CN102032703B - 惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构及制造方法。该结构采用惯性管与气库联合调相，由直径和长度各不相同的两段惯性管附加一个稳压内气库组成。集成为一体的惯性管组件连接脉冲管的热端出气口与稳压内气库，且均匀盘绕于内气库外表面，然后惯性管组件与内气库作为一个整体放置于一个特制的保护罩内。该新型热端调相结构的优点在于，在最大限度地发挥热端调相能力的同时，又保证了气库内工质有效体积的整体性与稳定性。既保证了系统内部的气体工质不受调相装置本身的污染，又使得结构简单紧湊、抗震动、抗冲击能力得到加强。将在很大程度上提高脉冲管制冷机的机械及热力学性能，并保证其长期运转的可靠性和较长的工作寿命。

Description

惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构及制造方法

技术领域

本发明涉及惯性管型脉冲管制冷机，特别涉及一种惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构及其制造方法。

背景技术

脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新。它取消了广泛应用于常规回热式低温制冷机(如斯特林或G-M机)中的冷端排出器，而以热端调相机构的运作来实现制冷所需的压力波与质量流的相位差。冷端运动部件的完全取消，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构和调相方式上的一系列重要改进，在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式低温制冷机中的最高值。这些显著优点使得脉冲管制冷机成为20余年来低温机械制冷机研究的一大热门，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。

热端调相机构的优化是脉冲管制冷机性能提升的关键。目前发展相对成熟且获得较为广泛应用的热端调相机构为惯性管附加气库型调相结构，该结构被证明具有调相范围宽、性能可靠、结构简单等突出特点，在实际的工程应用中具有极大的应用优势。然而由于惯性管是一种直径与长度相差悬殊的细长管，而气库本身也占有较大容积，它们之间的空间布置方式是直接决定制冷机结构是否紧湊，性能是否优良的关键因素之一。目前常规的惯性管与气库布置方式有两种，一种是分体气库型结构，如图1所示；另一种是所谓的外气库型结构，如图2所示。

分体气库型结构是将惯性管与气库分离布置，如图1所示，气库可以直接布置在一个单独放置的底板上，或将压缩机外壳的一部分作为气库和惯性管的布置空间。这种布置方式的优点是可以最大限度地发挥惯性管与气库的调相能力，而且气库与惯性管之间互不影响。但它存在以下显著缺点：

1)结构松散，占用较大的空间体积，实际应用困难；

2)抗震动、抗冲击能力较差；

3)实际应用中需要单独的惯性管与气库固定装置，增加系统的复杂程度。

外气库型结构是将惯性管盘绕在气库内部，如图2所示。这种布置方式具有体积小、结构紧凑的特点，有较大的实际应用优势。但是它存在的如下的主要缺点：

1)为增加实际应用中的抗震动、抗冲击强度，气库内部仍需要添加单独的惯性管固定与支撑装置，惯性管的盘绕和组装存在很大的难度；

2)系统内的往复振荡的气体工质在气库内直接冲刷惯性管外表面，工质容易被惯性管外表面清洗后残留的污染物或者长期工作后所产生污染物所污染，使脉冲管制冷机性能衰减，工作寿命缩短；

3)气库内部调相装置的存在，将有效稳压源体积分割成不规则的小体积单元，破坏了气库内的气体平衡，增加了气流扰动，使调相能力不可控，增加了调相的难度。

发明内容

鉴于上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构及其制造方法。其目的在于综合以上两种传统结构的优点，同时又摒除其缺点；既实现惯性管气库的最大调相能力，同时又使系统简单、紧凑；既保证惯性管的布置不对气库内气流产生影响，又保证系统内的工质气体不受调相装置本身的污染，有利于惯性管型脉冲管制冷机的可靠性和长寿命运转。该集成式热端调相结构采用惯性管与气库联合调相，由直径和长度各不相同的双段惯性管附加一个稳压内气库组成。小内径惯性管的末端与脉冲管热端堵头的出气口焊接，大内径惯性管的末端与内气库的接头焊接，两段惯性管之间通过焊接头焊接为一体组成一个整体式惯性管组件，该组件沿着顺时针或逆时针方向从一端向另一端均匀缠绕在内气库的外表面上。然后惯性管组件与内气库作为一个整体放置于一个特制的保护罩内，增加了系统安全性。

