CN114754509A - 一种提高蓄冷时间的节流制冷器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高蓄冷时间的节流制冷器，包括节流元件，所述节流元件包括节流器基体和节流芯，所述节流器基体具有气体流道，所述节流芯装配于所述节流器基体上，所述节流芯与所述节流器基体之间形成有节流孔，以将气体流道与外部空间连通，所述节流器基体由冷‑缩材料制作而成，所述节流芯由冷‑胀材料制作而成。本发明克服上述固定孔型节流制冷器蓄冷时间短，波纹管自调式节流制冷器可靠性差、结构复杂、寿命低等现有技术缺陷，从而提供一种提高蓄冷时间的快速制冷、结构简单、高可靠性的节流制冷器。
Description
技术领域
本发明涉及节流制冷器领域。更具体地说，本发明涉及一种提高蓄冷时间的节流制冷器。
背景技术
节流制冷器是一种利用等焓膨胀的焦耳-汤姆逊效应的节流微制冷器。其在红外热像仪、导弹制导、医疗和空间应用等民用和军事装备上广泛应用，其不仅为红外导引系统提供低温环境，而且与导弹的性能密切相关，比如制冷器的降温时间决定了导弹的反应时间，制冷器的蓄冷时间决定了导弹的飞行时间。现有的节流制冷器主要有固定孔型及波纹管自调式制冷器。而固定孔型节流制冷器蓄冷时间较短，转换效率低，使其红外制导时射程受限制。波纹管自调式制冷器通过自调机构能够有效提高蓄冷时间，从而弥补固定孔型节流制冷器的缺陷，但波纹管自调制冷器存在运动部件，可靠性不高，同时波纹管自调制冷器实现自调是通过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，实现自调。那么波纹管的密封泄露量是决定自调机构寿命的主要因素之一，而自调机构存在多处密封，检漏困难。所以当前阶段波纹管自调式制冷器的主要缺点是寿命低，可靠性差。
发明内容
基于现有的固定孔型节流制冷器蓄冷时间较短，转换效率低，波纹管自调式制冷器可靠性不高，容易存在密封泄露问题，且检漏困难，现在需要提出一种应用于制冷红外探测器，满足红外制导快速、长工作时间、高可靠性的节流制冷器。
为了解决上述问题，本发明的一优选实施方案提供了一种提高蓄冷时间的节流制冷器，包括节流元件，所述节流元件包括节流器基体和节流芯，所述节流器基体具有气体流道，所述节流芯装配于所述节流器基体上，所述节流芯与所述节流器基体之间形成有节流孔，以将气体流道与节流制冷器的膨胀腔连通，所述节流器基体由冷-缩材料制作而成，所述节流芯由冷-胀材料制作而成。
本发明的一优选实施方案中，所述节流芯设置有至少1条节流槽，所述节流芯装配于所述节流器基体后，所述节流槽与所述节流器基体形成所述节流孔。
本发明的一优选实施方案中，所述节流芯设置有2条节流槽，所述节流槽的直径大小设置在0.05mm-0.1mm之间。
本发明的一优选实施方案中，所述节流器基体设置有至少1条节流槽，所述节流芯装配于所述节流器基体后，所述节流槽与所述节流芯形成所述节流孔。
本发明的一优选实施方案中，所述节流器基体和所述节流芯为过盈配合。
本发明的一优选实施方案中，所述节流器基体和所述节流芯为过度配合。
本发明的一优选实施方案中，所述节流器基体上开设有节流芯装配孔，所述节流芯装配于所述节流芯装配孔中，所述节流芯装配孔和气体流道相互连通呈T形结构。
本发明的一优选实施方案中，还包括进气底座和换热器组件，所述换热器组件包含芯轴和翅片管，所述芯轴安装于所述进气底座上，所述翅片管螺旋盘绕在所述芯轴表面，所述进气底座的出气端与翅片管的进气端连通，所述翅片管的出气端与所述节流元件的气体流道连通。
本发明的一优选实施方案中，还包括冷指，所述冷指罩设于节流元件和所述翅片管外部，并与所述进气底座连接。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明采用两种不同的冷热-缩胀性能的材料制作的节流元件，实现了低温下被动流量调节，从而提高制冷器的蓄冷时间。
2、本发明实现的节流制冷器无运动部件，结构简单，可靠性高，能够扩宽制冷器的应用范围。
3、本发明中涉及到的节流元件的节流芯结构，可实现节流元件的灵敏度设计、控温温区设计。
4、本发明中涉及到锥形节流制冷器，高换热效率的翅片管及翅片管缠绕技术实现了该节流制冷器降温速度快、结构简单、 蓄冷时间长、装配工艺难度低、低成本等优点。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明其中一个实施方案中的提高蓄冷时间的节流制冷器的结构示意图。
图2为本发明另一实施方案中节流元件剖视图。
图3为本发明另一实施方案中节流元件俯视图。
