CN108195214A - 一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器，属于换热器技术领域。所述用于声能制冷机的环形狭缝换热器包括内肋体和内套，所述内肋体为由内环面向外环面开口的环状筒体，所述内套套设于所述内肋体内且过盈配合，所述内肋体的内环面上间隔开设有多个狭缝，以使所述内肋体和内套之间形成气体流动的狭缝通道。本发明可使交变流动的工质气体与换热器内壁强制对流换热，且具有较大的换热系数；在对外的导热方向上，本发明中的内肋体与内套的过盈配合以及内肋体与外翅片焊接结构消除了接触热阻；此外内肋体采用具有较小的导热热阻的紫铜材料制作，因而本发明的热端狭缝换热器体具有较好的散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器。
背景技术
声能制冷机包括斯特林制冷机、斯特林型脉管制冷机等，采用氦气或氢气在机器内形成高频压力波来实现制冷效果，其中斯特林制冷机是采用气体膨胀制冷的闭式循环，由压缩单元与膨胀单元无阀连通而成。目前斯特林制冷机向大冷量发展,制冷温区也变广，向中高(100K～270K)温区发展。特别是应用于低温冰箱的斯特林制冷机，其制冷量由几十瓦到几百瓦。
对于小型斯特林制冷机，压缩氦气进入的蓄冷器流道及压缩气缸本身就作为热端狭缝换热器，不需要单独设计热端狭缝换热器。但对于大冷量的斯特林制冷机，热端散热是很重要的，因而需要配置热端换热器。热端狭缝换热器要求热负荷较大，并且要求尽量降低热端狭缝换热器内的氦气流动阻力，并减少热端狭缝换热器的氦气空容积。同样，冷端换热器作为斯特林制冷机重要的导冷元件，承担着将膨胀腔内的冷量传导至外界的作用，其换热效率的高低直接关系到制冷机的制冷性能。
专利申请号为US20040026067的美国专利，其名称为heat exchanger forstirling refrigerating machine,heat exchanger body,and method ofmanufacturing heat exchanger body，其结构(图1)是采用环形波纹翅片(corrugatedfin)放入两个不同直径的同心圆环套筒内，环形波纹翅片的内外环分别与内外套焊接而成。该方法通过波纹翅片增大了换热面积，但是其制作难度较大，波纹翅片流道很难保持均匀一致，从而降低换热效率，增大流阻；而且不易控制环形空间内的空容积。
公开号为CN 1231407A的中国专利公开了使用具有翅片结构热交换器的斯特林制冷装置。其用于曲柄连杆型斯特林制冷机中(图2)，内外翅片一体铸造，外侧加了水冷却套。其专利中内套与换热器主体并没有采用热配合，其接触热阻会较大，故没用充分利用内套的散热面积。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器，该环形狭缝换热器可使交变流动的工质气体与换热器内壁强制对流换热，且具有较大的换热系数；在对外的导热方向上，内肋体与内套的过盈配合以及内肋体与外翅片焊接结构消除了接触热阻；此外内肋体采用具有较小的导热热阻的紫铜材料制作，因而热端狭缝换热器体具有较好的散热效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器，包括内肋体和内套，所述内肋体为由内环面向外环面开口的环状筒体，所述内套套设于所述内肋体内且过盈配合，所述内肋体的内环面上间隔开设有多个狭缝，以使所述内肋体和内套之间形成气体流动的狭缝通道。
进一步地，所述用于声能制冷机的环形狭缝换热器还包括多块外翅片，所述多块外翅片均匀固设于所述内肋体的外环面上。
进一步地，所述内肋体上的狭缝采用线切割成型。
进一步地，所述内肋体采用紫铜制造，所述内套采用不锈钢制造，所述外翅片采用铝制造。
进一步地，多个所述狭缝于所述内肋体的内环面上等距离开设。
进一步地，所述狭缝通道的高度为3mm-8mm，所述狭缝通道的宽度为0.2mm-0.5mm，所述内肋体中内肋的宽度为0.6-1.2mm。
进一步地，所述狭缝通道的外环面至所述内肋体的外环面的实体厚度为0.5-1mm。
进一步地，所述狭缝换热器的轴向长度为8mm-30mm。
进一步地，所述内套的厚度为0.3-0.5mm。
进一步地，所述外翅片与所述内肋体的外环面采用的固设方式为锡焊，且焊接前先去除所述外翅片表面的氧化层，并在去除氧化层后电镀上一层镍。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
