CN217464938U - 用于斯特林制冷机的冷头结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及制冷设备技术领域，公开一种用于斯特林制冷机的冷头结构，包括：壳体和冷头主体。壳体内部设有换热腔，壳体一端与斯特林制冷机的膨胀气缸连接，以使膨胀气缸与换热腔连通；冷头主体设置于换热腔内，冷头主体径向上的外周壁与换热腔内壁之间围限出狭缝式流通槽，冷头主体轴向上的上端面与换热腔上侧内壁之间围限出热管腔；其中，膨胀气缸内填充第一工质，热管腔内填充第二工质，膨胀气缸内的第一工质能够流入狭缝式流通槽内与冷头主体以及壳体换热，还能够经由冷头主体与热管腔内的第二工质换热。在本申请中，能够提高冷头结构外表面的冷量分布均匀性，提高冷头结构的换热效率，降低冷量的损失。

Description

用于斯特林制冷机的冷头结构

技术领域

本申请涉及制冷设备技术领域，尤其涉及一种用于斯特林制冷机的冷头结构。

背景技术

斯特林制冷机具有大制冷量、长寿命的特点，随着斯特林制冷机在各个领域的广泛应用，对于各方面的要求也不断提高，斯特林制冷机是通过冷头将制冷机制取的冷量传递给热负荷，在冷量的传递过程中会由于冷头换热部件的不完全换热造成冷量的损失。

相关技术中存在一种冷头结构，包括上冷头和下冷头，上冷头和下冷头连接后再焊接，在上冷头和下冷头之间形成流道，工质气体能够流入上冷头与下冷头之间的流道内与上冷头和下冷头换热，流道能够起到对工质气体进行导流的效果，减少冷端空体积，提高换热效率。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

冷头结构的换热均匀性较差，会导致冷头结构外表面的冷量分布不均匀，出现过冷区域，而且工质气体仅通过与冷头结构之间进行换热，换热效率较低，冷量损失较大。

实用新型内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供一种用于斯特林制冷机的冷头结构，以提高冷头结构外表面的冷量分布均匀性，提高冷头结构的换热效率，降低冷量的损失。

在一些实施例中，用于斯特林制冷机的冷头结构，包括：壳体和冷头主体。壳体内部设有换热腔，壳体一端与斯特林制冷机的膨胀气缸连接，以使膨胀气缸与换热腔连通；冷头主体设置于换热腔内，冷头主体径向上的外周壁与换热腔内壁之间围限出狭缝式流通槽，冷头主体轴向上的上端面与换热腔上侧内壁之间围限出热管腔；其中，膨胀气缸内填充第一工质，热管腔内填充第二工质，膨胀气缸内的第一工质能够流入狭缝式流通槽内与冷头主体以及壳体换热，还能够经由冷头主体与热管腔内的第二工质换热。

本公开实施例中，膨胀气缸与壳体内部的换热腔连通，冷头主体设置于换热腔内，冷头主体的下端面与膨胀气缸内的第一工质直接接触换热，第一工质还能流入狭缝式流通槽内与冷头主体径向上的外周壁以及壳体径向上的内壁进行换热，增大该冷头结构与第一工质之间的换热面积，由于在冷头主体的上端面与壳体上侧内壁之间的热管腔内填充第二工质，吸收冷量的冷头主体能够将冷量传递给第二工质，以使流入狭缝式流通槽内的第一工质以冷头主体为媒介与热管腔内的第二工质进行换热，吸收冷量的第二工质能够与壳体的上端面之间换热，使壳体外表面的冷量分布更加均匀。

在一些实施例中，冷头主体径向上的外周壁设有第一耦合肋片，换热腔对应于冷头主体外周壁的内壁设有与第一耦合肋片交错的第二耦合肋片，第一耦合肋片与第二耦合肋片之间限定出狭缝式流通槽。

