CN220187129U - 热端换热器及斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及低温制冷技术领域，公开一种热端换热器，包括：本体，为块状结构，构造有多个贯穿孔，用以流通传热工质；翅片组，设于所述本体的外侧壁；其中，所述翅片组包括多个翅片，多个所述翅片沿所述本体的周向间隔布设，用以散热。通过构造于本体的贯穿孔，不仅可以流通传热工质，而且还能够对传热工质进行调相；另外，通过翅片组扩大本体的散热面积，提高散热效率，如此，热端换热器不仅能够进行换热，还具有调相能力，在不增加结构复杂度的情况下将换热功能和调相功能集合设置，有效地提升斯特林制冷机的效率。本申请还公开一种斯特林制冷机。

Description

热端换热器及斯特林制冷机

技术领域

本申请涉及低温制冷技术领域，例如涉及一种热端换热器及斯特林制冷机。

背景技术

斯特林制冷机结构简单、运行可靠、寿命长，无故障运行时间甚至可以长达十年，自问世以来，便在制冷低温领域受到广泛关注，备受研究人员青睐。其中，换热器承担着将制冷机余热排出的作用，而调相机构则承担着调节制冷机内部压力波和体积流相位的作用。提升换热器的换热效率以及调相机构的调相能力，对制冷机的制冷效率均有较大提升作用。

斯特林制冷机换热器具有多种形式，如狭缝式换热器，是在小型制冷机中常用的一种换热形式，其通过将铜块内部线切割出多条狭缝，故称之为狭缝式换热器；如管壳式换热器，在换热量较大地方应用，其由多根细长管道构成内部工质流道，而壳间则走第二工质，如水等，将制冷机内部热量带走。

而调相机构同样有多种形式，如排出器型，采用活塞结构和弹簧结构构成排出器，使得冷端的声功转化为机械功从而耗散掉；如小孔型，利用其较高的声阻，使得声功在经过其时大幅衰减，从而达到调节相位的目的；而惯性管利用细长管道内部的流体惯性来调节相位差，相对于小孔来说其调相能力大幅增加；另有一些并未广泛采用的调相结构如双活塞型、四阀型和主动气库型。这些不同的调相结构均不同程度的提升了斯特林制冷机的性能。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

换热器和调相结构作为两个部件，增加了系统复杂度，若将二者合二为一，则会增加制冷机结构的复杂度。

实用新型内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键／重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供一种热端换热器及斯特林制冷机，以在不增加结构复杂度的情况下将换热功能和调相功能集合设置，有效地提升斯特林制冷机的效率。

在一些实施例中，所述热端换热器包括：

本体，为块状结构，构造有多个贯穿孔，用以流通传热工质；

翅片组，设于所述本体的外侧壁；

其中，所述翅片组包括多个翅片，多个所述翅片沿所述本体的周向间隔布设，用以散热。

在一些实施例中，所述本体为柱状结构，多个所述翅片呈辐射状设置于所述本体。

在一些实施例中，所述贯穿孔的孔径范围为1~2mm。

在一些实施例中，所述翅片包括相对设置的导热端和散热端，所述导热端与所述本体导热连接；

其中，所述散热端至所述导热端的距离小于或等于5cm。

在一些实施例中，所述导热端的厚度大于或等于所述散热端的厚度。

在一些实施例中，所述贯穿孔内填充有多孔材料，用以调节流经的传热工质的压力及体积流相位。

在一些实施例中，所述多孔材料为不锈钢丝网、金属球及聚对苯二甲酸类塑料（PET）中的一种或多种。

在一些实施例中，所述传热工质为氦气或氢气。

在一些实施例中，所述斯特林制冷机包括：前述实施例中提供的热端换热器。

在一些实施例中，斯特林制冷机还包括：

冷端换热器，与所述热端换热器通过脉管连通；

气库，与所述热端换热器连通，且与所述脉管分别位于所述热端换热器的两侧。

本公开实施例提供的热端换热器及斯特林制冷机，可以实现以下技术效果：

通过构造于本体的贯穿孔，不仅可以流通传热工质，而且还能够对传热工质进行调相；另外，通过翅片组扩大本体的散热面积，提高散热效率，如此，热端换热器不仅能够进行换热，还具有调相能力，在不增加结构复杂度的情况下将换热功能和调相功能集合设置，有效地提升斯特林制冷机的效率。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本公开实施例提供的所述热端换热器的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的所述热端换热器另一视角的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的所述斯特林制冷机的框架示意图。

