[发明专利]一种用于斯特林制冷机的冷端换热器有效
申请号: | 201410183264.5 | 申请日: | 2014-05-04 |
公开(公告)号: | CN103940137A | 公开(公告)日: | 2014-07-23 |
发明(设计)人: | 王建中;王波;吴维薇 | 申请(专利权)人: | 中国电子科技集团公司第十六研究所 |
主分类号: | F25B9/14 | 分类号: | F25B9/14 |
代理公司: | 合肥天明专利事务所 34115 | 代理人: | 奚华保 |
地址: | 230043 *** | 国省代码: | 安徽;34 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 用于 斯特林 制冷机 换热器 | ||
技术领域
本发明涉及斯特林制冷机技术领域,具体涉及一种用于斯特林制冷机的冷端换热器。
背景技术
冷端换热器是斯特林制冷机重要的换热部件,其换热性能的好坏直接影响斯特林制冷机性能的优劣。由于斯特林制冷机膨胀腔内气体与冷端换热器间换热面积小、换热系数低,使得气体与冷端换热器间传热热阻较大,造成斯特林制冷机的制冷能力受到很大限制。因此,增加冷端换热器的换热系数和换热面积,可有效地增大斯特林制冷机的制冷量,从而提高制冷机的COP。
目前,斯特林制冷机冷端换热器换热能力的强化主要是使用小目数和丝径的网片,或采用翅片以及在气缸壁上开设狭缝等方式,增加冷端换热器的换热面积或换热系数来实现的。但对于不同的强化换热形式,其使用条件又各不相同。网片强化换热主要是通过增加换热面积来实现,并可促使气体在低雷诺数下发展为紊流,进而提高换热器的换热系数。虽然方案简单易行,但网片与冷头壁面间为点接触,接触面积小、接触热阻大,且在斯特林制冷机运行频率较高时流动阻力损失急剧增加,使强化换热效果受到限制。采用翅片强化换热对于使用环形回热器的斯特林制冷机比较适用,由于气流往复地通过翅片间流道,能够大大增加冷端换热器的面积,但翅片强化换热不适用于回热器位于排出器内的小冷量斯特林制冷机。在气缸壁面上开设狭缝虽能增加换热面积,但由于气缸壁较薄且多使用低导热率不锈钢或钛合金,换热效果提升并不明显。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种用于斯特林制冷机的冷端换热器,该冷端换热器具有换热面积大、换热系数高、无接触热阻、气流阻力小等特点,能够大幅度提高斯特林制冷机的制冷量。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种用于斯特林制冷机的冷端换热器,包括冷头、回热器出气端盖、设在回热器出气端盖上的回热器出气孔和膨胀腔,所述的冷头包括冷头内顶面和冷头内壁面。本发明所述斯特林制冷机的冷头采用高热导率材料铜。所述的冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面均采用穹顶结构,且所述的冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面外形相吻合。所述的冷头内顶面与冷头内壁面上分别开设有多个均匀分布的顶面狭缝和壁面狭缝,所述的顶面狭缝和壁面狭缝一一对应且相连通。所述的冷头内顶面的顶部设有储气槽。所述的回热器出气端盖上设有多个均匀分布的回热器出气孔,所述的回热器出气孔为倾斜开设。
具体地说,首先,将冷头内顶面和回热器出气端盖外顶面设置为同心的穹顶结构,且其外形相吻合,增大了冷端换热器的换热面积。且在斯特林制冷机排出器运行到上死点时,减小冷头内顶面与回热器出气端盖外顶面间膨胀腔的死容积。其次,所述的顶面狭缝和壁面狭缝通过电火花加工的方式直接在冷头内顶面和冷头内壁面上切割出来,降低了冷端换热器的传热热阻,增大了冷端换热器的换热面积,从而大幅度提升制冷机的制冷量和COP。再次,通过在回热器出气端盖上倾斜开设多个均匀分布的回热器出气孔,增大了冷端换热器换热系数,还降低了从回热器出气孔高速流出气体垂直撞击冷头内顶面和冷头内壁面时气体动能损失所造成的气体内能增加和温度升高。
进一步的,所述的冷头内壁面上设有凸台,所述的壁面狭缝开设在凸台侧面上。所述的凸台的宽度等于斯特林制冷机膨胀气缸的厚度。所述的凸台的高度比斯特林制冷机排出器的振幅大1~2mm,这可增加由回热器出气孔流出气体与冷端换热器的换热时间和换热面积,从而提高制冷机的制冷量。
进一步的,所述的壁面狭缝和顶面狭缝的数量均为30~60个。所述的壁面狭缝和顶面狭缝的宽度均为0.1~0.3mm。所述的壁面狭缝的深度为0.1~0.3mm,且其深度不大于凸台的厚度。所述的顶面狭缝的深度从冷头内顶面穹顶中心沿径向逐渐增加,其在储气槽的边缘处最小,深度等于储气槽的深度。这是因为:狭缝数量过多或深度较大会造成气体进入狭缝换热时流动阻力损失增加,抑制强化换热效果,狭缝数量过少或深度较小又会造成强化换热的效果不明显;且在冷头结构一定时,较大的狭缝宽度会减小狭缝的数量,造成换热面积变化不大,能量增加有限。反之,又会造成气体进入狭缝流动阻力损失增加。
进一步的,所述的储气槽是由顶面狭缝围成的空心圆柱形结构,所述的储气槽的深度为0.5~1.5mm,所述的储气槽的直径为2~6mm。
更进一步的,所述的回热器出气孔中心线与排出器中心线间的夹角为30°~ 50°,所述的回热器出气孔的数量为30~60个,所述的出气孔的直径为1~2mm。这既能够保证气体与冷头内顶面和冷头内壁面间换热系数的增加,又降低了由回热器出气孔高速流出气体垂直撞击冷头内顶面和冷头内壁面时气体动能损失所造成的气体温度升高。
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