CN110864468A - 采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机 - Google Patents

采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机 Download PDF

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王剑
夏宇栋
黄国辉
姜周曙
丁强
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Abstract

本发明公开了采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机。现有低温制冷机的回热器热端换热器和低温制冷机热端换热器管外换热面积较小。本发明包括顺次连接的压缩机、渐扩腔、回热器热端换热器、回热器、回热器冷端换热器、脉管或者斯特林膨胀腔、低温制冷机热端换热器、渐缩腔、惯性管、气库。渐扩腔和渐缩腔为上小下大的圆台形。回热器热端换热器和低温制冷机热端换热器均采用微通道换热器。微通道换热器包括壳体和微通道圆管组件。微通道圆管组件包括端板和微通道圆管，内径为0.1～1mm的微通道圆管的两端分别穿出端板设置。本发明采用微通道换热器，实现在较小空间提供大换热量的性能，有效提升低温制冷机的性能和制冷能力。

Description

采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机
技术领域
本发明属于气体换热低温制冷机技术领域，特别涉及一种采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机。
背景技术
低温制冷机是上世纪六七十年代发展起来的一种低温制冷机，其具有冷端没有振动活塞和结构简单等优点。低温制冷机的性能随着低温制冷机热端调相机构的改进而不断提高。随着液化天然气，高温超导等领域的不断发展，低温制冷机受到越来越多的关注。传统低温制冷机采用狭缝式换热器作为压缩机出口的换热器，压缩机出口的高温工质通过狭缝导热，再由狭缝和铜套导热和铜套内部的冷却液体进行换热，这种换热方式效率较低，冷却液体和高温工质之间存在对流，导热，接触，导热，对流等热阻，大大降低了换热效率。热端换热器也有采用管壳式换热器的情况，但是管壳式换热器依然存在换热能力不足的情况。
专利公开号为CN107062947A的中国专利文献公开了一种微通道换热器及带有该微通道换热器的低温制冷机，其所述的微通道为1mm内径的扁管微通道，相同体积的情况下，扁管微通道管外的换热面积要远远小于本发明的圆管微通道的管外换热面积。再者，扁管微通道安置于换热器筒体的数量要远远小于本发明圆管微通道放置与换热器芯体的数量。因此，本发明的一种采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机在相同换热器芯体体积的情况下，拥有更多的管外和管内换热面积，拥有更多的微通道圆管数量，因此换热量更大，换热效果更加明显。
发明内容
本发明的目的是提供了一种采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机。本发明采用微通道金属圆管换热器，能够实现低温制冷机工质与冷却介质的高效换热，提高低温制冷机的性能，使得其在最低温度的条件下获得更大的冷量或者直接获得更低的制冷温度。
本发明包括顺次连接的压缩机、渐扩腔、回热器热端换热器、回热器、回热器冷端换热器、脉管或者斯特林膨胀腔、低温制冷机热端换热器、渐缩腔、惯性管、气库。
所述的渐扩腔和渐缩腔为上小下大的圆台形；渐扩腔上端连接压缩机，下端连接回热器热端换热器；渐缩腔上端通过惯性管连接气库，下端连接低温制冷机热端换热器。
所述的回热器热端换热器和低温制冷机热端换热器的结构相同，均采用采用微通道换热器。
所述的微通道换热器包括壳体和微通道圆管组件；所述的壳体为两端开放的圆筒形，中部圆柱形的空腔为微通道圆管组件安装腔，壳体的两端设置有法兰环，壳体侧壁的一侧下方设置有冷却液入口，一侧上方设置有冷却液出口，冷却液入口和冷却液出口在轴截面上呈对角设置；所述的微通道圆管组件包括端板和微通道圆管，端板为圆形，包括平行设置的上端板和下端板，端板上开有矩阵排列的小孔，微通道圆管的两端分别穿出端板外侧1～3mm设置，并与端板焊接密封。
所述的微通道圆管的内径为0.1～1mm；微通道圆管组件设置在壳体内，上端板和下端板边缘分别与壳体密封焊接；微通道圆管内流动的是制冷剂工质，微通道圆管外流动的是冷却液体工质。
进一步，所述的微通道圆管外壁设置有导流板。
进一步，所述的微通道换热器中相邻微通道圆管之间的距离为1.5D，D为微通道圆管的外径。
本发明中回热器热端换热器和低温制冷机热端换热器均采用采用微通道换热器，能够实现在较小空间提供大换热量的性能，有效提升低温制冷机的性能和制冷能力。
附图说明
图1本发明冷却器的结构示意图；
图2为图1中回热器热端换热器和低温制冷机热端换热器的结构示意图；
图3为图2中的壳体结构示意图；
图4为图2中A部的局部放大示意图；
图5为图2中微通道圆管排列示意图；
