一种适用于制冷探测器的低温节流器
专利汇可以提供一种适用于制冷探测器的低温节流器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种适用于制冷探测器的低温节流器，其由壳体(1)、驱动件(3)、底座(4)、形状记忆 弹簧 (5)、偏置弹簧(6)组成；壳体(1)底端与底座(4)的凸缘(41)通过 螺纹 连接，壳体(1)的内部从左至右放置有偏置弹簧(6)、驱动件(3)、形状记忆弹簧(5)，偏置弹簧(6)的一端套接在底座(4)的B凸台(42)上，偏置弹簧(6)的另一端套接在驱动件(3)的A凸台(33)上，形状记忆弹簧(5)的一端套接在驱动件(3)的 连杆 (32)上，形状记忆弹簧(5)的另一端与壳体(1)的A收敛段(12) 接触 。在本发明中，形状记忆弹簧(5)采用低 相变 点TiNiFe形状记忆 合金 材料，制作成细径0.2～1.5mm的丝材，缠绕成微型驱动记忆 螺旋弹簧 ；本发明节流器采用TiNiFe 记忆合金 丝材来制作调节式制冷器的驱动件，克服了采用Cu基形状记忆合金的缺点，具有加工制作容易，使用重复性好、寿命长、结构简单的优点。，下面是一种适用于制冷探测器的低温节流器专利的具体信息内容。
1.一种适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：由壳体(1)、驱动件(3)、 底座(4)、形状记忆弹簧(5)、偏置弹簧(6)组成；壳体(1)底端与底座(4) 的凸缘(41)通过螺纹连接，壳体(1)的内部从左至右放置有偏置弹簧(6)、 驱动件(3)、形状记忆弹簧(5)，偏置弹簧(6)的一端套接在底座(4)的B 凸台(42)上，偏置弹簧(6)的另一端套接在驱动件(3)的A凸台(33)上， 形状记忆弹簧(5)的一端套接在驱动件(3)的连杆(32)上，形状记忆弹簧(5) 的另一端与壳体(1)的A收敛段(12)接触；
所述壳体(1)为圆筒形状；壳体(1)的底端设有内螺纹；壳体(1)的上部从 左至右设有A收敛段(12)、B收敛段(13)，B收敛段(13)的中心为顶孔(2)；
所述驱动件(3)的顶板(34)上面中心位置设有连杆(32)，连杆(32)的端 部设计为具有30～45锥度的锥形顶尖(31)，驱动件(3)的顶板(34)下面中心 位置设有0.5～3cm厚的A凸台(33)；
所述底座(4)的凸缘(41)上设有外螺纹，底座(4)的中心位置设有B凸台 (42)；
所述形状记忆弹簧(5)为螺旋式弹簧结构；
所述偏置弹簧(6)采用不锈钢加工的螺旋式弹簧结构。
2.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：形状记忆 弹簧(5)与偏置弹簧(6)构成弹性驱动器；弹性驱动器的驱动力与输出位移之 间存在有下述关系：式中，F表示 弹性驱动器的驱动力，x表示驱动件(3)的位移量，k1表示形状记忆合金弹簧(5) 在常温时弹性系数，k2表示偏置弹簧(6)在常温时弹性系数，d1表示形状记忆 合金弹簧(5)的预压缩量，d2表示偏置弹簧(6)的预压缩量，a表示驱动件(3) 在气腔(11)中的初始位置，c表示弹性驱动器的驱动力与输出位移之间拟合曲 线常数。
3.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：形状记忆 弹簧(5)的原材料为TiNiFe形状记忆合金丝材，且Fe元素的含量为0.1～3wt％， 该TiNiFe形状记忆合金丝材的马氏体开始相变温度范围为25℃～-160℃；形 状记忆弹簧(5)的簧与簧的宽度d为1～3mm，簧的直径φ为0.3～1mm。
