CN112880225A - 多级u型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器及实现方法 - Google Patents

多级u型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器及实现方法，所述的冷端换热器包括换热器外壳、连管、锥形狭缝体一、贯通孔一、层流元件、锥形狭缝体二、贯通孔二。在换热器外壳左右两边分别切割锥形狭缝，通过焊接连管连通两个部分，同时实现第一级蓄冷器、第二级蓄冷器与第一级脉冲管与的连接。本发明在保持传统换热器高效换热优点的同时，实现脉冲管制冷机前后级冷指高效匹配，抑制气体工质在换热通道内的回流、混流以及紊流扰动，保证气体流动的均匀性。该发明将显著提高脉冲管制冷机的换热效率及整体性能，在实现多级脉冲管制冷机紧凑化、实用化以及获取极低温度方面具有非常积极的意义。

Description

多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器及实现方法
技术领域
本发明属于制冷与低温工程领域，涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器及实现方法。
背景技术
脉冲管制冷机是对回热式低温制冷机的一次重大革新，它取消了常规回热式制冷机在低温区的运动部件，具有可靠性高、机械振动小、工作寿命长、制冷效率高、电磁噪声低等突出优点，被公认为新一代长寿命回热式低温制冷机，在航空航天、低温电子学、超导工业和低温医疗业等方面都获得了广泛的应用。
根据蓄冷器和脉冲管的相互关系，可将脉冲管制冷机分为如下三种典型布置方式，即直线型、U型、同轴型。如图1所示，其中(a)为直线型，(b)为U型，(c)为同轴型。直线型布置是脉冲管和蓄冷器处于一条直线上，U型布置是指脉冲管和蓄冷器平行布置，同轴型布置是指脉冲管和蓄冷器同心地布置在一起。一般而言，直线型布置由于气流在冷端不需要折返，流动损失和死体积都最小，因而在三种布置中制冷效率最高，其缺点是结构在三种布置中最为松散，结构长宽比大。同轴型布置在三种布置中结构最为紧凑，而且冷端处于一端，在应用实践中得到广泛应用，其缺点是气流在冷端(应用端)需要产生180°的折返，流动损失和死体积都较大，一般情况下在三种布置方式中效率最低，且对设计要求较高。U型布置的结构紧凑程度处于直线型和同轴型之间，它的冷端处于一端，但是因为蓄冷器和脉冲管平行布置，所以冷端换热器一般都较大，且在该种布置形式中气流在冷端同样需要180°的折返，其制冷效率一般处于直线型和U型之间。
根据多级脉冲管冷指的级间耦合形式，又可将多级脉冲管制冷机分为热耦合型(如图2)与气耦合型(如图3)两大类。热耦合型结构设计简单，各级之间通过热桥进行连接，具有级间影响较小、内部流量易于控制等优势，但一般需要多台压缩机驱动，需要的压缩机数量也随着级数而增加，并且通过热桥连接的换热存在较大的不可逆损失，因此系统整体体积较大，效率相对较低。而气耦合型布置方式避免了热桥等热连接，因而结构紧凑、制冷效率也相对较高，在实际应用中有着很大优势，但是由于各级低温端存在气体分流，各级气体流量及压力难以调控，因而级间影响较为明显，因而设计难度较高。
其中，冷端换热器是多级U型气耦合脉冲管制冷机设计中的关键部件，它既是一、二级冷指气体工质的通道，也是一级冷端与二级蓄冷器热端换热的场所，在理想情况下，它需要实现以下四方面的功能：
1)高效换热。换热器性能直接影响前级冷端与后级蓄冷器热端的换热效率，从而影响多级脉冲管制冷机的制冷能力，因此实现热量的高效交换尤为重要，这就需要能在有限的体积下实现较大换热面积的几何结构。
2)流量分配。多级气耦合脉冲管制冷机前后级工作于不同温区，并且其后阻力各不相同，换热器在提供高效换热的同时，还应具备前后级流量分配的功能。这就需要根据换热器不同出口处的阻力来设计内部气体流动通道，从而实现前后级冷指之间的高效匹配。
3)控制流动。最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态，以维持脉冲管内部气体活塞。避免前级蓄冷器流出的气体在分别流入前级脉冲管和后级蓄冷器时产生回流及混流，导致气体工质混合不均匀。同时保证气体工质反向流入蓄冷器时，避免由于流速不均造成的蓄冷器换热不均，以提蓄冷器的工作效率。