在一些实施例中，冷头主体轴向上的上端面设有翅片，翅片与换热腔的上侧内壁之间限定出热管腔。

在一些实施例中，翅片设有多个，且多个翅片沿垂直于冷头主体上端面的方向均匀分布。

在一些实施例中，热管腔包括多个由相邻的翅片之间限定出的狭缝式凹槽，沿冷头结构上端面的圆心朝向圆周的方向上，多个狭缝式凹槽的深度逐渐增加。

在一些实施例中，膨胀气缸包括：缸体、排出活塞和回热器。缸体与壳体一端连接；排出活塞活动设置于缸体内；回热器设置于缸体内壁与排出活塞外壁之间。

在一些实施例中，回热器内填充有多个蓄冷球。

在一些实施例中，蓄冷球为紫铜球。

在一些实施例中，蓄冷球的直径大于或等于0.35mm，且小于或等于0.45mm。

在一些实施例中，第一工质为氦气，第二工质为乙烷。

本公开实施例提供的用于斯特林制冷机的冷头结构，可以实现以下技术效果：

在壳体与冷头主体之间设置狭缝式流通槽以及热管腔，使膨胀气缸内的第一工质能够更均匀地与冷头主体的外周壁以及壳体的内壁换热，增大换热面积，吸收冷量的冷头主体还能够与热管腔内的第二工质换热，通过第二工质将冷量更均匀地作用于壳体上端面，提高了换热效率，降低冷量的损失，使冷头结构外表面的冷量分布更均匀，提高该冷头结构的制冷效果。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本公开实施例提供的一个用于斯特林制冷机的冷头结构的结构示意图；

图2是本公开实施例地提供的冷头主体的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的另一个用于斯特林制冷机的冷头结构的结构示意图；

图4是本公开实施例提供的膨胀气缸的结构示意图；

图5是本公开实施例提供的回热器的结构示意图。

附图标记：

100、壳体；110、过流间隙；120、第二耦合肋片；

200、冷头主体；210、狭缝式流通槽；220、热管腔；230、第一耦合肋片；240、焊接环；250、翅片；251、狭缝式凹槽；

300、膨胀气缸；310、缸体；320、排出活塞；330、回热器；331、蓄冷球；

400、压缩缸；410、压缩活塞。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

斯特林制冷机是通过冷头将制冷机制取的冷量传递给热负荷，斯特林制冷机冷头通常由冷缸及冷缸堵头组成，是用于连接制冷机和热负荷的接口部件，主要作用是将制冷机制取的冷量传递给热负荷。斯特林制冷机的制冷量损失主要来源于蓄冷器内氦流的压缩热损失，同时冷头换热部件的不完全换热损失也是其主要损失之一。因此，冷头结构的传热性能很大程度上影响了斯特林制冷机的有效冷量。冷缸堵头通常用铜等导热系数较高的金属材料加工而成，冷缸则通常采用薄壁不锈钢筒状结构，由于冷头内工质一般为氦气，为了保证密封和减少漏热，前述两者之间常采用焊接相连。但由于铜和不锈钢的物理性质、化学成分不同，同时两者互溶性较差，两者的焊接加工有一定难度。考虑到制冷机对焊后漏率的严格要求，而实际情形中仍不可避免地存在焊缝、变形等问题进而导致系统冷量的损失，因此一个传热性能良好、结构紧凑合理、易于加工制造的冷头结构对于高效斯特林制冷机来说不可或缺。

结合图1-5所示，本公开实施例提供一种用于斯特林制冷机的冷头结构，包括：壳体100和冷头主体200。壳体100内部设有换热腔，壳体100一端与斯特林制冷机的膨胀气缸300连接，以使膨胀气缸300与换热腔连通；冷头主体200设置于换热腔内，冷头主体200径向上的外周壁与换热腔内壁之间围限出狭缝式流通槽210，冷头主体200轴向上的上端面与换热腔上侧内壁之间围限出热管腔220；其中，膨胀气缸300内填充第一工质，热管腔220内填充第二工质，膨胀气缸300内的第一工质能够流入狭缝式流通槽210内与冷头主体200以及壳体100换热，还能够经由冷头主体200与热管腔220内的第二工质换热。

本公开实施例中，膨胀气缸300与壳体100内部的换热腔连通，冷头主体200设置于换热腔内，冷头主体200的下端面与膨胀气缸300内的第一工质直接接触换热，第一工质还能流入狭缝式流通槽210内与冷头主体200径向上的外周壁以及壳体100径向上的内壁进行换热，增大该冷头结构与第一工质之间的换热面积，由于在冷头主体200的上端面与壳体100上侧内壁之间的热管腔220内填充第二工质，吸收冷量的冷头主体200能够将冷量传递给第二工质，以使流入狭缝式流通槽210内的第一工质以冷头主体200为媒介与热管腔220内的第二工质进行换热，吸收冷量的第二工质能够与壳体100的上端面之间换热，使壳体100外表面的冷量分布更加均匀。

