一种带有多孔换热结构的GM制冷机的制作方法

一种带有多孔换热结构的gm制冷机
技术领域
1.本发明涉及制冷机技术领域，具体涉及一种带有多孔换热结构的gm制冷机。

背景技术：

2.gm制冷机主要应用于获取超低温的制冷温度，通过带有蓄冷材料的活塞在驱动电机和曲柄连杆的作用下，在气缸内部往复运动，将进入制冷机的氦气不断进行压缩和膨胀，达到预设的制冷效果。
3.目前的gm制冷机，气缸底部产生的制冷量主要通过传热部件与外部环境进行热交换，从而实现制冷，目前的传热部件主要为传热铜块，为了提高传热铜块和氦气之间换热效率，一般在气缸底部焊接无氧铜传热块提高换热效率，但是无氧铜传热块表面平整光滑，换热面积小，制冷机的换热效率和换热效果有待提高。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种带有多孔换热结构的gm制冷机，所述gm制冷机通过在传热部件内设置具有多孔换热结构的换热层，提高了传热部件的换热面积，提高了传热部件的换热效率，从而提高了制冷机的制冷效率和制冷效果。
5.本发明提供了一种带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述gm制冷机包括气缸、活塞和传热部件，所述活塞设置在所述气缸内，所述传热部件设置在所述气缸的一端；所述传热部件设置有配合槽，所述活塞的一端延伸在所述气缸外部并插接在所述传热部件的配合槽内；所述传热部件包括传热主体和换热层，所述换热层固定在所述传热主体的表面上；所述换热层为多孔结构，所述多孔结构包括若干个换热孔；所述换热层覆盖在所述传热主体的全部表面上，或所述换热层覆盖在所述传热主体的部分表面上；所述多孔换热结构的孔隙率为a，所述a的取值范围为10%≤a≤90%；任一所述换热孔的孔径为d，所述d的取值范围为：10μm《d《200μm。
6.进一步的，所述换热层基于焊接固定在所述传热主体上；或所述换热层基于生长烧结固定在所述传热主体上；或所述换热层基于热喷涂固定在所述传热主体上。
7.进一步的，所述换热层的厚度为h，所述h的约束范围为：h》0.3mm。
8.进一步的，所述换热层的材质为铜，或所述换热层的材质为银。
9.进一步的，所述气缸包括一级气缸和二级气缸，所述活塞包括一级活塞和二级活塞；所述一级活塞设置在所述一级气缸内，所述二级活塞设置在所述二级气缸内；
所述一级活塞和所述二级活塞基于连接部件连接，所述传热部件设置在所述二级气缸的一端，且所述二级活塞插接在所述传热部件的配合槽内。
10.进一步的，所述gm制冷机还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机、曲柄凸轮轴和曲柄连杆；所述驱动电机的输出轴连接着所述曲柄凸轮轴的一端，所述曲柄连杆的一端设有连接槽，所述曲柄凸轮轴的另一端插接在所述连接槽。
11.进一步的，所述曲柄连杆的另一端插接在所述一级气缸内并连接着所述一级活塞。
12.本发明实施例提供了一种带有多孔换热结构的gm制冷机，所述gm制冷机通过在传热部件内设置具有多孔换热结构的换热层，有效提高了制冷机工作时，氦气与传热部件的换热面积，提高了传热部件的换热效率，降低了所述传热部件和氦气之间的温差，从而提高了制冷机的制冷效率和制冷效果。
附图说明
13.图1是本发明实施例中gm制冷机结构示意图；图2是本发明实施例中二级气缸结构示意图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
