[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明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：

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。

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。

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。

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。

发明内容

鉴于上述已有技术中存在的缺陷，本发明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。

本发明的目的在于，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。

图1为所发明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；

图2为所发明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；

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；

图4为低压密封挡板5的剖视图；

图5为高压密封挡板12的剖视图；

图6为金属烧结体13的三维示意图。