CN101231049B - 一种适用于制冷探测器的低温节流器 - Google Patents

一种适用于制冷探测器的低温节流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于制冷探测器的低温节流器，其由壳体(1)、驱动件(3)、底座(4)、形状记忆弹簧(5)、偏置弹簧(6)组成；壳体(1)底端与底座(4)的凸缘(41)通过螺纹连接，壳体(1)的内部从左至右放置有偏置弹簧(6)、驱动件(3)、形状记忆弹簧(5)，偏置弹簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸台(42)上，偏置弹簧(6)的另一端套接在驱动件(3)的A凸台(33)上，形状记忆弹簧(5)的一端套接在驱动件(3)的连杆(32)上，形状记忆弹簧(5)的另一端与壳体(1)的A收敛段(12)接触。在本发明中，形状记忆弹簧(5)采用低相变点TiNiFe形状记忆合金材料，制作成细径0.2～1.5mm的丝材，缠绕成微型驱动记忆螺旋弹簧；本发明节流器采用TiNiFe记忆合金丝材来制作调节式制冷器的驱动件，克服了采用Cu基形状记忆合金的缺点，具有加工制作容易，使用重复性好、寿命长、结构简单的优点。

Description

一种适用于制冷探测器的低温节流器
技术领域
本发明涉及一种用作制冷探测器的低温节流器，该节流器采用形状记忆弹簧在不同温度变化条件下的弹性伸缩，推动针阀开启或关闭来控制制冷探测器流量的大小，从而实现制冷探测器流量、制冷功率自调的功能。
背景技术
制冷探测器中的节流器，目前主要是以波纹管作为调节控制元件的。这种技术的先天缺陷是对波纹管组件的气密性要求高，一旦泄漏，则制冷探测器功能失效。
作者王三煜在《红外技术》上于2007年9月出版的“记忆合金调节式制冷器研究”中公开了一种由主动弹簧、记忆合金调节器、补偿块、平衡弹簧、阀针构成的针阀控制机构，装配时，调节机构设置一初始预紧力，针阀处于开启状态，当节流降温至低于记忆合金转化温度时，调节器刚度变小，主动弹簧推动针阀机构关闭，制冷器流量变小，从而实现制冷器流量、制冷功率自调的功能。但该记忆合金调节式制冷器制造、装配、调试难度大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于制冷探测器的低温(25℃～-196℃)节流器，该节流器所需零件少、装配易控且结构简单，而采用的驱动源则为TiNiFe形状记忆合金丝材。该TiNiFe形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度为-153℃，将形状记忆合金材料拉拔成丝，缠绕成所需要的形状记忆合金螺旋弹簧，采用不锈钢丝制作偏置弹簧(与主动弹簧的功能相同)，将形状记忆合金弹簧与偏置弹簧组合安装于节流器，当液氮由液氮口进入，温度降低到-153℃，形状记忆合金弹簧开始变软，偏置弹簧压缩记忆合金弹簧，带动驱动件运动，使得驱动件的顶尖与顶孔闭合从而实现节流目的。
本发明是一种适用于制冷探测器的低温(25℃～-196℃)节流器，由壳体1、驱动件3、底座4、形状记忆弹簧5、偏置弹簧6组成；壳体1底端与底座4的凸缘41通过螺纹连接，壳体1的内部从左至右放置有偏置弹簧6、驱动件3、形状记忆弹簧5，偏置弹簧6的一端套接在底座4的B凸台42上，偏置弹簧6的另一端套接在驱动件3的A凸台33上，形状记忆弹簧5的一端套接在驱动件3的连杆32上，形状记忆弹簧5的另一端与壳体1的A收敛段12接触。形状记忆弹簧5与偏置弹簧6构成弹性驱动器，弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系：
F = k 2 ( k 1 d 1 k 1 + k 2 - x ) - a - bexp ( ( k 1 + k 2 ) x + k 2 d 2 c ( k 1 + k 2 ) ) .
