CN110579035B - 一种换热器及含有该换热器的脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热器及含有该换热器的脉管制冷机，换热器包括换热体，换热体的内部沿周向布设有多个扇形区，扇形区内设有多个相互平行的内翅片以及多个相互平行的换热器内流道。与现有技术相比，本发明通过将换热体的内部划分为多个扇形区，并使每个扇形区内的换热器内流道相互平行，保证从外侧到内侧的单位面积的气流通道总面积相同，解决了气体到达回热器时径向气流不均匀的问题；通过在换热体壁外侧沿轴向设置外翅片，并在集流器外侧分别设置进流槽、出流槽，使其与换热器外流道相连通，流体经进流槽均匀分布后轴向流动吸热，保证了氦气温度周向均匀，解决了因换热器轴向长度短难以布置轴向冷却，使回热器入口气体温度沿周向不均匀的问题。

Description

一种换热器及含有该换热器的脉管制冷机

技术领域

本发明属于脉管制冷机技术领域，涉及一种换热器及含有该换热器的脉管制冷机。

背景技术

在回热式制冷机(如斯特林制冷机、脉管制冷机)中，工质一般为氦气，换热器一般由铜柱作为换热体，用线切割机在铜柱内部切出槽，槽与槽之间的剩余部分形成内翅片，并在铜柱外侧加工出外翅片。外翅片之间通入水或其它流体，使槽中通入的氦气冷却。由于需要流动阻力小，因此一般换热器都比较短，并大都在铜柱外侧切出环状外翅片，水从一侧通过，从另一侧流出，其结构如图4、图5所示。这种结构中，靠近水流入口处的氦气温度低，出口处温度高，导致氦气温度呈周向不均匀。因此，当气体到达回热器时，温度也是一侧高一侧低，而回热器的基本要求是回热器入口温度均匀。内流道一般沿周向均匀分布，内流道一般比线切割机的线径大一点，呈矩形，其为了强化换热，流道宽度很小。翅片厚度呈外侧厚、内侧薄。这样就会在径向造成气流分布不均，平行于轴线的截面单位面积中的流道总面积(气流通道比率)为外侧小内侧大，这样气体到达回热器时径向是不均匀的，而回热器流动的基本要求是气体在回热器的径向均匀。这种情况在小型制冷机中不会造成大的问题，因为回热器的长径比很大，气流进入回热器后在填料阻力作用下，很快会变得均匀。而对于大功率制冷机，如制冷量数百瓦至数千瓦时，回热器直径很大，长径比变得很小，回热器几乎呈饼状，由于换热器的不均匀对回热器的影响就十分巨大，导致回热效率急剧下降，甚至造成制冷机无法制冷。因此，有必要开发一种均匀式换热器。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换热器及含有该换热器的脉管制冷机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种换热器，该换热器包括换热体，所述的换热体的内部沿周向布设有多个扇形区，所述的扇形区内设有多个相互平行的内翅片以及多个相互平行的换热器内流道。由于在每个扇形区内，多个换热器内流道相互平行，因此从外侧到内侧的单位面积的气流通道总面积(气流通道比率)相同，保证气体流过换热器内流道到达回热器时是径向均匀的。

进一步地，所述的换热体包括呈环状的换热体壁，该换热体壁的内侧沿周向布设有多个内翅片，相邻两内翅片之间形成换热器内流道，在每个扇形区内，相邻两内翅片相互平行，相邻两换热器内流道相互平行。

作为优选的技术方案，所述的换热器内翅片与换热体壁相接，并且平行。每个扇形区内的换热器内翅片之间的多个换热器内流道相互平行；而任意两扇形区的换热器内流道与作为基准的换热体轴向截面之间的夹角可相同或不同，即不同的扇形区内的换热器内流道与作为基准的换热体轴向截面之间的夹角可独立设置，如对于某一换热体轴向截面，其中一个扇形区内的换热器内流道与该换热体轴向截面之间的夹角为45°，另一个扇形区内的换热器内流道与该换热体轴向截面之间的夹角为90°(即垂直于该换热体轴向截面)，还有一个扇形区内的换热器内流道与该换热体轴向截面之间的夹角为0°(即平行于该换热体轴向截面)。

进一步地，所述的换热体的内部共设有3个以上扇形区。

作为优选的技术方案，所述的换热体的内部共设有4-8个扇形区。若扇形区划分过多，便近似于传统的换热器，会出现径向气流分布不均问题；若扇形区划分过少，则换热体壁外温度分布不均匀性增大。

