CN103090578B - 同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构及制造方法，该结构主要由热端换热器、脉冲管座、脉冲管、气体导流器组成。以热端换热器为基体，中间通孔，并用线切割技术在内部割出环形狭缝体；脉冲管座内部台阶上安装气体导流器，用以引导从进气口进入的气体形成环形分布；脉冲管座内部台阶与中心通孔之间用双向渐变平滑曲面过渡，双向渐变平滑曲面两端分别与中心通孔、内部台阶的垂直方向相切，以减小气流交替流通阻力，用焊接的方式将脉冲管座与调相结构的连管结合成整体。本发明通过在热端气体流道截面突变处设计新型导流结构，使高频振荡气流在此处的损失最小化，对同轴型脉冲管制冷机制冷效率的提高有着非常重要的意义。

Description

同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构及制造方法
技术领域
本发明涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构及制造方法。
背景技术
脉冲管制冷机作为一种低温端脱离机械运动限制、无内部运动部件调相的回热式低温制冷机，在典型温区的制冷效率上已经达到回热式制冷机的最高水平。它的重大革新之一就是取消了常规回热式低温制冷机中的冷端排出器，而是通过其热端调相机构来实现相位差的调节，这种革新带来的好处显而易见，无运动部件结构的脉冲管制冷机在寿命、可靠性、装备制造、成本上都有质的提升，并且脉冲管制冷机在调相机构、驱动源等其他方面还有很多改进和发展潜力，这将会进一步提高脉冲管制冷机的制冷效能。其上述自身的特性决定了其在航空航天、低温电子、超导物理和低温医疗等方面都有着广泛的应用。
根据脉冲管制冷机脉冲管与蓄冷器不同的布置方式，一般分成三种布置类型，即如图1所示：直线型（a）、U型（b）、同轴型（c）。U型是让脉冲管与蓄冷器并列布置，通过冷端内的管道相连；同轴型的脉冲管与蓄冷器同心布置，脉冲管插入蓄冷器内；直线型脉冲管与蓄冷器布置在一条直线上，冷端位于中间。三种布置形式中，直线型内部流动阻力小，实际运用时，整机结构松散且不易与被冷却器件耦合；U型脉冲管与蓄冷器的并列布置，整体结构尺寸缩小，但180度的折转使流动阻力增大；同轴型结构更为紧凑，冷端单独突出，但流动的阻力损失也较大。脉冲管制冷机的三种结构形式各有优劣，可针对不同的环境和需求选择合适的结构形式。
本发明着眼于同轴型脉冲管制冷机热端的内部导流结构。同轴型脉冲管制冷机的优势在于结构的紧凑，适用于轻量、小型化的运用，但在如何减小内部气体流动阻力方面还有很大改进余地。脉冲管座是同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部的关键部件之一，与热端换热器、脉冲管、气体导流器组合成集换热、导流、整体固定为一体的关键部位。其需实现的主要功能包括：
1）轴向插入热端换热器内部的脉冲管座隔绝了狭缝体的内孔面，使气体只能在狭缝体内轴向流动，形成脉冲管座外围的狭缝体环形气体。
2）脉冲管座的内部台阶装入气体导流器后，使流入脉冲管内的气体形成分布均匀、流速平衡的气体层流，有利于在脉冲管内形成对制冷至关重要的气体活塞。
3）脉冲管座外圆截面过渡曲面与狭缝体下端面形成环形圆弧通道，并且通道一侧正对进气口，气体进入制冷机后通过环形圆弧通道实现了气体的均匀分布，避免了因单侧进气而导致的气体分布不均的状况。
4）作为脉冲管和调相机构之间气体连接的过渡结构，脉冲管座内部截面过渡区域实现了气体在脉冲管和调相机构之间流体形态的快速转变。
5）脉冲管座两端分别连接脉冲管和调相机构，起着结构固定和气体封闭的作用，同时气体在快速交替振荡中产生的热量先通过脉冲管座后到达热端换热器，脉冲管座也起着热量传递的作用。
目前常规的同轴型脉冲管制冷机在热端换热器内部的导流结构上还存在诸多缺陷，在脉冲管座内部实现脉冲管与调相机构之间流体形态快速转变的功能上，现有的结构形式还完全没有达不到流体形态快速转变、阻力小、气体均匀分布且无气体流动死角的要求，从而也导致了同轴型脉冲管制冷机容易出现效率低下的问题。目前同轴型脉冲管制冷机使用的常规热端导流结构中，脉冲管座内部通孔与上端内孔的交接处主要有三种结构类型：
第一种如图4所示，脉冲管5直接插入脉冲管座9内，没有安装气体导流器；
第二种如图5所示，脉冲管座9上端内孔里装入气体导流器8，再插入脉冲管5压紧，脉冲管座内部没有截面过渡结构；
第三种如图6所示，脉冲管座9内部通孔19与上端内孔结合处形成锥形过渡，并留有小台阶用来安装气体导流器8，插入脉冲管3压紧。
