CN111981722A - 一种脉管制冷器及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉管制冷器及其装配方法，该制冷器包括依次连接的冷端换热器、回热器、热端换热器和调相器，热端换热器上连接有气体接头，回热器和脉管之间填充有蓄热介质，热端换热器内部连接有导流件，导流件的外壁和热端换热器的内壁之间形成气道，导流件的上部连接有稳流件，稳流件上设置有第一气孔，第一气孔的内壁上设置有多个第一狭缝，调相器包括壳体，壳体内部形成气腔，气腔内部连接有第一盘管和第二盘管，第一盘管的直径大于第二盘管的直径。本发明还公开了一种脉管制冷器的装配方法。本发明有效增加了脉管制冷器的调相范围，减小了流阻损失，提高了制冷效率。

Description

一种脉管制冷器及其装配方法

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体涉及一种脉管制冷器及其装配方法。

背景技术

脉管制冷器是回热式低温制冷机中的常用装置，鉴于脉管制冷器具有结构简单、运行噪声小、振动量级低、寿命长以及可靠性高等优点，脉管制冷器被广泛应用于航空航天、高温超导、红外探测、生物医药等领域。脉管制冷器的调相器多采用具有特定长度的空心盘管和特定容积的气腔分别作为感抗元件和容抗元件，两者的组合对制冷工质在膨胀过程中的压力波与质量流相位进行调节。

现有脉管制冷器中脉管与调相器连接处多采用具有特定目数的丝网进行导流，在制冷量较小的情况下，该方式具有空间占比小的特点，但是当脉管制冷器制冷量需求增大时，脉管内部质量流增加，原有丝网由于水力直径均在微米级别而使得制冷工质在该处会产生较大的流阻损失，从而导致制冷器的膨胀效率降低；另外现有的脉管制冷器的调相机构的调相范围较窄，无法满足使用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种脉管制冷器及其装配方法，能够增加脉管制冷器的调相范围和减小流阻损失。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种脉管制冷器，包括依次连接的冷端换热器、回热器、热端换热器和调相器，所述热端换热器上连接有气体接头，所述回热器内部连接有脉管，所述脉管和所述回热器的轴线相重合，所述脉管一端和所述冷端换热器相连通，另一端和所述调相器相连通，所述回热器和所述脉管之间填充有蓄热介质，所述热端换热器内部连接有导流件，所述导流件的外壁和所述热端换热器的内壁之间形成气道，所述气道的一端和所述气体接头相连通，另一端和所述回热器内部相连通，所述导流件的上部连接有稳流件，所述稳流件上设置有与所述脉管相连通的第一气孔，所述第一气孔的内壁周向设置有多个第一狭缝，所述调相器包括壳体，所述壳体内部形成气腔，所述气腔内部连接有第一盘管和第二盘管，所述第一盘管的直径大于所述第二盘管的直径，所述第一盘管的一端和所述第一气孔相连通，另一端和所述第二盘管的一端相连通，所述第二盘管的另一端和所述气腔相连通。

在其中一个实施方式中，所述导流件内部连接有热套芯，所述热套芯采用聚四氟乙烯材质，所述热套芯和所述导流件的内壁采用过盈配合，所述热套芯内部设置有第二气孔，所述第二气孔的一端和所述第一气孔的相连通，另一端和所述第一盘管相连通。

在其中一个实施方式中，所述第一气孔采用锥形孔，所述第一狭缝包括狭缝主体部和分叉狭缝部，所述狭缝主体部自所述锥形孔的小端延伸至大端，所述狭缝主体部在所述锥形孔的大端处进行分叉形成所述分叉狭缝部。

在其中一个实施方式中，所述导流件的外壁上设置有弧形导流面。

在其中一个实施方式中，所述热端换热器内壁上设置有定位凹槽，所述导流件的外壁上设置有定位凸台，所述定位凸台插接在所述定位凹槽中。

在其中一个实施方式中，所述热端换热器和所述回热器通过支撑法兰相连接，所述支撑法兰和所述回热器通过螺钉连接，所述支撑法兰的内壁上设置有内螺纹，所述热端换热器的外壁上设置有外螺纹，所述内螺纹和所述外螺纹相旋合。