4)减少流动损失。脉冲管制冷机的蓄冷器和脉冲管往往具有不同的截面直径，变截面处不能产生较大的压力损失，这就需要实现变截面的有效过渡。而对于U型布置的冷指，还存在气体工质流动方向倒转180°所带来的压力损失，这就需要连贯紧凑的流道结构，以减小空体积和流动损失。
而目前常规的多级U型气耦合脉冲管制冷机的冷端换热器还远未达到这些要求，相关技术依旧存在较大空缺。
发明内容
鉴于现有研究和技术的不足，本发明提出一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器及实现方法。
本发明的目的在于，在多级U型气耦合脉冲管制冷机的冷端设计一个连管式狭缝换热器。首先，实现有限的体积内最大限度地增加换热面积；其次，实现气体工质的自然分流，防止第一级蓄冷器的气体在分流至一级脉冲管和二级蓄冷器时产生混流，保证气体分布的均匀性；第三，换热器内部实现由较大直径的蓄冷器到较小直径的脉冲管及第二级蓄冷器的自然过渡，避免出现有害传热的死体积，使传热性能最大化；第四，变截面式锥形狭缝的自然过渡可有效减小气体工质流动方向改变时的压力损失；第五，最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态。
所发明的U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器由换热器外壳1、连管6、锥形狭缝体一19、贯通孔一18、层流元件15、锥形狭缝体二11、贯通孔二14组成，其特征在于，将换热器外壳1作为冷端换热器的主换热面与前后级冷指的气耦合接口，通过在其内部切割狭缝以及连通外部连管6实现第一级蓄冷器17、第二级蓄冷器3以及第一级脉管13之间的连接，并保护内部的锥形狭缝体一19、贯通孔一18、锥形狭缝体二11以及贯通孔二14。在换热器外壳1左半部铣出6mm厚的圆形凹槽一4，在圆形凹槽一4下端面中心均匀切割出锥形狭缝体一19，其上端面直径略小于第二级蓄冷器3的内径，下端面直径略小于第一级蓄冷器17的内径；围绕锥形狭缝体一19上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制在0.1～0.15mm之间，条数控制在36～64条之间，具体情况视第二级蓄冷器3及其阻力与第一级脉管13及其后阻力的比值而定；在锥形狭缝体一19的中心线处设置一个直径为2.5mm～4mm的贯通孔18，其上、下端面分别与锥形狭缝的上、下端面齐平。
在换热器外壳1右半部铣出1.5mm厚的圆形凹槽二9，圆形凹槽二9下端面中心均匀切割出锥形狭缝体二11，其上端面直径为8～10mm，下端面直径略小于第一级脉管13的内径；围绕锥形狭缝体二11上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制在0.1～0.25mm之间，条数控制在24～48条之间，具体情况视加工精度与第一级脉管13及其后阻力而定；在锥形狭缝体二11的中心线处设置一个直径为1.5mm～3mm的贯通孔二14，其上、下端面分别与锥形狭缝二11的上、下端面齐平。
在圆形凹槽一4右部沿直径方向钻出圆形通孔5，孔径约为4.5～5.5mm，在圆形通孔5右侧设置连管6；连管由薄壁直管7、弧形弯管8以及连管底座10三部分组成，薄壁直管7内径与圆形通孔5直径相等，弧形弯管8两端面内径相等且两端面所在平面呈90度夹角；在连管底座10内切出一锥形通孔45，锥形通孔45上端面与弧形连管8下端面相通且两端面直径相等，锥形通孔45下端面直径与锥形狭缝体二11上端面直径相等，从而共同形成一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器。