上述三种脉冲管座内部通孔与上端内孔的交接形式，呈现渐进演化过程，但各自依然存在明显的缺陷：
第一种形式，如图4所示，在脉冲管5底部区域12的气体进入脉冲管座5内部通孔19时，会在脉冲管5与脉冲管座9的连接处底角滞留，形成一大片环形死角13，气体在此处停滞不前，使脉冲管内部气体出现紊乱，完全不能形成有利于制冷的气体活塞，大大减低了制冷机的效率；
第二种形式，如图5所示，因为脉冲管座9内加装了气体导流器8，一定程度上使脉冲管5内的气体在进入脉冲管座内部通孔19前先在气体导流器8内减缓流速并扩散开，但因为截面的突然缩小，气体还是会在气体导流器四周底角、脉冲管底角13滞留。不流动的气体无法传递能量，减低了制冷机的效率；
第三种形式，如图6所示，锥形开口14解放了导流丝网8底角，让气体能从脉冲管底部区域12均匀通过整个导流丝网8，而不会出现滞留的状况，但是脉冲管制冷机内的气体始终处于高频振荡状态，气体交替通过锥形开口14处，所以当气体由脉冲管座内部通孔19流入锥形开口14时就会出现一种状况，快速运动的气体并不会以直线沿着平直的锥形面进入气体导流器8的边缘区域，且锥形开口边角处空间狭小，使此处的气体无法像锥形开口14中心区域的气体那样快速通过气体导流器8，导致气体流速缓慢形成气体滞留区，即气体流动死角13，这样的状况使气体没能沿气体导流器8的整个覆盖面进入，而是出现了中间突出的状况，从而使流入脉冲管5内的气体无法完全实现层流化，导致制冷效率的减低。
发明内容
鉴于上述已有技术存在的缺陷，本发明提出一种同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构及制造方法。
本发明的目的在于，在同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部的脉冲管座设计一种新型的适合处在快速交替流动状态下气体通过的双向渐变曲面通道。首先实现了气体在交替流动的状态下以最小的流动损失通过脉冲管与调相机构截面突变结合处，其次让从调相机构进入脉冲管的流体在进入气体导流器之前能够充分地分布均匀，避免了流通中有害的死角区域，流体顺利、平稳地通过气体导流器将有助于流体在脉冲管内形成层流，提高制冷效率。
图2为同轴型脉冲管制冷机内部结构剖视图；
图3为热端换热器内狭缝体剖视图；
图7为所发明的同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部导流结构示意图；
图8为脉冲管座的剖视图；
图9为脉冲管座上端插入热端换热器狭缝体内的剖面示意图；
本发明的同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部导流结构由热端换热器2、脉冲管5、脉冲管座9和气体导流器8四部分组成，其特征在于，所述脉冲管座9的上端外圆16插入热端换热器2的中间通孔内，与热端换热器2内的狭缝体21形成环形狭缝气流通道，狭缝体21由48~60条宽度为0.1~0.2mm、以狭缝体21中轴线为圆心360度环形均匀排列的狭槽组成；脉冲管座9内部台阶17上安装气体导流器8，在脉冲管座9上端内孔15中再以过盈配合插入脉冲管5，并使脉冲管5能压紧气体导流器8，脉冲管座9外圆过渡曲面20与上端外圆16相切，用以引导从进气口11进入的气体形成环形分布，使气体能均匀并充分地进入狭缝体21；脉冲管座9内部台阶17与中心通孔19之间用双向渐变平滑曲面18过渡，双向渐变平滑曲面18两端分别与中心通孔19、内部台阶17的垂直方向相切，以减小气流交替流通阻力，符合气体交替流动的运动规律，用焊接的方式将脉冲管座9与调相结构6的连管10结合成整体；脉冲管座9用密封圈加上螺钉密封固定在热端换热器2上。从而形成同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构。
本发明的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构的制造方法如下：热端换热器2使用线切割技术，将内孔突出部台阶沿垂直方向均匀切割成以中轴线为中心360度环形排列的狭缝21，槽宽0.1~0.2mm。切割完成的狭缝用塞规插入狭槽清理、修磨内部的毛刺，避免因翅片变形造成的阻塞，脉冲管座9的外圆台阶车成平滑曲面20，进气口11高出曲面20最低处1~2mm，脉冲管座9内部截面过渡处14精车成喇叭形双向渐变曲面18开口，高度6~10mm，两端分别与大小内孔面相切，使交替流通的气体既能以较小的压力损失进入脉冲管座内部通孔19，又能让流入脉冲管底部区域12的气体在进入气体导流器8之前均匀分散开来，避免出现气体不流通的死角。平滑曲面20和气体导流器18在精车之后需要表面抛光，脉冲管座9与热端换热器2、脉冲管5的安装均采用过度配合，避免脉冲管座9内外两条气体通道之间的相互串气，气体导流器8用8~10mm厚丝网叠压烧结成一体装在脉冲管座9内部小台阶17上，并用脉冲管5压紧，使用真空钎焊技术将调相机构6的连管10焊接在脉冲管座9上，将脉冲管座9密封固定在热端换热器2上，进而将整个制冷机其余部件蓄冷器3、冷端换热器4、调相机构6结合成封闭的一个整体。
