專利名稱：直線型脈管制冷機集成式錐形狹縫冷端換熱器的制作方法
技術領域：
本專利涉及脈管制冷機，特別涉及一種直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。
背景技術：
脈管制冷機是對回熱式低溫制冷機的一次重大革新。它取消了廣泛應用于常規(guī)回熱式低溫制冷機(如斯特林或G-M制冷機)中的冷端排出器，而以熱端調相機構的運作來實現(xiàn)制冷所需的相位差。冷端運動部件的完全取消，實現(xiàn)了冷端的低振動、低干擾和無磨損；而經過結構和調相方式上的一系列重要改進，在一些典型溫區(qū)，其實際效率也已經達到回熱式低溫制冷機中的最高值。這些顯著優(yōu)點使得脈管制冷機成為20余年來低溫機械制冷機研究的一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業(yè)和低溫醫(yī)療業(yè)等方面都獲得了廣泛的應用。根據(jù)脈管與蓄冷器的相互關系不同，脈管制冷機可分為如下三種典型布置方式，如圖1所示:其中(I)為直線型，(2)為U型，(3)為同軸型。直線型布置中脈管和蓄冷器處于一條直線上；U型布置是指脈管和蓄冷器平行布置，脈管和蓄冷器的冷端通過管道連接；同軸型布置是指脈管和蓄冷器同心地布置在一起。在三種布置方式中，同軸型的結構最為緊湊，冷頭與器件耦合方便，但該布置方式使得氣體在冷頭折轉180°，流動阻力增大，同時引起了較大的氣流擾動；尤其是由于脈管和蓄冷器沿軸向的溫度可能不匹配，將會存在較明顯的徑向導熱從而降低了制冷效率。U型布置的緊湊性不如同軸型，但蓄冷器和脈管不直接接觸，較之同軸型，避免了因二者軸向溫度不匹配而引起的徑向導熱損失，有利于提高制冷效率；但其氣流在冷端同樣需要180°的折返，和同軸型一樣會引起氣流擾動和不可逆損失。直線型布置方式最大限度地降低了冷頭的流動阻力，并且由于氣流在冷端不需要折返，給冷端氣流以最小的擾動，因而制冷效率在三種布置方式中最高。直線型布置最大的缺點是冷頭位于制冷機中部，與器件的耦合較為不便，整體結構也相對松散，但近年來，隨著杜瓦技術的改進及制冷機耦合工藝的提高，上述缺點被逐漸彌補，而其高制冷效率和大冷量潛力的優(yōu)勢正日益受到高度重視。高制冷效率使得制冷機可以在有限能源的限制下實現(xiàn)冷量最大化，這對于能源有限的工作環(huán)境如航空航天、水下等特殊應用場合意義重大；而大冷量潛力可以為設計留出較大的冷量余量，從而可以以消耗余量的方式維持較長時間的穩(wěn)定工作，這對于制冷機的長壽命工作同樣至關重要。因而直線型脈管制冷機在星載長壽命、大制冷量應用中占據(jù)特殊重要的地位。以美國為例，其自1998年脈管制冷機首次成功升空以來即沿襲直線型的布置方式，十余年來該模式已經發(fā)展成熟。世界最著名的星載脈管制冷機研發(fā)公司美國NGAS公司目前共有12臺脈管制冷機在軌運轉，全部采用直線型布置方式，其中有兩臺已經連續(xù)運轉超過12年。上述優(yōu)秀的范例使得直線型脈管制冷機在航天及星載應用領域顯示出越來越廣闊的應用前景。冷端換熱器是直線型脈管制冷機中極為關鍵的部件。在理想情況下，它要實現(xiàn)三方面主要功能:[0005]I)高效換熱。特別是在大冷量傳輸?shù)那闆r下，實現(xiàn)熱量的高效交換顯得尤為重要。這就需要能在有限體積下實現(xiàn)較大換熱面積的幾何結構。2)減小蓄冷器和脈管變截面處的流動損失。脈管制冷機的蓄冷器和脈管往往具有不同的截面直徑，變截面處不能產生較大的流動損失，這就需要實現(xiàn)變截面的有效過渡；3)實現(xiàn)蓄冷器和脈管變截面連接處的氣體均布。脈管中的氣體流動盡可能地層流化，以維持氣體活塞。這就需要特殊的變截面氣流均布方式。而目前常規(guī)的直線型脈管制冷機的冷端換熱器遠遠沒有達到這個要求。直線型脈管制冷機目前普遍采用的常規(guī)冷端換熱器主要分為三種。第一種是使用一個外徑大于蓄冷器和脈管外徑的冷端換熱器將蓄冷器和脈管的冷端集成為一體，在冷端換熱器的內部開通一個連接管路以連通蓄冷器和脈管冷端。