一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器及实现方法

本发明属于制冷与低温工程领域，涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器及实现方法。

背景技术：

脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，它取消了常规回热式制冷机在低温区的运动部件，具有可靠性高、机械振动小、工作寿命长、制冷效率高、电磁噪声低等突出优点，被公认为新一代长寿命回热式低温制冷机，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。

根据蓄冷器和脉冲管的相互关系，可将脉冲管制冷机分为如下三种典型布置方式，即直线型、u型、同轴型。如图1所示，其中(a)为直线型，(b)为u型，(c)为同轴型。直线型布置是指脉冲管和蓄冷器布置于一条直线上，u型布置是指脉冲管和蓄冷器平行布置，同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心布置。一般而言，直线型布置由于气流在冷端不需要折返，流动损失和死体积都最小，因而在三种布置中制冷效率最高，但其结构在三种布置中最为松散，结构长宽比大。同轴型布置在三种布置中结构最为紧凑，而且冷端处于一端，在应用实践中得到广泛应用，其缺点是气流在冷端需要产生180°的折返，流动损失和死体积都较大，一般情况下在三种布置方式中效率最低，且对设计要求较高。u型布置的结构紧凑程度处于直线型和同轴型之间，它的冷端处于一端，但是因为蓄冷器和脉冲管平行布置，所以冷端换热器一般都较大，且在该种布置形式中气流在冷端同样需要180°的折返，其制冷效率一般处于直线型和u型之间。

根据多级脉冲管冷指的级间耦合形式，又可将多级脉冲管制冷机分为热耦合型(如图2)与气耦合型(如图3)两大类。热耦合型结构设计简单，各级之间通过热桥进行连接，具有级间影响较小、内部流量易于控制等优势，但一般需要多台压缩机驱动，需要的压缩机数量也随着级数而增加，并且通过热桥连接的换热存在较大的不可逆损失，因此系统整体体积较大，效率相对较低。而气耦合型布置方式避免了热桥等热连接，因而结构紧凑、制冷效率也相对较高，在实际应用中有着很大优势，但是由于各级低温端存在气体分流，各级气体流量及压力难以调控，因而级间影响较为明显，因而设计难度较高。

其中，冷端换热器是气耦合脉冲管制冷机设计中的关键部件，它既是一、二级冷指气体工质的通道，也是一级冷端与二级蓄冷器热端换热的场所，在理想情况下，它需要实现以下四方面的功能：

1)高效换热。换热器性能直接影响前级冷端与后级蓄冷器热端的换热效率，从而影响多级脉冲管制冷机的制冷能力，因此实现热量的高效交换尤为重要，这就需要能在有限的体积下实现较大换热面积的几何结构。

2)流量分配。多级气耦合脉冲管制冷机前后级工作于不同温区，并且前后各级阻力各不相同，换热器在提供高效换热的同时，还应具备前后级流量分配的功能。这就需要根据换热器不同出口后的阻力来设计内部气体流动通道，从而实现前后级冷指之间的高效匹配。

3)控制流动。最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态，以维持脉冲管内部气体活塞。避免前级蓄冷器流出的气体在分别流入前级脉冲管和后级蓄冷器时产生回流及混流，导致气体工质混合不均匀。同时保证气体工质反向流入蓄冷器时，避免由于流速不均造成的蓄冷器换热不均，以提蓄冷器的工作效率。

4)减少流动损失。脉冲管制冷机的蓄冷器和脉冲管往往具有不同的截面直径，变截面处不能产生较大的压力损失，这就需要实现变截面的有效过渡。而对于u型布置的冷指，还存在气体工质流动方向倒转180°所带来的压力损失，这就需要连贯紧凑的流道结构，以减小空体积和流动损失。

而目前常规的气耦合脉冲管制冷机的冷端换热器还远未达到这些要求，相关技术依旧存在较大空缺。

技术实现要素：

鉴于现有研究和技术的不足，本发明提出一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器及实现方法。

本发明的目的在于，在气耦合脉冲管制冷机的冷端设计一个内部走气的通道式狭缝换热器。首先，将脉冲管与蓄冷器之间的气体通道整合到换热器内部，实现有限的体积内最大限度地增加换热面积；其次，实现气体工质的自然分流，防止第一级蓄冷器的气体在分流至一级脉冲管和二级蓄冷器时产生混流，保证气体流动的均匀性；第三，换热器内部实现由较大直径的蓄冷器到较小直径的脉冲管及第二级蓄冷器的自然过渡，避免出现有害传热的死体积，使传热性能最大化；第四，变截面式锥形狭缝的自然过渡可有效减小气体工质流动方向改变时的压力损失；第五，最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态。