采用本公开实施例提供的用于斯特林制冷机的冷头结构，在壳体100与冷头主体200之间设置狭缝式流通槽210以及热管腔220，使膨胀气缸300内的第一工质能够更均匀地与冷头主体200的外周壁以及壳体100的内壁换热，增大换热面积，吸收冷量的冷头主体200还能够与热管腔220内的第二工质换热，通过第二工质将冷量更均匀地作用于壳体100上端面，提高了换热效率，降低冷量的损失，使壳体100外表面的冷量分布更均匀，提高该冷头结构的制冷效果。

可选地，冷头主体200为圆柱形结构，壳体100为圆柱形罩壳结构。这样，使冷头主体200与壳体100之间更好的适配安装，而且圆柱形结构的冷头主体200和圆柱形罩壳结构的壳体100的外周壁和内环壁的面积较大，能够增大与第一工质之间的换热面积，提高冷头主体200以及壳体100与第一工质之间的换热效率，圆柱形罩壳结构的壳体100的外壁的换热面积也较大，能够更好地输出冷量，降低冷量的损失。

可以理解的，冷头主体200和壳体100依据斯特林制冷机设计规范，材料选取高导热率的铜，冷头结构与壳体100扣合后采用爆炸焊复合材料与激光焊结合的焊接工艺进行焊接。

可选地，冷头主体200的下端面与壳体100内壁之间具有过流间隙110。这样，使膨胀气缸300内的第一工质能够经由过流间隙110流入狭缝式流通槽210内与冷头主体200以及壳体100换热，便于第一工质的流通。

在一些实施例中，冷头主体200径向上的外周壁设有第一耦合肋片230，换热腔对应于冷头主体200外周壁的内壁设有与第一耦合肋片230交错的第二耦合肋片120，第一耦合肋片230与第二耦合肋片120之间限定出狭缝式流通槽210。这样，为提高第一工质与冷头主体200的外周壁以及壳体100内环壁之间的换热效率，在冷头主体200的外周壁设置第一耦合肋片230，在壳体100的内环壁，即换热腔的内壁设置与第一耦合肋片230交错的第二耦合肋片120，通过第一耦合肋片230与第二耦合肋片120的交错布置，使冷头主体200的外周壁与壳体100内环壁之间限定出的狭缝式流通槽210与第一工质的接触面积更大，从而进一步提高第一工质与冷头主体200以及壳体100之间的换热效率，降低冷量的损失。

可选地，第一耦合肋片230为环绕冷头主体200外周壁的螺旋凸起结构，第二耦合肋片120为环绕壳体100内环壁的螺旋凸起结构。这样，在冷头主体200与壳体100装配后，利用螺旋凸起结构的第一耦合肋片230和第二耦合肋片120相配合，进一步提高由第一耦合肋片230和第二耦合肋片120限定出的狭缝式流通槽210与第一工质接触的面积，提高换热效率。

具体的，使用电火花加工的方式在冷头结构外周壁加工出第一耦合肋片230，在壳体100的内环壁加工出与第一耦合肋片230交错的第二耦合肋片120。通过电火花加工的方式在冷头结构外周壁以及壳体100的内环壁切割出来的第一耦合肋片230和第二耦合肋片120，能够减少该冷头结构的热阻，提高制冷量。

可选地，冷头主体200的外周壁上端设有焊接环240，冷头主体200通过焊接环240与壳体100内环壁焊接，以隔绝狭缝式流通槽210与热管腔220的连通。这样，在冷头主体200的外周壁的上端设置以供焊接的焊接环240，使冷头主体200通过焊接环240与壳体100的内环壁焊接连接，利用壳体100对冷头主体200形成支撑，由于狭缝式流通槽210由壳体100的内环壁与冷头主体200的外周壁之间限定出，热管腔220由壳体100的上侧内壁与冷头主体200的上端面之间限定出，因此在冷头主体200的外周壁的上端设置焊接环240，在冷头主体200与壳体100之间焊接后，能够利用焊接环240隔绝狭缝式流通槽210与热管腔220，避免狭缝式流通槽210内的第一工质流入热管腔220内与第二工质混合，影响换热性能，防止第一工质的泄露。