圖2給出了使用該種冷端換熱器的直線型脈管制冷機的示意圖；第二種是將冷端換熱器置于蓄冷器內，然后再與脈管耦合在一起。圖3給出了使用該種冷端換熱器的直線型脈管制冷機的示意圖；第三種是將冷端換熱器置于脈管內，然后再與蓄冷器耦合在一起。圖4給出了使用該種冷端換熱器的直線型脈管制冷機的示意圖。在上述三種典型布置形式中，蓄冷器的直徑均大于脈管的直徑，這也是實際應用的脈管制冷機中最普遍的現(xiàn)象。圖2所示的冷端換熱器有如下顯著缺點:I)由連接管路形成的內部氣流換熱面積有限，不利于實現(xiàn)高效換熱，特別是隨著制冷機結構和冷頭尺寸的增大，其不完全換熱趨勢加大，降低了制冷效率；2)氣流從蓄冷器到脈管發(fā)生了兩次變截面流動，從而產生了較大的流動損失；3)連接管路與脈管冷端的連接變截面處需單獨設置氣體導流器，以減少射流損失并充分抑制氣流的紊流擾動，盡可能實現(xiàn)脈管內部氣流的層流化，保護氣體活塞。圖3所示的冷端換熱器形式存在以下缺點:I)由于蓄冷器大于脈管的外徑，換熱器內外緣一部分氣體較難參與氣體流動，易形成死體積，影響換熱器的換熱效果；2)蓄冷器和脈管連接的變截面處依然存在較大的流動損失；3)進入脈管的氣流仍形成較大的紊流現(xiàn)象，需單獨設置氣體導流器，以盡可能實現(xiàn)脈管內氣流的層流化。圖4所示的冷端換熱器形式存在以下缺點:I)由于脈管小于蓄冷器的外徑，脈管內的換熱器不能充分利用橫截面積較大的蓄冷器冷端產生的冷量，大大影響了換熱器的效率；2)從蓄冷器到脈管內的氣流在變截面處依然產生較大的流動損失；3)同理，進入脈管的氣流仍形成較大的紊流現(xiàn)象，仍需單獨設置氣體導流器，以盡可能實現(xiàn)脈管內氣流的層流化。
發(fā)明內容鑒于上述已有技術中存在的缺點，本專利提出一種直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。[0026]本專利的目的在于，在直線型脈管制冷機的冷端設計一個集成式錐形狹縫換熱器，首先，實現(xiàn)在有限體積內最大限度地增加換熱面積，實現(xiàn)高效換熱；其次，換熱器由大內徑蓄冷器逐漸自然過渡到小內徑的脈管，避免了換熱器內有害的氣體死體積，使熱阻損失最小化；再次，錐形狹縫的有效過渡可以將變截面處的流動損失減至最低；第四，錐形狹縫將進入其中的氣體進行強制整流，實現(xiàn)了蓄冷器和脈管變截面連接處的氣體均布，從而可以在不附加氣體導流器的情況下，實現(xiàn)脈管內氣體的層流化。圖5給出了使用所發(fā)明的集成式錐形狹縫冷端換熱器的直線型脈管制冷機示意圖。圖6為所發(fā)明的集成式錐形狹縫冷端換熱器與蓄冷器I及脈管11耦合連接的剖視圖。圖7為外殼5與錐形狹縫體6組成的整體示意圖，其中(I)為俯視圖，(2)為剖面圖。圖8為T型導流芯柱7的示意圖。其中(I)為俯視圖，(2)為剖視圖。所發(fā)明的集成式錐形狹縫冷端換熱器包括外殼5、錐形狹縫體6、T型導流芯柱7。外殼5首先作為冷端換熱器的主散熱面和與被冷卻器件的耦合接口，并保護內部的錐形狹縫體6和T型導流芯柱7，且實現(xiàn)與蓄冷器I及脈管11的連接。在外殼5的內部均勻切割出錐形狹縫體6，錐形狹縫體6的左端面直徑與蓄冷器I的內徑相等，右端面直徑與脈管11的內徑相等，錐形狹縫體6的左端面與蓄冷管加厚管壁4以及蓄冷填料2的右端面齊平，右端面與脈管根部凸臺12的右端面齊平；錐形狹縫圍繞錐形狹縫體6左右端面的中心線均勻切割，狹縫的寬度控制在0.1 0.15mm之間，條數(shù)控制在48 64條之間；在錐形狹縫體6的中心處設置一個T型導流芯柱7，其左右端面分別與錐形狹縫體6的左右端面齊平，中心留有一個I 1.5_的貫通孔13 ；T型導流芯柱7由芯柱細部14和芯柱粗部15組成，芯柱細部14約占總長度的2/3，芯柱粗部15約占總長度的1/3，芯柱粗部15與芯柱細部14的直徑比約為1.1:1 ;圍繞貫通孔13的中心線，在T型導流芯柱7上均勻切割出芯柱狹縫16，狹縫的寬度控制0.05 0.1mm之間，條數(shù)控制在18 24條之間。