CN111397254B - 一种回热器套筒结构及回热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及回热器领域，提供了一种回热器套筒结构及回热器，包括套筒本体，套筒本体包括多层同轴嵌套设置的套筒单体，且相邻层套筒单体能够相对滑动。本发明还公开一种回热器，包括本发明的回热器套筒结构。本发明提供的一种回热器套筒结构及回热器，采用多层套筒单体同轴嵌套设置，在同样的变形量下，每层的套筒壁厚度越薄，变形产生的应力越小，同时由于内外层套筒单体之间可以相对滑动，套筒单体之间受热变形时的热应力也可以大幅度减小，提高系统安全性。

Description

一种回热器套筒结构及回热器

技术领域

本发明涉及回热器领域，特别是涉及一种回热器套筒结构及回热器。

背景技术

在热声热机、热声制冷机、斯特林热机、斯特林制冷机、G-M等热压缩机等系统中，回热器是热功转换的主要场所。回热器技术的发明与发展是回热式热机技术发展史上最为重要的一步，有效地提高了其所在系统的热功转换效率。如图1所示，回热器通常工作于室温换热器1和非室温换热器2之间，这两个换热器给回热器提供工作所需要的温差，回热器在这个温差驱动下实现热功转换。回热器作为上述系统热功转换的核心部件，回热器的安全性、使用寿命影响着整个系统的安全性与使用寿命。传统回热器结构如图1所示，由圆柱形的套筒本体3内部填充由丝网、丝绵等回热器填充物4组成。室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6分别通过连接法兰7连接于套筒本体3的两端，室温换热器1和非室温换热器2分别固定于室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6内部。因现有技术中的套筒本体3两端是采用法兰连接固定的，套筒变形时会受到法兰的约束，因此热应力也会增加。

在发动机系统中，非室温换热器为高温换热器，发动机热源温度一般为900K，甚至更高，所以导致回热器两端存在较大的温差，因此套筒本体两端的热变形相差很大。同样的，在制冷机中，非室温端换热器为冷端换热器，回热器两端同样存在很大温差，导致套筒本体两端的热变形不一致。图2和图3给出了回热器由于温差引起的热变形图示，图2表示发动机系统中套筒本体壁面形变，图3表示制冷机系统中套筒本体壁面形变，图中显示的是放大的示意图。可以看出，由于两端变形量不一致，导致回热器外套筒产生弯曲，使得套筒壁发生一定程度的剪切形变。由于回热器的长度受到系统工作频率的制约，长度不能随意增长，通常小于10厘米的量级，因此，回热器热变形导致产生的热应力随着直径的增大迅速增加，而壁面的承压能力则迅速下降，大大的降低系统安全性能，甚至会造成严重的安全事故。但是，在这些发动机、制冷机系统实现大功率、产业化时，直径的增大是不可避免的。因此，在大功率的发动机、制冷机中，套筒本体热变形引起的壁面应力集中是必须要考虑的。但是，这种由热应力集中引起的回热器安全性能降低的问题，未见有相关报道来进行改善此情况。如果将这种回热器的结构改进，提高其安全性，很显然有利于提高这些系统的安全性及使用寿命，同时，对于这些系统的市场推广、应用是非常有益的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种回热器套筒结构及回热器，解决现有技术中套筒本体壁由于回热器两端存在较大的温度梯度，使得套筒本体壁两端热变形量差异较大，使得套筒壁发生一定程度的剪切变形，导致套筒本体壁面存在热应力集中，使得回热器的安全性下降的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种回热器套筒结构，包括套筒本体，所述套筒本体包括多层同轴嵌套设置的套筒单体，且相邻层所述套筒单体能够相对滑动。

其中，所述套筒单体的个数为两个，所述套筒本体为双层嵌套结构。

其中，相邻层的所述套筒单体的一端密封固定，另一端采用密封圈连接。

其中，所述密封圈为O型密封圈。

其中，还包括室温换热器外壳和非室温换热器外壳，所述室温换热器外壳和非室温换热器外壳分别连接于所述套筒本体的两端，且所述室温换热器外壳、所述套筒本体和所述非室温换热器外壳为一体结构，所述室温换热器外壳和非室温换热器外壳均为多层同轴嵌套设置，且与所述套筒本体同轴。