本发明的特点如下：
1）脉冲管座插入热端换热器狭缝体内孔处，使在热端换热器内部形成两条彼此封闭的流体通道，流经脉冲管座外部环形狭缝体通道的气体能够以较小的流动阻力充分换热，脉冲管座内部的通道经过截面突变处时能实现流体形态的转变；
2）气体从脉冲管进入调相机构，因气体导流器下方是用以引导气体的喇叭形双向渐变过渡曲面开口，气体导流器的下方不存在任何流动上的阻碍，气体能完全充分的流过气体导流器进入调相机构；
3）从调相机构反向流回的气体，能够在脉冲管座内部双向渐变曲面过渡处充分均匀的分散开，因为曲面的上边缘是与脉冲管座内孔面相切，使在靠近气体导流器的曲面过渡处相比锥形过渡小角度的尖角空间要大的多，不会因空间的狭小导致进入气体导流器四周部位的气体流速缓慢，避免了流入脉冲管的气体中心位置突出的问题。使脉冲管内气体能完全层流化，提高了制冷效率。
上述优点将大大促进同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部导流性能的提高，对同轴型脉冲管制冷机的整机性能的提升以及实际工程应用都将具有非常积极的意义。
附图说明
图1为脉冲管制冷机的三种典型布置方式示意图；
图2为同轴型脉冲管制冷机整机（不含调相机构）内部结构示意图；
图3为同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部狭缝体剖面示意图；
图4为未安装气体导流器且脉冲管与脉冲管座直接过渡的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；
图5为安装了气体导流器但脉冲管与脉冲管座仍是直接过渡的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；
图6为安装气体导流器且脉冲管与脉冲管座之间采用锥形开口过渡的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；
图7为安装气体导流器且脉冲管与脉冲管座之间采用双向渐变曲线过渡的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；
图8为脉冲管座的剖面示意图；
图9为脉冲管座上端插入热端换热器狭缝体内的结构剖面示意图。
其中：1为压缩机；2为热端换热器；3为蓄冷器；4为冷端换热器；5为脉冲管；6为调相机构；7为气库；8为气体导流器；9为脉冲管座；10为调相机构连管；11为进气口；12为脉冲管底部区域；13为气体流动死角；14为脉冲管座内部截面过渡区；15为脉冲管座上端内孔；16为脉冲管座上端外圆；17为脉冲管座内部台阶；18为脉冲管座内部双向渐变曲面；19为脉冲管座中心通孔；20脉冲管座外圆过渡曲面；21狭缝体。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明：
图7为所发明的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构详细示意图，包括热端换热器2、脉冲管5、气体导流器8、脉冲管座9，以及内部气体的流动趋势。
图9为脉冲管座上端插入热端换热器狭缝体内的结构剖面示意示意图。
所发明的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构，由热端换热器2、脉冲管5、脉冲管座9和气体导流器8四部分。脉冲管座9的上端外圆16插入热端换热器2的中间通孔内，与热端换热器2内的狭缝体21形成环形狭缝气流通道，狭缝体21由50条宽度0.15mm、以中轴线为圆心360度环形均匀排列的狭槽组成；脉冲管座9内部台阶17上安装气体导流器8，在脉冲管座9上端内孔15再以过盈配合插入脉冲管5，并使脉冲管5能压紧气体导流器8，脉冲管座9外圆过渡曲面20与上端外圆16相切，用以引导从进气口11进入的气体形成环形分布，使气体能均匀并充分地进入狭缝体21，脉冲管座9内部台阶17与中心通孔19的之间用双向渐变平滑曲面18过渡，双向渐变平滑曲面18两端分别与中心通孔19、内部台阶17的垂直方向相切，以减小气流交替流通阻力，符合气体交替流动的运动规律，用焊接的方式将脉冲管座9与调相结构6的连管10结合成整体；脉冲管座9用密封圈加上螺钉密封固定在热端换热器2上。从而形成同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构。
