[发明专利]一种脉管制冷机冷端换热器

说明书

技术领域

本发明属于气体换热低温技术领域，特别涉及一种用于同轴脉管制冷机的冷端换热设备，可使用于空间航天及军事领域的长寿命同轴脉管制冷机中。

背景技术

脉管制冷机是上世纪六七十年代发展起来的一种低温制冷机，其具有冷端无振动和结构简单等诸多优点，应用在民用、军事等多种领域。在基本型脉管制冷机之上提出的同轴脉管制冷机，由于是将回热器和脉管内外同轴布置，其结构简单和尺寸小，适应了实用化的发展，因此在脉管制冷机的实用化过程中颇受青睐。

脉管制冷机工作时，其内气体为冷热交变高速流动状态。为获得制冷性能(即制冷量和制冷温度)，从回热器流出的冷气体在进入冷端换热器后，须与换热器壁面以及填料发生对流换热，并实现层流化运动，然后进入脉管腔内膨胀。在此过程中，能否实现气体与换热器壁面及填料充分换热，能否降低气流在同轴脉管冷端的急剧转弯的影响，以及能否保证气体均匀层流地进入脉管，都将影响着脉管制冷机的能否达到理论设计的最低制冷温度和最大制冷量。常规脉管制冷机往往由于冷端换热器的换热面积不足，工质气体难以均匀层流进入脉管，致使制冷机整机性能无法提高。因此对脉管制冷机冷端换热器结构的优化设计是提高脉管制冷机整机性能的关键途径之一，也是实现脉管制冷机微型化、集成化的重要手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同轴脉管制冷机冷端换热器的新型设计方案，以改进气流在冷端换热器内的换热流动状态，增大对流换热面积，提高冷端换热器效率，为同轴脉管制冷机实用化和微型化解决一些技术难题。

本发明的技术方案

本发明由回热器、冷头、冷帽、冷帽导流器、丝网填料、换热器、脉管组成。换热器内放置丝网填料，其末端与冷帽的上端紧密配合。冷帽的腔体内放置冷帽导流器，冷帽的上端共同将丝网填料顶紧。冷帽侧面加工有导流孔，便于气流从各个方向进入冷帽空腔。采用伞状结构的冷帽导流器将丝网填料撑起，在冷帽空腔内形成气流稳定腔。冷帽与换热器连接形成的组合体放入冷头的中心空腔内，冷帽的底面与冷头空腔底面紧密贴合，冷头内腔面与冷帽、换热器的外壁面形成环形间隙。

工作过程为：从回热器冷端来的冷气流，穿过由冷头内腔壁与冷帽、换热器外壁面形成的环形间隙，经冷帽的导流孔进入冷帽内，在此过程中，冷气流与环形间隙、导流孔的壁面进行首次换热，将冷量传递给冷头。由各个方向进入冷帽的气流由于冷帽导流器的作用，在冷帽腔内形成湍流，与冷帽再次发生热交换，冷量再次传递给冷头部位。冷气流在冷帽腔内形成均匀气团后，由于压力的作用平稳进入换热器，与丝网填料充分换热，并在这里实现层流化运动。此时气团的冷量被填料所蓄积，并逐步传递给冷头。

发明的优点和产生的有益效果

本发明将常规脉管中的冷端换热器所采用的换热措施综合，设计了环形间隙换热和丝网填料换热两种方式结合的办法，充分加大了气流的换热面积，提高了整体的换热系数。而且，在气流通路中采用冷帽导流器，设置了气流稳定腔，进一步提高了气流换热面积，并且降低了气流急剧转弯带来的流动紊乱的缺点，使气流更加均匀和稳定。本发明结构简单，组装方便，可用于多种同轴脉管制冷机，经试验证明，相比其他结构冷端换热器，能够较大程度提高冷端换热器换热效率，制冷最低温度相对降低5～10K。

附图说明

图1为本发明的组成示意图，为轴向截面图，其中：1—回热器、2—冷头、3—冷帽、4—冷帽导流器、5—丝网填料、6—换热器、7—脉管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构和工作原理作进一步详细说明。

实施例

如图1所示，本发明由冷头(2)、冷帽(3)、冷帽导流器(4)、丝网填料(5)、换热器(6)组成。冷帽导流器放入冷帽腔内，其锥状端支撑在冷帽腔底。冷帽与冷帽导流器组合后，将换热器内填充的丝网填料顶紧，并与换热器紧密配合连接。冷帽置于冷头腔内，保证冷帽底面与冷头内腔底面紧密贴合。冷头与回热器(1)焊接密封为一体，换热器与脉管(7)采用紧密配合方式连接。

从回热器1冷端来的冷气流，穿过由冷头2内腔壁与冷帽3、换热器6外壁面形成的环形间隙，经冷帽3的导流孔进入冷帽3内，在此过程中，冷气流与环形间隙、导流孔的壁面进行首次换热，将冷量传递给冷头2。由各个方向进入冷帽3的气流由于冷帽导流器的作用，在冷帽腔内形成湍流，与冷帽3再次发生热交换，冷量再次传递给冷头2部位。冷气流在冷帽3腔内形成均匀气团后，由于压力的作用平稳进入换热器6，与丝网填料5充分换热，并在这里实现层流化运动。此时气团的冷量被填料所蓄积，并逐步传递给冷头2。