CN116147402A - 一种槽道式预冷换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种槽道式预冷换热器，包括制冷机冷头、换热器；制冷机冷头包括底座、狭缝体；狭缝体为圆柱筒结构，狭缝体的中心孔为变径结构，使狭缝体的内壁为环形台阶状，形成大孔径段和小孔径段；在狭缝体的筒壁上开设有多条狭缝；狭缝自狭缝体的一端贯穿至另一端；小孔径段与底座固定。制冷机的回热器壳体套设在大孔径段外壁，制冷机的脉管壳体插入大直径段中心孔与环形台阶抵接且与大直径段的内壁抵接。换热器盖板设有沉槽，底座设有与沉槽配合的凸台；底座通过凸台嵌入沉槽内固定。本发明将预冷换热器与制冷机冷头集合为一体，降低预冷级冷头与预冷换热器之间的接触热阻，提升传热效率，降低传热温差。

Description

一种槽道式预冷换热器

技术领域

本发明涉及低温制冷领域，具体来说是一种槽道式预冷换热器。

背景技术

近半个世纪以来空间探测技术高速发展，地球观测、通讯卫星、空间探测等各个领域的发展带动了相关技术的进步。在2K～4K的温度范围内，带预冷的节流低温制冷机具有更高的运行效率，成为机械式制冷技术的主流。同时，作为节流制冷机中关键的部件之一，预冷换热器也需要拥有更高的换热效率和更为紧凑的结构布置。

文献《基于热力学的预冷型液氦温区JT制冷机理研究》(作者：刘东立)中提及到的预冷换热器为铜制方形结构，内部设有三条通道以增加换热器面积，最终通过螺钉压接的方式与制冷机冷头接触在一起，接触面采用铟片减小接触热阻。内部通道会在预冷换热器内弯折，使换热得到加强。该结构的换热器采用活接触的方式与制冷机冷头耦合，中间采用导热脂涂抹或放置铟片以提高传热效率。但是由于零件材料变形、无法保证涂抹导热脂的均匀程度或放置铟片时的接触情况等一系列原因，导致冷头与预冷换热器存在较大温差，传热效率大大降低，工质气体温度无法预冷到既定值，进而影响节流制冷机的性能。其次，整体结构能维持时间短，可靠性差，每次实验都需要重新装配，操作较为繁琐，同时也增加了实验成本。

公开号为CN110749115A公开的一种多功能低温涡旋盘管预冷换热器中提及到的预冷换热器采用的是盘管式，将管道与预冷器上开有的螺旋凹槽过盈配合，实现气体的预冷。该换热器不仅可直接替代预冷机的冷头，还可作为冷屏的支撑底板。中间开有狭缝结构以增大换热面积，提高了预冷效率。该结构的预冷换热器若想要保证换热效率，需要采用较长尺寸的管道，故导致整体尺寸较大，且螺旋盘绕的方式也会导致换热器内部流动阻力较大，造成较大的流动损失。同时，此种结构的预冷换热器结构较为复杂，管路和预冷换热器无法保证每个位置的过盈配合，成型也较为困难。

所以，上述两项现有技术预冷换热器与制冷机冷头之间传热效果得不到保证，进而无法保证工质气体的预冷效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中冷头与预冷换热器分体式设计，结构装配复杂且结构稳定性、热传导无法保证。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种槽道式预冷换热器，包括制冷机冷头(1)、换热器(2)；所述制冷机冷头(1)包括底座(11)、狭缝体(12)；所述狭缝体(12)为圆柱筒结构，所述狭缝体(12)的中心孔为变径结构，使所述狭缝体(12)的内壁为环形台阶状，形成大孔径段(121)和小孔径段(122)；在所述狭缝体(12)的筒壁上开设有多条狭缝；所述狭缝自狭缝体(12)的一端贯穿至另一端；所述小孔径段(122)的端部底座(11)固定；制冷机的回热器壳体(31)套设在所述大孔径段(121)外壁，制冷机的脉管壳体(32)插入大直径段中心孔与环形台阶抵接且与大直径段的内壁抵接；气体自回热器壳体(31)与脉管壳体(32)之间的环形腔进入大孔径段(121)的狭缝直至小孔径段(122)，并从小孔径段(122)狭缝进入脉管壳体(32)内腔；

