[發(fā)明專利]一種氣耦合脈沖管制冷機(jī)通道式冷端換熱器及實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110263190.6
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113154714B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黨海政;譚涵
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14;F25B39/00;F25D3/00;F28F21/08;F28F9/24
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開了一種氣耦合脈沖管制冷機(jī)通道式冷端換熱器實(shí)現(xiàn)方法，包括換熱器外殼一、換熱器外殼二、錐形狹縫體一、錐形狹縫體二、貫通孔一、貫通孔二、層流元件一、層流元件二、層流元件三、槽道一、槽道二、堵頭。在左右兩個(gè)換熱器外殼分別切割錐形狹縫以及在換熱器內(nèi)部設(shè)置槽道，實(shí)現(xiàn)第一級蓄冷器、第二級蓄冷器與第一級脈沖管之間的連接。本發(fā)明在保持傳統(tǒng)換熱器高效換熱優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)脈沖管制冷機(jī)前后級冷指高效匹配，抑制氣體工質(zhì)在換熱通道內(nèi)的回流、混流以及紊流擾動(dòng)，保證氣體流動(dòng)的均勻性。該發(fā)明將顯著提高制冷機(jī)換熱效率及整體性能，在實(shí)現(xiàn)多級脈沖管制冷機(jī)緊湊化和實(shí)用化方面具有非常積極的意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于制冷與低溫工程領(lǐng)域，涉及脈沖管制冷機(jī)，特別涉及一種氣耦合脈沖管制冷機(jī)通道式冷端換熱器及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

脈沖管制冷機(jī)是對回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的一次重大革新，它取消了常規(guī)回?zé)崾街评錂C(jī)在低溫區(qū)的運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高、機(jī)械振動(dòng)小、工作壽命長、制冷效率高、電磁噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為新一代長壽命回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，在航空航天、低溫電子學(xué)、超導(dǎo)工業(yè)和低溫醫(yī)療業(yè)等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)蓄冷器和脈沖管的相互關(guān)系，可將脈沖管制冷機(jī)分為如下三種典型布置方式，即直線型、U型、同軸型。如圖1所示，其中(a)為直線型，(b)為U型，(c)為同軸型。直線型布置是指脈沖管和蓄冷器布置于一條直線上，U型布置是指脈沖管和蓄冷器平行布置，同軸型布置是指脈沖管和蓄冷器同心布置。一般而言，直線型布置由于氣流在冷端不需要折返，流動(dòng)損失和死體積都最小，因而在三種布置中制冷效率最高，但其結(jié)構(gòu)在三種布置中最為松散，結(jié)構(gòu)長寬比大。同軸型布置在三種布置中結(jié)構(gòu)最為緊湊，而且冷端處于一端，在應(yīng)用實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)是氣流在冷端需要產(chǎn)生180°的折返，流動(dòng)損失和死體積都較大，一般情況下在三種布置方式中效率最低，且對設(shè)計(jì)要求較高。U型布置的結(jié)構(gòu)緊湊程度處于直線型和同軸型之間，它的冷端處于一端，但是因?yàn)樾罾淦骱兔}沖管平行布置，所以冷端換熱器一般都較大，且在該種布置形式中氣流在冷端同樣需要180°的折返，其制冷效率一般處于直線型和U型之間。

根據(jù)多級脈沖管冷指的級間耦合形式，又可將多級脈沖管制冷機(jī)分為熱耦合型(如圖2)與氣耦合型(如圖3)兩大類。熱耦合型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，各級之間通過熱橋進(jìn)行連接，具有級間影響較小、內(nèi)部流量易于控制等優(yōu)勢，但一般需要多臺壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要的壓縮機(jī)數(shù)量也隨著級數(shù)而增加，并且通過熱橋連接的換熱存在較大的不可逆損失，因此系統(tǒng)整體體積較大，效率相對較低。而氣耦合型布置方式避免了熱橋等熱連接，因而結(jié)構(gòu)緊湊、制冷效率也相對較高，在實(shí)際應(yīng)用中有著很大優(yōu)勢，但是由于各級低溫端存在氣體分流，各級氣體流量及壓力難以調(diào)控，因而級間影響較為明顯，因而設(shè)計(jì)難度較高。

其中，冷端換熱器是氣耦合脈沖管制冷機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件，它既是一、二級冷指氣體工質(zhì)的通道，也是一級冷端與二級蓄冷器熱端換熱的場所，在理想情況下，它需要實(shí)現(xiàn)以下四方面的功能：

1)高效換熱。換熱器性能直接影響前級冷端與后級蓄冷器熱端的換熱效率，從而影響多級脈沖管制冷機(jī)的制冷能力，因此實(shí)現(xiàn)熱量的高效交換尤為重要，這就需要能在有限的體積下實(shí)現(xiàn)較大換熱面積的幾何結(jié)構(gòu)。

2)流量分配。多級氣耦合脈沖管制冷機(jī)前后級工作于不同溫區(qū)，并且前后各級阻力各不相同，換熱器在提供高效換熱的同時(shí)，還應(yīng)具備前后級流量分配的功能。這就需要根據(jù)換熱器不同出口后的阻力來設(shè)計(jì)內(nèi)部氣體流動(dòng)通道，從而實(shí)現(xiàn)前后級冷指之間的高效匹配。

3)控制流動(dòng)。最大限度地抑制氣體在換熱通道內(nèi)的紊流擾動(dòng)，保證出口流速的均勻性，使得流入脈沖管內(nèi)的氣體工質(zhì)形成均勻分布的層流狀態(tài)，以維持脈沖管內(nèi)部氣體活塞。避免前級蓄冷器流出的氣體在分別流入前級脈沖管和后級蓄冷器時(shí)產(chǎn)生回流及混流，導(dǎo)致氣體工質(zhì)混合不均勻。同時(shí)保證氣體工質(zhì)反向流入蓄冷器時(shí)，避免由于流速不均造成的蓄冷器換熱不均，以提蓄冷器的工作效率。