其中，还包括卡箍，所述卡箍沿所述套筒本体的轴向方向紧密套设于所述套筒本体的外侧壁。

其中，所述卡箍还分别紧密套设于所述室温换热器外壳和非室温换热器外壳的外侧壁。

其中，所述卡箍为多个，且相邻所述卡箍沿所述套筒本体的轴向方向紧密排列。

其中，所述卡箍的外圈宽度小于所述卡箍的内圈宽度。

其中，还包括缓冲区，所述套筒本体的内侧设有凹槽，所述缓冲区设置在所述凹槽内，且所述缓冲区与所述套筒本体留有间隙。

本发明还公开一种回热器，包括如权利要求1-9中任意一项所述的回热器套筒结构。

(三)有益效果

本发明提供的一种回热器套筒结构及回热器，采用多层套筒单体同轴嵌套设置，在同样的变形量下，每层的套筒壁厚度越薄，变形产生的应力越小，同时由于内外层套筒单体之间可以相对滑动，套筒单体之间受热变形时的热应力也可以大幅度减小，提高系统安全性。

附图说明

图1为现有技术中回热器的结构示意图；

图2为现有技术中发动机系统中套筒本体壁面形变示意图；

图3为现有技术中制冷机系统中套筒本体壁面形变示意图；

图4为本发明实施例1的纵截面剖面图；

图5为本发明实施例2的纵截面剖面图；

图6为本发明实施例3的纵截面剖面图；

图7为本发明实施例4的纵截面剖面图；

图8为图7中A结构的局部放大图。

图中，1、室温换热器；2、非室温换热器；3、套筒本体；4、回热器填充物；5、室温换热器外壳；6、非室温换热器外壳；7、连接法兰；8、卡箍；9、外套筒单体；10、O型密封圈；11、内套筒单体；12、缓冲区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开一种回热器套筒结构，包括套筒本体3，所述套筒本体3包括多层同轴嵌套设置的套筒单体，且相邻层所述套筒单体能够相对滑动。

本发明采用多层的同轴嵌套设置的套筒单体取代现有技术中的单个套筒本体的形式，每层的套筒单体的厚度较薄。根据材料力学知识——在同样的变形量下，筒壁厚越薄，筒壁变形产生的应力越小，因此采用多层的套筒本体的结构，既能保证套筒的功能，又能减小筒壁变形产生的应力。

实施例1：

如图4所示，本实施例中的套筒单体的个数为两个，所述套筒本体3为双层嵌套结构，即本实施例采用内外套筒单体的形式，包括在外套筒单体9和内套筒单体11。相邻层的所述套筒单体的一端密封固定，另一端采用密封圈连接，即本实施例中的内外套筒单体一端为密封固定，可采用的方式为焊接固定等，另一端采用密封圈密封连接，这样相邻层的套筒单体之间在设有密封圈的一端可以相对横向滑动，即沿回热器的轴向移动。根据实际情况，可选用其他数量的套筒单体，其操作方式与本利类似，一端的相邻层的套筒本体之间密封固定，另一端之间通过密封圈密封，既能够滑动又能够实现密封，以防止回热器内部的高压气体进入到内外套筒之间的间隙内，避免内外套筒失去承压的作用。具体的，密封圈可选用O型密封圈10，根据实际需要，也可以利用侧密封的方式进行密封。

基于本实施例的回热器套筒结构，还公开一种回热器，包括如本实施例的回热器套筒结构。具体的，其还包括：室温换热器1、非室温换热器2、室温换热器外壳5、非室温换热器外壳6，室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6分别连接于套筒本体3的两端，所述室温换热器1固定于所述室温换热器外壳5的内部，所述非室温换热器2固定于所述非室温换热器外壳6的内部。

具体的，本实施例的多层套筒单体之间在临近室温换热器1侧的一端采用密封圈连接，临近非室温换热器2侧的一端通过焊接固定。考虑到密封圈放在非室温换热器2侧的话要考虑其温度，因为密封圈在温度很低的情况下可能会失去密封作用，因此选择在室温换热器1侧安装密封圈。

具体的，套筒本体3为中空圆柱体，套筒本体3内部填充有回热器填充物4。

本实施例公开的一种回热器套筒结构及回热器，采用多层套筒单体同轴嵌套设置，在同样的变形量下，每层的套筒壁厚度越薄，变形产生的应力越小，同时由于内外层套筒单体之间可以相对滑动，套筒单体之间受热变形时的热应力也可以大幅度减小，提高系统安全性。套筒本体也可以选择更多层数的套筒单体嵌套设置，进一步降低应力，从而达到减小回热器壁面热变形产生的应力集中，提高系统安全性的目的。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

在实施例1的基础上，本实施例对套筒本体的结构进行进一步改进。

如图5所示，本实施例包括：室温换热器外壳5、非室温换热器外壳6以及实施例1中的套筒本体3，所述室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6分别连接于所述套筒本体3的两端，且所述室温换热器外壳5、所述套筒本体3和所述非室温换热器外壳6为一体结构。

