CN103245121B - 一种同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构及制造方法 - Google Patents

一种同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴脉冲管制冷机的冷端柔性冷链结构及制造方法，该结构由冷头、冷头帽、弹簧、被冷却器件组成。冷头帽的上端平面与被冷却器件相贴合，冷头帽安装在冷头顶部，冷头与冷头帽之间安装弹簧，使二者有接触但能上下活动，在二者之间形成缓冲空间，在冷头上端的沉孔底部设有与外部相连的小孔，以抽出冷头与冷头帽之间封闭区域内残存的空气。本发明通过在冷头与被冷却器件之间安装用弹簧支撑的冷头帽，使冷头与被冷却器件密切贴合，并减轻制冷机工作时的轻微振动对被冷却器件的影响。在冷头内部增设一个通往外界的小孔，避免出现冷凝冰晶，减少了冷量传递过程中的损失，对同轴脉冲管制冷机的应用推广起到非常积极的作用。

Description

一种同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构及制造方法
技术领域
本发明涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构及制造方法。
背景技术
由于脉冲管制冷机不存在低温下的运动部件，因此，具有机械振动小、电磁干扰小、寿命长等优点。并且其结构简单、可靠性高、冷头抗冲击性能强、控制电路简单，在航天、移动通讯基站、医疗等领域具有广泛的应用价值。
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，分别为直线型、U型、同轴型。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，从结构上看，对于优化的同轴布置的脉冲管制冷机，其结构更为紧凑、体积小，并且更容易与器件耦合。一种典型的同轴脉冲管制冷机结构如图1所示，相比其他两种布置方式的制冷机，同轴脉冲管制冷机有着更为广泛的应用前景。
本发明着眼于同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构。同轴脉冲管制冷机的优点在于结构的紧凑、与器件耦合方便，但在用于精度更高、对振动、温度等外部环境更加敏感的器件时，常规的同轴脉冲管制冷机与被冷却器件的耦合方式已不能完全满足要求，这就需要对原有的结构进行改进，消除不利因素。冷头帽是冷链结构的关键部件之一，与冷头和弹簧组成柔性缓冲结构。其需实现的主要功能包括：
1）将同轴脉冲管制冷机产生的冷量以最小的损耗传递到被冷却器件上；
2）能够实现冷头与被冷却器件的紧密贴合；
2）尽量消除同轴脉冲管制冷机工作时的机械振动对被冷却器件的影响。
目前常规的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构还存在诸多缺陷，同轴脉冲管制冷机无运动部件，理论上没有机械振动，但处于工作状态下，压缩机产生的振动会通过导气连管传递到制冷机，使同轴脉冲管制冷机冷头也产生振动，现有的冷链结构还没有完全达到冷量传递损失小、机械振动小的要求，从而使被冷却器件的探测精度和工作时所要求的温度环境受到影响，减低了同轴脉冲管制冷机所要实现的预期性能。目前常见的同轴脉冲管制冷机冷头与被冷却器件之间的耦合结构，主要有以下两种类型：
第一种如图2所示，同轴脉冲管制冷机的冷头直接耦合在被冷却器件的传导面上；
第二种如图3所示，同轴脉冲管制冷机冷头与被冷却器件之间用软铜带连接；
上述两种结构类型都存在明显的不足之处：
第一种形式，如图2所示，当制冷机处于工作状态时，压缩机产生的振动会通过导气连管传递到制冷机，使同轴脉冲管制冷机冷头也产生振动，由于冷头与被冷却器件之间采用直接的硬接触耦合，制冷机的振动会直接传递到被冷却器件上，这会对被冷却器件的探测精度造成不良影响，严重的情况下甚至破坏被冷却器件。
第二种形式，如图3所示，冷头4与被冷却器件11之间不贴合，而用软铜带17来连接，虽然柔性的铜带能消除冷头振动对被冷却器件的影响，但是一定长度的铜带会产生极为可观的热阻损失，严重减低制冷机的效能。
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脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构及制造方法。
本发明的目的在于，通过在冷头与被冷却器件之间安装冷头帽和弹簧，弹簧的压力使冷头帽上端面在各种情况下都能紧密贴合接触被冷却器件，弹簧的弹性又能起到消除机械振动的作用，在冷头增加一处与外界相通的小孔，使残存在冷头与冷头帽之间的空气能够完全去除，避免因空气中水蒸气的凝结而造成的制冷效能的下降，整个柔性冷链结构使同轴脉冲管制冷机产生的冷量能以最小的损失传递到被冷却器件上，让被冷却器件处在所要求的稳定可靠的温度环境内。
图3为同轴脉冲管制冷机冷头与被冷却器件之间用软铜带连接示意图；
