CN107014099B - 采用多块板式换热器的脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用多块板式换热器的脉管制冷机。采用多块板式换热器的脉管制冷机包括顺序连接的脉管、冷量换热器及回热器，冷量换热器为多块板式换热器，由分别连接在脉管与回热器上起换热作用的两个端部换热板及设置在两个端部换热板之间起气体均匀作用的中间换热板组成，端部换热板与中间换热板由固定件组装成整体，相邻两块换热板上的气体通道呈交叉放置。与现有技术相比，本发明中的换热设备采用交叉放置的多块狭缝式或孔式换热板，有利于减小气体流动阻力，使气体流动均匀，同时，相邻狭缝垂直或孔交错增强了气体和换热器间的换热，具有气流阻力小、换热效果好的特点。本发明可采用直线型脉管制冷机和U型脉管制冷机等多种形式。

Description

采用多块板式换热器的脉管制冷机

技术领域

本发明涉及一种脉管制冷机，尤其是涉及一种采用多块板式换热器的脉管制冷机。

背景技术

自80年代小孔型脉管制冷机发明以来，先后出现了双向进气型、双活塞型、四阀型、惯性管型等多种形式。脉管制冷机的性能随着脉管热端调相机构的改进而不断提高。脉管制冷机具有稳定性好，低温端没有运动部件等优点。随着效率的不断提高，脉管制冷机正在逐步取代G-M、Stirling制冷机，成为市场的主流低温制冷机。

除了调相机构的改进外，低温制冷机的冷量换热器的优化也是提高制冷机整机性能的有效途径。由于受到制冷机自身结构的限制，小型低温制冷机的冷量换热器一般尺寸较小。目前，冷量换热器的主要结构有两种，一是采用以丝网作为填充材料，二是采用单块狭缝式换热板。以丝网作为填充材料的冷量换热器具有换热系数高的特点，但是丝网阻力系数大，流体流过丝网时阻力损失太大，影响制冷机的性能；而采用单块狭缝式换热板作为冷量换热器，相比于丝网填料换热器的优点是，换热器对气体的流阻小，但单块狭缝换热器换热不充分。

斯特林型脉管制冷机一般在高频下运行，运行频率大约50-100Hz，因此回热器尺寸很大，脉管尺寸很小。而为了减小阻力，回热器的长度一般在50mm左右，因此，增大回热器的方法只有加大其直径，而脉管直径可由其最佳长径比而设计。因此，存在回热器直径与脉管直径相差很大的问题，特别是大功率下，脉管与回热器直径差更大。气体在回热器与脉管之间往复流动，冷量换热器介于脉管与回热器之间，既要起到换热作用，又要起到脉管与回热器之间的气体均匀器的作用，使气体流入回热器和脉管都能做到均匀，提高制冷量，一般的冷量换热器无法胜任这种状况。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的脉管制冷机存在的缺点，本发明旨在提供一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，脉管制冷机的冷量换热器采用多块板式换热器，以此增强脉管制冷机冷端换热器的换热效率，并起到气体均匀器的作用，进而改善制冷机整机性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

采用多块板式换热器的脉管制冷机，包括顺序连接的脉管、冷量换热器及回热器，所述的冷量换热器为多块板式换热器，所述的多块板式换热器由分别连接在脉管与回热器上起换热作用的两个端部换热板及设置在两个端部换热板之间起气体均匀作用的中间换热板组成，所述的中间换热板至少设有一个。所述的端部换热板与中间换热板由固定件组装成整体，相邻两块换热板上的气体通道呈交叉放置。

分别连接在脉管与回热器上起换热作用的两个端部换热板的直径不同，当中间换热板设有一个时，所述的中间换热板直径介于两个端部换热板之间；当中间换热板至少设有两个时，所述的中间换热板直径分别与其对应的端部换热板相当。以此可以实现回热器与脉管间的尺寸过渡。

优选地，所述的端部换热板与中间换热板平行间隔设置，相邻的两块换热板之间留有间隙。间隙的存在使得气体的速度和温度更加均匀，有利于气体和换热板间的换热。换热板用作换热器的同时，也起到均流气体的作用。使得气体在进入回热器和脉管中时，尤其是进入回热器中时，不会产生过大扰动，从而保证气流均匀，减少换热损失。

