测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦及制造方法

摘要

本发明公开了一种测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦及制造方法，该标准杜瓦由真空罩、测量底座、波纹管、接线座、抽气接口、调节圈、安装座、柱状温度计、加热片组成，它将真空罩、加热片、温度计的功能集中于一体，可以方便快捷地对一定尺寸范围内的同轴型脉冲管制冷机制冷性能进行测量评价，最大限度地减少不同同轴型脉冲管制冷机间制冷性能对比的干扰因素，使不同制冷机之间的制冷性能具有更为科学可比性，同时节约测量制冷机制冷性能的时间和资源，并大幅度提高测量的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种杜瓦，特别涉及一种测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的 标准杜瓦及制造方法。

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，它取消了广泛应用 于常规回热式低温制冷机(如斯特林和G-M制冷机)中的冷端排出器，而以 热端调相机构的运作来实现制冷所需的相位差。冷端运动部件的完全取消，实 现了冷端的低振动、低干扰和无磨损；而经过结构和调相方式上的重要改进， 在一些典型温区，其实际效率也已经达到回热式低温制冷机中的最高值。这些 显著优点使得脉冲管制冷机成为30余年来低温机械制冷机研究的一大热门， 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。

根据脉冲管、蓄冷器、冷头的相互关系不同，脉冲管制冷机可分为如下三 种典型布置方式，如图1所示，其中(a)为同轴型结构，(b)为U型结构， (c)为直线型结构。由图1可以看出，直线型布置中脉冲管、脉冲管冷头、 蓄冷器处于一条直线上；U型布置是指脉冲管和蓄冷器平行布置，各自的冷端 连接到共同的脉冲管冷头之上；同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心地布置在 一起，各自的冷端连接到共同的脉冲管冷头之上。由图1可以看出，在脉冲管 制冷机的三种典型布置方式中，同轴型的结构是最为紧凑的，它的低温端紧凑 耦合在一起并突出，形成一个垂直冷指，与曾经获得广泛应用的斯特林制冷机 的冷指十分相似，因而可以直接采用已经获得成熟应用的插入式杜瓦，与器件 的耦合十分方便。所以，当技术的进步使得脉冲管制冷机成为其它常规的回热 式低温制冷机如斯特林机的更新换代品种时，同轴型脉冲管制冷机便在实践中 最先获得广泛的应用。

在一台同轴型脉冲管制冷机制作完毕并投入使用之前，需要对其制冷性能 做出系统的评价。目前普遍采用的是热平衡测量法。热平衡测量法即利用加热 装置，对制冷机冷头端面施加指定热量，通过调整制冷机输入功率，使制冷机 冷头端面温度稳定在指定温度点，此时制冷机冷头端面达到热平衡状态，加热 装置所施加的热量即等于制冷机在指定温度点所提供的净制冷量。

在测量与评价过程中，通常需要为不同的冷指单独制作杜瓦系统。首先， 由于每台制冷机冷指的情况一般都不相同，从而导致其相应的杜瓦系统也不相 同，因而，在大多数情况下，测量不同制冷机制冷性能时所使用的测量系统便 不尽相同；其次，在测量每台制冷机的制冷性能时，在冷指上放置包括加热片 和温度计在内的测量元件时，本过程中不可避免地受到较大的人为影响，如所 放置的相关测量元件的位置、与冷头端面的贴紧程度等因素都会对制冷性能的 测量产生干扰。在这样情况下，便使得所测得的不同制冷机在进行制冷性能比 对时，便没有比较科学的可比性。以上所述的这些因素使得在对同轴型脉冲管 制冷机制冷性能评价测量时需要耗费更多资源与时间，并且对不同同轴型脉冲 管制冷机制冷性能评价的对比上，也会产生使对比测量不一致的外界干扰因 素。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提出一种测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能 的标准杜瓦及制造方法。

本发明的目的在于，根据同轴型脉冲管制冷机的结构特点，提供一种将真 空罩、加热片、温度计功能集中于一体的标准杜瓦，可以直接使用该标准杜瓦， 方便快捷地对一定尺寸范围内的同轴型脉冲管制冷机制冷性能进行测量评价， 最大限度地减少不同同轴型脉冲管制冷机间制冷性能对比时的干扰因素，使不 同制冷机之间的制冷性能具有更为科学可比性，同时节约测量制冷机制冷性能 的时间和资源，并大幅度提高测量的效率。

所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦包括真空罩1、测 量底座2、波纹管4、接线座5、抽气接口6、调节圈7、安装座8、柱状温度 计13、加热片14，其特征在于：

