CN107062947A - 一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机 - Google Patents

一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机，属于低温制冷技术领域，本发明提供的微通道换热器包括壳体，壳体包含筒体，该筒体的两端由封板封闭，每块封板上均开设有若干扁管安装孔；两端的扁管安装孔之间密封连接有扁管，扁管分隔出若干微通道，所有扁管内的微通道作为换热器的第一介质通道；各扁管的外壁与筒体内壁之间的空间与筒体上的介质入口和介质出口连通作为换热器的第二介质通道。该微通道换热器的换热面积大，换热效率高，且结构简单。

Description

一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域，具体地说，涉及一种微通道换热器及带有该微通道换热器的脉管制冷机。
背景技术
脉管制冷机于20世纪60年代问世以来，由于其结构简单、低温下无运动部件、机械振动小、运行可靠、寿命长，从而受到广泛关注，成为制冷机领域的研究热点。随着超导技术的不断发展，大功率脉管制冷机受到越来越多的关注。在小功率脉管制冷机上采用狭缝式换热器应用在大功率脉管制冷机时会出现换热能力不够以及径向温差过大等问题。
在大功率脉管制冷机中的换热器通常采用管壳式换热器，如中科院理化所所报道的其在80K可以获得500W冷量的脉管制冷机中的级后冷却器采用的是管壳式换热器，但其仍存在换热能力不足的问题，所报道的回热器热端温度要远远高于常温。
在大功率脉管制冷机中，虽然采用管壳式换热器替代狭缝式换热器有利于增大换热能力，降低径向温差分布，但并未达到理想效果，回热器热端温度仍远远高于常温，当功率增大的时候，均存在换热能力不足的问题。
发明内容
本发明的目的为提供一种微通道换热器，该微通道换热器可有效解决在大功率脉管制冷机中换热器存在的换热能力不足的问题；
本发明的另一目的为提供一种脉管制冷机，该脉管制冷机换热功率大，制冷机性能好。
为了实现上述目的，本发明提供的微通道换热器包括壳体，壳体包含筒体，该筒体的两端由封板封闭，每块封板上均开设有若干扁管安装孔；两端的扁管安装孔之间密封连接有扁管，扁管分隔出若干微通道，所有扁管内的微通道作为换热器的第一介质通道；各扁管的外壁与筒体内壁之间的空间与筒体上的介质入口和介质出口连通作为换热器的第二介质通道。
在上述技术方案中，通过扁管将筒体分隔成第一介质通道和第二介质通道，介质一和介质二分别在第一介质通道和第二介质通道内部流动，互不接触，扁管内部设置微通道，该微通道换热器的换热面积大，换热效率高，且结构简单。
具体的方案为壳体还包括固定在筒体两端的上法兰和下法兰，下法兰内设有对位接入介质入口的进水通道，上法兰内设有对位接入介质出口的出水通道；并设有***进水通道内的进水管道，和***出水通道内的出水管道。
换热介质从介质入口的进水通道进入第二介质通道内，从介质出口的出水通道中流出。制冷剂从上一级部件中流出通经过扁管的微通道流入下一级部件。有效解决在大功率脉管制冷机中换热器存在的换热能力不足的问题，减小了换热器体积，加强了换热能力。
另一个具体的方案为封板固定在上法兰和下法兰的中心孔内，上法兰的中心孔内壁设有利于焊接筒体的台阶部，下法兰的中心孔内设有配合筒体端部***的凹槽。
另一个具体的方案为第二介质通道内部安装有增加介质行程用的搁板。
另一个具体的方案为在横截面宽度为12mm、长度为1mm的扁管上，分布有12-16个微通道。相互独立的通道使得换热效率更高。
再一个具体的方案为扁管的材质为铝。采用精炼铝棒通过热挤压并进行表面喷漆防腐处理而形成的薄壁多孔扁管状的铝扁管，相对于常规管壳式内部所用管道来说，在相同孔隙率的情况下大大增加了换热面积，强化了换热性能。
为了实现上述另一目的，本发明提供的脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，级后冷却器采用了上述微通道换热器。由于级后冷却器换热量较大，本发明的为通道换热器通常应用于级后冷却器。
具体的方案为冷端换热器和/或热端换热器采用了上述的微通道换热器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
结构简单，便于实现，对脉管制冷机其他部件没有特殊要求。采用微通道换热器，可以有效解决在大功率脉管制冷机中换热器存在的换热能力不足的问题，减小换热器体积，增大空间利用率，加强换热能力，提高脉管制冷机性能。
附图说明
图1为本发明微通道换热器实施例的结构示意图；
图2为本发明微通道换热器实施例的上法兰正面结构示意图；
图3为本发明微通道换热器实施例的上法兰背面结构示意图；
图4为本发明微通道换热器实施例的扁管结构示意图；
图5为本发明微通道换热器实施例的下法兰正面结构示意图；
图6为本发明微通道换热器实施例的下法兰背面结构示意图；
图7为本发明脉管制冷机实施例的结构示意图。
其中，1、上法兰；2、螺纹孔；3、密封圈槽；4、密封圈槽；5、扁管；6、出口管道；7、筒体；8、下法兰；9、进口管道；10、螺纹孔；11、扁管安装孔；12、出口通道；13、凹槽；14、微通道；15、凹槽；16、进口通道；17、螺纹孔；18、扁管安装孔；19、密封面；20、压缩机；21、级后冷却器；22、回热器；23、冷端换热器；24、脉管；25、热端换热器；26、惯性管；27、气库。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
微通道换热器实施例
参见图1至图6，微通道换热器包括壳体，壳体包括筒体7及密封安装在筒体7两端的上法兰1和下法兰8。
上法兰1上设有用于连接下一级部件的周向布置的螺纹孔2和螺纹孔10。在上法兰1的正面，靠近螺纹孔2的周向设有对下一级部件进行密封的密封圈槽4，靠近螺纹孔10的周向设有对下一级部件进行密封的密封圈槽3，上法兰1的中间通孔的孔口设有封板，封板上开有若干扁管安装孔11。在上法兰1的侧面，通有连通中间通孔的出口通道12，出口通道12内密封安装有出口管道6。在上法兰1的背面，中间通孔的孔口处设有用于连接筒体7的凹槽13。
下法兰8上设有用于连接上一级部件的周向布置的螺纹孔17。在下法兰8的正面，中间通孔的孔口处设有用于连接筒体7的凹槽15。在下法兰8的背面，设有对上一级部件进行密封的密封面19。下法兰8的中间通孔的孔口设有封板，封板上开有若干与扁管安装孔11对应的扁管安装孔18。在下法兰8的侧面，通有连通中间通孔的进口通道16，进口通道16内密封安装有进口管道9。
扁管5的两端分别安装在上法兰1的扁管安装孔11与下法兰8的扁管安装孔18内。扁管5为铝扁管，采用精炼铝棒通过热挤压并进行表面喷漆防腐处理而形成的薄壁多孔扁管状材料。在宽度为12mm，厚度为1mm的薄壁扁管上，设有12-16个微通道14，壁厚仅0.2mm左右。相对于常规管壳式内部所用管道来说，在相同孔隙率的情况下大大增加了换热面积，强化了换热性能。
扁管5的外部与筒体7的内部空间构成第二介质通道，扁管5内部的微通道14构成第一介质通道。第二介质通道内通有冷却水，第一介质通道通有制冷剂如液氦。第一介质通道和第二介质通道内的流体互不接触。
对于间壁式换热器而言，如管壳式换热器，传热过程包括管内流体到管内侧壁面的换热、管内侧壁面到管外侧壁面的换热、管外侧壁面到管外侧流体的换热这三个部分。当在稳态条件下时，通过各环节的热流量Φ保持恒定，从而各环节的温度差可以表示如下：
其中，tfi为管内侧流体温度，twi为管内侧壁面温度，two为管外侧壁面温度，tfo为管外侧流体温度，Φ为热流量，hi为管内侧的复合传热系数，ho为管外侧的复合传热系数，λi为管壁材料的导热系数，di为管内径，do为管外径，l为管长。由以上三式可得：
当管外侧面积为Ao时，换热系数可以如下求得：
Φ＝kAo(tfi-tfo)＝kπdol(tfi-tfo)
由以上两式得，当以管外侧面积为基准的时候，传热系数计算公式如下：
热渗透深度计算公式如下：
其中，ks材料导热系数，f为频率，ρs为密度，cs为比热容。在大功率脉管制冷机中，通常频率较高为60Hz左右，计算所得不锈钢的热渗透深度小于1mm。
对比具有相同孔隙率的管壳式换热器和微通道换热器，微通道换热器在气体侧的换热面积是管壳式换热面积的4倍到5倍，而由于管壁厚度的减小，不锈钢的导热热阻也随着相应减小；管道内径降低，与边界层厚度当量接近，流动扰动增大，气体侧换热系数提高。总的传热系数相应提高。
本实施例中，筒体7通过焊接的方式与上法兰1及下法兰8密封相连。出口管道6通过焊接的方式密封安装在出口通道12内。进口管道9通过焊接的方式密封安装在进口通道16内。扁管5通过焊接的方式安装在扁管安装孔11与扁管安装孔18之间。
脉管制冷机实施例
参见图7，本实施例的脉管制冷机包括依次连接的压缩机20、级后冷却器21、回热器22、冷端换热器23、脉管24、热端换热器25、惯性管26和气库27。惯性管26为U型管道。
其中，级后冷却器21、冷端换热器23和热端换热器25可采用上述微通道换热器实施例中的微通道换热器，尤其是换热量较大的级后冷却器21，由于级后冷却器换热量较大，存在换热能力不足的问题，采用微通道换热器会有较好的效果。

