CN103017394A

CN103017394A - 直线型脉管制冷机集成式锥形狭缝冷端换热器及制造方法

Info

Publication number: CN103017394A
Application number: CN2012105064496A
Authority: CN
Inventors: 党海政
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN103017394B

Abstract

本发明公开了一种直线型脉管制冷机的集成式锥形冷端换热器及制造方法，其主要由外壳、锥形狭缝体以及T型导流芯柱三部分组成。外壳为主散热面和耦合接口，并保护锥形狭缝体和T型导流芯柱，且实现与蓄冷器及脉管的连接；在外壳内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体，并在中心处设置一个T型导流芯柱，导流芯柱上切割出芯柱狭缝。本发明在不等直径间均匀切割锥形狭缝的方式实现了在有限体积内的换热面积最大化，切割方式由大直径端向小直径端自然过渡，热阻和流动损失均最小化；实现了不附加气体导流器完成脉管内气体的层流化。该发明将大幅度促进直线型脉管制冷机整机性能的提升，对于其实用化乃至航天应用等方面都具有非常积极的意义。

Description

直线型脉管制冷机集成式锥形狭缝冷端换热器及制造方法

技术领域

本发明涉及脉管制冷机，特别涉及一种直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器的及制造方法。

背景技术

脉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制冷机）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。

根据脉管与蓄冷器的相互关系不同，脉管制冷机可分为如下三种典型布置方式，如图1所示：其中（1）为直线型，（2）为U型，（3）为同轴型。直线型布置中脉管和蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉管和蓄冷器平行布置，脉管和蓄冷器的冷端通过管道连接；同轴型布置是指脉管和蓄冷器同心地布置在一起。在三种布置方式中，同轴型的结构最为紧凑，冷头与器件耦合方便，但该布置方式使得气体在冷头折转180°，流动阻力增大，同时引起了较大的气流扰动；尤其是由于脉管和蓄冷器沿轴向的温度可能不匹配，将会存在较明显的径向导热从而降低了制冷效率。U型布置的紧凑性不如同轴型，但蓄冷器和脉管不直接接触，较之同轴型，避免了因二者轴向温度不匹配而引起的径向导热损失，有利于提高制冷效率；但其气流在冷端同样需要180°的折返，和同轴型一样会引起气流扰动和不可逆损失。直线型布置方式最大限度地降低了冷头的流动阻力，并且由于气流在冷端不需要折返，给冷端气流以最小的扰动，因而制冷效率在三种布置方式中最高。直线型布置最大的缺点是冷头位于制冷机中部，与器件的耦合较为不便，整体结构也相对松散，但近年来，随着杜瓦技术的改进及制冷机耦合工艺的提高，上述缺点被逐渐弥补，而其高制冷效率和大冷量潜力的优势正日益受到高度重视。高制冷效率使得制冷机可以在有限能源的限制下实现冷量最大化，这对于能源有限的工作环境如航空航天、水下等特殊应用场合意义重大；而大冷量潜力可以为设计留出较大的冷量余量，从而可以以消耗余量的方式维持较长时间的稳定工作，这对于制冷机的长寿命工作同样至关重要。因而直线型脉管制冷机在星载长寿命、大制冷量应用中占据特殊重要的地位。以美国为例，其自1998年脉管制冷机首次成功升空以来即沿袭直线型的布置方式，十余年来该模式已经发展成熟。世界最著名的星载脉管制冷机研发公司美国NGAS公司目前共有12台脉管制冷机在轨运转，全部采用直线型布置方式，其中有两台已经连续运转超过12年。上述优秀的范例使得直线型脉管制冷机在航天及星载应用领域显示出越来越广阔的应用前景。

