專利名稱：一種適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用作制冷探測器的低溫節(jié)流器，該節(jié)流器采用形狀記憶彈簧在不 同溫度變化條件下的彈性伸縮，推動針閥開啟或關閉來控制制冷探測器流量的大小， 從而實現(xiàn)制冷探測器流量、制冷功率自調(diào)的功能。
技術背景制冷探測器中的節(jié)流器，目前主要是以波紋管作為調(diào)節(jié)控制元件的。這種技術的 先天缺陷是對波紋管組件的氣密性要求高， 一且泄漏，則制冷探測器功能失效。作者王三煜在《紅外技術》上于2007年9月出版的"記憶合金調(diào)節(jié)式制冷器研 究"中公開了一種由主動彈簧、記憶合金調(diào)節(jié)器、補償塊、平衡彈簧、閥針構成的針 閥控制機構，裝配時，調(diào)節(jié)機構設置一初始預緊力，針閥處于開啟狀態(tài)，當節(jié)流降溫 至低于記憶合金轉(zhuǎn)化溫度時，調(diào)節(jié)器剛度變小，主動彈簧推動針閥機構關閉，制冷器 流量變小，從而實現(xiàn)制冷器流量、制冷功率自調(diào)的功能。但該記憶合金調(diào)節(jié)式制冷器 制造、裝配、調(diào)試難度大等缺陷。 發(fā)明 內(nèi) 容本發(fā)明的目的是提供一種適用于制冷探測器的低溫(25°C~ — 196°C)節(jié)流器， 該節(jié)流器所需零件少、裝配易控且結構簡單，而釆用的驅(qū)動源則為TiNiFe形狀記憶 合金絲材。該TiNiFe形狀記憶合金絲材的馬氏體開始相變溫度為一153"C，將形狀 記憶合金材料拉拔成絲，纏繞成所需要的形狀記憶合金螺旋彈簧，采用不銹鋼絲制作 偏置彈簧(與主動彈簧的功能相同)，將形狀記憶合金彈簧與偏置彈簧組合安裝于節(jié) 流器，當液氮由液氮口進入，溫度降低到一153"C，形狀記憶合金彈簧開始變軟，偏 置彈簧壓縮記憶合金彈簧，帶動驅(qū)動件運動，使得驅(qū)動件的頂尖與頂孔閉合從而實現(xiàn) 節(jié)流目的。本發(fā)明是一種適用于制冷探測器的低溫(25°C~ — 196°C)節(jié)流器，由殼體l、 驅(qū)動件3、底座4、形狀記憶彈簧5、偏置彈簧6組成；殼體1底端與底座4的凸緣 41通過螺紋連接，殼體1的內(nèi)部從左至右放置有偏置彈簧6、驅(qū)動件3、形狀記憶 彈簧5，偏置彈簧6的一端套接在底座4的B凸臺42上，偏置彈簧6的另一端套 接在驅(qū)動件3的A凸臺33上，形狀記憶彈簧5的一端套接在驅(qū)動件3的連桿32上， 形狀記憶彈簧5的另一端與殼體1的A收斂段12接觸。形狀記憶彈簧5與偏置彈 簧6構成彈性驅(qū)動器，彈性驅(qū)動器的驅(qū)動力與輸出位移之間存在有下述關系A:" 、 ， 乂A+&，);c + ^;，￡/，、 ~~LJ——x) _ a — 6exp(^-^-。本發(fā)明低溫(25°C —196°C)節(jié)流器的優(yōu)點采用TiNiFe記憶合金絲材來制 作調(diào)節(jié)式制冷器的驅(qū)動件克服了采用Cu基形狀記憶合金的缺點，具有加工制作容 易，使用重復性好、壽命長、結構簡單的優(yōu)點；形狀記憶彈簧釆用低相變點TiMFe 形狀記憶合金(低溫記憶合金)材料，制作成細徑0.2 1.5m附的絲材，纏繞成微 型驅(qū)動記憶螺旋彈簧；形狀記憶彈簧與偏置彈簧的匹配，構成了用于節(jié)流制冷探測器 的微型彈簧驅(qū)動器。