本发明的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构主要由脉冲管热端堵头25、小内径惯性管26、大内径惯性管27、内气库28、外部保护罩18以及它们的附属结构如惯性管焊接头0、内气库接头3、肋片14、肋槽15等组成。

小内径惯性管26和大内径惯性管27的制作材料为细长的铜管或不锈钢管，要求内壁面粗糙度Ra值在0.1至0.4之间，且经过退火处理后，可以实现0°至150°之间的弯折而截面不变形。小内径惯性管26与大内径惯性管27的内径和长度均不相同，其具体尺寸根据制冷机工况给出，二者通过惯性管焊接头0实现焊接连接。焊接处要保证在4.5 MPa下绝对压力下氦气泄漏率在10-9-10-10Pa·m³/s之间，且惯性管直径的绝对变形量在0.01-0.02mm之间。

图3为所发明的集成式热端调相结构的惯性管焊接头0的示意图。其小内径焊接口1与小内径惯性管26的一端焊接，大内径焊接口2与大内径惯性管27的一端焊接。惯性管焊接头0经过退火处理，焊接以后可以进行0°至180°的弯折，并且弯折后焊接头无缝隙。

图4(a)和图4(b)分别为本发明的内气库接头3的主视图和俯视图。内气库接头3内部开有90°转弯通孔7，其内径等于或大于大内径惯性管27的内径；在通孔7端口处有一段深为5-9mm的浅槽，该槽外径等于大内径惯性管27的外径，大内径惯性管27的一端插入浅槽中并焊接成为一体。内气库接头3的底部加工有接头定位凸台5，该凸台插入内气库进气口16。内气库接头3与内气库28端面通过螺钉密封连接。

图5(a)和5(b)分别为本发明的内气库体8的剖视图和俯视图。内气库体8的底部加工有内气库体外延法兰9和内气库体定位凸台10，用于实现内气库体8的定位和固定。内气库体外延法兰9上加工有惯性管引出槽11，槽深至内气库8的外表面，槽底部与内气库体8的外表面之间加工有30°至150°的过渡圆角，防止惯性管振动磨损及引起急剧转弯损失。

图6(a)和6(b)分别为本发明的内气库盖12的剖视图和仰视图。内气库盖外延法兰13上加工有均布的肋片14和肋槽15，槽深至内气库体8的外表面，肋片14的根部与内气库体8的外表面实行30°至60°的圆角过渡，肋片14和肋槽15共同保证从0°至360°全方位盘绕而来的惯性管段的引出和弯折定位，同时实现与内气库接头3的从0°至360°全方位的固定连接。

内气库体8和内气库盖12分别由相同材质制作而成，二者通过激光焊接成为一体，形成内气库体28。

图7为本发明的外部保护罩18的剖视图。特制的外部保护罩18由保护罩盖19和保护罩体20两部分组成。保护罩体20和保护罩盖19之间既可以通过螺钉连接成可拆卸结构，也可以焊接形成一个整体结构。

图8为本发明的集成式热端调相结构与同轴脉冲管冷指耦合示意图。保护罩盖19的上部内表面与热端换热器23的下部外表面紧配，并通过洁净钎焊技术焊接为一体。保护罩盖19和保护罩体20之间形成内气库固定槽21，用于实现内气库28的固定。内气库28的底部与脉冲管热端堵头25之间留有一定的空间，以实现大内径惯性管27引入段的弯折，防止引入段出现0°至30°之间的转折角。由小内径惯性管26和大内径惯性管27组成的整体式惯性管组件需均匀而紧密地缠绕于内气库28的外表面上。惯性管组件超出内气库28外表面时可以缠绕双层或多层，但须交错均匀布置。惯性管组件盘绕时需使用专用模具保证一定的预紧力，以保证惯性管牢固地固定于内气库28的外表面上。脉冲管热端堵头25、小内径惯性管26、大内径惯性管27、内气库28以及它们的附属结构如惯性管焊接头0、内气库接头3、肋片14、肋槽15等作为一个整体放置于外部保护罩18内。从而形成惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构。

