CN106091462A - 一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器 - Google Patents

Abstract

一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，高压气罐经进气阀和封头一端的高压气体入口相连通，封头的另一端固定连接有支撑体；位于封头侧面的气体出口连通呈螺旋状缠绕在支撑体上的毛细翅片管，毛细翅片管的出口连接节流机构，封头设置在外壳体的一端，外壳体的另一端设置有冷板；外壳体上设置有出流口，出流口外连接排气阀；本发明利用记忆合金随温度变化而表现出来的形状记忆特性，对制冷器节流孔进行开度控制，进而实现制冷流量参数自调的目的；记忆合金相比于弹性材料、热膨胀材料和电磁材料等拥有更大变形量，对特定温区的相应也更为灵敏，本发明装置结构简单、便于实现、反复使用重复性好，可以实现精确控制温度的目的。

Description

一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器

技术领域

本发明涉及一种自调式节流制冷器，具体涉及一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，该节流制冷器使用记忆金属合金制造的节流孔来代替传统波纹管结构调节制冷量。

背景技术

低温节流制冷器利用高压气体节流降温效应来实现对被冷却单元的制冷，广泛应用于低温医疗器械、航空航天、军事红外制导等民用及国防领域。在气体液化和低温制冷技术中，利用实际气体绝热节流效应是一种最常用的方法。早在1895年，一次节流循环就用于工业上的气体液化，近几十年来又不断开发出以获得低温冷量为目的的节流制冷器。

目前，节流制冷器正向微型方向发展。由于现代电子技术的迅猛发展，诸如计算机芯片等电子元器件在长时间工作的情况下需要冷却散热，而计算机为了获得所需要的高速度，需把CMOS逻辑电路冷却到77K，这样就需要研制一种制冷量少，体积小的微型节流制冷器来满足要求。

自调节式节流制冷器是指工作流量能够实现自动调节功能的制冷器。除了具有启动快、重量轻、结构紧凑、无电磁干扰等优点外，自调节式节流制冷器还能够延长工作时间，并可以维持制冷温度稳定。现在传统的自调式节流制冷器主要为波纹管式。波纹管式节流制冷器以密闭的波纹管作为感温元件，通过波纹管的伸缩控制阀针在节流孔中的位置，进而实现制冷器的自调节。

波纹管自调式节流制冷机的调节机理为：在波纹管封闭腔内充以一定压力的气体，工作时，封闭腔内气体压力随外界温度的变化而变化，从而带动针阀机构实现制冷流量的自调。应该来说，这种制冷机在技术上是较为成熟的，应用也非常广泛，但从现有技术应用及统计分析来看，主要存在两大类问题：第一，寿命问题；按照其设计原理，设计寿命期内波纹管调节机构气体泄漏量必须小于规定值，由于在装配中无法对封闭腔内的气体状况进行精确检测与控制，因而必然有产品随着气囊内气体的泄漏而丧失功能，使产品在寿命上无法保证；第二，稳定性问题；由于波纹管本身为一薄壁弹性元件，难以成型，且作为弹性件的固有属性，自身长度与刚性参数均易发生变化，因而不易实现精确控制，且重复性较差。波纹管自调节式节流制冷器稳定性较差，易发生气体泄漏，无法保证使用寿命，而且在发生堵塞后无法强制打开，因而寻找新型调节方式的工作一直是自调式节流制冷机的重要研究方向。

发明内容

为了克服上述现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，制冷器采用记忆合金制作节流孔，使制冷器可以实现自动调节制冷剂流量的功能，最终达到精确控制温度的目的，该方法具有对低温条件适应好、装置结构简单、便于实现、反复使用重复性好等优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，包括高压气罐10，高压气罐10经进气阀8和封头2一端的高压气体入口1相连通，封头2的另一端固定连接有支撑体4，位于封头2侧面的气体出口连通呈螺旋状缠绕在支撑体4上的毛细翅片管5，毛细翅片管5的出口连接节流机构6；所述的节流机构6包括圆柱形不锈钢外壳12，圆柱形不锈钢外壳12内设置有记忆合金13，记忆合金13为冷涨合金。

封头2设置在外壳体3的一端，外壳体3的另一端设置有冷板11；外壳体3上设置有出流口7，出流口7外连接排气阀9。

记忆合金相比于弹性材料、热膨胀材料和电磁材料等拥有更大变形量，对特定温区的相应也更为灵敏。本发明实际上是利用记忆合金随温度变化而表现出来的形状记忆特性，借此来对制冷器节流孔进行开度控制，进而实现制冷流量参数自调的目的；通过使用记忆合金达到在工作温区减小节流毛细管通流面积的方法来调节制冷机流量和制冷量的思路。

从金属合金学可知，在变温环境下，按其晶格结构不同，某些金属通常会发生奥氏体相变或马氏体相变。宏观上马氏体相变是一种母相晶体通过拟切变产生的相变，通常伴生一定量的形状变化(或表面浮凸)，且具有逆相变特性，所以产生马氏体相变的合金变形行为明显不同于普通金属和合金的变形行为，而这一现象习惯上称为形状记忆效应。通俗地讲，记忆合金是一种低温下变形后，一旦受热就恢复到原来形状的合金。形状恢复的驱动力就是逆相变时母相和马氏体相之间的自由能差。相比于弹性材料、热膨胀材料和电磁材料，记忆合金拥有更大变形量，对特定温区的相应也更为灵敏。