所述的测量底座2将柱状温度计13与加热片14集中于一体，在采用热平 衡测量法测量制冷性能时，为脉冲管冷头3提供加热功率并将脉冲管冷头3的 冷量传递至柱柱状温度计13，其中利用测量底座2的上部平台16的上表面螺 纹孔15将加热片14固定于上部平台16，且柱状温度计13完全插入上部平台 16侧面的圆柱通孔17，圆柱通孔17的直径略大于柱状温度计13的外径，以 使两者紧配但不会有太大的间隙；波纹管4本身具有弹性，其作用为支撑测量 底座2，根据不同的同轴脉冲管冷指9的长度来选择波纹管4的长度，波纹管 4的长度略小于同轴脉冲管冷指9的长度，在安装后保持略微张紧的状态，以 对测量底座2施加向下的弹性力，使测量底座2的下表面与脉冲管冷头3的上 表面紧贴，减小两者间的接触热阻带来的冷量传递损失；波纹管4的上端套入 测量底座2的下部平台18，波纹管4的上端通孔19与测量底座2的下部平台 18的侧面螺纹孔20对齐，并使用螺钉进行紧固连接；波纹管4下端套入调节 圈7的上部圆环22内，波纹管4的下端通孔21与调节圈7的上部圆环22的 圆环螺纹孔23对齐，并使用螺钉进行紧固连接；安装座8上部的圆环凸台24 套入调节圈7的下部圆环25内，圆环凸台24的侧面均布通孔26与调节圈7 的下部圆环25的侧面均布螺纹孔27的位置对齐，在测量时可以通过侧面均布 通孔26与侧面均布螺纹孔27将波纹管4内部的空气抽出，使其保持真空环境； 安装座8的圆环凸台24的侧面均布槽形调节孔28，与调节圈7的下部圆环25 的侧面均布螺纹孔27对齐，根据同轴脉冲管冷指9的具体长度调节螺钉与槽 形调节孔28的相对位置，从而调节波纹管4的张紧程度，并利用螺钉将安装 座8和调节圈7连接为一体；连接为一体的测量底座2、波纹管4、调节圈7 与安装座8整体罩入真空罩1中，并利用真空罩1的底部法兰29的法兰均布 通孔30与安装座法兰31的法兰均布螺纹孔32进行螺钉紧固连接，并利用O 型圈进行密封；接线座5与抽气接口6焊接于真空罩1的侧面；将同轴脉冲管 冷指9插入波纹管4内，脉冲管冷头3的上端面贴紧测量底座2的下端面，利 用真空罩1的底部法兰29的真空罩法兰安装通孔36及安装座法兰31的安装 座法兰安装通孔35与冷指热端法兰10通过螺钉紧固连接，利用O型圈进行密 封；接线座5通过信号线分别连接加热片14与柱状温度计13，向加热片14 提供加热功率输入所需的电压和电流，将柱状温度计13的温度信号向外部输 出；抽气接口6连接抽真空设备，保证真空罩1内部处于真空环境；从而共同 形成一种测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦。

下面结合附图对所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦 的制造方法介绍如下：

图2为所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦的整体剖视 图，图3为测量底座2的结构示意图，如图2和图3所示，测量底座2整体呈 圆柱结构，分别使用精密车床车出测量底座2的上部平台16与下部平台18； 在上部平台16上表面使用丝攻攻出上表面螺纹孔15，通过上表面螺纹孔15 连接加热片14，利用慢走丝线切割技术在上部平台16的侧面加工出圆柱通孔 17，圆柱通孔17的内径略大于柱状温度计13的外径，安装时柱状温度计13 完全插入圆柱通孔17之内，两者紧配；在下部平台18的侧面使用丝攻攻出侧 面螺纹孔20，利用侧面螺纹孔20将测量底座2与波纹管4的上部使用螺钉连 接为一体；使用精密车床精车测量底座2的上部平台16的上端面，使其平面 度处于0.1～0.5mm之间，将加热片14紧贴于上部平台16的上端面；使用精 密车床精车测量底座2的下部平台18的下端面，平面度处于0.05～0.1mm之 间，使其可以与脉冲管冷头3的上端面紧密贴合，减小冷量传递损失；

图4为波纹管4的结构示意图，如图2和图4所示，波纹管4对测量底座 2起到支撑作用，长度略小于同轴脉冲管冷指9，安装后保持略微张紧的状态， 对测量底座2施加向下的弹性力，使测量底座2的下表面与脉冲管冷头3的上 表面贴紧；波纹管4的内径等于或略小于测量底座2的下部平台18及调节圈7 的上部圆环22的外径；使用车床和钻床分别在波纹管4的上下两端加工出均 布的上端通孔19与下端通孔21，分别与测量底座2和调节圈7连接；