所述换热器盖板设有沉槽，所述底座(11)设有与沉槽配合的凸台(111)；所述底座(11)通过凸台(111)嵌入沉槽内固定。

将预冷换热器与制冷机冷头通过凸台与沉槽的嵌入式固定集合为一体，降低预冷级冷头与预冷换热器之间的接触热阻，提升传热效率，降低传热温差，同时也针对预冷换热器内部的结构进行了相关优化，增强了换热效果。

进一步的，所述狭缝体(12)与底座(11)外壁与底座(11)之间形成环槽(13)，所述外观插入环槽(13)固定。

进一步的，所述凸台(111)与沉槽底壁采用真空钎焊的方式进行焊接固定。

进一步的，所述换热器还包括基体，所述基体包括进口(6)和出口(7)，进口(6)和出口(7)之间通过蛇形槽道连通；所述盖板覆盖蛇形槽道形成蛇形槽道(23)的侧壁。

进一步的，所述进口(6)处固定有导流丝网(8)。

进一步的，在所述基体上还开有安装加热电阻的螺纹孔及安装温度传感器的测温孔(4)。

进一步的，所述狭缝为放射性开设。

进一步的，所述狭缝贯通所述狭缝体(12)内外壁。

进一步的，所述狭缝向所述狭缝体(12)内壁贯通，朝向所述狭缝体(12)外壁的一端为盲端。

进一步的，所述制冷机冷头(1)和换热器盖板(21)由紫铜棒料和板料车床加工而成，并线切割加工出狭缝。

本发明的优点在于：将预冷换热器与制冷机冷头集合为一体，降低预冷级冷头与预冷换热器之间的接触热阻，提升传热效率，降低传热温差，同时也针对预冷换热器内部的槽道23的转角处采用倒角平缓过渡，减少内部流动损失，增强了换热效果。底座采用嵌入式与预冷换热器的壳体固定，焊片放置于接触平面，采用的是平面真空钎焊的焊接方式。与用于根部的角焊接相比，平面焊接增大了焊接面积，提高了焊接稳定性，使得凸台与沉槽接触面焊接更为牢固，焊接件强度更高；同时，沉槽与凸台配合的结构形式，既可以保证装配精度，又可以在焊接前完成对结构的定位，减小了焊接难度，降低了焊接不完全而导致的泄露或变形等现象发生的风险。

附图说明

图1为本发明实施例中槽道式换热器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中槽道式换热器的剖面结构示意图；

图3为图2中与制冷剂的回热器壳体、脉管壳体的装配结构示意图；

图4为本发明实施例中换热器的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例中换热器的进口、出口剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

如图1所示，本实施例的新型槽道式预冷换热器由制冷机冷头1、换热器2，换热器2包括盖板21、换热器基体22。为强化换热，所有部分均采用导热率高的材料紫铜制成。制冷机冷头1包括底座11和狭缝体12；狭缝体12为圆柱筒结构，与制冷剂的回热器壳体31、脉管壳体32形状保持一致，保证安装的精度。如图2所示，狭缝体12的中心孔为变径结构，使狭缝体12的内壁为环形台阶状，形成大孔径段121和小孔径段122；在狭缝体12的筒壁上开设有多条狭缝；狭缝自狭缝体12的一端贯穿至另一端；小孔径段122贯通底座11与换热器盖板21抵接固定，大孔径段121突出于底座11表面。如图3所示，制冷机的回热器壳体31套设在大孔径段121外壁，制冷机的脉管壳体32插入大直径段中心孔与环形台阶抵接且与大直径段的内壁抵接；气体自回热器壳体31与脉管壳体32之间的环形腔进入大孔径段121的狭缝直至小孔径段122，并从小孔径段122狭缝进入脉管壳体32内腔。