(1)本发明可使交变流动的工质气体与换热器内壁强制对流换热，且具有较大的换热系数；在对外的导热方向上，本发明中的内肋体与内套的过盈配合以及内肋体与外翅片焊接结构消除了接触热阻；此外内肋体采用具有较小的导热热阻的紫铜材料制作，因而热端狭缝换热器体具有较好的散热效果。本发明的结构还具有方便加工和装配简单的特点。
(2)本发明可以实现大冷量斯特林制冷机的热端散热或冷端导冷的要求，同时满足氦气流道布置，减少换热器的空容积并控制流阻损失，以提高声能制冷机的效率，产生了良好的制冷效应。且本发明在大批量制造时，线切割的内肋体可以采用铸造，加工制造方便，成本低。本发明结构紧凑高效、比表面积高、散热密度高、空隙率可调节。
附图说明
图1为申请号为US20040026067的的美国专利中的热端换热器结构示意图；
图2为公开号为CN 1231407A的中国专利中的热端换热器结构示意图；
图3为本发明的热端狭缝换热器的结构示意图；
图4为图3中A处的局部放大图及内部热量传递示意图；
图5为本发明中内肋体的设计参数示意图；
图6为本发明实施例中热端狭缝换热器及冷端狭缝换热器在斯特林膨胀机中的位置图；
图7位本发明中外翅片的结构示意图。
图中，1-内肋体，11-内肋，2-内套，3-外翅片，4-狭缝通道，5-环形蓄冷器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
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。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图3-图5,一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器，包括内肋体1和内套2，所述内肋体1为由内环面向外环面开口的环状筒体。所述内套2套设于所述内肋体1内且过盈配合，所述内肋体1的内环面上间隔开设有多个狭缝，且多个所述狭缝于所述内肋体1的内环面上等距离开设，以使所述内肋体1和内套2之间形成气体流动的狭缝通道4。所述内肋体1上的狭缝采用线切割成型。
当所述用于声能制冷机的环形狭缝换热器作为热端狭缝换热器时，还包括多块外翅片3，所述多块外翅片3均匀固设于所述内肋体1的外环面上。本实施例中所述内肋体1采用紫铜制造，所述内套2采用不锈钢制造，所述外翅片3采用铝制造。
当狭缝换热器作为热端换热器时，利用线切割内肋体1的纵向槽道，与内套2紧密配合，形成密封的长条形的狭缝通道4，气体在这些狭缝通道4内流过，采用密封的微小狭缝提高了气体的换热面积，减小了狭缝内的气体容积，气体的热量通过内肋体1导向外翅片3，并与外侧的空气通过风扇强制对流换热把热量散出去。
当从声能制冷机的压缩腔排出的氦气进入热端狭缝换热器后，在狭缝通道4里内肋体1及内套2换热，如局部放大图4所示，交变流动的氦气把热量Q1传递给内肋体1，把热量Q2传递给内套2，内套2再把热量Q2传递给内肋体1，最终热量(Q1+Q2)一起通过内肋体1传递到外翅片3，外翅片3通过与外界的空气通过风扇强制对流换热，实现了热量从氦气到环境的散热过程。
内肋体1的设计参数如图5所示，狭缝通道4的宽度为d1、狭缝通道4的高度为h1、内肋体1上内肋11的宽度为d2，通过调整d1、h1、d2可以改变狭缝换热器的空隙率。为了保证狭缝换热器有充分的换热面积与工质气体接触换热，狭缝通道4的高度h1的范围通常在3mm-8mm。狭缝通道宽度为d1的范围通常在0.2mm-0.5mm之间。内肋体1中的内肋11的宽度d2的范围通常在0.6-1.2mm。h2为所述狭缝通道4的外环面至所述内肋体1的外环面的实体厚度，通常在加工条件可以达到并且满足狭缝换热器强度的情况下，为了尽可能的减小h2，从而增大换热面积，h2的范围通常在0.5-1mm。本实施例中，狭缝通道4的宽度d1优选为0.3mm，狭缝通道4的高度h1优选为5mm，内肋体1中的内肋11的宽度d2优选为1mm。
狭缝换热器的轴向长度通常在8mm-30mm。根据制冷机冷端或热端的热负荷进行调整。内套2的厚度不易过大，通常在0.3-0.5mm左右。
本发明的热端狭缝换热器位于斯特林制冷机的压缩腔出口与蓄冷器的入口之间，从压缩腔出来的高温工质气体进入狭缝通道4，在通道内与内肋体1换热。此狭缝换热器的优点是交变流动的工质气体与换热器内壁强制对流换热，具有较大的换热系数；在对外的导热方向上，内肋体1与内套2的过盈配合以及内肋体1与外翅片3焊接结构消除了接触热阻；内肋体1采用紫铜材料具有较小的导热热阻，因而热端狭缝换热器体具有较好的散热效果。其结构具有方便加工和装配简单的特点。
同时，上述狭缝换热器也可用于冷端换热器，此时冷端换热器外侧不再使用外翅片3导冷，可以将冷头部分与热管结合进行冷量传出。