所述的固定件为内部中空的管状结构，所述的端部换热板与中间换热板设置在固定件内。

本发明的多块板式换热器中，垂直于换热板的方向为冷量换热器的进出口方向。即在使用本发明中板式换热器时，气流从一侧的端部换热板进入后，依次流经其余所有的中间换热板后，从另一侧的端部换热板流出。

进一步优选地，所述的换热板为圆形。

以三块换热板为例对换热板与固定件的形状及结构进行说明：当换热板共有三块时，中间换热板直径介于两个端部换热板之间，所述的固定件为内部中空的管状结构，所述的换热板安装在固定件内，在固定件内设置用于安装换热板的卡槽或卡台。还可以将其中一个换热板与固定件集成在一起，而其余换热板与固定件之间为可拆卸结构。

优选地，所述的换热板与固定件均采用铜材质。

本发明中换热板可以采用以下形式：

第一种形式：所述的端部换热板与中间换热板均为狭缝换热板，所述的狭缝换热板上开设有若干条平行设置的狭缝。

相邻两个狭缝换热板间的狭缝呈30-90°错开，即相邻两换热板狭缝角度垂直。使用多块狭缝换热板可以减小气体流动阻力，使气体流动均匀；相邻狭缝换热板狭缝角度的垂直增强了气体和换热器间的换热。

对于狭缝换热板，其中间还开设有一条垂直于所有狭缝并与所有狭缝连通的纵向缝隙，为方便加工，在该纵向缝隙两端设有便于加工而预留的小孔。

对于狭缝换热板，所有的狭缝设计均是为了方便气流流过，从而减小气流阻力。这种方案可以兼顾脉管制冷机冷量换热器的换热效率和流动阻力。

第二种形式：所述的端部换热板与中间换热板均为孔式换热板，所述的孔式换热板上开设有若干孔洞，孔洞的孔径与开孔率可以根据需要而调整。

在安装多个换热板时，相邻两个孔式换热板间的孔洞相错开，这样有利于提高换热效率。这种结构的换热板同样能使得换热器具备换热效果好、气流流动均匀的优点。

第三种形式：所述的端部换热板与中间换热板为孔式换热板和狭缝换热板混合组成，即将孔式换热板和狭缝换热板组合起来使用。这种结构灵活性强，同样也使得换热器兼具换热效果好和均匀气流的优点。

采用多块板式换热器的脉管制冷机，所述的脉管制冷机可以采用直线型、U型等多种结构。

以三块换热板为例进行说明，脉管制冷机内气体流经脉管后，依次通过第一换热板、第一间隙、第二换热板、第二间隙、第三换热板，流入回热器；当气体流出回热器时，与上述过程相反，气体依次流过第三换热板、第二间隙、第二换热板、第一间隙、第一换热板，流入。

与现有技术相比，本发明换热器解决了回热器的直径与脉管直径的不同而引起的气体流动不均的问题，使气体流入回热器时均匀，也使气体流入脉管时均匀。具体而言，具有以下优点及有益效果：

