CN208382610U - 一种强化换热的冷端装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种强化换热的冷端装置，套装在制冷机声波膨胀机构的顶部，包括冷头、冷头壳体和金属泡沫填充材料，所述冷头顶部开设有换热聚液斜槽，所述换热聚液斜槽底部自内向外向下倾斜设置，所述冷头壳体套装在冷头上并与换热聚液斜槽共同形成容纳热管工质完成液化换热的密闭腔体并填充金属泡沫填充材料，所述冷头壳体上紧靠所述换热聚液斜槽底部最低端处设有热管接口，所述腔体通过热管接口与设有的热管连通；本实用新型通过将填充金属泡沫的换热聚液斜槽嵌设在冷头顶部并将冷头套装在声波膨胀机构上，以及通过换热聚液斜槽的设置使得热管工质换热后的冷凝体借助重力作用即可聚集自流热管，工质自流性好，换热面积大，强化换热效果显著。

Description

一种强化换热的冷端装置

技术领域

本实用新型是涉及一种冷端装置，具体的，涉及一种具有金属泡沫填充的强化换热的冷端装置，特别适用于声能制冷，属于声能制冷设备技术领域。

背景技术

随着低温医学、低温医疗、低温电子学、红外超导等科学技术的发展，低温制冷技术得到了很大的发展与应用。声能制冷机作为一种小型低温回热式制冷机，利用膨胀气缸内气体周期性膨胀和压缩来制取冷量，具有结构紧凑、制冷温区广、制冷效率高、节能环保等优点，受到了越来越多的重视。对于大冷量的声能制冷机，此类制冷设备具有“大冷量小体积”的特点，受到制冷机结构的限制，冷端尺寸比较小，换热面积不足，为了匹配此类“大冷量小体积”制冷设备的应用，降低冷端装置的传热温差损失，提高换热系数，传统结构复杂的冷端装置显然不能适用，需要特别设计高效紧凑的冷端装置。

现有实验及热力分析结果表明，采用高目数的换热填充材料有利于提高冷端装置的热导，降低冷端换热器壁面与气体之间的温差，从而提高换热效率。多孔泡沫金属是一种均匀细小孔径和高孔隙率的新型功能材料。它具有减振、阻尼、吸音、隔音、散热、电磁屏蔽等物理性能，是一种多功能兼用的功能材料。而从结构材料角度，它又具有密度小、轻质、高比强度、比表面积大的特点。在一般工业领域特别是高技术领域越来越受到广泛重视，其优异物理性能同样适合作为换热填充材料应用。综上可见，本领域亟需开发一种具有金属泡沫填充的强化换热的冷端装置，结构紧凑，可实现热管工质自流动性，便于热管工质汇集与循环，可有效增强工质流动、增加换热面积、强化换热效果以满足大冷量小体积制冷设备的应用。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本实用新型的目的是提供一种具有金属泡沫填充的强化换热的冷端装置，结构紧凑，可实现热管工质自流动性，便于热管工质汇集与循环，可有效增强工质流动、增加换热面积、强化换热效果以满足大冷量小体积制冷设备的应用。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种强化换热的冷端装置，套装在制冷机声波膨胀机构的顶部，其特征在于：包括冷头、冷头壳体和金属泡沫填充材料，圆柱型结构的所述冷头顶部开设有换热聚液斜槽，所述换热聚液斜槽底部自内向外向下倾斜设置，所述冷头壳体套装在所述冷头上并与所述换热聚液斜槽共同形成容纳热管工质完成液化换热的密闭腔体，所述腔体内填充有金属泡沫填充材料，所述冷头壳体上紧靠所述换热聚液斜槽底部最低端处设有热管接口，所述腔体通过所述热管接口与设有的热管连通。

作为优选方案，所述冷头外径为20mm～80mm。

作为进一步优选方案，所述冷头外径为60mm。

作为优选方案，所述换热聚液斜槽为梯形斜槽，所述梯形斜槽长度L为40mm～50mm，所述梯形斜槽宽度W为25mm～35mm，所述梯形斜槽第一深度H1为10mm～15mm，坡比K＝H1/L数值范围为0.25～0.31。

作为进一步优选方案，所述梯形斜槽长度L为46mm，所述梯形斜槽宽度W为30mm，所述梯形斜槽第一深度H1为13.7mm，所述梯形斜槽第二深度H2为5.7mm，坡比K＝H1/L＝0.29。

一种实施方案，所述声波膨胀机构包括膨胀活塞或排出器、外机壳、狭缝换热器和膨胀腔，所述狭缝换热器套装在所述膨胀腔上端的外围，所述冷头通过底部设有的连接凹槽套装在所述膨胀活塞或排出器的顶部并通过凹槽外边缘与所述外机壳紧密连接以形成声波膨胀机构内工质循环的密闭腔体。

