CN106642822A - 热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器及设计方法。换热器为中空高热导率材料加工的近柱状结构，中间有一锥形狭缝体；狭缝体为均匀圆周布置的梯形翅片结构，狭缝体内孔直径等于脉管直径，上端外径等于低温段回热器内径，下端外径等于高温段回热器内径。本发明在不等直径间均匀加工锥形狭缝的方式实现了在有限体积内的换热面积最大化，加工方式由大直径端向小直径端自然过渡，流动损失均最小化。该发明能有效提升热耦合型两级同轴型脉管制冷机整机性能。

Description

热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器及设计方法

技术领域

本发明涉及两级脉管制冷机，特别涉及一种热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器及设计方法。

背景技术

20-50K温区的脉管制冷机一般采用两级结构，热耦合型两级脉管制冷机一级冷指与二级冷指的气流相互独立，可以由同一个压缩机驱动也可由两个压缩机分别驱动，一级冷指的冷量通过热桥将冷量传递至二级冷指中段的中间换热器，对二级冷指进行预冷，同时也可对外提供冷量，二级冷指工作气体经由高温段回热器回热、中间换热器预冷进入低温段回热器回热最后进入二级冷指脉管制冷。

中间换热器是热耦合型两级脉管制冷机中极为关键的部件。在理想情况下，它要实现以下几方面主要功能：

1)实现一级冷指对二级冷指中部的冷量传输。二级同轴型冷指回热器、脉管需要一级冷指冷量进行预冷，这就需要中间换热器进行一级冷指与二级冷指中部小温差下的高效传热。

2)高效换热。特别是在同轴型脉管制冷机中对回热器内气体的换热又要实现对二级脉管的预冷，这就需要能在有限体积下实现较大换热面积的几何面积。

3)减小高温段回热器与低温段回热器变截面处的流动损失。对于20～50K温区下的深低温脉管制冷机，回热器长度较长往往采用分段形式，同时高温段与低温段回热器往往具有不同的截面直径，要求变截面处不能产生较大地流动损失，这就需要实现变截面的有效过渡。

发明内容

本发明的目的在于，在热耦合同轴型两级脉管制冷机的二级设计一个中间换热器，解决一级冷指对二级冷指中部高效传热预冷，二级冷指内部变截面处流动损失过大的问题。

为达上述目的，所发明的热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器，中间换热器采用高热导率材料加工制造，内部锥形狭缝体为均匀圆周布置的梯形翅片结构，狭缝体内孔直径等于脉管直径；上端外径等于低温段回热器内径，下端外径等于高温段回热器内径；狭缝高度控制在8～15mm之间；狭缝宽度控制在0.15～0.25mm之间，条数控制在48～70条之间，从而形成用于热耦合型两级同轴型脉管制冷机第二级的中间换热器。

所述的狭缝体的设计方法如下：

首先，根据加工工艺确定狭缝切割宽度W；

其次，确定狭缝条数n(取整偶数)：

其中：D₁为脉管外径；

最后，计算狭缝高度H：

其中：Q为换热器换热量，D₂为高温段回热器内径、D₃为低温段回热器内径，ΔT为工作气体流经换热器的温差，h为工作气体与换热器固体材料在温度T时的表面换热系数。

本发明的优点如下：

1)将外部冷源换热接口与内部换热体集成，实现由外向内换热大热流下传热温差的最小化；

2)在不等直径间均匀加工锥形狭缝体的方式，实现在有限体积内的换热面积最大化，从而有利于实现中间换热器在有限体积内的高效换热；

3)锥形狭缝的加工方式采用由大直径到小直径的锥形加工方式，由大内径的高温段回热器逐步过渡到小内径的低温段回热器，避免无效空体积；

4)锥形狭缝体的几何形状实现了不等直径的高温段回热器和低温段回热器之间变截面处气体的顺畅导流，从而使变截面处流动损失最小化；

5)锥形狭缝体内径与脉管外径相同，使狭缝体与脉管形成良好热接触达到对脉管预冷的目的，能够有效提高脉管制冷系数。

上述优点将大大促进热耦合同轴型两级脉管制冷机中间换热器性能的提高，对于两级制冷机整机性能的提升具有非常重要的意义。

附图说明

图1为所发明的热耦合同轴型两级脉管制冷机中间换热器剖视图；

图2为所发明的热耦合同轴型两级脉管制冷机中间换热器下视图；

图3为采用所发明的热耦合同轴型两级脉管制冷机中间换热器的二级冷指局部剖视图；其中：1为低温段回热器；2为低温段回热器填料；3为第一焊接点；4‐1为锥形狭缝体；4‐2为换热凸台；5第二为焊接点；6为高温段回热器；7为高温段回热器填料；8为脉管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式做进一步地详细说明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“径向”、“上”、“下”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图3所示，所发明的热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器，采用高热导率的无氧铜制造，中间换热器换热量为10W，工作温度为80K，脉管8外径9mm、高温段回热器7内径为20mm、低温段回热器1内径为15mm，慢走丝线切割技术切割狭缝宽0.2mm，确定锥形狭缝体4-1狭缝条数为n＝60，为控制工作气体流经换热器的温差控制在2K之内，查的80K下氦气与换热器固体材料的表面换热系数为1115W/(m²·K)，则计算换热器狭缝的高度为H＝8.79mm，中间换热器的内部采用慢走丝线切割方式沿所述的锥形狭缝体4‐1上下端面的中心线均匀加工出梯形翅片结构形成锥形狭缝体4‐1，加工时锥形狭缝体4‐1的高度控制在12mm，锥形狭缝体4‐1的上端面与低温段回热器填料2的下端面齐平，下端面插入高温段回热器之内10mm。

从而形成用于热耦合型两级同轴型脉管制冷机二级的中间换热器。

Claims (2)

1.一种热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器，其特征在于：

所述的中间换热器采用高热导率材料加工制造，中间锥形狭缝体为均匀圆周布置的梯形翅片结构，狭缝体内孔直径等于脉管直径；狭缝体与低温段回热器相连接的端面外径等于低温段回热器内径，狭缝体与高温段回热器相连接端面外径等于高温段回热器内径；狭缝高度控制在8～15mm之间；狭缝宽度控制在0.15～0.25mm之间，条数控制在48～70条之间。

2.一种如权利要求1所述的热耦合同轴型两级脉管制冷机二级中间换热器的设计方法，其特征在于所述的狭缝体的设计方法如下：

首先，根据加工工艺确定狭缝切割宽度W；

其次，确定狭缝条数n(取整偶数)：

$n=\frac{{\mathrm{\πD}}_1}{2.5W}---\left(1\right)$

其中：D₁为脉管外径；

最后，计算狭缝高度H：

$H=\frac{2Q}{nh(D_2+D_3-2D_1)\mathrm{\Δ}T}---\left(2\right)$

其中：Q为换热器换热量，D₂为高温段回热器内径、D₃为低温段回热器内径，ΔT为工作气体流经换热器的温差，h为工作气体与换热器固体材料在温度T时的表面换热系数。