1、脉管制冷机采用多块板式换热器作为冷量换热器，有利于减小气体流动阻力损失，促使气体充分换热，减小脉管制冷机整机的不可逆损失。

2、多块板式换热器中，狭缝式换热板的结构和翅片式换热器相似，换热面积大，有利于换热，相比于丝网换热器，不会给气体的流动带来堵塞的问题。

3、相邻换热板之间留有一定的间隙，这使得气体的速度和温度更加均匀，有利于气体和换热板间的换热。换热板用作换热器的同时，也起到均流气体的作用。

4、狭缝式换热板之间的位置呈错开放置，增强气体和换热器之间的换热，并提高气体流动的均匀性。

5、本发明灵活性强，板式换热器可以用孔式换热板、狭缝式换热板，还可以采用其他换热板结构。

6、本发明结构简单，易于组装，可采用直线型、U型脉管制冷机等多种形式，相比其他结构的脉管制冷机，换热效率有所提高。

附图说明

图1为实施例1中脉管制冷机的冷头结构示意图；

图2为实施例1中多块板式换热器的正视图；

图3为实施例1中多块板式换热器的A-A面剖视结构示意图；

图4为实施例1中多块板式换热器的B-B面剖视结构示意图；

图5为实施例1中固定件与第一换热板连接结构立体示意图；

图6为实施例1中固定件与第一换热板连接结构剖视示意图；

图7为实施例1中第二换热板的结构示意图；

图8为实施例1中第三换热板的结构示意图；

图9为实施例2中脉管制冷机的冷头结构示意图；

图10为实施例2中多块板式换热器的A-A面剖视结构示意图；

图11为实施例2中多块板式换热器的B-B面剖视结构示意图；

图12为实施例3中孔式换热板的正视图；

图中标号：1为固定件，2为第一换热板，3为第二换热板，4为第三换热板，5为第四换热板，6为第一间隙，7为第二间隙，8为第三间隙，9为狭缝，10为纵向缝隙，11为孔式换热板，12为孔洞，13为脉管，14为回热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中，脉管制冷机冷头结构如图1所示，其中，冷量换热器采用多块板式换热器，多块板式换热器由三块狭缝式换热板和一个固定件组成。

如图1所示，多块板式换热器安装在脉管13与回热器14之间。

如图1～图4所示，本实施例中多块板式换热器，由三块平行设置的第一换热板2、第二换热板3、第三换热板4，及将三块换热板组装成整体的固定件1组成。本实施例中第一换热板2与第三换热板4均为起换热作用的端部换热板，第二换热板3为起气体均匀作用的中间换热板。第一换热板2与第二换热板3之间留有第一间隙6，第二换热板3与第三换热板4之间设有第二间隙7，第一间隙6、第二间隙7的存在使得气体的速度和温度更加均匀，有利于气体和换热板间的换热。换热板用作换热器的同时，也起到均流气体的作用。

制冷机工作时，气体经过脉管13后，依次通过第一换热板2、第一间隙6、第二换热板3、第二间隙7、第三换热板4，流入脉管14；当气体流出脉管14时，与流出过程相反，气体依次流过第三换热板4、第二间隙7、第二换热板3、第一间隙6、第一换热板2，流入脉管。

本实施例中，三块换热板均为圆形，且设置成不同直径大小，如图3～图6所示，固定件1为内部中空的管状结构，三个换热板设置在固定件1内，在固定件1内设置用于放置换热板的卡槽或卡台。参考图2-图5，固定件1一端设有用于与脉管或回热器相连的连接口。

参考图5，本实施例将第一换热板2与固定件1集成在一起，而其余换热板与固定件1之间为可拆卸结构。

本实施例中，第一换热板2、第二换热板3、第三换热板4均为狭缝换热板，如图2、图7、图8所示，狭缝换热板上开设有若干条平行设置的狭缝9。中间还开设有一条垂直于所有狭缝9并与所有狭缝9连通的纵向缝隙10，为方便加工，在该纵向缝隙两端设有便于加工而预留的小孔。所有的狭缝设计均是为了方便气流流过，从而减小气流阻力。这种方案可以兼顾脉管制冷机冷端换热器的换热效率和流动阻力。

如图3、图4所示，相邻两个狭缝换热板间的狭缝呈30°-90°错开，即相邻两换热板狭缝角度垂直。使用多块狭缝换热板可以减小气体流动阻力，使气体流动均匀；相邻狭缝换热板狭缝角度的垂直增强了气体和换热器间的换热。

如图8所示，第三换热板4呈梯台结构，以方便装卸回热器的管壁，即方便实现与回热器的对接。

本实施例的板式换热器中，垂直于换热板的方向为换热器的进出口方向，即本实施例的板式换热器使用时，气流从一侧换热板进入后，依次流经其余所有的换热板后，从另一侧换热板流出。

本实施例中，当气体从脉管向回热器流动时，经过三个从小到大的直径不同的板后，在回热器的入口就比较均匀，当气体从回热器向脉管流动时，经过三个从大到小的直径不同的板后，在脉管的入口就比较均匀。

