[實用新型]U型及直線脈沖管制冷機熱端內(nèi)部導流結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320142580.9
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN203249422U
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黨海政;周炳露;宋宇堯
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14;B23P15/26
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及一種脈管制冷機，特別涉及一種U型及直線脈沖管制冷機的熱端內(nèi)部導流結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

脈沖管制冷機誕生于二十世紀六十年代，從九十年代開始進行了大規(guī)模的實際應用。與G-M制冷機和斯特林制冷機相比，脈管制冷機消除了低溫區(qū)域的排出器，取而代之的是稱為脈管的空心管。其相位由安裝在脈管熱端的小孔、慣性管和氣庫等靜態(tài)部件控制。由于在低溫區(qū)域沒有運動部件，從而消除了滑動磨損、機械振動、間隙密封等問題。因此，脈沖管制冷機具有振動小、壽命長等優(yōu)勢，并且在典型溫區(qū)的制冷效率上已經(jīng)達到回熱式制冷機的最高水平，其自身的特性決定了脈管制冷機在航空航天、低溫電子、超導物理和低溫醫(yī)療等方面都有著廣泛的應用，脈沖管制冷機在調(diào)相機構(gòu)、驅(qū)動源等其他方面還有很多改進和發(fā)展?jié)摿Γ@將會進一步提高脈沖管制冷機的制冷效能。

根據(jù)脈沖管制冷機脈管與蓄冷器不同的布置方式，一般分成三種布置類型，即如圖1所示：U型（a）、同軸型（b）、直線型（c）。U型是讓脈管與蓄冷器并列布置，通過冷端內(nèi)的管道相連，同軸型的脈管與蓄冷器同心布置，脈管插入蓄冷器內(nèi)，直線型脈管與蓄冷器布置在一條直線上，冷端位于中間。三種布置形式，直線型內(nèi)部流動阻力小，實際運用時，整機形體大且不易與被冷卻器件耦合；U型脈管與蓄冷器的并列布置，整體結(jié)構(gòu)尺寸縮小，但180度的折轉(zhuǎn)使流動阻力增大；同軸型結(jié)構(gòu)更為緊湊，冷端單獨突出，但流動的阻力更大。脈管制冷機的三種結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)劣，可針對不同的環(huán)境和需求選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。

本專利著眼于U型及直線脈沖管制冷機熱端內(nèi)部導流結(jié)構(gòu)。U型及直線脈管制冷機相對于同軸脈管制冷機的優(yōu)勢在于制冷機內(nèi)部流動阻力小，但在如何進一步減小熱端內(nèi)部氣體流動阻力方面還有很多改進余地。熱端堵頭和熱端換熱器是U型及直線脈管制冷機熱端內(nèi)部的關(guān)鍵部件，與導流芯柱、蓄冷器組合成集換熱、導流、整體固定為一體的關(guān)鍵部位。U型及直線脈沖管制冷機的熱端實現(xiàn)的主要功能包括：

1）熱端換熱器內(nèi)部線切割形成的環(huán)形狹縫體導流結(jié)構(gòu)讓進入的氣體沿環(huán)形分布的狹槽流動，使氣體在進入蓄冷器時分布均勻，實現(xiàn)氣體層流化。

2）在熱端換熱器內(nèi)部的狹縫，48～60條環(huán)形排列的狹槽，大大增加了換熱器與氣體之間的接觸面積，實現(xiàn)氣體與外部環(huán)境大量、快速的熱量傳遞。

3）熱端狹縫體中心部位插入的帶10～15條環(huán)形狹槽的導流芯柱，消除了熱端狹縫體因切割數(shù)量眾多的狹槽產(chǎn)生翅片薄弱尖角，其自身切割形成的狹槽進一步增加了氣體的換熱面積，加速熱量傳遞，并使熱端中心位置的氣體也能同周圍狹縫體的氣體一樣平穩(wěn)流過換熱器。

4）作為熱端狹縫和熱端堵頭通孔之間氣體連接的過渡結(jié)構(gòu)，在熱端堵頭內(nèi)部截面過渡區(qū)域氣體實現(xiàn)了熱端狹縫和熱端堵頭中心通孔之間流體形態(tài)的快速轉(zhuǎn)變。

5）熱端堵頭兩端分別連接熱端換熱器和調(diào)相機構(gòu)，起著結(jié)構(gòu)固定和氣體封閉的作用，同時氣體在快速交替振蕩中產(chǎn)生的部分熱量會通過熱端堵頭傳到熱端換熱器，起著熱量傳遞的作用。

目前常規(guī)的U型及直線脈管制冷機熱端內(nèi)部的導流結(jié)構(gòu)上還是有很多缺陷，在熱端堵頭內(nèi)部實現(xiàn)狹縫體與熱端堵頭中心通孔之間流體形態(tài)快速轉(zhuǎn)變的功能上，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式還完全沒有達不到流體形態(tài)快速轉(zhuǎn)變、阻力小、氣體均勻分布且無氣體流動死角的要求，從而也導致了U型及直線脈管制冷機容易出現(xiàn)效率低下的問題。現(xiàn)有常規(guī)U型及直線脈管制冷機熱端內(nèi)部導流結(jié)構(gòu)中，熱端堵頭中心通孔與狹縫體的交接處主要由兩種結(jié)構(gòu)類型。

第一種如圖4所示，熱端堵頭8插入熱端換熱器2內(nèi)，熱端堵頭8上端與狹縫體10結(jié)合處制作成圓柱形凹槽13。

第二種如圖5所示，熱端堵頭8插入熱端換熱器2內(nèi)，熱端堵頭8上端與狹縫體10結(jié)合處制作成圓錐形開口13。

上述兩種熱端堵頭中心通孔與狹縫體的交接形式，呈現(xiàn)漸進演化過程，但各自依然存在明顯的缺陷：

第一種形式，如圖4，小孔徑的熱端堵頭8中心通孔12要與大截面的狹縫體10相接，熱端堵頭10上端的開口制作成圓柱形凹槽13，氣體從熱端堵頭8中心通孔12流出后擴散開來進入狹縫體10內(nèi)，因為開口制作成了圓柱形，雖然底角四周做了圓角過渡處理，但從熱端堵頭8中心通孔12流出的氣體只會形成扇形擴散面，在四周底角處會出現(xiàn)氣流低壓區(qū)14，導致渦流的產(chǎn)生，嚴重影響了氣體的流動速度，這就會大大的減低制冷機的效率。