图4为所发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构示意图；
图6为同轴脉冲管制冷机冷头剖面示意图；
本发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构由冷头4、冷头帽8、弹簧9、被冷却器件11四部分组成，其特征在于，所述的冷头4与被冷却器件11之间用冷头帽8做链接，冷头4上端的沉孔16内安装弹簧9，在弹簧9的挤压之下，冷头帽8的上端平面15与被冷却器件11紧密贴合，冷头帽8下端凹槽的内侧面14与冷头4上端台阶的外圆面12紧密配合，且在弹簧9的挤压之下能相对活动，冷头4上端的沉孔16底部沿径向开有小孔10与外部环境相通，冷头4通过钎焊的方式连接在同轴脉冲管制冷机上，使同轴脉冲管制冷机与被冷却器件11之间实现柔性连接。
本发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构的制造方法如下：
冷头4上端台阶的外圆面12与冷头帽8下端凹槽的内侧面14之间的单边间隙控制在5～8μm之间，且两个接触面都需要精车，粗糙度达到0.1mm以上，在能够相互活动的前提下，保证最小的配合间隙，冷头帽8上端面15的平面度要在0.01mm以上，冷头4上端沉孔16底部与外部相连的小孔直径保持在1.0～1.2mm之间，冷头4插入蓄冷器外壳3的外圆面制作成深0.1～0.2mm、宽5.5～6.0mm的环形凹槽13，用以放置融开的钎焊料，增强焊接效果。弹簧9的两端必须是并紧且磨平，使冷头帽8受力均衡，通过弹簧9挤压冷头帽8将同轴脉冲管制冷机与被冷却器件11连接成一个整体。
本发明的特点如下：
1）在冷头与被冷却器件之间增加冷头帽和弹簧结构，让冷头帽能完全贴紧被冷却器件，减小传导距离，使冷量能以最小的损失传递到被冷却器件上。
2）处在挤压状态下的弹簧，能压紧冷头帽，使冷头帽能相对冷头自由活动，这样就使冷头上的振动不会传递到冷头帽上，使被冷去器件不受制机械振动的影响；
3）对封闭在冷头与冷头帽之间区域内的空气，采用在冷头内部开通小孔的办法，使被封闭的区域与外界相连，在真空环境下将残存的水蒸气完全排除，避免了水蒸气在低温下的凝结，使冷头产生的冷量不受损失，增加了制冷机的效能；
上述优点将大大促进同轴脉冲管制冷机冷头与被冷却器件之间传导性能的提高，对同轴型脉冲管制冷机在实际工程应用中制冷效率的提高都将具有非常积极的意义。
附图说明
图1为同轴脉冲管制冷机的典型布置方式示意图。
图2为同轴脉冲管制冷机的冷头直接耦合在被冷却器件上的结构示意图。
图3为同轴脉冲管制冷机冷头与被冷却器件之间用软铜带连接示意图。
图4为所发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构示意图。
图5为冷头帽剖面示意图。
图6为同轴脉冲管制冷机冷头剖面示意图；
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为冷头帽；9为弹簧；10为小孔；11为被冷却器件；12为冷头上端台阶外圆面；13为环形凹槽；14为冷头帽下端凹槽的内侧面；15为冷头帽的上端平面；16为冷头上端的沉孔；17为软铜带。
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4为所发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构示意图，包括被冷却器件11、冷头帽8、弹簧9、冷头4。
图6为同轴脉冲管制冷机冷头剖面示意图。
所发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构由冷头4、冷头帽8、弹簧9、被冷却器件11四部分组成，其特征在于，所述同轴脉冲管制冷机的冷头4与被冷却器件11之间用冷头帽8做链接，冷头4上端的沉孔16内安装弹簧9，在弹簧9的挤压之下，冷头帽8的上端平面15与被冷却器件11紧密贴合，冷头帽8下端凹槽的内侧面14与冷头4上端台阶的外圆面12紧密配合，且在弹簧9的挤压之下能相对活动，冷头4上端的沉孔16底部沿径向开有小孔10与外部环境相通，冷头4通过钎焊的方式连接在同轴脉冲管制冷机上，使同轴脉冲管制冷机与被冷却器件11之间实现柔性连接。
所发明的同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构的制造方法可按如下方法实施：
冷头4上端台阶的外圆面12与冷头帽8下端凹槽的内侧面14之间的的单边间隙控制在6μm，且两个接触面都需要精车，粗糙度达到0.05mm，在能够相互活动的前提下，保证最小的配合间隙，冷头帽8上端面15的平面度保持在0.01mm，冷头4上端沉孔16底部与外部相连的小孔直径为1.2mm，冷头4插入蓄冷器外壳3的外圆面制作成深0.1mm、宽5.5mm的环形凹槽13，用以放置融开的钎焊料，增强焊接效果。弹簧9的两端必须是并紧且磨平，使冷头帽8受力均衡，通过弹簧9挤压冷头帽8将同轴脉冲管制冷机与被冷却器件11连接成一个整体。

