CN103307798B - 同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法 - Google Patents

同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法 Download PDF

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    • F25B2309/1406—Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements

Abstract

本发明公开了一种同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法，该结构主基座、压缩机、连管、调相机构、T型散热支撑平台、主换热器、次换热器、蓄冷器、脉冲管、冷端换热器、红外器件、冷屏、器件杜瓦以及杜瓦窗口组成。使用该发明的耦合结构可以充分发挥同轴脉管制冷机的结构优点，实现整体系统的紧凑性和高可靠，对同轴脉管制冷机在冷却红外器件的实用化方面具有非常积极的意义。

Description

同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法
技术领域
本发明属于制冷与低温工程领域，涉及脉管制冷机，特别涉及一种同轴脉管制冷机与红外器件的耦合结构及制造方法。
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（如斯特林和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U型，（2）为同轴型，（3）为直线型。由图1可以看出，三类脉管制冷机都主要由压缩机、连管、蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷头、脉管、脉管热端换热器以及调相机构组成，其中冷头是脉管制冷机的应用端，与被冷却器件耦合。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。
由图1可以看出，在脉管制冷机的三种典型布置方式中，同轴型的结构是最为紧凑的，它的低温端直接突出，形成一个垂直冷指，与曾经获得广泛应用的斯特林制冷机的冷指十分相似，因而可以直接采用已经成熟的插入式杜瓦，冷头应用端与器件耦合十分方便，并且可以直接借鉴成熟的技术。所以，当技术的发展使得脉管制冷机成为其它常规的回热式低温制冷机如斯特林机的更新换代品种时，同轴型脉管制冷机便在实践中最先获得广泛的应用。最近20余年来，对低温红外器件的冷却，成为脉管制冷机在航天领域的最大应用。因而，发挥同轴型脉管制冷机与器件耦合方便的特点，使之形成紧凑、可靠的耦合结构，便成为相关应用领域关注的焦点之一。
由图1可以看出，同轴脉管制冷机可以大致分为四部分，即压缩机、连管、同轴型脉管冷指（主要由蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷头、脉管、脉管热端换热器组成）以及调相机构（可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体）。同轴脉管制冷机与红外器件的耦合任务，便是如何有效地组织这四大部分，从而与红外器件形成紧凑、可靠、高效的耦合结构。
发明内容
本发明提出一种同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法。
本发明的结构由主基座1、压缩机2、连管3、调相机构4、T型散热支撑平台5、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口14组成。主基座1作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构；压缩机2采用双活塞对置式结构；在压缩机2的上表面安装T型散热支撑平台5，作为同轴脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器6进行垂直支撑；次换热器7从下部同心地插入主换热器6之内并焊接连接；连管3的一端通过T型散热支撑平台5的贯通孔18与压缩机2的出口连接，连管3的另一端与主换热器6连接，并通过主换热器6与次换热器7之间形成的环形间隙15与蓄冷器8连通；脉冲管9同心地插入蓄冷器8之中；蓄冷器8和脉冲管9的上端同心地插入冷端换热器10内并连接，下端分别插入主换热器6及次换热器7内并连接；调相机构4的进口端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的漏斗形孔道16与脉冲管9连通，调相机构4的末端固定到主基座1上；压缩机2、连管3、调相机构4、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9以及冷端换热器10共同组成了一台同轴脉管制冷机；在冷端换热器10的冷平台24上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置冷屏12，冷屏12上部开口正对杜瓦窗口14；主换热器6及其上设置的器件杜瓦13将蓄冷器8、冷端换热器10、红外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面与主换热器6的上表面密封连接。从而共同构成一种同轴型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。