图5为调节圈7的结构示意图，如图2和图5所示，利用精密车床车出调 节圈7的整体环形结构，使其内径等于或略大于安装座8的圆环凸台24的外 径，上部圆环22的外径等于或略大于波纹管4的内径，下部圆环25的外径略 大于上部圆环22的外径，形成宽度0.5～1.0mm的定位平台33，以定位波纹管 4的下端套入调节圈7的上部圆环22的位置；在上部圆环22及下部圆环25 的外侧面分别使用精密车床和丝攻加工出均布的圆环螺纹孔23与侧面均布螺 纹孔27，分别利用螺钉与波纹管4和安装座8紧固连接；其中一半数量的侧面 均布螺纹孔27与安装座8的圆环凸台24侧面的侧面均布通孔26相对应，在 测量时可以通过侧面均布通孔26与侧面均布螺纹孔27将波纹管4内部的空气 抽出；

图6为安装座8的结构示意图，如图2和图6所示，在安装座8的中心位 置使用精密车床车出圆环凸台24，圆环凸台24的外径等于或略小于调节圈7 的内径，使用精密车床在圆环凸台24的外侧面均匀间隔地车出侧面均布通孔 26用于波纹管4内部真空的抽取通道，并均匀间隔地车出槽形调节孔28以调 节波纹管4的张紧程度；使用精密车床在安装座8的底部车出安装座法兰31， 并在安装座法兰31之上车出定位凸起34，使定位凸起34的外径等于或略小于 真空罩1的底部法兰29的外径，便于真空罩1套入安装座8时的定位和两者 之间的密封；在安装座法兰31上使用精密车床车出法兰均布螺纹孔32用于与 真空罩1的连接，并均匀车出安装座法兰安装通孔35；使用精密车床精车安装 座8的底部端面，使其平面度处于0.1～0.5mm，保证安装座8与冷指热端法兰 10可以紧密接触；

图7为真空罩1的结构示意图，如图2和图7所示，使用真空钎焊技术分 别将接线座5与抽气接口6密封焊接于真空罩1的侧面；使用精密车床在真空 罩1的底部位置车出底部法兰29，并在底部法兰29上车出法兰均布通孔30 与真空罩法兰安装通孔36，法兰均布通孔30用于将真空罩1固定于安装座8 之上，真空罩法兰安装通孔36用于将真空罩1及安装座8固定于冷指热端法 兰10之上；使用精密车床在底部法兰29内侧车出宽约0.5～1.0mm的法兰密 封槽37，安装时放入O型密封圈，与定位凸起34一起保证真空罩1和安装座 8之间的密封。

本发明具有如下优点：

1)所发明的同轴型脉冲管制冷机标准杜瓦结构紧凑，集成了真空罩、柱 状温度计、加热片、接线座、抽气接口等测量关键零部件及结构，功能齐全， 方便安装，可以对一定尺寸范围的同轴型脉冲管制冷机进行制冷性能的测量， 避免了需要为不同的冷指单独制作真空结构所导致的真空部件与不同冷指之 间出现不能互配的情况，并减少了多次安装不同相关测量组件造成的对制冷 性能测量较大的人为影响和干扰因素；通过采用标准杜瓦，可以方便不同制 冷机之间制冷性能的对比；

2)将柱状温度计和加热片集成于测量底座，在采用热平衡测量法对同轴 型脉冲管制冷机进行制冷性能测量时，可以使用标准杜瓦方便地对同轴型脉 冲管制冷机的冷头进行加热功率的输入以及温度信号的输出，不需要重复对 不同的同轴型脉冲管制冷机冷指安装测量元件，节省测量时间与资源；

3)采用调节圈和波纹管结构，利用调节圈的槽形调节孔，可以在一定尺 寸范围内，针对不同的同轴型脉冲管制冷机冷指长度对波纹管长度进行调节， 增强了标准杜瓦对不同同轴型脉冲管制冷机的适配性，方便不同的同轴型脉冲 管制冷机之间进行性能对比；

4)采用了波纹管结构，利用波纹管具有弹性的特点，针对不同冷指，通 过调节圈调节波纹管长度，使波纹管始终处于略微张紧的程度，使得与波纹管 相连的测量底座底面可以与冷头端面紧密贴合，减小了冷头冷量的传递损失， 使得对同轴型脉冲管制冷机制冷性能的测量更加准确。