所发明的气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器由换热器外壳一1、换热器外壳二9、锥形狭缝体一17、锥形狭缝体二13、贯通孔一4、贯通孔二12、层流元件一5、层流元件二18、层流元件三14、槽道一6、槽道二7、堵头8组成。其特征在于，将换热器外壳一1与换热器外壳二9作为冷端换热器的主换热面以及前后级冷指的气耦合接口，通过在换热器外壳一1与换热器外壳二9内部切割狭缝，并在换热器外壳一1内部加工槽道一6与槽道二7，实现第一级蓄冷器16、第一级脉冲管11以及第二级蓄冷器3之间的连接，并保护内部的锥形狭缝体一17、贯通孔一4、锥形狭缝二13、贯通孔二12、槽道一6以及槽道二7。在换热器外壳一1左半部中心处铣出直径为2.5mm～4.5mm的贯通孔一4，其上、下端面分别与换热器外壳一1的上、下端面齐平；从换热器外壳一1右侧面铣出2mm～3mm的槽道一6，使其左侧与贯通孔一4连通；在贯通孔一4左侧均匀切割锥形狭缝体一17，其上端面长度略小于第二级蓄冷器3下端面的半径，下端面长度略小于第一级蓄冷器16上端面的半径；沿贯通孔一4圆周在与槽道一6不连通部分均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制在0.1～0.2mm之间，条数控制在24～50条之间，具体情况视第二级蓄冷器3及其后阻力与第一级脉管11及其后阻力的比值而定。

在换热器外壳二9上端面中心处均匀切割出锥形狭缝体二13，其上端面直径为6～10mm，下端面直径略小于第一级脉管11的内径；围绕锥形狭缝体二13上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制在0.1～0.15mm之间，条数控制在24～48条之间，具体情况视加工精度与第一级脉管11及其后阻力而定；在锥形狭缝体二13的中心线处设置一个直径为1.5mm～3mm的贯通孔二12，其上、下端面分别与锥形狭缝二13的上、下端面齐平。在锥形狭缝体二13正上方铣出圆形槽道二7，其圆周直径略大于锥形狭缝体二13上端面直径，且一端与槽道一6连通；在槽道一6右侧设置堵头8，从而共同形成一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器。

换热器外壳一1与换热器外壳二9均为紫铜材质，在换热器外壳一1的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体一17，锥形狭缝体一17锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级蓄冷器16的内径，小端面直径略小于第二级蓄冷器3的内径；在换热器外壳二9的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体二13，锥形狭缝体二13锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级脉冲管11的内径，小端面直径约为6～10mm；分别在锥形狭缝体一17和锥形狭缝体二13的中心处设置中空的贯通孔一4与贯通孔二12，锥形狭缝体一17的狭缝沿贯通孔一14圆周与槽道一6不连通的部分沿圆周240°～270°均匀切割；锥形狭缝体二13的狭缝围绕贯通孔二12沿圆周360°均匀切割；第一级蓄冷器16插入换热器外壳一1内部3～7mm，在两者空隙部分放置环形底座二15，环形底座二15与第一级蓄冷器16以及换热器外壳一1下端面根部凹槽紧贴；第二级蓄冷器3插入换热器外壳一1内部3～7mm，在两者空隙部分放置环形底座一2，环形底座一2与第二级蓄冷器3以及换热器外壳一1上端面根部凹槽紧贴；第一级脉冲管11插入换热器外壳二9内部3～6mm，在两者空隙部分放置环形底座三10，环形底座三10与第一级脉冲管11以及换热器外壳二9下端面根部凹槽紧贴；堵头8为紫铜材质，右端面与换热器外壳一1右侧面齐平，左端面与槽道二7侧面相接；槽道二7直径略大于锥形狭缝体二13直径，一侧与槽道一6连通，轴线与贯通孔二12轴线重合；槽道一6左侧与贯通孔一4连通；在第一级蓄冷器16与换热器外壳一1、第二级蓄冷器3与换热器外壳一1以及第一级脉冲管11与换热器外壳二9之间分别放置约2～3mm厚的层流元件二18、层流元件一5以及层流元件三14；各环形底座两端面、换热器外壳一1与换热器外壳二9以及换热器外壳一1与堵头8均通过洁净钎焊技术沿圆周焊接；实现第一级蓄冷器16、第二级蓄冷器3、第一级脉冲管11、换热器外壳一1以及换热器外壳二9之间的连接，从而形成一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器。