從而形成直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。在外殼5的內部使用慢走絲線切割技術切割出錐形狹縫體6，其錐度的控制方法為錐形狹縫體6的大端面直徑與蓄冷器I的內徑相等，小端面直徑與脈管11的內徑相等；狹縫圍繞錐形狹縫體6左右端面的中心線沿360度均勻切割；錐形狹縫體6的中心處設置一個中空的T型導流芯柱7。蓄冷管加厚管壁4插入外殼5內部約3mm,在外殼5的左端面與蓄冷管加厚管壁4的交接部3處使用潔凈釬焊技術沿一周焊接起來；脈管根部凸臺12插入脈管底座8約2_，在脈管根部凸臺12與脈管底座8的交接部10處使用潔凈釬焊技術沿一周焊接起來；脈管底座8插入外殼5約1mm，在外殼5的右端面與脈管底座8的交接部9處使用潔凈釬焊技術沿一周焊接起來，實現(xiàn)外殼5與蓄冷器I及脈管11的連接。形成直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。本專利的特點如下:I)在不等直徑間均勻切割錐形狹縫的方式，實現(xiàn)了在有限體積內的換熱面積最大化，從而有利于實現(xiàn)冷端換熱器在有限體積內的高效換熱；2)錐形狹縫的切割采用由大直徑到小直徑之間的錐形切割方式，由較大內徑的蓄冷器逐步自然過渡到較小內徑的脈管，避免了在較大內徑端產生有害的氣體死體積，使熱阻損失最小化；3)錐形狹縫的切割方式實現(xiàn)了不等直徑的蓄冷器和脈管間變截面處氣體的有效過渡,從而使變截面處的流動損失最小化；4)經過錐形狹縫換熱器的強制整流，可以實現(xiàn)在不附加氣體導流器的情況下，完成脈管內氣體的層流化，以維持氣體活塞。上述優(yōu)點將大大促進直線型脈管制冷機冷端換熱器性能的提高，對于制冷機整機性能的躍升，乃至在航天星載應用方面的實用化等方面都具有非常積極的意義。

圖1為脈管制冷機的三種典型布置方式示意圖；圖2為采用內部開通管路的集成式冷端換熱器的直線型脈管制冷機示意圖；圖3為冷端換熱器置于蓄冷器內部的直線型脈管制冷機示意圖；圖4為冷端換熱器置于脈管內部的直線型脈管制冷機示意圖；圖5為采用所發(fā)明的集成式錐形狹縫冷端換熱器的直線型脈管制冷機示意圖；圖6為所發(fā)明的集成式錐形狹縫冷端換熱器的剖視圖；圖7為外殼5與錐形狹縫體6組成的整體示意圖，其中(I)為俯視圖，(2)為剖面圖。圖8為T型導流芯柱7的示意圖，其中(I)為俯視圖，(2)為剖視圖。其中:1為蓄冷器；2為蓄冷填料；3為焊接點A ；4為蓄冷管加厚管壁；5為外殼；6為錐形狹縫體；7為T型導流芯柱；8為脈管底座；9為焊接點B ；10為焊接點C ;11為脈管；12為脈管根部凸臺；13為貫通孔；14為芯柱細部；15為芯柱粗部；16為芯柱狹縫。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本專利的具體實施方式
作進一步地詳細說明:圖6為所發(fā)明的集成式錐形狹縫冷端換熱器與蓄冷器I及脈管11耦合連接的剖視圖。圖7為外殼5與錐形狹縫體6組成的整體示意圖，其中(I)為俯視圖，(2)為剖面圖。圖8為T型導流芯柱7的示意圖，其中(I)為俯視圖，(2)為剖視圖。所專利的集成式錐形狹縫冷端換熱器主要由外殼5、錐形狹縫體6、T型導流芯柱7三部分組成。為強化換熱，上述三部分均使用高熱導率材料制作。外殼5首先作為冷端換熱器的主散熱面和與被冷卻器件的耦合接口 ；其次保護其內部的錐形狹縫體6和T型導流芯柱7 ;再次，冷端換熱器通過外殼5實現(xiàn)與蓄冷器I及脈管11的連接。