4.根据权利要求3所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：形状记忆 弹簧(5)的原材料组分为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金丝材，该Ti50Ni47Fe3形状记 忆合金丝材的马氏体开始相变温度-153℃；形状记忆弹簧(5)的簧与簧的宽度 d为1～3mm，簧的直径φ为0.3～1mm。
5.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于：工作环境 温度为25℃～-196℃。
6.根据权利要求1所述的适用于制冷探测器的低温节流器，其特征在于形状记忆弹 簧(5)的制备有如下步骤：
(A)配制合金成分
按目标成分称取纯度99.9％的海绵钛(Ti)和纯度99.9％的镍(Ni)以及少量 纯度99.7％的金属铁(Fe)；
所述TiNiFe目标成分为含0.1～3wt％的Fe元素，45～55wt％的Ti元素和余 量的Ni元素组成；
(B)熔炼TiNiFe合金
将上述合金元素采用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFe形状记忆合金铸锭； 熔炼温度为1500～1700℃，真空熔炼炉抽真空度至1×10-2～5×10-5Pa；
(C)锻造制TiNiFe合金棒材
将上述制得的铸锭采用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材；
(D)拉制TiNiFe合金丝材
将棒材在拉丝机上拉制成所需直径的丝材；
(E)绕制弹簧
将丝材在弹簧机上绕制成所需匝数的螺旋弹簧结构；
(F)弹簧记忆处理
将螺旋弹簧放入电阻炉内，进行记忆处理，处理温度为400～500℃，保温30～ 60min，制得TiNiFe形状记忆弹簧。
技术领域
本发明涉及一种用作制冷探测器的低温节流器，该节流器采用形状记忆弹簧在不 同温度变化条件下的弹性伸缩，推动针阀开启或关闭来控制制冷探测器流量的大小， 从而实现制冷探测器流量、制冷功率自调的功能。
背景技术
作者王三煜在《红外技术》上于2007年9月出版的“记忆合金调节式制冷器研 究”中公开了一种由主动弹簧、记忆合金调节器、补偿块、平衡弹簧、阀针构成的针 阀控制机构，装配时，调节机构设置一初始预紧力，针阀处于开启状态，当节流降温 至低于记忆合金转化温度时，调节器刚度变小，主动弹簧推动针阀机构关闭，制冷器 流量变小，从而实现制冷器流量、制冷功率自调的功能。但该记忆合金调节式制冷器 制造、装配、调试难度大等缺陷。
发明内容
本发明是一种适用于制冷探测器的低温(25℃～-196℃)节流器，由壳体1、 驱动件3、底座4、形状记忆弹簧5、偏置弹簧6组成；壳体1底端与底座4的凸缘 41通过螺纹连接，壳体1的内部从左至右放置有偏置弹簧6、驱动件3、形状记忆 弹簧5，偏置弹簧6的一端套接在底座4的B凸台42上，偏置弹簧6的另一端套 接在驱动件3的A凸台33上，形状记忆弹簧5的一端套接在驱动件3的连杆32上， 形状记忆弹簧5的另一端与壳体1的A收敛段12接触。形状记忆弹簧5与偏置弹 簧6构成弹性驱动器，弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系：
