CN103175329A

CN103175329A - U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构及制造方法

Info

Publication number: CN103175329A
Application number: CN2013100983662A
Authority: CN
Inventors: 党海政; 周炳露; 宋宇尧
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN103175329B

Abstract

本发明公开了一种适用于U型及直线脉冲管制冷机的热端内部导流结构及制造方法，由热端换热器、热端堵头、导流芯柱组成。热端换热器内部用线切割技术割出锥形翅片结构，沿中心环形均布；中心部位在线切割之前预先制成T型通孔，用以消除翅片末端薄弱的尖角，插入同样制成翅片结构的导流芯柱，并在导流芯柱中心位置穿孔，热端堵头插入热端换热器内，热端堵头内部双向渐变过渡曲面连接狭缝体导流通道和小孔流道，曲面与两端流体通道表面相切，热端堵头用密封圈及螺钉紧密连接在热端换热器上。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U型及直线型脉冲管制冷机制冷效率的提高有重要意义。

Description

U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构及制造方法

技术领域

本发明涉及一种脉管制冷机，特别涉及一种U型及直线脉冲管制冷机的热端内部导流结构及制造方法。

背景技术

脉冲管制冷机诞生于二十世纪六十年代，从九十年代开始进行了大规模的实际应用。与G-M制冷机和斯特林制冷机相比，脉管制冷机消除了低温区域的排出器，取而代之的是称为脉管的空心管。其相位由安装在脉管热端的小孔、惯性管和气库等静态部件控制。由于在低温区域没有运动部件，从而消除了滑动磨损、机械振动、间隙密封等问题。因此，脉冲管制冷机具有振动小、寿命长等优势，并且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，其自身的特性决定了脉管制冷机在航空航天、低温电子、超导物理和低温医疗等方面都有着广泛的应用，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。

根据脉冲管制冷机脉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：U型（a）、同轴型（b）、直线型（c）。U型是让脉管与蓄冷器并列布置，通过冷端内的管道相连，同轴型的脉管与蓄冷器同心布置，脉管插入蓄冷器内，直线型脉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，直线型内部流动阻力小，实际运用时，整机形体大且不易与被冷却器件耦合；U型脉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，但流动的阻力更大。脉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U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构。U型及直线脉管制冷机相对于同轴脉管制冷机的优势在于制冷机内部流动阻力小，但在如何进一步减小热端内部气体流动阻力方面还有很多改进余地。热端堵头和热端换热器是U型及直线脉管制冷机热端内部的关键部件，与导流芯柱、蓄冷器组合成集换热、导流、整体固定为一体的关键部位。U型及直线脉冲管制冷机的热端实现的主要功能包括：

1）热端换热器内部线切割形成的环形狭缝体导流结构让进入的气体沿环形分布的狭槽流动，使气体在进入蓄冷器时分布均匀，实现气体层流化。

2）在热端换热器内部的狭缝，48～60条环形排列的狭槽，大大增加了换热器与气体之间的接触面积，实现气体与外部环境大量、快速的热量传递。

3）热端狭缝体中心部位插入的带10～15条环形狭槽的导流芯柱，消除了热端狭缝体因切割数量众多的狭槽产生翅片薄弱尖角，其自身切割形成的狭槽进一步增加了气体的换热面积，加速热量传递，并使热端中心位置的气体也能同周围狭缝体的气体一样平稳流过换热器。

4）作为热端狭缝和热端堵头通孔之间气体连接的过渡结构，在热端堵头内部截面过渡区域气体实现了热端狭缝和热端堵头中心通孔之间流体形态的快速转变。

5）热端堵头两端分别连接热端换热器和调相机构，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部分热量会通过热端堵头传到热端换热器，起着热量传递的作用。

目前常规的U型及直线脉管制冷机热端内部的导流结构上还是有很多缺陷，在热端堵头内部实现狭缝体与热端堵头中心通孔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U型及直线脉管制冷机容易出现效率低下的问题。现有常规U型及直线脉管制冷机热端内部导流结构中，热端堵头中心通孔与狭缝体的交接处主要由两种结构类型。

