CN107489624B - 热压缩机及其换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热压缩机及其换热系统。所述热压缩机包括回热器、排出器、换热系统以及密封件，所述换热系统包括气缸与换热器，所述换热器连接于气缸外部，所述气缸具有第一进出气孔和第二进出气孔，所述换热器设有连通于气缸第一进出气孔和第二进出气孔之间的换热槽道，所述回热器与排出器组合位于换热系统中气缸的内部，并采用密封件进行密封，所述密封件位于气缸与排出器之间，并将气缸的第一进出气孔和第二进出气孔隔开。所述换热器与气缸焊接成一体式结构，结合密封件及排出器的运动，实现与往复流动的工质进行换热，可以实现两流体远距离的传热，且适用于各种温区和热负荷工况，从而具有更广泛的应用前景。

Description

热压缩机及其换热系统

技术领域

本发明涉及热压缩机领域，尤其涉及一种热压缩机用换热系统。

背景技术

交变流动广泛存在于斯特林型热机和制冷机、脉冲管制冷机、GM型制冷机、VM型制冷机和热压缩机中。应用于交变流动工况下的换热器的形式通常为管式、狭缝式或者其他多孔介质的形式。

热压缩机作为制冷机的压力波发生器，其可以利用热能直接产生压力波，从而具有更高的热效率。热压缩机可工作于高温(如900K)和室温之间，也可工作于室温和低温(如77K)之间。热压缩机利用温度差直接产生压力波，所以其换热器通常工作在较高的热负荷下。目前热压缩机的换热器通常采用圆管或狭缝式的形式，这些形式的换热器存在结构不够紧凑或者换热效率低等问题，需要对其整体性能进行优化提升。

在工程技术中通常采用螺旋圆管进行强化换热，螺旋圆管在其横截面上引起二次流动而可以方便的实现强化传热，但是螺旋圆管换热器在强化传热的同时也会引起较大的压力损失。在交变流动工况下，该压力损失随着频率的增加将急剧增大，使得换热器的综合效率降低。为了减小其压力损失，可采用加大管径的螺旋圆管，但这同时也会增大整机的空容积而降低整机的效率。此外，螺旋圆管换热器在实际应用中还存在焊接、布置等问题，增加了结构的复杂性，而且其仅能实现管内外两流体之间的换热，无法实现两流体远距离间的传热，这也在一定程度上限制了其应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种热压缩机及其换热系统，以克服上述背景技术中的不足，解决交变流动工况下螺旋圆管换热器压力损失大、空容积大以及无法实现远距离换热等问题。

本发明揭示了一种热压缩机用换热系统，包括气缸与换热器，所述换热器连接于气缸外部，所述气缸具有第一进出气孔和第二进出气孔，所述换热器设有连通于气缸的第一进出气孔和第二进出气孔之间换热槽道。

优选的，所述换热槽道为螺旋槽道。

优选的，所述换热槽道包括缓冲槽口和螺旋槽，所述缓冲槽口包括对应气缸的第一进出气孔和第二进出气孔设置的第一缓冲槽口和第二缓冲槽口，所述螺旋槽设于第一缓冲槽口和第二缓冲槽口之间。

优选的，所述第一进出气孔和第二进出气孔为圆孔状，并上下对应设置；所述第一进出气孔和第二进出气孔上下一组，至少一组或多组，并沿气缸周向均匀分布。

优选的，所述缓冲槽口截面形状为矩形，其高度大于气缸的第一进出气孔和第二进出气孔的直径。

优选的，所述气缸的第一进出气孔和第二进出气孔分别对应位于第一缓冲槽口和第二缓冲槽口的中部。

优选的，所述螺旋槽的截面可以为矩形、梯形、三角形或圆弧形状。

优选的，所述换热器材料为无氧铜、紫铜或不锈钢中的一种；所述气缸和换热器采用焊接的方式进行连接，焊接的方式为氩弧焊、银焊、真空钎焊中的一种。

本发明还揭示了一种热压缩机，包括回热器、排出器、换热系统以及密封件，所示换热系统包括气缸与换热器，所述换热器连接于气缸外部，所述气缸具有第一进出气孔和第二进出气孔，所述换热器设有连通于气缸第一进出气孔和第二进出气孔之间的换热槽道，所述回热器与排出器组合位于换热系统中气缸的内部，并采用密封件进行密封，所述密封件位于气缸与排出器之间，并将气缸的第一进出气孔和第二进出气孔隔开。

