U型脉冲管制冷机的集成式狭缝冷头及制造方法

摘要

本发明公开了一种U型脉冲管制冷机的集成式狭缝冷头及制造方法，该冷头由顶盖和下部法兰两部分组成。顶盖大凸台下方凸起两个外径分别与蓄冷器及脉冲管内径相等的圆柱体凸台，两凸台整体横向均匀线切割平行贯穿狭缝。下部法兰上开通与顶盖圆柱体凸台相配合的贯穿插孔，下部法兰上表面切割密封槽及与顶盖大凸台相配合的定位槽，下部法兰与蓄冷器和脉冲管密封焊接形成组件。顶盖与下部法兰既可以使用螺栓连接形成可拆卸的分体冷头，也可以使用密封焊接形成一体式冷头。本发明可在集成式狭缝冷头结构内集中实现高效冷端换热器、脉冲管冷端气体导流器、蓄冷器冷端气体均布器三种部件的主要功能，提高了U型脉冲管制冷机的整机性能。

说明书

技术领域

本发明涉及U型脉冲管制冷机，特别涉及U型脉冲管制冷机上的集成式狭缝冷头及制造方法。

背景技术

于20世纪60年代提出、并从80年代中期以来获得迅速发展的脉冲管制冷机，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斯特林或G-M机中的冷端排出器，而以一根完全被动的空管代替；它不通过冷端排出器，而通过热端调相机构的运作来实现制冷所需的压力波和质量流的相位差。一方面，冷端运动部件的完全取消，使得脉冲管制冷机能够实现冷端的低振动、低干扰和无磨损；另一方面，经过一系列重要改进，在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式制冷机中的最高值。这些显著优点使得脉冲管制冷机成为20余年来低温机械制冷机研究的一大热门，并在航空航天、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。

根据脉冲管与蓄冷器的相互关系不同，可以将脉冲管制冷机分为三大类：直线型、U型和同轴型(如图1所示)。直线型布置中脉冲管和蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉冲管和蓄冷器平行布置，脉冲管和蓄冷器的冷端通过管道连接；同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心地布置在一起。三种布置方式在实际应用中各有利弊。直线型布置方式最大限度地降低了冷头的流动阻力，并且由于气流在冷端不需要折返，给冷端气流以最小的扰动，因而制冷效率是三种布置方式中最高的；但由于其冷头位于制冷机中部，不利于与器件耦合，结构也相对松散。同轴型的优点是结构紧凑，冷头可方便地直接与器件耦合，但同轴型布置使得制冷机中的气体在冷头折转180°，流动阻力增大，同时引起了较大的不可逆损失和气流扰动；特别地，由于脉冲管和蓄冷器沿轴向的温度不匹配，存在较明显的径向导热从而降低了制冷效率。

U型是介于直线型和同轴型之间的一种布置方式，它的冷头位于制冷机一端，较之直线型，具有方便与器件耦合的优势。U型的紧凑性虽不如同轴型，且其气流在冷端同样需要180°的折返，和同轴型一样会引起气流扰动和不可逆损失，但是U型布置中蓄冷器和脉冲管不直接接触，较之同轴型，避免了因二者轴向温度不匹配而引起的径向导热损失，有利于提高制冷效率；而且，在U型布置中，蓄冷器和脉冲管互不约束，二者尺寸匹配要求相对宽松。U型布置中蓄冷器和脉冲管冷端平行布置也有利于设计出能均匀传热的较大尺寸冷头，在大尺寸脉管和大冷量传输方面具有显著优势。此外，U型布置在多级脉冲管制冷机中得到非常广泛的应用，几乎成为脉冲管多级耦合时不可或缺的便捷方式。

冷头是U型脉冲管制冷机中极为关键的部件。理想情况下，它要实现三方面主要功能：

1)高效换热，特别是在大冷量传输的情况下；

2)最大限度地抑制气流在180°折转情况下的紊流扰动，特别是在与脉冲管冷端的连接部位处尤应如此，以利于脉冲管内部气流的层流流动，保持气体活塞不被破坏；

3)与蓄冷器及脉冲管连接部位剧烈变截面处的气体均布，以避免射流损失。

而目前常规的U型脉冲管制冷机冷头远远没有达到这个要求。U型脉冲管制冷机目前普遍采用的常规冷头主要分为两种。一种是在蓄冷器和脉冲管冷端各设置一个分冷头，二者通过一根细铜管连接，如图2所示；另一种是使用一个集成式冷头将蓄冷器和脉冲管的冷端集成为一体，在冷头内部开通连管连接蓄冷器和脉冲管冷端，如图3所示。

