CN112629055A - 斯特林制冷机分体式壳体及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种斯特林制冷机分体式壳体及其加工方法，其特征在于：该壳体包括中间壳体(1)，中间壳体(1)的一端为冷端，中间壳体(1)的另一端连接有冲座(2)；所述的冷端的外侧包覆有第一热传导块(3)，所述的冲座(2)和中间壳体(1)为分体式设置、且所述的冲座(2)与中间壳体(1)之间设置有第二热传导块(4)，所述第一热传导块(3)、中间壳体(1)、第二热传导块(4)和冲座(2)通过焊接构成完整的壳体。本申请通过分体式的结构设置，有效的解决了传统多道拉升硬化工艺的不足，降低了成本，提高了生产效率，而且还采用了增加热传导块的方式改善了不锈钢材料热传导效率低的不足。
Description
技术领域
本申请涉及斯特林制冷机技术领域，具体的涉及一种斯特林制冷机分体式壳体及其加工方法。
背景技术
斯特林制冷机是由电力驱动的一种机械式制冷机。其工作原理是气体以绝热膨胀做功，即按逆向斯特林循环工作而制冷。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点。两空间制冷机温度可达80K。三空间机制冷温度可达10.5-20K。四空间制冷机温度可达7.8K。冷头最底温度达到6K到3.1K的斯特林制冷器也已研制成功。不过这种制冷器最大的缺点是噪声较大和寿命不长。
斯特林制冷机的结构大致包括上壳体和下壳体，设置于壳体内的气缸、板簧和制冷基体等结构件，其中位于制冷基体外部的壳体其大致的结构包括柱状的壳体，柱状壳体的一端是冷端盖，另一端是座体用于连接内部的气缸(还有回热器等结构)和下壳体等结构；这种传统的上壳体结构是一种一体式的结构，因为壳体需要有一定的深度来容置制冷基体等部件，传统的壳体都是采用一整块金属板材通过多次拉升(拉伸)及硬化处理构成上述这种结构，虽然这种一体式的壳体结构表面光滑，外观洁净，但是整个的制备工艺过程却是非常的复杂，需要至少9道反复的拉伸和硬化处理才能实现，增加了制造成本，降低了生产效率；且这种工艺对金属拉伸率高很容易导致金属拉伸过程各个部位厚薄不均匀，影响使用；还容易导致尺寸偏差大、报废率比较高。
此外，由于壳体采用的是不锈钢材质，不锈钢材料的热传导率低，导致斯特林制冷机整机的制冷性能受到很大影响、性能效果不佳。
发明内容
本申请针对现有技术的上述不足，提供一种分体式的结构，从而有效的解决了传统多道拉升硬化工艺的不足，降低了成本，提高了生产效率，而且还采用了增加热传导块方式改善不锈钢材料热传导效率低的斯特林制冷机分体式壳体。
为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：一种斯特林制冷机分体式壳体，该壳体包括中间壳体(中间连接筒)，中间壳体的一端为冷端，中间壳体的另一端连接有冲座(法兰座)；所述的冷端的外侧包覆有第一热传导块，所述的冲座和中间壳体为分体式设置、且所述的冲座与中间壳体之间设置有第二热传导块，所述第一热传导块、中间壳体、第二热传导块和冲座通过焊接构成完整的壳体。
采用上述结构，只需要单独的加工出来冲座、中间壳体和第一热传导块、第二热传导块，然后将他们按照壳体的结构顺序组装要求进行焊接构成完整的壳体即可；由于单独加工几个部分，不需要采用一块整个的金属板材进行多次的冲压，从而减少了工序，提高了效率，降低了成本；其中的中间壳体可以金属板卷绕而成或者冲压而成均可，冲座不需要复杂的冲压工序，也没有很深的轴向深度，加工起来更加方便快捷；第一热传导块、第二热传导块也没有很深的轴向深度、机械加工方便(如采用浇铸工艺即可获得)；更为重要的是通过在壳体制冷部(冷端的外侧)和散热部(冲座与中间壳体连接处)分别设置了第一热传导块和第二热传导块，有效提高了壳体的热传导效率(此处的热传导效率包括冷量或者热量的传导效率)，从而保证了斯特林制冷机的性能。
优选的，所述的第一热传导块为中间壳体的冷端盖，且第一热传导块轴向延伸有纵深部，所述的纵深部的尾端部分与中间壳体重叠；采用该结构，直接将第一热传导块就作为冷端盖使用，而且设置了纵深部可以有效的提高第一热传导块轴向深度，从而提高壳体该处的热传导效率、为斯特林制冷机的性能提供保障；此外，通过与中间壳体部分重叠提高二者之间的结合牢固度，也为提高热传导效率提供保障(此端为冷端就可以认为是冷量的传导效率)。