优选的，所述换热槽道包括缓冲槽口和螺旋槽，所述缓冲槽口包括对应气缸第一进出气孔和第二进出气孔设置的第一缓冲槽口和第二缓冲槽口，所述螺旋槽设于第一缓冲槽口和第二缓冲槽口之间。

本发明公开了一种热压缩机用换热系统，将换热器与气缸做成一体的形式，气缸内部的工质通过气缸周向的进出气孔流入换热器，进而流经换热槽道进行换热，换热之后的工质后从气缸另一端的轴向进出气孔流回气缸。其中，气缸第一、第二进出气孔采用密封环隔开，通过排出器的往复运动实现换热器内部工质的交变流动换热。所述换热槽道上下两端分别布置有缓冲槽口，可以有效减小工质流动转向时产生的压力损失。螺旋槽的横截面积可以为矩形、半圆形或三角形，可通过优化截面的宽度可以减小流动产生的二次流，从而减小流动产生的压力损失，获得更高的综合性能。

附图说明

图1为热压缩机主要部件的示意图；

图2为图1中换热系统换热流程示意图；

图3为图1中换热器螺旋槽截面类型示意图；

图4为图1在排出器下行时换热器内部工质的流动示意图；

图5为图1在排出器上行时换热器内部工质的流动示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。下述实施例中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明揭示了一种热压缩机，包括回热器1、排出器2、换热系统(未标示)以及密封件5。所示换热系统包括气缸3与换热器4，所述换热器4连接于气缸3外部，所述气缸3具有第一进出气孔3a和第二进出气孔3b，所述换热器4设有连通于气缸3第一进出气孔3a和第二进出气孔3b之间的换热槽道。所述回热器1与排出器2组合位于换热系统中气缸3的内部，并采用密封件5进行密封，所述密封件5位于气缸3与排出器2之间，并将气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b隔开。本实施例中，密封件5需要具有良好的密封性能，以确保气体工质不泄漏，从而保证所需换热的工质全部流经换热器4进行热交换。本实施例中，密封件5工作在低温77K，可以选用低温泛塞封等低温动密封件。

所述换热器4的换热槽道(未标示)包括缓冲槽口(未标示)和螺旋槽4b。所述缓冲槽口可以有效减小工质流动转向时产生的压力损失，其包括对应气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b设置的第一缓冲槽口4a和第二缓冲槽口4c，所述螺旋槽4b设于第一缓冲槽口4a和第二缓冲槽口4c之间。

请同时参照图2，所述气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b为圆孔状，并上下对应设置；所述第一进出气孔3a和第二进出气孔3b上下两个为一组，数量为一组或多组，并沿气缸周向均匀分布。

请同时参照图2，所述缓冲槽口截面形状为矩形，其高度和宽度大于气缸3第一进出气孔3a和第二进出气孔3b的直径。在一种较佳实施中，所述气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b分别对应位于第一缓冲槽口4a和第二缓冲槽口4c的中部。所述螺旋槽4b的截面可以为矩形d、梯形c、三角形b或圆弧c等形状的一种，本实施可以通过优化截面的宽度可以减小流动产生的二次流，从而减小流动产生的压力损失，获得更高的综合性能。