圖1是本發(fā)明制冷探測器的低溫節(jié)流器的外部結構圖。圖IA是本發(fā)明制冷探測器的低溫節(jié)流器的爆炸示圖。圖2是本發(fā)明制冷探測器的低溫節(jié)流器的等軸剖示圖。圖3是本發(fā)明驅(qū)動件的結構圖。圖4是本發(fā)明形狀記憶彈簧的結構圖。圖中: 2.頂孔 34.頂板l.売體3. 驅(qū)動件4. 底座11.氣腔 31.錐形頂尖 41.凸緣 6.偏置彈簧12.A收斂段 32.連桿 42.B凸臺13.B收斂段 33.A凸臺5.形狀記憶彈簧具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明(本發(fā)明是一種適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，該低溫節(jié)流器由売體1、驅(qū)動件 3、底座4、形狀記憶彈簧5、偏置彈簧6組成；形狀記憶彈簧5與偏置彈簧6構成 彈性驅(qū)動器(該彈性驅(qū)動器用于推動驅(qū)動件3運動，使頂尖31開啟或關閉頂孔2， 從而達到調(diào)節(jié)液氮的流量進入)。參見圖1、圖2所示，売體1為圓筒形狀；売體1的底端設有內(nèi)螺紋(該內(nèi)螺 紋用于與底座4的外螺紋實現(xiàn)螺紋連接)；売體1的上部從左至右設有A收斂段12、 B收斂段13， A收斂段12的下端面用于與形狀記憶彈簧5的一端接觸，B收斂段 13的中心為頂孔2，頂孔2用于液氮進入；殼體1內(nèi)的有氣腔11，該氣腔11用于 存放通過頂孔2進入的液氮。在裝配時，驅(qū)動件3的連桿31的中心軸線與頂孔2 的中心線在同軸上。參見圖1A、圖3所示，驅(qū)動件3的頂板34上面中心位置設有連桿32，連桿 32的端部設計為具有30 45錐度的錐形頂尖31，驅(qū)動件3的頂板34下面中心位 置設有0.5 3cm厚的A凸臺33;在本發(fā)明中，連桿32的直徑可以小于或者等于 A凸臺33的直徑。參見圖1A所示，底座4的凸緣41上設有外螺紋，該外螺紋與殼體1底端的內(nèi) 螺紋相配合實現(xiàn)殼體1與底座4的連接，同時也實現(xiàn)了初始調(diào)節(jié)彈性驅(qū)動器的預緊 力；底座4的中心位置設有B凸臺42， B凸臺42與驅(qū)動件3上的A凸臺33之間 套接有偏置彈簧6。參見圖1A、圖4所示，形狀記憶彈簧5為螺旋式彈簧結構，形狀記憶彈簧5釆 用TiNiFe形狀記憶合金絲材，且Fe元素的含量為0.1 3wt%，該TiNiFe形狀記 憶合金絲材的馬氏體開始相變溫度范圍為25°C~_160°C，經(jīng)纏繞工藝制成彈簧形 狀，形狀記憶彈簧5的簧與簧的寬度(簧距)J為1 3mm，簧的直徑0為O.3 lww。 形狀記憶彈簧5的具體材料組分為Tis。Ni47Fe3形狀記憶合金，該Tis。Ni47Fe3形狀記 憶合金制得的絲材加工成彈簧，其馬氏體開始相變溫度一 153°C。參見圖1A所示，偏置彈簧6采用不銹鋼加工的螺旋式彈簧結構。 殼體1底端與底座4通過螺紋連接，殼體1的內(nèi)部從左至右放置有偏置彈簧6、 驅(qū)動件3、形狀記憶彈簧5，偏置彈簧6的一端套接在底座4的B凸臺42上，偏置 彈簧6的另一端套接在驅(qū)動件3的A凸臺33上，形狀記憶彈簧5的一端套接在驅(qū)動件3的連桿32上，形狀記憶彈簧5的另一端與殼體1的A收斂段12接觸。