所发明的同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构的制造方法可按如下方法实施：热端换热器2使用线切割技术，将内孔突出部台阶沿垂直方向均匀切割成以中轴线为中心360度环形排列的狭缝21，槽宽0.1~0.2mm，切割完成的狭缝用塞规插入狭槽清理、修磨内部的毛刺，避免因翅片变形造成的阻塞，脉冲管座9的外圆台阶车成平滑曲面20，进气口11高出曲面20最低处1.5mm，脉冲管座9内部截面过渡处14精车成喇叭形双向渐变曲面18开口，高度8mm，两端分别与大小内孔面相切，使交替流通的气体既能以较小的压力损失进入脉冲管座内部通孔19，又能让流入脉冲管底部区域12的气体在进入气体导流器8之前均匀的分散开来，避免出现气体不流通的死角，平滑曲面20和18在精车之后还需要表面抛光，脉冲管座9与热端换热器2、脉冲管5的安装均采用过度配合，避免脉冲管座9内外两条气体通道之间的相互串气，气体导流器8用9mm厚丝网叠压烧结成一体装在脉冲管座9内部小台阶17上，并用脉冲管5压紧，使用真空钎焊技术将调相机构6的连管10焊接在脉冲管座9上，将脉冲管座9密封固定在热端换热器2上，将整个制冷机包括其余的部件蓄冷器3、冷端换热器4、调相机构6结合成封闭的一个整体。

Claims (2)

1.一种同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构，由热端换热器(2)、脉冲管(5)、脉冲管座(9)和气体导流器(8)四部分组成，其特征在于，所述脉冲管座(9)的上端外圆(16)插入热端换热器(2)的中间通孔内，与热端换热器(2)内的狭缝体(21)形成环形狭缝气流通道，狭缝体(21)由48～60条宽度为0.1～0.2mm、以狭缝体(21)中轴线为圆心360度环形均匀排列的狭槽组成；脉冲管座(9)内部台阶(17)上安装气体导流器(8)，在脉冲管座(9)上端内孔(15)中再以过盈配合插入脉冲管(5)，并使脉冲管(5)能压紧气体导流器(8)，脉冲管座(9)外圆过渡曲面(20)与上端外圆(16)相切，用以引导从进气口(11)进入的气体形成环形分布，使气体能均匀并充分地进入狭缝体(21)；脉冲管座(9)内部台阶(17)与中心通孔(19)之间用双向渐变平滑曲面(18)过渡，双向渐变平滑曲面(18)两端分别与中心通孔(19)、内部台阶(17)的垂直方向相切，以减小气流交替流通阻力，符合气体交替流动的运动规律，用焊接的方式将脉冲管座(9)与调相结构(6)的连管(10)结合成整体；脉冲管座(9)用密封圈加上螺钉密封固定在热端换热器(2)上，从而形成同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构。 
2.一种如权利要求1所述同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构的制造方法，其特征在于，热端换热器(2)使用线切割技术，将内孔突出部台阶沿垂直方向均匀切割成以中轴线为中心360度环形排列的狭缝(21)，槽宽0.1～0.2mm；切割完成的狭缝用塞规插入狭槽清理、修磨内部的毛刺，避免因翅片变形造成的阻塞，脉冲管座(9)的外圆台阶车成平滑曲面(20)，进气口(11)高出曲面(20)最低处1～2mm，脉冲管座(9)内部截面过渡处(14)精车成喇叭形双向渐变曲面(18)开口，高度6～10mm，两端分别与大小内孔面相切， 使交替流通的气体既能以较小的压力损失进入脉冲管座内部通孔(19)，又能让流入脉冲管底部区域(12)的气体在进入气体导流器(8)之前均匀分散开来，避免出现气体不流通的死角；平滑曲面(20)和气体导流器(8)在精车之后需要表面抛光，脉冲管座(9)与热端换热器(2)、脉冲管(5)的安装均采用过渡配合，避免脉冲管座(9)内外两条气体通道之间的相互串气，气体导流器(8)用8～10mm厚丝网叠压烧结成一体装在脉冲管座(9)内部小台阶(17)上，并用脉冲管(5)压紧，使用真空钎焊技术将调相机构(6)的连管(10)焊接在脉冲管座(9)上，将脉冲管座(9)密封固定在热端换热器(2)上，进而将整个制冷机其余部件蓄冷器(3)、冷端换热器(4)、调相机构(6)结合成封闭的一个整体。 
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