专利名称：一种适用于制冷探测器的低温节流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用作制冷探测器的低温节流器，该节流器采用形状记忆弹簧在不 同温度变化条件下的弹性伸缩，推动针阀开启或关闭来控制制冷探测器流量的大小， 从而实现制冷探测器流量、制冷功率自调的功能。
技术背景制冷探测器中的节流器，目前主要是以波纹管作为调节控制元件的。这种技术的 先天缺陷是对波纹管组件的气密性要求高， 一且泄漏，则制冷探测器功能失效。作者王三煜在《红外技术》上于2007年9月出版的"记忆合金调节式制冷器研 究"中公开了一种由主动弹簧、记忆合金调节器、补偿块、平衡弹簧、阀针构成的针 阀控制机构，装配时，调节机构设置一初始预紧力，针阀处于开启状态，当节流降温 至低于记忆合金转化温度时，调节器刚度变小，主动弹簧推动针阀机构关闭，制冷器 流量变小，从而实现制冷器流量、制冷功率自调的功能。但该记忆合金调节式制冷器 制造、装配、调试难度大等缺陷。 发明 内 容本发明的目的是提供一种适用于制冷探测器的低温(25°C~ — 196°C)节流器， 该节流器所需零件少、装配易控且结构简单，而釆用的驱动源则为TiNiFe形状记忆 合金丝材。该TiNiFe形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度为一153"C，将形状 记忆合金材料拉拔成丝，缠绕成所需要的形状记忆合金螺旋弹簧，采用不锈钢丝制作 偏置弹簧(与主动弹簧的功能相同)，将形状记忆合金弹簧与偏置弹簧组合安装于节 流器，当液氮由液氮口进入，温度降低到一153"C，形状记忆合金弹簧开始变软，偏 置弹簧压缩记忆合金弹簧，带动驱动件运动，使得驱动件的顶尖与顶孔闭合从而实现 节流目的。本发明是一种适用于制冷探测器的低温(25°C~ — 196°C)节流器，由壳体l、 驱动件3、底座4、形状记忆弹簧5、偏置弹簧6组成；壳体1底端与底座4的凸缘 41通过螺纹连接，壳体1的内部从左至右放置有偏置弹簧6、驱动件3、形状记忆 弹簧5，偏置弹簧6的一端套接在底座4的B凸台42上，偏置弹簧6的另一端套 接在驱动件3的A凸台33上，形状记忆弹簧5的一端套接在驱动件3的连杆32上， 形状记忆弹簧5的另一端与壳体1的A收敛段12接触。形状记忆弹簧5与偏置弹 簧6构成弹性驱动器，弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系A:" 、 ， 乂A+&，);c + ^;，￡/，、 ~~LJ——x) _ a — 6exp(^-^-。本发明低温(25°C —196°C)节流器的优点采用TiNiFe记忆合金丝材来制 作调节式制冷器的驱动件克服了采用Cu基形状记忆合金的缺点，具有加工制作容 易，使用重复性好、寿命长、结构简单的优点；形状记忆弹簧釆用低相变点TiMFe 形状记忆合金(低温记忆合金)材料，制作成细径0.2 1.5m附的丝材，缠绕成微 型驱动记忆螺旋弹簧；形状记忆弹簧与偏置弹簧的匹配，构成了用于节流制冷探测器 的微型弹簧驱动器。
图1是本发明制冷探测器的低温节流器的外部结构图。图IA是本发明制冷探测器的低温节流器的爆炸示图。图2是本发明制冷探测器的低温节流器的等轴剖示图。图3是本发明驱动件的结构图。图4是本发明形状记忆弹簧的结构图。图中: 2.顶孔 34.顶板l.売体3. 驱动件4. 底座11.气腔 31.锥形顶尖 41.凸缘 6.偏置弹簧12.A收敛段 32.连杆 42.B凸台13.B收敛段 33.A凸台5.形状记忆弹簧具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明(本发明是一种适用于制冷探测器的低温节流器，该低温节流器由売体1、驱动件 3、底座4、形状记忆弹簧5、偏置弹簧6组成；形状记忆弹簧5与偏置弹簧6构成 弹性驱动器(该弹性驱动器用于推动驱动件3运动，使顶尖31开启或关闭顶孔2， 从而达到调节液氮的流量进入)。