本发明的优点在于：

1)将所有气体通道全部设置在换热器内部，实现换热器体积的最小化。通过合理的槽道布置，防止换热器内部混流、回流的产生，保证气体分布的均匀性，实现气体工质的自然分流；

2)在不等直径间设置锥形狭缝换热，实现了有限体积下换热面积的最大化，从而保证了气体工质与冷端换热器的高效换热；

3)紧凑连贯的结构设计，由较大直径的第一级蓄冷器到较小直径的第一级脉冲管及第二级蓄冷器的自然过渡，避免出现有害传热的死体积，有效减小热阻损失的同时，有效减小气体工质流动方向改变时的压力损失；

4)经过换热器及层流元件的强制整流，最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态。

利用上述优点设计出的冷端换热器应用于多级气耦合脉冲管制冷机，可显著提高制冷机整体性能,对实现脉冲管制冷机的紧凑性和实用化等方面都具有非常积极的意义。

附图说明

图1为脉冲管制冷机的三种冷指布置方式示意图，其中(a)为直线型，(b)为u型，(c)为同轴型；

图2为热耦合式多级脉冲管结构示意图；

图3为气耦合式多级脉冲管结构示意图；

图4为所发明的气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器的局部剖视图；

图5为所发明的气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器外壳一的整体示意图，其中(a)为俯视图，(b)为仰视图，(c)为剖面图；

图6为所发明的气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器外壳二的整体示意图，其中(a)为右视图，(b)为左视图，(c)为剖面图。

图7为堵头的结构图，其中(a)为右视图，(b)为左视图，(c)为主视图。

其中：1为换热器外壳一；2为环形底座一；3为第二级蓄冷器；4为贯通孔一；5为层流元件一；6为槽道一；7为槽道二；8为堵头；9为换热器外壳二；10为环形底座三；11为第一级脉冲管；12为贯通孔二；13为锥形狭缝体二；14为层流元件三；15为环形底座二；16为第一级蓄冷器；17为锥形狭缝体一；18为层流元件二；19为热耦合型脉冲管第一级蓄冷器；20为热耦合型脉冲管第一级热桥；21热耦合型脉冲管第一级冷端换热器；22为热耦合型脉冲管第一级脉冲管；23为热耦合型脉冲管第一级调相机构；24为热耦合型脉冲管第二级调相机构；25为热耦合型脉冲管第二级脉冲管；26为热耦合型脉冲管第三级调相机构；27为热耦合型脉冲管第三级脉冲管；28为热耦合型脉冲管第三级冷端换热器；29为热耦合型脉冲管第二级冷端换热器；30为热耦合型脉冲管第二级热桥；31为热耦合型脉冲管第三级蓄冷器；32为热耦合型脉冲管第二级蓄冷器；33为气耦合型脉冲管第一级调相机构；34为气耦合型脉冲管第二级脉冲管；35为气耦合型脉冲管第二级热桥；36为气耦合型脉冲管第三级蓄冷器；37为气耦合型脉冲管第三级热桥；38为气耦合型脉冲管第三级脉冲管；39为气耦合型脉冲管第三级调相机构；40为气耦合型脉冲管第一级热桥；41为气耦合型脉冲管第一级脉冲管；42为气耦合型脉冲管第一级调相机构；43为锥形狭缝；44为堵头根部；45为堵头头部。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