本发明低温(25℃～-196℃)节流器的优点：采用TiNiFe记忆合金丝材来制 作调节式制冷器的驱动件克服了采用Cu基形状记忆合金的缺点，具有加工制作容 易，使用重复性好、寿命长、结构简单的优点；形状记忆弹簧采用低相变点TiNiFe 形状记忆合金(低温记忆合金)材料，制作成细径0.2～1.5mm的丝材，缠绕成微 型驱动记忆螺旋弹簧；形状记忆弹簧与偏置弹簧的匹配，构成了用于节流制冷探测器 的微型弹簧驱动器。
附图说明
图1是本发明制冷探测器的低温节流器的外部结构图。
图1A是本发明制冷探测器的低温节流器的爆炸示图。
图2是本发明制冷探测器的低温节流器的等轴剖示图。
图3是本发明驱动件的结构图。
图4是本发明形状记忆弹簧的结构图。
图中： 1.壳体 11.气腔 12.A收敛段 13.B收敛段 2.顶孔 3.驱动件 31.锥形顶尖 32.连杆 33.A凸台 34.顶板 4.底座 41.凸缘 42.B凸台 5.形状记忆弹簧 6.偏置弹簧
具体实施方式
本发明是一种适用于制冷探测器的低温节流器，该低温节流器由壳体1、驱动件 3、底座4、形状记忆弹簧5、偏置弹簧6组成；形状记忆弹簧5与偏置弹簧6构成 弹性驱动器(该弹性驱动器用于推动驱动件3运动，使顶尖31开启或关闭顶孔2， 从而达到调节液氮的流量进入)。
参见图1、图2所示，壳体1为圆筒形状；壳体1的底端设有内螺纹(该内螺 纹用于与底座4的外螺纹实现螺纹连接)；壳体1的上部从左至右设有A收敛段12、 B收敛段13，A收敛段12的下端面用于与形状记忆弹簧5的一端接触，B收敛段 13的中心为顶孔2，顶孔2用于液氮进入；壳体1内的有气腔11，该气腔11用于 存放通过顶孔2进入的液氮。在装配时，驱动件3的连杆31的中心轴线与顶孔2 的中心线在同轴上。
参见图1A、图3所示，驱动件3的顶板34上面中心位置设有连杆32，连杆 32的端部设计为具有30～45锥度的锥形顶尖31，驱动件3的顶板34下面中心位 置设有0.5～3cm厚的A凸台33；在本发明中，连杆32的直径可以小于或者等于 A凸台33的直径。
参见图1A所示，底座4的凸缘41上设有外螺纹，该外螺纹与壳体1底端的内 螺纹相配合实现壳体1与底座4的连接，同时也实现了初始调节弹性驱动器的预紧 力；底座4的中心位置设有B凸台42，B凸台42与驱动件3上的A凸台33之间 套接有偏置弹簧6。
参见图1A、图4所示，形状记忆弹簧5为螺旋式弹簧结构，形状记忆弹簧5采 用TiNiFe形状记忆合金丝材，且Fe元素的含量为0.1～3wt％，该TiNiFe形状记 忆合金丝材的马氏体开始相变温度范围为25℃～-160℃，经缠绕工艺制成弹簧形 状，形状记忆弹簧5的簧与簧的宽度(簧距)d为1～3mm，簧的直径φ为0.3～1mm。 形状记忆弹簧5的具体材料组分为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金，该Ti50Ni47Fe3形状记 忆合金制得的丝材加工成弹簧，其马氏体开始相变温度-153℃。
参见图1A所示，偏置弹簧6采用不锈钢加工的螺旋式弹簧结构。
壳体1底端与底座4通过螺纹连接，壳体1的内部从左至右放置有偏置弹簧6、 驱动件3、形状记忆弹簧5，偏置弹簧6的一端套接在底座4的B凸台42上，偏置 弹簧6的另一端套接在驱动件3的A凸台33上，形状记忆弹簧5的一端套接在驱 动件3的连杆32上，形状记忆弹簧5的另一端与壳体1的A收敛段12接触。在装 配时，驱动件3的锥形顶尖31相距顶孔2端面0.5～3mm，有利于节流器所需冷 却源由顶孔2进入。当气腔11内的温度下降至形状记忆弹簧5的马氏体开始相变点 温度时(此处所说的温度需要根据使用节流器的要求，进行在制作形状记忆弹簧丝材 时进行设定，如选取的形状记忆材料为Ti50Ni47Fe3形状记忆合金时，加工丝材时， 设定马氏体开始相变点温度为-153℃，则气腔11的温度下降至-153℃时，形状 记忆弹簧5将发生伸长或收缩的变化，从而使锥形顶尖31开启或关闭顶尖2，来达 到节流)，形状记忆弹簧5收缩，偏置弹簧6伸长，从而推动驱动件3向右运动，达 到顶尖31顶紧顶孔2，阻止液氮进入，实现节流。
