CN110470068A - 多级多孔型微通道节流制冷器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的多级多孔型微通道节流制冷器，包括壳体，具有至少一个入口管、出口管；多孔介质芯体；以及多个不同长度的低压管，多孔介质芯***于出口管与扩容端的端面之间，扩容端端面、壳体内壁、多孔介质芯体构成扩容空腔，隔板、壳体内壁、多孔介质芯体构成出口空腔，隔板、壳体内壁、入口端端面构成入口空腔，多个不同长度的低压管按照长短分为N组，低压管的管径与长度成正比，N组低压管分别平行设置在多孔介质芯体内，任意一组的低压管的一端连通出口空腔，另一端连通扩容空腔，N‑1组的低压管的一端连通出口空腔，另一端位于多孔介质芯体内，N‑1组中，不同组的低压管位于多孔介质芯体内的端部与扩容端端面的距离是不同的。
Description
技术领域
本发明属于强化换热节流制冷领域，具体涉及一种多级多孔型微通道节流制冷器。
背景技术
微型节流制冷器利用焦耳－汤姆逊效应(J-T效应)来进行制冷，广泛应用于尺寸空间较小的场合，如内腔冷冻治疗，红外夜视装置等。目前主要的J-T效应制冷器仍然采用汉普逊型(螺旋翅片管式)，外径为0.5mm-1mm直径的不锈钢管缠绕芯轴，高压气体流过整个不锈钢管进入管头的毛细管节流。节流后的低压气体回流掠过不锈钢管外翅片，预冷入流的高压气体。但汉普逊型节流制冷器的进气只有一至二路，制冷量较小，且中心的支撑轴占据了制冷器内部较大空间，制冷器结构不紧凑，换热效率低。
有研究将微通道技术与J-T节流制冷结构结合，一般采用可塑性强的硅材料进行制作，高低压微通道板片相互叠加，高压气体进入高压微通道层后，受到相邻低压微通道层的低温气体冷却，预冷后的高压气体节流降压后进入蒸发腔吸收外界热源热量，最后通过低压微通道返回。但上述的节流制冷器承压能力较低，入流气体压力受到硅材料的限制，制冷温度下降空间有限，同时，其结构上无法多层叠加，导致进气量较小，制冷量较低；现今多采用的矩形微通道结构通道间壁的轴向导热问题不可忽视，造成微通道节流制冷器热损失较高；尤其大部分高低压通道间接触面积有限，通常只有1-2面接触，使得高低温流体换热不充分。综上，现有的微通道节流制冷器进气量较小，轴向导热问题严重，高低压换热面积有限，制约了微通道节流制冷器换热效率的提高。
发明内容
为了改进现有传统汉普逊型节流制冷器与微通道节流制冷器的不足，本发明在传统汉普逊型节流制冷器的思路上，结合多孔介质材料和圆管型微通道结构设计了一种多级多孔型微通道节流制冷器。
本发明提供了一种多级多孔型微通道节流制冷器，具有这样的特征，包括壳体，具有入口管、至少一个出口管；多孔介质芯体；以及多个不同长度的低压管，其中，壳体呈密闭筒形状，具有入口端和扩容端，入口管设置在壳体的入口端的端面上，出口管设置在壳体出口端的侧壁上，出口管、入口管分别与壳体相连通，壳体内设置有隔板，位于入口管与出口管之间，多孔介质芯体呈筒状，其外形与壳体内壁相匹配，设置在壳体内，位于出口管与扩容端的端面之间，扩容端端面、壳体内壁、多孔介质芯体构成扩容空腔，隔板、壳体内壁、多孔介质芯体构成出口空腔，隔板、壳体内壁、入口端端面构成入口空腔，多个不同长度的低压管按照长短分为N组，低压管的管径与长度成正比，每组中的多个低压管具有相同长度，N组低压管分别平行设置在多孔介质芯体内，任意一组的低压管的一端连通出口空腔，另一端连通扩容空腔，N-1组的低压管的一端连通出口空腔，另一端位于多孔介质芯体内，N-1组中，不同组的低压管位于多孔介质芯体内的端部与扩容端端面的距离是不同的。
在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，多个出口管分别均匀环绕设置在壳体侧壁上。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，出口管垂直于壳体侧壁设置，出口管的数量为4个。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，低压管平行于壳体的轴线设置，分别围绕壳体轴线均匀设置在多孔介质芯体内。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，隔板的外径与壳体内壁相匹配，隔板垂直于壳体的轴线设置。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，多孔介质芯体采用泡沫金属材料制成。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，多孔介质芯体的孔隙率大于90％。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，扩容端的端面采用不锈钢材料制成。
另外，在本发明提供的多级多孔型微通道节流制冷器中，还可以具有这样的特征：其中，低压管的横截面为圆形、矩形、三角形、五边形、六边形中的任意一种。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的多级多孔型微通道节流制冷器，因为具有多孔介质芯体以及多个不同长度的低压管。
