[发明专利]惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及惯性管型脉冲管制冷机，特别涉及一种惯性管型脉冲管制冷机的集成式热端调相结构及其制造方法。

背景技术

脉冲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(如斯特林或G-M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压力波与质量流的相位差。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一系列重要改进，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冲管制冷机成为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。

热端调相机构的优化是脉冲管制冷机性能提升的关键。目前发展相对成熟且获得较为广泛应用的热端调相机构为惯性管附加气库型调相结构，该结构被证明具有调相范围宽、性能可靠、结构简单等突出特点，在实际的工程应用中具有极大的应用优势。然而由于惯性管是一种直径与长度相差悬殊的细长管，而气库本身也占有较大容积，它们之间的空间布置方式是直接决定制冷机结构是否紧湊，性能是否优良的关键因素之一。目前常规的惯性管与气库布置方式有两种，一种是分体气库型结构，如图1所示；另一种是所谓的外气库型结构，如图2所示。

分体气库型结构是将惯性管与气库分离布置，如图1所示，气库可以直接布置在一个单独放置的底板上，或将压缩机外壳的一部分作为气库和惯性管的布置空间。这种布置方式的优点是可以最大限度地发挥惯性管与气库的调相能力，而且气库与惯性管之间互不影响。但它存在以下显著缺点：

1)结构松散，占用较大的空间体积，实际应用困难；

2)抗震动、抗冲击能力较差；

3)实际应用中需要单独的惯性管与气库固定装置，增加系统的复杂程度。

外气库型结构是将惯性管盘绕在气库内部，如图2所示。这种布置方式具有体积小、结构紧凑的特点，有较大的实际应用优势。但是它存在的如下的主要缺点：

1)为增加实际应用中的抗震动、抗冲击强度，气库内部仍需要添加单独的惯性管固定与支撑装置，惯性管的盘绕和组装存在很大的难度；

2)系统内的往复振荡的气体工质在气库内直接冲刷惯性管外表面，工质容易被惯性管外表面清洗后残留的污染物或者长期工作后所产生污染物所污染，使脉冲管制冷机性能衰减，工作寿命缩短；

3)气库内部调相装置的存在，将有效稳压源体积分割成不规则的小体积单元，破坏了气库内的气体平衡，增加了气流扰动，使调相能力不可控，增加了调相的难度。

发明内容

鉴于上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构及其制造方法。其目的在于综合以上两种传统结构的优点，同时又摒除其缺点；既实现惯性管气库的最大调相能力，同时又使系统简单、紧凑；既保证惯性管的布置不对气库内气流产生影响，又保证系统内的工质气体不受调相装置本身的污染，有利于惯性管型脉冲管制冷机的可靠性和长寿命运转。该集成式热端调相结构采用惯性管与气库联合调相，由直径和长度各不相同的双段惯性管附加一个稳压内气库组成。小内径惯性管的末端与脉冲管热端堵头的出气口焊接，大内径惯性管的末端与内气库的接头焊接，两段惯性管之间通过焊接头焊接为一体组成一个整体式惯性管组件，该组件沿着顺时针或逆时针方向从一端向另一端均匀缠绕在内气库的外表面上。然后惯性管组件与内气库作为一个整体放置于一个特制的保护罩内，增加了系统安全性。

本发明的惯性管型脉冲管制冷机集成式热端调相结构主要由脉冲管热端堵头25、小内径惯性管26、大内径惯性管27、内气库28、外部保护罩18以及它们的附属结构如惯性管焊接头0、内气库接头3、肋片14、肋槽15等组成。

小内径惯性管26和大内径惯性管27的制作材料为细长的铜管或不锈钢管，要求内壁面粗糙度Ra值在0.1至0.4之间，且经过退火处理后，可以实现0°至150°之间的弯折而截面不变形。小内径惯性管26与大内径惯性管27的内径和长度均不相同，其具体尺寸根据制冷机工况给出，二者通过惯性管焊接头0实现焊接连接。焊接处要保证在4.5 MPa下绝对压力下氦气泄漏率在10-9-10-10Pa·m³/s之间，且惯性管直径的绝对变形量在0.01-0.02mm之间。

图3为所发明的集成式热端调相结构的惯性管焊接头0的示意图。其小内径焊接口1与小内径惯性管26的一端焊接，大内径焊接口2与大内径惯性管27的一端焊接。惯性管焊接头0经过退火处理，焊接以后可以进行0°至180°的弯折，并且弯折后焊接头无缝隙。