换热器外壳1为紫铜材质，在换热器外壳1的内部使用慢走丝线切割技术分别切割出锥形狭缝体一19和锥形狭缝体二11，锥形狭缝体一19锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级蓄冷器17的内径，小端面直径略小于第二级蓄冷器3的内径；锥形狭缝体二11锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级脉冲管13的内径，小端面直径约为8～10mm；分别在锥形狭缝体一19和锥形狭缝体二11的中心处设置中空的贯通孔一18与贯通孔二14，锥形狭缝体一19和锥形狭缝体二11的狭缝均围绕各自狭缝体上下端面的中心线沿圆周360度均匀切割；第一级蓄冷器17插入换热器外壳1内部2～4mm，在两者空隙部分放置环形底座三16，环形底座三16与第一级蓄冷器17以及换热器外壳1下端面根部凹槽紧贴；第二级蓄冷器3插入换热器外壳1内部1.5～2.5mm，在两者空隙部分放置环形底座一2，环形底座一2与第二级蓄冷器3以及换热器外壳1上端面根部凹槽紧贴；第一级脉冲管13插入换热器外壳1内部约1mm，在两者空隙部分放置环形底座二12，环形底座二12与第一级脉冲管13以及换热器外壳1下端面根部凹槽紧贴；连管6为不锈钢304材质，连管底座10插入圆形凹槽二9并与锥形狭缝体二11上端面紧贴，薄壁直管7左端插入圆形通孔5内约1mm。各环形底座两端面、薄壁直管7与圆形通孔5、弧形弯管8均通过洁净焊接技术沿圆周焊接；实现第一级蓄冷器17、第二级蓄冷器3、第一级脉冲管13、换热器外壳1以及连管6之间的连接，从而形成一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器。
本发明的优点在于：
1)将换热器分成两个部分，两者通过连管连接，防止换热器内部混流、回流的产生等，保证气体分布的均匀性；
2)在不等直径间设置锥形狭缝换热，实现了有限体积下换热面积的最大化，从而保证了气体工质与冷端换热器的高效换热；
3)紧凑连贯的结构设计，由较大直径的第一级蓄冷器到较小直径的脉冲管及第二级蓄冷器的自然过渡，实现气体工质的自然分流，避免出现有害传热的死体积，有效减小热阻损失的同时，有效减小气体工质流动方向改变时的压力损失；
4)经过换热器及层流元件的强制整流，最大限度地抑制气体在换热通道内的紊流扰动，保证出口流速的均匀性，使得流入脉冲管内的气体工质形成均匀分布的层流状态。
利用上述优点设计出的冷端换热器应用于多级U型气耦合脉冲管制冷机，可显著提高脉冲管制冷机的换热效率及整体性能，在实现多级脉冲管制冷机紧凑化、实用化以及获取极低温度方面具有非常积极的意义。
附图说明
图1为脉冲管制冷机的三种冷指布置方式示意图，其中图(a)为直线型，图(b)为U型，图(c)为同轴型；
图2为热耦合式多级脉冲管结构示意图；
图3为气耦合式多级脉冲管结构示意图；
图4为所发明的U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器的局部剖视图；
图5为所发明的U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器外壳的整体示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为仰视图，图(c)为剖面图；
图6为连管的示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为仰视图；图(c)为剖视图。
其中：1为换热器外壳；2为环形底座一；3为第二级蓄冷器；4为圆形凹槽一；5为圆形通孔；6为连管；7为薄壁直管；8为弧形弯管；9为圆形凹槽二；10为连管底座；11为锥形狭缝体二；12为圆形底座二；13为第一级脉冲管；14为贯通孔二；15为层流元件；16为圆形底座三；17为第一级蓄冷器；18为贯通孔一；19为锥形狭缝体；20为热耦合型脉冲管第一级蓄冷器；21为热耦合型脉冲管第一级热桥；22热耦合型脉冲管第一级冷端换热器；23为热耦合型脉冲管第一级脉冲管；24为热耦合型脉冲管第一级调相机构；25为热耦合型脉冲管第二级调相机构；26为热耦合型脉冲管第二级脉冲管；27为热耦合型脉冲管第三级调相机构；28为热耦合型脉冲管第三级脉冲管；29为热耦合型脉冲管第三级冷端换热器；30为热耦合型脉冲管第二级冷端换热器；31为热耦合型脉冲管第二级热桥；32为热耦合型脉冲管第三级蓄冷器；33为热耦合型脉冲管第二级蓄冷器；34为气耦合型脉冲管第一级调相机构；35为气耦合型脉冲管第二级脉冲管；36为气耦合型脉冲管第二级热桥；37为气耦合型脉冲管第三级蓄冷器；38为气耦合型脉冲管第三级热桥；39为气耦合型脉冲管第三级脉冲管；40为气耦合型脉冲管第三级调相机构；41为气耦合型脉冲管第一级热桥；42为气耦合型脉冲管第一级脉冲管；43为气耦合型脉冲管第一级调相机构；44为锥形狭缝；45为锥形通孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