下面结合附图对所发明的同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的制造方法进行说明如下：
如图2所示，主基座1由厚度为20～40mm的纯铝平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密车床、铣床和磨床加工保证处于1.0～5.0μm之间，平板水平放置，对整个耦合结构进行垂直支撑，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构。
如图2所示，在压缩机2之上安装一个由高导热铝材制作的T型散热支撑平台5。如图3所示，支撑平台5由位于下部的支撑座19和上部的支撑平面17组成，中心加工出贯通孔18，支撑座19的下表面与压缩机上表面焊接固定，支撑平面17的上表面使用精密车床、铣床和磨床加工保证平面度处于2.0～3.0μm之间，且与主基座1之间的平行度保持在1.0～2.0μm之间。
如图2、图4和图5所示，连管3采用内径2.0～6.0mm的纯铜管制作而成，其一端与T型散热支撑平台5的贯通孔18采用真空钎焊技术焊接连接，另一端从主换热器6下部的左贯通槽21引出，并采用真空钎焊技术焊接在主换热器6，与主换热器6及次换热器7之间形成的环形间隙15连通。
如图2、图4和图5所示，调相机构4可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体，其进口端与次换热器7使用真空钎焊技术焊接在一起，然后穿过主换热器6下部的右贯通槽20引出，末端使用螺栓固定于主基座1上。
如图4、图5和图6所示，主换热器6和次换热器7均采用高导热的高纯无氧铜材料制作，其中主换热器6内部使用慢走丝线切割技术加工成一中空结构，次换热器7从下部同心地插入主换热器6内，二者之间的连接面使用真空钎焊技术焊接。次换热器7内加工出漏斗形孔道16，漏斗形孔道16的漏斗开口内径与脉冲管9的外径相同，通过漏斗形孔道16实现调相机构4与脉冲管9之间的连通。主换热器6和次换热器7之间形成环形间隙15，连管3通过环形间隙15与蓄冷器8连通。
如图2所示，主换热器6的下端面与T型散热支撑平台5的上端面密切贴合，二者之间使用螺栓连接；蓄冷器8和脉冲管9的下端分别从上部同心地插入主换热器6和次换热器6之内，插入深度均保持在1.0～2.0mm之间，插入部位的接触面均使用真空钎焊技术焊接。
如图7所示，冷端换热器10采用高导热的无氧铜材料制作，内部使用慢走丝线切割技术均匀切割出狭缝，狭缝内壁形成凹槽22，狭缝之上形成焊接环面23，焊接环面23之上使用精密车床、铣床和磨床加工出一个平面度处于1.0～2.0μm之间的冷平台24。
如图8所示，蓄冷器8及脉冲管9同心地插入冷端换热器10之内，其中蓄冷器8的管壁与焊接环面23的接触面采用真空钎焊技术焊接，脉冲管9插入凹槽22内，插入深度保持在1.0～2.0mm之间，脉冲管9的外壁与的内壁接触面采用过盈配合的方法紧配，过盈量为脉冲管9的外径超过凹槽22的内径处于0.02～0.04mm之间。
如图2所示，在冷端换热器10的冷平台24上放置待冷却的红外器件11。在冷端换热器10及红外器件11之上设置一个壁厚为1.0～2.0mm的冷屏12，其下端使用螺钉固定于冷平台24之上，上部开一个直径为5.0～15.0mm圆形窗口，正对杜瓦窗口14。器件杜瓦13的下端面与主换热器6的上端面采用螺栓连接和“O”型橡胶圈密封，在器件杜瓦13内使用真空分子泵保持优于1.0×10-5Pa的真空度。
本发明的特点在于，使用该发明的耦合结构可以充分发挥同轴脉管制冷机的结构优点，实现整体系统的紧凑性和高可靠，对同轴脉管制冷机在冷却红外器件的实用化方面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；其中：25为压缩机；26为连管；27为蓄冷器热端换热器；28为蓄冷器；29为冷头；30为脉管；31为脉管热端换热器；32为调相机构。
图2为所发明同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的剖视图；其中：1为主基座；2为压缩机；3为连管；4为调相机构；5为T型散热支撑平台；6为主换热器；7为次换热器；8为蓄冷器；9为脉冲管；10为冷端换热器；11为红外器件；12为冷屏；13为器件杜瓦；14为杜瓦窗口。
图3为T型散热支撑平台5的剖视图；其中：17为支撑平面；18为贯通孔；19为支撑座。
图4为主换热器6的剖视图（1）及立体图（2）；其中：20为右贯通槽；21为左贯通槽。
图5为次换热器7的剖视图；其中：16为漏斗形孔道。
图6为主换热器6与次换热器7组合剖视图；其中：15为环形间隙。
图7为冷端换热器10的立体图；其中：22为凹槽；23为焊接环面；24为冷平台。
图8为蓄冷器8和脉冲管9插入冷端换热器10的局部放大剖视图；其中：8为蓄冷器；9为脉冲管；10为冷端换热器。
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：