优选的，所述的冲座和中间壳体之间设置有间距，并通过第二热传导块实现过渡连接；采用该结构，可以将第二热传导块的侧壁直接作为壳体的侧壁的一部分与壳体内部的介质直接接触，有效提高热传导效率，此处的第二热传导块位于散热部位置，可以有效提高散热效率。
进一步优选的，所述的第二热传导块的两端内壁上均设置有环形凹槽，所述的环形凹槽用于与冲座和中间壳体进行套合；采用该结构可以提高第二热传导块与冲座和中间壳体的结合牢固度，同时焊剂置于该凹槽内也方便焊接。
进一步优选的，所述的第一热传导块和第二热传导块为铜材料(紫铜)制备的热传导块，所述的焊接为银钎焊接；采用该材质的热传导块，其热传导效率相较于不锈钢有很大提高，从而有效保障斯特林制冷机的性能效果，采用银钎焊接技术可以有效的实现热传导块与中间壳体、冷端盖、冲座之间的焊接牢固度。
优选的，所述的第一热传导块和第二热传导块的壁厚大于中间壳体的壁厚；采用该结构可以有效的提高壳体整体的热传导效率。
优选的，所述的冲座的壁厚大于中间壳体的壁厚；采用该结构一方面可以提高中间壳体与冲座之间的焊接牢固度，同时还能够有效的保证壳体的使用强度和气缸的安装效果。
优选的，所述的冲座底端面设置有第一环形平面和第二环形平面，第一环形平面和第二环形平面呈台阶状设置，所述的第一环形平面和第二环形平面上均设置有安装孔；采用该结构方便气缸与冲座之间的安装，保证气缸运行的平稳性。
优选的，所述的冲座与第二热传导块抵靠的上端面上设置有环状内凹槽，环状内凹槽的深度沿着轴向向着冲座的下端方向延伸；采用该结构，可以通过在该环状凹槽内填充焊剂，通过焊剂熔融之后向着第二热传导块与冲座之间的结合面上延伸，从而提高了二者之间的焊接牢固程度和密封效果，为后期的使用效果提供保障。
本申请还提供一种上述斯特林制冷机分体式壳体的制备方法，具体的包括：
(1)首先准备好构成完整壳体的中间壳体、第一热传导块、第二热传导块和冲座四个组成部件；
(2)然后将上述的部件按照如下的组装顺序进行组装：从上至下依次为第一热传导块、中间壳体、第二热传导块和冲座；
(3)然后在第二热传导块与冲座的连接处、第二热传导块与中间壳体的连接处、中间壳体与第一热传导块的连接处分别进行焊接处理，获得完整的壳体。
优选的，上述步骤(2)的各个部件为紧配合安装；采用这样的方式可以保证各个部分焊接之前的连接牢固度，有效的避免焊接过程脱离或者安装不紧密而导致后期密封效果差、使用耐压性不够的技术问题。
优选的，本申请所述的第一热传导块、第二热传导块采用浇铸工艺或者机械车削加工工艺获得，中间壳体采用拉伸或者冲压工艺获得，冲座采用冲压、铸造或者红冲工艺获得；
优选的，本申请所述的第二热传导块与冲座的连接处采用钎焊或者真空焊接，所述的真空焊接具体为：首先在冲座与第二热传导块抵靠的上端面设置的环状内凹槽内填充焊剂，然后将第二热传导块和冲座相互插接套合，将中间壳体插入至第二热传导块中、将第一热传导块与中间壳体套合，然后置于真空炉内、控制真空度为-2至-4Pa之间、真空炉内温度为800-1000摄氏度、保持45-70分钟，然后随炉冷却，完成第一道真空焊接。
进一步优选的，所述的真空焊接后获得的壳体在第二热传导块与中间壳体连接处置入焊剂，进行钎焊，钎焊的功率为140-160W，完成第二道钎焊；焊接完成后，在第一热传导块与中间壳体连接处进行钎焊，钎焊的功率为140-160W，完成第三道钎焊，获得完整的壳体。
本申请上述的壳体加工方法，是采用将壳体的结构化整为零，分成四部分组件，单个组件可以分别进行加工，由于四个组件的结构简单、组件的加工不需要很深的深度、也不需要复杂的结构，简单的机械加工或者铸造加工工艺或者红冲工艺即可以完成，有效的简化了加工复杂性，操作更加方便，加工成本也大大的降低；然后将加工后的四部分组件进行组装，再分三道焊接工序完成最终的焊接，获得的壳体密封性能好，特别是能量传导效率得到大大的提高，从而有效保障了斯特林制冷机的制冷效果。
附图说明
图1为本申请分体式结构的斯特林制冷机分体式壳体第一角度结构示意图。
图2为本申请分体式结构的斯特林制冷机分体式壳体第二角度结构示意图。