图4为所发明的U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器的局部剖视图。所发明的U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器外壳1、连管6、锥形狭缝体一19、贯通孔一18、层流元件15、锥形狭缝体二11、贯通孔二14组成，其特征在于，将换热器外壳1作为冷端换热器的主换热面与前后级冷指的气耦合接口，通过在其内部切割狭缝以及连通外部连管6实现第一级蓄冷器17、第二级蓄冷器3以及第一级脉管13之间的连接，并保护内部的锥形狭缝体一19、贯通孔一18、锥形狭缝体二11以及贯通孔二14。在换热器外壳1左半部铣出6mm厚的圆形凹槽一4，在圆形凹槽一4下端面中心均匀切割出锥形狭缝体一19，其上端面直径略小于第二级蓄冷器3的内径，下端面直径略小于第一级蓄冷器17的内径；围绕锥形狭缝体一19上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度为0.1mm，条数为48条；在锥形狭缝体一19的中心线处设置一个直径为3mm的贯通孔18，其上、下端面分别与锥形狭缝的上、下端面齐平。
在换热器外壳1右半部铣出1.5mm厚的圆形凹槽二9，圆形凹槽二9下端面中心均匀切割出锥形狭缝体二11，其上端面直径8mm，下端面直径略小于第一级脉管13的内径；围绕锥形狭缝体二11上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制为0.15mm，条数为36条，具体情况视加工精度与第一级脉管13及其后阻力而定；在锥形狭缝体二11的中心线处设置一个直径为1.5mm的贯通孔二14，其上、下端面分别与锥形狭缝二11的上、下端面齐平。
在圆形凹槽一4右部沿直径方向钻出圆形通孔5，孔径约为5mm，在圆形通孔5右侧设置连管6；连管由薄壁直管7、弧形弯管8以及连管底座10三部分组成，薄壁直管7内径与圆形通孔5直径相等，弧形弯管8两端面内径相等且两端面所在平面呈90度夹角；在连管底座10内切出一锥形通孔45，锥形通孔45上端面与弧形连管8下端面相通且两端面直径相等，锥形通孔45下端面直径与锥形狭缝体二11上端面直径相等，从而共同形成一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器。
换热器外壳1为紫铜材质，在换热器外壳1的内部使用慢走丝线切割技术分别切割出锥形狭缝体一19和锥形狭缝体二11，锥形狭缝体一19锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级蓄冷器17的内径，小端面直径略小于第二级蓄冷器3的内径；锥形狭缝体二11锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级脉冲管13的内径，小端面直径约为8mm；分别在锥形狭缝体一19和锥形狭缝体二11的中心处设置中空的贯通孔一18与贯通孔二14，锥形狭缝体一19和锥形狭缝体二11的狭缝均围绕各自狭缝体上下端面的中心线沿圆周360度均匀切割；第一级蓄冷器17插入换热器外壳1内部2mm，在两者空隙部分放置环形底座三16，环形底座三16与第一级蓄冷器17以及换热器外壳1下端面根部凹槽紧贴；第二级蓄冷器3插入换热器外壳1内部2mm，在两者空隙部分放置环形底座一2，环形底座一2与第二级蓄冷器3以及换热器外壳1上端面根部凹槽紧贴；第一级脉冲管13插入换热器外壳1内部约1mm，在两者空隙部分放置环形底座二12，环形底座二12与第一级脉冲管13以及换热器外壳1下端面根部凹槽紧贴；连管6为不锈钢304材质，连管底座10插入圆形凹槽二9并与锥形狭缝体二11上端面紧贴，薄壁直管7左端插入圆形通孔5内约1mm。各环形底座两端面、薄壁直管7与圆形通孔5、弧形弯管8均通过洁净焊接技术沿圆周焊接；实现第一级蓄冷器17、第二级蓄冷器3、第一级脉冲管13、换热器外壳1以及连管6之间的连接，从而形成一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器。

Claims (2)

1.一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式换热器，包括换热器外壳(1)、连管(6)、锥形狭缝体一(19)、贯通孔一(18)、层流元件(15)、锥形狭缝体二(11)、贯通孔二(14)，其特征在于：