所述换热器4材料为无氧铜、紫铜或不锈钢中的一种。所述气缸3和换热器4采用焊接的方式进行连接，焊接的方式为氩弧焊、银焊、真空钎焊中的一种。

请同时参考图4至图5，为便于说明，将排出器2在一个周期内的往复运动分解为下行阶段和上行阶段两部分。在排出器2下行阶段，如图4所示，排出器2向下运动，排出器2上部的空间增大、下部空间减小，使得需换热的工质从排出器2下部依次流经：第一进出气孔3a、第一缓冲槽口4a、螺旋槽4b、第二缓冲槽口4c和第二进出气孔3b，换热之后流入排出器2上部空间。在排出器2上行阶段，如图5所示，排出器2下部的空间增大、上部空间减小，使得需换热的工质从排出器2下部依次流经：第二进出气孔3b、第二缓冲槽口4c、螺旋槽4b、第一缓冲槽口4a和第一进出气孔3a，换热之后流入排出器2下部空间。如此循环，从而实现交变流动下的换热。

本发明进一步以工作在低温77K的热压缩机系统为例，内部工质为高压氦气，工作频率0.1-20Hz。本实施例中，换热器4采用无氧铜材料，气缸3采用不锈钢材料，两部分采用真空钎焊或氩弧焊进行连接。换热器4外部可以直接浸入液氮或采用无氧铜连接至77K大冷量制冷机，以维持换热器4壁面温度维持恒定温度77K。如附图1所示，第一、第二进出气孔3a、3b可分别取3～8个，均布在气缸3周向，其内径可取值为1～10mm。第一、第二缓冲槽口4a、4c的截面宽度(即缓冲槽口的实际深度，槽底与气缸3外壁之间的距离)可取0.2～2mm、截面高度(即缓冲槽口的实际宽度)应略大于第一、第二进出气孔3a、3b的内径以保证第一、第二缓冲槽口4a、4c通过槽面与第一、第二进出气孔3a、3b连接时，缓冲槽口可以完全覆盖住第一、第二进出气孔3a、3b，即缓冲槽口的槽壁部分可以通过与气缸3外壁的连接阻隔第一、第二进出气孔3a、3b与气缸3外部的连通。该截面高度值可取2～11mm。

本实施例中，螺旋槽4b以采用矩形截面为例，周向可均布1～4条螺旋槽道以增大换热面积，螺旋槽道的螺距可任取但需保证各条螺旋槽道不会连通，螺旋槽的截面宽度(即螺旋槽4b的实际深度)可取0.2～2mm、截面高度(即螺旋槽4b的实际宽度)可略大于第一、第二缓冲槽口，取3～12mm。

在其他实施例中，螺旋槽4b以及第一、第二缓冲槽口4a、4c的横截面也可以采用梯形、半圆形或者半椭圆形。以满足热压缩机的实际的安装和换热需要。

为方便的实现与外界的换热，本发明所述的换热器4，可以将其外壁直接浸入换热介质，也可以采用高导热系数的金属材料连接至换热介质，从而实现远距离高效的传热。本发明所述的换热器4，其可以被外界加热也可以被外界冷却，被外界加热的方式可以为直燃型解热、电阻丝加热、水浴加热、油浴加热以及其他加热方式，被外界冷却的方式可以为风冷、水冷、采用如液氮、液化天然气等各种低温液体进行冷却以及其他冷却方式。本发明所述的换热器4，为增强其与外界的换热，换热器4外部可以增加各种翅片。本发明所述的换热器4，其可以连接铜辫子、铜箔软连接、铝箔软连接等软连接从而实现远距离的传热。本发明所述的换热器4，其适用于换热温度范围为2K至900K，其适用于工作频率范围为0.1Hz-100Hz，其适用于换热量量范围为几瓦至上千瓦。

请参考图1至图3，本发明还揭示了一种热压缩机用换热系统(未标示)，包括气缸3与换热器4，所述换热器4连接于气缸3外部，所述气缸3具有第一进出气孔3a和第二进出气孔3b，所述换热器4设有连通于气缸3第一进出气孔3a和第二进出气孔3b之间的换热槽道(未标示)。