图4为所发明的气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器的局部剖视图。所发明的气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器由换热器外壳一1、换热器外壳二9、锥形狭缝体一17、锥形狭缝体二13、贯通孔一4、贯通孔二12、层流元件一5、层流元件二18、层流元件三14、槽道一6、槽道二7、堵头8组成。其特征在于，将换热器外壳一1与换热器外壳二9作为冷端换热器的主换热面以及前后级冷指的气耦合接口，通过在换热器外壳一1与换热器外壳二9内部切割狭缝，并在换热器外壳一1内部加工槽道一6与槽道二7，实现第一级蓄冷器16、第一级脉冲管11以及第二级蓄冷器3之间的连接，并保护内部的锥形狭缝体一17、贯通孔一4、锥形狭缝二13、贯通孔二12、槽道一6以及槽道二7。在换热器外壳一1左半部中心处铣出直径为4mm的贯通孔一4，其上、下端面分别与换热器外壳一1的上、下端面齐平；从换热器外壳一1右侧面铣出3mm的槽道一6，使其左侧与贯通孔一4连通；在贯通孔一4左侧均匀切割锥形狭缝体一17，其上端面长度略小于第二级蓄冷器3下端面的半径，下端面长度略小于第一级蓄冷器16上端面的半径；沿贯通孔一4圆周在与槽道一6不连通部分均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制在0.2mm，条数控制为36条，具体情况视第二级蓄冷器3及其后阻力与第一级脉管11及其后阻力的比值而定。

在换热器外壳二(9)上端面中心处均匀切割出锥形狭缝体二13，其上端面直径为8mm，下端面直径略小于第一级脉管11的内径；围绕锥形狭缝体二13上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制在0.12mm，条数控制为48条，具体情况视加工精度与第一级脉管11及其后阻力而定；在锥形狭缝体二13的中心线处设置一个直径为3mm的贯通孔二12，其上、下端面分别与锥形狭缝二13的上、下端面齐平。在锥形狭缝体二13正上方铣出圆形槽道二7，其圆周直径略大于锥形狭缝体二13上端面直径，且一端与槽道一6连通；在槽道一6右侧设置堵头8，从而共同形成一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器。

换热器外壳一1与换热器外壳二9均为紫铜材质，在换热器外壳一1的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体一17，锥形狭缝体一17锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级蓄冷器16的内径，小端面直径略小于第二级蓄冷器3的内径；在换热器外壳二9的内部使用慢走丝线切割技术切割出锥形狭缝体二13，锥形狭缝体二13锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级脉冲管11的内径，小端面直径约为8mm；分别在锥形狭缝体一17和锥形狭缝体二13的中心处设置中空的贯通孔一4与贯通孔二12，锥形狭缝体一17的狭缝沿贯通孔一14圆周与槽道一6不连通的部分沿圆周240°～270°均匀切割；锥形狭缝体二13的狭缝围绕贯通孔二12沿圆周360°均匀切割；第一级蓄冷器16插入换热器外壳一1内部7mm，在两者空隙部分放置环形底座二15，环形底座二15与第一级蓄冷器16以及换热器外壳一1下端面根部凹槽紧贴；第二级蓄冷器3插入换热器外壳一1内部6mm，在两者空隙部分放置环形底座一2，环形底座一2与第二级蓄冷器3以及换热器外壳一1上端面根部凹槽紧贴；第一级脉冲管11插入换热器外壳二9内部6mm，在两者空隙部分放置环形底座三10，环形底座三10与第一级脉冲管11以及换热器外壳二9下端面根部凹槽紧贴；堵头8为紫铜材质，右端面与换热器外壳一1右侧面齐平，左端面与槽道二7侧面相接；槽道二7直径略大于锥形狭缝体二13直径，一侧与槽道一6连通，轴线与贯通孔二12轴线重合；槽道一6左侧与贯通孔一4连通；在第一级蓄冷器16与换热器外壳一1、第二级蓄冷器3与换热器外壳一1以及第一级脉冲管11与换热器外壳二9之间分别放置约2.5mm厚的层流元件二18、层流元件一5以及层流元件三14；各环形底座两端面、换热器外壳一1与换热器外壳二9以及换热器外壳一1与堵头8均通过洁净钎焊技术沿圆周焊接；实现第一级蓄冷器16、第二级蓄冷器3、第一级脉冲管11、换热器外壳一1以及换热器外壳二9之间的连接，从而形成一种气耦合脉冲管制冷机通道式冷端换热器。