图3为本申请分体式结构的斯特林制冷机分体式壳体第一角度装配图结构示意图。
图4为本申请分体式结构的斯特林制冷机分体式壳体第一角度装配图结构示意图。
图5为本申请的第一热传导块的结构示意图。
图6为申请的第二热传导块与冲座配合之后的剖视图结构示意图。
如附图所示：1.中间壳体，2.冲座，2.1.第一环形平面，2.2.第二环形平面，2.3.环状内凹槽，3.第一热传导块，3.1.纵深部，4.第二热传导块，4.1.环形凹槽，5.安装孔。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是优选实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；
此外要说明的是：当部件被称为“固定于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在另一中间部件，通过中间部件固定。当一个部件被认为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在另一中间部件。当一个部件被认为是“设置于”另一个部件，它可以是直接设置在另一个部件上或者可能同时存在另一中间部件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如附图1-4所示，为本申请的一种斯特林制冷机分体式壳体，一种斯特林制冷机分体式壳体，该壳体包括中间壳体1(中间连接筒)，中间壳体的一端为冷端，中间壳体的另一端连接有冲座2(法兰座)；所述的冷端的外侧包覆有第一热传导块3，所述的冲座和中间壳体为分体式设置、且所述的冲座与中间壳体之间设置有第二热传导块4，所述第一热传导块3、中间壳体1、第二热传导块4和冲座2通过焊接构成完整的壳体。
采用上述结构，只需要单独的加工出来冲座、中间壳体和第一热传导块、第二热传导块，然后将他们按照壳体的结构顺序组装要求进行焊接构成完整的壳体即可；由于单独加工几个部分，不需要采用一块整个的金属板材进行多次的冲压，从而减少了工序，提高了效率，降低了成本；其中的中间壳体可以金属板卷绕而成或者冲压而成均可，冲座不需要复杂的冲压工序，也没有很深的轴向深度，加工起来更加方便快捷；第一热传导块、第二热传导块也没有很深的轴向深度、机械加工方便(如采用浇铸工艺即可获得)；更为重要的是通过在壳体制冷部(冷端的外侧)和散热部(冲座与中间壳体连接处)分别设置了第一热传导块和第二热传导块，有效提高了壳体的热传导效率(此处的热传导效率包括冷量或者热量的传导效率)，从而保证了斯特林制冷机的性能。
如附图1-4所示，本申请所述的第一热传导块3为中间壳体的冷端盖(即直接将第一热传动块作为冷端盖使用)，且第一热传导块3轴向延伸有纵深部3.1，所述的纵深部的尾端部分与中间壳体重叠(具体的从附图5可以看出，在第一热传导块3的下部内侧壁上开出一个环形的凹槽，然后该凹槽的内侧壁与中间壳体的外侧壁套合，二者实现紧配合)；采用该结构，直接将第一热传导块就作为冷端盖使用，而且设置了纵深部可以有效的提高第一热传导块轴向深度，从而提高壳体该处的热传导效率、为斯特林制冷机的性能提供保障；此外，通过与中间壳体部分重叠提高二者之间的结合牢固度，也为提高热传导效率提供保障(此端为冷端就可以认为是冷量的传导效率)，此处的结合在第热传导块与中间壳体的外壁之间也有一个环形的凹槽方便后期钎焊的时候放置焊剂。
如附图1-4所示，本申请所述的冲座2和中间壳体1之间设置有间距，并通过第二热传导块实现过渡连接；即从附图3-4可以看出冲座2和中间壳体1不直接连接，通过第二热传导块实现连接，这样第二热传导块的侧壁就可以直接作为壳体的侧壁的一部分与壳体内部的介质直接接触，有效提高热传导效率，此处的第二热传导块位于散热部位置，可以有效提高散热效率。
如附图1、3-4所示，本申请所述的第二热传导块4的两端内壁上均设置有环形凹槽4.1，所述的环形凹槽4.1用于与冲座2和中间壳体1进行套合；采用该结构可以提高第二热传导块与冲座和中间壳体的结合牢固度，同时焊剂置于该凹槽内也方便焊接；从附图1和4所示，位于第二热传导块的环形凹槽具有两个，位于下部的环形凹槽形成与中间壳体套合的结构，位于上部的环形凹槽与套合后的中间壳体的外壁具有一定的距离，在该位置填充焊剂可以很好的实现焊接效果和密封效果。