在其中一个实施方式中，所述蓄热介质的填充孔隙率为0.6～0.8。

在其中一个实施方式中，所述第一盘管和第二盘管均采用紫铜管。

一种脉管制冷器的装配方法，包括以下步骤：

1)将回热器和冷端换热器通过真空钎焊方式相连接；

2)将脉管置于回热器中，并使得管的上端插入冷端换热器中，所述脉管和所述回热器的轴线相重合；

3)在所述回热器和所述脉管之间填充蓄热介质；

4)将气管接头连接在热端换热器上，并将所述热端换热器和所述回热器相连接；

5)将导流件套接在所述热端换热器内部；

6)将调相器的壳体连接在热端换热器上，并使得壳体内部第一盘管的一端和导流件中的稳流件上的第一气孔相连通，第一盘管的另一端和第二盘管的一端相连通，第二盘管的另一端和壳体内部气腔相连通；第一盘管和第二盘管通过真空钎焊方式相连接。

在其中一个实施方式中，所述导流件的内部连接有热套芯，所述热套芯采用聚四氟乙烯材质，将所述热套芯装入所述导流件中时，先将热套芯放置于液氮中直至达到第一设定时间，然后取出热套芯立即装入导流件内部，再将装入热套芯的导流件静置于常温环境中直至达到第二设定时间，使得热套芯和导流件完成过盈配合。

本发明具有以下有益效果：本发明的脉管制冷器及其装配方法，通过采用不同直径的第一盘管和第二盘管的双段变径盘管设计，增加了调相范围，结构紧凑，减小了整体调相器的体积，节约了占用空间，提高了空间利用率；采用了具有第一狭缝结构的导流件，减小了质量流的流阻损失，保证了制冷器的膨胀效率；便于安装，操作方便。

附图说明

图1是本发明的脉管制冷器的结构示意图；

图2是图1中冷端换热器的结构示意图；

图3是图2中冷端换热器中第二狭缝的布置示意图；

图4是图1中热端换热器的结构示意图；

图5是图4中热端换热器中第三狭缝的布置示意图；

图6是图1中导流件的结构示意图；

图7是图6中稳流件中第一狭缝的布置示意图；

图8是图1中调相器的结构示意图；

图中：1、冷端换热器，11、膨胀腔，12、第二狭缝，13、第一凸台，2、回热器，21、蓄热介质，3、热端换热器，31、气道，32、定位凹槽，33、第三狭缝，4、调相器，41、壳体，411、上端盖，412、下端盖，413、气腔，42、第一盘管，43、第二盘管，5、脉管，6、支撑法兰，7、气体接头，8、导流件，81、稳流件，811、第一狭缝，8111、狭缝主体部，8112、分叉狭缝部，812、第一气孔，82、弧形导流面，83、定位凸台，9、热套芯，91、第二气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本实施例公开了一种脉管制冷器，包括依次连接的冷端换热器1、回热器2、热端换热器3和调相器4，热端换热器3上连接有气体接头7，回热器2内部连接有脉管5，脉管5和回热器2的轴线相重合，脉管5的一端和冷端换热器1相连通，另一端和调相器4相连通，回热器2和脉管5之间填充有蓄热介质21，热端换热器3内部连接有导流件8，导流件8的外壁和热端换热器3的内壁之间形成气道31，气道31的一端和气体接头7相连通，另一端和回热器2的内部相连通；

如图6-图7所示，导流件8的上部连接有稳流件81，稳流件81上设置有与脉管5相连通的第一气孔812，第一气孔812的内壁周向设置有多个第一狭缝811；通过第一狭缝811的设置，能够对从脉管5输出至导流件8的气体进行层流化，避免湍流的影响，可有效减少流阻损失，增强气体稳定性；

调相器4包括壳体41，壳体41内部形成气腔413，气腔413内部连接有第一盘管42和第二盘管43，第一盘管42的直径大于第二盘管43的直径，第一盘管42的一端和第一气孔812相连通，另一端和第二盘管43的一端相连通，第二盘管43的另一端和气腔413相连通。

通过不同直径的第一盘管42和第二盘管43的双段变径盘管设计，能够增加调相范围，同时相较于单一内径盘管来说，能够有效增大对应的气腔容积，从而在相同气腔容积的条件下减小整体调相器的体积，节约了占用空间。

其中，热端换热器3和导流件8同轴线布置。

在其中一个实施方式中，气腔413容积范围100cc～1000cc。

在其中一个实施方式中，导流件8内部连接有热套芯9，热套芯9采用聚四氟乙烯材质，热套芯9和导流件8的内壁采用过盈配合，热套芯9内部设置有第二气孔91，第二气孔91的一端和第一气孔812的相连通，另一端和第一盘管42相连通。聚四氟乙烯材质的热套芯9能够通过热涨工艺和导流件8的内壁达到过盈配合，从而实现较好的周向密封效果，可有效避免轴向“窜气”现象，也即可避免部分气体通过热套芯8外壁处的侧隙进入第一盘管42，更好地保证了调相效果。

