CN103940137A - 一种用于斯特林制冷机的冷端换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，包括冷头、回热器出气端盖、设置回热器出气端盖上的回热器出气孔和膨胀腔。冷头包括冷头内顶面和冷头内壁面。冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面均采用穹顶结构，且两者外形吻合。冷头内顶面与冷头内壁面上分别开设有多个均匀分布的顶面狭缝和壁面狭缝，其一一对应并相连通。冷头内顶面顶部设有由顶面狭缝围成的空心圆柱状储气槽。回热器出气端盖上倾斜开设有多个均匀分布的回热器出气孔。冷头内壁面上设有凸台，壁面狭缝开设在凸台侧面上。本发明具有换热面积大、传热系数高、无接触热阻、气体阻力小以及加工方面等优点，可使斯特林制冷机冷端换热器的换热能力提高30%以上。

Description

一种用于斯特林制冷机的冷端换热器

技术领域

本发明涉及斯特林制冷机技术领域，具体涉及一种用于斯特林制冷机的冷端换热器。

背景技术

冷端换热器是斯特林制冷机重要的换热部件，其换热性能的好坏直接影响斯特林制冷机性能的优劣。由于斯特林制冷机膨胀腔内气体与冷端换热器间换热面积小、换热系数低，使得气体与冷端换热器间传热热阻较大，造成斯特林制冷机的制冷能力受到很大限制。因此，增加冷端换热器的换热系数和换热面积，可有效地增大斯特林制冷机的制冷量，从而提高制冷机的COP。

目前，斯特林制冷机冷端换热器换热能力的强化主要是使用小目数和丝径的网片，或采用翅片以及在气缸壁上开设狭缝等方式，增加冷端换热器的换热面积或换热系数来实现的。但对于不同的强化换热形式，其使用条件又各不相同。网片强化换热主要是通过增加换热面积来实现，并可促使气体在低雷诺数下发展为紊流，进而提高换热器的换热系数。虽然方案简单易行，但网片与冷头壁面间为点接触，接触面积小、接触热阻大，且在斯特林制冷机运行频率较高时流动阻力损失急剧增加，使强化换热效果受到限制。采用翅片强化换热对于使用环形回热器的斯特林制冷机比较适用，由于气流往复地通过翅片间流道，能够大大增加冷端换热器的面积，但翅片强化换热不适用于回热器位于排出器内的小冷量斯特林制冷机。在气缸壁面上开设狭缝虽能增加换热面积，但由于气缸壁较薄且多使用低导热率不锈钢或钛合金，换热效果提升并不明显。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，该冷端换热器具有换热面积大、换热系数高、无接触热阻、气流阻力小等特点，能够大幅度提高斯特林制冷机的制冷量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，包括冷头、回热器出气端盖、设在回热器出气端盖上的回热器出气孔和膨胀腔，所述的冷头包括冷头内顶面和冷头内壁面。本发明所述斯特林制冷机的冷头采用高热导率材料铜。所述的冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面均采用穹顶结构，且所述的冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面外形相吻合。所述的冷头内顶面与冷头内壁面上分别开设有多个均匀分布的顶面狭缝和壁面狭缝，所述的顶面狭缝和壁面狭缝一一对应且相连通。所述的冷头内顶面的顶部设有储气槽。所述的回热器出气端盖上设有多个均匀分布的回热器出气孔，所述的回热器出气孔为倾斜开设。

具体地说，首先，将冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面设置为同心的穹顶结构，且其外形相吻合，增大了冷端换热器的换热面积。且在斯特林制冷机排出器运行到上死点时，减小冷头内顶面与回热器出气端盖外顶面间膨胀腔的死容积。其次，所述的顶面狭缝和壁面狭缝通过电火花加工的方式直接在冷头内顶面和冷头内壁面上切割出来，降低了冷端换热器的传热热阻，增大了冷端换热器的换热面积，从而大幅度提升制冷机的制冷量和COP。再次，通过在回热器出气端盖上倾斜开设多个均匀分布的回热器出气孔，增大了冷端换热器换热系数，还降低了从回热器出气孔高速流出气体垂直撞击冷头内顶面和冷头内壁面时气体动能损失所造成的气体内能增加和温度升高。