冷端换热器是直线型脉管制冷机中极为关键的部件。在理想情况下，它要实现三方面主要功能：

1)高效换热。特别是在大冷量传输的情况下，实现热量的高效交换显得尤为重要。这就需要能在有限体积下实现较大换热面积的几何结构。

2)减小蓄冷器和脉管变截面处的流动损失。脉管制冷机的蓄冷器和脉管往往具有不同的截面直径，变截面处不能产生较大的流动损失，这就需要实现变截面的有效过渡；

3)实现蓄冷器和脉管变截面连接处的气体均布。脉管中的气体流动尽可能地层流化，以维持气体活塞。这就需要特殊的变截面气流均布方式。

而目前常规的直线型脉管制冷机的冷端换热器远远没有达到这个要求。直线型脉管制冷机目前普遍采用的常规冷端换热器主要分为三种。

第一种是使用一个外径大于蓄冷器和脉管外径的冷端换热器将蓄冷器和脉管的冷端集成为一体，在冷端换热器的内部开通一个连接管路以连通蓄冷器和脉管冷端。图2给出了使用该种冷端换热器的直线型脉管制冷机的示意图；

第二种是将冷端换热器置于蓄冷器内，然后再与脉管耦合在一起。图3给出了使用该种冷端换热器的直线型脉管制冷机的示意图；

第三种是将冷端换热器置于脉管内，然后再与蓄冷器耦合在一起。图4给出了使用该种冷端换热器的直线型脉管制冷机的示意图。

在上述三种典型布置形式中，蓄冷器的直径均大于脉管的直径，这也是实际应用的脉管制冷机中最普遍的现象。

图2所示的冷端换热器有如下显著缺点：

1)由连接管路形成的内部气流换热面积有限，不利于实现高效换热，特别是随着制冷机结构和冷头尺寸的增大，其不完全换热趋势加大，降低了制冷效率；

2)气流从蓄冷器到脉管发生了两次变截面流动，从而产生了较大的流动损失；

3)连接管路与脉管冷端的连接变截面处需单独设置气体导流器，以减少射流损失并充分抑制气流的紊流扰动，尽可能实现脉管内部气流的层流化，保护气体活塞。

图3所示的冷端换热器形式存在以下缺点：

1)由于蓄冷器大于脉管的外径，换热器内外缘一部分气体较难参与气体流动，易形成死体积，影响换热器的换热效果；

2)蓄冷器和脉管连接的变截面处依然存在较大的流动损失；

3)进入脉管的气流仍形成较大的紊流现象，需单独设置气体导流器，以尽可能实现脉管内气流的层流化。

图4所示的冷端换热器形式存在以下缺点：

1)由于脉管小于蓄冷器的外径，脉管内的换热器不能充分利用横截面积较大的蓄冷器冷端产生的冷量，大大影响了换热器的效率；

2)从蓄冷器到脉管内的气流在变截面处依然产生较大的流动损失；

3)同理，进入脉管的气流仍形成较大的紊流现象，仍需单独设置气体导流器，以尽可能实现脉管内气流的层流化。

发明内容

鉴于上述已有技术中存在的缺点，本发明提出一种直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器及制造方法。

本发明的目的在于，在直线型脉管制冷机的冷端设计一个集成式锥形狭缝换热器，首先，实现在有限体积内最大限度地增加换热面积，实现高效换热；其次，换热器由大内径蓄冷器逐渐自然过渡到小内径的脉管，避免了换热器内有害的气体死体积，使热阻损失最小化；再次，锥形狭缝的有效过渡可以将变截面处的流动损失减至最低；第四，锥形狭缝将进入其中的气体进行强制整流，实现了蓄冷器和脉管变截面连接处的气体均布，从而可以在不附加气体导流器的情况下，实现脉管内气体的层流化。