在其中一个实施方式中，第一气孔812采用锥形孔，以增强气体汇聚作用，第一狭缝811包括狭缝主体部8111和分叉狭缝部8112，狭缝主体部8111自锥形孔的小端延伸至大端，狭缝主体部8111在锥形孔的大端处进行分叉形成分叉狭缝部8112，以增强气体层流化效果。

可以理解地，上述“小端”是指锥形孔上直径较小的一端，“大端”是指锥形孔上直径较大的一端。

为较好的保证第一狭缝811的上述作用，上述第一狭缝811可通过线切割加工而成，狭缝主体部8111和分叉狭缝部8112的缝宽为均0.3mm～0.5mm，第一狭缝811数量为15～30条，第一气孔812的直径为4.5mm。

进一步地，第一气孔812内壁周向的多个第一狭缝811呈均匀布置。

在其中一个实施方式中，导流件8的外壁上设置有弧形导流面82，使得气体进入气体接头7后经弧形导流面82转向而减少流动损失，同时也可增强导流件8的整体强度。例如，弧形导流面82的半径可设置为5mm。

在其中一个实施方式中，热端换热器3内壁上设置有定位凹槽32，导流件8的外壁上设置有定位凸台83，定位凸台83插接在定位凹槽32中，以起到轴向定位作用。

在其中一个实施方式中，如图2-图3所示，冷端换热器的1内壁周向设置多个第二狭缝12，第二狭缝12为直线狭缝，以增加冷端换热器1的换热面积，例如，第二狭缝12的缝宽为0.3mm～0.5mm，缝深为10mm，狭缝数量为30～50条；冷端换热器1内部形成有膨胀腔11，膨胀腔11的深度5mm，以增强换热效果。

在其中一个实施方式中，如图4-图5所示，热端换热器3的内壁周向设置多个第三狭缝33，第三狭缝33为直线狭缝，以增加热端换热器3的换热面积，例如，第三狭缝33的缝宽为0.3mm～0.5mm，缝深为35mm，狭缝数量为50～70条，以增强换热效果。

在其中一个实施方式中，热端换热器3和回热器2通过支撑法兰6相连接，支撑法兰6的内壁上设置有内螺纹，热端换热器3的外壁上设置有外螺纹，内螺纹和外螺纹相旋合，支撑法兰6上端和回热器2下端通过螺钉连接。

进一步地，支撑法兰6和热端换热器3的连接处采用橡胶密封圈密封。

在其中一个实施方式中，蓄热介质21的填充孔隙率为0.6～0.8。

进一步的，蓄热介质21可采用环形不锈钢丝网。进一步地，环形不锈钢丝网的丝径0.15um～0.3um，目数可选择220目、300目、350目或400目，以保证蓄热效果。

可以理解地，蓄热介质21也可采用其他非金属导热介质。

在其中一个实施方式中，第一盘42管和第二盘管43均采用紫铜管。

进一步地，第一盘管42的内径为3.5mm～5mm，管壁厚度0.8mm，管长度为2000mm；第二盘管43采用内径为1.5mm～3mm，管壁厚度0.6mm，管长度为1800mm。第一盘管42盘绕时，先沿其轴线向下延伸65mm，接着相对轴线转90°方向后沿轴向自下而上进行“蛇形”螺旋盘绕，然后将第一盘管42和第二盘管43的连接处采用真空钎焊密封，第二盘管43自下而上进行“蛇形”螺旋盘绕。第一盘管42和第二盘管43利用绕制工装进行盘绕制作。

在其中一个实施方式中，如图1和图8所示，壳体41包括上端盖411和下端盖412，上端盖411和下端盖412之间形成气腔413，上端盖411和下端盖412通过激光焊接固定，上端盖411和热端换热器3通过真空钎焊固定，为便于钎焊，热端换热器3外壁处加工有倒角，倒角规格为0.75mm×45°。为保证盘管的固定可靠性，第二盘管43与气腔上端盖411进行表面点焊或涂胶连接。上端盖411与热端换热器3的同轴度不大于0.05mm，