参见图1、图2所示，売体1为圆筒形状；売体1的底端设有内螺纹(该内螺 纹用于与底座4的外螺纹实现螺纹连接)；売体1的上部从左至右设有A收敛段12、 B收敛段13， A收敛段12的下端面用于与形状记忆弹簧5的一端接触，B收敛段 13的中心为顶孔2，顶孔2用于液氮进入；壳体1内的有气腔11，该气腔11用于 存放通过顶孔2进入的液氮。在装配时，驱动件3的连杆31的中心轴线与顶孔2 的中心线在同轴上。参见图1A、图3所示，驱动件3的顶板34上面中心位置设有连杆32，连杆 32的端部设计为具有30 45锥度的锥形顶尖31，驱动件3的顶板34下面中心位 置设有0.5 3cm厚的A凸台33;在本发明中，连杆32的直径可以小于或者等于 A凸台33的直径。参见图1A所示，底座4的凸缘41上设有外螺纹，该外螺纹与壳体1底端的内 螺纹相配合实现壳体1与底座4的连接，同时也实现了初始调节弹性驱动器的预紧 力；底座4的中心位置设有B凸台42， B凸台42与驱动件3上的A凸台33之间 套接有偏置弹簧6。参见图1A、图4所示，形状记忆弹簧5为螺旋式弹簧结构，形状记忆弹簧5釆 用TiNiFe形状记忆合金丝材，且Fe元素的含量为0.1 3wt%，该TiNiFe形状记 忆合金丝材的马氏体开始相变温度范围为25°C~_160°C，经缠绕工艺制成弹簧形 状，形状记忆弹簧5的簧与簧的宽度(簧距)J为1 3mm，簧的直径0为O.3 lww。 形状记忆弹簧5的具体材料组分为Tis。Ni47Fe3形状记忆合金，该Tis。Ni47Fe3形状记 忆合金制得的丝材加工成弹簧，其马氏体开始相变温度一 153°C。参见图1A所示，偏置弹簧6采用不锈钢加工的螺旋式弹簧结构。 壳体1底端与底座4通过螺纹连接，壳体1的内部从左至右放置有偏置弹簧6、 驱动件3、形状记忆弹簧5，偏置弹簧6的一端套接在底座4的B凸台42上，偏置 弹簧6的另一端套接在驱动件3的A凸台33上，形状记忆弹簧5的一端套接在驱动件3的连杆32上，形状记忆弹簧5的另一端与壳体1的A收敛段12接触。在装 配时，驱动件3的锥形顶尖31相距顶孔2端面0.5 3mm ，有利于节流器所需冷 却源由顶孔2进入。当气腔11内的温度下降至形状记忆弹簧5的马氏体开始相变点 温度时(此处所说的温度需要根据使用节流器的要求，进行在制作形状记忆弹簧丝材 时进行设定，如选取的形状记忆材料为Tis。Ni47Fe3形状记忆合金时，加工丝材时， 设定马氏体开始相变点温度为一153。C，则气腔11的温度下降至一153。C时，形状 记忆弹簧5将发生伸长或收缩的变化，从而使锥形顶尖31开启或关闭顶尖2，来达 到节流)，形状记忆弹簧5收缩，偏置弹簧6伸长，从而推动驱动件3向右运动，达 到顶尖31顶紧顶孔2，阻止液氮进入，实现节流。在本发明中，弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系,"2 (7^!~ -力-"-—严+ ，")，式中，F表示弹性驱动器的驱动力，X表示驱动件3的位移量，4表示形状记忆合金弹簧5在常温时弹性系数，^表示偏 置弹簧6在常温时弹性系数，《表示形状记忆合金弹簧5的预压缩量，《表示偏置 弹簧6的预压缩量，"表示驱动件3在气腔11中的初始位置，c表示弹性驱动器的 驱动力与输出位移之间拟合曲线常数。在本发明中，用于制作形状记忆合金弹簧5的TiNiFe形状记忆合金丝材的制备 方法如下(A) 配制合金成分按TiNiFe目标成分配比称取纯度99.9%的海绵钛(Ti)和纯度99.9%的镍(Ni) 以及少量纯度99.7%的金属铁(Fe);TiNiFe目标成分为含0.1 3wt。/。的Fe元素，45 55wt。/。的Ti元素和余量的 M元素组成。