一种脉管制冷机集成式热端结构及实现方法

技术领域

本发明属于脉管低温制冷机领域，具体是涉及一种脉管制冷机集成式热端结构。

背景技术

脉管制冷机由Gifford和Longsworth在20世纪60年代提出，其结构简单、可靠性高，在红外器件、低温电子器件、超导磁体等领域被广泛应用。脉管制冷机由驱动机构、驱动机构连管、热端换热器、回热器、冷端换热器、脉冲管、调相连管和调相机构组成，目前常规的驱动机构与热端换热器分置式布置，其一般使用气体管路连接，造成目前普遍应用的脉管制冷机管路庞多，整机结构复杂、气体流动损失和重量大，相关技术存在较大空缺。

热端换热器是脉管制冷机冷指部分对外散热的唯一部件，是影响整机结构、制冷效率的关键部件，其需要具有换热性能好、气体流动损失小和抑制气体絮流扰动的特点。

发明内容

针对上述问题和需求，本发明提供一种脉管制冷机集成式热端结构。其目的在于实现驱动机构的压缩腔与热端换热器耦合，同时抑制换热器内气体的絮流扰动，使气体能够均匀的分布在换热内，以提高脉管制冷机整机集成度并实现高效率制冷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

所述脉管制冷机集成式热端结构包括环形狭缝体、脉冲管热端孔、整流腔体、压缩气体流道、调相气体流道和压缩腔，换热器本体为圆柱体，环形狭缝体和脉冲管热端孔位于圆柱体的上部，整流腔体及压缩气体流道分布于圆柱体的中部，压缩腔位于圆柱体的下部，调相气体流道贯穿圆柱体的中部和下部；环形狭缝成放射状远离换热器本体轴线径向外延伸并贯穿环形狭缝体，整流腔体为环形空体积流道，压缩腔为圆柱型空腔体。

所述环形狭缝体与整流腔体连通，整流腔体通过压缩气体流道连通压缩腔，脉冲管热端孔与环形狭缝同轴线分布且与调相气体流道连通，压缩气体流道与调相气体流道周向分布。

狭缝换热器的狭缝均匀分布，狭缝间隙宽度范围为0.1-0.4mm，间隙数量范围36-72条，具体依据换热需求和加工精度确定，整流腔体环形内径及外径分别与环形狭缝体的内径及外径相等，且其体积约为回热器体积的5％-20％。所述压缩气体流道的数量范围为1～20条，所述调相气体流道数量为1条。环形狭缝体材料为铜或铝合金材料，压缩腔材料为钛合金或不锈钢材料。

所述的脉管制冷机集成式热端结构实现方法为采用3D打印工艺将集成式热端结构一次成型，后续配合磨粒流或其他工艺减小所述环形狭缝体、脉冲管热端孔、整流腔体、压缩气体流道、调相气体流道和压缩腔的表面粗糙度；也可采用线切割工艺加工制造狭缝换热器，采用机械加工工艺制作压缩气体流道、调相气体流道，通过焊接连接各部分形成集成式热端结构。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

(1)提高制冷机整机集成度，脉管制冷机环形热端换热器与脉管制冷机压缩腔集成耦合，简化脉管制冷机整机结构，降低整机重量。

(2)降低管路的流动损失，使用气体流道替代传统使用的管路，实现高效率制冷。

(3)提高换热器效率，通过整流腔抑制气体在换热器内的絮流扰动，工质气体均匀的分布在狭缝换热器中，保证气体的均匀性。

附图说明

图1为本发明压缩气体流道结构的轴侧剖视图；

图2为本发明的调相气体流道结构的轴侧剖视图；

图3为本发明的整体示意图，其中图(1)为俯视图，图(2)为下视图；

图4为同轴型脉管制冷机结构示意图；

图中标号示意如下：1为环形狭缝体，2为脉冲管热端孔，3为整流腔体，4为压缩气体流道，5为调相气体流道，6为压缩腔，7为冷端换热器，8为回热器，9为脉冲管，10为压缩活塞体，11为压缩活塞体驱动机构，12为压缩活塞体支撑机构，13为惯性管，14为气库。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述说明。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种脉管制冷机集成式热端结构，其包括：环形狭缝体1、脉冲管热端孔2、整流腔体3、压缩气体流道4、调相气体流道5和压缩腔6。换热器本体呈圆柱状，由上至下依次为环形狭缝体1和脉冲管热端孔2、整流腔体3、压缩气体流道4和调相气体流道5、压缩腔6。环形狭缝成放射状远离换热器本体轴线径向外延伸并贯穿环形狭缝体1，脉冲管热端孔2与环形狭缝同轴线分布，其俯视图如图3(1)所示；整流腔体3为环形空体积流道，且环形狭缝体1与整流腔体3连通；压缩气体流道4与调相气体流道5周向分布；压缩腔6为圆柱型空腔体，整流腔体3通过压缩气体流道4连通压缩腔6，脉冲管热端孔2与调相气体流道4连通，其下视图如图3(2)所示。

环形狭缝体1的狭缝均匀分布，狭缝间隙宽度为0.2mm，间隙数量为60条，整流腔体3环形内径及外径分别与环形狭缝体1的内径及外径相等，其体积为脉管制冷机回热器体积的10％。压缩气体流道4的数量2条，所述调相气体流道5数量为1条，增加压缩气体流道4的数量可减小整流腔体3的体积。

环形狭缝体1材料为铜或铝合金，压缩腔6材料为钛合金。该脉管制冷机集成式热端结构采用3D打印工艺整体一次成型，后续配合磨粒流工艺减小所述环形狭缝体1、脉冲管热端孔2、整流腔体3、压缩气体流道4、调相气体流道5和压缩腔6的表面粗糙度，以减小气体的流动损失。

图4显示了该发明与脉管制冷机其他部件的耦合应用，除该发明的集成式热端结构，还包括冷端换热器7，回热器8，脉冲管9，压缩活塞体10，压缩活塞体驱动机构11，压缩活塞体支撑机构12，惯性管13，气库14。该制冷机制冷温度为80K，制冷量为4W，其使用惯性管-气库调相机构。压缩活塞体10位于压缩腔6中，且密封方式为间隙密封，压缩活塞体支撑机构12和压缩活塞体驱动机构11与压缩活塞体10连接，分别支撑和驱动压缩活塞体10。压缩腔6通过压缩气体流道4与整流腔体3连通，整流腔体3进而与环形狭缝体1连通，环形狭缝体1与回热器8的一端连通，回热器8与脉冲管9同轴布置，回热器8的另一端与冷端换热器7连通，冷端换热器7同时与脉冲管9的一端连通，脉冲管9的另一端与脉冲管热端孔2的一端连通，脉冲管热端孔2的另一端与调相气体流道5的一端连通，调相气体流道5的另一端与惯性管13的一端连通，惯性管13的另一端与气库14连通。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。