同轴型脉冲管制冷机锥形狭缝式热端换热器及制造方法
专利名称：同轴型脉冲管制冷机锥形狭缝式热端换热器及制造方法
技术领域：
本专利涉及同轴型脉冲管制冷机，特别涉及同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器及制造方法。
背景技术：
脉冲管制冷机于20世纪60年代由Gifford和Longsworth提出、80年代中期通过脉冲制冷机热端调相机构的改进使其效率和稳定性都获得了非常大的提高。它取消了广泛应用于斯特林或G-M机中的冷端排出器，而以脉冲管代替；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。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；20世纪中后期脉冲管制冷机无论在理论还是在实验方面都得到了巨大的发展，已成为低温工程界最活跃、最引人注目的研究方向之一；伴随着脉冲管制冷机性能上的一系列重大突破，脉冲管制冷机的应用也得到了前所未有的蓬勃发 展，并在航空航天、低温电子学、超导エ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种类型如图I所示直线型、U型和同轴型。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；同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心的布置在一起。三种布置方式在实际应用中各有利弊。直线型布置方式极大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，给冷端气流以较小的扰动，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，不利干与器件耦合。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°，流动阻カ増大，同时引起了较大的不可逆损失和气流扰动；U型是介于直线型和同轴型之间的ー种布置方式。现如今大多数红外仪器都制成了适合与Stirling制冷机配套使用的杜瓦结构，而同轴布置是脉冲管制冷机各布置方式中唯一可以方便地满足这种几何尺寸的ー种，因此在应用上具有更大的优势，但是由于将脉冲管制冷机蓄冷器热端换热器与脉冲管热端换热器集成于一体，且热端换热器通常设计成紧凑型结构，因而热端散热就成了同轴型脉冲管制冷机性能提升的ー个重要标准。热端换热器是同轴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I)高效换热，特别是在低温区大冷量传输的情况下；2)最大限度地抑制气流在狭缝内的紊流扰动；3)降低热端换热器的体积与重量，使其结构更加紧凑。而目前常规的同轴型脉冲管制冷机热端换热器远远没有达到这个要求。同轴型脉冲管制冷机目前普遍采用的常规热端换热器主要分为两种。一种是在热端换热器法兰内填充紫铜丝网，如图2所示；另ー种是使用圆柱型狭缝热端换热器，如图3所示。图2所示的常规丝网式换热器有如下显著的缺点
I)压降比狭缝式换热器大，经过热端换热器的损失变大；2)丝网与法兰壁面必须紧配合，现在エ艺比较难达到；图3所示的常规圆柱型狭缝式热端换热器虽然也可以高效换热，但是由于热端法兰结构的限制使得狭缝的换热面积有限，往往无法达到最佳的散热要求；上述诸多因素致使制冷机的整机性能下降，是目前影响同轴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，本专利提出一种适用于同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器。本专利的目的在于，在同轴型脉冲管制冷机的热端设计ー个换热器结构，在其中 实现高效换热，提升脉冲管制冷机的效率。