进一步的，所述的冷头内壁面上设有凸台，所述的壁面狭缝开设在凸台侧面上。所述的凸台的宽度等于斯特林制冷机膨胀气缸的厚度。所述的凸台的高度比斯特林制冷机排出器的振幅大1~2mm，这可增加由回热器出气孔流出气体与冷端换热器的换热时间和换热面积，从而提高制冷机的制冷量。

进一步的，所述的壁面狭缝和顶面狭缝的数量均为30~60个。所述的壁面狭缝和顶面狭缝的宽度均为0.1~0.3mm。所述的壁面狭缝的深度为0.1~0.3mm，且其深度不大于凸台的厚度。所述的顶面狭缝的深度从冷头内顶面穹顶中心沿径向逐渐增加，其在储气槽的边缘处最小，深度等于储气槽的深度。这是因为：狭缝数量过多或深度较大会造成气体进入狭缝换热时流动阻力损失增加，抑制强化换热效果，狭缝数量过少或深度较小又会造成强化换热的效果不明显；且在冷头结构一定时，较大的狭缝宽度会减小狭缝的数量，造成换热面积变化不大，能量增加有限。反之，又会造成气体进入狭缝流动阻力损失增加。

进一步的，所述的储气槽是由顶面狭缝围成的空心圆柱形结构，所述的储气槽的深度为0.5~1.5mm，所述的储气槽的直径为2~6mm。

更进一步的，所述的回热器出气孔中心线与排出器中心线间的夹角为30°~ 50°，所述的回热器出气孔的数量为30~60个，所述的出气孔的直径为1~2mm。这既能够保证气体与冷头内顶面和冷头内壁面间换热系数的增加，又降低了由回热器出气孔高速流出气体垂直撞击冷头内顶面和冷头内壁面时气体动能损失所造成的气体温度升高。

本发明的优点：

（1）本发明通过将冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面设计为穹顶结构，不仅能够增加斯特林制冷机膨胀腔内气体工质与冷端换热器的换热面积，还能够有效降低排出器运行至上死点时膨胀腔的死容积，增加斯特林制冷机的制冷量，提高斯特林制冷机的性能。

（2）本发明通过在制冷机冷头上直接开设顶面狭缝和壁面狭缝，消除了接触热阻，并使冷端换热器的换热面积得到大幅度增加。具体地说，当气体从回热器出气孔流出后，一部分气体朝冷头内顶面流动并撞击内顶面，由于进入狭缝阻力大，气体会沿内顶面流入储气槽。随着膨胀腔内压力的增大，储气槽内和顶面狭缝附近的气体逐渐向顶面狭缝深处流动。当膨胀腔内压力降低时，狭缝内的高压气体又会流出狭缝。如此往复换热，将膨胀腔内气体的冷量更多地传递给制冷机的冷端换热器。

（3）本发明通过在回热器端盖上倾斜开设回热器出气孔，降低气体垂直撞击冷头内顶面和冷头内壁面所造成的气体冷量损耗。具体地说，当气体从回热器出气孔流出时，一部分气体向冷头内壁面流动，倾斜撞击内壁面后沿壁面朝内顶面方向流动。由于内壁面上设有狭缝且深度较浅，气体会进入壁面狭缝并与狭缝的壁面进行换热，从而增大了冷端换热器的换热面积。又由冷头材料为导热系数较高的铜，减小冷端换热器的传热热阻。

由以上技术方案可知，本发明具有换热面积大、传热系数高、结构简单、加工方便、无接触热阻等特点，可使斯特林制冷机冷端换热器的换热能力提高30%以上，从而大幅度增加斯特林制冷机的制冷量。