在本发明中，弹性驱动器的驱动力与输出位移之间存在有下述关系： 式中，F表示弹性驱动器的驱动力，x 表示驱动件3的位移量，k1表示形状记忆合金弹簧5在常温时弹性系数，k2表示偏 置弹簧6在常温时弹性系数，d1表示形状记忆合金弹簧5的预压缩量，d2表示偏置 弹簧6的预压缩量，a表示驱动件3在气腔11中的初始位置，c表示弹性驱动器的 驱动力与输出位移之间拟合曲线常数。
在本发明中，用于制作形状记忆合金弹簧5的TiNiFe形状记忆合金丝材的制备 方法如下：
(A)配制合金成分
按TiNiFe目标成分配比称取纯度99.9％的海绵钛(Ti)和纯度99.9％的镍(Ni) 以及少量纯度99.7％的金属铁(Fe)；
TiNiFe目标成分为含0.1～3wt％的Fe元素，45～55wt％的Ti元素和余量的 Ni元素组成。
(B)熔炼TiNiFe合金
将上述合金元素采用真空熔炼炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFe形状记忆合金铸锭； 熔炼温度为1500～1700℃，真空熔炼炉抽真空度至1×10-2～5×10-5Pa；
(C)锻造制TiNiFe合金棒材
将上述制得的铸锭采用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材；
(D)拉制TiNiFe合金丝材
将棒材在拉丝机上拉制成所需直径的丝材；
(E)绕制弹簧
将丝材在弹簧机上绕制成所需匝数的螺旋弹簧结构；
(F)弹簧记忆处理
将螺旋弹簧放入电阻炉内，进行记忆处理，处理温度为400～500℃，保温30～ 60min，制得TiNiFe形状记忆弹簧。
将(D)步骤制得的丝材采用低温差示扫描量热仪(DSC)或电阻法测定合金的 相变点的温度，测量的温度范围从-196℃至25℃，升降温速率为1℃/min；经 测试，本发明的低相变点TiNiFe形状记忆合金丝材材料，其马氏体开始相变温度 (Ms)为室温至-160～20℃，形状记忆效应(SME)为4％～8％，室温抗拉强 度(бb)为600MPa～850MPa，室温屈服强度(бs)为200MPa～500MPa，室温 延伸率(δ)为12.5％～40.0％。
本发明的一种适用于制冷探测器的节流器的工作环境温度为25℃～-196℃。
本发明利用新型功能材料TiNiFe形状记忆合金随温度变化而表现出来的形状记 忆特性，对节流器中的顶尖31进行开度控制，进而实现制冷探测器的流量参数的自 调，这是一种全新的节流制冷控制技术。
本发明设计的低温节流器的工作原理为：液氮经顶孔进入气腔内，随着进入气腔 的液氮量的增大，致使气腔内的温度下降，当气腔温度下降至形状记忆弹簧5的马 氏体开始相变温度时，形状记忆弹簧5开始收缩，形状记忆弹簧5上的顶尖在偏置 弹簧6的伸长状态下达到顶孔的位置，直至将顶孔封闭，隔断液氮进入气腔内，起 到调节节流器的作用。反之，随着进入气腔的液氮量的减少，致使气腔内的温度上升， 当气腔温度上升至形状记忆弹簧5的奥氏体开始相变温度时，形状记忆弹簧5开始 伸长，形状记忆弹簧5上的顶尖在偏置弹簧6的收缩状态下远离顶孔的位置，直至 将顶孔打开，使液氮进入气腔内，进而实现开启/关闭顶孔的往复运动。
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