图2所示的常规冷头有如下显著的缺点：

1)冷头一分为二，在实际应用中不利于与被冷却器件耦合；

2)连接细管处带来较大的阻力与冷量损失；

3)脉冲管冷端的分冷头需单独设置气体导流器，蓄冷器冷端的分冷头需单独设置气体均布器。

图3所示的常规冷头虽可实现与被冷却器件的方便耦合，但仍具有如下显著的缺点：

1)由连管形成的内部气流换热面积有限，不利于实现高效换热，特别是随着制冷机结构和冷头尺寸的增大，其不完全换热趋势加大，降低了制冷效率；

2)连接细管与脉冲管冷端的连接变截面处仍需单独设置气体导流器，以抑制气流在180°折转情况下的紊流扰动，实现脉冲管内部气流的层流化，保护气体活塞；

3)连接细管与蓄冷器冷端的连接变截面处仍需单独设置气体均布器，以减小射流损失。

上述图2和图3所示常规冷头，其冷端的多部件化带来较大的接触热阻，并引入过大的死体积致使压降损失增大；其气流换热面积不足致使工作气体的冷量不能有效地传输；其射流抑制和紊流控制困难更增大了其内部损失。上述诸多因素致使制冷机的整机性能下降，是影响目前U型脉冲管制冷机实际制冷效率的关键因素之一，也是阻碍其实用化的重要原因之一。

发明内容

鉴于上述已有技术中存在的缺点，本发明提出一种适用于U型脉冲管制冷机的集成式狭缝冷头及其制造方法。

本发明的目的在于，在U型脉冲管制冷机的冷端设计一个集成式结构，在其中集中实现高效冷端换热器、脉冲管冷端气体导流器、以及蓄冷器冷端气体均布器三种部件的主要功能。

本发明的特点如下：

1)以在内部均匀密集线切割狭缝的方式增大冷端换热器的换热面积，取代常规的连通管道形换热器，实现冷端换热器在有限体积内的高效换热；

2)以均匀而密集的导向狭缝实现脉冲管冷端的气体导流，取代常规的气体导流器；

3)以均匀密集的扩散狭缝实现蓄冷器冷端的气体均布，取代常规的气体均布器。

上述结构特点将实现对U型脉冲管制冷机冷端换热器内180°的折转气流进行强制导流和气体均布，最大限度地保持脉冲管中所需的层流效果，维护气体活塞不被破坏，同时抑制冷端变截面连接处的射流损失，从而大幅度提高U型脉冲管制冷机的热力学性能。狭缝式结构又使得冷端换热器在有限体积内的换热面积最大化，有利于有效地传输制冷机产生的制冷量。集成式结构也使冷端实现部件最少化，最大限度地减小了接触热阻并避免了有害的死体积，使热阻损失和压降损失最小化。从而大幅度提高U型脉冲管制冷机的整机性能。

附图说明

图1为脉冲管制冷机三种布置方式示意图。

图2为常规分置式U型冷头整体示意图。

图3为常规连管集成式U型冷头整体示意图。

图4(a)为顶盖0的主视图；

图4(b)为顶盖0的仰视图；

图4(c)为顶盖0的左视图。

图5(a)为下部法兰13的俯视图；

图5(b)为下部法兰13的剖视图。

图6(a)和图6(b)为本发明的集成式狭缝冷头整体示意图；图6(a)为螺栓连接可拆卸分体冷头，图6(b)为密封焊接一体式冷头。

其中：顶盖0；上平台1；大凸台2；蓄冷器侧圆柱体凸台3；脉冲管侧圆柱体凸台4；蓄冷器贯穿插孔5；脉冲管贯穿插孔6；金属密封槽7；定位槽8；蓄冷器插入槽9；脉冲管插入槽10；蓄冷器焊接填料槽11；脉冲管焊接填料槽12；下部法兰13；蓄冷器14；脉冲管15；下部法兰上表面16；下部法兰下表面17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明U型脉管制冷机的集成式狭缝冷头由顶盖0和下部法兰13两部分组成。为加强换热，两部分均采用高导热率材料制作。