进一步实施方案，所述连接凹槽底部直接与所述膨胀腔顶部和所述狭缝换热器接触，增大冷头与声波膨胀机构内高压低温状态的工作介质的接触面积，冷量传输效果好。

作为优选方案，所述金属泡沫填充材料包括金属铜泡沫材料、金属铝泡沫材料及其金属合金泡沫材料中的一种或多种。

作为进一步优选方案，所述金属泡沫填充材料的孔隙率为20％～80％。

作为优选方案，所述冷头端盖通过末端设有焊接口与所述冷头侧壁进行焊接密封连接。

作为优选方案，所述热管向下倾斜设置，所述热管倾斜程度与所述换热聚液斜槽底部倾斜程度相适配。

作为优选方案，根据工况的不同需要，所述冷头的形状也可为正方体型、长方体型、圆台型或其他多面体型。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型所述强化换热的冷端装置通过将填充有金属泡沫的所述换热聚液斜槽嵌设在所述冷头的顶部以及将所述冷头套装在膨胀活塞或排出器上，显著增大了热管与金属泡沫填充材料之间、金属泡沫填充材料与冷头之间、冷头与声波膨胀机构之间的接触换热面积，提高了金属泡沫填充材料利用率同时，提高了冷头整体的换热系数，通过所述换热聚液斜槽的结构设置使得热管工质换热后的冷凝体借助重力作用即可聚集自流，热管工质自流性好，换热面积显著增大，强化换热效果显著，另外，本实用新型还具有结构简单、重量轻、制造便利等优点，特别适合小体积大冷量制冷机的应用，具有显著的进步性和良好的推广应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种强化换热的冷端装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的冷头的结构示意图。

图中标号示意如下：1、冷头；11、换热聚液斜槽；12、金属泡沫填充材料；13、第一焊接口；14、第二焊接口；2、冷头端盖；21、热管接口；3、热管；4、声波膨胀机构；41、膨胀活塞或排出器；42、外机壳；43、狭缝换热器；44、膨胀腔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细描述。

实施例

结合图1至图2所示，本实施例提供的一种强化换热的冷端装置，套装在制冷机声波膨胀机构4的顶部，包括冷头1、冷头壳体2和金属泡沫填充材料12，圆柱型结构的所述冷头1顶部开设有换热聚液斜槽11，所述换热聚液斜槽11底部自内向外向下倾斜设置，所述冷头壳体2套装在所述冷头1上并与所述换热聚液斜槽11共同形成容纳热管工质完成换热冷凝的密闭腔体，所述腔体内填充有金属泡沫填充材料12，所述冷头壳体2上紧靠所述换热聚液斜槽11底部最低端处设有热管接口21，所述腔体通过所述热管接口21与设有的热管3连通。所述腔体内的热管工质完成换热冷凝在所述换热聚液斜槽11底部，在重力作用下集聚在所述换热聚液斜槽11底部最低端，通过设置于此处热管接口21自动流入所述热管3至用冷空间中，参与工质循环和冷量传递，如果所述热管接口21设置高于所述换热聚液斜槽11底部最低端，会导致冷凝后的液体工质过多的集聚在所述换热聚液斜槽11底端而无法全部流入所述热管3以参与工质循环和冷量传递。

在本实施例中，如图2所述，所述冷头1外径为20mm～80mm，所述换热聚液斜槽11为梯形斜槽，所述梯形斜槽长度L为40mm～50mm，所述梯形斜槽宽度W为25mm～35mm，所述梯形斜槽第一深度H1为10mm～15mm，坡比K＝H1/L数值范围为0.25～0.31。作为优选，在本实施例中，所述冷头1外径为60mm，所述梯形斜槽长度L为46mm，所述梯形斜槽宽度W为30mm，所述梯形斜槽第一深度H1为13.7mm，所述梯形斜槽第二深度H2为5.7mm，坡比K＝H1/L＝0.29。

在本实施例中，所述声波膨胀机构4包括膨胀活塞或排出器41、外机壳42、狭缝换热器43和膨胀腔44，所述狭缝换热器43套装在所述膨胀腔44上端的外围，所述冷头1通过底部设有的连接凹槽套装在所述膨胀活塞或排出器41的顶部并通过凹槽外边缘与所述外机壳42紧密连接以形成声波膨胀机构4内工质循环的密闭腔体；作为优选方案，所述凹槽外边缘通过设有的第二焊接口14与所述外机壳42进行焊接密封连接；所述连接凹槽底部直接与所述膨胀腔44顶部和所述狭缝换热器43接触，增大冷头1与声波膨胀机构4内低温工作介质的接触面积，冷量传输效果好。

考虑到金属泡沫填充材料12的导热系数和成本低不同，在本实施例中，所述金属泡沫填充材料12包括金属铜泡沫材料、金属铝泡沫材料及其金属合金泡沫材料等导热系数大的金属泡沫材料中的一种或多种，所述金属泡沫填充材料12的孔隙率为20％～80％，金属铝泡沫及其合金泡沫质轻，其减振、阻尼、吸音、隔热、散热、电磁屏蔽、吸收冲击能等特性强，泡沫铜延展性好且制备成本较低，耐腐蚀性能和电磁屏蔽性较好，可分别适用于不同工况需求。