由于多孔介质芯体中的多孔介质空隙尺寸极其微小，能够打破流动和换热边界层，因此，具有增强换热效率的作用。
进一步地，低压管与多孔介质完全接触，换热面积大大提高，可实现与多孔介质内工质的充分换热。
进一步地，均布多级低压管通道，其返流的低温工质在多孔介质内回流，实现多级预冷，在最终一级圆管微通道内达到最低冷端温度。
附图说明
图1是本发明的实施例中制冷器壳体外形示意图；
图2是本发明的实施例中入口截面示意图；
图3是本发明的实施例中制冷器整体透视示意图；
图4是本发明的实施例中回热换热段剖面图；
图5是本发明的实施例中制冷器正视截面示意图；以及
图6是本发明的实施例中多级圆管微通道示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的多级多孔型微通道节流制冷器作具体阐述。
实施例
多级多孔型微通道节流制冷器包括壳体、多孔介质芯体20以及多个不同长度的低压管。
如图1、5所示，壳体呈密闭筒形状，壳体具有外壳11、多个出口管12、入口管13、隔板14。
外壳11呈圆筒形状，具有入口端(图2右端)和扩容端(图2左端)。外壳11具有侧壁、入口端端面以及扩容端端面111两个端面，其中，扩容端端面111采用不锈钢材料制成，外壳11的侧壁和入口端端面均采用导热性能不好的保温材料制成，实施例中，该保温材料采用硬质玻璃。
多个出口管12分别设置在外壳11出口端的侧壁上，出口管12为微圆柱结构，均布在入口外壳圆周上，可以使工质均匀的进入腔体内。实施例中，4个出口管12均匀环绕垂直设置在外壳11的侧壁上。
入口管13设置在外壳11的入口端的端面上，入口管13为圆管。
入口管13、出口管12分别与外壳11相连通，隔板14设置在外壳11内，位于出口管12与入口管13之间，如图2所示，隔板14的外径与外壳11内壁相匹配，隔板14垂直于外壳11的轴线设置，隔板14上设置有多个与多个低压管30相匹配的通孔。
如图3所示，多孔型微通道节流制冷器具有出口段1、入口段2、回热节流段3以及扩容段4。
出口段1为均布在入口外壳圆周上的多个微圆管结构。
入口段2为圆管形式，入口气体经圆管微通道引流到入口空腔内。
回热节流段3，外形设计为圆柱型，内部分别布置多孔介质高压通道，以及在多孔介质之间均布的数根微圆管为低压通道。
扩容段4，由回热节流段3和壳体构成。
如图4、5、6所示，多孔介质芯体20呈圆柱状，其外形与外壳11内壁相匹配，设置在外壳11内，位于出口管12与扩容端端面之间。实施例中，多孔介质芯体20作为高压通道。
其中，多孔介质芯体20是带有许多微小孔洞的固体，其孔洞之间互相连通或是部分连通；孔洞的形状有圆形、椭圆或多种不规则形状；孔洞中的流体在一定条件下可以流动。多孔介质空隙尺寸极其微小，且空隙之间有的连通有的不连通，使其中流动的工质混合，打破流动和换热边界层，能够增强换热效率。
在回热节流段主要由多孔介质芯体20和多个不同长度的低压管两部分组成。为提高换热效率，实施例中，多孔介质芯体20采用具有较高强度和刚度的泡沫金属材质，其孔隙率大于90％，通过控制孔隙率从而控制高压通道内工质流量，进而保证制冷量；多孔介质在各个截面上的孔径有差异，孔的连通程度也不相同，因此高压工质在多孔介质中的流动是不规则的，却总是可以相对均匀流通的，工质在不同孔内流动，增长工质流程，增加工质流动区域，从而增大了与低压通道的换热面积，提高换热均匀性和效率。
扩容端端面、外壳11内壁、多孔介质芯体20构成扩容空腔15；隔板14、外壳11内壁、多孔介质芯体20构成出口空腔16；隔板14、外壳11内壁、入口端端面构成入口空腔17，隔板14将入口空腔17和出口空腔16完全隔离。
多个不同长度的低压管分别平行设置在多孔介质芯体20内。
多个不同长度的低压管按照长短分为多级微通道管，根据实际冷端温度需求、工质的节流转化温度等不同实际情况，可以设计为2级、3级或者5级、6级等多级微通道形式。
实施例中，多个不同长度的低压管按照长度由短到长分为一级微通道31、二级微通道32、三级微通道33、四级微通道34。
每极微通道具有多个相同长度的低压管。
低压管的管径与长度成正比。四级圆管微通道管径随级数增大而增大，是为了保证每级微通道内的沿程流动阻力相同，从而使多级通道内入口工质流量均匀。
四级微通道34的一端连通出口空腔16，另一端连通扩容空腔15。
一级微通道31、二级微通道32、三级微通道33的一端分别连通出口空腔，另一端分别位于多孔介质芯体20内。
一级微通道31、二级微通道32、三级微通道33位于多孔介质芯体20内的端部与扩容端端面111的距离是不同的。
实施例中，低压管采用圆管形式，其横截面形式可以采用不同特征尺寸的其他多边形，如矩形、三角形、五边形、六边形等，只是要保证微通道与多孔介质完全接触。
实施例中，多个不同长度的低压管平行于壳体的轴线设置，多个不同长度的低压管围绕外壳11轴线均匀设置在多孔介质芯体20内。
