[发明专利]同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于制冷与低温工程领域，涉及脉管制冷机，特别涉及一种同轴脉管制冷机与红外器件的耦合结构及制造方法。

背景技术

脉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常规回热式低温制冷机（如斯特林和G-M制冷机）中的冷端排出器，而以热端调相机构的运作来实现制冷所需的相位差。冷端运动部件的完全取消，实现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构和调相方式上的重要改进，在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式低温制冷机中的最高值。这些显著优点使得脉管制冷机成为20余年来低温机械制冷机研究的一大热门，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。

根据脉管与蓄冷器的相互关系不同，脉管制冷机可分为如下三种典型布置方式，如图1所示：其中（1）为U型，（2）为同轴型，（3）为直线型。由图1可以看出，三类脉管制冷机都主要由压缩机、连管、蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷头、脉管、脉管热端换热器以及调相机构组成，其中冷头是脉管制冷机的应用端，与被冷却器件耦合。直线型布置中脉管和蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉管和蓄冷器平行布置，脉管和蓄冷器的冷端通过管道连接；同轴型布置是指脉管和蓄冷器同心地布置在一起。

由图1可以看出，在脉管制冷机的三种典型布置方式中，同轴型的结构是最为紧凑的，它的低温端直接突出，形成一个垂直冷指，与曾经获得广泛应用的斯特林制冷机的冷指十分相似，因而可以直接采用已经成熟的插入式杜瓦，冷头应用端与器件耦合十分方便，并且可以直接借鉴成熟的技术。所以，当技术的发展使得脉管制冷机成为其它常规的回热式低温制冷机如斯特林机的更新换代品种时，同轴型脉管制冷机便在实践中最先获得广泛的应用。最近20余年来，对低温红外器件的冷却，成为脉管制冷机在航天领域的最大应用。因而，发挥同轴型脉管制冷机与器件耦合方便的特点，使之形成紧凑、可靠的耦合结构，便成为相关应用领域关注的焦点之一。

由图1可以看出，同轴脉管制冷机可以大致分为四部分，即压缩机、连管、同轴型脉管冷指（主要由蓄冷器热端换热器、蓄冷器、冷头、脉管、脉管热端换热器组成）以及调相机构（可以是小孔、阀门、喷嘴、惯性管、气库或者上述不同部件之间的组合体）。同轴脉管制冷机与红外器件的耦合任务，便是如何有效地组织这四大部分，从而与红外器件形成紧凑、可靠、高效的耦合结构。

发明内容

本发明提出一种同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构及制造方法。

本发明的结构由主基座1、压缩机2、连管3、调相机构4、T型散热支撑平台5、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9、冷端换热器10、红外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口14组成。主基座1作为整个耦合结构的支撑基座，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构；压缩机2采用双活塞对置式结构；在压缩机2的上表面安装T型散热支撑平台5，作为同轴脉管制冷机热端的主要散热结构，同时对主换热器6进行垂直支撑；次换热器7从下部同心地插入主换热器6之内并焊接连接；连管3的一端通过T型散热支撑平台5的贯通孔18与压缩机2的出口连接，连管3的另一端与主换热器6连接，并通过主换热器6与次换热器7之间形成的环形间隙15与蓄冷器8连通；脉冲管9同心地插入蓄冷器8之中；蓄冷器8和脉冲管9的上端同心地插入冷端换热器10内并连接，下端分别插入主换热器6及次换热器7内并连接；调相机构4的进口端与次换热器7连接，并通过次换热器7内的漏斗形孔道16与脉冲管9连通，调相机构4的末端固定到主基座1上；压缩机2、连管3、调相机构4、主换热器6、次换热器7、蓄冷器8、脉冲管9以及冷端换热器10共同组成了一台同轴脉管制冷机；在冷端换热器10的冷平台24上放置待冷却的红外器件11；在冷端换热器10及红外器件11之上设置冷屏12，冷屏12上部开口正对杜瓦窗口14；主换热器6及其上设置的器件杜瓦13将蓄冷器8、冷端换热器10、红外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面与主换热器6的上表面密封连接。从而共同构成一种同轴型脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构。

下面结合附图对所发明的同轴脉管制冷机与红外器件的紧凑式耦合结构的制造方法进行说明如下：

如图2所示，主基座1由厚度为20～40mm的纯铝平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密车床、铣床和磨床加工保证处于1.0～5.0μm之间，平板水平放置，对整个耦合结构进行垂直支撑，同时充当压缩机2和调相机构4的散热结构。