所发明的同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构由主基座1、压缩机2、连管3、调相机构4、T型散热支撑平台5、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口14组成。主基座1作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构；压缩机2采用双活塞对置式结构；在压缩机2的上表面安装T型散热支撑平台5，作为同轴脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器6进行垂直支撑；次换热器7从下部同心地插入主换热器6之内并焊接连接；连管3的一端通过T型散热支撑平台5的贯通孔18与压缩机2的出口连接，连管3的另一端与主换热器6连接，并通过主换热器6与次换热器7之间形成的环形间隙15与蓄冷器8连通；脉冲管9同心地插入蓄冷器8之中；蓄冷器8和脉冲管9的上端同心地插入冷端换热器10内并连接，下端分别插入主换热器6及次换热器7内并连接；调相机构4的进口端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的漏斗形孔道16与脉冲管9连通，调相机构4的末端固定到主基座1上；压缩机2、连管3、调相机构4、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9以及冷端换热器10共同组成了一台同轴脉管制冷机；在冷端换热器10的冷平台24上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置冷屏12，冷屏12上部开口正对杜瓦窗口14；主换热器6及其上设置的器件杜瓦13将蓄冷器8、冷端换热器10、红外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面与主换热器6的上表面密封连接。从而共同构成一种同轴型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。
所发明的同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的制造方法可按如下方法实施：
如图2所示，主基座1由厚度为30mm的纯铝平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密车床、铣床和磨床加工保证为2.0μm之间，平板水平放置，对整个耦合结构进行垂直支撑，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构。
如图2所示，在压缩机2之上安装一个由高导热铝材制作的T型散热支撑平台5。如图3所示，支撑平台5由位于下部的支撑座19和上部的支撑平面17组成，中心加工出贯通孔18，支撑座19的下表面与压缩机上表面焊接固定，支撑平面17的上表面使用精密车床、铣床和磨床加工保证平面度为2.5μm、与主基座1之间的平行度为1.5μm。
如图2、图4和图5所示，连管3采用内径3.0mm的纯铜管制作而成，其一端与T型散热支撑平台5的贯通孔18采用真空钎焊技术焊接连接，另一端从主换热器6下部的左贯通槽21引出，并采用真空钎焊技术焊接在主换热器6，与主换热器6及次换热器7之间形成的环形间隙15连通。
如图2、图4和图5所示，调相机构4可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体，其进口端与次换热器7使用真空钎焊技术焊接在一起，然后穿过主换热器6下部的右贯通槽20引出，末端使用螺栓固定于主基座1上。
如图4、图5和图6所示，主换热器6和次换热器7均采用高导热的高纯无氧铜材料制作，其中主换热器6内部使用慢走丝线切割技术加工成一中空结构，次换热器7从下部同心地插入主换热器6内，二者之间的连接面使用真空钎焊技术焊接。次换热器7内加工出漏斗形孔道16，漏斗形孔道16的漏斗开口内径与脉冲管9的外径相同，通过漏斗形孔道16实现调相机构4与脉冲管9之间的连通。主换热器6和次换热器7之间形成环形间隙15，连管3通过环形间隙15与蓄冷器8连通。
如图2所示，主换热器6的下端面与T型散热支撑平台5的上端面密切贴合，二者之间使用螺栓连接；蓄冷器8和脉冲管9的下端分别从上部同心地插入主换热器6和次换热器6之内，插入深度均为1.5mm，插入部位的接触面均使用真空钎焊技术焊接。
如图7所示，冷端换热器10采用高导热的无氧铜材料制作，内部使用慢走丝线切割技术均匀切割出狭缝，狭缝内壁形成凹槽22，狭缝之上形成焊接环面23，焊接环面23之上使用精密车床、铣床和磨床加工出一个平面度为1.5μm的冷平台24。
如图8所示，蓄冷器8及脉冲管9同心地插入冷端换热器10之内，其中蓄冷器8的管壁与焊接环面23的接触面采用真空钎焊技术焊接，脉冲管9插入凹槽22内，插入深度为1.5mm，脉冲管9的外壁与的内壁接触面采用过盈配合的方法紧配，过盈量为脉冲管9的外径超过凹槽22的内径0.03mm。
如图2所示，在冷端换热器10的冷平台24上放置待冷却的红外器件11。在冷端换热器10及红外器件11之上设置一个壁厚为1.5mm的冷屏12，其下端使用螺钉固定于冷平台24之上，上部开一个直径为8.0mm圆形窗口，正对杜瓦窗口14。器件杜瓦13的下端面与主换热器6的上端面采用螺栓连接和“O”型橡胶圈密封，在器件杜瓦13内使用真空分子泵保持优于1.0×10-5Pa的真空度。