在裝 配時，驅(qū)動件3的錐形頂尖31相距頂孔2端面0.5 3mm ，有利于節(jié)流器所需冷 卻源由頂孔2進入。當氣腔11內(nèi)的溫度下降至形狀記憶彈簧5的馬氏體開始相變點 溫度時(此處所說的溫度需要根據(jù)使用節(jié)流器的要求，進行在制作形狀記憶彈簧絲材 時進行設定，如選取的形狀記憶材料為Tis。Ni47Fe3形狀記憶合金時，加工絲材時， 設定馬氏體開始相變點溫度為一153。C，則氣腔11的溫度下降至一153。C時，形狀 記憶彈簧5將發(fā)生伸長或收縮的變化，從而使錐形頂尖31開啟或關閉頂尖2，來達 到節(jié)流)，形狀記憶彈簧5收縮，偏置彈簧6伸長，從而推動驅(qū)動件3向右運動，達 到頂尖31頂緊頂孔2，阻止液氮進入，實現(xiàn)節(jié)流。在本發(fā)明中，彈性驅(qū)動器的驅(qū)動力與輸出位移之間存在有下述關系,"2 (7^!~ -力-"-—嚴+ ，")，式中，F(xiàn)表示彈性驅(qū)動器的驅(qū)動力，X表示驅(qū)動件3的位移量，4表示形狀記憶合金彈簧5在常溫時彈性系數(shù)，^表示偏 置彈簧6在常溫時彈性系數(shù)，《表示形狀記憶合金彈簧5的預壓縮量，《表示偏置 彈簧6的預壓縮量，"表示驅(qū)動件3在氣腔11中的初始位置，c表示彈性驅(qū)動器的 驅(qū)動力與輸出位移之間擬合曲線常數(shù)。在本發(fā)明中，用于制作形狀記憶合金彈簧5的TiNiFe形狀記憶合金絲材的制備 方法如下(A) 配制合金成分按TiNiFe目標成分配比稱取純度99.9%的海綿鈦(Ti)和純度99.9%的鎳(Ni) 以及少量純度99.7%的金屬鐵(Fe);TiNiFe目標成分為含0.1 3wt。/。的Fe元素，45 55wt。/。的Ti元素和余量的 M元素組成。(B) 熔煉TiNiFe合金 將上述合金元素釆用真空熔煉爐進行熔煉，熔煉得到TiNiFe形狀記憶合金鑄錠;熔煉溫度為1500 1700°C，真空熔煉爐抽真空度至1X10-2~5X1(T5P";(C) 鍛造制TiNiFe合金棒材 將上述制得的鑄錠釆用150公斤鍛錘鍛造成所需要的棒材；(D) 拉制TiNiFe合金絲材 將棒材在拉絲機上拉制成所需直徑的絲材；(E) 繞制彈簧 將絲材在彈簧機上繞制成所需匝數(shù)的螺旋彈簧結構；(F) 彈簧記憶處理將螺旋彈簧放入電阻爐內(nèi)，進行記憶處理，處理溫度為400 50(TC，保溫30~ 60min ，制得TiNiFe形狀記憶彈簧。將(D)步驟制得的絲材采用低溫差示掃描量熱儀(DSC)或電阻法測定合金的 相變點的溫度，測量的溫度范圍從一196GC至25QC，升降溫速率為l°C/min;經(jīng) 測試，本發(fā)明的低相變點TiNiFe形狀記憶合金絲材材料，其馬氏體開始相變溫度 (Ms)為室溫至-160 20°C，形狀記憶效應(SME)為4%~8%，室溫抗拉強 度(6b)為600 MPa~850 MPa，室溫屈月艮強度(6s)為200 MPa 500 MPa，室溫 延伸率問為12.5% 40.0%。本發(fā)明的一種適用于制冷探測器的節(jié)流器的工作環(huán)境溫度為25°C~ — 196°C。本發(fā)明利用新型功能材料TiNiFe形狀記憶合金隨溫度變化而表現(xiàn)出來的形狀記 憶特性，對節(jié)流器中的頂尖31進行開度控制，進而實現(xiàn)制冷探測器的流量參數(shù)的自 調(diào)，這是一種全新的節(jié)流制冷控制技術。