进一步地，第一盘管42和第二盘管43均位于下端盖412内部。

进一步地，上端盖411和下端盖412均采用不锈钢材质。

在其中一个实施方式中，冷端换热器1的顶部设置有第一凸台13，回热器2的上部和第一凸台13通过真空钎焊连接，以保证连接可靠性和较好的密封性。

为便于钎焊密封，第一凸台13处加工有倒角，倒角规格为0.75mm×45°；回热器2的上部外壁处也加工有倒角。

在其中一个实施方式中，气体接头7插入在热端换热器3中，并在连接处通过真空钎焊连接。

在其中一个实施方式中，回热器2和脉管5均采用不锈钢材质；冷端换热器1和热端换热器3均采用紫铜材质。

本实施例还公开一种脉管制冷器的装配方法，包括以下步骤：

1)将冷端换热器1下端插入回热器2，并将冷端换热器1的外壁和回热器2通过真空钎焊方式相连接以保证气密性；

2)利用定心工装将脉管5置于回热器2中，并使得脉管5的上端插入冷端换热器1中，脉管5和回热器2的轴线相重合；

3)在回热器2和脉管5之间填充蓄热介质21；在填充过程中可不断用定心工装压紧已填蓄热介质，保证蓄热介质之间的紧密贴合，并且保证最后填充的蓄热介质在回热器下端面以上，避免溢出；填充完毕后取出定心工装；

4)将气管接头7连接在热端换热器3上，并将热端换热器3和回热器2相连接；

5)将导流件8套接在热端换热器3的内部；

6)将调相器4的壳体41连接在热端换热器3上，并使得壳体41内部第一盘管42的进气端(或出气端)和导流件8中的稳流件81上的第一气孔812相连通，第二盘管43的出气端(或进气端)和壳体41内部气腔413相连通；其中，第一盘管42的出气端(或进气端)和第二盘管的43进气端(或出气端)通过真空钎焊方式相连接。

可以理解地，气体由气腔413向导流件8流动时，上述第一盘管42的进气端则变为出气端，依次类推。

在上述步骤6)之后，在脉管制冷器内部充入1.5MPa氦气检查该脉管制冷器的气密性，保证泄漏率低于1×10^-6Pa·m³/s。

其中，上述装配过程中，脉管5与回热器2的同轴度不大于0.03mm。

定心工装外径等于回热器2内径，定心工装内径等于脉管5的外径，定心工装内外径的同轴度小于0.01mm；定心工装的轴线和回热器2的轴线相重合，利用定心工装将脉管5置于回热器2中时，先将定心工装置于回热器2中，并将脉管5的上端面外缘涂少量环氧树脂系胶结剂，然后将脉管5插入定心工装的内孔中，待胶干后将定心工装取出即可。

在其中一个实施方式中，导流件8内部连接有热套芯9，热套芯9采用聚四氟乙烯材质，将热套芯9装入导流件8中时，先将热套芯8放置于液氮中直至达到第一设定时间，然后取出热套芯8立即装入导流件8内部，再将装入热套芯9的导流件8静置于常温环境中直至达到第二设定时间，使得热套芯9和导流件8完成过盈配合。之后可根据热端换热器3内径实测值对导流件8和热套芯9组件进行外径的适配精车，然后将其装入热端换热器3的内部。

其中，第一设定时间可以为1小时，第二设定时间为24小时。

在其中一个实施方式中，上述步骤6)具体为：先将壳体41的上端盖411和热端换热器3通过真空钎焊固定，使得第一盘管42的上端面与热套芯9下端面紧密接触，并在接触面上涂少量环氧树脂系胶结剂，起到密封和固定的作用，并使得热套芯9内部的第二气孔91的一端和导流件8中的第一气孔812的相连通，另一端和第一盘管42相连通；然后将上端盖411和下端盖412通过激光焊接密封。

为提高调相器4的机械稳定性，第二盘管43盘绕的最后一圈处可与上端盖411内表面进行点焊固定。

本实施例的脉管制冷器的工作原理为：将气体接头7的端口与压缩机相连接，高温高压气体经压缩机的压缩腔进入气体接头7，并经由气体接头7进入热端换热器3的内部气道31，并经由气道31进入回热器2内部经蓄热介质21向上进入冷端换热器1内部的膨胀腔11，然后进入脉管5，经由脉管5向下进入导流件8中的稳流件81，经由稳流件81对气体进行层流化后，层流化后的气体经第一气孔812进入第一盘管42，若设置有热套管9，则层流化后的气体则经第一气孔812进入热套管9内部的第二气孔91，并经由第二气孔进入第一盘管，然后气体经由第一盘管42进入第二盘管43，并最终由第二盘管43输出至壳体41内部的气腔413中；在上述过程中，气体经蓄热介质21到达冷端换热器1的膨胀腔11，该过程中蓄热介质21吸收气体热量使得气体温度降低。气体温度在膨胀腔11内达到最低，通过低温膨胀吸收外界热量之后，在脉管5声功推动下将热量泵至导流件8入口处，该过程中气体温度逐渐上升。