第一种如图4所示，热端堵头8插入热端换热器2内，热端堵头8上端与狭缝体10结合处制作成圆柱形凹槽13。

第二种如图5所示，热端堵头8插入热端换热器2内，热端堵头8上端与狭缝体10结合处制作成圆锥形开口13。

上述两种热端堵头中心通孔与狭缝体的交接形式，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，小孔径的热端堵头8中心通孔12要与大截面的狭缝体10相接，热端堵头10上端的开口制作成圆柱形凹槽13，气体从热端堵头8中心通孔12流出后扩散开来进入狭缝体10内，因为开口制作成了圆柱形，虽然底角四周做了圆角过渡处理，但从热端堵头8中心通孔12流出的气体只会形成扇形扩散面，在四周底角处会出现气流低压区14，导致涡流的产生，严重影响了气体的流动速度，这就会大大的减低制冷机的效率。

第二种形式，如图5，热端堵头8与狭缝体10结合处的开口形式制作成圆锥形，消除了圆柱形凹槽四周底角的气流低压区，但是因为脉冲管制冷机内的气体始终处于高频振荡状态，气体在交替流动状态下通过圆锥形开口13，所以当气体由热端堵头8中心通孔12流入圆锥形开口13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狭缝体10的边缘区域，且圆锥形开口13边角处空间狭小，使此处的气体无法像圆锥形开口13中心区域的气体那样快速通过狭缝体10，导致气体流速缓慢形成气体滞留区，即气体流动死角14，这样的状况使气体没能沿狭缝体10的整个覆盖面进入，而是出现了中间突出的状况，从而使流入狭缝体10内的气体无法完全实现层流化，并影响气体与狭缝体10内的翅片之间的换热效率，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U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构及制造方法。

本发明的目的在于，在U型及直线脉冲管制冷机热端内部的热端堵头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狭缝体与热端堵头中心通孔截面突变结合处，其次让从热端堵头中心通孔进入蓄冷器的气体在进入狭缝体之前能够充分的分布均匀，避免了流通中有害的死角区域，流体顺利、平稳的通过狭缝体将有助于流体在蓄冷器内形成层流，提高制冷效率。

本发明的U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构由热端换热器2、导流芯柱11、热端堵头8三部分组成，其特征在于，热端换热器2上端台阶孔18插入蓄冷器3、脉冲管5，并焊接在一起，热端换热器2内部中心为T形通孔20，T形通孔20四周为狭缝体10结构，由48～60条宽度为0.1～0.2mm，以热端换热器2中轴线为圆心360度环形排列的狭槽组成；热端换热器2中心的T形通孔20内插入导流芯柱11，导流芯柱11也是T形结构，台阶面23贴紧热端换热器2内部狭缝体10的台阶面20，导流芯柱11中心为0.8～1.2mm通孔22，通孔22四周壁厚0.8～1.0mm以外部位为以中轴线为圆心环形均布的10～15条狭槽24，狭槽宽度为0.05～1.0mm；热端堵头8插入热端换热器2下端台阶孔21内，热端堵头8的上端面22与热端换热器2内部台阶面15贴紧，使热端堵头8内部的双向渐变曲面16上端与狭缝体10的四周边界相吻合，热端堵头8内部的双向渐变曲面16上、下端与狭缝体10外圆和热端堵头中心通孔12相切；热端堵头8用螺钉和密封圈紧密连接在热端换热器2上，从而形成U型及直线脉管制冷机的热端内部导流结构。

本发明的U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构的制造方法如下：先在热端换热器2中心加工成T形通孔20。T形通孔20四周使用线切割技术，在热端换热器2内部沿垂直方向均匀切割成48～60条以中轴线为中心360度环形排列的狭缝10，槽宽0.1～0.2mm；切割完成的狭缝10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，导流芯柱11精车成T型结构，穿中心通孔20，再用线切割技术完成狭缝体25的切割，导流芯柱大外径部位26靠近蓄冷器3，先插入导流芯柱11才能装蓄冷器3，导流芯柱11细小、易变形，需要在精心修整后再插入热端换热器2的狭缝体10内，热端堵头8内部截面过渡处精车成喇叭形双线渐变曲面16开口，高度为6～10mm，双向渐变曲面16在精车后需要表面打磨抛光，双向渐变曲面16两端分别与热端换热器内部狭缝体10外圆和热端堵头中心通孔12相切，热端堵头8整体插入热端换热器2内，热端堵头8上端面22与热端换热器2内部台阶面15贴合，热端换热器2下端面的密封槽17放入O型密封圈，用螺钉将热端堵头8紧密连接在热端换热器2上，蓄冷器3插入热端换热器2上端台阶孔18，并焊接成一体，进而将整个制冷机其余部件冷端换热器4、脉冲管5、调相机构6结合成封闭的一个整体。