Claims (8)

1.一种微通道换热器，包括壳体，其特征在于：
所述的壳体包含筒体，该筒体的两端由封板封闭，每块封板上均开设有若干扁管安装孔；
两端的扁管安装孔之间密封连接有扁管，所述扁管分隔出若干微通道，所有扁管内的微通道作为换热器的第一介质通道；
各扁管的外壁与筒体内壁之间的空间与筒体上的介质入口和介质出口连通作为换热器的第二介质通道。
2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述壳体还包括固定在所述筒体两端的上法兰和下法兰，所述下法兰内设有对位接入所述介质入口的进水通道，所述上法兰内设有对位接入所述介质出口的出水通道；
并设有***所述进水通道内的进水管道，和***所述出水通道内的出水管道。
3.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述的封板固定在上法兰和下法兰的中心孔内，所述上法兰的中心孔内壁设有利于焊接所述筒体的凹槽，所述下法兰的中心孔内设有配合筒体端部***的凹槽。
4.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述第二介质通道内部安装有增加介质行程用的搁板。
5.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
在横截面宽度为12mm、长度为1mm的扁管上，分布有12-16个微通道。
6.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述扁管的材质为铝。
7.一种脉管制冷机，包括依次连接的压缩机、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，其特征在于：
所述级后冷却器采用权利要求1-6中任一所述的微通道换热器。
8.根据权利要求7所述的脉管制冷机，其特征在于：所述的冷端换热器和/或热端换热器采用1-6任一项所述的微通道换热器。
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