专利名称：同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构及制造方法
技术领域：
本发明涉及同轴型脉冲管制冷机，特别涉及一种同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构及制造方法。
背景技术：
脉冲管制冷机与其他回热式低温制冷机相比，由于其完全取消了冷端的运动部件，经过多年发展，已具备机械振动小、结构简单、运行寿命长、可靠性高等优点，在航空航天、低温电子、超导技术、医疗仪器、移动通信基站等领域有较大的优越性和广泛的应用前
旦
-5^ O如图1所示，根据蓄冷器2与脉冲管3位置的相对关系，脉冲管制冷机有三种布置结构，分别为图1 (a)所示的蓄冷器2与脉冲管3处于一条直线上的直线型布置，图1 (b)所示的蓄冷器2与脉冲管3处于平行位置的U型布置，以及图1 (c)所示的脉冲管3位于蓄冷器2内部同轴位置的同轴型布置。三种布置方式中，以气流于其中流动无折返的直线型布置制冷效率最高，但由于其冷头位于制冷机中部，不利于与器件耦合；U型布置气流流动有180度折返，引起较大不可逆损失，U型布置由于蓄冷器2与脉冲管3不直接接触，避免了两者间的径向导热损失；同轴型气流流动同样有180度折返，但其结构在三种布置方式中最为紧凑，且冷头易于与器件耦合，适用于对空间尺寸有特殊要求的场合。脉冲管制冷机通过进气结构实现压缩机I与蓄冷器2之间压力与质量的传递。在脉冲管制冷机的三种布置方式中，由于同轴型脉冲管制冷机蓄冷器2与脉冲管3的热端相叠合，常采用热端换热器13和脉 管座16使进气结构中与脉冲管3出口处的气流相互隔离。热端换热器13形状为长方体，顶端有圆柱形顶部凹台35与蓄冷器2耦合，在焊接点三15处焊接，底端有圆柱形底部凹台33，底部凹台33的中心有通孔34，作用为使脉冲管16顶端嵌入与脉冲管2连接，底部凹台33上有贯穿的集成狭缝14，对气体起导流与散热作用。脉管座16大体为圆柱体，中有通孔用于脉冲管2热端与调相机构4的连接，脉管座16大部紧配嵌入热端换热器13的底部凹台33，通过密封圈三17进行密封。图2给出了采用常规进气结构的同轴型脉冲管制冷机示意图，如图所示，连管9通过压缩机端连管接头7与压缩机I相连，在焊接点一 8处银焊，通过蓄冷器端连管接头11与热端换热器13相连，在焊接点二 10处银焊，并分别通过密封圈一 6和密封圈二 12进行密封。气体由压缩机I排出后经由连管9进入同轴型脉冲管制冷机常规进气结构，如图3所示，热端换热器13右端有直径等于连管9内径的常规进气通道18，气体经过常规进气通道18后流动截面突然扩大，进入常规气体环形扩散空间19。常规气体环形扩散空间19是脉管座16嵌入热端换热器13底部凹台33后，常规过渡面20与集成狭缝14底部端面所围而成的环形空间，气体在常规气体环形扩散空间19中扩散，并经由常规过渡面20转折90度，在集成狭缝14导流换热后进入蓄冷器2，从而完成进气过程。如图3所示，同轴型脉冲管制冷机的常规进气结构的缺点主要体现在其形状或构造对流体产生的阻力上:
I)工作气体流出常规进气通道18时，由其结构致流动截面突然扩大，会产生紊流乃至射流，从而引起较大的不可逆损失；2)气体在常规气体扩散空间19进行扩散时，流动方向转折90度，由于常规过渡面20的形状导致气体过渡不畅，引起较大局部阻力。
发明内容