本发明低温(25℃～-196℃)节流器的优点：采用TiNiFe记忆合金丝材来制作调节式制冷器的驱动件克服了采用Cu基形状记忆合金的缺点，具有加工制作容易，使用重复性好、寿命长、结构简单的优点；形状记忆弹簧采用低相变点TiNiFe形状记忆合金(低温记忆合金)材料，制作成细径0.2～1.5mm的丝材，缠绕成微型驱动记忆螺旋弹簧；形状记忆弹簧与偏置弹簧的匹配，构成了用于节流制冷探测器的微型弹簧驱动器。
附图说明
图1是本发明制冷探测器的低温节流器的外部结构图。
图1A是本发明制冷探测器的低温节流器的爆炸示图。
图2是本发明制冷探测器的低温节流器的等轴剖示图。
图3是本发明驱动件的结构图。
图4是本发明形状记忆弹簧的结构图。
图中：    1.壳体      11.气腔        12.A收敛段    13.B收敛段2.顶孔        3.驱动件    31.锥形顶尖    32.连杆       33.A凸台34.顶板       4.底座      41.凸缘        42.B凸台5.形状记忆弹簧            6.偏置弹簧
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种适用于制冷探测器的低温节流器，该低温节流器由壳体1、驱动件3、底座4、形状记忆弹簧5、偏置弹簧6组成；形状记忆弹簧5与偏置弹簧6构成弹性驱动器(该弹性驱动器用于推动驱动件3运动，使顶尖31开启或关闭顶孔2，从而达到调节液氮的流量进入)。
参见图1、图2所示，壳体1为圆筒形状；壳体1的底端设有内螺纹(该内螺纹用于与底座4的外螺纹实现螺纹连接)；壳体1的上部从左至右设有A收敛段12、B收敛段13，A收敛段12的下端面用于与形状记忆弹簧5的一端接触，B收敛段13的中心为顶孔2，顶孔2用于液氮进入；壳体1内的有气腔11，该气腔11用于存放通过顶孔2进入的液氮。在装配时，驱动件3的连杆31的中心轴线与顶孔2的中心线在同轴上。
参见图1A、图3所示，驱动件3的顶板34上面中心位置设有连杆32，连杆32的端部设计为具有30～45锥度的锥形顶尖31，驱动件3的顶板34下面中心位置设有0.5～3cm厚的A凸台33；在本发明中，连杆32的直径可以小于或者等于A凸台33的直径。
参见图1A所示，底座4的凸缘41上设有外螺纹，该外螺纹与壳体1底端的内螺纹相配合实现壳体1与底座4的连接，同时也实现了初始调节弹性驱动器的预紧力；底座4的中心位置设有B凸台42，B凸台42与驱动件3上的A凸台33之间套接有偏置弹簧6。
参见图1A、图4所示，形状记忆弹簧5为螺旋式弹簧结构，形状记忆弹簧5采用TiNiFe形状记忆合金丝材，且Fe元素的含量为0.1～3wt％，该TiNiFe形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度范围为25℃～-160℃，经缠绕工艺制成弹簧形状，形状记忆弹簧5的簧与簧的宽度(簧距)d为1～3mm，簧的直径φ为0.3～1mm。形状记忆弹簧5的具体材料组分为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金，该Ti50Ni47Fe3形状记忆合金制得的丝材加工成弹簧，其马氏体开始相变温度-153℃。
参见图1A所示，偏置弹簧6采用不锈钢加工的螺旋式弹簧结构。
壳体1底端与底座4通过螺纹连接，壳体1的内部从左至右放置有偏置弹簧6、驱动件3、形状记忆弹簧5，偏置弹簧6的一端套接在底座4的B凸台42上，偏置弹簧6的另一端套接在驱动件3的A凸台33上，形状记忆弹簧5的一端套接在驱动件3的连杆32上，形状记忆弹簧5的另一端与壳体1的A收敛段12接触。在装配时，驱动件3的锥形顶尖31相距顶孔2端面0.5～3mm，有利于节流器所需冷却源由顶孔2进入。当气腔11内的温度下降至形状记忆弹簧5的马氏体开始相变点温度时(此处所说的温度需要根据使用节流器的要求，进行在制作形状记忆弹簧丝材时进行设定，如选取的形状记忆材料为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金时，加工丝材时，设定马氏体开始相变点温度为-153℃，则气腔11的温度下降至-153℃时，形状记忆弹簧5将发生伸长或收缩的变化，从而使锥形顶尖31开启或关闭顶尖2，来达到节流)，形状记忆弹簧5收缩，偏置弹簧6伸长，从而推动驱动件3向右运动，达到顶尖31顶紧顶孔2，阻止液氮进入，实现节流。