本专利ー种同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器，它由热端法兰7，锥形狭缝I和热端堵头5组成，其特征在于由线切割制成的锥形狭缝I通过紧配合塞入热端法兰7中，锥形狭缝I的上平台内切圆半径等于蓄冷器2的半径，锥形狭缝的下平台内切圆半径等于热端堵头5的半径，脉冲管外壁面3与锥形狭缝I的内壁面紧配合，同轴型脉冲管制冷机热端进气ロ 10与热端法兰7通过钎焊或者银焊密封连接，热端法兰7底部切割出密封槽8，热端堵头5底部切割出密封槽9，热端法兰7和热端堵头5使用螺栓连接或者使用密封焊接成一体从而形成同轴型脉冲管制冷机热端锥形狭缝式换热器。本专利的特点如下I)以在内部均匀密集线切割锥形狭缝的方式增大换热器的换热面积，取代常规的连通管道形换热器，实现热端换热器在有限体积内的高效换热；2)以均匀而密集的锥形狭缝实现脉冲管蓄冷器热端的气体导流，取代常规的气体导流器；上述结构特点将实现对同轴型脉冲管制冷机热端散热器最小体积下的最大散热面积，而且最大限度地保持蓄冷器热端所需的层流效果，从而大幅度提高同轴型脉冲管制冷机的热力学性能。狭缝式结构使得热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热量。该结构使热端实现部件最少化，最大限度地减小了接触热阻并避免了有害的死容积，使热阻损失和压降损失最小化。从而大幅度提高同轴型脉冲管制冷机的整机性能。
图I为脉冲管制冷机三种布置方式示意图。图2为丝网式热端换热器示意图。图3为圆柱形狭缝换热器示意图。图4为锥形狭缝横剖面图。图5为热端法兰剖面图；其中11为热端进气ロ与热端法兰7内壁面的重合处，13是蓄冷器外壁面与热端法兰7的重合处。
图6为热端堵头剖面图。图7为锥形狭缝式换热器整体剖面图；其中1为热端法兰的内部锥形狭縫，2为蓄冷器外壁面，3为脉冲管外壁面，4为脉冲管与热端堵头之间的导流丝网，5为热端堵头，6为热端堵头内脉冲管与惯性管的连接部，7为热端法兰，8为热端法兰底部焊接縫，9为热端堵头底部焊接縫，10为热端进气ロ。
具体实施例方式下面结合附图对本专利的具体实施方式
作进ー步的详细说明本专利同轴型脉管制冷机的热端锥形狭缝由热端法兰7、锥形狭缝I和热端堵头5三部分组成。如图5所示热端法兰7和热端进气ロ 10通过银焊或者钎焊进行连接，焊接时热端法兰的内壁面11处和热端进气ロ的出口相重合。如图7所示热端法兰7内的锥形狭缝换热器I的上凸台要小于下凸台，于此上凸台的切圆半径等于蓄冷器2的外径，下凸台的切圆半径等于热端堵头的切圆半径，且锥形狭缝换热器的内径与脉冲管3的外径相等，保证狭缝和脉冲管外壁的紧配合，且保证蓄冷器圆柱体2的直径rg大于脉冲管圆柱体3的直径rp ;使用线切割技术，对锥形狭缝I进行横向均布切割平行狭缝，狭缝的具体宽度d和深度h由制冷机要求的散热量決定。热端法兰7的底部切割出金属密封槽8，热端堵头的底部切割出密封槽9，金属密封槽7的深度为密封元件厚度的60%-70%，热端法兰7和热端堵头钎焊成为ー个整体，焊接时保证热端堵头的上壁面12处不能超过热端进气ロ，焊接后精加工至最終尺寸。
权利要求
1.一种同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器，它由热端法兰(7)，锥形狭缝(I)和热端堵头(5 )组成，其特征在于由线切割制成的锥形狭缝(I)通过紧配合塞入热端法兰(7)中，锥形狭缝(I)的上平台内切圆半径等于蓄冷器(2)的半径，锥形狭缝(I)的下平台内切圆半径等于热端堵头(5)的半径，脉冲管(3)外壁面与锥形狭缝(I)的内壁面紧配合，同轴型脉冲管制冷机热端进气口(10)与热端法兰(7)通过钎焊或者银焊密封连接，热端法兰(7 )底部切割出密封槽(8 )，热端堵头(5 )底部切割出密封槽(9 )，热端法兰(7 )和热端堵头(5)使用螺栓连接或者使用密封焊接成一体形成同轴型脉冲管制冷机热端锥形狭缝式换热器。