(B) 熔炼TiNiFe合金 将上述合金元素釆用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFe形状记忆合金铸锭;熔炼温度为1500 1700°C，真空熔炼炉抽真空度至1X10-2~5X1(T5P";(C) 锻造制TiNiFe合金棒材 将上述制得的铸锭釆用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材；(D) 拉制TiNiFe合金丝材 将棒材在拉丝机上拉制成所需直径的丝材；(E) 绕制弹簧 将丝材在弹簧机上绕制成所需匝数的螺旋弹簧结构；(F) 弹簧记忆处理将螺旋弹簧放入电阻炉内，进行记忆处理，处理温度为400 50(TC，保温30~ 60min ，制得TiNiFe形状记忆弹簧。将(D)步骤制得的丝材采用低温差示扫描量热仪(DSC)或电阻法测定合金的 相变点的温度，测量的温度范围从一196GC至25QC，升降温速率为l°C/min;经 测试，本发明的低相变点TiNiFe形状记忆合金丝材材料，其马氏体开始相变温度 (Ms)为室温至-160 20°C，形状记忆效应(SME)为4%~8%，室温抗拉强 度(6b)为600 MPa~850 MPa，室温屈月艮强度(6s)为200 MPa 500 MPa，室温 延伸率问为12.5% 40.0%。本发明的一种适用于制冷探测器的节流器的工作环境温度为25°C~ — 196°C。本发明利用新型功能材料TiNiFe形状记忆合金随温度变化而表现出来的形状记 忆特性，对节流器中的顶尖31进行开度控制，进而实现制冷探测器的流量参数的自 调，这是一种全新的节流制冷控制技术。本发明设计的低温节流器的工作原理为液氮经顶孔进入气腔内，随着进入气腔 的液氮量的增大，致使气腔内的温度下降，当气腔温度下降至形状记忆弹簧5的马 氏体开始相变温度时，形状记忆弹簧5开始收缩，形状记忆弹簧5上的顶尖在偏置 弹簧6的伸长状态下达到顶孔的位置，直至将顶孔封闭，隔断液氮进入气腔内，起 到调节节流器的作用。反之，随着进入气腔的液氮量的减少，致使气腔内的温度上升， 当气腔温度上升至形状记忆弹簧5的奥氏体开始相变温度时，形状记忆弹簧5开始 伸长，形状记忆弹簧5上的顶尖在偏置弹簧6的收缩状态下远离顶孔的位置，直至 将顶孔打开，使液氮进入气腔内，进而实现开启/关闭顶孔的往复运动。
权利要求
1、一种适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于由壳体(1)、驱动件(3)、底座(4)、形状记忆弹簧(5)、偏置弹簧(6)组成；壳体(1)底端与底座(4)的凸缘(41)通过螺纹连接，壳体(1)的内部从左至右放置有偏置弹簧(6)、驱动件(3)、形状记忆弹簧(5)，偏置弹簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸台(42)上，偏置弹簧(6)的另一端套接在驱动件(3)的A凸台(33)上，形状记忆弹簧(5)的一端套接在驱动件(3)的连杆(32)上，形状记忆弹簧(5)的另一端与壳体(1)的A收敛段(12)接触；所述壳体(1)为圆筒形状；壳体(1)的底端设有内螺纹；壳体(1)的上部从左至右设有A收敛段(12)、B收敛段(13)，B收敛段(13)的中心为顶孔(2)；所述驱动件(3)的顶板(34)上面中心位置设有连杆(32)，连杆(32)的端部设计为具有30～45锥度的锥形顶尖(31)，驱动件(3)的顶板(34)下面中心位置设有0.5～3cm厚的A凸台(33)；所述底座(4)的凸缘(41)上设有外螺纹，底座(4)的中心位置设有B凸台(42)；所述形状记忆弹簧(5)为螺旋式弹簧结构；所述偏置弹簧(6)采用不锈钢加工的螺旋式弹簧结构。
2、 根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于形状记忆 弹簧(5)与偏置弹簧(6)构成弹性驱动器；弹性驱动器的驱动力与输出位移之 间存在有下述关系F = ^(^^4""-a-，式中，F表示弹性驱动器的驱动力，x表示驱动件(3)的位移量，^表示形状记忆合金弹簧(5) 在常温时弹性系数，^表示偏置弹簧(6)在常温时弹性系数，《表示形状记忆 合金弹簧(5)的预压縮量，《表示偏置弹簧(6)的预压缩量，fl表示驱动件(3) 在气腔(11)中的初始位置，c表示弹性驱动器的驱动力与输出位移之间拟合曲线常数。
