CN110425768A - 锥形节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥形节流制冷器，锥形节流制冷器包括：芯柱、进气尾座、热交换管。芯柱为锥形的非金属实心件，芯柱包括尖端和平面端。进气尾座嵌设于平面端。热交换管螺旋缠绕于芯柱的外周壁，热交换管与进气尾座连接且连通，热交换管设有节流孔，节流孔贯通热交换管的壁面。采用本发明，不仅可以满足结构紧凑、体积小、重量轻、启动快等设计要求，以适配具有严格空间、重量限制等需求的红外探测器组件，还具备制备流程简便、结构强度大、稳定性高的优点。

Description

锥形节流制冷器

技术领域

本发明涉及制冷器技术领域，尤其涉及一种锥形节流制冷器。

背景技术

随着红外探测器杜瓦制冷组件逐步向短小化、集成化方向的发展，传统的圆柱形节流制冷器在保障快速制冷启动的前提下，其长度过于长，无法满足短小型集成化红外焦平面探测器的设计要求。

相关技术中，通过采用锥形的支撑结构以支撑换热管以满足小型化设计要求，但需要在其内部填充发泡层，并手工去除发泡层多余物，制造工艺复杂，且存在强度较低、难以满足高强度力学环境要求的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种锥形节流制冷器，用以解决现有技术中节流制冷器制造工艺复杂、结构不稳定、结构强度低等问题。

本发明实施例提出一种锥形节流制冷器，包括：

芯柱，所述芯柱为锥形的非金属实心件，所述芯柱包括尖端和平面端；

进气尾座，所述进气尾座嵌设于所述平面端；

热交换管，所述热交换管螺旋缠绕于所述芯柱的外周壁，所述热交换管与所述进气尾座连接且连通，所述热交换管设有节流孔，所述节流孔贯通所述热交换管的壁面。

根据本发明的一些实施例，所述芯柱为胶木件。

根据本发明的一些实施例，所述芯柱的外周壁设有支撑沟槽，至少部分所述热交换管嵌设于所述支撑沟槽内。

在本发明的一些实施例中，所述支撑沟槽沿所述芯柱的外周壁螺旋延伸。

在本发明的一些实施例中，所述热交换管包括首尾依次相连的第一段、第二段和第三段；

所述第二段固定于所述尖端，且所述节流孔设于所述第二段；

所述第一段螺旋缠绕于所述芯柱的外周壁且至少部分所述第一段嵌设于所述支撑沟槽内；

所述第三段螺旋缠绕于所述第一段，所述第一段与所述第三段均与所述进气尾座连接且连通。

在本发明的一些示例中，所述第三段远离所述第一段的一侧设有第一填充件以填充所述第三段的缠绕缝隙；

所述第一段与所述第三段之间设有第二填充件以填充所述第一段与所述第三段之间的间隔缝隙。

在本发明的一些示例中，所述锥形节流制冷器，还包括：

支柱，所述支柱嵌设于所述尖端，所述支柱设有贯通槽，所述第二段从所述贯通槽穿过。

根据本发明的一些实施例，所述锥形节流制冷器，还包括：

压盖，所述压盖为金属平板件，所述压盖设有槽体；

所述平面端设有适于与所述槽体配合连接的凸台。

根据本发明的一些实施例，所述凸台具有嵌设槽，所述进气尾座嵌设于嵌设槽内；

所述嵌设槽的壁面设有定位槽，所述进气尾座设有定位凸起，所述定位凸起适于与所述定位槽配合连接。

根据本发明的一些实施例，所述热交换管包括毛细管和铜带，所述铜带螺旋缠绕在所述毛细管的外周壁。

采用本发明实施例，不仅可以满足结构紧凑、体积小、重量轻、启动快等设计要求，以适配具有严格空间、重量限制等需求的红外探测器组件，还具备制备流程简便、结构强度大、稳定性高的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例中锥形节流制冷器的截面结构示意图；

图2是本发明实施例中锥形节流制冷器的芯柱的截面结构示意图；

图3是本发明实施例中锥形节流制冷器的热交换管的结构示意图；

图4是本发明实施例中锥形节流制冷器的局部结构示意图；

图5是本发明实施例中锥形节流制冷器的局部结构示意图；

图6是本发明实施例中锥形节流制冷器的进气尾座的截面结构示意图；

图7是本发明实施例中锥形节流制冷器的压盖的结构示意图；

图8是本发明实施例中锥形节流制冷器的压盖的截面结构示意图。

附图标记：

锥形节流制冷器1，

芯柱10，尖端11，平面端12，凸台120，嵌设槽121，定位槽122，支撑沟槽100，

进气尾座20，定位凸起200，

热交换管30，毛细管31，铜带32，第一段310，第二段320，节流孔321，第三段330，

支柱40，贯通槽400，

压盖50，槽体500，

第一填充件60，第二填充件70。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

节流制冷器是红外探测器杜瓦制冷组件(IDDCA组件)的重要组成部分，其主要作用是冷却红外探测器芯片，为红外探测器芯片提供低温工作环境，降低红外探测器噪声，提高红外探测器的灵敏度和分辨率，进而提高红外成像效果。

