同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構，該結構主基座、壓縮機、連管、調相機構、T型散熱支撐平臺、主換熱器、次換熱器、蓄冷器、脈沖管、冷端換熱器、紅外器件、冷屏、器件杜瓦以及杜瓦窗口組成。使用該專利的耦合結構可以充分發揮同軸脈管制冷機的結構優點，實現整體系統的緊湊性和高可靠，對同軸脈管制冷機在冷卻紅外器件的實用化方面具有非常積極的意義。
【專利說明】同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構
【技術領域】
[0001]本專利屬于制冷與低溫工程領域，涉及脈管制冷機，特別涉及一種同軸脈管制冷機與紅外器件的耦合結構。
【背景技術】
[0002]脈管制冷機是對回熱式低溫制冷機的一次重大革新，它取消了廣泛應用于常規回熱式低溫制冷機(如斯特林和G-M制冷機)中的冷端排出器，而以熱端調相機構的運作來實現制冷所需的相位差。冷端運動部件的完全取消，實現了冷端的低振動、低干擾和無磨損；而經過結構和調相方式上的重要改進，在一些典型溫區，其實際效率也已經達到回熱式低溫制冷機中的最高值。這些顯著優點使得脈管制冷機成為20余年來低溫機械制冷機研究的一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業和低溫醫療業等方面都獲得了廣泛的應用。
[0003]根據脈管與蓄冷器的相互關系不同，脈管制冷機可分為如下三種典型布置方式，如圖1所示:其中(I)為U型，(2)為同軸型，(3)為直線型。由圖1可以看出，三類脈管制冷機都主要由壓縮機、連管、蓄冷器熱端換熱器、蓄冷器、冷頭、脈管、脈管熱端換熱器以及調相機構組成，其中冷頭是脈管制冷機的應用端，與被冷卻器件耦合。直線型布置中脈管和蓄冷器處于一條直線上;U型布置是指脈管和蓄冷器平行布置，脈管和蓄冷器的冷端通過管道連接；同軸型布置是指脈管和蓄冷器同心地布置在一起。
[0004]由圖1可以看出，在脈管制冷機的三種典型布置方式中，同軸型的結構是最為緊湊的，它的低溫端直接突出，形成一個垂直冷指，與曾經獲得廣泛應用的斯特林制冷機的冷指十分相似，因而可以直接采用已經成熟的插入式杜瓦，冷頭應用端與器件耦合十分方便，并且可以直接借鑒成熟的技術。所以，當技術的發展使得脈管制冷機成為其它常規的回熱式低溫制冷機如斯特林機的更新換代品種時，同軸型脈管制冷機便在實踐中最先獲得廣泛的應用。最近20余年來，對低溫紅外器件的冷卻，成為脈管制冷機在航天領域的最大應用。因而，發揮同軸型脈管制冷機與器件耦合方便的特點，使之形成緊湊、可靠的耦合結構，便成為相關應用領域關注的焦點之一。
[0005]由圖1可以看出，同軸脈管制冷機可以大致分為四部分，即壓縮機、連管、同軸型脈管冷指(主要由蓄冷器熱端換熱器、蓄冷器、冷頭、脈管、脈管熱端換熱器組成)以及調相機構(可以是小孔、閥門、噴嘴、慣性管、氣庫或者上述不同部件之間的組合體)。同軸脈管制冷機與紅外器件的耦合任務，便是如何有效地組織這四大部分，從而與紅外器件形成緊湊、可靠、高效的耦合結構。
【發明內容】
[0006]本專利提出一種同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構。