附图标记：

10：本体；101：贯穿孔；20：翅片；201：导热端；202：散热端；1：压缩机；2：传输管；3：级后冷却器；4：回热器；5：冷端换热器；6：脉管；7：热端换热器；8：气库。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

结合图1至图3所示，本公开实施例提供一种热端换热器，包括本体10和翅片组。通过翅片组扩大本体10的散热面积，以提高散热效率。

本体10，为块状结构，构造有多个贯穿孔101，用以流通传热工质；翅片组，设于本体10的外侧壁；其中，翅片组包括多个翅片20，多个翅片20沿本体10的周向间隔布设，用以散热。

采用本公开实施例提供的热端换热器7，通过构造于本体10的贯穿孔101，不仅可以流通传热工质，而且还能够对传热工质进行调相；另外，通过翅片组扩大本体10的散热面积，提高散热效率，如此，本热端换热器7不仅能够进行换热，而且具有调相能力，能够有效地提升设有热端换热器7的斯特林制冷机的效率。

可选地，本体10与翅片组为一体成型结构。这样，有助于提高热端换热器7的结构强度，保证其在使用过程中的稳定性。

本体10为规则的块状结构，以便热端换热器7安装。例如：圆柱体、长方体。

可选地，本体10构造有多个贯穿孔101，部分或全部贯穿孔的孔径相等。可以理解为，多个贯穿孔中可以有至少两种孔径的贯穿孔。或者，多个贯穿孔101的孔径全部相同。

可选地，本体10至少包括两组贯穿孔组，贯穿孔组包括多个贯穿孔101。其中，两组贯穿孔组可并排排列，或两组贯穿孔组套圈环绕设置。此处“套圈环绕设置”可以理解为：一组贯穿孔组环绕另一组贯穿孔组周向设置。

流经热端换热器7的传热工质流经贯穿孔101，且通过贯穿孔101的设置及孔径对传热工质实现调相的目的。

翅片组的多个翅片20沿本体10的周向间隔布设，一方面有助于热端换热器7散热的均匀性，另一方面，有利于热端换热器7的结构稳定。

可选地，多个翅片20均垂直于本体10的外侧壁上。

可选地，本体10为柱状结构，多个翅片20呈辐射状设置于本体10。

在本体10为柱状结构的情况下，多个翅片20呈辐射状设置于本体10的外侧壁，且间隔均匀布设。这样，在传热工质流经本体10的贯穿孔101时，与本体10发生热交换，热量经本体10传递至翅片20，通过翅片20扩大本体10的散热面积，提高散热效率，避免本体10过热。

可选地，贯穿孔101的孔径范围为1~2mm。

通过贯穿孔101的孔径范围在1~2mm内，使得热端换热器7不仅能够保证传热工质的流通，而且还能够通过不同孔径的贯穿孔101实现调相的目的。

可选地，贯穿孔101内填充有多孔材料，用以调节流经的传热工质的压力及体积流相位。

可选地，多孔材料为不锈钢丝网、金属球及PET材料中的一种或多种。

热端换热器7的调相能力通过贯穿孔101和贯穿孔101内填充的多孔材料实现。通过在贯穿孔101内填充多孔材料，相比于传统的换热器惯性管而言，本实施例的热端换热器7在同样的调相能力下，所需长度，可以理解为热端换热器7沿轴线方向的长度大幅缩短。示例性地，从几米长度降低至仅有几厘米的长度。而调相幅度有所增加，使得调相能力达到180°，从而提高斯特林制冷剂的效率。

