[發明專利]預冷型低溫節流制冷機直通式狹縫預冷換熱器及制造方法

有效

• 申請號: 202010966093.9
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112240650B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 黨海政;張濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: B23P15/26
• 分類號: B23P15/26
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種預冷型低溫節流制冷機直通式狹縫預冷換熱器及制造方法，換熱器包括進氣導流器、外殼、環形狹縫體、錐形導流芯柱、出氣導流器組成。本發明以直通式環形狹縫的方式實現了有限體積內的換熱面積最大化，且通過在氣體流道截面突變處設計導流結構使氣流的流阻損失最小化，可有效促進預冷型低溫節流制冷機的高效率換熱、流動阻力的減少以及內部氣流的單向均布，對于低溫節流制冷機在航空航天等特殊領域的應用具有非常積極的意義。

技術領域

本發明屬于制冷及低溫工程領域，涉及低溫節流制冷機，特別涉及一種預冷型低溫節流制冷機的直通式狹縫預冷換熱器及制造方法。

背景技術

低溫節流制冷機是一種利用氣體工質節流后產生的節流效應獲取低溫的間壁式制冷機。預冷型低溫節流制冷機采取多級預冷和多級間壁式回熱的結構，通過和前級具有多個不同預冷溫度的制冷機(如多級脈沖管制冷機)進行熱耦合，能夠獲取液氦以下乃至亞開爾文溫區的溫度；由于利用了氣體工質在低溫下的非理想氣體特性，其制冷效率也高于同溫區所有類型的回熱式制冷機；預冷型低溫節流制冷機的冷頭沒有運動部件，從而使得冷頭無振動、高可靠且易于微型化。這些顯著優點使得預冷型低溫節流制冷機成為近年來極低溫區機械制冷機研究的一大熱門，在量子通信、深空探測、低溫電子、超導物理等方面都獲得了廣泛的應用。

本發明著眼于預冷型低溫節流制冷機中的預冷換熱器，它是實現低溫節流制冷機和前級預冷制冷機高效熱耦合的核心部件，通過其獲取的預冷溫度和預冷量是低溫節流制冷機正常運行的必備條件。在理想情況下，預冷換熱器要實現三方面的主要功能：

1)高效率換熱。特別是在前級預冷制冷機提供的預冷量有限的情況下，實現高效率熱交換顯得尤其重要。這就需要能在有限體積中實現較大換熱面積的幾何結構。

2)減小高壓進出氣管和預冷換熱器通道變截面處的流動損失。預冷型低溫節流制冷機的高壓回路是需要被預冷的管道，預冷換熱器前后連接著高壓回路的進出氣管，而它們和預冷換熱器結構具有很大差異，二者內部的氣流通道往往具有不同的截面直徑。這就需要實現變截面的有效過渡以使流動損失最小化。

3)實現預冷換熱器內部氣流單向均布。預冷換熱器內部的氣體在單向流動時要保證和換熱器本體進行充分而均勻的熱交換，從而在換熱器長度有限的情況下最大限度的利用預冷制冷機的冷量。這就需要特殊的氣流單向均布方式。

目前常規的預冷型低溫節流制冷機的預冷換熱器遠遠沒有達到以上三方面的要求。目前普遍采用的常規預冷換熱器主要分為兩種：

第一種是盤管式預冷換熱器，采用一根管徑較高壓側管道細的毛細長管，螺旋繞在預冷制冷機的冷頭上，并使用焊接的方式將盤管與預冷制冷機冷頭熱耦合在一起；

第二種是槽道式預冷換熱器，在一個扁平的方塊實體中使用機械打孔的方式制造出連續的槽道，作為氣體流經換熱器的通道，然后以焊接的方式將此換熱器與預冷制冷機冷頭熱耦合在一起。

上述兩種預冷換熱器的流道截面均為等截面圓，與進出氣管道截面相似，但各自仍然存在明顯缺陷：

第一種形式，由盤管形成的內部氣流換熱面積依賴于盤管的長度，在有限體積中盤管長度受到約束，導致換熱面積有限，不利于實現高效率換熱，同時較細的管道和螺旋式繞制方式還會帶來較高的流動阻力，造成流動損失過大。

第二種形式，由槽道形成的內部氣流換熱面積取決于槽道的整體長度和橫截面積，而一般預冷制冷機冷頭較小，這使得預冷換熱器不能有太大體積，因而限制了槽道的總長度和橫截面積，大大影響了換熱效率；同時槽道的多個拐角使氣流發生變向，無法保證氣流單向流動，增大了流動損失。

發明內容

鑒于上述已有技術中存在的缺陷，本發明提出一種預冷型低溫節流制冷機直通式狹縫預冷換熱器及制造方法。