[0007]本發明的結構由主基座1、壓縮機2、連管3、調相機構4、T型散熱支撐平臺5、主換熱器6、次換熱器7、蓄冷器8、脈沖管9、冷端換熱器10、紅外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口 14組成。主基座I作為整個耦合結構的支撐基座，同時充當壓縮機2和調相機構4的散熱結構；壓縮機2采用雙活塞對置式結構；在壓縮機2的上表面安裝T型散熱支撐平臺5，作為同軸脈管制冷機熱端的主要散熱結構，同時對主換熱器6進行垂直支撐；次換熱器7從下部同心地插入主換熱器6之內并焊接連接；連管3的一端通過T型散熱支撐平臺5的貫通孔18與壓縮機2的出口連接，連管3的另一端與主換熱器6連接，并通過主換熱器6與次換熱器7之間形成的環形間隙15與蓄冷器8連通；脈沖管9同心地插入蓄冷器8之中；蓄冷器8和脈沖管9的上端同心地插入冷端換熱器10內并連接，下端分別插入主換熱器6及次換熱器7內并連接；調相機構4的進口端與次換熱器7連接，并通過次換熱器7內的漏斗形孔道16與脈沖管9連通，調相機構4的末端固定到主基座I上；壓縮機2、連管3、調相機構4、主換熱器6、次換熱器7、蓄冷器8、脈沖管9以及冷端換熱器10共同組成了一臺同軸脈管制冷機；在冷端換熱器10的冷平臺24上放置待冷卻的紅外器件11 ;在冷端換熱器10及紅外器件11之上設置冷屏12，冷屏12上部開口正對杜瓦窗口 14 ;主換熱器6及其上設置的器件杜瓦13將蓄冷器8、冷端換熱器10、紅外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面與主換熱器6的上表面密封連接。從而共同構成一種同軸型脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構。
[0008]下面結合附圖對所發明的同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構的制造方法進行說明如下:
[0009]如圖2所示，主基座I由厚度為20?40mm的純鋁平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密車床、銑床和磨床加工保證處于1.0?5.0 μ m之間，平板水平放置，對整個耦合結構進行垂直支撐，同時充當壓縮機2和調相機構4的散熱結構。
[0010]如圖2所示，在壓縮機2之上安裝一個由高導熱鋁材制作的T型散熱支撐平臺5。如圖3所示，支撐平臺5由位于下部的支撐座19和上部的支撐平面17組成，中心加工出貫通孔18，支撐座19的下表面與壓縮機上表面焊接固定，支撐平面17的上表面使用精密車床、銑床和磨床加工保證平面度處于2.0?3.0 μ m之間，且與主基座I之間的平行度保持在1.0?2.0 μ m之間。
[0011]如圖2、圖4和圖5所示，連管3采用內徑2.0?6.0mm的純銅管制作而成，其一端與T型散熱支撐平臺5的貫通孔18采用真空釬焊技術焊接連接，另一端從主換熱器6下部的左貫通槽21引出，并采用真空釬焊技術焊接在主換熱器6，與主換熱器6及次換熱器7之間形成的環形間隙15連通。
[0012]如圖2、圖4和圖5所示，調相機構4可以是小孔、閥門、噴嘴、慣性管、氣庫或者上述不同部件之間的組合體，其進口端與次換熱器7使用真空釬焊技術焊接在一起，然后穿過主換熱器6下部的右貫通槽20引出，末端使用螺栓固定于主基座I上。
[0013]如圖4、圖5和圖6所示，主換熱器6和次換熱器7均采用高導熱的高純無氧銅材料制作，其中主換熱器6內部使用慢走絲線切割技術加工成一中空結構，次換熱器7從下部同心地插入主換熱器6內，二者之間的連接面使用真空釬焊技術焊接。次換熱器7內加工出漏斗形孔道16，漏斗形孔道16的漏斗開口內徑與脈沖管9的外徑相同，通過漏斗形孔道16實現調相機構4與脈沖管9之間的連通。主換熱器6和次換熱器7之間形成環形間隙15，連管3通過環形間隙15與蓄冷器8連通。