鉴于上述已有技术中存在的缺点，本发明提出一种适用于同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构及制造方法。本发明的目的在于，针对脉冲管制冷机的同轴型布置，在压缩机I和蓄冷器2之间设计一个流线形进气结构，通过优化进气结构的形状和结构，使气流在通过进气结构时的流动阻力和紊流扰动最小，从而提升同轴型脉冲管制冷机的整机效率。图4给出了所发明的同轴型脉冲管制冷机的流线型进气结构示意图。同轴型脉冲管制冷机的流线型进气结构包括连管9，扩压结构22，脉管座16等部件。脉管座16嵌入热端换热器13底部凹台33，其肩部的椭圆过渡面27上端与集成狭缝14底部端面平齐。椭圆过渡面27围绕脉管座16中心线呈环形面，其作用为引导气体进行扩散并使气体自然过渡进入集成狭缝14 ;椭圆过渡面27与集成狭缝14底部端面所围空间形成气体环形扩散空间26。扩压结构22嵌入热端换热器13右端方形通孔36内，流线形内表面25出口下端与椭圆过渡面27下端边缘平齐，流线形内表面25出口上端与集成狭缝14底部端面平齐；扩压结构22通过在焊接点五23钎焊密封与热端换热器13联结为一体；连管9嵌入扩压结构22右端小凹台30，并在焊接点四21钎焊密封连接。从而形成同轴型脉冲管制冷机的流线型进气结构。图5给出了采用所发明的流线型进气结构的同轴型脉冲管制冷机示意图。其中，如图6所示，扩压结构22总体呈长方体，右端有深约0.5mm小凹台30与连管9进行耦合；扩压结构22由槽结构剖面件一 28和槽结构剖面件二 29在焊接点六31和焊接点七32 —周焊接而成；槽结构剖面件一 28和槽结构剖面件二 29为对称结构，槽面以流线形型线为基准，要求槽面光滑，两者配合时配合面要紧密贴合，通过焊接联结为一体后形成流线形内表面25，其所围空间形成气体扩压空间24。图7给出了槽结构剖面件一 28的槽面流线形型线的示意图，如图所示，槽面流线形型线mabcdk由入口过渡段ma，流线形扩压段abed和出口过渡段dk组成，流线形扩压段abed分别与入口过渡段ma、出口过渡段dk相切于点a、点d。其中流线形扩压段abed包括椭圆弧ab、cd及线段be,椭圆弧ab与椭圆弧cd以线段be中点呈中心对称,线段be光滑的将椭圆弧ab、cd相连接。图8给出了与扩压结构22耦合的热端换热器13的示意图，与常规进气结构相比，热端换热器13右端的常规进气通道18改进为方形通孔36，扩压结构22外形尺寸与方形通孔36截面尺寸相匹配。本发明的特点如下:I)所述的同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构在常规进气结构基础上，以扩压结构取代常规的进气通道，以渐扩的流线形型线减小截面突变趋势，使流场因截面突变产生的剧烈扰动降低，因而减少了流动的局部阻力，使进气压力损失减小；2)采用脉管座肩部的椭圆过渡面引导气流扩散，使气体流向转折时自然过渡，减少气流剧烈转向的局部阻力，使气体压力损失减小；3)针对脉冲管制冷机振荡气流流动特点，所述同轴脉冲管制冷机的流线形进气结构采用对称性结构，有利于减少脉冲管制冷机振荡气流在进气结构造成的损失。上述结构特点将同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构对气流的影响降低，特别是扩压结构22及脉管座椭圆过渡面27的采用，在制冷机内部气流振荡的条件下，使气流由于流动截面突变造成的压力损失最小化，并引导气流扩散及自然过渡完成流动转向，有利于气流流场的流畅平滑，减少气流因进气产生的扰动，从而提高同轴型脉冲管制冷机的整体性能。