图4为本发明另一实施方案中节流芯的结构示意图。
附图标记说明：1-进气底座，2-过滤器，3-芯轴，4-翅片管，5-节流元件，6-冷指，7-节流器基体，8-节流芯，9-节流孔，10-节流槽，11-气体流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
本发明是为了克服上述固定孔型节流制冷器蓄冷时间短，波纹管自调式节流制冷器可靠性差、结构复杂、寿命低等现有技术缺陷，从而提供一种提高蓄冷时间的快速制冷、结构简单、高可靠性的节流制冷器。如图1~4所示，本发明的一种提高蓄冷时间的节流制冷器，由进气底座1、换热器组件和节流元件5组成；进气底座1的出气端与换热器组件的翅片管4的进气端连通，所述翅片管4的出气端连接所述节流元件5，所述节流元件5包括节流器基体7和节流芯8，所述节流器基体7具有气体流道11以及节流芯装配孔，气体流道11和节流芯装配孔相互连通呈T形结构，所述节流芯8装配于所述节流器基体7上，所述节流芯8与所述节流器基体7之间形成有节流孔9，以将气体流道11与节流制冷器的膨胀腔连通，所述节流器基体7由冷-缩材料制作而成，所述节流芯8由冷-胀材料制作而成，所述节流孔9设置为：当降温后，所述节流器基体7产生收缩效应，节流芯8产生膨胀效应，节流器基体7与节流芯8同时作用使得节流孔9在降温过程中逐渐缩小。
在本实施方式中，进气底座1采用法兰，法兰提供进气通道，同时法兰作为骨架用于支撑换热器组件，但不限于法兰这一种结构形式，高压高纯制冷气体通过法兰进入翅片管4内，再通过节流元件5节流降温降压，产生节流制冷效应，由于节流元件5对流量的调节，是一种感温材料，受到温度影响后产生的材料物理变化过程，并且变化过程是可逆的，整个节流元件5无运动部件、结构简单，整体提高了制冷器的可靠性。利用材料性能，对节流元件5的材料的合理应用，节流器基体7使用的材料热膨胀性能为：冷-缩，节流元件5中的节流器芯使用的材料热膨胀性能为：冷-涨，当高压制冷气体通过节流元件5产生节流制冷效应后，节流元件5的两种材料温度降低，缩、涨的两种材料产生变形后使得节流孔9的孔径变小从而实现流量调节，流量调节后的气体利用率更高，从而提高制冷器的蓄冷时间。冷-缩材料和冷-胀材料可以采用青铜、锑、镓等金属及其合金材料，也可采用人工合成的复合材料，通过节流元件5的气体产生节流效应降温，同时使节流元件5中的节流器基体7、节流芯8被降温，而节流基体为冷-缩材料制作而成，降温后的节流器基体7产生收缩效应；而节流芯8为冷-胀材料制作而成，降温后的节流芯8产生膨胀效应；节流器基体7与节流芯8同时作用使得节流孔9在降温过程中逐渐缩小，由于节流孔9的孔径大小变化，进而使通过节流孔9的气体流量减小，进而延长气体的使用时间，进而在气体总量不变的条件下提高了节流制冷器的蓄冷时间。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述节流芯8设置有至少1条节流槽10，所述节流芯8装配于所述节流器基体7后，所述节流槽10与所述节流器基体7形成所述节流孔9。可通过在节流芯8上设置更多的节流槽10来提高调节精度；也可以通过调整节流器基体7及节流芯8的两种材料的膨胀系数来实现设计节流制冷器在不同温区下精确调节。在另一种技术方案中，节流槽10也可以设置于节流器基体7上，或者部分设置于节流器基体7，部分设置于节流芯8上，仅需保证节流芯8和节流槽10之间形成节流孔即可。
节流元件5中，通过控制节流槽10的数量以及直径，能够实现被动调节流量从而提高蓄冷时间。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：节流槽10采用激光蚀刻加工，存在两条节流槽10的情况下，节流槽10的直径大小设置在0.05mm-0.1mm之间，可通过设计不同数量的节流槽10，来调节节流元件5对温度的敏感程度，进而设计节流元件5的调节灵敏度。可通过设计不同直径的节流槽10，来调节节流元件5在不同温度下的节流孔9的孔径大小，进而设计节流孔9在不同温区下的开度，可用来进行控温温区调节。本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述节流器基体7和所述节流芯8为过盈配合，热装后配合紧密。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述节流器基体7和所述节流芯8为过度配合，采用螺纹连接或采用焊接方式连接，两种方案的装配方式均可以防止两个零件装配后脱落。