随着红外焦平面技术的发展，节流制冷器被广泛应用于以128×128元、256×256元为代表的红外焦平面探测器组件中，日趋成熟，并逐步应用于各类红外探测系统中。节流制冷器与红外探测器杜瓦结构的研究在逐步向短小化、集成化方向发展，传统的长圆柱性节流制冷器已无法满足这方面的要求。小型红外焦平面探测器的需求越来越多，迫切需要研制与组件相适配的短小型节流制冷器。

相关技术中，节流制冷器均为圆柱形结构，在薄壁金属支撑结构外缠绕用来冷热交换的翅片管换热器。根据红外焦平面探测器结构的不同，节流制冷器的外径从φ4mm至φ11.2mm均有，典型值有φ5.2mm、φ7.2mm和φ11.2mm等。但不论哪一种直径的节流制冷器，其长度均超过35mm。而新型短小型集成化红外焦平面探测器组件要求节流制冷器的长度不超过25mm，同时需兼顾快速制冷启动的要求。传统的节流制冷器设计无法满足要求，需要开展新的结构设计，因此锥形结构的节流制冷器开始出现。

在一种锥形快速节流制冷器的专利文件中，就采用锥形骨架盘绕热交换器，但在该专利中仍存在一些类问题，如需要向锥形骨架内部填充发泡层，手工去除发泡层多余物；采用粘接方式将锥形骨架与法兰连接在一起；同时该结构制冷器在热交换器绕制过程中易出现相互挤压螺距不均匀现象，以及粘接的进气尾座强度较低难以满足高强度力学环境和多次拆装的要求，这些就造成节流制冷器制备工艺复杂、结构不完善等问题。

因此，基于上述问题的困扰，本发明实施例提出一种锥形节流制冷器1，如图1所示，本发明实施例的锥形节流制冷器1包括：芯柱10、进气尾座20和热交换管30。

其中，芯柱10为锥形的非金属实心件。可以理解的是，芯柱10为非金属材质制备而成，从而可以保障芯柱10的低导热性，进而有效改善热量通过芯柱10损耗的情况。芯柱10为实心体，从而可以保障芯柱10的结构强度及结构稳定性。而且，芯柱10的形状呈锥形，例如圆锥形，从而在保障芯柱10能够缠绕一定长度的热交换管30的前提下，减小芯柱10的长度，以满足小型化的设计要求。

如图2所示，芯柱10包括尖端11和平面端12。这里，需要解释说明的是，“尖端11”可以理解为锥形的顶端，即为尖的一端，“平面端12”可以理解为锥形的底面所在的一端。进气尾座20嵌设于平面端12。可以理解的是，平面端12可以设有凹槽，进气尾座20恰好可以嵌入在凹槽内，以将进气尾座20固定在芯柱10上。由此，可以便于进气尾座20的安装，提高进气尾座20与芯柱10之间的紧凑性。

如图1所示，热交换管30螺旋缠绕于芯柱10的外周壁。可以理解的是，热交换管30可以缠绕在芯柱10的外周壁，且线性的热交换管30可以沿着螺旋线延伸。例如，一圈热交换管30的末端为另一圈热交换管30的起始端，任意一圈热交换管30之间没有缝隙。由此，可以延长芯柱10可缠绕的热交换管30的长度，以提高锥形节流制冷器1的制冷效率。

如图1所示，热交换管30与进气尾座20连接且连通，热交换管30设有节流孔321，节流孔321贯通热交换管30的壁面。可以理解的是，热交换管30与进气尾座20具有机械结构上的连接关系，例如热交换管30与进气尾座20可以螺纹连接、卡接或者是焊接。热交换管30也与进气尾座20具有空间上的连通关系，气体可以通过进气尾座20进入热交换管30。热交换管30设有节流孔321，节流孔321为孔径远小于热交换管30孔径的微孔。具体的，节流孔321的尺寸设计可以根据有限气瓶的维持时间，通过理论和试验相结合计算获得。热交换管30内的气体可以通过节流孔321流出。

采用本发明实施例，不仅可以满足结构紧凑、体积小、重量轻、启动快等设计要求，以适配具有严格空间、重量限制等需求的红外探测器组件，还具备制备流程简便、结构强度大、稳定性高等优点。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

