极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器及制造方法，冷头换热器由冷头壳体、低压密封挡板、环形狭缝体、高压密封挡板以及金属烧结体组成。本发明专利技术以环形狭缝和烧结金属的方式实现了有限体积内的蒸发换热面积最大化，且通过在高压管末端设计具有节流微孔的密封挡板同时获取冷头内部节流和高低压分离，实现了节流部件和蒸发换热部件的集成化，对于低温节流制冷机在航空航天等特殊领域的应用具有非常积极的意义。域的应用具有非常积极的意义。域的应用具有非常积极的意义。

【技术实现步骤摘要】
极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器及制造方法


[0001]本专利技术属于制冷及低温工程领域，涉及极低温节流制冷机，特别涉及一种极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器及制造方法。

技术介绍

[0002]极低温节流制冷机利用气体工质节流后产生的节流效应获取极低温度，一般采用氦气工质，最低温度可达1K附近。极低温节流制冷机的冷头处设置有一节流阻力固定件，没有运动部件，因此在低温端消除了振动干扰，具有高可靠、易于微型化等特点。这些优点使得极低温节流制冷机成为近年来1K左右极低温区机械制冷机研究的热点，在量子通信、量子计算、超导物理等领域获得了广泛的应用。
[0003]本专利技术着眼于极低温节流制冷机中的冷头换热器，它是节流制冷机获取最低温度同时与外部负载进行换热的核心部件。理想情况下，极低温节流制冷机的冷头换热器要实现以下两方面的功能：
[0004]1)实现高效且稳定的节流过程。该过程伴随着流体工质压力和温度的突变，因此要求节流部件能提供持续稳定的流动阻力。
[0005]2)实现有限体积中的高效率蒸发换热。冷头蒸发器部件是与极低温制冷机负载进行热量交换的重要部件，因此实现高效率热交换尤其重要。另外为了能与微小尺寸的负载相匹配，冷头换热面往往也较小，这就需要在有限体积中实现较大换热面积的几何结构。
[0006]3)具有较小的漏热损失。特别是在1～2K的极低温度下，制冷量往往在毫瓦量级，这就要求冷头部件本身的漏热损失要降至最低。
[0007]目前常规的极低温节流制冷机中的冷头换热器仅有一个与负载换热的功能，而节流部件与冷头之间的距离相隔较远，造成了制冷位置与换热位置的相互脱离，使得极低温节流制冷机的冷端结构复杂，占据空间大且漏热损失增加，因而无法满足上述三方面的要求。