附图说明

图1是本发明冷端换热器的工作原理图；

图2是本发明冷端换热器的结构示意图；

图3是本发明斯制冷机冷头结构示意图；

图4是本发明回热器出气端盖结构示意图。

其中：

101、冷头，102、冷头内顶面，103、冷头内壁面，104、顶面狭缝，105、壁面狭缝，106、凸台，107、储气槽，108、回热器出气端盖，109、回热器出气孔，110、膨胀腔，111、回热器出气端盖外顶面，112、排出器，113、膨胀气缸，114、凸台顶面，115、储气槽顶面，116、压缩活塞，117、压缩气缸，118、动磁式直线电机动子，119、压缩腔，120、回热器，121、散热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图4所示的一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，包括冷头101、回热器出气端盖108、设在回热器出气端盖108上的回热器出气孔109和膨胀腔110，所述的冷头包括冷头内顶面102和冷头内壁面103。本发明所述的斯特林制冷机冷头101采用高热导率的材料铜。所述的冷头内顶面102和回热器出气端盖外顶面111均采用穹顶结构，且两者的外形相吻合。所述的冷头内顶面102上开设有多个均匀分布的顶面狭缝104，所述的冷头内壁面103上开设有多个均匀分布的壁面狭缝105。所述的顶面狭缝104和壁面狭缝105一一对应，且所述的顶面狭缝104和壁面狭缝105相连通。所述的冷头内顶面102的顶部设有储气槽107。所述的回热器出气端盖108上设有多个均匀分布的回热器出气孔109，所述的回热器出气孔109为倾斜开设。

具体地说，第一，将冷头内顶面102和回热器出气端盖外顶面111设置为同心的穹顶结构，且两者外形相吻合，这样不仅能够增加斯特林制冷机膨胀腔内气体工质与冷端换热器的换热面积，还能够有效降低排出器运行至上死点时膨胀腔的死容积，提高斯特林制冷机的性能。第二，所述的顶面狭缝104和壁面狭缝105是通过电火花加工的方式直接在冷头内顶面102和冷头内壁面103上切割出来，进而消除了冷端换热器的接触热阻，并可增加制冷机的换热面积和制冷量。第三，通过在回热器出气端盖108上倾斜开设多个均匀分布的回热器出气孔109，当气体从回热器出气孔109流出后将倾斜流向冷头内壁面103，既减小气体与冷头内壁面103撞击造成的气体温度升高，又增强了内壁面103与气体间换热系数。这三方面的设计都能够强化制冷机冷端换热器的换热能力，使制冷机的制冷量和COP得到大幅度提升。

进一步的，所述的冷头内壁面103上设有凸台106，所述的壁面狭缝105开设在凸台106侧面上。所述的凸台106的宽度等于斯特林制冷机膨胀气缸113的厚度。所述的凸台106的高度比斯特林制冷机排出器112的振幅大1~2mm，增加从回热器出气孔109流出气体在膨胀腔110内与冷端换热器的换热时间和换热面积，从而提高制冷机的制冷量。

进一步的，所述的顶面狭缝104和壁面狭缝105的数量均为30~60个。所述的顶面狭缝104和壁面狭缝105的宽度均为0.1~0.3mm。所述的壁面狭缝105的深度为0.1~0.3mm，且其深度不大于凸台106的厚度。所述的顶面狭缝104的深度与冷头内顶面102穹顶的结构有关，所述的顶面狭缝104的深度从冷头内顶面102穹顶中心沿径向逐渐增加，其在储气槽107的边缘处最小，深度等于储气槽107的深度。

进一步的，所述的储气槽107是由顶面狭缝104围成的空心圆柱形结构，所述的储气槽107的深度为0.5~1.5mm，所述的储气槽107的直径为2~6mm。

更进一步的，所述的回热器出气孔109中心线与排出器112中心线间的夹角为30°~50°，所述的回热器出气孔109数量为30~60个，直径为1~2mm。这样既能够保证气体与内顶面102和冷头内壁面103间较大的换热系数，又可避免气体因垂直撞击冷头内顶面102和冷头内壁面103造成过多冷量损失。

本发明所述的冷端换热器在斯特林制冷机中的工作原理为：

如图1所示，斯特林制冷机的压缩活塞116位于压缩气缸117中。动磁式直线电机动子118与压缩活塞116相连并驱动其往复压缩气体做功，在压缩腔119内产生交变压力波。排出器112位于膨胀气缸113内，其内有回热器120。在制冷机运行时，压缩腔119内气体流经回热器120在压缩腔119和膨胀腔110间往复流动。由于膨胀腔110内压力较低，气体流出回热器出气孔109后在膨胀腔110内膨胀，温度降低。膨胀后的低温气体先与冷端换热器换热，再经过冷头101的导热将冷量传递出来，从而达到制冷目的，而从外界吸收的热量最终由散热器121扩散到环境中。在此过程中，冷端换热器的换热性能对冷量能否高效地导出膨胀腔110起着决定性作用，因此必须强化冷端换热器的换热。