同样的，当控制压缩机内活塞反向运行时，气体相对上述过程则进行反向流动，即，底部气腔413内的气体经第二盘管43进入第一盘管42，并经由第一盘管42进入的热套芯9的第二气孔91，并经由第二气孔91进入导流件8的第一气孔812，再向上进入脉管5后到达冷端换热器1内部的膨胀腔11，再由膨胀腔11向下经由回热器2内部经蓄热介质21进入热端换热器3内部气道31，并最终由气体接头7返回至压缩机的压缩腔；该过程中，由于气体从底部气腔413到达冷端换热器1的膨胀腔11后，气体温度达到最低，之后气体经过回热器2向下进入气体接头7的过程中，气体从蓄热介质21中吸热，温度再次上升，从而完成一个热力循环。

本实施例的脉管制冷器，采用不同直径的第一盘管42和第二盘管43的双段变径盘管设计，增加了调相范围，结构紧凑，减小了整体调相器4的体积，节约了占用空间，提高了空间利用率；采用了具有第一狭缝结构的导流件8，使得脉管5出口处的气体得以层流化，减小了质量流的流阻损失，保证了制冷器的膨胀效率；便于安装，操作方便。通过热套芯9的设置实现较好的周向密封效果，可有效避免轴向“窜气”现象。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种脉管制冷器，包括依次连接的冷端换热器、回热器、热端换热器和调相器，所述热端换热器上连接有气体接头，所述回热器内部连接有脉管，所述脉管和所述回热器的轴线相重合，所述脉管一端和所述冷端换热器相连通，另一端和所述调相器相连通，其特征在于，所述回热器和所述脉管之间填充有蓄热介质，所述热端换热器内部连接有导流件，所述导流件的外壁和所述热端换热器的内壁之间形成气道，所述气道的一端和所述气体接头相连通，另一端和所述回热器内部相连通，所述导流件的上部连接有稳流件，所述稳流件上设置有与所述脉管相连通的第一气孔，所述第一气孔的内壁周向设置有多个第一狭缝，所述调相器包括壳体，所述壳体内部形成气腔，所述气腔内部连接有第一盘管和第二盘管，所述第一盘管的直径大于所述第二盘管的直径，所述第一盘管的一端和所述第一气孔相连通，另一端和所述第二盘管的一端相连通，所述第二盘管的另一端和所述气腔相连通。

2.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述导流件内部连接有热套芯，所述热套芯采用聚四氟乙烯材质，所述热套芯和所述导流件的内壁采用过盈配合，所述热套芯内部设置有第二气孔，所述第二气孔的一端和所述第一气孔的相连通，另一端和所述第一盘管相连通。

3.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述第一气孔采用锥形孔，所述第一狭缝包括狭缝主体部和分叉狭缝部，所述狭缝主体部自所述锥形孔的小端延伸至大端，所述狭缝主体部在所述锥形孔的大端处进行分叉形成所述分叉狭缝部。

4.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述导流件的外壁上设置有弧形导流面。

5.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述热端换热器内壁上设置有定位凹槽，所述导流件的外壁上设置有定位凸台，所述定位凸台插接在所述定位凹槽中。

6.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述热端换热器和所述回热器通过支撑法兰相连接，所述支撑法兰和所述回热器通过螺钉连接，所述支撑法兰的内壁上设置有内螺纹，所述热端换热器的外壁上设置有外螺纹，所述内螺纹和所述外螺纹相旋合。

7.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述蓄热介质的填充孔隙率为0.6～0.8。

8.如权利要求1所述的脉管制冷器，其特征在于，所述第一盘管和第二盘管均采用紫铜管。

9.一种脉管制冷器的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将回热器和冷端换热器通过真空钎焊方式相连接；

2)将脉管置于回热器中，并使得管的上端插入冷端换热器中，所述脉管和所述回热器的轴线相重合；

3)在所述回热器和所述脉管之间填充蓄热介质；

4)将气管接头连接在热端换热器上，并将所述热端换热器和所述回热器相连接；

5)将导流件套接在所述热端换热器内部；

6)将调相器的壳体连接在热端换热器上，并使得壳体内部第一盘管的一端和导流件中的稳流件上的第一气孔相连通，第一盘管的另一端和第二盘管的一端相连通，第二盘管的另一端和壳体内部气腔相连通；第一盘管和第二盘管通过真空钎焊方式相连接。

10.如权利要求9所述的脉管制冷器的装配方法，其特征在于，所述导流件的内部连接有热套芯，所述热套芯采用聚四氟乙烯材质，将所述热套芯装入所述导流件中时，先将热套芯放置于液氮中直至达到第一设定时间，然后取出热套芯立即装入导流件内部，再将装入热套芯的导流件静置于常温环境中直至达到第二设定时间，使得热套芯和导流件完成过盈配合。

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