狭缝采用线切割的工艺制作，宽度控制为0.25mm，条数控制为30条，尽可能地增大了狭缝换热面积；在狭缝体12的周围与底座11的接触面开有1mm深的环槽13，用于冷头与制冷机回热器壳体31的焊接；底座11上开有两个螺纹孔，用于与多级制冷机之间的冷链连接。

本实施例中，狭缝为放射性均匀开设。狭缝贯通所述狭缝体12内外壁。或狭缝向狭缝体12内壁贯通，朝向狭缝体12外壁的一端为盲端。对于内外贯通的情况，当回热器壳体31套设在大直径段外壁并与环槽密封焊接固定后，可有效封堵狭缝，避免气体外泄。

如图2、图3所示，盖板21上设有沉槽，底座11朝向盖板21的一侧设有与沉槽对应的凸台111，底座11与盖板21通过凸台111嵌入沉槽并采用真空钎焊的方式进行焊接固定，凸台111接触部分的直径尺寸保证为负公差，且装入沉槽深度约2mm，可以保证焊接的稳固性。换热器盖板21与换热器基体22采用真空钎焊的方式进行焊接；如图4所示，在换热器基体22上开有测温孔4，用于安装铑铁温度计，完成实验中对预冷换热器温度的测量；同时，基体上开有加热电阻安装螺纹孔5，可以将片式加热电阻用螺钉压接到预冷换热器表面，用于测量实验中预冷换热器的预冷量，也可作为实验结束后回温的加热负载。加热电阻安装孔和测温孔的开设位置根据需要可开设在换热器基体22的任何位置，只要能将加热电阻和温度传感器固定在换热器上，且保证贴合即可。

如图5所示，在预冷换热器基体22上开有进口6和出口7，进口6和出口7之间通过蛇形槽道23连通；盖板21覆盖蛇形槽道23形成蛇形槽道23的侧壁。进孔6为台阶状，在台阶上处放置几片铜制导流丝网8，然后通过进气管9压紧固定，导流丝网8目数为100目，目的是为了改善进入预冷换热器后气体的流动，增强换热效果。进气管9插入进孔约3mm，在连接处13进行真空钎焊，实现进气管与预冷换热器基体22的连接；出气管10插入出口7约3mm，在连接处14进行真空钎焊，实现预冷换热器基体22与出气管10的连接。本实施例中，槽道23的转角处采用倒角平缓过渡，减少内部流动损失。

新型槽道式预冷换热器的制造过程为：制冷机冷头1和换热器盖板21由紫铜棒料和板料车床加工而成，并线切割加工出狭缝；换热器基体先用板料车床加工出外形，后数铣加工出内部槽道；而后将丝网放置在进孔6处，连同制冷机壳体、换热器盖板21、换热器基体22、进气管9、出气管10一起装配固定，焊接点处涂抹焊料，焊接面处放置焊片，最终放入真空钎焊炉中进行焊接，从而形成新型槽道式预冷换热器。

在使用时，先经过制冷机降温，制冷机冷头1通过狭缝换热达到最低温度后，将温度传递到换热器盖板21上，由于冷头1与盖板21、基体22已焊接为一个整体，故传热温差较小，有着较高的传热效率，换热器基体22的温度近似等于制冷机冷头1的温度；工质气体接入到预冷换热器的进气管9，经过与换热器基体22内部槽道的换热，达到预冷效果；最后通过出气管10，将冷却后的工质气体排出，继续进行下一过程。