3、 根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于形状记忆 弹簧(5)的原材料为TiNiFe形状记忆合金丝材，且Fe元素的含量为0. l 3wt%， 该TiNiFe形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度范围为25°C -16CTC;形 状记忆弹簧(5)的簧与簧的宽度"为1 3rnm，簧的直径^为0.3 lmw。
4、 根据权利要求3所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于形状记忆弹簧(5)的原材料组分为Ti5。N^Fe3形状记忆合金丝材，该Tis。Ni47Fe3形状记 忆合金丝材的马氏体开始相变温度一153。C;形状记忆弹簧(5)的簧与簧的宽度 d为l 3ww，簧的直径^为0.3 l;ww。
5、 根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于工作环境 温度为25。C 一196。C。
6、 根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于形状记忆弹 簧(5)的制备有如下步骤(A)配制合金成分按目标成分称取纯度99.9%的海绵钛(Ti)和纯度99.9%的镍(Ni)以及少量 纯度99.7%的金属铁(Fe);所述TiNiFe目标成分为含0.1 3wtQ/。的Fe元素，45 55wt。/。的Ti元素和余 量的Ni元素组成；(B) 熔炼TiNiFe合金 将上述合金元素采用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFe形状记忆合金铸锭;熔炼温度为1500 1700°C，真空熔炼炉抽真空度至1X10_2 5X10—(C) 锻造制TiNiFe合金棒材 将上述制得的铸锭釆用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材；(D) 拉制TiNiFe合金丝材 将棒材在拉丝机上拉制成所需直径的丝材；(E) 绕制弹簧 将丝材在弹簧机上绕制成所需匝数的螺旋弹簧结构；(F) 弹簧记忆处理将螺旋弹簧放入电阻炉内，进行记忆处理，处理温度为400 500°C，保温30 60min ，制得TiNiFe形状记忆弹簧。
全文摘要
本发明公开了一种适用于制冷探测器的低温节流器，其由壳体(1)、驱动件(3)、底座(4)、形状记忆弹簧(5)、偏置弹簧(6)组成；壳体(1)底端与底座(4)的凸缘(41)通过螺纹连接，壳体(1)的内部从左至右放置有偏置弹簧(6)、驱动件(3)、形状记忆弹簧(5)，偏置弹簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸台(42)上，偏置弹簧(6)的另一端套接在驱动件(3)的A凸台(33)上，形状记忆弹簧(5)的一端套接在驱动件(3)的连杆(32)上，形状记忆弹簧(5)的另一端与壳体(1)的A收敛段(12)接触。在本发明中，形状记忆弹簧(5)采用低相变点TiNiFe形状记忆合金材料，制作成细径0.2～1.5mm的丝材，缠绕成微型驱动记忆螺旋弹簧；本发明节流器采用TiNiFe记忆合金丝材来制作调节式制冷器的驱动件，克服了采用Cu基形状记忆合金的缺点，具有加工制作容易，使用重复性好、寿命长、结构简单的优点。
文档编号F25B41/06GK101231049SQ20081010125
公开日2008年7月30日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者刘福顺, 徐惠彬, 岩 李, 赵新青 申请人:北京航空航天大学