进一步地，所述的换热体还包括多个沿周向均匀布设在换热体壁外侧的外翅片，所述的外翅片沿换热体壁轴向设置在换热体壁外侧，相邻两外翅片之间形成换热器外流道。换热器外流道沿换热体壁轴向延伸，使换热器外流道内的流体沿轴向流动，温度在轴向变化，因而周向上温度均匀，从而减小回热器周向温度不均的问题。换热时，换热器内流道内气体的热量通过内翅片、换热体壁、外翅片传递至换热器外流道内的流体中，由于换热器外流道内的流体周向均匀且沿轴向流动，从而使换热体壁温度周向呈均匀趋势，从而减小由流体引起的气流温度周向不均性。同时，由于换热器内流道的流道布置均匀，因此，由于流道不均而引起的回热器入口处的气流径向不均的问题也消失，进而保证了回热器的高效率。

进一步地，该换热器还包括换热器外壳以及设置在换热器外壳内的集流器，所述的换热体设置在换热器外壳内，并位于集流器的内侧，所述的集流器的外侧设有进流槽及出流槽。换热器外流道的两端分别与进流槽、出流槽相连通。水或其它流体进入进流槽中，经进流槽均匀后沿换热器外流道进行轴向流动并吸热，之后进入出流槽。

作为优选的技术方案，所述的换热器外壳的侧面开设有与进流槽相连通的进流口以及与出流槽相连通的出流口。流体由进流口流入进流槽，吸热后，出流槽中的流体由出流口流出。

进一步地，所述的换热器外流道的两端分别设有换热器外流道入口及换热器外流道出口，所述的进流槽与换热器外流道入口相连通，所述的出流槽与换热器外流道出口相连通，所述的进流槽中的流体经换热器外流道入口沿轴向流经换热器外流道，之后由换热器外流道出口流入出流槽中。

一种脉管制冷机，该脉管制冷机包括换热器，该换热器为所述的换热器。

进一步地，该脉管制冷机还包括驱动部、调相器以及分别与驱动部及调相器相连通的冷头。

作为优选的技术方案，所述的冷头包括脉管以及套设在脉管外部的回热器，该回热器的一端设有冷量换热器，所述的换热器位于回热器的另一端，所述的驱动部的一端依次通过换热器、回热器、冷量换热器、脉管与驱动部的另一端相连通。

进一步地，所述的驱动部为压缩机。

作为优选的技术方案，所述的压缩机包括压缩机气缸、沿压缩机气缸轴向移动设置在压缩机气缸内的活塞以及与活塞连接的电机，所述的活塞的端部与压缩机气缸之间形成压缩腔，该压缩腔与换热器内流道相连通。

进一步地，所述的调相器为推移活塞单元、惯性管或气库调相器。

进一步地，所述的推移活塞单元包括推移活塞气缸以及移动设置在推移活塞气缸内的推移活塞，所述的推移活塞的两端与推移活塞气缸之间分别形成推移活塞前腔、推移活塞背腔。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)通过将换热体的内部划分为多个扇形区，并使每个扇形区内的换热器内流道相互平行，保证从外侧到内侧的单位面积的气流通道总面积相同，解决了气体到达回热器时径向气流不均匀的问题；

2)通过在换热体壁外侧沿轴向设置外翅片，并在集流器的外侧分别设置进流槽、出流槽，使其与换热器外流道相连通，水或其它流体经进流槽均匀分布后轴向流动吸热，保证了氦气温度周向均匀，解决了因为换热器轴向长度短难以布置轴向冷却，使回热器入口气体温度沿周向不均匀的问题；

3)解决了大型脉管制冷机因换热器的不均造成的气体在回热器里分布不均的问题，通过采用一种均布流道与均布温度的换热器，改善了大功率脉管制冷机的不均问题。

附图说明

图1为本发明中脉管制冷机的结构示意图；

图2为本实施例1中换热体的俯视结构示意图；

图3为本实施例2中换热体的俯视结构示意图；

图4为现有换热器的俯视结构示意图；

图5为现有换热器的主视结构示意图；

图中标记说明：

1112—驱动部、11—压缩机、111—压缩腔、112—活塞、113—压缩机气缸、114—电机、12—推移活塞单元、121—推移活塞前腔、122—推移活塞气缸、123—推移活塞、124—推移活塞杆、125—推移活塞背腔、126—弹簧、127—气库、128—后盖、200—冷头、20—换热器、21—换热器外壳、22—换热体、221—换热器内流道、222—换热器外流道、222a—换热器外流道入口、222b—换热器外流道出口、223—内翅片、224—外翅片、225—换热体壁、23—集流器、231—出流槽、232—出流口、233—进流口、234—进流槽、30—回热器、31—回热器管、32—回热器填料、41—冷量换热器、411—冷量换热器内流道、51—脉管、511—气流均匀器、512—气流均匀器、α—换热器内流道与作为基准的换热体轴向截面之间的夹角。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种换热器包括如图2所示的换热体22，换热体22的内部沿周向布设有4个扇形区，每个扇形区内设有多个相互平行的内翅片223以及多个相互平行的换热器内流道221。