本發(fā)明設計的低溫節(jié)流器的工作原理為液氮經(jīng)頂孔進入氣腔內(nèi)，隨著進入氣腔 的液氮量的增大，致使氣腔內(nèi)的溫度下降，當氣腔溫度下降至形狀記憶彈簧5的馬 氏體開始相變溫度時，形狀記憶彈簧5開始收縮，形狀記憶彈簧5上的頂尖在偏置 彈簧6的伸長狀態(tài)下達到頂孔的位置，直至將頂孔封閉，隔斷液氮進入氣腔內(nèi)，起 到調(diào)節(jié)節(jié)流器的作用。反之，隨著進入氣腔的液氮量的減少，致使氣腔內(nèi)的溫度上升， 當氣腔溫度上升至形狀記憶彈簧5的奧氏體開始相變溫度時，形狀記憶彈簧5開始 伸長，形狀記憶彈簧5上的頂尖在偏置彈簧6的收縮狀態(tài)下遠離頂孔的位置，直至 將頂孔打開，使液氮進入氣腔內(nèi)，進而實現(xiàn)開啟/關閉頂孔的往復運動。
權利要求
1、一種適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其特征在于由殼體(1)、驅(qū)動件(3)、底座(4)、形狀記憶彈簧(5)、偏置彈簧(6)組成；殼體(1)底端與底座(4)的凸緣(41)通過螺紋連接，殼體(1)的內(nèi)部從左至右放置有偏置彈簧(6)、驅(qū)動件(3)、形狀記憶彈簧(5)，偏置彈簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸臺(42)上，偏置彈簧(6)的另一端套接在驅(qū)動件(3)的A凸臺(33)上，形狀記憶彈簧(5)的一端套接在驅(qū)動件(3)的連桿(32)上，形狀記憶彈簧(5)的另一端與殼體(1)的A收斂段(12)接觸；所述殼體(1)為圓筒形狀；殼體(1)的底端設有內(nèi)螺紋；殼體(1)的上部從左至右設有A收斂段(12)、B收斂段(13)，B收斂段(13)的中心為頂孔(2)；所述驅(qū)動件(3)的頂板(34)上面中心位置設有連桿(32)，連桿(32)的端部設計為具有30～45錐度的錐形頂尖(31)，驅(qū)動件(3)的頂板(34)下面中心位置設有0.5～3cm厚的A凸臺(33)；所述底座(4)的凸緣(41)上設有外螺紋，底座(4)的中心位置設有B凸臺(42)；所述形狀記憶彈簧(5)為螺旋式彈簧結構；所述偏置彈簧(6)采用不銹鋼加工的螺旋式彈簧結構。
2、 根據(jù)權利要求1所述的適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其特征在于形狀記憶 彈簧(5)與偏置彈簧(6)構成彈性驅(qū)動器；彈性驅(qū)動器的驅(qū)動力與輸出位移之 間存在有下述關系F = ^(^^4""-a-，式中，F(xiàn)表示彈性驅(qū)動器的驅(qū)動力，x表示驅(qū)動件(3)的位移量，^表示形狀記憶合金彈簧(5) 在常溫時彈性系數(shù)，^表示偏置彈簧(6)在常溫時彈性系數(shù)，《表示形狀記憶 合金彈簧(5)的預壓縮量，《表示偏置彈簧(6)的預壓縮量，fl表示驅(qū)動件(3) 在氣腔(11)中的初始位置，c表示彈性驅(qū)動器的驅(qū)動力與輸出位移之間擬合曲線常數(shù)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其特征在于形狀記憶 彈簧(5)的原材料為TiNiFe形狀記憶合金絲材，且Fe元素的含量為0. l 3wt%， 該TiNiFe形狀記憶合金絲材的馬氏體開始相變溫度范圍為25°C -16CTC;形 狀記憶彈簧(5)的簧與簧的寬度"為1 3rnm，簧的直徑^為0.3 lmw。