15.实施例一：图1示出了本发明实施例中gm制冷机结构示意图，所述传热部件7设置在gm制冷机内，所述传热部件7包括传热主体72和换热层71，所述换热层71固定在所述传热主体72的表面上，所述换热层71为多孔结构，所述多孔换热结构包括若干个换热孔，通过设置具有多孔换热结构的换热层71，提高传热部件7与氦气的接触面积，从而提高换热部件的换热效率，提高所述gm制冷机的制冷效率。
16.进一步的，所述传热主体72可以为传热铜块，在低温下具有良好的热传导能力，能够满足gm制冷机的热交换制冷的传热需求。
17.进一步的，所述传热部件7设置有配合槽73，所述配合槽73用于连接所述gm制冷机的其它部件。
18.具体的，所述换热层71可以覆盖在所述传热主体72的全部表面上，即在所述传热主体72表面上覆盖一层带有多孔换热结构的换热层71，提高传热部件7的换热面积，从而提高传热部件7的传热效率，在所述gm制冷机的工作期间，氦气与传热部件7充分接触，提高传热效果，减少氦气流体与传热部件7的温差，提高制冷效率和制冷效果。
19.进一步的，所述换热层71覆盖在所述传热主体72的部分表面上，在所述配合槽73的底部设置一层所述换热层71，在所述gm制冷机工作运行期间，所述gm制冷机内的氦气与所述换热层71接触，所述多孔换热结构可以增加强流体湍流强度，增大换热面积，从而提高
制冷机中氦气流体和换热层71之间的换热能力，提高制冷效率和制冷效果。
20.具体的，所述换热层71的材质可以为铜，也可以为银，在低温环境下金属铜和金属银具有良好的导热性能，能够提高所述传热部件7的换热效率，提高制冷机的制冷量。
21.进一步的，所述换热层71可以为多孔泡沫铜，也可以为多孔泡沫银。
22.具体的，所述换热层71可以基于焊接固定在所述传热主体72上，通过焊接将所述换热层71固定在所述传热主体72上，使得所述换热层71和所述传热主体72之间连接稳定，达到良好的传热效果。
23.进一步的，所述换热层71可以通过金属生长烧结固定在所述传热主体72上，在所述传热主体72的配合槽73内底部，加工去除一定厚度的部分传热主体72，在相应位置上通过金属多孔生长和烧结工艺，加工形成具有多孔换热结构的换热层71，提高换热层71和传热主体72之间的连接稳定性，提高传热部件7的传热能力，从而减少氦气和传热部件7之间的温差，提高gm制冷机的制冷效果和制冷效率。
24.进一步的，所述生长烧结过程是经过成型的铜金属固体粉状颗粒在加热到低于熔点温度的温度下，产生多孔铜颗粒粘结；通过物质传递，使成型体逐渐变成具有覆盖在传热主体72的换热层71。
25.进一步的，还可以通过热喷涂工艺在所述传热主体72上形成具有多孔换热结构的换热层71，便于进行加工，提高制备效率。
26.具体的，所述换热层71的厚度为h，所述h的约束范围为：h》0.3mm。所述换热层71具有一定的厚度，所述gm制冷机工作时，氦气流体在所述gm制冷机内流经所述换热层71时，可以保证所述氦气流体和所述换热层71具有较大的接触面积，并且在所述换热层71的多孔换热结构内形成湍流，提高换热效率。
27.具体的，任一所述换热孔的孔径为d，所述d的取值范围为：10μm《d《200μm。根据不同型号的制冷机的要求，可以选取不同的孔径大小加工所述换热层71，以便提高制冷机的制冷量。
28.具体的，在本实施例中，选取多台相同型号的制冷机，在所述制冷机中制备厚度为2mm的换热层71，每台制冷机中的所述换热层71的孔径大小相同，这里以换热孔的孔径分别为10μm、50μm、100μm、150μm、200μm的实验数据整理得到下表：表1：不同孔径换热层的制冷效率换热层内换热孔的孔径制冷机的制冷量10μm3.818k50μm3.812k100μm3.811k150μm3.813k200μm3.816k由上表可得，在不同的孔径大小下，换热层71的换热效率不同，具体而言，所述换热层71的换热孔的孔径为100μm时具有较好的换热效率，孔径在10μm和200μm时换热效果略有下降。
