[实用新型]用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头

说明书

本专利公开了一种用于同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头，包括冷头主体、防变形垫、紫铜丝网和冷端挡板，冷头主体与防变形垫钎焊后共同生成螺纹孔，冷头主体中间有一圆柱形凹槽与冷端挡板配合，两者间压紧紫铜丝网。其中：冷头主体轴对称均匀分布了若干道狭缝，狭缝流道180°弯折处存在两处圆角导流结构，该具有导流结构的狭缝采用模具电火花加工制成。本专利可在同轴型脉管制冷机狭缝式冷头中既优化了狭缝导流结构，同时实现最大的换热面积，减小冷头内流动损失，提高同轴型脉管制冷机的整机性能。

技术领域

本专利涉及同轴型脉管制冷机，特别涉及同轴型脉管制冷机带导流结构狭缝式冷头。

背景技术

脉管制冷机是一种新型回热式低温制冷机，与传统斯特林制冷机相比，它消除了冷端的机械运动部件，采用热端的调相机构来获得理想的相位关系，具有结构简单、振动小、可靠性高等优点。20世纪80年代以来，脉管制冷机在国内外得到了广泛的重视和研究，在航空航天、超导工业、低温电子、低温医学等方面得到了广泛应用。随着对脉管制冷机理的深入研究以及调向机构的逐步改进，脉管制冷机技术日臻成熟，尤其是80K以上温区的效率已能达到与斯特林制冷机相当的水平。

根据回热器和脉冲管相对位置的不同，可以将脉管制冷机分为三种：直线型脉管制冷机、U型脉管制冷机和同轴型脉管制冷机，如图1所示。作为最经典的布置形式，直线型脉管制冷机的回热器和脉冲管处于同一轴线上，氦气工质在整个制冷机中沿直线震荡，工质的流道无需在冷头处弯折，因而流动损失最小，效率相比U型和同轴型较高，但冷头位于回热器和脉冲管之间，不便于被冷却部件的耦合。U型脉管制冷机的回热器和脉冲管平行布置，回热器和脉冲管的冷端通过铜质弯管或者流道连通的冷端换热器相连。这种布置方式中，工质的流道在冷头处存在180°的弯折，增大了空体积和流动损失；但同时也使得冷头独立位于制冷机的一侧，方便与被冷却部件的耦合。同轴型将脉冲管置于回热器内部并与回热器保持同轴心，回热器呈环形；其冷头位于制冷机的一侧，因而与U型布置一样，工质流道在冷头处存在180°的弯折，相应地增加了空体积和流动损失。相比于直线型和U型布置，同轴型脉管制冷机具有更加紧凑的结构，可以方便地应用于成熟的杜瓦结构内，因此逐渐成为了目前工程项目中最常用的脉管制冷机布置方式。

冷头作为脉管制冷机输出冷量的唯一部件，其结构设计和制造方式显得尤为重要，相对于其他两种结构，同轴型脉管制冷机冷头需满足以下几个要求：

1)换热面积大，换热效率高；

2)在一个圆柱的空间范围内，实现冷头内工质流道由外侧环形区域向内侧轴心区域的180°弯折，且流道形状的设计应尽量减小冷头内的空体积、减少发生在流道弯折处的流动损失；

3)冷头内的流道应沿圆周均匀分布，以确保进入脉冲管内的气体工质呈层流状态

目前同轴型脉管制冷机的通常采用线切割技术加工而成的狭缝式冷头，以获得较大的换热面积和较高的换热效率，根据线切割下刀方向的不同，常见的同轴型狭缝式冷头主要有以下两种。第一种是保持冷头为一个整体，线切割的金属丝由冷头圆柱体一端面出发沿着冷头轴向下刀，形成狭缝式换热结构，如图2所示；第二种是将冷头分为上冷头和下冷头两部分，上冷头为端盖，狭缝结构分布于下冷头主体上，线切割的金属丝穿过下冷头中心孔，由轴线位置沿着冷头径向向外下刀，形成狭缝式换热结构，而后与上冷头螺纹连接并焊接，如图3所示。

这两种同轴型冷头基本满足了工质流道180°弯折的要求，但各自都存在着一些缺陷。图2所示的同轴型冷头，冷头狭缝切透外圆柱面且工质流道呈矩形，没有导流结构，因而无法减小冷头内流道弯折造成的空体积，这将恶化冷头的换热性能。图3所示的同轴型冷头，其流道同样呈矩形，也无法减小冷头内流道弯折造成的空体积；此外，冷头对外主换热面位于上冷头，而对内换热狭缝位于下冷头，因而导热路径中间产生额外的接触热阻，影响换热性能。

发明内容：