本发明的主要特点为，惯性管组件紧密盘绕于内气库的外表面，通过机械结构实现固定，整个结构简单，紧凑，并且易于加工，方便拆卸装配，抗震动、冲击能力强得到加强。气库内不包含任何机械部件，在最大限度地发挥热端调相能力的同时，又保证了气库内工质有效体积的整体性与稳定性，减少了对调相能力的干扰。并且这种调相结构中工质气体不直接接触惯性管的外表面，杜绝了惯性管外表面的清洗残留物或长期运行所产生的污染物对工质气体的污染，有利于惯性管型脉冲管制冷机的运转可靠性和长寿命工作。

附图说明

图1为常规分体气库型热端调相机构与同轴脉冲管冷指连接示意图。

图2为常规外气库型热端调相机构与同轴脉冲管冷指连接示意图。

图3为本发明的惯性管焊接头示意图。

图4(a)为本发明的内气库接头的主视图；(b)为本发明的内气库接头的俯视图。

图5(a)为本发明的内气库体的剖视图；(b)为本发明的内气库体的俯视图。

图6(a)为本发明的内气库盖的剖视图；(b)为本发明的内气库盖的仰视图。

图7为本发明的外部保护罩剖视图；

图8为本发明的集成式热端调相结构与脉冲管冷指耦合示意图。图中：

0为惯性管焊接头；1为小内径焊接口；2为大内径焊接口；

3为内气库接头；4为内气库接头法兰；5为接头定位凸台；

6为螺钉通孔；7为内部通孔；8为内气库体；9为内气库外延法兰；

10为内气库定位凸台；11为惯性管引出槽；12为内气库盖

13为内气库盖外延法兰；14为肋片；15为肋槽；16为内气库进气口；

17为螺纹孔；18为外部保护罩；19为保护罩盖；20为保护罩体；

21为内气库固定槽；22为同轴脉冲管冷指；23为热端换热器；24为连管；

25为脉冲管热端堵头；26为小内径惯性管；27为大内径惯性管；

28为内气库。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明：

图8中显示出脉冲管冷指22与所发明的集成式热端调相机构之间气体工质的连通示意。小内径惯性管26的末端与脉冲管热端堵头25的出气口端使用洁净钎焊技术密封焊接，实现气体工质在脉冲管冷指22与小内径惯性管26之间的连通；大内径惯性管27的末端与内气库接头3密封焊接，实现气体工质在内气库28与大内径惯性管27之间的连通。

本发明实施例中的小内径惯性管26和大内径惯性管27的制作材料为细长的铜管，内壁面粗糙度Ra值在0.1至0.4之间，且经过退火处理后，可以弯折0°-150°而截面不发生变形。二者通过惯性管焊接头0实现焊接连接，焊接处可保证在4.5MPa下绝对压力下氦气泄漏率在10^-9-10^-10Pa·m³/s，且惯性管直径的绝对变形量处于0.01-0.02mm之间。图3为所发明的集成式热端调相结构的惯性管焊接头0的示意图。其小内径焊接口1与小内径惯性管26的一端焊接，大内径焊接口2与大内径惯性管27的一端焊接。惯性管焊接头0经过退火处理，焊接以后可以进行0°至180°的弯折，并且弯折后焊接头无缝隙。

图4(a)和图4(b)分别为本发明的内气库接头3的主视图和俯视图。内气库接头3内部开有90°转弯通孔7，其内径等于大内径惯性管27的内径；在通孔7端口处有一段深为6mm的浅槽，该槽外径等于大内径惯性管27的外径，大内径惯性管27的一端插入浅槽中并焊接成为一体。内气库接头3的底部加工有接头定位凸台5，该凸台插入内气库进气口16。内气库接头3与内气库28端面通过螺钉密封连接。

图5(a)和5(b)分别为本发明的内气库体8的剖视图和俯视图。内气库体8的底部加工有内气库体外延法兰9和内气库体定位凸台10，用于实现内气库体8的定位和固定。内气库体外延法兰9上加工有惯性管引出槽11，槽深至内气库8的外表面，槽底部与内气库体8的外表面之间加工有30°至150°的过渡圆角，防止惯性管振动磨损及引起急剧转弯损失。

图6(a)和6(b)分别为本发明的内气库盖12的剖视图和仰视图。内气库盖12上加工有内气库盖外延法兰13，内气库盖外延法兰13上有均布的肋片14和肋槽15，槽深至内气库体8的外表面，肋片14的根部与内气库体8的外表面实行30°至60°的圆角过渡，肋片14和肋槽15共同保证从0°至360°全方位盘绕而来的惯性管段的引出和弯折定位，同时实现与内气库接头3的从0°至360°全方位的固定连接。

