[實用新型]用于同軸型脈管制冷機帶導流結構狹縫式冷頭

有效

• 申請號: 201721678127.4
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN207674754U
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 吳亦農;劉少帥;蔣珍華;丁磊;張安闊;李娜;鄧偉峰;朱海峰;余慧勤;楊森;黃琦;溫豐碩
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 李秀蘭

本專利公開了一種用于同軸型脈管制冷機帶導流結構狹縫式冷頭，包括冷頭主體、防變形墊、紫銅絲網和冷端擋板，冷頭主體與防變形墊釬焊后共同生成螺紋孔，冷頭主體中間有一圓柱形凹槽與冷端擋板配合，兩者間壓緊紫銅絲網。其中：冷頭主體軸對稱均勻分布了若干道狹縫，狹縫流道180°彎折處存在兩處圓角導流結構，該具有導流結構的狹縫采用模具電火花加工制成。本專利可在同軸型脈管制冷機狹縫式冷頭中既優化了狹縫導流結構，同時實現最大的換熱面積，減小冷頭內流動損失，提高同軸型脈管制冷機的整機性能。

技術領域

本專利涉及同軸型脈管制冷機，特別涉及同軸型脈管制冷機帶導流結構狹縫式冷頭。

背景技術

脈管制冷機是一種新型回熱式低溫制冷機，與傳統斯特林制冷機相比，它消除了冷端的機械運動部件，采用熱端的調相機構來獲得理想的相位關系，具有結構簡單、振動小、可靠性高等優點。20世紀80年代以來，脈管制冷機在國內外得到了廣泛的重視和研究，在航空航天、超導工業、低溫電子、低溫醫學等方面得到了廣泛應用。隨著對脈管制冷機理的深入研究以及調向機構的逐步改進，脈管制冷機技術日臻成熟，尤其是80K以上溫區的效率已能達到與斯特林制冷機相當的水平。

根據回熱器和脈沖管相對位置的不同，可以將脈管制冷機分為三種：直線型脈管制冷機、U型脈管制冷機和同軸型脈管制冷機，如圖1所示。作為最經典的布置形式，直線型脈管制冷機的回熱器和脈沖管處于同一軸線上，氦氣工質在整個制冷機中沿直線震蕩，工質的流道無需在冷頭處彎折，因而流動損失最小，效率相比U型和同軸型較高，但冷頭位于回熱器和脈沖管之間，不便于被冷卻部件的耦合。U型脈管制冷機的回熱器和脈沖管平行布置，回熱器和脈沖管的冷端通過銅質彎管或者流道連通的冷端換熱器相連。這種布置方式中，工質的流道在冷頭處存在180°的彎折，增大了空體積和流動損失；但同時也使得冷頭獨立位于制冷機的一側，方便與被冷卻部件的耦合。同軸型將脈沖管置于回熱器內部并與回熱器保持同軸心，回熱器呈環形；其冷頭位于制冷機的一側，因而與U型布置一樣，工質流道在冷頭處存在180°的彎折，相應地增加了空體積和流動損失。相比于直線型和U型布置，同軸型脈管制冷機具有更加緊湊的結構，可以方便地應用于成熟的杜瓦結構內，因此逐漸成為了目前工程項目中最常用的脈管制冷機布置方式。

冷頭作為脈管制冷機輸出冷量的唯一部件，其結構設計和制造方式顯得尤為重要，相對于其他兩種結構，同軸型脈管制冷機冷頭需滿足以下幾個要求：

1)換熱面積大，換熱效率高；

2)在一個圓柱的空間范圍內，實現冷頭內工質流道由外側環形區域向內側軸心區域的180°彎折，且流道形狀的設計應盡量減小冷頭內的空體積、減少發生在流道彎折處的流動損失；

3)冷頭內的流道應沿圓周均勻分布，以確保進入脈沖管內的氣體工質呈層流狀態

目前同軸型脈管制冷機的通常采用線切割技術加工而成的狹縫式冷頭，以獲得較大的換熱面積和較高的換熱效率，根據線切割下刀方向的不同，常見的同軸型狹縫式冷頭主要有以下兩種。第一種是保持冷頭為一個整體，線切割的金屬絲由冷頭圓柱體一端面出發沿著冷頭軸向下刀，形成狹縫式換熱結構，如圖2所示；第二種是將冷頭分為上冷頭和下冷頭兩部分，上冷頭為端蓋，狹縫結構分布于下冷頭主體上，線切割的金屬絲穿過下冷頭中心孔，由軸線位置沿著冷頭徑向向外下刀，形成狹縫式換熱結構，而后與上冷頭螺紋連接并焊接，如圖3所示。

這兩種同軸型冷頭基本滿足了工質流道180°彎折的要求，但各自都存在著一些缺陷。圖2所示的同軸型冷頭，冷頭狹縫切透外圓柱面且工質流道呈矩形，沒有導流結構，因而無法減小冷頭內流道彎折造成的空體積，這將惡化冷頭的換熱性能。圖3所示的同軸型冷頭，其流道同樣呈矩形，也無法減小冷頭內流道彎折造成的空體積；此外，冷頭對外主換熱面位于上冷頭，而對內換熱狹縫位于下冷頭，因而導熱路徑中間產生額外的接觸熱阻，影響換熱性能。

發明內容：