檔編號F25B9/14GK101806512SQ20101014369
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者湯珂, 沈崴, 金滔, 黃迦樂 申請人:浙江大學(xué)