本申请所述的第一热传导块3和第二热传导块4为铜材料(紫铜)制备的热传导块，所述的焊接为银钎焊接(钎焊)；采用该材质的热传导块，其热传导效率相较于不锈钢有很大提高，从而有效保障斯特林制冷机的性能效果，采用银钎焊接技术可以有效的实现热传导块与中间壳体、冷端盖、冲座之间的焊接牢固度。
如附图3-4可以看出，本申请所述的第一热传导块3和第二热传导块4的壁厚大于中间壳体的壁厚；采用该结构可以有效的提高壳体整体的热传导效率。
本申请所述的冲座的壁厚大于中间壳体的壁厚；采用该结构一方面可以提高中间壳体与冲座之间的焊接牢固度，同时还能够有效的保证壳体的使用强度和气缸的安装效果。
如附图2-3所示，本申请所述的冲座2的底端面设置有第一环形平面2.1和第二环形平面2.2，第一环形平面2.1和第二环形平面2.2呈台阶状设置(第一环形平面位于第二环形平面的下方)，所述的第一环形平面和第二环形平面上均设置有安装孔5；采用该结构方便气缸与冲座之间的安装，保证气缸运行的平稳性。
如附图4所示，本申请所述的冲座2与第二热传导块4抵靠的上端面上设置有环状内凹槽2.3，环状内凹槽2.3的深度沿着轴向向着冲座2的下端方向延伸；采用该结构，可以在该环状凹槽内填充焊剂，通过焊剂熔融之后向着第二热传导块与冲座之间的结合面上延伸，从而提高了二者之间的焊接牢固程度和密封效果，为后期的使用效果提供保障。
本申请先将第一热传导块、中间壳体、第二热传导块和冲座相互插接套合、形成稳定的套合结合方式(可以为紧配合方式，如果安装过程困难可以稍微加热膨胀实现组装)，然后在需要焊接的位置放置焊剂即可进行焊接，焊接后得到的壳体既能有效的提高冷量或者热量的传导效率，同时还方便加工、节省加工成本。
本申请还提供一种上述斯特林制冷机分体式壳体的制备方法，具体的包括：
(1)首先准备好构成完整壳体的中间壳体、第一热传导块、第二热传导块和冲座四个组成部件；所述的第一热传导块、第二热传导块采用浇铸工艺或者机械车削加工工艺获得，中间壳体采用拉伸或者冲压工艺获得，冲座采用冲压、铸造或者红冲工艺获得；
(2)然后将上述的部件按照如下的组装顺序进行组装：从上至下依次为第一热传导块、中间壳体、第二热传导块和冲座；上述各个部件为紧配合安装(可以为紧配合方式，如果安装过程困难可以稍微加热膨胀实现组装)；
(3)然后在第二热传导块与冲座的连接处、第二热传导块与中间壳体的连接处、中间壳体与第一热传导块的连接处分别进行焊接处理，获得完整的壳体；本申请所述的第二热传导块与冲座的连接处采用钎焊或者真空焊接，所述的真空焊接具体为：首先在冲座与第二热传导块抵靠的上端面设置的环状内凹槽内填充焊剂，然后将第二热传导块和冲座相互插接套合，将中间壳体插入至第二热传导块中、将第一热传导块与中间壳体套合，然后置于真空炉内、控制真空度为-2至-4Pa之间、真空炉内温度为800-850摄氏度、保持60分钟，然后随炉冷却，完成第一道真空焊接；此处的真空焊接由于采用的是先在结构内设置了环状内凹槽、填充了焊剂，从而可以保证焊接的效果，焊接的熔融温度500摄氏度左右，而将加热温度提升至800-850摄氏度、焊接熔融之后就会溢满整个
所述的真空焊接后获得的壳体在第二热传导块与中间壳体连接处置入焊剂，进行钎焊，钎焊的功率为140-160W，完成第二道钎焊；焊接完成后，在第一热传导块与中间壳体连接处进行钎焊，钎焊的功率为140-160W，完成第三道钎焊，获得完整的壳体。
本申请上述的壳体加工方法，是采用将壳体的结构化整为零，分成四部分组件，单个组件可以分别进行加工，由于四个组件的结构简单、组件的加工不需要很深的深度、也不需要复杂的结构，简单的机械加工或者铸造加工工艺即可以完成，有效的简化了加工复杂性，操作更加方便，加工成本也大大的降低；然后将加工后的四部分组件进行组装，再分三道焊接工序完成最终的焊接，获得的壳体密封性能好，特别是能量传导效率得到大大的提高，从而有效保障了斯特林制冷机的制冷效果；本申请上述工艺方法获得的最终的壳体，在使用过程经过检测可以耐15MPa的压力也不会开裂，而正常的斯特林制冷机的壳体耐压压力只要满足2.8MPa即可，因此本申请的制冷机壳体完全满足使用环境的要求；此外本申请的热传导率也得到很大的提升，相比较传统的全部是一体加工的不锈钢材料的壳体提升10％以上。