本发明的一个示范性实例配以参考图图6进行解释，图6为热端狭缝换热器在斯特林膨胀机中的位置图。在实例中，热端狭缝换热器安装在压缩腔的出口与蓄冷器的入口之间。氦气通过在热端狭缝换热器内的交变流动，释放压缩热量。在环形蓄冷器5内，氦气在进入膨胀腔前放热给蓄冷器丝网，在从膨胀腔回流到蓄冷器的时候又从蓄冷器的丝网内吸收热量。在这个循环过程中，热端狭缝换热器也不断的向环境散热，而膨胀腔不断的得到冷量。
在确定设计需要的结构和尺寸之后，热端狭缝换热器的制造步骤如下：
a.加工内肋体1和内套2；
b.线切割由紫铜材料制作的内肋体1；
c.将内肋体1与内套2进行热配合；
d.制作外翅片3；
e.焊接内肋体1与外翅片3。
实例中，内肋体1在线切割之前应该加工内环面的同轴度到0.01mm，光洁度到0.8，其内径40mm为负公差；内套2外环面的同轴度到0.01mm，光洁度到0.8，其外径40mm为正公差。其目的是在过盈配合的时候保证配合面的紧密配合，减小接触热阻。将内肋体1加热至400℃，其受热膨胀，内肋11直径扩张至(40+0.1mm)以上。利用专门机器在高温下将常温的内套2快速塞入内肋体1的中空部内，待其冷却收缩后，内肋体1与内套2就能紧密结合一体。注意内套2和内肋体1的直径尺寸及表面粗糙度的品质控制，这些参数会对紧密配合的接触热阻有较大的影响。
外翅片3的焊接主要工序有：材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。外翅片3与内肋体1外环面采用的焊接方式是锡焊，由于铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3)，使得铜铝焊接难度较高，这是阻碍焊接的最大因素，因此必须将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍，这样铜铝才能顺利焊接在一起，焊着率才高，才能有效地提升外翅片3的散热效能。本发明中外翅片3的立体结构如图7所示。
本发明可以实现大冷量声能制冷机的热端散热或冷端导冷的要求，同时满足氦气流道布置，减少换热器的空容积并控制流阻损失，以提高声能制冷机的效率，以产生良好的制冷效应。且本发明在大批量制造时，线切割的内肋体1可以采用铸造，加工制造方便，成本低。本发明结构紧凑高效、比表面积高、散热密度高、空隙率较小。
Claims (10)
1.一种用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：包括内肋体和内套，所述内肋体为由内环面向外环面开口的环状筒体，所述内套套设于所述内肋体内且过盈配合，所述内肋体的内环面上间隔开设有多个狭缝，以使所述内肋体和内套之间形成气体流动的狭缝通道。
2.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于，还包括多块外翅片，所述多块外翅片均匀固设于所述内肋体的外环面上。
3.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述内肋体上的狭缝采用线切割成型。
4.根据权利要求2所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述内肋体采用紫铜制造，所述内套采用不锈钢制造，所述外翅片采用铝制造。
5.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：多个所述狭缝于所述内肋体的内环面上等距离开设。
6.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述狭缝通道的高度为3mm-8mm，所述狭缝通道的宽度为0.2mm-0.5mm，所述内肋体中内肋的宽度为0.6-1.2mm。
7.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述狭缝通道的外环面至所述内肋体的外环面的实体厚度为0.5-1mm。
8.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述狭缝换热器的轴向长度为8mm-30mm。
9.根据权利要求1所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述内套的厚度为0.3-0.5mm。
10.根据权利要求4所述的用于声能制冷机的环形狭缝换热器，其特征在于：所述外翅片与所述内肋体的外环面采用的固设方式为锡焊，且焊接前先去除所述外翅片表面的氧化层，并在去除氧化层后电镀上一层镍。
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