[0014]如圖2所示，主換熱器6的下端面與T型散熱支撐平臺5的上端面密切貼合，二者之間使用螺栓連接；蓄冷器8和脈沖管9的下端分別從上部同心地插入主換熱器6和次換熱器6之內，插入深度均保持在1.0?2.0mm之間，插入部位的接觸面均使用真空釬焊技術焊接。
[0015]如圖7所示，冷端換熱器10采用高導熱的無氧銅材料制作，內部使用慢走絲線切割技術均勻切割出狹縫，狹縫內壁形成凹槽22，狹縫之上形成焊接環面23，焊接環面23之上使用精密車床、銑床和磨床加工出一個平面度處于1.0?2.0ym之間的冷平臺24。
[0016]如圖8所示，蓄冷器8及脈沖管9同心地插入冷端換熱器10之內，其中蓄冷器8的管壁與焊接環面23的接觸面采用真空釬焊技術焊接，脈沖管9插入凹槽22內，插入深度保持在1.0?2.0mm之間，脈沖管9的外壁與的內壁接觸面采用過盈配合的方法緊配，過盈量為脈沖管9的外徑超過凹槽22的內徑處于0.02?0.04mm之間。
[0017]如圖2所示，在冷端換熱器10的冷平臺24上放置待冷卻的紅外器件11。在冷端換熱器10及紅外器件11之上設置一個壁厚為1.0?2.0mm的冷屏12，其下端使用螺釘固定于冷平臺24之上，上部開一個直徑為5.0?15.0mm圓形窗口，正對杜瓦窗口 14。器件杜瓦13的下端面與主換熱器6的上端面采用螺栓連接和“O”型橡膠圈密封，在器件杜瓦13內使用真空分子泵保持優于1.0X KT5Pa的真空度。
[0018]本發明的特點在于，使用該發明的耦合結構可以充分發揮同軸脈管制冷機的結構優點，實現整體系統的緊湊性和高可靠，對同軸脈管制冷機在冷卻紅外器件的實用化方面具有非常積極的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為脈管制冷機的三種典型布置方式示意圖；其中圖1 (I)是U型布置方式圖，圖1 (2)是同軸布置方式圖，圖1 (3)是直線布置方式圖。其中:25為壓縮機；26為連管；27為蓄冷器熱端換熱器；28為蓄冷器；29為冷頭；30為脈管；31為脈管熱端換熱器；32為調相機構。
[0020]圖2為所發明同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構的剖視圖；其中:1為主基座；2為壓縮機；3為連管；4為調相機構；5為T型散熱支撐平臺；6為主換熱器；7為次換熱器；8為蓄冷器；9為脈沖管；10為冷端換熱器；11為紅外器件；12為冷屏；13為器件杜瓦；14為杜瓦窗口。
[0021]圖3為T型散熱支撐平臺5的剖視圖；其中:17為支撐平面；18為貫通孔；19為支撐座。
[0022]圖4為主換熱器6的示意圖，其中圖4 (I)為主換熱器6的剖視圖，圖4 (2)為主換熱器6的立體圖。其中:20為右貫通槽；21為左貫通槽。
[0023]圖5為次換熱器7的剖視圖；其中:16為漏斗形孔道。
[0024]圖6為主換熱器6與次換熱器7組合剖視圖；其中:15為環形間隙。
[0025]圖7為冷端換熱器10的立體圖；其中:22為凹槽；23為焊接環面；24為冷平臺。
[0026]圖8為蓄冷器8和脈沖管9插入冷端換熱器10的局部放大剖視圖；其中:8為蓄冷器；9為脈沖管；10為冷端換熱器。
【具體實施方式】[0027]下面結合附圖及實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步地詳細說明:
[0028]所發明的同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構由主基座1、壓縮機2、連管3、調相機構4、T型散熱支撐平臺5、主換熱器6、次換熱器7、蓄冷器8、脈沖管9、冷端換熱器10、紅外器件11、冷屏12、器件杜瓦13以及杜瓦窗口 14組成。主基座I作為整個耦合結構的支撐基座，同時充當壓縮機2和調相機構4的散熱結構；壓縮機2采用雙活塞對置式結構；在壓縮機2的上表面安裝T型散熱支撐平臺5，作為同軸脈管制冷機熱端的主要散熱結構，同時對主換熱器6進行垂直支撐；次換熱器7從下部同心地插入主換熱器6之內并焊接連接；連管3的一端通過T型散熱支撐平臺5的貫通孔18與壓縮機2的出口連接，連管3的另一端與主換熱器6連接，并通過主換熱器6與次換熱器7之間形成的環形間隙15與蓄冷器8連通；脈沖管9同心地插入蓄冷器8之中；蓄冷器8和脈沖管9的上端同心地插入冷端換熱器10內并連接，下端分別插入主換熱器6及次換熱器7內并連接；調相機構4的進口端與次換熱器7連接，并通過次換熱器7內的漏斗形孔道16與脈沖管9連通，調相機構4的末端固定到主基座I上；壓縮機2、連管3、調相機構4、主換熱器6、次換熱器
7、蓄冷器8、脈沖管9以及冷端換熱器10共同組成了一臺同軸脈管制冷機；在冷端換熱器10的冷平臺24上放置待冷卻的紅外器件11 ;在冷端換熱器10及紅外器件11之上設置冷屏12，冷屏12上部開口正對杜瓦窗口 14 ;主換熱器6及其上設置的器件杜瓦13將蓄冷器
8、冷端換熱器10、紅外器件11以及冷屏12罩于其中；器件杜瓦13的下表面與主換熱器6的上表面密封連接。從而共同構成一種同軸型脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構。
[0029]所發明的同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構的制造方法可按如下方法實施:
[0030]如圖2所示，主基座I由厚度為30mm的純鋁平板制作而成，平板上下表面的平面度均使用精密車床、銑床和磨床加工保證為2.0ym之間，平板水平放置，對整個耦合結構進行垂直支撐，同時充當壓縮機2和調相機構4的散熱結構。
[0031]如圖2所示，在壓縮機2之上安裝一個由高導熱鋁材制作的T型散熱支撐平臺5。如圖3所示，支撐平臺5由位于下部的支撐座19和上部的支撐平面17組成，中心加工出貫通孔18，支撐座19的下表面與壓縮機上表面焊接固定，支撐平面17的上表面使用精密車床、銑床和磨床加工保證平面度為2.5 μ m、與主基座I之間的平行度為1.5μπι。
[0032]如圖2、圖4和圖5所示，連管3采用內徑3.0mm的純銅管制作而成，其一端與T型散熱支撐平臺5的貫通孔18采用真空釬焊技術焊接連接，另一端從主換熱器6下部的左貫通槽21引出，并采用真空釬焊技術焊接在主換熱器6，與主換熱器6及次換熱器7之間形成的環形間隙15連通。
[0033]如圖2、圖4和圖5所示，調相機構4可以是小孔、閥門、噴嘴、慣性管、氣庫或者上述不同部件之間的組合體，其進口端與次換熱器7使用真空釬焊技術焊接在一起，然后穿過主換熱器6下部的右貫通槽20引出，末端使用螺栓固定于主基座I上。
[0034]如圖4、圖5和圖6所示，主換熱器6和次換熱器7均采用高導熱的高純無氧銅材料制作，其中主換熱器6內部使用慢走絲線切割技術加工成一中空結構，次換熱器7從下部同心地插入主換熱器6內，二者之間的連接面使用真空釬焊技術焊接。次換熱器7內加工出漏斗形孔道16，漏斗形孔道16的漏斗開口內徑與脈沖管9的外徑相同，通過漏斗形孔道16實現調相機構4與脈沖管9之間的連通。主換熱器6和次換熱器7之間形成環形間隙15，連管3通過環形間隙15與蓄冷器8連通。