4、 根據(jù)權利要求3所述的適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其特征在于形狀記憶彈簧(5)的原材料組分為Ti5。N^Fe3形狀記憶合金絲材，該Tis。Ni47Fe3形狀記 憶合金絲材的馬氏體開始相變溫度一153。C;形狀記憶彈簧(5)的簧與簧的寬度 d為l 3ww，簧的直徑^為0.3 l;ww。
5、 根據(jù)權利要求1所述的適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其特征在于工作環(huán)境 溫度為25。C 一196。C。
6、 根據(jù)權利要求1所述的適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其特征在于形狀記憶彈 簧(5)的制備有如下步驟(A)配制合金成分按目標成分稱取純度99.9%的海綿鈦(Ti)和純度99.9%的鎳(Ni)以及少量 純度99.7%的金屬鐵(Fe);所述TiNiFe目標成分為含0.1 3wtQ/。的Fe元素，45 55wt。/。的Ti元素和余 量的Ni元素組成；(B) 熔煉TiNiFe合金 將上述合金元素采用真空熔煉爐進行熔煉，熔煉得到TiNiFe形狀記憶合金鑄錠;熔煉溫度為1500 1700°C，真空熔煉爐抽真空度至1X10_2 5X10—(C) 鍛造制TiNiFe合金棒材 將上述制得的鑄錠釆用150公斤鍛錘鍛造成所需要的棒材；(D) 拉制TiNiFe合金絲材 將棒材在拉絲機上拉制成所需直徑的絲材；(E) 繞制彈簧 將絲材在彈簧機上繞制成所需匝數(shù)的螺旋彈簧結構；(F) 彈簧記憶處理將螺旋彈簧放入電阻爐內(nèi)，進行記憶處理，處理溫度為400 500°C，保溫30 60min ，制得TiNiFe形狀記憶彈簧。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于制冷探測器的低溫節(jié)流器，其由殼體(1)、驅(qū)動件(3)、底座(4)、形狀記憶彈簧(5)、偏置彈簧(6)組成；殼體(1)底端與底座(4)的凸緣(41)通過螺紋連接，殼體(1)的內(nèi)部從左至右放置有偏置彈簧(6)、驅(qū)動件(3)、形狀記憶彈簧(5)，偏置彈簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸臺(42)上，偏置彈簧(6)的另一端套接在驅(qū)動件(3)的A凸臺(33)上，形狀記憶彈簧(5)的一端套接在驅(qū)動件(3)的連桿(32)上，形狀記憶彈簧(5)的另一端與殼體(1)的A收斂段(12)接觸。在本發(fā)明中，形狀記憶彈簧(5)采用低相變點TiNiFe形狀記憶合金材料，制作成細徑0.2～1.5mm的絲材，纏繞成微型驅(qū)動記憶螺旋彈簧；本發(fā)明節(jié)流器采用TiNiFe記憶合金絲材來制作調(diào)節(jié)式制冷器的驅(qū)動件，克服了采用Cu基形狀記憶合金的缺點，具有加工制作容易，使用重復性好、壽命長、結構簡單的優(yōu)點。
文檔編號F25B41/06GK101231049SQ20081010125
公開日2008年7月30日 申請日期2008年3月3日 優(yōu)先權日2008年3月3日
發(fā)明者劉福順, 徐惠彬, 巖 李, 趙新青 申請人:北京航空航天大學