2.一种如权利要求I所述换热器的制造方法，其特征在于热端法兰7和热端进气口10通过银焊或者钎焊进行连接，焊接时热端法兰的内壁面11处和热端进气口的出口相重合。热端法兰(7)内的锥形狭缝(I)的上凸台要小于下凸台，于此上凸台的切圆半径等于蓄冷器(2)的外径，下凸台的切圆半径等于热端堵头(5)的切圆半径，且锥形狭缝(I)的内径与脉冲管(3)的外径相等，保证狭缝和脉冲管外壁的紧配合，且保证蓄冷器圆柱体(2)的直径1~8大于脉冲管圆柱体(3)的直径rp;使用线切割技术，对锥形狭缝(I)进行横向均布切割 平行狭缝，狭缝的具体宽度d和深度h由制冷机要求的散热量决定；热端法兰(7)的底部切割出金属密封槽(8 )，热端堵头(5 )的底部切割出密封槽(9 )，金属密封槽(7 )的深度为密封元件厚度的60%-70%，热端法兰(7)和热端堵头(5)钎焊成为一个整体，焊接时保证热端堵头的上壁面(12)处不能超过热端进气口，焊接后精加工至最终尺寸。
全文摘要
本发明公开了一种同轴型脉冲管制冷机锥形狭缝式换热器及制造方法，该换热器结构由热端法兰、锥形狭缝和热端堵头三部分组成，其中锥形狭缝通过紧配合塞入热端法兰中，锥体台顶部切圆半径与蓄冷器半径相等，锥体台底部半径与热端堵头半径相等。热端堵头与热端法兰既可以使用螺栓连接形成可拆卸的分体热端换热器，也可以使用密封焊接形成一体式热端散热器结构。上述锥形狭缝式换热器结构简单，紧湊，高效，可以最大限度的发挥制冷机的热端散热能力，同时增加了脉冲管制冷机的热端压比。该结构可以集中实现高效热端换热器、脉冲管制冷机热端气体导流器、蓄冷器热端气体均布器三种部件的主要功能，将在很大程度上提高脉冲管制冷机的整机性能。
文档编号B23K1/00GK102735088SQ20121021145
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者吴亦农, 夏梦颖, 张安阔, 张静, 杨开响, 熊超 申请人:中国科学院上海技术物理研究所
技术领域：
本专利涉及同轴型脉冲管制冷机，特别涉及同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器及制造方法。
背景技术：
脉冲管制冷机于20世纪60年代由Gifford和Longsworth提出、80年代中期通过脉冲制冷机热端调相机构的改进使其效率和稳定性都获得了非常大的提高。它取消了广泛应用于斯特林或G-M机中的冷端排出器，而以脉冲管代替；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。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；20世纪中后期脉冲管制冷机无论在理论还是在实验方面都得到了巨大的发展，已成为低温工程界最活跃、最引人注目的研究方向之一；伴随着脉冲管制冷机性能上的一系列重大突破，脉冲管制冷机的应用也得到了前所未有的蓬勃发 展，并在航空航天、低温电子学、超导エ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种类型如图I所示直线型、U型和同轴型。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；同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心的布置在一起。三种布置方式在实际应用中各有利弊。直线型布置方式极大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，给冷端气流以较小的扰动，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，不利干与器件耦合。