Claims (2)

1.一种同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构，由主基座(1)、压缩机(2)、连管(3)、调相机构(4)、T型散热支撑平台(5)、主换热器(6)、次换热器(7)、蓄冷器(8)、脉冲管(9)、冷端换热器(10)、红外器件(11)、冷屏(12)、器件杜瓦(13)以及杜瓦窗口(14)组成，其特征在于，主基座(1)作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机(2)和调相机构(4)的散热结构；压缩机(2)采用双活塞对置式结构；在压缩机(2)的上表面安装T型散热支撑平台(5)，作为同轴脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器(6)进行垂直支撑；次换热器(7)从下部同心地插入主换热器(6)之内并焊接连接；连管(3)的一端通过T型散热支撑平台(5)的贯通孔(18)与压缩机(2)的出口连接，连管(3)的另一端与主换热器(6)连接，并通过主换热器(6)与次换热器(7)之间形成的环形间隙(15)与蓄冷器(8)连通；脉冲管(9)同心地插入蓄冷器(8)之中；蓄冷器(8)和脉冲管(9)的上端同心地插入冷端换热器(10)内并连接，下端分别插入主换热器(6)及次换热器(7)内并连接；调相机构(4)的进口端与次换热器(7)连接，并通过次换热器(7)内的漏斗形孔道(16)与脉冲管(9)连通，调相机构(4)的末端固定到主基座(1)上；压缩机(2)、连管(3)、调相机构(4)、主换热器(6)、次换热器(7)、蓄冷器(8)、脉冲管(9)以及冷端换热器(10)共同组成了一台同轴脉管制冷机；在冷端换热器(10)的冷平台(24)上放置待冷却的红外器件(11)；在冷端换热器(10)及红外器件(11)之上设置冷屏(12)，冷屏(12)上部开口正对杜瓦窗口(14)；主换热器(6)及其上设置的器件杜瓦(13)将蓄冷器(8)、冷端换热器(10)、红外器件(11)以及冷屏(12)罩于其中；器件杜瓦(13)的下表面与主换热器(6)的上表面密封连接，从而共同构成一种同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。
2.一种如权利要求1所述同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的制造方法，其特征在于，主基座(1)由厚度为20～40mm的纯铝平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密车床、铣床和磨床加工保证处于1.0～5.0μm之间，平板水平放置，对整个耦合结构进行垂直支撑，同时充当压缩机(2)和调相机构(4)的散热结构；在压缩机(2)之上安装一个由高导热铝材制作的T型散热支撑平台(5)，支撑平台(5)由位于下部的支撑座(19)和上部的支撑平面(17)组成，中心加工出贯通孔(18)，支撑座(19)的下表面与压缩机上表面焊接固定，支撑平面(17)的上表面使用精密车床、铣床和磨床加工保证平面度处于2.0～3.0μm之间，且与主基座(1)之间的平行度保持在1.0～2.0μm之间；连管(3)采用内径2.0～6.0mm的纯铜管制作而成，其一端与T型散热支撑平台(5)的贯通孔(18)采用真空钎焊技术焊接连接，另一端从主换热器(6)下部的左贯通槽(21)引出，并采用真空钎焊技术焊接在主换热器(6)，与主换热器(6)及次换热器(7)之间形成的环形间隙(15)连通；调相机构(4)是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体，其进口端与次换热器(7)使用真空钎焊技术焊接在一起，然后穿过主换热器(6)下部的右贯通槽(20)引出，末端使用螺栓固定于主基座(1)上；主换热器(6)和次换热器(7)均采用高导热的高纯无氧铜材料制作，其中主换热器(6)内部使用慢走丝线切割技术加工成一中空结构，次换热器(7)从下部同心地插入主换热器(6)内，二者之间的连接面使用真空钎焊技术焊接；次换热器(7)内加工出漏斗形孔道(16)，漏斗形孔道(16)的漏斗开口内径与脉冲管(9)的外径相同，通过漏斗形孔道(16)实现调相机构(4)与脉冲管(9)之间的连通；主换热器(6)和次换热器(7)之间形成环形间隙(15)，连管(3)通过环形间隙(15)与蓄冷器(8)连通；主换热器(6)的下端面与T型散热支撑平台(5)的上端面密切贴合，二者之间使用螺栓连接；蓄冷器(8)和脉冲管(9)的下端分别从上部同心地插入主换热器(6)和次换热器(7)之内，插入深度均保持在1.0～2.0mm之间，插入部位的接触面均使用真空钎焊技术焊接；冷端换热器(10)采用高导热的无氧铜材料制作，内部使用慢走丝线切割技术均匀切割出狭缝，狭缝内壁形成凹槽(22)，狭缝之上形成焊接环面(23)，焊接环面(23)之上使用精密车床、铣床和磨床加工出一个平面度处于1.0～2.0μm之间的冷平台(24)；蓄冷器(8)及脉冲管(9)同心地插入冷端换热器(10)之内，其中蓄冷器(8)的管壁与焊接环面(23)的接触面采用真空钎焊技术焊接，脉冲管(9)插入凹槽(22)内，插入深度保持在1.0～2.0mm之间，脉冲管(9)的外壁与凹槽(22)的内壁接触面采用过盈配合的方法紧配，过盈量为脉冲管(9)的外径超过凹槽(22)的内径处于0.02～0.04mm之间；在冷端换热器(10)的冷平台(24)上放置待冷却的红外器件(11)；在冷端换热器(10)及红外器件(11)之上设置一个壁厚为1.0～2.0mm的冷屏(12)，其下端使用螺钉固定于冷平台(24)之上，上部开一个直径为5.0～15.0mm圆形窗口，正对杜瓦窗口(14)；器件杜瓦(13)的下端面与主换热器(6)的上端面采用螺栓连接和“O”型橡胶圈密封，在器件杜瓦(13)内使用真空分子泵保持优于1.0×10-5Pa的真空度。
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