CN203731733U - 一种u型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构 - Google Patents

一种u型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构，该结构由主基座、压缩机、连管、调相机构、T型散热支撑平台、主换热器、次换热器、蓄冷器、脉冲管、冷端换热器、红外器件、冷屏、器件杜瓦以及杜瓦窗口组成。该专利的耦合结构可以充分适应U型脉管制冷机的结构特点，实现整体结构的紧凑性和高可靠，对U型脉管制冷机在冷却红外器件的实用化方面具有非常积极的意义。

Description

一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构
技术领域
本专利属于制冷与低温工程领域，涉及脉管制冷机，特别涉及一种U型脉管制冷机与红外器件的耦合结构。
背景技术
脉管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，它取消了广泛应用于常规回热式低温制冷机（如斯特林和G-M制冷机）中的冷端排出器，而以热端调相机构的运作来实现制冷所需的相位差。冷端运动部件的完全取消，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构和调相方式上的重要改进，在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式低温制冷机中的最高值。这些显著优点使得脉管制冷机成为20余年来低温机械制冷机研究的一大热门，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。
根据脉管与蓄冷器的相互关系不同，脉管制冷机可分为如下三种典型布置方式，如图1所示：其中（1）为U型，（2）为同轴型，（3）为直线型。由图1可以看出，三类脉管制冷机都主要由压缩机、连管、蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷头、脉管、脉管热端换热器以及调相机构组成，其中冷头是脉管制冷机的应用端，与被冷却器件耦合。直线型布置中脉管和蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉管和蓄冷器平行布置，脉管和蓄冷器的冷端通过管道连接；同轴型布置是指脉管和蓄冷器同心地布置在一起。
由图1可以看出，在脉管制冷机的三种典型布置方式中，U型结构是有其独特优点的。首先，它与同轴型结构一样，冷端（低温应用端）处于一端，因而与器件的耦合较为方便，而不像直线型结构那样与被冷却器件耦合困难；其次，U结构固然比同轴型结构较为松散，但U型结构中蓄冷器和脉冲管不直接接触，因而又避免了同轴型结构中蓄冷器和脉冲管温度分布不匹配而带来的潜在冷量损失。因而，U型结构的制冷效率常常要比同轴结构要好，而在与器件耦合的实际应用中，U型结构又比直线型结构有优势，所以在应用实践中，U型脉管制冷机也获得非常广泛的应用。
由图1可以看出，U型脉管制冷机可以大致分为四部分，即压缩机、连管、U型型脉管冷指（主要由蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷头、脉管、脉管热端换热器组成）以及调相机构（可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体）。U型脉管制冷机与红外器件的耦合任务，便是如何有效地组织这四大部分，从而与红外器件形成紧凑、可靠、高效的耦合结构。
发明内容
本专利提出一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构，由主基座1、压缩机2、连管3、调相机构4、T型散热支撑平台5、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口14组成，其特征在于，主基座1作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构；压缩机2采用双活塞对置式结构；在压缩机2的上表面安装T型散热支撑平台5，作为U型脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器6进行垂直支撑；次换热器7从下部同心地插入主换热器6之内；连管3的一端通过T型散热支撑平台5的贯通孔18与压缩机2的出口连接，连管3的另一端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的蓄冷器端漏斗形孔道15与蓄冷器8连通；蓄冷器8和脉冲管9平行布置；蓄冷器8的一端插入蓄冷器端凸台17并焊接连接，蓄冷器8的另一端插入次换热器7内