29.具体的，所述多孔换热结构的孔隙率为a，所述a的取值范围为10%≤a≤90%。根据制冷机的型号尺寸要求，以及工作功率的要求，可以选取合适的所述换热层71的多孔换热
结构的孔隙率，以保证氦气和换热层71具有足够的换热面积进行换热制冷，提高制冷效率。
30.具体的，在本实施例中，在多台相同型号的制冷机中制备厚度为2mm、换热孔孔径为100μm的换热层71，其中，每台所述制冷机中的换热层71的孔隙率不相同，这里选取以孔隙率为10%、30%、50%、70%、90%的实验数据整理得到下表：表2：不同孔隙率的换热层的制冷效率换热层孔隙率制冷机的制冷量10%3.816k30%3.814k50%3.814k70%3.811k90%3.812k由上表可得，所述换热层71的孔隙率越高，所述制冷机的制冷效果越好，即所述换热层71的换热效果越好。
31.进一步的，当所述换热层71的孔隙率低于10%，氦气与所述换热层71的接触面积小，换热效果变化不大。因此所述换热层71的孔隙率需要达到10%以上。当所述换热层71的孔隙率达到90%时，由于换热层71的质量减少，导致换热效果下降，因此所述换热层71的孔隙率需要设置在90%以下。
32.具体的，所述gm制冷机包括活塞、气缸、驱动装置和所述传热部件7，所述活塞设置在所述气缸内，所述传热部件7固定在所述气缸的一端，所述传热部件7固定在所述气缸的一端，所述活塞设置在所述气缸内，所述活塞的一端延伸在所述气缸外部并插接在所述传热部件7的配合槽73内。
33.具体的，所述气缸包括一级气缸3和二级气缸6，所述活塞包括一级活塞4和二级活塞5，所述一级活塞4设置在所述一级气缸3内，所述二级活塞5设置在所述二级气缸6内，所述一级气缸3的一端固定在所述二级气缸6的一端，且所述一级气缸3和二级气缸6相互连通，所述驱动装置设置在所述一级气缸3的另一端，所述驱动装置包括驱动电机11、曲柄凸轮轴12和曲柄连杆13，所述驱动电机11的输出轴连接着所述曲柄凸轮轴12的一端，所述曲柄连杆13上设有连接槽，所述曲柄凸轮轴12的另一端插接在所述连接槽，所述驱动电机11驱动所述曲柄凸轮轴12转动，并基于所述曲柄凸轮轴12带动所述曲柄连杆13运动。
34.进一步的，所述曲柄凸轮轴12可以套接有凸轮轴套121，所述凸轮轴套121可以减少所述曲柄凸轮轴12与所述连接槽之间的摩擦力，便于实现曲柄凸轮轴12和曲柄连杆13之间的相对运动，提高曲柄连杆13运动的流畅性。
35.具体的，所述gm制冷机设置有连接部件31，所述二级活塞5设置在所述二级气缸6内，所述二级气缸6与所述一级气缸3连通，所述一级活塞4基于所述连接部件31与所述二级活塞5连接，所述一级活塞4往复运动时，可以带动所述二级活塞5在所述二级气缸6内往复运动，实现对氦气的压缩和膨胀，从而达到制冷效果。
36.具体的，所述还包括顶端端盖2，所述一级活塞4套接在所述一级气缸3内，所述顶端端盖2固定在所述一级气缸3的一端上，所述顶端端盖2设置有容纳槽131和导槽，所述容纳槽131基于所述导槽与所述一级气缸3内部连通，所述曲柄连杆13的一端位于所述容纳槽131内，所述曲柄连杆13的另一端通过所述导槽插接在所述一级气缸3内部并连接着所述一
级活塞4，所述驱动电机11驱动所述曲柄连杆13运动时，所述曲柄连杆13可以带动所述一级活塞4在所述一级气缸3内部往复运动，从而实现对氦气的压缩和膨胀，实现换热制冷的效果。
37.进一步的，所述导槽和所述曲柄连杆13之间设置有导向密封套132，所述导向密封套132在所述曲柄连杆13的往复运动期间可以保持密封状态，避免所述一级气缸3组件内的氦气从所述导槽位置部分流失，提高所述gm制冷机的制冷效率和制冷效果。
