CN108036539A - 用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头及制造方法，包括冷头主体、防变形垫、紫铜丝网和冷端挡板，冷头主体与防变形垫钎焊后共同生成螺纹孔，冷头主体中间有一圆柱形凹槽与冷端挡板配合，两者间压紧紫铜丝网。其中：冷头主体轴对称均匀分布了若干道狭缝，狭缝流道180°弯折处存在两处圆角导流结构，该具有导流结构的狭缝采用模具电火花加工制成。本发明可在同轴型脉管制冷机狭缝式冷头中既优化了狭缝导流结构，同时实现最大的换热面积，减小冷头内流动损失，提高同轴型脉管制冷机的整机性能。

Description

用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头及制造方法

技术领域

本发明涉及同轴型脉管制冷机，特别涉及同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头及其制造方法。

背景技术

脉管制冷机是一种新型回热式低温制冷机，与传统斯特林制冷机相比，它消除了冷端的机械运动部件，采用热端的调相机构来获得理想的相位关系，具有结构简单、振动小、可靠性高等优点。20世纪80年代以来，脉管制冷机在国内外得到了广泛的重视和研究，在航空航天、超导工业、低温电子、低温医学等方面得到了广泛应用。随着对脉管制冷机理的深入研究以及调向机构的逐步改进，脉管制冷机技术日臻成熟，尤其是80K以上温区的效率已能达到与斯特林制冷机相当的水平。

根据回热器和脉冲管相对位置的不同，可以将脉管制冷机分为三种：直线型脉管制冷机、U型脉管制冷机和同轴型脉管制冷机，如图1所示。作为最经典的布置形式，直线型脉管制冷机的回热器和脉冲管处于同一轴线上，氦气工质在整个制冷机中沿直线震荡，工质的流道无需在冷头处弯折，因而流动损失最小，效率相比U型和同轴型较高，但冷头位于回热器和脉冲管之间，不便于被冷却部件的耦合。U型脉管制冷机的回热器和脉冲管平行布置，回热器和脉冲管的冷端通过铜质弯管或者流道连通的冷端换热器相连。这种布置方式中，工质的流道在冷头处存在180°的弯折，增大了空体积和流动损失；但同时也使得冷头独立位于制冷机的一侧，方便与被冷却部件的耦合。同轴型将脉冲管置于回热器内部并与回热器保持同轴心，回热器呈环形；其冷头位于制冷机的一侧，因而与U型布置一样，工质流道在冷头处存在180°的弯折，相应地增加了空体积和流动损失。相比于直线型和U型布置，同轴型脉管制冷机具有更加紧凑的结构，可以方便地应用于成熟的杜瓦结构内，因此逐渐成为了目前工程项目中最常用的脉管制冷机布置方式。

冷头作为脉管制冷机输出冷量的唯一部件，其结构设计和制造方式显得尤为重要，相对于其他两种结构，同轴型脉管制冷机冷头需满足以下几个要求：

1)换热面积大，换热效率高；

2)在一个圆柱的空间范围内，实现冷头内工质流道由外侧环形区域向内侧轴心区域的180°弯折，且流道形状的设计应尽量减小冷头内的空体积、减少发生在流道弯折处的流动损失；

3)冷头内的流道应沿圆周均匀分布，以确保进入脉冲管内的气体工质呈层流状态

目前同轴型脉管制冷机的通常采用线切割技术加工而成的狭缝式冷头，以获得较大的换热面积和较高的换热效率，根据线切割下刀方向的不同，常见的同轴型狭缝式冷头主要有以下两种。第一种是保持冷头为一个整体，线切割的金属丝由冷头圆柱体一端面出发沿着冷头轴向下刀，形成狭缝式换热结构，如图2所示；第二种是将冷头分为上冷头和下冷头两部分，上冷头为端盖，狭缝结构分布于下冷头主体上，线切割的金属丝穿过下冷头中心孔，由轴线位置沿着冷头径向向外下刀，形成狭缝式换热结构，而后与上冷头螺纹连接并焊接，如图3所示。

