预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器及制造方法，换热器包括进气导流器、外壳、环形狭缝体、锥形导流芯柱、出气导流器组成。本发明专利技术以直通式环形狭缝的方式实现了有限体积内的换热面积最大化，且通过在气体流道截面突变处设计导流结构使气流的流阻损失最小化，可有效促进预冷型低温节流制冷机的高效率换热、流动阻力的减少以及内部气流的单向均布，对于低温节流制冷机在航空航天等特殊领域的应用具有非常积极的意义。等特殊领域的应用具有非常积极的意义。等特殊领域的应用具有非常积极的意义。

【技术实现步骤摘要】
预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器及制造方法


[0001]本专利技术属于制冷及低温工程领域，涉及低温节流制冷机，特别涉及一种预冷型低温节流制冷机的直通式狭缝预冷换热器及制造方法。

技术介绍

[0002]低温节流制冷机是一种利用气体工质节流后产生的节流效应获取低温的间壁式制冷机。预冷型低温节流制冷机采取多级预冷和多级间壁式回热的结构，通过和前级具有多个不同预冷温度的制冷机(如多级脉冲管制冷机)进行热耦合，能够获取液氦以下乃至亚开尔文温区的温度；由于利用了气体工质在低温下的非理想气体特性，其制冷效率也高于同温区所有类型的回热式制冷机；预冷型低温节流制冷机的冷头没有运动部件，从而使得冷头无振动、高可靠且易于微型化。这些显著优点使得预冷型低温节流制冷机成为近年来极低温区机械制冷机研究的一大热门，在量子通信、深空探测、低温电子、超导物理等方面都获得了广泛的应用。
[0003]本专利技术着眼于预冷型低温节流制冷机中的预冷换热器，它是实现低温节流制冷机和前级预冷制冷机高效热耦合的核心部件，通过其获取的预冷温度和预冷量是低温节流制冷机正常运行的必备条件。在理想情况下，预冷换热器要实现三方面的主要功能：
[0004]1)高效率换热。特别是在前级预冷制冷机提供的预冷量有限的情况下，实现高效率热交换显得尤其重要。这就需要能在有限体积中实现较大换热面积的几何结构。
[0005]2)减小高压进出气管和预冷换热器通道变截面处的流动损失。预冷型低温节流制冷机的高压回路是需要被预冷的管道，预冷换热器前后连接着高压回路的进出气管，而它们和预冷换热器结构具有很大差异，二者内部的气流通道往往具有不同的截面直径。这就需要实现变截面的有效过渡以使流动损失最小化。
[0006]3)实现预冷换热器内部气流单向均布。预冷换热器内部的气体在单向流动时要保证和换热器本体进行充分而均匀的热交换，从而在换热器长度有限的情况下最大限度的利用预冷制冷机的冷量。这就需要特殊的气流单向均布方式。
[0007]目前常规的预冷型低温节流制冷机的预冷换热器远远没有达到以上三方面的要求。目前普遍采用的常规预冷换热器主要分为两种：
[0008]第一种是盘管式预冷换热器，采用一根管径较高压侧管道细的毛细长管，螺旋绕在预冷制冷机的冷头上，并使用焊接的方式将盘管与预冷制冷机冷头热耦合在一起；
[0009]第二种是槽道式预冷换热器，在一个扁平的方块实体中使用机械打孔的方式制造出连续的槽道，作为气体流经换热器的通道，然后以焊接的方式将此换热器与预冷制冷机冷头热耦合在一起。
[0010]上述两种预冷换热器的流道截面均为等截面圆，与进出气管道截面相似，但各自仍然存在明显缺陷：
[0011]第一种形式，由盘管形成的内部气流换热面积依赖于盘管的长度，在有限体积中盘管长度受到约束，导致换热面积有限，不利于实现高效率换热，同时较细的管道和螺旋式
绕制方式还会带来较高的流动阻力，造成流动损失过大。
[0012]第二种形式，由槽道形成的内部气流换热面积取决于槽道的整体长度和横截面积，而一般预冷制冷机冷头较小，这使得预冷换热器不能有太大体积，因而限制了槽道的总长度和横截面积，大大影响了换热效率；同时槽道的多个拐角使气流发生变向，无法保证气流单向流动，增大了流动损失。