多个低压微圆管按需求分布在多孔介质芯体20内部，可以保证换热温度在同截面上分布的均匀型，且圆管与多孔介质完全接触，换热面积大大提高，可实现与多孔介质内工质的充分换热。其返流的低温工质在多孔介质内回流，实现多级预冷，在最终一级圆管微通道内达到最低冷端温度。
低压管采用圆管，圆管内壁表面光滑，管内流动阻力较小，作为低压通道可有效减小低压通道内的压力损失。
工质在制冷器中的节流制冷过程如下：
高温高压工质由制冷器的对外开口的入口圆管13进入，经过入口空腔17后，进入回热节流段内一级微通道31、二级微通道32、三级微通道33、四级微通道34内，与均布在多孔介质芯体20内的低温返流工质回热换热，完成多级节流降温后，在一级微通道31、二级微通道32、三级微通道33流出的工质分别流入与其临近的多孔介质内，由于流动阻力影响，工质沿出口方向的多孔介质通道返流至出口空腔16，从四级微通道34内流出的最冷端工质经过多孔介质内的低温返流工质的4级预冷后进入扩容腔15，热源可以附着在的扩容端的端面111上，扩容腔15内经过节流和膨胀降温的低温工质与热源换热，完成对外界热源的降温后，工质再经由多孔介质芯体20进入出口段空腔16内，最终通过出口圆管13排出制冷器，完成节流制冷降温过程。
高压常温气体从制冷器入口段均匀进入圆管微通道结构的回热节流段，经多孔介质内低温回流气体换热预冷，其中低压流体在多孔介质的不规则空隙中均匀流动，充分为圆管微通道内的高压工质预冷降温，预冷降温后的气体汇集到扩容腔内，在扩容腔内吸收外界热源热量，随后进入低压多孔介质通道，经低压出口流出。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的多级多孔型微通道节流制冷器，因为具有多孔介质芯体以及多个不同长度的低压管。
由于多孔介质芯体中的多孔介质空隙尺寸极其微小，能够打破流动和换热边界层，因此，具有增强换热效率的作用。
进一步地，圆管型微通道表面光滑，管内流动阻力较小，作为低压通道可有效减小低压通道内的压力损失。
进一步地，低压管与多孔介质完全接触，换热面积大大提高，可实现与多孔介质内工质的充分换热。
进一步地，均布多级低压管通道，其返流的低温工质在多孔介质内回流，实现多级预冷，在最终一级圆管微通道内达到最低冷端温度。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于，包括：
壳体，具有入口管和至少一个出口管；
多孔介质芯体；以及
多个不同长度的低压管，
其中，所述壳体呈密闭筒形状，具有入口端和扩容端，
所述入口管设置在所述壳体的入口端的端面上，所述出口管设置在所述壳体出口端的侧壁上，所述出口管、所述入口管分别与所述壳体相连通，
所述壳体内设置有隔板，位于所述入口管与所述出口管之间，
所述多孔介质芯体呈筒状，其外形与所述壳体内壁相匹配，设置在所述壳体内，位于所述出口管与所述扩容端的端面之间，
所述扩容端端面、所述壳体内壁、所述多孔介质芯体构成扩容空腔，
所述隔板、所述壳体内壁、所述多孔介质芯体构成出口空腔，
所述隔板、所述壳体内壁、所述入口端端面构成入口空腔，
多个不同长度的所述低压管按照长短分为N组，所述低压管的管径与长度成正比，
每组中的多个所述低压管具有相同长度，
N组所述低压管分别平行设置在所述多孔介质芯体内，
任意一组的所述低压管的一端连通所述出口空腔，另一端连通所述扩容空腔，
N-1组的所述低压管的一端连通所述出口空腔，另一端位于所述多孔介质芯体内，
N-1组中，不同组的所述低压管位于所述多孔介质芯体内的端部与所述扩容端端面的距离是不同的。
2.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，多个所述出口管分别均匀环绕设置在所述壳体侧壁上。
3.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述出口管垂直于所述壳体侧壁设置，所述出口管的数量为4个。
4.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述低压管平行于所述壳体的轴线设置，分别围绕所述壳体轴线均匀设置在所述多孔介质芯体内。
5.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述隔板的外径与所述壳体内壁相匹配，所述隔板垂直于所述壳体的轴线设置。
6.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述多孔介质芯体采用泡沫金属材料制成。
7.根据权利要求6所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述多孔介质芯体的孔隙率大于90％。
8.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述扩容端的端面采用不锈钢材料制成。
9.根据权利要求1所述的多级多孔型微通道节流制冷器，其特征在于：
其中，所述低压管的横截面为圆形、矩形、三角形、五边形、六边形中的任意一种。
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