图6为本发明中微通道圆管换热器的换热性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机，包括顺次连接的压缩机1、渐扩腔2、回热器热端换热器3、回热器4、回热器冷端换热器5、脉管或者斯特林膨胀腔6、低温制冷机热端换热器7、渐缩腔8、惯性管9、气库10。
渐扩腔2和渐缩腔8为上小下大的圆台形。渐扩腔2上端连接压缩机1，下端连接回热器热端换热器3。渐缩腔8上端通过惯性管9连接气库10，下端连接低温制冷机热端换热器7。
经压缩机1压缩后的高温高压气体进入渐扩腔2，渐扩腔2的敞口一端与回热器热端换热器3端面匹配，通过回热器热端换热器3进行换热后进入回热器4。被回热器4进一步冷却后，吸收回热器冷端换热器5的热量，然后进入脉管或者斯特林膨胀腔6，脉管或者斯特林膨胀腔6热端温度升高，气体经过脉管或者斯特林膨胀腔6后，再次进行换热，之后经过渐缩腔8，然后进入惯性管9，最后进入气库10。
回热器热端换热器3和低温制冷机热端换热器7的结构相同，均采用采用微通道换热器。微通道换热器的结构如图2所示，包括壳体11和微通道圆管组件12。
如图2和3所示，壳体11为两端开放的圆筒形，中部圆柱形的空腔为微通道圆管组件安装腔。壳体11的两端设置有法兰环111，法兰环111平面上均匀开有螺栓孔112。壳体 11侧壁的一侧下方设置有冷却液入口113，一侧上方设置有冷却液出口114，冷却液入口 113和冷却液出口114在轴截面上呈对角设置。
如图2和4所示，微通道圆管组件12包括端板121和微通道圆管122。端板121为圆形，包括平行设置的上端板和下端板。端板121上开有矩阵排列的小孔，微通道圆管122 的两端分别穿出端板121外侧1～3mm设置，并与端板121焊接密封。微通道圆管122的内径为0.1～1mm。微通道圆管组件12设置在壳体11内，上端板和下端板边缘分别与壳体11 密封焊接。微通道圆管122内流动的是制冷剂工质，微通道圆管122外流动的是冷却液体工质。
冷却液由冷却液入口113进入流过壳体11内壁与微通道圆管122外壁之间形成的通道，由冷却液出口114流出。
采用微通道金属圆管换热器的级后冷却器通过换热器壳体法兰环与其他部件连接在一起，组成一种采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机。
为增加冷却介质与微通道换热器内的工质换热效率，微通道圆管122外壁可以设置导流板。
如图5所示，每个微通道圆管122的外径为D，相邻微通道圆管122之间的距离为1.5D，均匀的焊接在上下端板(33)上。在保证焊接工艺的前提下，获得较密的圆管排布，提高级后冷却器的换热性能。
下面以采用芯体直径120mm，高110mm的微通道芯体为例，对采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机性能进行分析。
微通道圆管122采用内径0.38mm的不锈钢微通道圆管，在芯体面上设置有3500根微通道圆管，圆管长度为110mm。在氦气为制冷工质，以20℃的自来水作为微通道外冷却液体，微通道换热器入口温度是50℃，氦气质量流量为50g/s。冷却水流量为700kg/hr。先对水侧的换热热阻进行计算。水侧的雷诺数为：ReD＝ρwater·Velwater·Dout/μwater。
因此，对应的Nusselt数可以表示为：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000041
水侧的热阻为：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000042
氦气侧的雷诺数为：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000043
忽略不锈钢管的热阻，由于其壁厚较薄，热阻较小。制冷剂侧的热阻为：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000044
采用e-NTU传热单元数法计算换热量：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000045
换热器换热效率计算：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000046
最大换热量计算：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000047
微通道单元体换热量计算：
Figure RE-RE-GDA0002312228860000048
通过计算得到微通道换热器的换热性能可以达到3711W，水侧对流换热系数高达6741 W/m2-K，微通道内工质的对流换热系数为1903W/m2-K。换热器总换热效率达到59.35％。
如图6所示，微通道金属圆管数量随着管径的减小，相同体积内管子的数量从400根增长到3500根，微通道金属圆管换热器的换热性能由684W升高到3711W。由此，相同端板的面积下，所使用的微通道金属圆管数量越多，换热量增加越大。传统管壳式换热器在400根管子的情况下换热量为800W，而微通道金属圆管换热器由于能安置3500根圆管，换热量提升到3711W。因此，本发明所采用的微通道金属圆管换热器及使用其换热的低温制冷机拥有非常大的换热性能。