图1为脉冲管制冷机的三种布置方法示意图，其中图1 (a)为直线型布置，图1(b)为U型布置，图1 (C)为同轴型布置。图2为采用常规进气结构的同轴型脉冲管制冷机示意图。图3为同轴型脉冲管制冷机常规进气结构示意图。图4为同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构示意图。图5为采用流线形进气结构的同轴型脉冲管制冷机示意图。图6为扩压结构22示意图，其中图6 (a)为扩压结构22剖视图，图6 (b)为扩压结构22右视图。图7为槽结构剖面件一 28槽面流线形型线示意图。图8为热端换热器13示意图。其中图8 Ca)为热端换热器13剖视图；图8 (b)为热端换热器13的A-A剖视图。其中:I为压缩机，2为蓄冷器，3为脉冲管，4为调相装置，5为气库，6为密封圈一，7为压缩机端连管接头,8为焊接点一,9为连管，10为焊接点二，11为蓄冷器端连管接头，12为密封圈二，13为热端换热器，14为集成狭缝，15为焊接点三，16为脉管座，17为密封圈三，18为常规进气通道，19为常规气体环形扩散空间，20为常规过渡面，21为焊接点四，22为扩压结构，23为焊接点五，24为气体扩压空间，25为流线形内表面，26为气体环形扩散空间，27为椭圆过渡面，28为槽结构剖面件一，29为槽结构剖面件二，30为右端小凹台，31为焊接点六，32为焊接点七，33为底部凹台，34为通孔，35为顶部凹台，36为方形通孔。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步的详细说明。所发明的同轴型脉冲管制冷机的流线型进气结构如图4所示，包括连管9，扩压结构22，脉管座16等部件。在脉管座16肩部以基线为基准精车得到椭圆过渡面27，椭圆过渡面27的基线为一段椭圆弧，是所在椭圆的1/4段，起止点分别为所在椭圆的长短轴端点；脉管座16紧配嵌入热端换热器13底部凹台33，椭圆过渡面27的上端与集成狭缝14底部端面平齐，通过密封圈三17进行密封；扩压结构22嵌入热端换热器13右端的方形通孔36，其流线形内表面25出口上端与集成狭缝14底部端面平齐，出口下端与椭圆过渡面27下端边缘平齐；扩压结构22与热端换热器13通过在焊接点五23处焊接密封联结；连管9左端嵌入扩压结构22右端小凹台30，并在焊接点四23处钎焊密封联结。
扩压结构22由对称的槽结构剖面件一 28和槽结构剖面件二 29组成，如图6所示，槽结构剖面件一 28和槽结构剖面件二 29均为以流线形型线为基准、通过数控机床精铣截面为半圆的槽结构加工而成，槽面粗糙度控制在0.05 0.1_，两者配合面平面度控制在
0.03mm以下。槽结构剖面件一 28和槽结构剖面件二 29紧密贴合后在焊接点六31与焊接点七32 —周进行清洁钎焊使连接为一体。焊接完成后，在扩压结构22右端入口车深度约
0.5mm的小凹台30，小凹台30的直径略小于连管9外径。以槽结构剖面件一 28为例，图7给出了流线形内表面25的基线流线形型线mabcdk的示意图。槽面流线形型线mabcdk包括入口过渡段ma,流线形扩压段abed和出口过渡段dk，流线形扩压段abed包括椭圆弧ab、Cd及线段bc，图中点k位于扩压结构22左端面，所在水平面与集成狭缝14底部端面平齐；点m位于扩压结构22右端面，与连管9内孔顶部对齐；点X与点k在同一水平线上，点X距扩压结构右端面距离约为扩压结构22左右端面距离的1/4 ;点X为椭圆弧ab所在椭圆圆心，其中点a、点e分别为椭圆短轴、长轴端点；点f、点g的位置关系分别为fx=xe, ga=af,点h为线段ge的中分线与xe连线的交点，点b为过h的垂线与椭圆xae的交点。点d与点k位于同一水平线，点y与点m位于同一水平线，点I与点k分别为椭圆弧Cd所在椭圆的圆心与短轴端点，线段be与椭圆弧Cd相切于点C。图8给出了与扩压结构22耦合的热端换热器13示意图，与常规进气结构相比，在热端换热器13右端原先的常规进气通道18中心采用线切割工艺加工方形通孔36，其截面尺寸与扩压结构22外形尺寸相匹配。