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°，流动阻カ増大，同时引起了较大的不可逆损失和气流扰动；U型是介于直线型和同轴型之间的ー种布置方式。现如今大多数红外仪器都制成了适合与Stirling制冷机配套使用的杜瓦结构，而同轴布置是脉冲管制冷机各布置方式中唯一可以方便地满足这种几何尺寸的ー种，因此在应用上具有更大的优势，但是由于将脉冲管制冷机蓄冷器热端换热器与脉冲管热端换热器集成于一体，且热端换热器通常设计成紧凑型结构，因而热端散热就成了同轴型脉冲管制冷机性能提升的ー个重要标准。热端换热器是同轴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I)高效换热，特别是在低温区大冷量传输的情况下；2)最大限度地抑制气流在狭缝内的紊流扰动；3)降低热端换热器的体积与重量，使其结构更加紧凑。而目前常规的同轴型脉冲管制冷机热端换热器远远没有达到这个要求。同轴型脉冲管制冷机目前普遍采用的常规热端换热器主要分为两种。一种是在热端换热器法兰内填充紫铜丝网，如图2所示；另ー种是使用圆柱型狭缝热端换热器，如图3所示。图2所示的常规丝网式换热器有如下显著的缺点
I)压降比狭缝式换热器大，经过热端换热器的损失变大；2)丝网与法兰壁面必须紧配合，现在エ艺比较难达到；图3所示的常规圆柱型狭缝式热端换热器虽然也可以高效换热，但是由于热端法兰结构的限制使得狭缝的换热面积有限，往往无法达到最佳的散热要求；上述诸多因素致使制冷机的整机性能下降，是目前影响同轴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，本专利提出一种适用于同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器。本专利的目的在于，在同轴型脉冲管制冷机的热端设计ー个换热器结构，在其中 实现高效换热，提升脉冲管制冷机的效率。本专利ー种同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器，它由热端法兰7，锥形狭缝I和热端堵头5组成，其特征在于由线切割制成的锥形狭缝I通过紧配合塞入热端法兰7中，锥形狭缝I的上平台内切圆半径等于蓄冷器2的半径，锥形狭缝的下平台内切圆半径等于热端堵头5的半径，脉冲管外壁面3与锥形狭缝I的内壁面紧配合，同轴型脉冲管制冷机热端进气ロ 10与热端法兰7通过钎焊或者银焊密封连接，热端法兰7底部切割出密封槽8，热端堵头5底部切割出密封槽9，热端法兰7和热端堵头5使用螺栓连接或者使用密封焊接成一体从而形成同轴型脉冲管制冷机热端锥形狭缝式换热器。本专利的特点如下I)以在内部均匀密集线切割锥形狭缝的方式增大换热器的换热面积，取代常规的连通管道形换热器，实现热端换热器在有限体积内的高效换热；2)以均匀而密集的锥形狭缝实现脉冲管蓄冷器热端的气体导流，取代常规的气体导流器；上述结构特点将实现对同轴型脉冲管制冷机热端散热器最小体积下的最大散热面积，而且最大限度地保持蓄冷器热端所需的层流效果，从而大幅度提高同轴型脉冲管制冷机的热力学性能。狭缝式结构使得热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热量。该结构使热端实现部件最少化，最大限度地减小了接触热阻并避免了有害的死容积，使热阻损失和压降损失最小化。从而大幅度提高同轴型脉冲管制冷机的整机性能。
图I为脉冲管制冷机三种布置方式示意图。图2为丝网式热端换热器示意图。图3为圆柱形狭缝换热器示意图。图4为锥形狭缝横剖面图。图5为热端法兰剖面图；其中11为热端进气ロ与热端法兰7内壁面的重合处，13是蓄冷器外壁面与热端法兰7的重合处。
图6为热端堵头剖面图。图7为锥形狭缝式换热器整体剖面图；其中1为热端法兰的内部锥形狭縫，2为蓄冷器外壁面，3为脉冲管外壁面，4为脉冲管与热端堵头之间的导流丝网，5为热端堵头，6为热端堵头内脉冲管与惯性管的连接部，7为热端法兰，8为热端法兰底部焊接縫，9为热端堵头底部焊接縫，10为热端进气ロ。