这两种同轴型冷头基本满足了工质流道180°弯折的要求，但各自都存在着一些缺陷。图2所示的同轴型冷头，冷头狭缝切透外圆柱面且工质流道呈矩形，没有导流结构，因而无法减小冷头内流道弯折造成的空体积，这将恶化冷头的换热性能。图3所示的同轴型冷头，其流道同样呈矩形，也无法减小冷头内流道弯折造成的空体积；此外，冷头对外主换热面位于上冷头，而对内换热狭缝位于下冷头，因而导热路径中间产生额外的接触热阻，影响换热性能。

发明内容：

本发明的目的是针对上述已有技术的缺点，提出一种用于同轴型脉管制冷机的带导流结构的狭缝式冷头，该冷头将对外换热面、狭缝换热体、冷端气体导流结构集于一体。本发明采用了独特的导流结构以及狭缝加工方式，保证了冷头的一体加工，消除了冷头导热部件间的接触热阻、提高了冷头可靠性，并且减小了流道180°弯折处的空体积，降低了冷头流动损失。该冷头还同时保留了普通狭缝式换热器的优点，可选择合适的狭缝宽度和狭缝数量，使得该冷头的换热面积大、压力损失低。

本发明是通过以下技术方案实现的，如图4所示，本发明的冷头整体包括冷头主体1、防变形垫3、紫铜丝网4和挡板5。冷头主体和防变形垫钎焊后，于周围车出螺纹孔作为与外部待冷部件耦合之用，冷头中间有截面呈T型的挡板，挡板与冷头主体之间填充并压紧了紫铜丝网。

所发明的用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头结构，包括冷头主体1、狭缝体2、防变形垫3、紫铜导流丝网4和冷端挡板5。其特征在于：

所述冷头主体1外形为两个直径不同的同轴圆柱体，直径较大的圆柱体为冷头与外部待冷却部件耦合使用，其外圆周侧均布了若干螺纹通孔，直径较小的圆柱体外径与回热器内径一致，中间有一圆柱形凹槽，其深度小于狭缝深度；所述狭缝体2为轴对称均匀分布，位于冷头主体1内作为流道用于流体流动，该狭缝流道180°弯折处存在两处圆角；所述防变形垫3为圆环型薄层；冷头主体1中间有冷端挡板5分割狭缝内外流道；所述导流丝网4位于冷端挡板5 和冷头主体1之间。

所述的狭缝式冷头结构的制造方法，其特征在于：采用纯铜模具形成所需冷头狭缝的互补结构，模具与冷头主体1轴芯对齐后，沿轴向进行电火花加工生成带圆角导流结构的狭缝体2；防变形垫3的内径与外径分别与冷头主体1 的小端与大端外径保持一致；防变形垫3与冷头主体1钎焊连结后，外周同时打上若干螺纹孔；冷端挡板5与冷头主体1小端中心的圆柱凹槽采用间隙配合，用于压紧紫铜导流丝网4。

本发明中，工质流道分为内外两层，由挡板将其隔开，外层流道与回热器相连，而内层流道与脉管相连。工质经由外层狭缝流道进入冷头，由两个圆角导流后流动方向弯折180°进入内层狭缝流道，再通过紫铜丝网层流化后进入脉管。在此过程中，工质与狭缝表面换热，冷量由工质传递到狭缝体，再传导至冷头外表面的待冷部件。狭缝流道独特的两个圆角结构起到极为重要的导流作用，大大减小了冷头内的空体积、降低了流动损失。T型挡板压紧紫铜丝网的同时，减少回热器与脉管串流。冷头主体部分以及防变形的螺纹孔可根据待冷却部件耦合需要进行调节。

本发明的优点如下：

1.采用新的加工方式形成狭缝流道结构，使同轴型脉管制冷机冷头狭缝不再是单一的矩形狭缝，而能在流道180°弯折处形成两个圆角导流结构，大大减小了同轴型冷头的空体积、降低了冷头内的流动损失。