并焊接连接；脉冲管9的一端插入脉冲管端凸台18并焊接连接，脉冲管9的另一端插入次换热器7内并焊接连接；调相机构4的进口端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的脉冲管端漏斗形孔道16与脉冲管9连通，调相机构4的末端固定到主基座1上；压缩机2、连管3、调相机构4、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9以及冷端换热器10共同组成了一台U型脉管制冷机；在冷端换热器10的冷平台19上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置冷屏12，冷屏12的上部开口正对杜瓦窗口14；主换热器6及其上设置的器件杜瓦13将蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面与主换热器6的上表面密封连接。从而共同构成一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。
下面结合附图对所发明的U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的制造方法进行说明如下：
如图2所示，主基座1由厚度为20～40mm的纯铝平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密车床、铣床和磨床加工保证处于1.0～5.0μm之间，平板水平放置，对整个耦合结构进行垂直支撑，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构。
如图2所示，在压缩机2之上安装一个由高导热铝材制作的T型散热支撑平台5。如图3所示，支撑平台5由位于下部的支撑座23和上部的支撑平面22组成，中心加工出贯通孔24，支撑座23的下表面与压缩机上表面焊接固定，支撑平面22的上表面使用精密车床、铣床和磨床加工保证平面度处于2.0～3.0μm之间，且与主基座1之间的平行度保持在1.0～2.0μm之间。
如图2、图4和图5所示，连管3采用内径2.0～6.0mm的纯铜管制作而成，其一端与T型散热支撑平台5的贯通孔24采用真空钎焊技术焊接连接，另一端通过主换热器6下部的中空结构引出，并采用真空钎焊技术焊接在次换热器7，与次换热器7内的蓄冷器端漏斗形孔道15连通。
如图2、图4和图5所示，调相机构4可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体，其进口端与次换热器7使用真空钎焊技术焊接在一起，然后穿过主换热器6下部的贯通槽21引出，末端使用螺栓固定于主基座1上。
如图4和图5所示，主换热器6和次换热器7均采用高导热的高纯无氧铜材料制作，其中主换热器6内部使用慢走丝线切割技术加工成一中空结构，次换热器7从下部同心地插入主换热器6内，二者之间的连接面使用真空钎焊技术焊接；在次换热器7内与蓄冷器8和脉冲管9垂直同心的位置分别使用精密机床加工出蓄冷器端漏斗形孔道15和脉冲管端漏斗形孔道16，且使用珩磨机研磨二者内壁，使其表面光洁度均高于0.01mm；蓄冷器端漏斗形孔道15的漏斗开口内径与蓄冷器8的外径相同，通过蓄冷器端漏斗形孔道15实现连管3与蓄冷器8之间的连通，脉冲管端漏斗形孔道16的漏斗开口内径与脉冲管9的外径相同，通过脉冲管端漏斗形孔道16实现调相机构4与脉冲管9之间的连通。
如图2所示，主换热器6的下端面与T型散热支撑平台5的上端面密切贴合，二者之间使用螺栓连接；蓄冷器8和脉冲管9平行地插入主换热器6中，插入深度均保持在1.0～2.0mm之间，插入部位的接触面均使用真空钎焊技术焊接。
如图6和图2所示，冷端换热器10采用高导热的无氧铜材料制作，一个端面加工出蓄冷器端凸台17和脉冲管端凸台18，另一个端面使用精密车床、铣床和磨床加工出一个平面度处于1.0～2.0μm之间的冷平台19；蓄冷器端凸台17和脉冲管端凸台18分别插入蓄冷器8和脉冲管9各自的管壁内，插入深度均保持在1.0～2.0mm之间，接触面均采用真空钎焊技术焊接；在冷端换热器10内开通U型孔20连通蓄冷器8和脉冲管9。
如图2所示，在冷端换热器10的冷平台19上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置一个壁厚为1.0～2.0mm的冷屏12，其下端使用螺钉固定于冷平台19之上，上部开一个直径为5.0～15.0mm圆形窗口，正对杜瓦窗口14；器件杜瓦13的下端面与主换热器6的上端面采用螺栓连接和“O”型橡胶圈密封，在器件杜瓦13内使用真空分子泵保持优于1.0×10-5Pa的真空度。
本发明的特点在于，该发明的耦合结构可以充分适应U型脉管制冷机的结构特点，实现整体结构的紧凑性和高可靠，对U型脉管制冷机在冷却红外器件的实用化方面具有非常积极的意义。