在本实施例中，上述冷头端盖2通过末端设有第一焊接口13与所述冷头1侧壁进行焊接密封连接。

在本实施例中，上述热管3向下倾斜设置，所述热管3倾斜程度与所述换热聚液斜槽11底部倾斜程度相适配。

根据工况的不同需要，在本实施例中，上述冷头1的形状也可为正方体型、长方体型、圆台型或其他多面体型。

如图1所示，在本实施例中：制冷机声波膨胀机构4中的气体工质(如氦气)不断高速流过狭缝换热器43后，在膨胀腔44内等温膨胀，吸收低温热源的热量，进而降低冷头1的温度，实现冷头1制冷，同时，热管3内的热管工质(如乙烷)在用冷空间内吸热汽化，沿热管3内上半空间进入冷头1的换热聚液斜槽11内，与其中金属泡沫填充材料12充分接触换热，金属泡沫填充材料12的比表面积较大，极大地增加了与热管工质气体接触换热器面积，迅速高效强化冷头1换热，热管工质冷凝为液态后在自身重力作用，沿所述换热聚液斜槽11底部的斜面向下流经热管接口21进入所述热管3内下半空间直至流至用冷空间中继续吸热汽化，实现工质循环和冷量传递，如此循环往复完成冷头装置的高效强化换热。

综上所述可见：本实用新型所述强化换热的冷端装置通过将填充有金属泡沫的所述换热聚液斜槽11嵌设在所述冷头1的顶部以及将所述冷头1套装在声波膨胀机构4上，显著增大了热管3与金属泡沫填充材料12之间、金属泡沫填充材料12与冷头1之间、冷头1与声波膨胀机构4之间的接触换热面积，提高了金属泡沫填充材料利用率同时提高了冷头1整体的换热系数，通过所述换热聚液斜槽11的结构设置使得热管工质换热后的冷凝体借助重力作用即可聚集自流，热管工质自流性好，换热面积显著增大，强化换热效果显著，另外，本实用新型还具有结构简单、重量轻、制造便利等优点，特别适合小体积大冷量制冷机的应用。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强化换热的冷端装置，套装在制冷机声波膨胀机构的顶部，其特征在于：包括冷头、冷头壳体和金属泡沫填充材料，圆柱型结构的所述冷头顶部开设有换热聚液斜槽，所述换热聚液斜槽底部自内向外向下倾斜设置，所述冷头壳体套装在所述冷头上并与所述换热聚液斜槽共同形成容纳热管工质完成液化换热的密闭腔体，所述腔体内填充有金属泡沫填充材料，所述冷头壳体上紧靠所述换热聚液斜槽底部最低端处设有热管接口，所述腔体通过所述热管接口与设有的热管连通。

2.根据权利要求1所述的冷端装置，其特征在于：所述冷头外径为20mm～80mm。

3.根据权利要求2所述的冷端装置，其特征在于：所述冷头外径为60mm。

4.根据权利要求1或2所述的冷端装置，其特征在于：所述换热聚液斜槽为梯形斜槽，所述梯形斜槽长度L为40mm～50mm，所述梯形斜槽宽度W为25mm～35mm，所述梯形斜槽第一深度H1为10mm～15mm，坡比K＝H1/L数值范围为0.25～0.31。

5.根据权利要求4所述的冷端装置，其特征在于：所述梯形斜槽长度L为46mm，所述梯形斜槽宽度W为30mm，所述梯形斜槽第一深度H1为13.7mm，所述梯形斜槽第二深度H2为5.7mm，坡比K＝H1/L＝0.29。

6.根据权利要求1所述的冷端装置，其特征在于：所述声波膨胀机构包括膨胀活塞或排出器、外机壳、狭缝换热器和膨胀腔，所述狭缝换热器套装在所述膨胀腔上端的外围，所述冷头通过底部设有的连接凹槽套装在所述膨胀活塞或排出器的顶部并通过凹槽外边缘与所述外机壳紧密连接以形成声波膨胀机构内工质循环的密闭腔体。

7.根据权利要求6所述的冷端装置，其特征在于：所述连接凹槽底部直接与所述膨胀腔顶部和所述狭缝换热器接触。

8.根据权利要求1所述的冷端装置，其特征在于：所述金属泡沫填充材料包括金属铜泡沫材料、金属铝泡沫材料及其金属合金泡沫材料中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的冷端装置，其特征在于：所述金属泡沫填充材料的孔隙率为20％～80％。

10.根据权利要求1所述的冷端装置，其特征在于：所述冷头端盖通过末端设有焊接口与所述冷头侧壁进行焊接密封连接。