2.冷头对外及对内的换热结构为一个整体，壁面了冷头导热结构间接触热阻的产生，提升了冷头换热效率以及在高压下的可靠性。

3.新型的冷端挡板截面呈T型，减少回热器与脉管串流。

附图说明

图1为不同类型脉管制冷机结构图，其中：(1)是直线型脉管制冷机结构图，(2)是U型脉管制冷机结构图，(3)是同轴型脉管制冷机结构图。

图2是目前狭缝式换热器结构。

图3是同轴型冷头结构示意图。

图4是本发明带导流结构狭缝式冷头剖面图。

图5是本发明带导流结构狭缝式冷头俯视图。

具体实施方式：

下面结合附图4和附图5对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图4所示，本发明包括冷头主体1，防变形垫3，紫铜丝网4和挡板5 四部分组成。冷头主体1大端外侧以及防变形垫3上布有相对应的螺纹通孔，两者经钎焊及精加工后再同时生成螺纹孔。冷头主体1小端中间有一圆柱形的凹槽，与冷端挡板5相配合，作为填充紫铜丝网4和插入脉管的空间。冷头主体1小端的狭缝体2上，按轴对称均匀分布了若干狭缝流道，流道180°弯折处存在两处圆角导流结构。本发明中，冷端挡板5分隔了冷头内外两层的工质流动，挡板5外侧狭缝流道与回热器连通，挡板5内侧狭缝流道与脉冲管连通。工质在狭缝流道中通过对流换热，将冷量逐步传递到冷头外表面，带有两处圆角导流结构的狭缝，起到了换热、导流的双重作用。

图4所示为本发明实施例的轴向剖视图，狭缝流道发生弯折的两个直角处均为圆角结构，对工质气体的流动方向进行引导，外侧和内圆导圆角。为保持装配同轴度，留有插入脉管的高度为3-5mm，中间T型凸起厚度为0.3-1mm。冷头主体1大端与防变形垫3共同生成6-12个螺纹孔。

图5所示为本发明实施例的俯视图，图中隐去了紫铜丝网，显示了冷头主体1，防变形垫3和挡板5。冷头主体1上轴对称均匀分布了30-50道狭缝，狭缝缝宽小于0.3mm，狭缝深度为5-15mm，冷头轴芯处未被狭缝割通，防止气流对冲。防变形垫3的内径、外径分别与冷头小端、大端的直径保持一致。挡板5分隔开了狭缝的内外流道，防止气体不经过狭缝串流进脉管。

本发明的冷头主体1采用高热导率的紫铜材料制成，而防变形垫3和冷端挡板5采用高强度的不锈钢材料制成。冷头主体1与防变形垫3之间采用钎焊连结，狭缝采用模具电火花加工代替了传统的线切割加工方式，获得了带圆角导流的狭缝结构形式，模具采用纯铜制成，其结构与冷头狭缝形成互补。这种结构在保留狭缝式冷头换热面积大的优点的同时，采用新方法优化了狭缝流道形式，大大减少了冷头内的流动损失。

Claims (2)

1.一种用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头，包括冷头主体(1)、狭缝体(2)、防变形垫(3)、紫铜导流丝网(4)和冷端挡板(5)，其特征在于：

所述冷头主体(1)外形为两个直径不同的同轴圆柱体，直径较大的圆柱体为冷头与外部待冷却部件耦合使用，其外圆周侧均布了若干螺纹通孔，直径较小的圆柱体外径与回热器内径一致，中间有一圆柱形凹槽，其深度小于狭缝深度；所述狭缝体(2)为轴对称均匀分布，位于冷头主体(1)内作为流道用于流体流动，该狭缝流道180°弯折处存在两处圆角；所述防变形垫(3)为圆环型薄层；冷头主体(1)中间有冷端挡板(5)分割狭缝内外流道；所述导流丝网(4)位于冷端挡板(5)和冷头主体(1)之间。

2.一种制造如权利要求1所述的用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头的方法，其特征在于方法如下：

采用纯铜模具形成所需冷头狭缝的互补结构，模具与冷头主体(1)轴芯对齐后，沿轴向进行电火花加工生成带圆角导流结构的狭缝体(2)；防变形垫(3)的内径与外径分别与冷头主体(1)的小端与大端外径保持一致；防变形垫(3)与冷头主体(1)钎焊连结后，外周同时打上若干螺纹孔；冷端挡板(5)与冷头主体(1)小端中心的圆柱凹槽采用间隙配合，用于压紧紫铜导流丝网(4)。