内气库体8和内气库盖12分别由相同材质制作而成，二者通过激光焊接成为一体，形成内气库体28。图7为本发明的外部保护罩18的剖视图。特制的外部保护罩18由保护罩盖19和保护罩体20两部分组成。保护罩体20和保护罩盖19之间既可以通过螺钉连接成可拆卸结构，也可以焊接形成一整体结构。

图8为本发明的集成式热端调相结构与同轴脉冲管冷指耦合示意图。保护罩盖19的上部内表面与热端换热器23的下部外表面紧配，并通过洁净钎焊技术焊接为一体。保护罩盖19和保护罩体20之间形成内气库固定槽21，用于实现内气库28的固定。内气库28的底部与脉冲管热端堵头25之间留有一定的空间，以实现大内径惯性管27引入段的弯折，防止引入段出现0°至30°之间的转折角。由小内径惯性管26和大内径惯性管27组成的整体式惯性管组件需均匀而紧密地缠绕于内气库28的外表面上。惯性管组件超出内气库28外表面时可以缠绕双层或多层，但须交错均匀布置。惯性管组件盘绕时需使用专用模具保证一定的预紧力，以保证惯性管牢固地固定于内气库28的外表面上。脉冲管热端堵头25、小内径惯性管26、大内径惯性管27、内气库28以及它们的附属结构如惯性管焊接头0、内气库接头3、肋片14、肋槽15等作为一个整体放置于外部保护罩18内。从而形成惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构。

Claims (7)

1.一种惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构，其特征在于，该热端调相结构由脉冲管热端堵头(25)、小内径惯性管(26)、大内径惯性管(27)、内气库(28)、外部保护罩(18)以及惯性管焊接头(0)、内气库接头(3)、肋片(14)、肋槽(15)组成；脉冲管热端堵头(25)插入脉冲管制冷机的热端换热器(23)内部，二者通过螺钉连接或者焊接实现密封连接；小内径惯性管(26)的一端与脉冲管热端堵头(25)的出气口焊接，另一端与惯性管焊接头(0)的小内径焊接口(1)焊接；大内径惯性管首先由内气库(28)底部的惯性管引出槽(11)引出，然后通过肋片(14)和肋槽(15)实现转弯定位；大内径惯性管(27)的一端与惯性管焊接头(0)的大内径焊接口(2)焊接，另一端与内气库接头(3)的内部通孔(7)焊接；小内径惯性管(26)和大内径惯性管(27)组成一个整体式惯性管组件，该组件沿着顺时针或逆时针方向从内气库(28)的一端向另一端均匀缠绕在内气库(28)的外表面上；特制的外部保护罩(18)由保护罩盖(19)和保护罩体(20)两部分组成；内气库外延法兰(9)和内气库定位凸台(10)布置在保护罩体(20)的上端面，通过保护罩盖(19)压紧固定；保护罩体(19)和保护罩盖(20)之间通过螺钉连接或密封焊接成为一体，将脉冲管热端堵头(25)、小内径惯性管(26)、大内径惯性管(27)、内气库(28)以及它们的附属结构放置于其内；形成惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构。