其中，换热体22包括呈环状的换热体壁225，该换热体壁225的内侧沿周向布设有多个内翅片223，相邻两内翅片223之间形成换热器内流道221，在每个扇形区内，相邻两内翅片223相互平行，相邻两换热器内流道221相互平行。

4个扇形区内，换热器内流道221与作为基准的换热体22轴向截面之间的夹角α为45°。图2中，作为基准的换热体22轴向截面沿X轴设置，换热器内流道221和与X轴成45度夹角的换热体22轴向截面平行。α也可为其他角度。

换热体22还包括多个沿周向均匀布设在换热体壁225外侧的外翅片224，外翅片224沿换热体壁225轴向设置在换热体壁225外侧，相邻两外翅片224之间形成换热器外流道222。

如图1所示，该换热器还包括换热器外壳21以及设置在换热器外壳21内的集流器23，换热体22设置在换热器外壳21内，并位于集流器23的内侧，集流器23的外侧设有进流槽234及出流槽231。换热器外壳21的侧面开设有与进流槽234相连通的进流口233以及与出流槽231相连通的出流口232。换热器外流道222的两端分别设有换热器外流道入口222a及换热器外流道出口222b，进流槽234与换热器外流道入口222a相连通，出流槽231与换热器外流道出口222b相连通，进流槽234中的流体经换热器外流道入口222a沿轴向流经换热器外流道222，之后由换热器外流道出口222b流入出流槽231中。换热器外流道入口222a为环缝式，与进流槽234相连通，换热器外流道出口222b为环缝式，与出流槽231相连通。水从进流口233流入进流槽234后均流，之后从集流器23端部的换热器外流道入口222a沿换热器外流道222轴向流动，并经换热器外流道出口222b流出后进入出流槽231中，然后从出流口232流出。

由于换热器不能过长，没有足够的空间布置进流槽与出流槽。因此，如果让水沿换热器轴向均匀流动，就需要将进流槽234与出流槽231布置在换热体22外侧以充分利用径向的空间。如果换热器需要散的热越大，则水流越大，进流槽234与出流槽231越大，这样的布置则越重要。进流槽234与出流槽231的作用是均流，让水在周向均匀流动。环缝式换热器外流道入口222a与环缝式换热器外流道出口222b可使水流在周向进一步均匀。

图2中，内翅片223分布在四个扇形区内，每个扇形区是均匀的，每个扇形区内部每个内翅片223的长度不一。

实施例2：

一种换热器包括如图3所示的换热体22，换热体22的内部沿周向布设有8个扇形区，每个扇形区内设有多个相互平行的内翅片223以及多个相互平行的换热器内流道221。其余同实施例1。

分为更多个扇形区的目的是为了使换热体壁225的热流密度在周向更均匀，因为在每个扇区内，翅片在周向的布置是不均匀的，因此不同角度处热流密度不同，温度分布也不同。扇区太少，则这种不均匀度大；扇区太多，则气流径向不均匀度大。

实施例3：

本实施例中，换热体22的内部沿周向布设有3个扇形区，其余同实施例2。

现有的换热器如图4、图5所示，对于常规的换热器，在换热器的外侧，水从侧面流过(如从左侧流向右侧)，并在流动过程中被加热，因此左侧与右侧的温度是不一样的，会引起回热器的左右不平衡，进而引起流动不均；换热器内部的流通面积从里到外的分布均匀，因此单位截面积的流道面积从里到外递减，从而引起回热器径向气流分布不均。换热器在小直径下，这个问题不很严重，因为此时长径比很大，入口效应很快消失；而在大直径下，长径比很小，入口效应还没来得及被回热器填料抹均匀，气体就流出回热器了，因此气流不均现象变得十分严重。

实施例4：

如图1所示的一种脉管制冷机包括实施例1中换热器20，该脉管制冷机还包括驱动部1112、调相器以及分别与驱动部1112及调相器相连通的冷头200。

冷头200包括脉管51以及套设在脉管51外部的回热器30，该回热器30的一端设有冷量换热器41，换热器20位于回热器30的另一端，驱动部1112的一端依次通过换热器20、回热器30、冷量换热器41、脉管51与驱动部1112的另一端相连通。