本发明在使用时的具体操作步骤如下：

(1)将新型槽道式预冷换热器装入整机系统中，并安装好温度计与加热电阻。为了减少整个预冷换热器的辐射漏热损失，需将其表面打磨干净，并进行多层材料的包裹。

(2)为了减少制冷机和室温之间的对流换热造成的热量损失，在将换热器装上整机系统后需对整个系统进行抽空处理，真空度要保持在1×10^-3以上。然后对管路内部进行2～3次气体置换，尽量保证管路内无杂质气体。

(3)打开制冷机，观察制冷机冷头上温度计的数值，让制冷机先降到最低温度。制冷机工作时，同步也对预冷换热器进行着预冷降温。

(4)待到制冷机冷头和预冷换热器二者的温度稳定且近似相等后，给管路中充入一定量的氦气，打开回路中的压缩机，让气体在管路内流动，气体经过预冷换热器产生预冷降温现象。可以通过对换热器、换热器进出气管上温度计数值的监测，推断实时气体的温度，进而得到预冷换热器的预冷效率。

(5)在结束运行时，预冷换热器仍具有较低的温度，需要关闭制冷机，接通加热电阻，对预冷换热器进行加热处理，在温度计数值回到室温后关闭加热，起到保护系统部件的作用。

本实施例将预冷换热器与制冷机冷头集合为一体，降低预冷级冷头与预冷换热器之间的接触热阻，提升传热效率，降低传热温差，同时也针对预冷换热器内部的槽道23的转角处采用倒角平缓过渡，减少内部流动损失，增强了换热效果。底座采用嵌入式与预冷换热器的壳体固定，即可以保证装配精度，又可以使凸台与沉槽接触面焊接更牢固。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种槽道式预冷换热器，其特征在于，包括制冷机冷头(1)、换热器(2)；所述制冷机冷头(1)包括底座(11)、狭缝体(12)；所述狭缝体(12)为圆柱筒结构，所述狭缝体(12)的中心孔为变径结构，使所述狭缝体(12)的内壁为环形台阶状，形成大孔径段(121)和小孔径段(122)；在所述狭缝体(12)的筒壁上开设有多条狭缝；所述狭缝自狭缝体(12)的一端贯穿至另一端；所述小孔径段(122)的端部底座(11)固定；制冷机的回热器壳体(31)套设在所述大孔径段(121)外壁，制冷机的脉管壳体(32)插入大直径段中心孔与环形台阶抵接且与大直径段的内壁抵接；气体自回热器壳体(31)与脉管壳体(32)之间的环形腔进入大孔径段(121)的狭缝直至小孔径段(122)，并从小孔径段(122)狭缝进入脉管壳体(32)内腔；

所述换热器盖板(21)设有沉槽，所述底座(11)设有与沉槽配合的凸台(111)；所述底座(11)通过凸台(111)嵌入沉槽内固定。

2.根据权利要求1所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述狭缝体(12)与底座(11)外壁与底座(11)之间形成环槽(13)，所述外观插入环槽(13)固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述凸台(111)与沉槽底壁采用真空钎焊的方式进行焊接固定。

4.根据权利要求1或2所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述换热器还包括基体，所述基体包括进口(6)和出口(7)，进口(6)和出口(7)之间通过蛇形槽道连通；所述盖板覆盖蛇形槽道形成蛇形槽道(23)的侧壁。

5.根据权利要求4所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述进口(6)处固定有导流丝网(8)。

6.根据权利要求4所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，在所述基体上还开有安装加热电阻的螺纹孔及安装温度传感器的测温孔(4)。

7.根据权利要求1或2所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述狭缝为放射性开设。

8.根据权利要求1或2所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述狭缝贯通所述狭缝体(12)内外壁。

9.根据权利要求1或2所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述狭缝向所述狭缝体(12)内壁贯通，朝向所述狭缝体(12)外壁的一端为盲端。

10.根据权利要求1或2所述的一种槽道式预冷换热器，其特征在于，所述制冷机冷头(1)和换热器盖板(21)由紫铜棒料和板料车床加工而成，并线切割加工出狭缝。

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