图5给出了使用所发明的集成式锥形狭缝冷端换热器的直线型脉管制冷机示意图。

图6为所发明的集成式锥形狭缝冷端换热器与蓄冷器1及脉管11耦合连接的剖视图。

图7为外壳5与锥形狭缝体6组成的整体示意图，其中（1）为俯视图，（2）为剖面图。

图8为T型导流芯柱7的示意图。其中（1）为俯视图，（2）为剖视图。

所发明的集成式锥形狭缝冷端换热器包括外壳5、锥形狭缝体6、T型导流芯柱7。外壳5首先作为冷端换热器的主散热面和与被冷却器件的耦合接口，并保护内部的锥形狭缝体6和T型导流芯柱7，且实现与蓄冷器1及脉管11的连接。在外壳5的内部均匀切割出锥形狭缝体6，锥形狭缝体6的左端面直径与蓄冷器1的内径相等，右端面直径与脉管11的内径相等，锥形狭缝体6的左端面与蓄冷管加厚管壁4以及蓄冷填料2的右端面齐平，右端面与脉管根部凸台12的右端面齐平；锥形狭缝围绕锥形狭缝体6左右端面的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制在0.1～0.15mm之间，条数控制在48～64条之间；在锥形狭缝体6的中心处设置一个T型导流芯柱7，其左右端面分别与锥形狭缝体6的左右端面齐平，中心留有一个1～1.5mm的贯通孔13；T型导流芯柱7由芯柱细部14和芯柱粗部15组成，芯柱细部14约占总长度的2/3，芯柱粗部15约占总长度的1/3，芯柱粗部15与芯柱细部14的直径比约为1.1：1；围绕贯通孔13的中心线，在T型导流芯柱7上均匀切割出芯柱狭缝16，狭缝的宽度控制0.05～0.1mm之间，条数控制在18～24条之间。从而形成直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器。

在外壳5的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体6，其锥度的控制方法为锥形狭缝体6的大端面直径与蓄冷器1的内径相等，小端面直径与脉管11的内径相等；狭缝围绕锥形狭缝体6左右端面的中心线沿360度均匀切割；锥形狭缝体6的中心处设置一个中空的T型导流芯柱7。蓄冷管加厚管壁4插入外壳5内部约3mm，在外壳5的左端面与蓄冷管加厚管壁4的交接部3处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来；脉管根部凸台12插入脉管底座8约2mm，在脉管根部凸台12与脉管底座8的交接部10处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来；脉管底座8插入外壳5约1mm，在外壳5的右端面与脉管底座8的交接部9处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来，实现外壳5与蓄冷器1及脉管11的连接。形成直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器。

本发明的特点如下：

1)在不等直径间均匀切割锥形狭缝的方式，实现了在有限体积内的换热面积最大化，从而有利于实现冷端换热器在有限体积内的高效换热；

2)锥形狭缝的切割采用由大直径到小直径之间的锥形切割方式，由较大内径的蓄冷器逐步自然过渡到较小内径的脉管，避免了在较大内径端产生有害的气体死体积，使热阻损失最小化；

3)锥形狭缝的切割方式实现了不等直径的蓄冷器和脉管间变截面处气体的有效过渡，从而使变截面处的流动损失最小化；

4)经过锥形狭缝换热器的强制整流，可以实现在不附加气体导流器的情况下，完成脉管内气体的层流化，以维持气体活塞。

上述优点将大大促进直线型脉管制冷机冷端换热器性能的提高，对于制冷机整机性能的跃升，乃至在航天星载应用方面的实用化等方面都具有非常积极的意义。

附图说明

图1为脉管制冷机的三种典型布置方式示意图；

图2为采用内部开通管路的集成式冷端换热器的直线型脉管制冷机示意图；

图3为冷端换热器置于蓄冷器内部的直线型脉管制冷机示意图；

图4为冷端换热器置于脉管内部的直线型脉管制冷机示意图；

图5为采用所发明的集成式锥形狭缝冷端换热器的直线型脉管制冷机示意图；

图6为所发明的集成式锥形狭缝冷端换热器的剖视图；

图8为T型导流芯柱7的示意图，其中（1）为俯视图，（2）为剖视图。

其中：1为蓄冷器；2为蓄冷填料；3为焊接点A；4为蓄冷管加厚管壁；5为外壳；6为锥形狭缝体；7为T型导流芯柱；8为脉管底座；9为焊接点B；10为焊接点C；11为脉管；12为脉管根部凸台；13为贯通孔；14为芯柱细部；15为芯柱粗部；16为芯柱狭缝。

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：

所发明的集成式锥形狭缝冷端换热器主要由外壳5、锥形狭缝体6、T型导流芯柱7三部分组成。为强化换热，上述三部分均使用高热导率材料制作。

外壳5首先作为冷端换热器的主散热面和与被冷却器件的耦合接口；其次保护其内部的锥形狭缝体6和T型导流芯柱7；再次，冷端换热器通过外壳5实现与蓄冷器1及脉管11的连接。