附图说明
图1为脉管制冷机的三种典型布置方式示意图；其中图1（1）是U型布置方式图，图1（2）是同轴布置方式图，图1（3）是直线布置方式图。其中：25为压缩机；26为连管；27为蓄冷器热端换热器；28为蓄冷器；29为冷头；30为脉管；31为脉管热端换热器；32为调相机构。
图2为所发明U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的剖视图；其中：1为主基座；2为压缩机；3为连管；4为调相机构；5为散热支撑平台；6为主换热器；7为次换热器；8为蓄冷器；9为脉冲管；10为冷端换热器；11为红外器件；12为冷屏；13为器件杜瓦；14为杜瓦窗口。
图3为T型散热支撑平台5的剖视图；其中：22为支撑平面；23为支撑座；24为贯通孔。
图4为主换热器6的示意图；其中图4（1）为主换热器6的剖视图，图4（2）为主换热器6的立体图。其中：21为贯通槽。
图5为次换热器7的剖视图；其中：15为蓄冷器端漏斗形孔道；16脉冲管端为漏斗形孔道。
图6为冷端换热器10的示意图；其中图6（1）为冷端换热器10的剖视图，图6（2）为冷端换热器10的立体图。其中：17为蓄冷器端凸台；18为脉冲管端凸台；19为冷平台；20为U型孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明：
如图2所示，所发明的U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构该结构由主基座1、压缩机2、连管3、调相机构4、T型散热支撑平台5、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口14组成，其特征在于，主基座1作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构；压缩机2采用双活塞对置式结构；在压缩机2的上表面安装T型散热支撑平台5，作为U型脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器6进行垂直支撑；次换热器7从下部同心地插入主换热器6之内；连管3的一端通过T型散热支撑平台5的贯通孔18与压缩机2的出口连接，连管3的另一端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的蓄冷器端漏斗形孔道15与蓄冷器8连通；蓄冷器8和脉冲管9平行布置；蓄冷器8的一端插入蓄冷器端凸台17并焊接连接，蓄冷器8的另一端插入次换热器7内并焊接连接；脉冲管9的一端插入脉冲管端凸台18并焊接连接，脉冲管9的另一端插入次换热器7内并焊接连接；调相机构4的进口端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的脉冲管端漏斗形孔道16与脉冲管9连通，调相机构4的末端固定到主基座1上；压缩机2、连管3、调相机构4、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9以及冷端换热器10共同组成了一台U型脉管制冷机；在冷端换热器10的冷平台19上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置冷屏12，冷屏12的上部开口正对杜瓦窗口14；主换热器6及其上设置的器件杜瓦13将蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面与主换热器6的上表面密封连接。从而共同构成一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。
所发明的U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的制造方法可按如下方法实施：
如图2所示，主基座1由厚度为30mm的纯铝平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密车床、铣床和磨床加工保证为2.0μm，平板水平放置，对整个耦合结构进行垂直支撑，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构。
如图2所示，在压缩机2之上安装一个由高导热铝材制作的T型散热支撑平台5。如图3所示，支撑平台5由位于下部的支撑座23和上部的支撑平面22组成，中心加工出贯通孔24，支撑座23的下表面与压缩机上表面焊接固定，支撑平面22的上表面使用精密车床、铣床和磨床加工保证平面度处于2.0～3.0μm之间，且与主基座1之间的平行度为1.5μm。
如图2、图4和图5所示，连管3采用内径5.0mm的纯铜管制作而成，其一端与T型散热支撑平台5的贯通孔24采用真空钎焊技术焊接连接，另一端通过主换热器6下部的中空结构引出，并采用真空钎焊技术焊接在次换热器7，与次换热器7内的蓄冷器端漏斗形孔道15连通。