在本发明中，弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系： F = k 2 ( k 1 d 1 k 1 + k 2 - x ) - a - bexp ( ( k 1 + k 2 ) x + k 2 d 2 c ( k 1 + k 2 ) ) , 式中，F表示弹性驱动器的驱动力，x表示驱动件3的位移量，k1表示形状记忆合金弹簧5在常温时弹性系数，k2表示偏置弹簧6在常温时弹性系数，d1表示形状记忆合金弹簧5的预压缩量，d2表示偏置弹簧6的预压缩量，a表示驱动件3在气腔11中的初始位置，c表示弹性驱动器的驱动力与输出位移之间拟合曲线常数。
在本发明中，用于制作形状记忆合金弹簧5的TiNiFe形状记忆合金丝材的制备方法如下：
(A)配制合金成分
按TiNiFe目标成分配比称取纯度99.9％的海绵钛(Ti)和纯度99.9％的镍(Ni)以及少量纯度99.7％的金属铁(Fe)；
TiNiFe目标成分为含0.1～3wt％的Fe元素，45～55wt％的Ti元素和余量的Ni元素组成。
(B)熔炼TiNiFe合金
将上述合金元素采用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFe形状记忆合金铸锭；熔炼温度为1500～1700℃，真空熔炼炉抽真空度至1×10-2～5×10-5Pa；
(C)锻造制TiNiFe合金棒材
将上述制得的铸锭采用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材；
(D)拉制TiNiFe合金丝材
将棒材在拉丝机上拉制成所需直径的丝材；
(E)绕制弹簧
将丝材在弹簧机上绕制成所需匝数的螺旋弹簧结构；
(F)弹簧记忆处理
将螺旋弹簧放入电阻炉内，进行记忆处理，处理温度为400～500℃，保温30～60min，制得TiNiFe形状记忆弹簧。
将(D)步骤制得的丝材采用低温差示扫描量热仪(DSC)或电阻法测定合金的相变点的温度，测量的温度范围从-196℃至25℃，升降温速率为1℃/min；经测试，本发明的低相变点TiNiFe形状记忆合金丝材材料，其马氏体开始相变温度(Ms)为室温至-160～20℃，形状记忆效应(SME)为4％～8％，室温抗拉强度(бb)为600MPa～850MPa，室温屈服强度(бs)为200MPa～500MPa，室温延伸率(δ)为12.5％～40.0％。
本发明的一种适用于制冷探测器的节流器的工作环境温度为25℃～-196℃。
本发明利用新型功能材料TiNiFe形状记忆合金随温度变化而表现出来的形状记忆特性，对节流器中的顶尖31进行开度控制，进而实现制冷探测器的流量参数的自调，这是一种全新的节流制冷控制技术。
本发明设计的低温节流器的工作原理为：液氮经顶孔进入气腔内，随着进入气腔的液氮量的增大，致使气腔内的温度下降，当气腔温度下降至形状记忆弹簧5的马氏体开始相变温度时，形状记忆弹簧5开始收缩，形状记忆弹簧5上的顶尖在偏置弹簧6的伸长状态下达到顶孔的位置，直至将顶孔封闭，隔断液氮进入气腔内，起到调节节流器的作用。反之，随着进入气腔的液氮量的减少，致使气腔内的温度上升，当气腔温度上升至形状记忆弹簧5的奥氏体开始相变温度时，形状记忆弹簧5开始伸长，形状记忆弹簧5上的顶尖在偏置弹簧6的收缩状态下远离顶孔的位置，直至将顶孔打开，使液氮进入气腔内，进而实现开启/关闭顶孔的往复运动。

Claims (4)