本发明的特点如下：

1）热端狭缝体内部插入的带环形狭槽的导流芯柱，消除了热端狭缝体导热翅片薄弱尖角，环形狭槽进一步增加了气体的换热面积，加速热量传递，并使热端中心位置的气体也能同周围狭缝体的气体一样平稳流过换热器；

2）气体从狭缝体进入热端堵头中心通孔，因狭缝体下方是用以引导气体的喇叭形双向渐变过渡曲面开口，狭缝体的下方不存在任何流动上的阻碍，气体能完全充分的流过狭缝体进入热端堵头中心通孔；

3）从热端堵头中心通孔反向流回的气体，能够在热端堵头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狭缝体内孔面相切，使在靠近狭缝体的曲面过渡处相比圆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狭缝体四周部位的气体流速缓慢，避免了流入狭缝体的气体中心位置突出的问题。使狭缝体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U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流性能的提高，对U型及直线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U型脉冲管制冷机整机（不含压缩机及调相机构）的内部结构示意图；

图3为直线型脉冲管制冷机整机（不含压缩机及调相机构）的内部结构示意图；

图4为热端堵头制作成圆柱形凹槽的U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；

图5为热端堵头制作成圆锥形开口的U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；

图6热端堵头制作成双向渐变曲线过渡开口的的U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构示意图；

图7为U型及直线脉冲管制冷机热端堵头剖视图；

图8为U型及直线脉冲管制冷机热端换热器剖视图；

图9为U型及直线脉冲管制冷机热端换热器俯视图；

图10为导流芯柱俯视图；

图11为导流芯柱剖视图；

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为热端堵头；9为热端堵头连接法兰；10为狭缝体；11为导流芯柱；12为热端堵头中心通孔；13为热端堵头内部截面过渡区；14为气体流动死角区域；15为热端换热器内部台阶面；16为热端堵头内部双向渐变曲面；17为热端换热器下端面密封槽；18为热端换热器上端台阶孔；19为热端换热器狭缝体内孔台阶面；20为热端换热器内部T形通孔；21为热端换热器下端台阶孔；22为热端堵头上端面；23为导流芯柱中心通孔；24为导流芯柱台阶面；25为导流芯柱狭缝；26为导流芯柱大外径部位。

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6为所发明的U型及直线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、蓄冷器3、导流芯柱11、热端堵头8，以及内部气体的流动分布。

图7为热端堵头剖面示意图。

所发明的U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构，由热端换热器2、导流芯柱11、热端堵头8三部分组成，其特征在于，热端换热器2上端台阶孔18插入蓄冷器3、脉冲管5，并焊接在一起，热端换热器2内部中心为T形通孔20，T形通孔20四周为狭缝体10结构，由50条宽度为0.15mm，以热端换热器2中轴线为圆心360度环形排列的狭槽组成；热端换热器2中心的T形通孔20内插入导流芯柱11，导流芯柱11也是T形结构，台阶面23贴紧热端换热器2内部狭缝体10的台阶面20，导流芯柱11中心为0.9mm通孔22，通孔22四周壁厚0.9mm以外部位为以中轴线为圆心环形均布的12条狭槽24，狭槽宽度为0.08mm；热端堵头8插入热端换热器2下端台阶孔21内，热端堵头8的上端面22与热端换热器2内部台阶面15贴紧，使热端堵头8内部的双向渐变曲面16上端与狭缝体10的四周边界相吻合，热端堵头8内部的双向渐变曲面16上、下端与狭缝体10外圆和热端堵头中心通孔12相切；热端堵头8用螺钉和密封圈紧密连接在热端换热器2上，从而形成U型及直线脉管制冷机的热端内部导流结构。