38.进一步的，所述一级活塞4和所述曲柄连杆13的连接位置上设置有活塞动密封环，所述活塞动密封环保证所述一级活塞4的密封性，确保所述制冷机的制冷效果。
39.进一步的，所述一级气缸3内设置有连接法兰32，所述曲柄连杆13基于所述连接法兰32固定在所述一级活塞4上。
40.具体的，所述一级活塞4和二级活塞5内填充有蓄冷物，在所述gm制冷机工作期间，进入所述gm制冷机的氦气经过所述一级活塞4和所述一级活塞4时，所述蓄冷物质可以与氦气进行热交换，使得氦气温度下降，达到制冷效果。
41.进一步的，所述gm制冷机还包括冷端法兰51，所述冷端法兰51位于所述传热部件7的配合槽73内，所述冷端法兰51固定在所述二级活塞5上，用于连接所述二级活塞5以及封装所述二级活塞5内的蓄冷物，提高二级活塞5的连接稳定性，从而保证二级活塞5能够满足制冷需求，提高制冷效果。
42.本发明实施例提供了一种传热部件及gm制冷机，通过在传热部件内设置有带有多孔换热结构的换热层，提高gm制冷机工作时，氦气流体与换热层的接触面积，从而提高传热部件的换热效率，降低传热部件与氦气流体之间的温差，提高gm制冷机的制冷效率和制冷效果。
43.实施例二：在本实施例中，选取两个传热部件7，在其中一个传热部件7的配合槽73底部去除1mm厚度的传热主体72后，通过多孔铜生长烧结形成1mm厚的换热层71，得到具有1mm厚度换热层71的传热部件7；在另一个所述传热部件7的配合槽73底部去除2mm厚度的传热主体72后，通过多孔铜生长烧结形成1mm厚的换热层71，得到具有2mm厚度换热层71的传热部件7。将本发明实施例中具有不同厚度换热层71的传热部件7以及传统传热部件7进行比较，比较结果如下表：表3换热表面积对比传热部件结构换热表面积mm2传统传热部件(无多孔换热层）4269多孔换热层厚度为1mm30972多孔换热层厚度为2mm53405进一步的，结合上表可以得到，具有1mm厚度换热层71的传热部件7的换热表面积与传统传热部件7的换热表面积之比为：1：7.25，具有2mm厚度换热层71的传热部件7的换热表面积与传统传热部件7的换热表面积之比为：1：13.51，即多孔换热层71能够提高传热部件7数倍的换热表面积，有效提高了传热部件7的换热效率，从而提高制冷机的制冷效率。
44.进一步的，两种所述传热部件7的所述换热层71的多孔换热结构的孔隙率均为50%，其换热孔的孔径均在60微米到80微米之间，以保证换热表面积对比的准确性。
45.具体的，将具有不同厚度多孔换热结构换热层71的传热部件7分别设置在相同型号的两台gm制冷机上，以1.8w的工作功率进行制冷工作，并对两台制冷机完成制冷任务后传热部件7的温度进行对比分析，分析结果如下表：表4传热部件7工作温度分析
制冷机结构在1.8w制冷量下，不同传热部件的达到的最低温度传统传热部件(无多孔换热层）3.95k多孔换热层厚度为1mm3.85k多孔换热层厚度为2mm3.81k
具体的，通过对两种不同厚度的多孔换热层71以及传统传热部件7相对于制冷机的制冷效果进行对比可以得到，在相同1.8w制冷量下，传统传热部件的制冷温度为3.95k，而具有1mm厚度换热层71的传热部件7的温度为3.85k，具有2mm厚度换热层71的传热部件7的温度为3.81k，相比传统传热部件7的最低制冷温度分别降低了0.10k和0.14k，即在相同的制冷量下，采用具有1mm和2mm厚度换热层71的传热部件7能够达到更低温的制冷效果，通过在传热部件7内设置具有多孔换热结构的换热层71，能够有效提高制冷机的制冷效率和制冷效果。