1.一种适用于制冷探测器的低温节流器，由壳体(1)、驱动件(3)、底座(4)、形状记忆弹簧(5)、偏置弹簧(6)组成；壳体(1)底端与底座(4)的凸缘(41)通过螺纹连接，壳体(1)的内部从左至右放置有偏置弹簧(6)、驱动件(3)、形状记忆弹簧(5)，偏置弹簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸台(42)上，偏置弹簧(6)的另一端套接在驱动件(3)的A凸台(33)上，形状记忆弹簧(5)的一端套接在驱动件(3)的连杆(32)上，形状记忆弹簧(5)的另一端与壳体(1)的A收敛段(12)接触；其特征在于：
所述壳体(1)为圆筒形状；壳体(1)的底端设有内螺纹；壳体(1)的上部从左至右设有A收敛段(12)、B收敛段(13)，B收敛段(13)的中心为顶孔(2)；
所述驱动件(3)的顶板(34)上面中心位置设有连杆(32)，连杆(32)的端部设计为具有30～45锥度的锥形顶尖(31)，驱动件(3)的顶板(34)下面中心位置设有0.5～3cm厚的A凸台(33)；
所述底座(4)的凸缘(41)上设有外螺纹，底座(4)的中心位置设有B凸台(42)；
所述形状记忆弹簧(5)为螺旋式弹簧结构；
所述偏置弹簧(6)采用不锈钢加工的螺旋式弹簧结构；
形状记忆弹簧(5)与偏置弹簧(6)构成弹性驱动器；弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系：
Figure FSB00000317227400011
式中，F表示弹性驱动器的驱动力，x表示驱动件(3)的位移量，k1表示形状记忆弹簧(5)在常温时弹性系数，k2表示偏置弹簧(6)在常温时弹性系数，d1表示形状记忆弹簧(5)的预压缩量，d2表示偏置弹簧(6)的预压缩量，a表示驱动件(3)在气腔(11)中的初始位置，c表示弹性驱动器的驱动力与输出位移之间拟合曲线常数；
形状记忆弹簧(5)的原材料为TiNiFe形状记忆合金丝材，且Fe元素的含量为0.1～3wt％，该TiNiFe形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度范围为25℃～-160℃；形状记忆弹簧(5)的簧与簧的宽度d为1～3mm，簧的直径φ为0.3～1mm。
2.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：形状记忆弹簧(5)的原材料组分为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金丝材，该Ti50Ni47Fe3形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度-153℃；形状记忆弹簧(5)的簧与簧的宽度d为1～3mm，簧的直径φ为0.3～1mm。
3.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：工作环境温度为25℃～-196℃。
4.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于形状记忆弹簧(5)的制备有如下步骤：
(A)配制合金成分
按目标成分称取纯度99.9％的海绵钛和纯度99.9％的镍以及少量纯度99.7％的金属铁；
所述TiNiFe目标成分为含0.1～3wt％的Fe元素，45～55wt％的Ti元素和余量的Ni元素组成；
(B)熔炼TiNiFe合金
将上述合金元素采用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFe形状记忆合金铸锭；熔炼温度为1500～1700℃，真空熔炼炉抽真空度至1×10-2～5×10-5Pa；
(C)锻造制TiNiFe合金棒材
将上述制得的铸锭采用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材；
(D)拉制TiNiFe合金丝材
将棒材在拉丝机上拉制成所需直径的丝材；
(E)绕制弹簧
将丝材在弹簧机上绕制成所需匝数的螺旋弹簧结构；
(F)弹簧记忆处理
将螺旋弹簧放入电阻炉内，进行记忆处理，处理温度为400～500℃，保温30～60min，制得TiNiFe形状记忆弹簧。
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