驱动部1112为压缩机11。压缩机11包括压缩机气缸113、沿压缩机气缸113轴向移动设置在压缩机气缸113内的活塞112以及与活塞112传动连接的电机114，活塞112的端部与压缩机气缸113之间形成压缩腔111，该压缩腔111与换热器内流道221相连通，对冷头200供气。

调相器为推移活塞单元12。推移活塞单元12包括推移活塞气缸122、沿推移活塞气缸122轴向移动设置在推移活塞气缸122内的推移活塞123以及设置在推移活塞气缸122内的后盖128，推移活塞123的一端与推移活塞气缸122之间形成与脉管51相连通的推移活塞前腔121，推移活塞123的另一端与后盖128之间形成与换热器内流道221相连通的推移活塞背腔125。推移活塞单元12还设有气库127，该气库127内设有弹簧126，推移活塞123上设有推移活塞杆124，该推移活塞杆124的一端伸入气库127内，并与弹簧126相连。

脉管51的两端分别设有气流均匀器511、气流均匀器512。回热器30包括回热器管31以及设置在回热器管31与脉管51之间的回热器填料32。冷量换热器41内设有冷量换热器内流道411。

压缩活塞112在电机114的带动下往复运动，产生压力波，推动推移活塞123往复运动，推移活塞前腔121吸收脉管51的膨胀功，传输到推移活塞背腔125，与压缩机11的功一起输入到冷头200。热量在换热器20中散出，制冷量在冷量换热器41中输出。从压缩机11来的高温气流经换热器内流道221散热后进入回热器30。脉管51是一根空管，脉管51下端的气体膨胀温度下降后经冷量换热器内流道411被加热从而输出低冷量。

其中，推移活塞单元12作为调相器，可用惯性管和气库调相器替换，也可由其他调相器替换。冷量换热器内翅片可与换热器20的内翅片223同样分布，从而使回热器30两端的气流通道分布均匀。

本实施例中用水冷却，也可用其他流体冷却。工质为氦气，也可用其他气体作为工质。

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 (9)

1.一种换热器，该换热器包括换热体(22)，其特征在于，所述的换热体(22)的内部沿周向布设有多个扇形区，所述的扇形区内设有多个相互平行的内翅片(223)以及多个相互平行的换热器内流道(221)；

所述的换热器还包括换热器外壳(21)以及设置在换热器外壳(21)内的集流器(23)，所述的换热体(22)设置在换热器外壳(21)内，并位于集流器(23)的内侧，所述的集流器(23)的外侧设有进流槽(234)及出流槽(231)。

2.根据权利要求1所述的一种换热器，其特征在于，所述的换热体(22)包括呈环状的换热体壁(225)，该换热体壁(225)的内侧沿周向布设有多个内翅片(223)，相邻两内翅片(223)之间形成换热器内流道(221)，在每个扇形区内，相邻两内翅片(223)相互平行，相邻两换热器内流道(221)相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种换热器，其特征在于，所述的换热体(22)的内部共设有3个以上扇形区。

4.根据权利要求2所述的一种换热器，其特征在于，所述的换热体(22)还包括多个沿周向均匀布设在换热体壁(225)外侧的外翅片(224)，所述的外翅片(224)沿换热体壁(225)轴向设置在换热体壁(225)外侧，相邻两外翅片(224)之间形成换热器外流道(222)。

5.根据权利要求4所述的一种换热器，其特征在于，所述的换热器外流道(222)的两端分别设有换热器外流道入口(222a)及换热器外流道出口(222b)，所述的进流槽(234)与换热器外流道入口(222a)相连通，所述的出流槽(231)与换热器外流道出口(222b)相连通，所述的进流槽(234)中的流体经换热器外流道入口(222a)沿轴向流经换热器外流道(222)，之后由换热器外流道出口(222b)流入出流槽(231)中。

6.一种脉管制冷机，其特征在于，该脉管制冷机包括换热器(20)，该换热器(20)为权利要求1至5任一项所述的换热器。

7.根据权利要求6所述的一种脉管制冷机，其特征在于，该脉管制冷机还包括驱动部(1112)、调相器以及分别与驱动部(1112)及调相器相连通的冷头(200)。

8.根据权利要求6所述的一种脉管制冷机，其特征在于，所述的调相器为推移活塞单元(12)、惯性管或气库调相器。

9.根据权利要求8所述的一种脉管制冷机，其特征在于，所述的推移活塞单元(12)包括推移活塞气缸(122)以及移动设置在推移活塞气缸(122)内的推移活塞(123)，所述的推移活塞(123)的两端与推移活塞气缸(122)之间分别形成推移活塞前腔(121)、推移活塞背腔(125)。

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