所发明的U型及直线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：先在热端换热器2中心加工成T形通孔20。T形通孔20四周使用线切割技术，在热端换热器2内部沿垂直方向均匀切割成50条以中轴线为中心360度环形排列的狭缝10，槽宽0.15mm；切割完成的狭缝10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，导流芯柱11精车成T型结构，穿中心通孔20，再用线切割技术完成狭缝体25的切割，导流芯柱大外径部位26靠近蓄冷器3，先插入导流芯柱11才能装蓄冷器3，导流芯柱11细小、易变形，需要在精心修整后再插入热端换热器2的狭缝体10内，热端堵头8内部截面过渡处精车成喇叭形双线渐变曲面16开口，高度为8mm，双向渐变曲面16在精车后需要表面打磨抛光，双向渐变曲面16两端分别与热端换热器内部狭缝体10外圆和热端堵头中心通孔12相切，热端堵头8整体插入热端换热器2内，热端堵头8上端面22与热端换热器2内部台阶面15贴合，热端换热器2下端面的密封槽17放入O型密封圈，用螺钉将热端堵头8紧密连接在热端换热器2上，蓄冷器3插入热端换热器2上端台阶孔18，并焊接成一体，进而将整个制冷机其余部件冷端换热器4、脉冲管5、调相机构6结合成封闭的一个整体。

Claims

1.一种U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构，由热端换热器（2）、导流芯柱（11）、热端堵头（8）三部分组成，其特征在于，热端换热器（2）上端台阶孔（18）插入蓄冷器（3）、脉冲管（5），并焊接在一起，热端换热器（2）内部中心为T形通孔（20），T形通孔（20）四周为狭缝体（10）结构，它由48～60条宽度为0.1～0.2mm，以热端换热器（2）中轴线为圆心360度环形排列的狭槽组成；热端换热器（2）中心的T形通孔（20）内插入导流芯柱（11），导流芯柱（11）也是T形结构，台阶面（24）贴紧热端换热器（2）狭缝体（10）的台阶面（19），导流芯柱（11）中心为0.8～1.2mm通孔（23），通孔（23）四周壁厚0.8～1mm以外部位为以中轴线为圆心环形均布的10～15条狭槽（25），狭槽宽度为0.05～1mm；热端堵头（8）插入热端换热器（2）下端台阶孔（21）内，热端堵头（8）的上端面（22）与热端换热器（2）内部台阶面（15）贴紧，使热端堵头（8）内部的双向渐变曲面（16）上端与狭缝体（10）的四周边界相吻合，热端堵头（8）内部的双向渐变曲面（16）上、下端与狭缝体（10）外圆和热端堵头中心通孔（12）相切；热端堵头（8）用螺钉和密封圈紧密连接在热端换热器（2）上，从而形成U型及直线脉管制冷机的热端内部导流结构。

2.一种基于权利要求1所述热端内部导流结构的制造方法，其特征在于，先在热端换热器（2）中心加工成T形通孔（20）；T形通孔（20）四周使用线切割技术，在热端换热器（2）内部沿垂直方向均匀切割成48～60条以中轴线为中心360度环形排列的狭缝（10），槽宽0.1～0.2mm；切割完成的狭缝（10）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，导流芯柱（11）精车成T型结构，穿中心通孔（20），再用线切割技术完成狭缝体（25）的切割，导流芯柱大外径部位（26）靠近蓄冷器（3），先插入导流芯柱（11）才能装蓄冷器（3），导流芯柱（11）细小、易变形，需要在精心修整后再插入热端换热器（2）的狭缝体（10）内，热端堵头（8）内部截面过渡处精车成喇叭形双线渐变曲面（16）开口，高度为6～10mm，双向渐变曲面（16）在精车后需要表面打磨抛光，双向渐变曲面（16）两端分别与热端换热器内部狭缝体（10）外圆和热端堵头中心通孔（12）相切，热端堵头（8）整体插入热端换热器（2）内，热端堵头（8）上端面（22）与热端换热器（2）内部台阶面（15）贴合，热端换热器（2）下端面的密封槽（17）放入O型密封圈，用螺钉将热端堵头（8）紧密连接在热端换热器（2）上，蓄冷器（3）插入热端换热器（2）上端台阶孔（18），并焊接成一体，进而将整个制冷机其余部件冷端换热器（4）、脉冲管（5）、调相机构（6）结合成封闭的一个整体。