在外壳5的内部均匀切割出锥形狭缝体6，锥形狭缝体6的左端面直径与蓄冷器1的内径相等，右端面直径与脉管11的内径相等，锥形狭缝体6的左端面与蓄冷管加厚管壁4以及蓄冷填料2的右端面齐平，右端面与脉管根部凸台12的右端面齐平；锥形狭缝围绕锥形狭缝体6左右端面的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制为0.15mm，条数控制为60条；在锥形狭缝体6的中心处设置一个T型导流芯柱7，其左右端面分别与锥形狭缝体6的左右端面齐平，中心留有一个1.2mm的贯通孔13；T型导流芯柱7由芯柱细部14和芯柱粗部15组成，芯柱细部14占总长度的2/3，芯柱粗部15占总长度的1/3，芯柱粗部15与芯柱细部14的直径比为1.1：1；围绕贯通孔13的中心线，在T型导流芯柱7上均匀切割出芯柱狭缝16，狭缝的宽度控制为0.08mm之间，条数控制为20条。从而形成直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器。

在外壳5的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体6，其锥度的控制方法为锥形狭缝体6的大端面直径与蓄冷器1的内径相等，小端面直径与脉管11的内径相等；狭缝围绕锥形狭缝体6左右端面的中心线沿360度均匀切割；锥形狭缝体6的中心处设置一个中空的T型导流芯柱7。蓄冷管加厚管壁4插入外壳5内部的深度为3mm，在外壳5的左端面与蓄冷管加厚管壁4的交接部3处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来；脉管根部凸台12插入脉管底座8的距离为2mm，在脉管根部凸台12与脉管底座8的交接部10处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来；脉管底座8插入外壳5的深度为1mm，在外壳5的右端面与脉管底座8的交接部9处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来，实现外壳5与蓄冷器1及脉管11的连接。形成直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器。

Claims

1.一种直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器，包括外壳（5）、锥形狭缝体（6）以及T型导流芯柱（7），其特征在于：

所述的外壳（5）首先作为冷端换热器的主散热面和与被冷却器件的耦合接口，并保护内部的锥形狭缝体（6）和T型导流芯柱（7），且实现与蓄冷器（1）及脉管（11）的连接；在外壳（5）的内部均匀切割出锥形狭缝体（6），锥形狭缝体（6）的左端面直径与蓄冷器（1）的内径相等，右端面直径与脉管（11）的内径相等，锥形狭缝体（6）的左端面与蓄冷管加厚管壁（4）以及蓄冷填料（2）的右端面齐平，右端面与脉管根部凸台（12）的右端面齐平；锥形狭缝围绕锥形狭缝体（6）左右端面的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制在0.1～0.15mm之间，条数控制在48～64条之间；在锥形狭缝体（6）的中心处设置一个中空的T型导流芯柱（7），其左右端面分别与锥形狭缝体（6）的左右端面齐平，中心留有一个1～1.5mm的贯通孔（13）；T型导流芯柱（7）由芯柱细部（14）和芯柱粗部（15）组成，芯柱细部（14）约占总长度的2/3，芯柱粗部（15）约占总长度的1/3，芯柱粗部（15）与芯柱细部（14）的直径比为1.1：1；围绕贯通孔（13）的中心线，在T型导流芯柱（7）上均匀切割出芯柱狭缝（16），狭缝的宽度控制0.05～0.1mm之间，条数控制在18～24条之间，从而形成用于直线型脉管制冷机的集成式锥形狭缝冷端换热器。

2.一种基于权利要求1所述直线型脉管制冷机的集成式锥形冷端换热器的制造方法，其特征在于：在外壳（5）的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体（6），其锥度的控制方法为锥形狭缝体（6）的大端面直径与蓄冷器（1）的内径相等，小端面直径与脉管（11）的内径相等；狭缝围绕锥形狭缝体（6）左右端面的中心线沿360度均匀切割；锥形狭缝体（6）的中心处设置一个中空的T型导流芯柱（7）；蓄冷管加厚管壁（4）插入外壳（5）内部约3mm，在外壳（5）的左端面与蓄冷管加厚管壁（4）的交接部（3）处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来；脉管根部凸台（12）插入脉管底座（8）约2mm，在脉管根部凸台（12）与脉管底座（8）的交接部（10）处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来；脉管底座（8）插入外壳（5）约1mm，在外壳（5）的右端面与脉管底座（8）的交接部（9）处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来，实现外壳（5）与蓄冷器（1）及脉管（11）的连接。