基于实施例2的回热器套筒结构，本实施例还公开一种回热器，包括：如本实施例的回热器套筒结构。其还包括：室温换热器1和非室温换热器2，所述室温换热器1固定于所述室温换热器外壳5的内部，所述非室温换热器2固定于所述非室温换热器外壳6的内部。

具体的，套筒本体3为中空圆柱体，套筒本体3内部填充有回热器填充物4。

具体的，因现有技术中的套筒本体3两端是采用法兰连接固定的，套筒变形时会受到法兰的约束，因此热应力也会增加，本实施例中将套筒本体3、室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6加工成为一体结构，所述室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6均为多层同轴嵌套设置，且与所述套筒本体同轴。将室温换热器1和非室温换热器2分别固定在室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6内部；或者去掉室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6，将套筒本体3的长度延长，并将室温换热器1和非室温换热器2固定在套筒本体3内部的两端，其实质上均为取消套筒本体3的连接处的法兰连接。本实施例由于套筒本体3、室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6之间没有了法兰约束，回热器和室温换热器1、非室温换热器2相接处的热应力就会大幅度减少。本实施例中套筒本体3、室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6均为多层嵌套结构，优选层数均为两层。

其中，所述室温换热器外壳5的端部与所述非室温换热器外壳6的端部分别设有法兰连接孔，用于室温换热器1与室内装置连接，非室温换热器2与室外装置连接。

本实施例提供的一种回热器套筒结构及回热器，采用多层套筒单体同轴嵌套设置，在同样的变形量下，每层的套筒壁厚度越薄，变形产生的应力越小，同时由于内外层套筒单体之间可以相对滑动，套筒单体之间受热变形时的热应力也可以大幅度减小，提高系统安全性。进一步地，将室温换热器外壳、套筒本体和非室温换热器外壳加工成为为一体结构，取消了之间的连接法兰，避免了因回热器与换热器之间通过法兰连接所产生的热应力增加的问题，使回热器与换热器相接处的热应力大幅度减少，提高了回热器的安全性。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

在实施例2的基础上，本实施例对套筒本体的结构进行进一步改进。

例如一个半径为R，长度为L，壁厚为δ的套筒本体3壁在系统压力为p₀的受力情况为：轴向单位面积壁面受力

径向单位面积壁面受力

可见套筒本体3壁径向所受的力为轴向所受的力的两倍。但是，我们在设计套筒本体3结构时，套筒壁的轴向和径向都要满足其应力要求，所以我们现有的传统回热器外套筒设计时在轴向有很大的应力余量。如果只考虑套筒本体3轴向受力，圆柱形套筒的壁厚将远小于传统设计值。

如图6所示，本实施例提供了一种采用卡箍8提高套筒本体3壁面径向刚度的设计方法：本实施例包括卡箍8，所述卡箍8沿所述套筒本体3的轴向方向紧密套设于所述套筒本体3的外侧壁。优选地，所述卡箍8还分别紧密套设于所述室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6的外侧壁。优选地，所述卡箍8为多个，且相邻所述卡箍8沿所述套筒本体3的轴向方向紧密排列。优选地，所述卡箍8的外圈宽度小于所述卡箍8的内圈宽度。所述卡箍8的厚度与所述套筒本体3的厚度相等。由于套筒本体3包括多层同轴嵌套设置的套筒单体，本实施例的卡箍8套设于最外侧的套筒单体的外侧壁上。

基于实施例3的回热器套筒结构，本实施例还公开一种回热器，包括：如本实施例的回热器套筒结构。其还包括：室温换热器1和非室温换热器2，所述室温换热器1固定于所述室温换热器外壳5的内部，所述非室温换热器2固定于所述非室温换热器外壳6的内部。

具体的，套筒本体3为中空圆柱体，套筒本体3内部填充有回热器填充物4。

具体的，本实施例的卡箍8套在套筒本体3的外壁面，卡箍8与套筒本体3外壁面之间紧配合；相邻的卡箍8与卡箍8之间紧密排列，覆盖整个套筒本体3以及室温换热器外壳5和非室温换热器外壳6的外壁面；卡箍8外圈的宽度略小于内圈宽度，如图4中的剖面视图，卡箍8的截面形状为梯形结构，以防止回热器热变形时卡箍8之间相互挤压；卡箍8的厚度一般与套筒本体3壁厚相等；径向通过梯形卡箍8满足其许用应力要求。本实施例的套筒本体3厚度减小，在相同的形变引起的避免弯曲而产生的应力也会减小。同时，套筒卡箍8也可以给予内部套筒本体3一定的压力，可以减小套筒本体3壁两端的热变形差异，从而减小套筒本体3壁由热变形差异而产生的应力集中。采用径向截面为梯形的圆环形套筒卡箍8，可以防止套筒本体3在受热变形时引起卡箍8之间相互挤压，导致应力集中的现象。在此种套筒本体3结构设计时，要考虑其工作压力，工作温度，合理的设计套筒本体3的壁厚，套筒卡箍8的宽度、梯形截面的底角角度。在满足系统工作要求的同时，将由热变形产生的回热器壁面应力集中降到最小。