Claims (10)
1.一种斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：该壳体包括中间壳体(1)，中间壳体(1)的一端为冷端，中间壳体(1)的另一端连接有冲座(2)；所述的冷端的外侧包覆有第一热传导块(3)，所述的冲座(2)和中间壳体(1)为分体式设置、且所述的冲座(2)与中间壳体(1)之间设置有第二热传导块(4)，所述第一热传导块(3)、中间壳体(1)、第二热传导块(4)和冲座(2)通过焊接构成完整的壳体。
2.根据权利要求1所述的斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：所述的第一热传导块(3)为中间壳体(1)的冷端盖，且第一热传导块轴向延伸有纵深部(3.1)，所述的纵深部(3.1)的尾端部分与中间壳体(1)重叠套合；所述的冲座(2)和中间壳体(1)之间设置有间距，并通过第二热传导块(4)实现过渡连接。
3.根据权利要求2所述的斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：所述的第二热传导块(4)的两端内壁上均设置有环形凹槽(4.1)，所述的环形凹槽(4.1)用于与冲座(2)和中间壳体(1)进行套合。
4.根据权利要求2所述的斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：所述的第一热传导块(3)和第二热传导块(4)为铜材料制备的热传导块，所述的焊接为银钎焊接。
5.根据权利要求1所述的斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：所述的第一热传导块(3)和第二热传导块(4)的壁厚大于中间壳体的壁厚；所述的冲座(2)的壁厚大于中间壳体(1)的壁厚。
6.根据权利要求1所述的斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：所述的冲座(2)底端面设置有第一环形平面(2.1)和第二环形平面(2.2)，第一环形平面和第二环形平面呈台阶状设置，所述的第一环形平面和第二环形平面上均设置有安装孔(5)。
7.根据权利要求1所述的斯特林制冷机分体式壳体，其特征在于：所述的冲座(2)与第二热传导块(4)抵靠的上端面上设置有环状内凹槽(2.3)，环状内凹槽(2.3)的深度沿着轴向向着冲座的下端方向延伸。
8.一种斯特林制冷机分体式壳体的制备方法，其特征在于：具体的包括：
(1)首先准备好构成完整壳体的中间壳体、第一热传导块、第二热传导块和冲座四个组成部件；
(2)然后将上述的部件按照如下的组装顺序进行组装：从上至下依次为第一热传导块、中间壳体、第二热传导块和冲座；
(3)然后在第二热传导块与冲座的连接处、第二热传导块与中间壳体的连接处、中间壳体与第一热传导块的连接处分别进行焊接处理，获得完整的壳体。
9.根据权利要求8所述的斯特林制冷机分体式壳体的制备方法，其特征在于：步骤(2)的各个部件的组装为紧配合安装；所述的第一热传导块、第二热传导块采用浇铸工艺或者机械车削加工工艺获得，中间壳体采用拉伸或者冲压工艺获得，冲座采用冲压、铸造或者红冲工艺获得。
10.根据权利要求8所述的斯特林制冷机分体式壳体的制备方法，其特征在于：所述的第二热传导块与冲座的连接处采用钎焊或者真空焊接，所述的真空焊接具体为：首先在冲座与第二热传导块抵靠的上端面设置的环状内凹槽内填充焊剂，然后将第二热传导块和冲座相互插接套合，将中间壳体插入至第二热传导块中、将第一热传导块与中间壳体套合，然后置于真空炉内、控制真空度为-2至-4Pa之间、真空炉内温度为800-1000摄氏度、保持45-70分钟，然后随炉冷却，完成第一道真空焊接；所述的真空焊接后获得的壳体在第二热传导块与中间壳体连接处置入焊剂，进行钎焊，钎焊的功率为140-160W，完成第二道钎焊；焊接完成后，在第一热传导块与中间壳体连接处进行钎焊，钎焊的功率为140-160W，完成第三道钎焊，获得完整的壳体。
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