所述换热槽道包括缓冲槽口(未标示)和螺旋槽4b，所述缓冲槽口包括对应气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b设置的第一缓冲槽口4a和第二缓冲槽口4c，所述螺旋槽4b设于第一缓冲槽口4a和第二缓冲槽口4c之间。

所述第一进出气孔3a和第二进出气孔3b为圆孔状，并上下对应设置；所述第一进出气孔3a和第二进出气孔3b上下两个为一组，数量为一组或多组，并沿气缸周向均匀分布。

所述缓冲槽口截面形状为矩形，其高度和宽度大于气缸3第一进出气孔3a和第二进出气孔3b的直径。在一种较佳实施中，所述气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b分别对应位于第一缓冲槽口4a和第二缓冲槽口4c的中部。所述螺旋槽4b的截面可以为矩形d、梯形c、三角形b或圆弧c等形状的一种。

以上仅为根据附图所列的实施例，此外，还有一种实施例，所述换热槽道为螺旋槽道，直接连通于气缸3的第一进出气孔3a和第二进出气孔3b。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种热压缩机用换热系统，包括气缸与换热器，其特征在于，所述换热器连接于气缸外部，所述气缸具有第一进出气孔和第二进出气孔，所述换热器设有连通于气缸第一进出气孔和第二进出气孔之间的换热槽道；

所述换热槽道包括缓冲槽口和螺旋槽，所述缓冲槽口包括对应气缸第一进出气孔和第二进出气孔设置的第一缓冲槽口和第二缓冲槽口，所述螺旋槽设于第一缓冲槽口和第二缓冲槽口之间；

所述缓冲槽口截面形状为矩形，其高度大于气缸的第一进出气孔和第二进出气孔的直径；

所述第一缓冲槽口、所述第二缓冲槽口的截面宽度均为槽底与气缸外壁之间的距离，取0.2~2mm；所述螺旋槽的截面宽度取0.2~2mm。

2.如权利要求1所述的热压缩机用换热系统，其特征在于，所述换热槽道为螺旋槽道。

3.如权利要求1所述的热压缩机用换热系统，其特征在于，所述第一进出气孔和第二进出气孔为圆孔状，并上下对应设置；所述第一进出气孔和第二进出气孔上下两个一组，至少一组或多组，并沿气缸周向均匀分布。

4.如权利要求1所述的热压缩机用换热系统，其特征在于，所述气缸的第一进出气孔和第二进出气孔分别对应位于换热器第一缓冲槽口和第二缓冲槽口的中部。

5.如权利要求1所述的热压缩机用换热系统，其特征在于，所述螺旋槽的截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形状。

6.如权利要求1至5任一项所述的热压缩机用换热系统，其特征在于，所述换热器材料为无氧铜、紫铜或不锈钢中的一种；所述气缸和换热器采用焊接的方式进行连接，焊接的方式为氩弧焊、银焊、真空钎焊中的一种。

7.一种热压缩机，包括回热器、排出器、如权利要求1至6任一项所述的热压缩机用换热系统以及密封件，所示换热系统包括气缸与换热器，所述换热器连接于气缸外部，所述气缸具有第一进出气孔和第二进出气孔，所述换热器设有连通于气缸第一进出气孔和第二进出气孔之间的换热槽道，所述回热器与排出器组合位于换热系统中气缸的内部，并采用密封件进行密封，所述密封件位于气缸与排出器之间，并将气缸的第一进出气孔和第二进出气孔隔开。

8.如权利要求7所述的热压缩机，其特征在于，所述换热槽道包括缓冲槽口和螺旋槽，所述缓冲槽口包括对应气缸第一进出气孔和第二进出气孔设置的第一缓冲槽口和第二缓冲槽口，所述螺旋槽设于第一缓冲槽口和第二缓冲槽口之间。