为减小芯柱10的重量、便于对芯柱10进行塑形，根据本发明的一些实施例，芯柱10可以为胶木件。

如图2所示，根据本发明的一些实施例，芯柱10的外周壁可以设有支撑沟槽100，至少部分热交换管30嵌设于支撑沟槽100内。由此，支撑沟槽100可以对热交换管30形成限定作用，以避免热交换管30之间相互挤压，朝向平面端12滑动的情况。

为了提高支撑沟槽100的作用效果，在本发明的一些实施例中，支撑沟槽100可以沿芯柱10的外周壁螺旋延伸。例如，支撑沟槽100的螺旋延伸线可以与热交换管30的螺旋缠绕线一致。

如图4所示，在本发明的一些实施例中，热交换管30可以包括首尾依次相连的第一段310、第二段320和第三段330。可以理解的是，热交换管30的第一段310的一端与第二段320的一端连接，第二段320的另一端与第三段330的一端连接。其中，第二段320固定于尖端11，且节流孔321设于第二段320。第一段310螺旋缠绕于芯柱10的外周壁且至少部分第一段310嵌设于支撑沟槽100内。第三段330螺旋缠绕于第一段310，第一段310与第三段330均与进气尾座20连接且连通。

由此，通过将单根热交换管30双向螺旋结构方式制备形成两层结构，可以在有限长度的芯柱10上延迟可缠绕的热交换管30的长度，从而可以提高热交换管30的工作效率。

进一步的，第三段330与第二段320交错层叠排布，可以理解的是，任意一圈第三段330可以嵌于任意两圈第一段310之间。由此，可以提高热交换管30的设置紧凑性，减小热交换管30之间的缝隙。

如图1所示，为了避免低温回流气体不经过热交换管30直接排出至外界环境，保证低温回流气体和管内高温气体充分换热，在本发明的一些示例中，第三段330远离第一段310的一侧设有第一填充件60以填充第三段330的缠绕缝隙。第一段310与第三段330之间设有第二填充件70以填充第一段310与第三段330之间的间隔缝隙。在一些示例中，第一填充件60与第二填充件70中的至少一个可以为尼龙件。

如图1所示，在本发明的一些示例中，锥形节流制冷器1还可以包括：支柱40，支柱40嵌设于芯柱10的尖端11，且支柱40设有贯通槽400，第二段320从贯通槽400穿过。由此，可以通过支柱40固定热交换管30。贯通槽400具有敞开口，热交换管30可以通过敞开口卡入贯通槽400内，且节流孔321可以通过敞开口与外界连通。

根据本发明的一些实施例，锥形节流制冷器1还包括：压盖50，压盖50为金属平板件，例如，压盖50可以为不锈钢件，由此，可以保障压盖50具有良好的结构强度。压盖50用于连接探测器的杜瓦组件，以实现锥形节流制冷器1与杜瓦组件的装配。如图7级图8所示，压盖50设有槽体500，平面端12设有适于与槽体500配合连接的凸台120。可以理解的是，凸台120可以恰好嵌设在槽体500内，以实现压盖50与芯柱10的连接。

如图5、图6所示，根据本发明的一些实施例，凸台120具有嵌设槽121，进气尾座20可以嵌设于嵌设槽121内。进一步的，嵌设槽121的壁面可以设有定位槽122，进气尾座20可以设有定位凸起200，定位凸起200适于与定位槽122配合连接。由此，通过定位凸起200与定位槽122的配合连接，可以进一步提高进气尾座20与芯柱10之间的连接稳定性，可以避免由于外部气路接头与进气尾座20连接时所产生的旋转扭力造成进气尾座20松动、脱离的情况。

如图3所示，根据本发明的一些实施例，热交换管30可以包括毛细管31和铜带32，铜带32螺旋缠绕在毛细管31的外周壁。气体可以通过铜带32之间的间隙流过，以与热交换管30实现热交换。进一步的，毛细管31可以为不锈钢管。例如，经过许用应力计算分析了解到，为了保证50MPa以上的高压气体的安全使用，毛细管31需要选用0.5×0.1mm(外径×壁厚)的不锈钢管。

下面参照图1-图8以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的锥形节流制冷器1。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

随着探测器小型化、集成化的发展趋势，对节流制冷器也提出了新的要求，如保证满足探测器的设计尺寸要求的前提下为杜瓦留出真空绝热所需的空间，同时需兼顾快速制冷启动的要求(常温95K制冷启动时间不超过6s)。假如集成化红外焦平面探测器组件总体积要求不超过35mm×40mm(外径×长度)，对应的节流制冷器的长度就要求不超过25mm。

基于上述背景技术，本发明实施例提出一种锥形节流制冷器1，如图1所示，锥形节流制冷器1包括：芯柱10、进气尾座20、热交换管30、支柱40和压盖50。锥形节流制冷器1的母线长度范围为17mm～22mm。