在一个实施例中，冷头主体200轴向上的上端面设有翅片250，翅片250与换热腔的上侧内壁之间限定出热管腔220。这样，为提高热管腔220内的第二工质与冷头主体200的换热面积，在冷头主体200轴向上的上端面设置翅片250，利用翅片250与换热腔的上侧内壁，即壳体100的上侧内壁之间限定出热管腔220，增大热管腔220内填充的第二工质与冷头主体200的换热面积，使冷头主体200吸收的冷量更高效地传递给第二工质，利用第二工质将冷量作用于壳体100上端面，降低冷量的损失，提高制冷效果。

可选地，翅片250设有多个，且多个翅片250沿垂直于冷头主体200上端面的方向均匀分布。这样，通过设置垂直于冷头主体200上端面的多个均匀分布的翅片250，进一步增大热管腔220内填充的第二工质与冷头主体200的换热面积，提高换热效率，降低冷量的损失。

结合图3所示，在另一个实施例中，热管腔220包括多个由相邻的翅片250之间限定出的狭缝式凹槽251，沿冷头结构上端面的圆心朝向圆周的方向上，多个狭缝式凹槽251的深度逐渐增加。这样，相邻的翅片250之间限定出狭缝式凹槽251，在多个狭缝式凹槽251内填充第二工质，通过第二工质与狭缝式凹槽251的内壁接触换热，使冷头主体200吸收的冷量能够更高效地传递给第二工质，由于冷头主体200为圆柱形结构，冷头主体200的外周壁与第一工质接触换热，因此冷头主体200吸收的冷量由其圆心向圆周的方向上逐渐升高，在沿冷头结构上端的圆心朝向圆周的方向上，将多个狭缝式凹槽251的深度逐渐增加，逐渐增大多个狭缝式凹槽251内填充的第二工质的量，减小冷头主体200的热阻，进一步提高第二工质与冷头主体200的换热效率，降低冷量的损失。

可以理解的，狭缝式凹槽251的宽度大于或等于0.1mm，且小于或等于0.2mm。优选的，狭缝式凹槽251的宽度为0.2mm。

可以理解的，狭缝式凹槽251的深度变化区间为大于或等于0.1mm，且小于或等于0.3mm，在不同的加工场合狭缝式凹槽251的深度变化区间以冷头主体200轴向上的厚度而定。

结合图4所示，在一些实施例中，该斯特林制冷机还包括：压缩缸400。压缩缸400与膨胀气缸300连通，其内部设有压缩活塞410，压缩缸400与膨胀气缸300内部均填充第一工质。这样，通过驱动压缩缸400内的压缩活塞410往复运动压缩机第一工质使其做功，压缩缸400内产生压力振动，使第一工质流入膨胀气缸300内产生膨胀效应，第一工质膨胀获得低温，流入狭缝式流通槽210内与冷头主体200以及壳体100换热，将冷量传递到冷头主体200以及壳体100的外表面。

在一个实施例中，膨胀气缸300包括：缸体310、排出活塞320和回热器330。缸体310与壳体100一端连接；排出活塞320活动设置于缸体310内；回热器330设置于缸体310内壁与排出活塞320外壁之间。这样，通过排出活塞320的直线运动使缸体310内的第一工质产生膨胀效应，温度降低，第一工质膨胀获得低温后能够流入换热腔内的狭缝式流通槽210内与冷头主体200以及壳体100换热，第一工质能够穿过回热器330在缸体310与压缩缸400之间往复流动，利用回热器330回收冷端流出的第一工质的冷量以及冷却热端流出的第一工质的热量。

可选地，压缩缸400与缸体310之间通过回热器330连通。

可选地，壳体100的下端与缸体310连接。这样，便于壳体100与缸体310的设置，合理利用壳体100和缸体310的结构，使该冷头结构更好的适配斯特林制冷机的安装。

结合图5所示，在一些实施例中，回热器330内填充有多个蓄冷球331。这样，由于球形的外表面积较大，因此在回热器330内填充多个蓄冷球331，利用相邻蓄冷球331之间的缝隙形成流道，在第一工质通过回热器330在压缩缸400与膨胀气缸300之间往复流动时，提高第一工质与回热器330的接触面积，更高效地吸收从冷端流出的第一工质的冷量以及冷却从热端流出的第一工质的热量。