本实施例提供的一种回热器套筒结构及回热器，采用多层套筒单体同轴嵌套设置，在同样的变形量下，每层的套筒壁厚度越薄，变形产生的应力越小，同时由于内外层套筒单体之间可以相对滑动，套筒单体之间受热变形时的热应力也可以大幅度减小，提高系统安全性。进一步地，将室温换热器外壳、套筒本体和非室温换热器外壳加工成为为一体结构，取消了之间的连接法兰，避免了因回热器与换热器之间通过法兰连接所产生的热应力增加的问题，使回热器与换热器相接处的热应力大幅度减少，提高了回热器的安全性。进一步地，采用径向截面为梯形的圆环形套筒卡箍套设在套筒本体的外侧，可以减小套筒本体壁两端的热变形差异，并可以防止套筒本体在受热变形时引起卡箍之间相互挤压，导致应力集中的现象。

实施例4：

如图7和图8所示，本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：

本实施例是基于实施例3的基础上进行的改进，本实施例还包括缓冲区12，所述套筒本体3的内侧设有凹槽，所述缓冲区12设置在所述凹槽内，且所述缓冲区12与所述套筒本体3留有间隙。

其中，所述缓冲区12为缓冲柱或缓冲块。本领域技术人员可以根据实际情况选用其他缓冲装置，实现缓冲下效果。

本实施例选用缓冲柱。缓冲柱内壁很薄，厚度为1～2mm，其与回热器套筒本体3之间有很小的距离，为1～2mm。该缓冲柱靠近非室温换热器端2与套筒本体3固定连接。缓冲柱与室温换热器外壳5留有很小的缝隙，是为了减少回热器中的工质气体进入缓冲柱与回热器套筒之间的间隙，影响回热器的工作。这样的结构在发动机中对减小系统的热应力集中有比较明显的效果。因为，回热器填充物由于温度梯度而引起其变形(如图2和图3所示)，在靠近非室温换热器2，回热器填充物会膨胀变形。这个变形引起的热应力由该种结构的缓冲柱来进行一个缓冲，使这个变形应力不会传递到回热器套筒，可以减小回热器套筒本体受到的径向热应力，即降低回热器套筒本体的应力集中，达到增加系统安全性的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种回热器套筒结构，其特征在于，包括套筒本体(3)，所述套筒本体(3)包括多层同轴嵌套设置的套筒单体，且相邻层所述套筒单体沿回热器的轴向滑动设置；

还包括室温换热器外壳(5)和非室温换热器外壳(6)，所述室温换热器外壳(5)和非室温换热器外壳(6)分别连接于所述套筒本体(3)的两端，且所述室温换热器外壳(5)、所述套筒本体(3)和所述非室温换热器外壳(6)为一体结构，所述室温换热器外壳(5)和非室温换热器外壳(6)均为多层同轴嵌套设置，且与所述套筒本体同轴；

还包括卡箍(8)，所述卡箍(8)沿所述套筒本体(3)的径向方向套设于所述套筒本体(3)的外侧壁，且多个所述卡箍沿所述套筒本体(3)的轴向方向紧密排列。

2.如权利要求1所述的回热器套筒结构，其特征在于，所述套筒单体的个数为两个，所述套筒本体(3)为双层嵌套结构。

3.如权利要求1所述的回热器套筒结构，其特征在于，相邻层的所述套筒单体的一端密封固定，另一端采用密封圈连接。

4.如权利要求3所述的回热器套筒结构，其特征在于，所述密封圈为O型密封圈(10)。

5.如权利要求1所述的回热器套筒结构，其特征在于，所述卡箍(8)还分别紧密套设于所述室温换热器外壳(5)和非室温换热器外壳(6)的外侧壁。

6.如权利要求1所述的回热器套筒结构，其特征在于，所述卡箍(8)的外圈宽度小于所述卡箍(8)的内圈宽度。

7.如权利要求1所述的回热器套筒结构，其特征在于，还包括缓冲区(12)，所述套筒本体(3)的内侧设有凹槽，所述缓冲区(12)设置在所述凹槽内，且所述缓冲区(12)与所述套筒本体(3)留有间隙。

8.一种回热器，其特征在于，包括如权利要求1-7中任意一项所述的回热器套筒结构。

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