技术实现思路

[0008]鉴于上述已有技术中存在的缺陷，本专利技术提出一种极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器及制造方法。
[0009]本专利技术的目的在于，在极低温节流制冷机的冷端设计一个具有狭缝特征并填充金属烧结体的冷头换热器，首先，将高压密封挡板设置于冷头换热器内部，在冷头内部同时实现节流过程和高低压气流的分离；其次，在有限体积内最大限度地增加换热面积，实现高效率蒸发换热；最后，节流和蒸发部件统一集成在冷头换热器内部，减小了节流部件和蒸发器部件的尺寸，冷头结构更为紧凑，从而大大降低了传导和辐射漏热损失。
[0010]图1为所专利技术的极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器整体结构示意图；
[0011]图2为所专利技术的节流蒸发集成化冷头换热器与低压管7及高压管8耦合连接的剖视图；
[0012]图3(a)为冷头壳体1的三维示意图，图3(b)为冷头壳体1的剖视图；
[0013]图4为低压密封挡板5的剖视图；
[0014]图5为高压密封挡板12的剖视图；
[0015]图6为金属烧结体13的三维示意图。
[0016]所专利技术的极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器由冷头壳体1、低压密封挡板5、环形狭缝体10、高压密封挡板12以及金属烧结体13组成。冷头壳体1作为冷头换热器的主冷却换热面，保护内部的环形狭缝体10、高压密封挡板12和金属烧结体13，且实现低压密封挡板5的连接；冷头壳体1的下半部分加工成操场形状，在其左右两侧各加工出通孔2；在靠近右侧通孔2的位置处加工一测温孔3，用于放置测温装置；在冷头壳体1内部均匀切割出环形狭缝体10，环形狭缝围绕环形狭缝体10的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制在0.1～0.3mm之间，条数控制在15～25条之间；冷头壳体1的上班半部分右侧中心高度位置加工一旁通支路安装孔4，其深度为环形狭缝体10外径到冷头壳体1上半部分右端面的距离；在环形狭缝体10的内环底部设置一个金属烧结体13，外径与环形狭缝体10的内环直径相同，金属烧结体13高度约占环形狭缝体10高度的1/4；金属烧结体13上方设置一个倒U型的高压密封挡板12，其下底面与金属烧结体13的上端面紧密接触；高压密封挡板12下半部分加工出一个圆柱形的蒸发腔17，上半部分中心位置处加工出一节流微孔16，其直径控制在40～60μm之间，长度约为高压密封挡板12总高度的1/2；高压密封挡板12上侧连接高压管8，在交接部11处用焊接的方式将二者结合成一体，以使高压气流通过高压管8流入节流微孔16；冷头壳体1上侧中心位置设置一定位沉孔14，用于安装低压密封挡板5，且低压密封挡板5上端面与冷头壳体1上端面保持平齐，并在交接部6处以焊接的方式将二者结合成一体；低压密封挡板5上侧连接低压管7，且低压密封挡板5中心位置处的低压回流孔15内径与低压管7内径相同，在交接部9处用焊接的方式将二者结合成一体，从而形成极低温节流制冷机的节流蒸发集成化冷头换热器。
[0017]所专利技术的极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器的制造方法如下：
[0018]冷头壳体1使用高导热率的材料制作，其操场形状的下半部分长径比为2:1，在其左右两侧各加工出通孔2，孔径控制在2～2.5mm之间；在靠近右侧通孔2的位置处加工一测温孔3，孔径约为2.5mm，公差控制在
±
0.01mm；冷头壳体1内部使用慢走丝线切割技术切割出环形狭缝体10，其内圆直径与高压密封挡板12和金属烧结体13的外径相同，环形狭缝围绕环形狭缝体10的中心线沿360度均匀切割，狭缝宽度为0.1～0.3mm，切割完成的狭缝用塞规插入狭槽清理、修磨内部的毛刺，避免因翅片变形造成阻塞；冷头壳体1的上班半部分右侧中心高度位置加工一深度约4mm的旁通支路安装孔4；金属烧结体13采用导热系数高的金属粉末高温烧结而成，目数控制在80目到120目之间，其高度约占环形狭缝体10高度的1/4；高压密封挡板12中蒸发腔17的高度为2～3mm，采用精密打孔技术在高压密封挡板12上端面中心位置处加工节流微孔16，控制其直径在40～60μm之间，并保证其圆柱度为
±
2μm，以避免流体在经过其时发生流速突变；在高压密封挡板12的上端面与高压管8的交接部11处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来，实现高压管8与高压密封挡板12的连接；低压密封挡板5上端面与冷头壳体1上端面保持平齐，在二者交接部6利用洁净钎焊技术沿一周进行焊接将二者形成一个整体；在低压密封挡板5的上端面与低压管7的交接部9处使用洁净钎焊技术沿一周焊接起来，实现低压管7与低压密封挡板5的连接，进而将冷头换热器的其余部件冷
头壳体1、环形狭缝体10、高压密封挡板12、金属烧结体13以及高压管8结合成一个整体，从而形成极低温节流制冷机的节流蒸发集成化冷头换热器。
[0019]本专利技术的优点如下：
[0020]1)以一个部件同时实现了稳定节流和分离高低压气流的两个功能，直接在高压管末端连接高压密封挡板，使节流部件更为紧凑；
[0021]2)以切割环形狭缝体和填充金属烧结体的方式实现了在有限体积内的蒸发换热面积最大化，针对在极低温节流制冷机本身制冷机量较小的情况，有利于实现蒸发换热器在有限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极低温节流制冷机节流蒸发集成化冷头换热器，包括冷头壳体(1)、低压密封挡板(5)、环形狭缝体(10)、高压密封挡板(12)以及金属烧结体(13)组成，其特征在于：冷头壳体(1)作为冷头换热器的主冷却换热面，保护内部的环形狭缝体(10)、高压密封挡板(12)和金属烧结体(13)，且实现低压密封挡板(5)的连接；冷头壳体(1)的下半部分加工成操场形状，在其左右两侧各加工出通孔(2)；在靠近右侧通孔(2)的位置处加工一测温孔(3)，用于放置测温装置；在冷头壳体(1)内部均匀切割出环形狭缝体(10)，环形狭缝围绕环形狭缝体(10)的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制在0.1～0.3mm之间，条数控制在15～25条之间；冷头壳体(1)的上班半部分右侧中心高度位置加工一旁通支路安装孔(4)，其深度为环形狭缝体(10)外径到冷头壳体(1)上半部分右端面的距离；在环形狭缝体(10)的内环底部设置一个金属烧结体(13)，外径与环形狭缝体(10)的内环直径相同，金属烧结体(13)高度约占环形狭缝体(10)高度的1/4；金属烧结体(13)上方设置一个倒U型的高压密封挡板(12)，其下底面与金属烧结体(13)的上端面紧密接触；高压密封挡板(12)下半部分加工出一个圆柱形的蒸发腔(17)，上半部分中心位置处加工出一节流微孔(16)，其直径控制在40～60μm之间，长度约为高压密封挡板(12)总高度的1/2；高压密封挡板(12)上侧连接高压管(8)，在交接部(11)处用焊接的方式将二者结合成一体，以使高压气流通过高压管(8)流入节流微孔(16)；冷头壳体(1)上侧中心位置设置一定位沉孔(14)，用于安装低压密封挡板(5)，且低压密封挡板(5)上端面与冷头壳体(1)上端面保持平齐，并在交接部(6)处以焊接的方式将二者结合成一体；低压密封挡板(5)上侧连接低压管(7)，且低压密封挡板(5)中心位置处的低压回流孔(15)内径与低压管(7)内径相同，在交接部(9)处用焊接的方式将二者结合成一体，从而形成极低温节流制冷机的节流蒸发集...

【专利技术属性】
技术研发人员：党海政，张涛，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：