可选地，蓄冷球331为紫铜球。这样，紫铜球的导热和蓄热性能较好，在回热器330内填充多个紫铜球，能够进一步提高回热器330的蓄冷能力。

可选地，回热器330为环形壳状结构，内环面与外环面之间具有空腔，空腔内填充多个蓄冷球331，在环形壳状结构轴向上的两端设置不锈钢丝网。这样，环形壳状结构的回热器330能够更好地适配于缸体310和排出活塞320安装，在回热器330内的空腔中填充多个蓄冷球331，利用不锈钢丝网将两端封装，能够提高回热器330的稳定性，便于回热器330的加工。

可选地，蓄冷球331的直径大于或等于0.35mm，且小于或等于0.45mm。这样，采用直径大于或等于0.35mm，且小于或等于0.45mm的蓄冷球331既能够保障相邻的蓄冷球331之间形成的流道过流面积适宜第一工质的流通，又能避免蓄冷球331的直径过大增大占用空间。

具体的，蓄冷球331的直径为0.4mm。在回热器330的加工过程中，将填充蓄冷球331的回热器330放置于烧结炉恒温区中，通以小流量氢气的同时逐步加热至烧结温度，保温后随炉冷却，形成多孔介质换热面。

在一些实施例中，第一工质为氦气，第二工质为乙烷。这样，以氦气为第一工质的回热损失较小，以乙烷为第二工质的换热性能较好，降低了冷量的损失。

驱动压缩缸400内的压缩活塞410往复运动压缩第一工质使其做功，压缩缸400内产生压力振荡，第一工质经回热器330在压缩缸400与膨胀气缸300之间往复流动，第一工质到达压力较低的膨胀气缸300后产生膨胀效应温度降低，第一工质膨胀获得低温后沿冷头结构下端面与壳体100内壁之间的过流间隙110流入狭缝式流通槽210内与冷头主体200以及壳体100充分换热，吸收冷量的冷头主体200经翅片250与热管腔220内填充的第二工质换热，将冷量传递给第二工质，吸收冷量的第二工质作用于壳体100的上端面，从而使壳体100的外表面的冷量分布均匀，更好地向热负荷输出冷量，提高制冷效果。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，包括：

壳体，内部设有换热腔，所述壳体一端与所述斯特林制冷机的膨胀气缸连接，以使所述膨胀气缸与所述换热腔连通；

冷头主体，设置于所述换热腔内，所述冷头主体径向上的外周壁与所述换热腔内壁之间围限出狭缝式流通槽，所述冷头主体轴向上的上端面与所述换热腔上侧内壁之间围限出热管腔；

其中，所述膨胀气缸内填充第一工质，所述热管腔内填充第二工质，所述膨胀气缸内的所述第一工质能够流入所述狭缝式流通槽内与所述冷头主体以及所述壳体换热，还能够经由所述冷头主体与所述热管腔内的所述第二工质换热。

2.根据权利要求1所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，

所述冷头主体径向上的外周壁设有第一耦合肋片，所述换热腔对应于所述冷头主体外周壁的内壁设有与所述第一耦合肋片交错的第二耦合肋片，所述第一耦合肋片与所述第二耦合肋片之间限定出所述狭缝式流通槽。

3.根据权利要求1所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，

所述冷头主体轴向上的上端面设有翅片，所述翅片与所述换热腔的上侧内壁之间限定出所述热管腔。

4.根据权利要求3所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，

所述翅片设有多个，且所述多个翅片沿垂直于所述冷头主体上端面的方向均匀分布。

5.根据权利要求4所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，

所述热管腔包括多个由相邻的所述翅片之间限定出的狭缝式凹槽，沿所述冷头结构上端面的圆心朝向圆周的方向上，多个所述狭缝式凹槽的深度逐渐增加。

6.根据权利要求1至5任一项所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，所述膨胀气缸包括：

缸体，与所述壳体一端连接；

排出活塞，活动设置于所述缸体内；

回热器，设置于所述缸体内壁与所述排出活塞外壁之间。

7.根据权利要求6所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，所述回热器内填充有多个蓄冷球。

8.根据权利要求7所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，所述蓄冷球为紫铜球。

9.根据权利要求7所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，所述蓄冷球的直径大于或等于0.35mm，且小于或等于0.45mm。

10.根据权利要求1至5任一项所述的用于斯特林制冷机的冷头结构，其特征在于，

所述第一工质为氦气，所述第二工质为乙烷。

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