权利要求
1.一种同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构，包括连管(9)、扩压结构(22)和脉管座(16)，其特征在于，脉管座(16)嵌入热端换热器(13)底部凹台(33)，椭圆过渡面(27)上端与集成狭缝(14)底部端面平齐；扩压结构(22)嵌入热端换热器(13)右端方形通孔(36)内，扩压结构(22)流线形内表面(25)出口下端与椭圆过渡面(27)下端边缘平齐，扩压结构(22)流线形内表面(25)出口上端与集成狭缝(14)底部端面平齐，扩压结构(22)与热端换热器(13)通过在焊接点五(23)钎焊密封并联结为一体；连管(9)嵌入扩压结构(22)右端小凹台(30)，并在焊接点四(21)钎焊密封连接；扩压结构(22)由对称的槽结构剖面件-(28)和槽结构剖面件二( 29 )组成，槽结构剖面件一(28 )和槽结构剖面件二( 29 )的槽面以流线形型线为基准，要求槽面光滑，配合面平整，两者配合时配合面要紧密贴合，并通过焊接联结为一体，形成流线形内表面(25)，其所围空间形成气体扩压空间(24);椭圆过渡面(27)基准线为椭圆弧，围绕脉管座(16)中心线呈环形面，并与集成狭缝(14)底部端面形成气体环形扩散空间(26)，从而形成同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构。
2.一种如权利要求1所述的同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构的制造方法，其特征在于，在脉管座(16)肩部精车，得到椭圆过渡面(27)，椭圆过渡面(27)的基线椭圆弧为所在椭圆的1/4弧段，起止点分别为所在椭圆的长短轴端点；脉管座(16)嵌入热端换热器(13)底部凹台(33)，椭圆过渡面(27)上端与集成狭缝(14)底部端面平齐；脉管座(16)与热端换热器(13 )通过密封圈三(17 )进行密封；扩压结构(22 )由槽结构剖面件一(28 )和槽结构剖面件二(29)组成，两者为对称件，以流线形型线为基准通过数控机床精铣截面为半圆的槽结构加工而成，槽面粗糙度控制在0.05 0.1mm,配合面平面度控制在0.03mm以下，两者紧密贴合后在焊接点六(31)与焊接点七(32)—周钎焊连接为一体，在扩压结构(22)右端入口处车深度约0.5mm的小凹台(30)，其直径略小于连管(9)外径；扩压结构(22)嵌入热端换热器(13)右端方形通孔(36)，其流线形内表面(25)出口上端与集成狭缝(14)底部端面平齐，出口下端与椭圆过渡面(27)下端边缘平齐；通过在焊接点五(23)的焊接使扩压结构(22)与热端换热器(13)密封联结；连管(9)左端嵌入扩压结构(22)右端的小凹台(30),在焊接点四(23)钎焊密封联结。
全文摘要
本发明公开了一种同轴型脉冲管制冷机的流线形进气结构及制造方法，包括连管、扩压结构、脉管座，其中扩压结构流线形内表面构成进气结构的气体扩压空间，椭圆过渡面以及集成狭缝底部端面构成进气结构的气体环形扩散空间。本发明扩压结构内表面流线形型线及椭圆过渡面的采用，减小了同轴型脉冲管制冷机进气结构中气体流动截面突变造成的局部阻力损失，有利于气体扩散进入集成狭缝前的自然过渡，从而提升制冷机的整体性能。
文档编号F25B9/14GK103196255SQ20131009839
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者党海政, 宋宇尧, 周炳露 申请人:中国科学院上海技术物理研究所