本实施例中，所有的换热板与固定件均采用铜材质。

本实施例中，所有的换热板与固定件间有良好热接触，如焊接，粘接，过盈配合等，导热阻力很小。

实施例2

如图9、10、11所示，与实施例1不同之处在于，本实施例中，多块板式换热器采用四块狭缝式换热板，由四块平行设置的第一换热板2、第二换热板3、第三换热板4、第四换热板5及将四块换热板组装成整体的固定件1组成。本实施例中第一换热板2与第四换热板5均为起换热作用的端部换热板，第二换热板3与第三换热板4为起气体均匀作用的中间换热板。中间换热板的直径分别与其对应的端部换热板相当，即第二换热板3的直径与第一换热板2的直径相当，第三换热板4的直径与第四换热板5的直径相当。

制冷机工作时，气体经过脉管13后，依次通过第一换热板2、第一间隙6、第二换热板3、第二间隙7、第三换热板4、第三间隙8、第四换热板5，流入脉管14；当气体流出脉管14时，与流出过程相反，气体依次流过第四换热板5、第三间隙8、第三换热板4、第二间隙7、第二换热板3、第一间隙6、第一换热板2，流入脉管。

如图10、11所示，相邻两个狭缝换热板间的狭缝呈30°-90°错开，即相邻两换热板狭缝角度垂直。同样也可以减小气体流动阻力，使气体流动均匀，换热充分。

与实施例1相比，本实施例的气体流动更加均匀。

实施例3

如图12所示，与实施例1不同之处在于，本实施例中，换热板为孔式换热板11，孔式换热板11上开设有若干孔洞12，孔洞12的孔径与开孔率可以根据需要而调整。

在设置多个换热板时，相邻两个孔式换热板间的孔洞相错开，这样有利于提高换热效率。这种结构的换热板同样能使得换热器具备换热效果好、气流流动均匀的优点。

实施例4

端部换热板与中间换热板为孔式换热板和狭缝换热板混合组成，即将孔式换热板和狭缝换热板组合起来使用，任何位置的换热板都可以选择狭缝式或者孔式换热板。

狭缝9的角度和孔洞12的孔径与开孔率均可以根据现实情况进行调整，使其错开。

与实施例1-3相比，本实施例除却同样可以达到兼具换热效果好和均匀气流这两项优点外，其灵活性也更强。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，包括顺序连接的脉管、冷量换热器及回热器，其特征在于，所述的冷量换热器为多块板式换热器，所述的多块板式换热器由分别连接在脉管与回热器上起换热作用的两个端部换热板及设置在两个端部换热板之间起气体均匀作用的中间换热板组成。

2.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，所述的中间换热板至少设有一个。

3.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，设有一个中间换热板时，分别连接在脉管与回热器上起换热作用的两个端部换热板的直径不同，所述的中间换热板直径介于两个端部换热板之间。

4.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，至少设有两个中间换热板时，分别连接在脉管与回热器上起换热作用的两个端部换热板的直径不同，所述的中间换热板直径与其对应的端部换热板相当。

5.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，所述的端部换热板与中间换热板平行间隔设置，相邻的两块换热板之间留有间隙。

6.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，所述的端部换热板与中间换热板由固定件组装成整体，所述的固定件为内部中空的管状结构，所述的端部换热板与中间换热板设置在固定件内。

7.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，所述的端部换热板与中间换热板均为狭缝换热板，所述的狭缝换热板上开设有若干条平行设置的狭缝，相邻两个狭缝换热板上的狭缝呈30-90°错开。

8.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，所述的端部换热板与中间换热板均为孔式换热板，所述的孔式换热板上开设有若干孔洞，相邻两个孔式换热板间的孔洞相错开。

9.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，所述的端部换热板与中间换热板由孔式换热板和狭缝换热板混合组成。

10.根据权利要求1所述的一种采用多块板式换热器的脉管制冷机，其特征在于，垂直于换热板的方向为冷量换热器的进出口方向。