[实用新型]U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构

说明书

技术领域

本专利涉及一种脉管制冷机，特别涉及一种U型及直线脉冲管制冷机的热端内部导流结构。

背景技术

脉冲管制冷机诞生于二十世纪六十年代，从九十年代开始进行了大规模的实际应用。与G-M制冷机和斯特林制冷机相比，脉管制冷机消除了低温区域的排出器，取而代之的是称为脉管的空心管。其相位由安装在脉管热端的小孔、惯性管和气库等静态部件控制。由于在低温区域没有运动部件，从而消除了滑动磨损、机械振动、间隙密封等问题。因此，脉冲管制冷机具有振动小、寿命长等优势，并且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，其自身的特性决定了脉管制冷机在航空航天、低温电子、超导物理和低温医疗等方面都有着广泛的应用，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。

根据脉冲管制冷机脉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：U型（a）、同轴型（b）、直线型（c）。U型是让脉管与蓄冷器并列布置，通过冷端内的管道相连，同轴型的脉管与蓄冷器同心布置，脉管插入蓄冷器内，直线型脉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，直线型内部流动阻力小，实际运用时，整机形体大且不易与被冷却器件耦合；U型脉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，但流动的阻力更大。脉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。

本专利着眼于U型及直线脉冲管制冷机热端内部导流结构。U型及直线脉管制冷机相对于同轴脉管制冷机的优势在于制冷机内部流动阻力小，但在如何进一步减小热端内部气体流动阻力方面还有很多改进余地。热端堵头和热端换热器是U型及直线脉管制冷机热端内部的关键部件，与导流芯柱、蓄冷器组合成集换热、导流、整体固定为一体的关键部位。U型及直线脉冲管制冷机的热端实现的主要功能包括：

1）热端换热器内部线切割形成的环形狭缝体导流结构让进入的气体沿环形分布的狭槽流动，使气体在进入蓄冷器时分布均匀，实现气体层流化。

2）在热端换热器内部的狭缝，48～60条环形排列的狭槽，大大增加了换热器与气体之间的接触面积，实现气体与外部环境大量、快速的热量传递。

3）热端狭缝体中心部位插入的带10～15条环形狭槽的导流芯柱，消除了热端狭缝体因切割数量众多的狭槽产生翅片薄弱尖角，其自身切割形成的狭槽进一步增加了气体的换热面积，加速热量传递，并使热端中心位置的气体也能同周围狭缝体的气体一样平稳流过换热器。

4）作为热端狭缝和热端堵头通孔之间气体连接的过渡结构，在热端堵头内部截面过渡区域气体实现了热端狭缝和热端堵头中心通孔之间流体形态的快速转变。

5）热端堵头两端分别连接热端换热器和调相机构，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部分热量会通过热端堵头传到热端换热器，起着热量传递的作用。

目前常规的U型及直线脉管制冷机热端内部的导流结构上还是有很多缺陷，在热端堵头内部实现狭缝体与热端堵头中心通孔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U型及直线脉管制冷机容易出现效率低下的问题。现有常规U型及直线脉管制冷机热端内部导流结构中，热端堵头中心通孔与狭缝体的交接处主要由两种结构类型。

第一种如图4所示，热端堵头8插入热端换热器2内，热端堵头8上端与狭缝体10结合处制作成圆柱形凹槽13。

第二种如图5所示，热端堵头8插入热端换热器2内，热端堵头8上端与狭缝体10结合处制作成圆锥形开口13。

上述两种热端堵头中心通孔与狭缝体的交接形式，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，小孔径的热端堵头8中心通孔12要与大截面的狭缝体10相接，热端堵头10上端的开口制作成圆柱形凹槽13，气体从热端堵头8中心通孔12流出后扩散开来进入狭缝体10内，因为开口制作成了圆柱形，虽然底角四周做了圆角过渡处理，但从热端堵头8中心通孔12流出的气体只会形成扇形扩散面，在四周底角处会出现气流低压区14，导致涡流的产生，严重影响了气体的流动速度，这就会大大的减低制冷机的效率。