本发明将真空罩、加热片、温度计的功能集中于标准杜瓦之上，可以直接 使用标准杜瓦对一定尺寸范围内的同轴型脉冲管制冷机制冷性能进行测量评 价，最大限度地减少不同同轴型脉冲管制冷机间制冷性能对比的干扰因素，使 不同制冷机之间的制冷性能具有更为科学可比性，同时节约测量制冷机制冷性 能的时间和资源，并大幅度提高测量的效率。

附图说明

图1为脉冲管制冷机的三种布置方法示意图，其中图1(a)为同轴型布置， 图1(b)为U型布置，图1(c)为直线型布置。

图2为所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦的整体剖视 图；

图3为测量底座2的结构示意图，其中图3(a)为剖面图，图3(b)为 立体图；

图4为波纹管4的结构示意图；

图5为调节圈7的结构示意图，其中图5(a)为剖面图，图5(b)为立 体图；

图6为安装座8的结构示意图，其中图6(a)为剖面图，图6(b)为立 体图；

图7为真空罩1的结构示意图。

其中：1为真空罩；2为测量底座；3为脉冲管冷头；4为波纹管；5为接线 座；6为抽气接口；7为调节圈；8为安装座；9为同轴脉冲管冷指；10为冷指 热端法兰；11为脉冲管；12为蓄冷器；13为柱状温度计；14为加热片；15 为上表面螺纹孔；16为上部平台；17为圆柱通孔；18为下部平台；19为上端 通孔；20为侧面螺纹孔；21为下端通孔；22为上部圆环；23为圆环螺纹孔； 24为圆环凸台；25为下部圆环；26为侧面均布通孔；27为侧面均布螺纹孔； 28为槽形调节孔；29为底部法兰；30为法兰均布通孔；31为安装座法兰；32 为法兰均布螺纹孔；33为定位平台；34为定位凸起；35为安装座法兰安装通 孔；36为真空罩法兰安装通孔；37为法兰密封槽。

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。

所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦由真空罩1、测量 底座2、波纹管4、接线座5、抽气接口6、调节圈7、安装座8、柱状温度计 13、加热片14组成，其特征在于，测量底座2将柱状温度计13与加热片14 集中于一体，在采用热平衡测量法测量制冷性能时，为脉冲管冷头3提供加热 功率并将脉冲管冷头3的冷量传递至柱柱状温度计13，其中利用测量底座2 的上部平台16的上表面螺纹孔15将加热片14固定于上部平台16，且柱状温 度计13完全插入上部平台16侧面的圆柱通孔17，圆柱通孔17的直径略大于 柱状温度计13的外径，以使两者紧配但不会有太大的间隙；波纹管4本身具 有弹性，其作用为支撑测量底座2，根据不同的同轴脉冲管冷指9的长度来选 择波纹管4的长度，波纹管4的长度略小于同轴脉冲管冷指9的长度，在安装 后保持略微张紧的状态，以对测量底座2施加向下的弹性力，使测量底座2的 下表面与脉冲管冷头3的上表面紧贴，减小两者间的接触热阻带来的冷量传递 损失；波纹管4的上端套入测量底座2的下部平台18，波纹管4的上端通孔 19与测量底座2的下部平台18的侧面螺纹孔20对齐，并使用螺钉进行紧固连 接；波纹管4下端套入调节圈7的上部圆环22内，波纹管4的下端通孔21与 调节圈7的上部圆环22的圆环螺纹孔23对齐，并使用螺钉进行紧固连接；安 装座8上部的圆环凸台24套入调节圈7的下部圆环25内，圆环凸台24的侧 面均布通孔26与调节圈7的下部圆环25的侧面均布螺纹孔27的位置对齐， 在测量时可以通过侧面均布通孔26与侧面均布螺纹孔27将波纹管4内部的空 气抽出，使其保持真空环境；安装座8的圆环凸台24的侧面均布槽形调节孔 28，与调节圈7的下部圆环25的侧面均布螺纹孔27对齐，根据同轴脉冲管冷 指9的具体长度调节螺钉与槽形调节孔28的相对位置，从而调节波纹管4的 张紧程度，并利用螺钉将安装座8和调节圈7连接为一体；连接为一体的测量 底座2、波纹管4、调节圈7与安装座8整体罩入真空罩1中，并利用真空罩1 的底部法兰29的法兰均布通孔30与安装座法兰31的法兰均布螺纹孔32进行 螺钉紧固连接，并利用O型圈进行密封；接线座5与抽气接口6焊接于真空罩 1的侧面；将同轴脉冲管冷指9插入波纹管4内，脉冲管冷头3的上端面贴紧 测量底座2的下端面，利用真空罩1的底部法兰29的真空罩法兰安装通孔36 及安装座法兰31的安装座法兰安装通孔35与冷指热端法兰10通过螺钉紧固 连接，利用O型圈进行密封；接线座5通过信号线分别连接加热片14与柱状 温度计13，向加热片14提供加热功率输入所需的电压和电流，将柱状温度计 13的温度信号向外部输出；抽气接口6连接抽真空设备，保证真空罩1内部处 于真空环境；从而共同形成一种测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜 瓦。

