[发明专利]同轴型脉冲管制冷机热端内部导流结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种同轴型脉冲管制冷机的热端内部导流结构及制造方法。

背景技术

脉冲管制冷机作为一种低温端脱离机械运动限制、无内部运动部件调相的回热式低温制冷机，在典型温区的制冷效率上已经达到回热式制冷机的最高水平。它的重大革新之一就是取消了常规回热式低温制冷机中的冷端排出器，而是通过其热端调相机构来实现相位差的调节，这种革新带来的好处显而易见，无运动部件结构的脉冲管制冷机在寿命、可靠性、装备制造、成本上都有质的提升，并且脉冲管制冷机在调相机构、驱动源等其他方面还有很多改进和发展潜力，这将会进一步提高脉冲管制冷机的制冷效能。其上述自身的特性决定了其在航空航天、低温电子、超导物理和低温医疗等方面都有着广泛的应用。

根据脉冲管制冷机脉冲管与蓄冷器不同的布置方式，一般分成三种布置类型，即如图1所示：直线型（a）、U型（b）、同轴型（c）。U型是让脉冲管与蓄冷器并列布置，通过冷端内的管道相连；同轴型的脉冲管与蓄冷器同心布置，脉冲管插入蓄冷器内；直线型脉冲管与蓄冷器布置在一条直线上，冷端位于中间。三种布置形式中，直线型内部流动阻力小，实际运用时，整机结构松散且不易与被冷却器件耦合；U型脉冲管与蓄冷器的并列布置，整体结构尺寸缩小，但180度的折转使流动阻力增大；同轴型结构更为紧凑，冷端单独突出，但流动的阻力损失也较大。脉冲管制冷机的三种结构形式各有优劣，可针对不同的环境和需求选择合适的结构形式。

本发明着眼于同轴型脉冲管制冷机热端的内部导流结构。同轴型脉冲管制冷机的优势在于结构的紧凑，适用于轻量、小型化的运用，但在如何减小内部气体流动阻力方面还有很大改进余地。脉冲管座是同轴型脉冲管制冷机热端换热器内部的关键部件之一，与热端换热器、脉冲管、气体导流器组合成集换热、导流、整体固定为一体的关键部位。其需实现的主要功能包括：

1）轴向插入热端换热器内部的脉冲管座隔绝了狭缝体的内孔面，使气体只能在狭缝体内轴向流动，形成脉冲管座外围的狭缝体环形气体。

2）脉冲管座的内部台阶装入气体导流器后，使流入脉冲管内的气体形成分布均匀、流速平衡的气体层流，有利于在脉冲管内形成对制冷至关重要的气体活塞。

3）脉冲管座外圆截面过渡曲面与狭缝体下端面形成环形圆弧通道，并且通道一侧正对进气口，气体进入制冷机后通过环形圆弧通道实现了气体的均匀分布，避免了因单侧进气而导致的气体分布不均的状况。

4）作为脉冲管和调相机构之间气体连接的过渡结构，脉冲管座内部截面过渡区域实现了气体在脉冲管和调相机构之间流体形态的快速转变。

5）脉冲管座两端分别连接脉冲管和调相机构，起着结构固定和气体封闭的作用，同时气体在快速交替振荡中产生的热量先通过脉冲管座后到达热端换热器，脉冲管座也起着热量传递的作用。

目前常规的同轴型脉冲管制冷机在热端换热器内部的导流结构上还存在诸多缺陷，在脉冲管座内部实现脉冲管与调相机构之间流体形态快速转变的功能上，现有的结构形式还完全没有达不到流体形态快速转变、阻力小、气体均匀分布且无气体流动死角的要求，从而也导致了同轴型脉冲管制冷机容易出现效率低下的问题。目前同轴型脉冲管制冷机使用的常规热端导流结构中，脉冲管座内部通孔与上端内孔的交接处主要有三种结构类型：

第一种如图4所示，脉冲管5直接插入脉冲管座9内，没有安装气体导流器；

第二种如图5所示，脉冲管座9上端内孔里装入气体导流器8，再插入脉冲管5压紧，脉冲管座内部没有截面过渡结构；

第三种如图6所示，脉冲管座9内部通孔19与上端内孔结合处形成锥形过渡，并留有小台阶用来安装气体导流器8，插入脉冲管3压紧。

上述三种脉冲管座内部通孔与上端内孔的交接形式，呈现渐进演化过程，但各自依然存在明显的缺陷：

第一种形式，如图4所示，在脉冲管5底部区域12的气体进入脉冲管座5内部通孔19时，会在脉冲管5与脉冲管座9的连接处底角滞留，形成一大片环形死角13，气体在此处停滞不前，使脉冲管内部气体出现紊乱，完全不能形成有利于制冷的气体活塞，大大减低了制冷机的效率；

第二种形式，如图5所示，因为脉冲管座9内加装了气体导流器8，一定程度上使脉冲管5内的气体在进入脉冲管座内部通孔19前先在气体导流器8内减缓流速并扩散开，但因为截面的突然缩小，气体还是会在气体导流器四周底角、脉冲管底角13滞留。不流动的气体无法传递能量，减低了制冷机的效率；