[發明專利]一種交叉管式換熱器及帶有該換熱器的脈管制冷機

有效

• 申請號: 202011158100.9
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112268377B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 韋濤;植曉琴;林錦城;邱利民;陶希軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14;F28D7/16;F28F9/18;F28F9/26
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 顏果

本發明涉及一種交叉管式換熱器及帶有該換熱器的脈管制冷機，屬于低溫制冷技術領域。包括筒體和分別設置在所述筒體上下兩端的上法蘭和下法蘭，其特征在于，所述筒體內設有若干換熱細管，所述換熱細管之間連通構成第一介質通道，所述換熱細管的管壁與所述筒體內壁之間構成第二介質通道。通過換熱細管增大換熱面積，增強換熱效率，同時提供氣體橫向流動通道，在氣體工質側引入徑向流動，使氣體工質在換熱器內原先熱傳導的單一換熱形式轉變為熱傳導與氣體自混合的耦合，使換熱器內及出口工質徑向溫度分布更均布，緩解回熱器入口溫度分布不均勻性，最終優化回熱器溫度非均勻問題，減少回熱器損失，最終實現整機制冷性能的提升。

技術領域

本發明涉及低溫制冷技術領域，具體地說，涉及一種交叉管式換熱器及帶有該換熱器的脈管制冷機。

背景技術

脈管制冷機作為一種低溫制冷機，由于其冷端無運動部件，結構簡單，機械振動小，低溫下可靠性高，工作壽命長等特點，成為低溫制冷機領域的研究熱點，應用愈發廣泛。

目前，大功率脈管制冷機所面臨著的主要的問題是：壓縮機與冷頭的阻抗匹配、交變流動下換熱能力不足、回熱器溫度分布不均勻等，限制著大功率脈管制冷機的發展。

對于液氮溫區百瓦級冷量的斯特林型脈管制冷機來說，其回熱器的周向溫度分布不均勻，有時可以高達幾十K甚至100K以上，同時這種現象的出現伴隨著系統性能的惡化，溫差越大制冷性能越差。這種現象很大的可能是由于級冷器與回熱器之間的氣體流動不均勻誘發回熱器內部的溫度分布的不均勻性。而目前主要的方法停留在回熱器內填充良好導熱性的材料來降低周向溫度差，效果有限。

目前的一些研究表明回熱器熱端入口的工質溫度分布非均勻性是回熱器非均勻性的可能誘因，因此減小回熱器熱端入口氣體徑向溫差是改善回熱器溫度非均勻性的重要方式。在大功率脈管制冷機中，采用管殼式換熱器替代狹縫式換熱器，增大了換熱能力，降低徑向溫差分布，但未達到理想效果。目前廣泛應用于脈管制冷機的管殼式換熱器仍然存在換熱能力不足的問題，回熱器熱端溫度要遠遠高于常溫；同時由于級冷器內進出水口溫度分布不均勻，引起回熱器熱端入口溫度不均勻，是回熱器中部溫度分布不均勻性的可能誘因。

發明內容

本發明的目的是提供一種交叉管式換熱器及帶有該換熱器的脈管制冷機，能使換熱器內及出口工質徑向溫度分布更均布，緩解回熱器入口溫度分布不均勻性，優化回熱器溫度非均勻問題。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供的交叉管式換熱器包括筒體和分別設置在所述筒體上下兩端的上法蘭和下法蘭，其特征在于，所述筒體內設有若干換熱細管，所述換熱細管之間連通構成第一介質通道，所述換熱細管的管壁與所述筒體內壁之間構成第二介質通道。

上述技術方案中，通過換熱細管增大換熱面積，增強換熱效率，同時提供氣體橫向流動通道，在氣體工質側引入徑向流動，使氣體工質在換熱器內原先熱傳導的單一換熱形式轉變為熱傳導與氣體自混合的耦合，使換熱器內及出口工質徑向溫度分布更均布，緩解回熱器入口溫度分布不均勻性，最終優化回熱器溫度非均勻問題，減少回熱器損失，最終實現整機制冷性能的提升。

可選地，在一個實施例中，所述的筒體的上下兩端分別設有用于安裝所述換熱細管的安裝板，所述安裝板上設有與所述換熱細管的端部密封配合的安裝孔。

可選地，在一個實施例中，所述的安裝板密封安裝在所述的上法蘭和下法蘭上。

可選地，在一個實施例中，所述的換熱細管之間通過橫向管道連通。將換熱細管分為正向通道和橫向通道；正向通道穿過上下法蘭的安裝孔，構成氣體工質的正向流道；橫向通道豎直等距分布，連接相鄰兩根正向換熱細管。正向通道和橫向通道共同構成換熱器的第一介質通道。

相比于傳統級后冷卻器采用的管殼式換熱器，本發明設計的改進型的交叉管式換熱器能夠在氣體工質側增加橫向流動通道，使交變流動的氣體在進出級冷器時引入徑向的流動，讓氣體自行進行一個有效的混合，使回熱器熱端溫度更趨于一致，有利于使回熱器同截面溫度分布更加均勻。