对于热端换热器7的调相的基本理论如下：

依据动量守恒和能量守恒定律，其体积流和体积流之间符合以下公式。

其中，热端换热器7内的传热工质的运行方式为接近正弦运动方式，压力波动和体积流都是正弦分布或近似正弦分布。

对于其声阻来说

对于其声感来说

对于其热弛豫声导来说

对于其声容来说

对于四项声阻抗的计算公式中的系数和/>是

最终，若要实现斯特林制冷机较好的调相能力，要满足声阻比声感数量级大102，声感比声容大的数量级为105以上。声阻的值较大可以保证其能够有效的耗散声功，而声感相对声容很大则保证了其整体呈感性，本实施例提供的热端换热器7通过多个贯穿孔101和贯穿孔101内填充的多孔材料，能够提高声阻，且保证声感，从而实现较大调相能力的作用，提升斯特林制冷机效率。

由于多孔材料的声阻抗特性，使得压力波和体积流的相位可以在出口处达到90°，同时使得斯特林制冷机冷端换热器5处具有良好的相位，提高斯特林制冷机效率。

另外，通过多孔材料为不锈钢丝网、金属球及PET材料中的一种或多种，使得本实施例的热端换热器7中贯穿孔101的孔隙率在60%以上，从而提高热端换热器7的换热能力。

可选地，翅片20包括相对设置的导热端201和散热端202，导热端201与本体10导热连接；其中，散热端202至导热端201的距离小于或等于5cm。

通过导热端201与本体10导热连接，本体10上的热量传递至翅片20的导热端201，然后向散热端202扩散，如此，通过翅片20对本体10进行散热。

通过散热端202至导热端201的距离小于或等于5cm，这样，有助于提高热端换热器7整体的稳定性，避免翅片20长度过长自本体10弯折。

可选地，本体10和翅片20采用金属导热材料制成。

可选地，在本体10呈柱状结构，多个翅片20呈辐射状设于本体10的外侧壁的情况下，相邻翅片20的导热端201可相接触，也可间隔一定距离设置。

可选地，所述翅片20的厚度范围为1~2mm。

通过翅片20的厚度范围为1~2mm，一方面通过具有一定厚度的翅片20接收来自本体10的热量，以实现对本体10的快速散热降温；另一方面，翅片20不宜过厚，这样，可以在有限的空间内，设置多个翅片20，从而进一步地扩大热端换热器7的散热面积，进而提高散热效率。

可选地，导热端201的厚度大于或等于散热端202的厚度。

通过导热端201的厚度大于或等于散热端202的厚度，这样，一方面能够避免散热端202过重，另一方面相邻翅片20于散热端202处的间隔距离扩大，从而提高了与周围环境的换热空间，使得更多的空气与翅片20的散热端202进行换热，对应的提高散热效率。

可选地，翅片20的翅面相对翅片20的对称中心线所在平面倾斜设置。

可选地，翅片20的翅面上可构造有凸起，一方面以进一步延展翅面的表面面积，从而扩大散热面积；另一方面，在气流流经设有凸起的翅面的情况下，通过凸起可扰动气流，以延长气流流经翅面的流动路径，从而加强翅片20的散热效果。

可选地，传热工质为氦气或氢气。

通过采用氦气或氢气的传热工质，能够保证设有热端换热器7的斯特林制冷剂的制冷效率。

可选地，传热工质也可为空气。

斯特林制冷机依靠排出器中的气体膨胀吸热进行制冷，其制冷温度最低可达零下二百七十摄氏度。斯特林制冷机具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点，根据其排出器的驱动形式可以分为机械式斯特林制冷机和气动式斯特林制冷机，根据压缩机和排出器的设置形式可以分为整体式斯特林制冷机和分体式斯特林制冷机。斯特林的工作原理是依靠电机驱动的压缩机使初始状态的工作气体体积被压缩，气体被压缩的同时其温度升高，工作气体经过回热器4其温度降低，工作气体在排出器中体积膨胀进行吸热，如此往复循环，排出器所在一端的温度不断降低，从而实现制冷功能。不管是哪种形式的斯特林制冷机，其压缩机活塞与排出器活塞的往复运动必须有一个合适的相位差，以使工作气体受控处于压缩、降温、膨胀、复位等工作状态。排出器活塞在排出器活塞缸中的位移随时间的变化的图形表示为一种具有周期性的波形曲线，排出器活塞在排出器活塞缸中的位于随时间变化的图形表示具有周期性的波形曲线，二周之间的周期相等，排出器活塞运动的相位领先于压缩活塞运动的相位，如果将波形曲线近似处理为正弦曲线，二者之间具有一定的相位差。

