[发明专利]一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机

说明书

本发明涉及一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机，属于低温制冷技术领域。包括筒体和分别设置在所述筒体上下两端的上法兰和下法兰，其特征在于，所述筒体内设有若干换热细管，所述换热细管之间连通构成第一介质通道，所述换热细管的管壁与所述筒体内壁之间构成第二介质通道。通过换热细管增大换热面积，增强换热效率，同时提供气体横向流动通道，在气体工质侧引入径向流动，使气体工质在换热器内原先热传导的单一换热形式转变为热传导与气体自混合的耦合，使换热器内及出口工质径向温度分布更均布，缓解回热器入口温度分布不均匀性，最终优化回热器温度非均匀问题，减少回热器损失，最终实现整机制冷性能的提升。

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，具体地说，涉及一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机。

背景技术

脉管制冷机作为一种低温制冷机，由于其冷端无运动部件，结构简单，机械振动小，低温下可靠性高，工作寿命长等特点，成为低温制冷机领域的研究热点，应用愈发广泛。

目前，大功率脉管制冷机所面临着的主要的问题是：压缩机与冷头的阻抗匹配、交变流动下换热能力不足、回热器温度分布不均匀等，限制着大功率脉管制冷机的发展。

对于液氮温区百瓦级冷量的斯特林型脉管制冷机来说，其回热器的周向温度分布不均匀，有时可以高达几十K甚至100K以上，同时这种现象的出现伴随着系统性能的恶化，温差越大制冷性能越差。这种现象很大的可能是由于级冷器与回热器之间的气体流动不均匀诱发回热器内部的温度分布的不均匀性。而目前主要的方法停留在回热器内填充良好导热性的材料来降低周向温度差，效果有限。

目前的一些研究表明回热器热端入口的工质温度分布非均匀性是回热器非均匀性的可能诱因，因此减小回热器热端入口气体径向温差是改善回热器温度非均匀性的重要方式。在大功率脉管制冷机中，采用管壳式换热器替代狭缝式换热器，增大了换热能力，降低径向温差分布，但未达到理想效果。目前广泛应用于脉管制冷机的管壳式换热器仍然存在换热能力不足的问题，回热器热端温度要远远高于常温；同时由于级冷器内进出水口温度分布不均匀，引起回热器热端入口温度不均匀，是回热器中部温度分布不均匀性的可能诱因。

发明内容

本发明的目的是提供一种交叉管式换热器及带有该换热器的脉管制冷机，能使换热器内及出口工质径向温度分布更均布，缓解回热器入口温度分布不均匀性，优化回热器温度非均匀问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的交叉管式换热器包括筒体和分别设置在所述筒体上下两端的上法兰和下法兰，其特征在于，所述筒体内设有若干换热细管，所述换热细管之间连通构成第一介质通道，所述换热细管的管壁与所述筒体内壁之间构成第二介质通道。

上述技术方案中，通过换热细管增大换热面积，增强换热效率，同时提供气体横向流动通道，在气体工质侧引入径向流动，使气体工质在换热器内原先热传导的单一换热形式转变为热传导与气体自混合的耦合，使换热器内及出口工质径向温度分布更均布，缓解回热器入口温度分布不均匀性，最终优化回热器温度非均匀问题，减少回热器损失，最终实现整机制冷性能的提升。

可选地，在一个实施例中，所述的筒体的上下两端分别设有用于安装所述换热细管的安装板，所述安装板上设有与所述换热细管的端部密封配合的安装孔。

可选地，在一个实施例中，所述的安装板密封安装在所述的上法兰和下法兰上。

可选地，在一个实施例中，所述的换热细管之间通过横向管道连通。将换热细管分为正向通道和横向通道；正向通道穿过上下法兰的安装孔，构成气体工质的正向流道；横向通道竖直等距分布，连接相邻两根正向换热细管。正向通道和横向通道共同构成换热器的第一介质通道。

相比于传统级后冷却器采用的管壳式换热器，本发明设计的改进型的交叉管式换热器能够在气体工质侧增加横向流动通道，使交变流动的气体在进出级冷器时引入径向的流动，让气体自行进行一个有效的混合，使回热器热端温度更趋于一致，有利于使回热器同截面温度分布更加均匀。