CN102032832B - 一种柔性换热件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性换热件及其加工方法。它包括依次连接的冷端换热端、柔性段和热端换热端，其中柔性段为线切割的片状或条状，呈曲线形。其加工方法为：1)用线切割方法，将待加工件的中部进行单向切割或纵向横向交错切割成片状或条状，2)用模具将被切割部分压制成波浪形、锯齿形或弓字形。本发明能够消除换热件和其连接的金属部件之间由于热胀冷缩而产生的应力，同时由于该换热件具有柔性，容易被拉伸和压缩，还能减小由于热胀冷缩而引起的位移变化。本发明结构简单、易于加工、可靠性强，具有抗形变和应力小的特点，广泛适用于在高温或低温环境下运行而产生热胀冷缩现象的热交换设备中。

Description

一种柔性换热件及其加工方法

技术领域

本发明涉及换热器，尤其涉及一种柔性换热件及其加工方法。

背景技术

换热设备将热流体的部分热量传递给冷流体，起到热交换作用，是化工、石油、能源动力、食品等行业常用的设备，其应用广泛涉及工业生产、科学研究、民用领域。多数换热设备需要在高温或低温的特殊环境下工作。

换热设备多采用导热性好的金属材料加工而成，比如铜、铝等。在高温或低温下金属的热胀冷缩现象很明显，导致在螺钉等固定接头部位以及换热件和接触部分之间产生错位、不利应力、密封失效等一系列问题，影响了系统的工作。例如用于多级脉管制冷机的级间换热件，通常需要在80K以下的低温环境中工作，换热件冷收缩产生的影响十分严重。因此需要设计出能够减缓热胀冷缩应力的影响和抗形变能力的特殊结构的换热设备。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种柔性换热件及其加工方法。

柔性换热件包括依次连接的冷端换热端、柔性段和热端换热端，其中柔性段为线切割的片状或条状，呈曲线形。所述的曲线形为波浪形、锯齿形或弓字形。

柔性换热件的加工方法的步骤如下：

1)将待加工件的中部用线切割方式，进行单向切割，或纵向横向交错切割，切割成片状或条状，线切割时，每两相邻切割点相互错开；

2)用模具将切割成片状或条状的部位压制成波浪形、锯齿形或弓字形。

本发明结构简单、易于加工、可靠性强，具有抗形变和应力小的特点，广泛适用于在高温或低温环境下运行而产生热胀冷缩现象的热交换设备中。当换热件在高温或低温下工作时，换热件与其接触的金属部件将产生热胀冷缩，因不同金属的热收缩率各不相同，所以形变后换热件与其接触的金属部分会发生错位，并随之在相互间产生接触应力。由于换热件中部的柔性部位在应力的作用下易被拉伸或压缩，起到缓冲作用，能消除产生的不利应力，同时柔性部分的形变还能够改善热胀冷缩产生的错位位移。

附图说明

图1是柔性换热件的三维示意图；

图2是柔性换热件的结构示意图；

图3是柔性换热件在低温下的受力情况示意图；

图4是柔性换热件在高温下的受力情况示意图；

图5是采用柔性换热件的脉管制冷机系统示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，柔性换热件包括依次连接的冷端换热端14、柔性段15和热端换热端16，其中柔性段15为线切割的片状或条状，呈曲线形。所述的曲线形为波浪形、锯齿形或弓字形。

如图5所示，下面以铜质柔性换热件在多级脉管制冷机的级间换热应用为例，其中，多级脉管制冷机包括一级回热器1，一级冷头2，一级脉管3，热端换热器4、12，调相机构5、13，柔性换热件6，二级回热器高温区7，二级回热器中间换热件8，二级回热器低温区9，二级冷头10，二级脉管11。

分析柔性换热件在低温下的受力情况。假设在室温293.15K(20℃)下，柔性换热件长L₁＝150mm。当制冷机运行时，一级冷头的温度为80K左右，根据低温下铜的线性收缩率公式可知在80K温度下，铜产生的单向收缩约为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{30.2\×L_1}{{10}^4}=0.453\mathrm{mm}$

虽然与其相连的一级脉管和二级回热件的体积均产生冷收缩，但是由于不锈钢的膨胀系数小于紫铜，因此柔性换热件与两端仍有相对的错位产生，从而冷收缩后体积变小的柔性换热件在接触部位对两端产生一个向内的拉力，根据作用力与反作用力的规律，两端对柔性换热件也产生一对向外的反向拉力，如图3中的F₁和F₂。由于该柔性换热件中间部分被线切割成多片并且被压制成曲线形，该处的柔性较大，与弹簧特性相似，可以假设换热件该处受力情况与形变量具有如下特性：

F＝kx

其中k为柔性换热件的弹性系数。根据上面公式可知，当柔性换热件两端受力F₁和F₂时，该处将产生的形变量为L＝L₂-L₁＝F/k，最终换热件该处被拉长到L₂。从上面的分析可见由于柔性换热件具有与弹簧相似的柔性，对外界施加的拉力具有缓冲作用，从而缓解了不利应力对换热件和其接触的脉管、回热器的影响。

如图3、4所示，在高温下该柔性换热件的作用相似，不同之处在于与其接触的硬质部件对换热件产生一对向内的压力，柔性换热件曲线部分被挤压，起到消除应力作用，

柔性换热件的加工方法的步骤如下：

1)将待加工件的中部用线切割方式，进行单向切割，或纵向横向交错切割，切割成片状或条状，线切割时，每两相邻切割点相互错开；

2)用模具将切割成片状或条状的部位压制成波浪形、锯齿形或弓字形。

柔性换热件的具体加工方法如下：将待加工金属部件的中部用线切割方式进行单方向的切割，或纵向横向交错切割，切割成片状或条状。可根据所设计换热件的结构尺寸、强度要求和换热件所需热容等来确定线切割的方式、位置和尺寸(金属片厚度、宽度、长度，切割数量)。为保证换热件的强度和换热性能，切割的金属片不易过窄，切割的片数也不易过多。线切割时，每两相邻切割线的两端切割点相互错开，以避免切割的铜块两端切口端点太过整齐而导致该处容易断裂，如图1所示。最后用适当形状和尺寸的模具将切割成片状或条状部位压制成曲线形，如波浪形、锯齿形或弓字形，降低其刚度。

Claims (3)

1.一种柔性换热件，其特征在于包括依次连接的冷端换热端(14)、柔性段(15)和热端换热端(16)，其中柔性段(15)被线切割为多个片状或条状，呈曲线形。

2.根据权利要求1所述的一种柔性换热件，其特征在于：所述的曲线形为波浪形、锯齿形或弓字形。

3.一种如权利要求1所述的柔性换热件的加工方法，其特征在于它的步骤如下：

1)将待加工件的中部用线切割方式，进行单向切割，或纵向横向交错切割，切割成片状或条状，线切割时，每两相邻切割点相互错开；

2)用模具将切割成片状或条状的部位压制成波浪形、锯齿形或弓字形。

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