如图4(a)所示：顶盖0的上平台1的下部首先凸起一个直径略小于上平台1的大凸台2，于此大凸台2的上方再凸起两个与大凸台2外边缘相切的蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4，保证蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4的外径分别与蓄冷器14及脉冲管15内径相等，且保证蓄冷器侧圆柱体凸台3的直径r_g大于脉冲管侧圆柱体凸台4的直径r_p，对于大冷量换热，为增加狭缝数量，应保证蓄冷器侧圆柱体凸台3的高度h_g大于脉冲管侧圆柱体凸台4的高度h_p。

如图4(a)和4(b)所示：使用线切割技术，对蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4整体横向均布切割平行狭缝，狭缝横向贯穿蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4，狭缝最深处与大凸台2底部保持1mm-5mm的间距。具体切割方法为：距离蓄冷器侧圆柱体凸台3的上表面下部处做一平面a，以平面a中心线L为轴，中心线L的方向为蓄冷器侧圆柱体凸台3与脉冲管侧圆柱体凸台4的横向方向，如图4(c)所示：连接蓄冷器侧圆柱体凸台3上表面边缘两点(两点连线通过圆心)与中心线L，所形成的角度为θ，沿蓄冷器侧圆柱体凸台3的上表面均布切割平行狭缝，狭缝的个数为n，狭缝的宽度为d，狭缝等夹角均布，相邻狭缝之间的夹角为狭缝深至脉冲管侧圆柱体凸台4的上表面，再沿已切割狭缝最下端垂直于蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4的上表面再次切割狭缝，狭缝宽度同为d，深度保证距离大凸台2底部1mm-5mm的垂直间距。上述切割方法，将可以增加狭缝数量，满足大冷量的换热及导流要求。

如图5(a)所示：下部法兰13上开通两个分别与蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4相配合的蓄冷器贯穿插孔5和脉冲管贯穿插孔6，蓄冷器贯穿插孔5和脉冲管贯穿插孔6的中心线需严格保证分别与蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4的中心线重合，蓄冷器贯穿插孔5和脉冲管贯穿插孔6的内径需保证与插入的蓄冷器侧圆柱体凸台3和脉冲管侧圆柱体凸台4紧配合。

如图5(b)所示：下部法兰上表面16上切割出金属密缝槽7，以及与大凸台2相配合的定位槽8，金属密封槽7的深度为密封元件厚度的60％-70％，定位槽8与大凸台2紧配合。下部法兰下表面17上切割出蓄冷器插入槽9和脉冲管插入槽10，以及蓄冷器焊接填料槽11和脉冲管焊接填料槽12，保证蓄冷器插入槽9与蓄冷器贯穿插孔5、脉冲管插入槽10与脉冲管贯穿插孔6内表面同轴度误差均在0.01mm以内，蓄冷器焊接填料槽11和脉冲管焊接填料槽12为锥形钎焊焊接填料槽，槽深度2mm-6mm。

如图6(a)和6(b)所示：下部法兰13与蓄冷器14和脉冲管15钎焊焊接成为一个组件，下部法兰13与蓄冷器14和脉冲管15焊接后精加工至最终尺寸，为保证焊接可靠性，蓄冷器14和脉冲管15插入蓄冷器插入槽9和脉冲管插入槽10的部分单边厚度1mm-2mm，并与蓄冷器插入槽9和脉冲管插入槽10紧配合。如图6(a)所示，顶盖0的上平台1的外沿开有螺钉沉孔槽，下部法兰上表面16上开有与顶盖0相对应的螺纹孔，顶盖0与下部法兰13通过螺栓连接形成可拆卸的分体冷头。如图6(b)所示，顶盖0和下部法兰13也可以通过直接钎焊顶盖0的上平台1下表面与下部法兰上表面16外边缘的方法形成一体式冷头。