本发明工作时稳定性更好，寿命长，在实际应用中具有很大的优势。且本发明对低温条件适应性好、装置结构简单、便于实现、反复使用重复性好，可以实现精确控制温度的目的。记忆合金相比于弹性材料、热膨胀材料和电磁材料等拥有更大变形量，对特定温区的相应也更为灵敏。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为节流机构6正视图。

图3为节流机构6在降温后记忆合金形状示意图。

图4为节流机构6在未工作时记忆合金形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参照图1，一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，包括高压气罐10，高压气罐10经进气阀8和封头2一端的高压气体入口1相连通，封头2的另一端固定连接有支撑体4，位于封头2侧面的气体出口连通呈螺旋状缠绕在支撑体4上的毛细翅片管5，毛细翅片管5的出口连接节流机构6；封头2设置在外壳体3的一端，外壳体3的另一端设置有冷板11；外壳体3上设置有出流口7，出流口7外连接排气阀9。

参照图2，所述的节流机构6包括圆柱形不锈钢外壳12，圆柱形不锈钢外壳12内设置有记忆合金13，记忆合金13为冷涨合金，其特点为在降温时发生形变，体积膨胀，温度升高后体积恢复。

使用记忆合金13作为节流机构，根据工作温度变化带来的合金形变来控制节流孔通流面积达到制冷量自调节目的；当温度达到工作要求但仍持续降低时，冷涨合金朝着减小节流孔截面面积的方向变形，以减小制冷量。当制冷量不足或温度高于工作要求时，冷涨合金朝着增大节流孔截面面积的方向变形。

本发明的工作原理为：参照图1，开始工作前，高压气罐10预先充灌一定量的气体。工作时，制冷器采用开式循环，进气阀8打开，高压气体由高压气体入口1进入位于制冷器后部的封头2，随后由封头2的通道流入毛细翅片管5中。当气体流到毛细翅片管5末端时，会经过节流机构6进行节流，节流后的低温气体将冷板11的温度降低，冷板11再将冷量传递给用冷区。气体流经冷板11后温度升高，随后进入外壳体3中，外壳体3中的部分气体流经毛细翅片管5外侧，与毛细翅片管内的高温来流进行换热，降低进入节流机构6前的工质温度，进而实现节流后温度的进一步降低。随后外壳体3内的气体由出流口7经排气阀9排出。

随后是节流机构6的动作过程，当节流后的气体温度降低时，会使节流机构6中的记忆合金13的温度降低，根据记忆金属的冷胀特性，其体积会随着温度的降低而增大，参照图3。由于不锈钢外壳12的束缚，其变形只能向中心靠拢。这就导致节流孔的横截面积会变小，这就会减小工质流量，节流后气体温度会进一步减小，但节流后的冷量也会随之减小。当系统输出冷量减小到一定程度时，外壳体3内的气体与毛细翅片管5内的气体的换热会达到一个动态的平衡。此时温度达到稳定状态，记忆金属形状不再变化。如果制冷量开始变小，工作温度升高时，冷涨合金开始恢复变形，使节流孔截面积增大，此时工质流量增大，制冷量增大，直至达到稳定状态。

利用以上整个过程，节流机构6可以对节流制冷器的冷量进行自动调节。在自调节机构动作的过程中，记忆金属的形变量与温度的变化量相关。采用记忆金属合金制作的自调式制冷器的节流机构，当节流孔后气体降温到达电子元件(冷却元件)的工作温度后并且节流后温度持续降低时，冷涨合金开始产生变形，使节流孔截面积减小，降低制冷量达到维持工作温度的效果；当制冷量开始变小，工作温度升高时，冷涨合金开始恢复变形，使节流孔截面积增大，增大制冷量，使制冷器具有自调节的功能。当制冷器不工作时，温度恢复常温状态，此时记忆合金12的体积会随着温度的升高而减小，直至恢复初始状态，参照图4。

以上实施实例仅用于说明本发明的优选方式，但本发明并不局限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围内。

Claims (2)

1.一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，包括高压气罐(10)，高压气罐(10)经进气阀(8)和封头(2)一端的高压气体入口(1)相连通，封头(2)的另一端固定连接有支撑体(4)，位于封头(2)侧面的气体出口连通呈螺旋状缠绕在支撑体(4)上的毛细翅片管(5)，毛细翅片管(5)的出口连接节流机构(6)；所述的节流机构(6)包括圆柱形不锈钢外壳(12)，圆柱形不锈钢外壳(12)内设置有记忆合金(13)，记忆合金(13)为冷涨合金。

2.根据权利要求1所述的一种使用记忆金属合金的自调式节流制冷器，其特征在于，封头(2)设置在外壳体(3)的一端，外壳体(3)的另一端设置有冷板(11)；外壳体(3)上设置有出流口(7)，出流口(7)外连接排气阀(9)。