Claims (2)

1.一种同轴脉冲管制冷机的冷端柔性冷链结构，由冷头(4)、冷头帽(8)、弹簧(9)和被冷却器件(11)四部分组成，其特征在于，所述的冷头(4)与被冷却器件(11)之间用冷头帽(8)做链接，冷头(4)上端的沉孔(16)内安装弹簧(9)，在弹簧(9)的挤压之下，冷头帽(8)的上端平面(15)与被冷却器件(11)紧密贴合，冷头帽(8)下端凹槽的内侧面(14)与冷头(4)上端台阶的外圆面(12)紧密配合，且在弹簧(9)的挤压之下能相对活动，冷头(4)上端的沉孔(16)底部沿径向开有小孔(10)与外部环境相通，冷头(4)通过钎焊的方式连接在同轴脉冲管制冷机上，使同轴脉冲管制冷机与被冷却器件(11)之间实现柔性连接。
2.一种如权利要求1所述同轴脉冲管制冷机冷端柔性冷链结构的制造方法，其特征在于，冷头(4)上端台阶的外圆面(12)与冷头帽(8)下端凹槽的内侧面(14)之间的的单边间隙控制在5～8μm之间，且两个接触面都需要精车，粗糙度达到0．1mm以上，在能够相互活动的前提下，保证最小的配合间隙，冷头帽(8)上端面(15)的平面度要保持在0．01mm以上，冷头(4)上端沉孔(16)底部与外部相连的小孔直径保持在1．0～1．2mm之间，冷头(4)插入蓄冷器外壳(3)的外圆面制作成深0．1～0．2mm、宽5．5～6．0mm的环形凹槽(13)，用以放置融开的钎焊料，增强焊接效果；弹簧(9)的两端必须是并紧且磨平，使冷头帽(8)受力均衡，通过弹簧(9)挤压冷头帽(8)将同轴脉冲管制冷机与被冷却器件(11)连接成一个整体。
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