芯柱10为锥形结构的胶木件。如图2、图5所示，芯柱10包括尖端11和平面端12。平面端12设有凸台120。如图7、图8所示，压盖50为为金属平板件，压盖50设有槽体500，凸台120适于与槽体500配合连接。如图5、图6所示，凸台120具有嵌设槽121，进气尾座20嵌设于嵌设槽121内。而且，嵌设槽121的壁面设有定位槽122，进气尾座20设有定位凸起200，定位凸起200适于与定位槽122配合连接。芯柱10的外周壁设有支撑沟槽100。支撑沟槽100沿芯柱10的外周壁螺旋延伸。

如图1所示，支柱40嵌设于芯柱10的尖端11，支柱40设有贯通槽400。如图4所示，热交换管30包括首尾依次相连的第一段310、第二段320和第三段330。第一段310螺旋缠绕于芯柱10的外周壁且沿支撑沟槽100的延伸方向延伸并嵌设于支撑沟槽100内。第二段320穿设于贯通槽400，节流孔321设于第二段320。第三段330螺旋缠绕于第一段310，第一段310与第三段330均与进气尾座20连接且连通。第三段330远离第一段310的一侧设有第一填充件60以填充第三段330的缠绕缝隙；第一段310与第三段330之间设有第二填充件70以填充第一段310与第三段330之间的间隔缝隙。如图3所示，热交换管30包括毛细管31和铜带32，铜带32螺旋缠绕在毛细管31的外周壁。热交换管30的长度范围在1400mm～2000mm之间，其中，有效换热长度(设有铜带32的部分)的长度范围在800mm～1300mm之间。例如，热交换管30可以采用采用Hampson型低温热交换管30。热交换管30的缠绕是均匀缠绕的。

本发明实施例中的热交换管30的长度设计可以根据热力学计算结合试验验证获得，

具体而言，首先利用热力学理论根据公式1-3计算热交换管30长度的下限值L：

其中，Q_t为热交换管30的热负载，d1、d2分别为热交换管30的内径和外径，ΔT为温度变化量，α₁为第一压力值、平均温度为第一温度值下的气体对管壁的给热系数，α₂为第二压力值、平均温度为第二温度值下的气体对管壁的给热系数。

然后，根据实际情况，对热交换管30的长度进行调整。

经过试验测试，采用本发明实施例的锥形节流制冷器1，可以达到如下参数：

探测器启动时间t₁满足，t₁≤5s@95K@23℃；

气瓶维持时间t₂满足，t₂≥120s@42MPa200ml@23℃；

制冷器长度l满足，l≤22mm；

重量w满足，w≤10g。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种锥形节流制冷器，其特征在于，包括：

芯柱，所述芯柱为锥形的非金属实心件，所述芯柱包括尖端和平面端；

进气尾座，所述进气尾座嵌设于所述平面端；

热交换管，所述热交换管螺旋缠绕于所述芯柱的外周壁，所述热交换管与所述进气尾座连接且连通，所述热交换管设有节流孔，所述节流孔贯通所述热交换管的壁面。

2.如权利要求1所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述芯柱为胶木件。

3.如权利要求1所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述芯柱的外周壁设有支撑沟槽，至少部分所述热交换管嵌设于所述支撑沟槽内。

4.如权利要求3所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述支撑沟槽沿所述芯柱的外周壁螺旋延伸。

5.如权利要求3所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述热交换管包括首尾依次相连的第一段、第二段和第三段；

所述第二段固定于所述尖端，且所述节流孔设于所述第二段；

所述第一段螺旋缠绕于所述芯柱的外周壁且至少部分所述第一段嵌设于所述支撑沟槽内；

所述第三段螺旋缠绕于所述第一段，所述第一段与所述第三段均与所述进气尾座连接且连通。

6.如权利要求5所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述第三段远离所述第一段的一侧设有第一填充件以填充所述第三段的缠绕缝隙；

所述第一段与所述第三段之间设有第二填充件以填充所述第一段与所述第三段之间的间隔缝隙。

7.如权利要求5所述的锥形节流制冷器，其特征在于，还包括：

支柱，所述支柱嵌设于所述尖端，所述支柱设有贯通槽，所述第二段从所述贯通槽穿过。

8.如权利要求1所述的锥形节流制冷器，其特征在于，还包括：

压盖，所述压盖为金属平板件，所述压盖设有槽体；

所述平面端设有适于与所述槽体配合连接的凸台。

9.如权利要求1所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述凸台具有嵌设槽，所述进气尾座嵌设于嵌设槽内；

所述嵌设槽的壁面设有定位槽，所述进气尾座设有定位凸起，所述定位凸起适于与所述定位槽配合连接。

10.如权利要求1所述的锥形节流制冷器，其特征在于，所述热交换管包括毛细管和铜带，所述铜带螺旋缠绕在所述毛细管的外周壁。