46.本发明实施例提供了一种传热部件及gm制冷机，所述gm制冷机通过在传热部件7内设置具有多孔换热结构的换热层71，有效提高了制冷机工作时，氦气与传热部件7的换热面积，提高了传热部件7的换热效率，降低了所述传热部件7和氦气之间的温差，从而提高了制冷机的制冷效率和制冷效果。
47.另外，以上对本发明实施例所提供的一种带有多孔换热结构的gm制冷机进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述gm制冷机包括气缸、活塞和传热部件，所述活塞设置在所述气缸内，所述传热部件设置在所述气缸的一端；所述传热部件设置有配合槽，所述活塞的一端延伸在所述气缸外部并插接在所述传热部件的配合槽内；所述传热部件包括传热主体和换热层，所述换热层固定在所述传热主体的表面上；所述换热层为多孔结构，所述多孔结构包括若干个换热孔；所述换热层覆盖在所述传热主体的全部表面上，或所述换热层覆盖在所述传热主体的部分表面上；所述多孔换热结构的孔隙率为a，所述a的取值范围为10%≤a≤90%；任一所述换热孔的孔径为d，所述d的取值范围为：10μm<d<200μm。2.如权利要求1所述的带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述换热层基于焊接固定在所述传热主体上；或所述换热层基于生长烧结固定在所述传热主体上；或所述换热层基于热喷涂固定在所述传热主体上。3.如权利要求1所述的带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述换热层的厚度为h，所述h的约束范围为：h>0.3mm。4.如权利要求1所述的带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述换热层的材质为铜，或所述换热层的材质为银。5.如权利要求1所述的带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述气缸包括一级气缸和二级气缸，所述活塞包括一级活塞和二级活塞；所述一级活塞设置在所述一级气缸内，所述二级活塞设置在所述二级气缸内；所述一级活塞和所述二级活塞基于连接部件连接，所述传热部件设置在所述二级气缸的一端，且所述二级活塞插接在所述传热部件的配合槽内。6.如权利要求5所述的带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述gm制冷机还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机、曲柄凸轮轴和曲柄连杆；所述驱动电机的输出轴连接着所述曲柄凸轮轴的一端，所述曲柄连杆的一端设有连接槽，所述曲柄凸轮轴的另一端插接在所述连接槽。7.如权利要求6所述的带有多孔换热结构的gm制冷机，其特征在于，所述曲柄连杆的另一端插接在所述一级气缸内并连接着所述一级活塞。

技术总结

本发明公开了一种带有多孔换热结构的GM制冷机，涉及制冷机技术领域，所述GM制冷机包括气缸、活塞和传热部件，所述活塞设置在所述气缸内，所述传热部件设置在所述气缸的一端；所述传热部件设置有配合槽，所述活塞的一端延伸在所述气缸外部并插接在所述传热部件的配合槽内；所述传热部件包括传热主体和换热层，所述换热层固定在所述传热主体的表面上；所述换热层为多孔结构，所述多孔结构包括若干个换热孔。所述GM制冷机通过在传热部件内设置具有多孔结构的换热层，有效提高了制冷机工作时，氦气与传热部件的换热面积，提高了传热部件的换热效率，降低了所述传热部件和氦气之间的温差，从而提高了制冷机的制冷效率和制冷效果。从而提高了制冷机的制冷效率和制冷效果。从而提高了制冷机的制冷效率和制冷效果。