所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦的制造方法可按 如下方法实施：

图2为所发明的测量同轴型脉冲管制冷机制冷性能的标准杜瓦的整体剖视 图，图3为测量底座2的结构示意图，如图2和图3所示，测量底座2整体呈 圆柱结构，分别使用精密车床车出测量底座2的上部平台16与下部平台18； 在上部平台16上表面使用丝攻攻出上表面螺纹孔15，通过上表面螺纹孔15 连接加热片14，利用慢走丝线切割技术在上部平台16的侧面加工出圆柱通孔 17，圆柱通孔17的内径略大于柱状温度计13的外径，安装时柱状温度计13 完全插入圆柱通孔17之内，两者紧配；在下部平台18的侧面使用丝攻攻出侧 面螺纹孔20，利用侧面螺纹孔20将测量底座2与波纹管4的上部使用螺钉连 接为一体；使用精密车床精车测量底座2的上部平台16的上端面，使其平面 度为0.2mm，将加热片14紧贴于上部平台16的上端面；使用精密车床精车 测量底座2的下部平台18的下端面，平面度为0.09mm，使其可以与脉冲管 冷头3的上端面紧密贴合，减小冷量传递损失；

图4为波纹管4的结构示意图，如图2和图4所示，波纹管4对测量底座 2起到支撑作用，长度略小于同轴脉冲管冷指9，安装后保持略微张紧的状态， 对测量底座2施加向下的弹性力，使测量底座2的下表面与脉冲管冷头3的上 表面贴紧；波纹管4的内径等于或略小于测量底座2的下部平台18及调节圈7 的上部圆环22的外径；使用车床和钻床分别在波纹管4的上下两端加工出均 布的上端通孔19与下端通孔21，分别与测量底座2和调节圈7连接；

图5为调节圈7的结构示意图，如图2和图5所示，利用精密车床车出调 节圈7的整体环形结构，使其内径等于或略大于安装座8的圆环凸台24的外 径，上部圆环22的外径等于或略大于波纹管4的内径，下部圆环25的外径略 大于上部圆环22的外径，形成宽度为0.6mm的定位平台33，以定位波纹管4 的下端套入调节圈7的上部圆环22的位置；在上部圆环22及下部圆环25的 外侧面分别使用精密车床和丝攻加工出均布的圆环螺纹孔23与侧面均布螺纹 孔27，分别利用螺钉与波纹管4和安装座8紧固连接；其中一半数量的侧面均 布螺纹孔27与安装座8的圆环凸台24侧面的侧面均布通孔26相对应，在测 量时可以通过侧面均布通孔26与侧面均布螺纹孔27将波纹管4内部的空气抽 出；

图6为安装座8的结构示意图，如图2和图6所示，在安装座8的中心位 置使用精密车床车出圆环凸台24，圆环凸台24的外径等于或略小于调节圈7 的内径，使用精密车床在圆环凸台24的外侧面均匀间隔地车出侧面均布通孔 26用于波纹管4内部真空的抽取通道，并均匀间隔地车出槽形调节孔28以调 节波纹管4的张紧程度；使用精密车床在安装座8的底部车出安装座法兰31， 并在安装座法兰31之上车出定位凸起34，使定位凸起34的外径等于或略小于 真空罩1的底部法兰29的外径，便于真空罩1套入安装座8时的定位和两者 之间的密封；在安装座法兰31上使用精密车床车出法兰均布螺纹孔32用于与 真空罩1的连接，并均匀车出安装座法兰安装通孔35；使用精密车床精车安装 座8的底部端面，使其平面度为0.2mm，保证安装座8与冷指热端法兰10可 以紧密接触；

图7为真空罩1的结构示意图，如图2和图7所示，使用真空钎焊技术分 别将接线座5与抽气接口6密封焊接于真空罩1的侧面；使用精密车床在真空 罩1的底部位置车出底部法兰29，并在底部法兰29上车出法兰均布通孔30 与真空罩法兰安装通孔36，法兰均布通孔30用于将真空罩1固定于安装座8 之上，真空罩法兰安装通孔36用于将真空罩1及安装座8固定于冷指热端法 兰10之上；使用精密车床在底部法兰29内侧车出宽约0.6mm的法兰密封槽 37，安装时放入O型密封圈，与定位凸起34一起保证真空罩1和安装座8之 间的密封。