技术实现思路

[0013]鉴于上述已有技术中存在的缺陷，本专利技术提出一种预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器及制造方法。
[0014]本专利技术的目的在于，在预冷型低温节流制冷机的预冷处设计一个直通式狭缝预冷换热器，首先，实现在有限体积内最大限度地增加换热面积，实现高效率换热；其次，高压气流由进气管自然过渡到换热器内部通道，再自然过渡到出气管，有效降低截面突变带来的流动损失，减小了压降损失；再次，换热器内部通道为直通式，保证气流单向流动，使压降损失最小化；第四，环形狭缝体和锥形导流芯柱对进入换热器的气体强制导流，实现了预冷换热器内部气流单向均布，进一步强化换热，提升了整体换热效率。
[0015]图1为所专利技术的预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器整体结构示意图；
[0016]图2为所专利技术的直通式狭缝预冷换热器与进气管1及出气管13耦合连接的剖视图；
[0017]图3为锥形导流芯柱插入预冷换热器内环形狭缝体的剖视图；
[0018]图4为进气导流器3的剖视图；
[0019]图5为出气导流器10的剖视图；
[0020]所专利技术的预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器由进气导流器3、外壳6、环形狭缝体7、锥形导流芯柱8以及出气导流器10组成。外壳6作为预冷换热器的主冷却换热面，保护内部的环形狭缝体7和锥形导流芯柱8，且实现与进气导流器3及出气导流器10的连接；在外壳6内部均匀切割出环形狭缝体7，环形狭缝围绕环形狭缝体7的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制在0.1～0.3mm之间，条数控制在10～30条之间；在环形狭缝体7的中心处过盈配合一个锥形导流芯柱8，其锥度小于1:10，长度与环形狭缝体7的轴向长度相同，锥形导流芯柱8的大直径端面与环形狭缝体7的下端面齐平，锥形导流芯柱8的小直径端面与环形狭缝体7的上端面齐平，以使进入环形狭缝体7的气体均匀分布在各条狭缝中；外壳6下侧连接进气导流器3，用以引导气体从进气管1到环形狭缝体7的进入，进气导流器3由进气导流器粗部18和进气导流器细部19组成，进气导流器细部19约占总长度的7/8，进气导流器粗部18和进气导流器细部19的直径比为3:1，进气管限位孔20用于对进气管1限位；进气导流直线通道4与环形狭缝体7之间用进气流线形曲面16过渡，进气流线形曲面16两端分别与环形狭缝体7、进气导流直线通道4垂直方向相切，以减小进气流通阻力；外壳6上侧连接出气导流器10，用以引导气体从环形狭缝体7到出气管13的排出，出气导流器10由出气导流器细部22和出气导流器粗部23组成，出气导流器细部22约占总长度的7/8，出气导流器粗部23和出气导流器粗部23的直径比为3:1，出气管限位孔21用于对出气管13限位；出气导流直线通道11与环形狭缝体7之间用出气流线形曲面15过渡，出气流线形曲面15两端分别与环形狭缝体7、出气导流直线通道11垂直方向相切，以减小排气流通阻力；用焊接的方式将外壳6、进气导流器3以及出气导流器10结合成整体。从而形成用于预冷型低温节流制冷机的直通式
狭缝预冷换热器。
[0021]所专利技术的预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器的制造方法如下：外壳6内部使用慢走丝线切割技术切割出环形狭缝体7，其外圆直径与进气过渡区域17和出气过渡区域14的最大直径相同，环形狭缝围绕环形狭缝体7的中心线沿360度均匀切割，狭缝宽度为0.1～0.3mm，切割完成的狭缝用塞规插入狭槽清理、修磨内部的毛刺，避免因翅片变形造成阻塞；环形狭缝体7的中心处设置一个锥形导流芯柱8，其锥度小于1:10，长度与环形狭缝体7的轴向长度相同，通过过盈配合，使锥形导流芯柱8的大直径端面与环形狭缝体7的下端面齐平，锥形导流芯柱8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预冷型低温节流制冷机的直通式狭缝预冷换热器，包括进气导流器(3)、外壳(6)、环形狭缝体(7)、锥形导流芯柱(8)以及出气导流器(10)组成，其特征在于：外壳(6)作为预冷换热器的主冷却换热面，保护内部的环形狭缝体(7)和锥形导流芯柱(8)，且实现与进气导流器(3)及出气导流器(10)的连接；在外壳(6)内部均匀切割出环形狭缝体(7)，环形狭缝围绕环形狭缝体(7)的中心线均匀切割，狭缝的宽度控制在0.1～0.3mm之间，条数控制在10～30条之间；在环形狭缝体(7)的中心处过盈配合一个锥形导流芯柱(8)，长度与环形狭缝体(7)的轴向长度相同，锥形导流芯柱(8)的大直径端面与环形狭缝体(7)的下端面齐平，锥形导流芯柱(8)的小直径端面与环形狭缝体(7)的上端面齐平，以使进入环形狭缝体(7)的气体均匀分布在各条狭缝中；外壳(6)下侧连接进气导流器(3)，用以引导气体从进气管(1)到环形狭缝体(7)的进入，进气导流器(3)由进气导流器粗部(18)和进气导流器细部(19)组成，进气导流器细部(19)约占总长度的7/8，进气导流器粗部(18)和进气导流器细部(19)的直径比为3:1，进气管限位孔(20)用于对进气管(1)限位；进气导流直线通道(4)与环形狭缝体(7)之间用进气流线形曲面(16)过渡，进气流线形曲面(16)两端分别与环形狭缝体(7)、进气导流直线通道(4)垂直方向相切，以减小进气流通阻力；外壳(6)上侧连接出气导流器(10)，用以引导气体从环形狭缝体(7)到出气管(13)的排出，出气导流器(10)由出气导流器细部(22)和出气导流器粗部(23)组成，出气导流器细部(22)约占总长度的7/8，出气导流器粗部(23)和出气导流器粗部(23)的直径比为3:1，出气管限位孔(21)用于对出气管(13)限位；出气导流直线通道(11)与环形狭缝体(7)之间用出气流线形曲面(15)过渡，出气流线形曲面(15)两端分别与环形狭缝体(7)、出气导流直线通道(11)垂直方向相切，以减小排气流通阻力；用焊接的方式将外壳(6)、进气导流器(3)以及出气导流器(10)结合成整体，从而形成预冷型低温节流制冷机直通式狭缝预冷换热器。2.一种基于权利要求1所述预冷型低温节流制冷机的直通式狭缝预...

【专利技术属性】
技术研发人员：党海政，张涛，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：