Claims (3)

1.采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机，其特征在于：
包括顺次连接的压缩机、渐扩腔、回热器热端换热器、回热器、回热器冷端换热器、脉管或者斯特林膨胀腔、低温制冷机热端换热器、渐缩腔、惯性管、气库；
所述的渐扩腔和渐缩腔为上小下大的圆台形；渐扩腔上端连接压缩机，下端连接回热器热端换热器；渐缩腔上端通过惯性管连接气库，下端连接低温制冷机热端换热器；
所述的回热器热端换热器和低温制冷机热端换热器的结构相同，均采用采用微通道换热器；
所述的微通道换热器包括壳体和微通道圆管组件；所述的壳体为两端开放的圆筒形，中部圆柱形的空腔为微通道圆管组件安装腔，壳体的两端设置有法兰环，壳体侧壁的一侧下方设置有冷却液入口，一侧上方设置有冷却液出口，冷却液入口和冷却液出口在轴截面上呈对角设置；所述的微通道圆管组件包括端板和微通道圆管，端板为圆形，包括平行设置的上端板和下端板，端板上开有矩阵排列的小孔，微通道圆管的两端分别穿出端板外侧1～3mm设置，并与端板焊接密封；
所述的微通道圆管的内径为0.1～1mm；微通道圆管组件设置在壳体内，上端板和下端板边缘分别与壳体密封焊接；微通道圆管内流动的是制冷剂工质，微通道圆管外流动的是冷却液体工质。
2.如权利要求1所述的采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机，其特征在于：所述的微通道圆管外壁设置有导流板。
3.如权利要求1所述的采用微通道金属圆管换热器做级后冷却器的低温制冷机，其特征在于：所述的微通道换热器中相邻微通道圆管之间的距离为1.5D，D为微通道圆管的外径。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112268377A (zh) * 2020-10-26 2021-01-26 浙江大学 一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120277123A1 (en) * 2011-04-28 2012-11-01 Industrial Technology Research Institute Apparatus and method for manufacturing microarray biochip
CN203336996U (zh) * 2013-04-02 2013-12-11 虞寿仁 微型微通道金属圆管液冷型换热器
CN206095020U (zh) * 2016-07-15 2017-04-12 浙江金丝通科技股份有限公司 微型微通道双头外螺纹金属圆管
CN107062947A (zh) * 2017-04-28 2017-08-18 浙江大学 一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机
CN109489300A (zh) * 2018-10-11 2019-03-19 同济大学 一种小孔型脉管热声制冷机
CN109737780A (zh) * 2019-02-26 2019-05-10 徐雅岚 圆形微通道波浪面板式换热器芯体、制造方法及换热器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120277123A1 (en) * 2011-04-28 2012-11-01 Industrial Technology Research Institute Apparatus and method for manufacturing microarray biochip
CN203336996U (zh) * 2013-04-02 2013-12-11 虞寿仁 微型微通道金属圆管液冷型换热器
CN206095020U (zh) * 2016-07-15 2017-04-12 浙江金丝通科技股份有限公司 微型微通道双头外螺纹金属圆管
CN107062947A (zh) * 2017-04-28 2017-08-18 浙江大学 一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机
CN109489300A (zh) * 2018-10-11 2019-03-19 同济大学 一种小孔型脉管热声制冷机
CN109737780A (zh) * 2019-02-26 2019-05-10 徐雅岚 圆形微通道波浪面板式换热器芯体、制造方法及换热器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112268377A (zh) * 2020-10-26 2021-01-26 浙江大学 一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机
CN112268377B (zh) * 2020-10-26 2022-02-11 浙江大学 一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机

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