所述换热器组件包含芯轴3和翅片管4，所述芯轴3同轴安装在所述法兰上，所述翅片管4螺旋盘绕在所述芯轴3表面，所述法兰具有进气通道，换热器组件与进气组件通过法兰的气体通道与外部进气组件连接，所述法兰的进气通道与翅片管4的进气端连接，所述翅片管4的出气端与所述节流元件5的进气端连接，本申请的制冷器应用于冷指6，所述冷指6罩设于节流元件5和所述翅片管4外部，并与所述法兰螺钉连接，所述节流元件5的出气端与所述冷指6罩设的空间连通，所述芯轴3顶部与冷指6形成膨胀腔，节流后的气体进入膨胀腔内，进而冷却冷指6顶部的冷盘，进而冷却冷盘上的芯片。降温后的气体返流与进入翅片管4的高压常温气体进行热交换，冷却进气，进而放大节流制冷效应，直至达到制冷温度，所述冷指6与所述法兰之间形成空隙，完成热交换的气体通过空隙排出。
本实施方式中的节流制冷器以其结构紧凑、快速制冷等特点广泛应用于红外制冷探测器，红外探测器可安装于冷指6的顶端，通过本申请的节流制冷器可快速为探测器提供低温工作环境，降低红外探测器噪声，提高其灵敏度和分辨率，进而提高红外成像效果。同时蓄冷时间的提高，相同气量下可提供更长的工作时间，从而使用场景、应用范围更广。需要说明的是节流制冷器不限于在红外探测器的应用，民用和军事装备上均可广泛应用。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：节流元件5固定在芯轴3顶端并与翅片管4连接，翅片管4与法兰连接，三者形成一条完整的气体通道。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述进气组件还包括过滤器2，所述过滤器2连接于所述法兰的进气通道与翅片管4的进气端之间，对高压高纯制冷气进行过滤。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述芯轴3为锥形结构，相同高度条件下，锥形结构相较柱形结构降温更快，并且锥形结构对翅片管4形成一定的支撑，结构可靠性更高。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种提高蓄冷时间的节流制冷器，包括节流元件，其特征在于，所述节流元件包括节流器基体和节流芯，所述节流器基体具有气体流道，所述节流芯装配于所述节流器基体上，所述节流芯与所述节流器基体之间形成有节流孔，以将气体流道与节流制冷器的膨胀腔连通，所述节流器基体由冷-缩材料制作而成，所述节流芯由冷-胀材料制作而成。
2.根据权利要求1所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，所述节流芯设置有至少1条节流槽，所述节流芯装配于所述节流器基体后，所述节流槽与所述节流器基体形成所述节流孔。
3.根据权利要求2所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，所述节流芯设置有2条节流槽，所述节流槽的直径大小设置在0.05mm-0.1mm之间。
4.根据权利要求1所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，所述节流器基体设置有至少1条节流槽，所述节流芯装配于所述节流器基体后，所述节流槽与所述节流芯形成所述节流孔。
5.根据权利要求1所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，所述节流器基体和所述节流芯为过盈配合。
6.根据权利要求1所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，所述节流器基体和所述节流芯为过度配合。
7.根据权利要求1所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，所述节流器基体上开设有节流芯装配孔，所述节流芯装配于所述节流芯装配孔中，所述节流芯装配孔和气体流道相互连通呈T形结构。
8.根据权利要求1所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，还包括进气底座和换热器组件，所述换热器组件包含芯轴和翅片管，所述芯轴安装于所述进气底座上，所述翅片管螺旋盘绕在所述芯轴表面，所述进气底座的出气端与翅片管的进气端连通，所述翅片管的出气端与所述节流元件的气体流道连通。
9.根据权利要求8所述的提高蓄冷时间的节流制冷器，其特征在于，还包括冷指，所述冷指罩设于节流元件和所述翅片管外部，并与所述进气底座连接。
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