结合图1至图3所示，本公开实施例提供一种斯特林制冷机，包括上述实施例提供的热端换热器7。热端换热器7包括本体10和翅片组。通过翅片组扩大本体10的散热面积，以提高散热效率。本体10，为块状结构，构造有多个贯穿孔101，用以流通传热工质；翅片组，设于本体10的外侧壁；其中，翅片组包括多个翅片20，多个翅片20沿本体10的周向间隔布设，用以散热。

采用本公开实施例提供的斯特林制冷机，通过构造于本体10的贯穿孔101，不仅可以流通传热工质，而且还能够对传热工质进行调相；另外，通过翅片组扩大本体10的散热面积，提高散热效率，如此斯特林制冷机的热端换热器7不仅能够进行换热，而且具有调相能力，能够有效地提升斯特林制冷机的效率。

可选地，斯特林制冷机包括压缩机1、传输管2、级后冷却器3、回热器4、冷端换热器5、脉管6、热端换热器7和气库8。

可选地，冷端换热器5与热端换热器7通过脉管6连通，气库8与热端换热器7连通，且与脉管6分别位于热端换热器7的两侧。

压缩机1为线性压缩机1，又称为压力波发生器，将其内部工质氦气或氢气推动为交变振荡的气体；压缩机1通过传输管2与级后冷却器3相连，传输管2为空管结构，级后冷却器3可以为狭缝式换热器，也可以为管壳式换热器，通过冷却水或空气将从压缩机1出来的高温振荡气体冷却下来；被冷却的振荡气体进入回热器4，与回热器4内部的多孔介质进行换热，该多孔介质采用不锈钢丝网质堆积构成，以和氦气或氢气进行充分换热。

在振荡气体的一个周期内的前半段，气体将热量传递给多孔介质，气体本身的温度降低，在一个周期的后半段，气体从多孔介质中吸收热量，气体本身的温度升高，但由于气体在一个周期内吸收和放出的热量不相等，最终会在回热器4轴向方向产生温度梯度，从而使得与回热器4相连的冷端换热器5达到较低温度。

冷端换热器5为狭缝式换热器，材料采用具有较高导热系数的铜，阻力小，换热系数高，将气体产生的冷量传导出去，以供其他需要低温的设备使用。脉管6是一空管结构，与冷端换热器5相连，沿脉管6轴向同样存在很大的温度梯度，从脉管6冷端（和冷端换热器5相连的一端）吸收的热量可以通过脉管6热端（与热端换热器7相连的一端）的热端换热器7排出；热端换热器7为管式换热器，和气库8相连，气库8为一体积相对较大的空瓶结构，其内部工质同样为氦气。这样，使得斯特林制冷机获得更高制冷效率，并提高了制冷量。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种热端换热器，其特征在于，包括：

本体，为块状结构，构造有多个贯穿孔，用以流通传热工质；

翅片组，设于所述本体的外侧壁；

其中，所述翅片组包括多个翅片，多个所述翅片沿所述本体的周向间隔布设，用以散热。

2.根据权利要求1所述的热端换热器，其特征在于，

所述本体为柱状结构，多个所述翅片呈辐射状设置于所述本体。

3.根据权利要求1所述的热端换热器，其特征在于，

所述贯穿孔的孔径范围为1～2mm。

4.根据权利要求1所述的热端换热器，其特征在于，

所述翅片包括相对设置的导热端和散热端，所述导热端与所述本体导热连接；

其中，所述散热端至所述导热端的距离小于或等于5cm。

5.根据权利要求4所述的热端换热器，其特征在于，

所述导热端的厚度大于或等于所述散热端的厚度。

6.根据权利要求1所述的热端换热器，其特征在于，

所述贯穿孔内填充有多孔材料，用以调节流经的传热工质的压力及体积流相位。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热端换热器，其特征在于，

所述传热工质为氦气或氢气。

8.一种斯特林制冷机，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的热端换热器。

9.根据权利要求8所述的斯特林制冷机，其特征在于，还包括：

冷端换热器，与所述热端换热器通过脉管连通；

气库，与所述热端换热器连通，且与所述脉管分别位于所述热端换热器的两侧。