如图2、图4和图5所示，调相机构4可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体，其进口端与次换热器7使用真空钎焊技术焊接在一起，然后穿过主换热器6下部的贯通槽21引出，末端使用螺栓固定于主基座1上。
如图4和图5所示，主换热器6和次换热器7均采用高导热的高纯无氧铜材料制作，其中主换热器6内部使用慢走丝线切割技术加工成一中空结构，次换热器7从下部同心地插入主换热器6内，二者之间的连接面使用真空钎焊技术焊接；在次换热器7内与蓄冷器8和脉冲管9垂直同心的位置分别使用精密机床加工出蓄冷器端漏斗形孔道15和脉冲管端漏斗形孔道16，且使用珩磨机研磨二者内壁，使其表面光洁度均高于0.01mm；蓄冷器端漏斗形孔道15的漏斗开口内径与蓄冷器8的外径相同，通过蓄冷器端漏斗形孔道15实现连管3与蓄冷器8之间的连通，脉冲管端漏斗形孔道16的漏斗开口内径与脉冲管9的外径相同，通过脉冲管端漏斗形孔道16实现调相机构4与脉冲管9之间的连通。
如图2所示，主换热器6的下端面与T型散热支撑平台5的上端面密切贴合，二者之间使用螺栓连接；蓄冷器8和脉冲管9的下端平行地插入主换热器6中，插入深度均保持在1.5mm，插入部位的接触面均使用真空钎焊技术焊接。
如图6和图2所示，冷端换热器10采用高导热的无氧铜材料制作，一个端面加工出蓄冷器端凸台17和脉冲管端凸台18，另一个端面使用精密车床、铣床和磨床加工出一个平面度为1.5μm的冷平台19；蓄冷器端凸台17和脉冲管端凸台18分别插入蓄冷器8和脉冲管9各自的管壁内，插入深度均为1.5mm之间，接触面均采用真空钎焊技术焊接；在冷端换热器10内开通U型孔20连通蓄冷器8和脉冲管9。
如图2所示，在冷端换热器10的冷平台19上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置一个壁厚为1.8mm的冷屏12，其下端使用螺钉固定于冷平台19之上，上部开一个直径为9.0mm圆形窗口，正对杜瓦窗口14；器件杜瓦13的下端面与主换热器6的上端面采用螺栓连接和“O”型橡胶圈密封，在器件杜瓦13内使用真空分子泵保持优于1.0×10-5Pa的真空度。

Claims (1)

1.一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构，由主基座（1）、压缩机（2）、连管（3）、调相机构（4）、T型散热支撑平台（5）、主换热器（6）、次换热器（7）、蓄冷器（8）、脉冲管（9）、冷端换热器（10）、红外器件（11）、冷屏（12）、器件杜瓦（13）以及杜瓦窗口（14）组成，其特征在于，主基座（1）作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机（2）和调相机构（4）的散热结构；压缩机（2）采用双活塞对置式结构；在压缩机（2）的上表面安装T型散热支撑平台（5），作为U型脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器（6）进行垂直支撑；次换热器（7）从下部同心地插入主换热器（6）之内；连管（3）的一端通过T型散热支撑平台（5）的贯通孔（18）与压缩机（2）的出口连接，连管（3）的另一端与次换热器（7）连接，并通过次换热器（7）内的蓄冷器端漏斗形孔道（15）与蓄冷器（8）连通；蓄冷器（8）和脉冲管（9）平行布置；蓄冷器（8）的一端插入蓄冷器端凸台（17）并焊接连接，蓄冷器（8）的另一端插入次换热器（7）内并焊接连接；脉冲管（9）的一端插入脉冲管端凸台（18）并焊接连接，脉冲管（9）的另一端插入次换热器（7）内并焊接连接；调相机构（4）的进口端与次换热器（7）连接，并通过次换热器（7）内的脉冲管端漏斗形孔道（16）与脉冲管（9）连通，调相机构（4）的末端固定到主基座（1）上；压缩机（2）、连管（3）、调相机构（4）、主换热器（6）、次换热器（7）、蓄冷器（8）、脉冲管（9）以及冷端换热器（10）共同组成了一台U型脉管制冷机；在冷端换热器（10）的冷平台（19）上放置待冷却的红外器件（11）；在冷端换热器（10）及红外器件（11）之上设置冷屏（12），冷屏（12）的上部开口正对杜瓦窗口（14）；主换热器（6）及其上设置的器件杜瓦（13）将蓄冷器（8）、脉冲管（9）、冷端换热器（10）、红外器件（11）以及冷屏（12）罩于其中；器件杜瓦（13）的下表面与主换热器（6）的上表面密封连接，从而共同构成一种U型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。 
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