在制冷机内气体膨胀制冷过程中，当气体从回热器出气孔109流出，进入低压的膨胀腔110时气体产生膨胀效应，气体温度降低。同时，气体朝内壁面103流动并倾斜撞击内壁面103，一部分气体沿内壁面103朝内顶面102流动并与温度较高的壁面进行热交换，还有一部分气体进入壁面狭缝105并与狭缝壁面进行换热。沿内壁面103向内顶面102流动的气体遇到内顶面102时发生转向，此后沿内顶面102流动并与其进行热交换，最终流入储气槽107。由于气体沿内顶面102流动时的阻力较小，仅有少量的气体进入顶面狭缝104。随着气体不断流出回热器出气孔109，膨胀腔110内的压力逐渐增加，储气槽107内的气体和内顶面102附近的气体逐渐流入顶面狭缝104，并与顶面狭缝104的狭缝壁面进行换热，最终达到狭缝内外压力平衡。当膨胀腔110内的气体压力降低时，顶面狭缝104与壁面狭缝105内气体开始从压力较高的狭缝内流出，并与狭缝的壁面再次进行换热，如此往复循环换热，冷端换热器将气体的冷量源源不断传递出来，最终得到所需要的温度。

本发明所述的用于斯特林制冷机的冷端换热器的加工方法为：

（1）根据斯特林制冷机冷头参数要求，采用高热导率材料铜制作冷头，并将冷头101加工到所需尺寸。在加工冷头内顶面102穹顶过程中，冷头内顶面102和冷头内壁面103的过渡区域应做圆角处理，圆角半径为0.5～1mm。

（2）使用电火花加工顶面狭缝104和壁面狭缝105。根据各部分结构间的相互关系，计算出凸台106的高度，并根据储气槽107的深度计算出从凸台顶面114到储气槽顶面115的垂直距离。在加工狭缝的过程中，电火花喷嘴沿通过冷头中心与凸台顶面114垂直的直线运动，依次加工壁面狭缝105、顶面狭缝104和壁面狭缝105。然后，根据所需加工狭缝的个数，将冷头101水平旋转相应角度再进行加工，依次类推，加工完成后即形成储气槽107。

（3）使用铣床铣回热器出气端盖108上的回热器出气孔109。将回热器端盖108竖直装卡，保证铣刀中心线与竖直方向上的夹角等于回热器出气孔109中心线与排出器112中心线间的夹角30°~50°，回热器出气孔109的数量为30～60个，直径1～2mm。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，包括冷头（101）、回热器出气端盖（108）、设在回热器出气端盖（108）上的回热器出气孔（109）和膨胀腔（110），所述的冷头包括冷头内顶面（102）和冷头内壁面（103）；其特征在于：所述的冷头内顶面（102）和回热器出气端盖外顶面（111）均采用穹顶结构，且两者外形相吻合；所述的冷头内顶面（102）上开设有多个均匀分布的顶面狭缝（104），所述的冷头内壁面（103）上开设有多个均匀分布的壁面狭缝（105）；所述的顶面狭缝（104）和壁面狭缝（105）一一对应且相连通；所述的冷头内顶面（102）的顶部设有储气槽（107）；所述的回热器出气端盖（108）上设有多个均匀分布的回热器出气孔（109），所述的回热器出气孔（109）为倾斜开设。

2.根据权利要求1所述的一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，其特征在于：所述的冷头内壁面（103）上设有凸台（106），所述的壁面狭缝（105）开设在凸台（106）侧面上。

3.根据权利要求1所述的一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，其特征在于：顶面狭缝（104）和所述的壁面狭缝（105）的数量均为30~60个，所述顶面狭缝（104）和所述的壁面狭缝（105）的宽度均为0.1~0.3mm；所述的顶面狭缝（104）的深度从冷头内顶面（102）穹顶中心沿径向逐渐增加，其在储气槽（107）的边缘处最小，深度等于储气槽（107）的深度；所述的壁面狭缝（105）的深度为0.1~0.3mm，且其深度不大于凸台（106）的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，其特征在于：所述的储气槽（107）是由顶面狭缝（104）围成的空心圆柱形结构，所述的储气槽（107）的深度为0.5~1.5mm，所述的储气槽（107）的直径为2~6mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于斯特林制冷机的冷端换热器，其特征在于：所述的回热器出气孔（109）中心线与排出器（112）中心线间的夹角为30°~50°，所述的回热器出气孔（109）的数量为30~60个，所述的回热器出气孔（109）的直径为1~2mm。