[0035]如圖2所示，主換熱器6的下端面與T型散熱支撐平臺5的上端面密切貼合，二者之間使用螺栓連接；蓄冷器8和脈沖管9的下端分別從上部同心地插入主換熱器6和次換熱器6之內，插入深度均為1.5mm,插入部位的接觸面均使用真空釬焊技術焊接。
[0036]如圖7所示，冷端換熱器10采用高導熱的無氧銅材料制作，內部使用慢走絲線切割技術均勻切割出狹縫，狹縫內壁形成凹槽22，狹縫之上形成焊接環面23，焊接環面23之上使用精密車床、銑床和磨床加工出一個平面度為1.5 μ m的冷平臺24。
[0037]如圖8所示，蓄冷器8及脈沖管9同心地插入冷端換熱器10之內，其中蓄冷器8的管壁與焊接環面23的接觸面采用真空釬焊技術焊接，脈沖管9插入凹槽22內，插入深度為1.5_，脈沖管9的外壁與的內壁接觸面采用過盈配合的方法緊配，過盈量為脈沖管9的外徑超過凹槽22的內徑0.03mm。
[0038]如圖2所示，在冷端換熱器10的冷平臺24上放置待冷卻的紅外器件11。在冷端換熱器10及紅外器件11之上設置一個壁厚為1.5mm的冷屏12，其下端使用螺釘固定于冷平臺24之上，上部開一個直徑為8.0mm圓形窗口，正對杜瓦窗口 14。器件杜瓦13的下端面與主換熱器6的上端面采用螺栓連接和“O”型橡膠圈密封，在器件杜瓦13內使用真空分子泵保持優于1.0X 10_5Pa的真空度。
【權利要求】
1.一種同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構，由主基座(I)、壓縮機(2)、連管(3)、調相機構(4)、T型散熱支撐平臺(5)、主換熱器(6)、次換熱器(7)、蓄冷器(8)、脈沖管(9)、冷端換熱器(10)、紅外器件(11)、冷屏(12)、器件杜瓦(13)以及杜瓦窗口(14)組成，其特征在于，主基座(I)作為整個耦合結構的支撐基座，同時充當壓縮機(2)和調相機構(4)的散熱結構；壓縮機(2)采用雙活塞對置式結構；在壓縮機(2)的上表面安裝T型散熱支撐平臺(5)，作為同軸脈管制冷機熱端的主要散熱結構，同時對主換熱器(6)進行垂直支撐；次換熱器(7 )從下部同心地插入主換熱器(6 )之內并焊接連接；連管(3 )的一端通過T型散熱支撐平臺(5)的貫通孔(18)與壓縮機(2)的出口連接，連管(3)的另一端與主換熱器(6)連接，并通過主換熱器(6)與次換熱器(7)之間形成的環形間隙(15)與蓄冷器(8)連通；脈沖管(9)同心地插入蓄冷器(8)之中；蓄冷器(8)和脈沖管(9)的上端同心地插入冷端換熱器(10)內并連接，下端分別插入主換熱器(6)及次換熱器(7)內并連接；調相機構(4)的進口端與次換熱器(7)連接，并通過次換熱器(7)內的漏斗形孔道(16)與脈沖管(9)連通，調相機構(4)的末端固定到主基座(I)上；壓縮機(2)、連管(3)、調相機構(4)、主換熱器(6)、次換熱器(7)、蓄冷器(8)、脈沖管(9)以及冷端換熱器(10)共同組成了一臺同軸脈管制冷機；在冷端換熱器(10 )的冷平臺(24)上放置待冷卻的紅外器件(11);在冷端換熱器(10)及紅外器件(11)之上設置冷屏(12)，冷屏(12)上部開口正對杜瓦窗口(14);主換熱器(6)及其上設置的器件杜瓦(13)將蓄冷器(8)、冷端換熱器(10)、紅外器件(11)以及冷屏(12)罩于其中；器件杜瓦(13)的下表面與主換熱器(6)的上表面密封連接，從而共同構成一種同軸脈管制冷機與紅外器件的緊湊式耦合結構。
【文檔編號】F25B9/14GK203533954SQ201320361107
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年6月21日 優先權日:2013年6月21日
【發明者】黨海政 申請人:中國科學院上海技術物理研究所