具体实施例方式下面结合附图对本专利的具体实施方式
作进ー步的详细说明本专利同轴型脉管制冷机的热端锥形狭缝由热端法兰7、锥形狭缝I和热端堵头5三部分组成。如图5所示热端法兰7和热端进气ロ 10通过银焊或者钎焊进行连接，焊接时热端法兰的内壁面11处和热端进气ロ的出口相重合。如图7所示热端法兰7内的锥形狭缝换热器I的上凸台要小于下凸台，于此上凸台的切圆半径等于蓄冷器2的外径，下凸台的切圆半径等于热端堵头的切圆半径，且锥形狭缝换热器的内径与脉冲管3的外径相等，保证狭缝和脉冲管外壁的紧配合，且保证蓄冷器圆柱体2的直径rg大于脉冲管圆柱体3的直径rp ;使用线切割技术，对锥形狭缝I进行横向均布切割平行狭缝，狭缝的具体宽度d和深度h由制冷机要求的散热量決定。热端法兰7的底部切割出金属密封槽8，热端堵头的底部切割出密封槽9，金属密封槽7的深度为密封元件厚度的60%-70%，热端法兰7和热端堵头钎焊成为ー个整体，焊接时保证热端堵头的上壁面12处不能超过热端进气ロ，焊接后精加工至最終尺寸。
权利要求
1.一种同轴型脉冲管制冷机的锥形狭缝式热端换热器，它由热端法兰(7)，锥形狭缝(I)和热端堵头(5 )组成，其特征在于由线切割制成的锥形狭缝(I)通过紧配合塞入热端法兰(7)中，锥形狭缝(I)的上平台内切圆半径等于蓄冷器(2)的半径，锥形狭缝(I)的下平台内切圆半径等于热端堵头(5)的半径，脉冲管(3)外壁面与锥形狭缝(I)的内壁面紧配合，同轴型脉冲管制冷机热端进气口(10)与热端法兰(7)通过钎焊或者银焊密封连接，热端法兰(7 )底部切割出密封槽(8 )，热端堵头(5 )底部切割出密封槽(9 )，热端法兰(7 )和热端堵头(5)使用螺栓连接或者使用密封焊接成一体形成同轴型脉冲管制冷机热端锥形狭缝式换热器。
2.一种如权利要求I所述换热器的制造方法，其特征在于热端法兰7和热端进气口10通过银焊或者钎焊进行连接，焊接时热端法兰的内壁面11处和热端进气口的出口相重合。热端法兰(7)内的锥形狭缝(I)的上凸台要小于下凸台，于此上凸台的切圆半径等于蓄冷器(2)的外径，下凸台的切圆半径等于热端堵头(5)的切圆半径，且锥形狭缝(I)的内径与脉冲管(3)的外径相等，保证狭缝和脉冲管外壁的紧配合，且保证蓄冷器圆柱体(2)的直径1~8大于脉冲管圆柱体(3)的直径rp;使用线切割技术，对锥形狭缝(I)进行横向均布切割 平行狭缝，狭缝的具体宽度d和深度h由制冷机要求的散热量决定；热端法兰(7)的底部切割出金属密封槽(8 )，热端堵头(5 )的底部切割出密封槽(9 )，金属密封槽(7 )的深度为密封元件厚度的60%-70%，热端法兰(7)和热端堵头(5)钎焊成为一个整体，焊接时保证热端堵头的上壁面(12)处不能超过热端进气口，焊接后精加工至最终尺寸。
全文摘要
本发明公开了一种同轴型脉冲管制冷机锥形狭缝式换热器及制造方法，该换热器结构由热端法兰、锥形狭缝和热端堵头三部分组成，其中锥形狭缝通过紧配合塞入热端法兰中，锥体台顶部切圆半径与蓄冷器半径相等，锥体台底部半径与热端堵头半径相等。热端堵头与热端法兰既可以使用螺栓连接形成可拆卸的分体热端换热器，也可以使用密封焊接形成一体式热端散热器结构。上述锥形狭缝式换热器结构简单，紧湊，高效，可以最大限度的发挥制冷机的热端散热能力，同时增加了脉冲管制冷机的热端压比。该结构可以集中实现高效热端换热器、脉冲管制冷机热端气体导流器、蓄冷器热端气体均布器三种部件的主要功能，将在很大程度上提高脉冲管制冷机的整机性能。
文档编号B23K1/00GK102735088SQ20121021145
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者吴亦农, 夏梦颖, 张安阔, 张静, 杨开响, 熊超 申请人:中国科学院上海技术物理研究所
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