2.一种基于权利要求1所述的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构的制造方法，其特征在于，小内径惯性管(26)与大内径惯性管(27)均由柔韧且内壁光滑的细长铜管或不锈钢管制作而成，它们的内径和长度由实际的制冷机工况给出，二者之间通过惯性管焊接头(0)实现焊接连接；小内径惯性管(26)的末端与脉冲管热端堵头(25)的出气口端使用洁净钎焊技术密封焊接，实现气体工质在脉冲管冷指(22)与小内径惯性管(26)之间的连通；大内径惯性管(27)的末端与内气库接头(3)密封焊接，实现气体工质在内气库(28)与大内径惯性管(27)之间的连通；由小内径惯性管(26)和大内径惯性管(27)组成的整体式惯性管组件均匀而紧密地缠绕于内气库(28)的外表面上，实现二者的紧密组合；内气库(28)由相同材质制作的内气库体(8)和内气库盖(12)两部分组成，二者通过激光焊接成为一体；内气库体(8)的底部加工有内气库体外延法兰(9)和内气库体定位凸台(10)，用于实现内气库体(8)的定位和固定；内气库盖(12)上加工有内气库盖外延法兰(13)，其上有均布的肋片(14)和肋槽(15)，共同保证从0°至360°全方位盘绕而来的惯性管段的引出和弯折定位，同时实现与内气库接头(3)的从0°至360°全方位的固定连接；特制的外部保护罩(18)由保护罩盖(19)和保护罩体(20)两部分组成，保护罩盖(19)的上部与热端换热器(23)的下部通过洁净钎焊技术焊接为一体；保护罩盖(19)和保护罩体(20)之间形成内气库固定槽(21)用于实现内气库(28)的固定；脉冲管热端堵头(25)、小内径惯性管(26)、大内径惯性管(27)、内气库(28)以及它们的附属结构作为一个整体放置于外部保护罩(18)内，形成惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构的制造方法，其特征在于，所述的小内径惯性管(26)和大内径惯性管(27)的制作材料为细长的铜管或不锈钢管，要求内壁面粗糙度Ra值在0.1至0.4之间，且经过退火处理后，可以实现30°至150°之间的弯折而截面不变形；小内径惯性管(26)与大内径惯性管(27)的内径和长度均不相同，其具体尺寸根据制冷机的实际工况给出，二者通过惯性管焊接头(0)实现焊接连接；焊接处要保证在4.5MPa绝对压力下，氦气的泄漏率在10^-9-10^-10Pa·m³/s之间，且惯性管直径的绝对变形量在0.01-0.02mm之间。

4.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构的制造方法，其特征在于，所述的内气库(28)由相同材质制作的内气库体(8)和内气库盖(12)两部分组成，二者通过激光焊接成为一体；内气库体(8)的底部加工有内气库体外延法兰(9)和内气库体定位凸台(10)，用于实现内气库体(8)的定位和固定；内气库体外延法兰(9)上加工有惯性管引出槽(11)，槽深至内气库(8)的外表面，槽底部与内气库体(8)的外表面之间加工有30°至150°的过渡圆角，防止惯性管振动磨损及引起急剧转弯损失；内气库盖外延法兰(13)上加工有均布的肋片(14)和肋槽(15)，槽深至内气库体(8)的外表面，肋片(14)的根部与内气库体(8)的外表面实行30°至60°的圆角过渡，肋片(14)和肋槽(15)共同保证从0°至360°全方位盘绕而来的惯性管段的引出和弯折定位，同时实现与内气库接头(3)的从0°至360°全方位的固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构的制造方法，其特征在于，所述的小内径惯性管(26)在脉冲管热堵堵头(25)至内气库(28)的惯性管引入槽(11)之间的一段，需使用专用模具进行定位和弯折，且弯折后要求不能出现0°至30°之间的转折锐角；为实现内气库接头(3)与内气库(28)入口端面的连接，惯性管在内气库盖的端面需使用专用模具弯折为40°至60°的角度；大内径惯性管(27)的末端通过肋槽(15)引出时，亦需使用专用模具保证弯折角度处于40°至60°之间。

6.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构的制造方法，其特征在于，由所述的小内径惯性管(26)和大内径惯性管(27)组成的整体式惯性管组件需均匀而紧密地缠绕于内气库(28)的外表面上；惯性管组件超出内气库(28)外表面时可以缠绕双层或多层，但须交错均匀布置；惯性管组件盘绕时需使用专用模具保证一定的预紧力，以保证惯性管牢固地固定于内气库(28)的外表面上。

7.根据权利要求2所述的一种基于权利要求1所述的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构的制造方法，其特征在于，所述的外部保护罩(18)由保护罩盖(19)和保护罩体(20)两部分组成，保护罩盖(19)的上部内表面与热端换热器(23)的下部外表面紧配，并通过洁净钎焊技术焊接为一体；保护罩盖(19)和保护罩体(20)之间形成内气库固定槽(21)，用于实现内气库(28)的固定；内气库(28)与脉冲管热端堵头(25)之间留有一定的空间，以实现大内径惯性管(27)引入段的弯折，防止引入段出现0°至30°之间的转折角；保护罩体(20)和保护罩盖(19)之间既可以通过螺钉连接成可拆卸结构，也可以焊接形成整体结构；脉冲管热端堵头(25)、小内径惯性管(26)、大内径惯性管(27)、内气库(28)以及它们的附属结构作为一个整体放置于外部保护罩(18)内，形成惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构。

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