将换热器外壳(1)作为冷端换热器的主换热面与前后级冷指的气耦合接口，通过在其内部切割狭缝以及连通外部连管(6)实现第一级蓄冷器(17)、第二级蓄冷器(3)以及第一级脉管(13)之间的连接，并保护内部的锥形狭缝体一(19)、贯通孔一(18)、锥形狭缝体二(11)以及贯通孔二(14)；在换热器外壳(1)左半部铣出6mm厚的圆形凹槽一(4)，在圆形凹槽一(4)下端面中心均匀切割出锥形狭缝体一(19)，其上端面直径略小于第二级蓄冷器(3)的内径，下端面直径略小于第一级蓄冷器(17)的内径；围绕锥形狭缝体一(19)上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度为0.1mm，条数为48条；在锥形狭缝体一(19)的中心线处设置一个直径为3mm的贯通孔(18)，其上、下端面分别与锥形狭缝的上、下端面齐平；
在换热器外壳(1)右半部铣出1.5mm厚的圆形凹槽二(9)，圆形凹槽二(9)下端面中心均匀切割出锥形狭缝体二(11)，其上端面直径8mm，下端面直径略小于第一级脉管(13)的内径；围绕锥形狭缝体二(11)上下端面的中心线均匀切割锥形狭缝，狭缝的宽度控制为0.15mm，条数为36条，具体情况视加工精度与第一级脉管(13)及其后阻力而定；在锥形狭缝体二(11)的中心线处设置一个直径为1.5mm的贯通孔二(14)，其上、下端面分别与锥形狭缝二11的上、下端面齐平；
在圆形凹槽一(4)右部沿直径方向钻出圆形通孔(5)，孔径约为5mm，在圆形通孔(5)右侧设置连管(6)；连管由薄壁直管(7)、弧形弯管(8)以及连管底座(10)三部分组成，薄壁直管(7)内径与圆形通孔(5)直径相等，弧形弯管(8)两端面内径相等且两端面所在平面呈90度夹角；在连管底座(10)内切出一锥形通孔(45)，锥形通孔(45)上端面与弧形连管(8)下端面相通且两端面直径相等，锥形通孔(45)下端面直径与锥形狭缝体二(11)上端面直径相等，从而共同形成一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器。
2.一种如权利要求1所述的一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷热器的实现方法，其特征在于：
换热器外壳(1)为紫铜材质，在换热器外壳(1)的内部使用慢走丝线切割技术分别切割出锥形狭缝体一(19)和锥形狭缝体二(11)，锥形狭缝体一(19)锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级蓄冷器(17)的内径，小端面直径略小于第二级蓄冷器(3)的内径；锥形狭缝体二(11)锥度的控制方法为其大端面直径略小于第一级脉冲管(13)的内径，小端面直径约为8mm；分别在锥形狭缝体一(19)和锥形狭缝体二(11)的中心处设置中空的贯通孔一(18)与贯通孔二(14)，锥形狭缝体一(19)和锥形狭缝体二(11)的狭缝均围绕各自狭缝体上下端面的中心线沿圆周360度均匀切割；第一级蓄冷器(17)插入换热器外壳(1)内部2mm，在两者空隙部分放置环形底座三(16)，环形底座三(16)与第一级蓄冷器(17)以及换热器外壳(1)下端面根部凹槽紧贴；第二级蓄冷器(3)插入换热器外壳(1)内部2mm，在两者空隙部分放置环形底座一(2)，环形底座一(2)与第二级蓄冷器(3)以及换热器外壳(1)上端面根部凹槽紧贴；第一级脉冲管(13)插入换热器外壳(1)内部约1mm，在两者空隙部分放置环形底座二(12)，环形底座二(12)与第一级脉冲管(13)以及换热器外壳(1)下端面根部凹槽紧贴；连管(6)为不锈钢304材质，连管底座(10)插入圆形凹槽二(9)并与锥形狭缝体二(11)上端面紧贴，薄壁直管(7)左端插入圆形通孔(5)内约1mm；各环形底座两端面、薄壁直管(7)与圆形通孔(5)、弧形弯管(8)均通过洁净焊接技术沿圆周焊接；实现第一级蓄冷器(17)、第二级蓄冷器(3)、第一级脉冲管(13)、换热器外壳(1)以及连管(6)之间的连接，从而形成一种多级U型气耦合脉冲管制冷机连管式冷端换热器。
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