在外殼5的內部均勻切割出錐形狹縫體6，錐形狹縫體6的左端面直徑與蓄冷器I的內徑相等，右端面直徑與脈管11的內徑相等，錐形狹縫體6的左端面與蓄冷管加厚管壁4以及蓄冷填料2的右端面齊平，右端面與脈管根部凸臺12的右端面齊平；錐形狹縫圍繞錐形狹縫體6左右端面的中心線均勻切割，狹縫的寬度控制為0.15mm，條數(shù)控制為60條；在錐形狹縫體6的中心處設置一個T型導流芯柱7，其左右端面分別與錐形狹縫體6的左右端面齊平，中心留有一個1.2mm的貫通孔13 ；T型導流芯柱7由芯柱細部14和芯柱粗部15組成，芯柱細部14占總長度的2/3，芯柱粗部15占總長度的1/3，芯柱粗部15與芯柱細部14的直徑比為1.1:1 ;圍繞貫通孔13的中心線，在T型導流芯柱7上均勻切割出芯柱狹縫16，狹縫的寬度控制為0.08mm之間，條數(shù)控制為20條。從而形成直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。在外殼5的內部使用慢走絲線切割技術切割出錐形狹縫體6，其錐度的控制方法為錐形狹縫體6的大端面直徑與蓄冷器I的內徑相等，小端面直徑與脈管11的內徑相等；狹縫圍繞錐形狹縫體6左右端面的中心線沿360度均勻切割；錐形狹縫體6的中心處設置一個中空的T型導流芯柱7。蓄冷管加厚管壁4插入外殼5內部的深度為3mm，在外殼5的左端面與蓄冷管加厚管壁4的交接部3處使用潔凈釬焊技術沿一周焊接起來；脈管根部凸臺12插入脈管底座8的距離為2mm，在脈管根部凸臺12與脈管底座8的交接部10處使用潔凈釬焊技術沿一周焊接起來；脈管底座8插入外殼5的深度為1mm，在外殼5的右端面與脈管底座8的交接部9處使用潔凈釬焊技術沿一周焊接起來，實現(xiàn)外殼5與蓄冷器I及脈管11的連接。形成直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。
權利要求1.一種直線型脈管制冷機集成式錐形狹縫冷端換熱器，包括外殼(5)、錐形狹縫體(6)以及T型導流芯柱(7)，其特征在于: 所述的外殼(5)首先作為冷端換熱器的主散熱面和與被冷卻器件的耦合接口，并保護內部的錐形狹縫體(6)和T型導流芯柱(7)，且實現(xiàn)與蓄冷器(I)及脈管(11)的連接；在外殼(5)的內部均勻切割出錐形狹縫體(6)，錐形狹縫體(6)的左端面直徑與蓄冷器(I)的內徑相等，右端面直徑與脈管(11)的內徑相等，錐形狹縫體(6)的左端面與蓄冷管加厚管壁(4)以及蓄冷填料(2)的右端面齊平，右端面與脈管根部凸臺(12)的右端面齊平；錐形狹縫圍繞錐形狹縫體(6)左右端面的中心線均勻切割，狹縫的寬度控制在0.1 0.15mm之間，條數(shù)控制在48 64條之間；在錐形狹縫體(6)的中心處設置一個中空的T型導流芯柱(7)，其左右端面分別與錐形狹縫體(6)的左右端面齊平，中心留有一個I 1.5_的貫通孔(13)；T型導流芯柱(7)由芯柱細部(14)和芯柱粗部(15)組成，芯柱細部(14)約占總長度的2/3，芯柱粗部(15)約占總長度的1/3，芯柱粗部(15)與芯柱細部(14)的直徑比為1.1:I ;圍繞貫通孔(13)的中心線，在T型導流芯柱(7)上均勻切割出芯柱狹縫(16)，狹縫的寬度控制0.05 0.1mm之間，條數(shù)控制在18 24條之間，從而形成用于直線型脈管制冷機的集成式錐形狹縫冷端換熱器。
專利摘要本實用新型公開了一種直線型脈管制冷機的集成式錐形冷端換熱器，其主要由外殼、錐形狹縫體以及T型導流芯柱三部分組成。外殼為主散熱面和耦合接口，并保護錐形狹縫體和T型導流芯柱，且實現(xiàn)與蓄冷器及脈管的連接；在外殼內部使用慢走絲線切割技術切割出錐形狹縫體，并在中心處設置一個T型導流芯柱，導流芯柱上切割出芯柱狹縫。本實用新型在不等直徑間均勻切割錐形狹縫的方式實現(xiàn)了在有限體積內的換熱面積最大化，切割方式由大直徑端向小直徑端自然過渡，熱阻和流動損失均最小化；實現(xiàn)了不附加氣體導流器完成脈管內氣體的層流化。該專利將大幅度促進直線型脈管制冷機整機性能的提升，對于其實用化乃至航天應用等方面都具有非常積極的意義。
文檔編號B23P15/26GK203053075SQ20122065257
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者黨海政 申請人:中國科學院上海技術物理研究所