一种紧凑型负压低温换热器制造技术

本发明专利技术公开了一种紧凑型负压低温换热器，其特征在于，包括外筒体，外筒体的两端设有缩径封头和环形封头，外筒体内设有内支撑筒体，外筒体与内支撑筒体之间的夹层中设有内层翅片管、外层翅片管；内支撑筒体通过缩径封头固定，内层翅片管的内表面设置轴向翅片，外层翅片管的外表面设置轴向翅片；内层翅片管的外壁设置螺旋大凹槽，内层翅片管外壁与外层翅片管内壁紧密配合，且内层翅片管两端与环形封头连接，用于封闭螺旋大凹槽的端部开口，形成热流体的螺旋流道；外筒体与外层翅片管配合形成一外层冷流体流道；内层翅片管与内支撑筒体配合形成一内层冷流体流道,外筒体两端的缩径封头作为冷流体的出入口。本发明专利技术具有换热效率高、流阻小等优点。流阻小等优点。流阻小等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型负压低温换热器


[0001]本专利技术属于超低温制冷领域，涉及应用于超流氦低温系统中一种处于真空容器内的2K负压换热器。

技术介绍

[0002]随着高能物理及核物理等科学的深入研究，超流氦冷却技术越来越多地应用于高梯度超导射频腔和高磁场强度超导磁体的冷却中。产生饱和态超流氦的经典方法是降低液氦容器内的压力，也就是减压降温，使得液氦容器内的压力低于λ点的压力(即50kPa)，获得2K超流氦需要维持容器内的压力为3000Pa，2K负压低温换热器是超流氦低温恒温器的关键部件，一般与J
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T(Joule
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Thomson)低温阀门配合使用，所以也称J
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T负压低温换热器。在超流氦大型低温系统中，4.4K的饱和液氦通过远距离的分配与传输后，流经负压低温换热器进行预冷，与超流氦容器闪蒸出来的2K饱和超流氦蒸汽逆流换热，过冷后的液氦再通过J
‑
T节流阀时，由于节流效应产生2K超流氦，大大提高了4.4K液氦转变为2K超流氦的液化效率，同时，受到下游减压降温泵入口压力的限制，壳侧压力降也不能过高，5g/s的流量的换热器一般控制在百帕量级以内。此外，由于超流氦低温系统对于漏热有严格的要求，所以换热器的体积不能太大，结构尽量紧凑。所以，负压低温换热器的性能对于整个超流氦低温系统的运行效率、经济性有直接的影响。
[0003]现有低温换热器主要应用于大流量、大温差和正压的场合，针对超流氦低温系统中所用到的小温差的负压换热器，主要采用的型式为板翅式换热器，而对于百瓦量级及以下超流氦低温系统所用到的小流量、小温差的负压低温换热器，现有技术主要存在以下问题：1)低温换热器体积较大，壳侧压差较大；2)绕管翅片式的低温换热器，加工困难，精度难以保证，使得实际换热效率与理论值相差较大；3)公开的方案过于笼统，没有具体的细化实施方案。
[0004]因此需要提出一种新的结构方案来解决上述问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种超流氦低温系统中置于真空容器内，在小流量和小温差的场合下，具有高效率和小流阻的紧凑型负压低温换热器。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种紧凑型负压低温换热器，其特征在于，外筒体置于真空容器中，所述外筒体内设有外层翅片管、内层翅片管、内支撑筒体、环形封头、缩径封头及若干扰动圆环，内支撑筒体的筒壁上设有小通气孔，用于抽真空氦气置换；外层翅片管与内层翅片管配合连接，并套入外筒体与内支撑筒体的夹层中，通过两端缩径封头上的固定杆来限位；其中内层翅片管设置平行的螺旋小凹槽和螺旋大凹槽，所述内层翅片管与外层翅片管通过钎焊连接，将内层翅片管外表面的螺旋大凹槽封闭，并与两端环形封头形成热流体的螺旋流道；所述外筒体与外层翅片管紧密配合使得冷流体从翅片缝隙间流过，内层翅片管与内支撑筒体紧密配
合使得冷流体从翅片缝隙间流过，两个夹层通道并联，并与两端缩径封头形成冷流体的流道；热流体与冷流体的流动方向几乎垂直，实现错流换热；所述外层翅片管外表面和内层翅片管内表面设置若干环形扰动圆环优化冷流体流动轨迹。
[0008]进一步的，所述外筒体、外层翅片管、内层翅片管、内支撑筒体组成多层嵌套式结构，所述外筒体两端设置缩径封头，外层翅片管、内层翅片管与内支撑筒体通过缩径封头上的固定杆来限位，所述内支撑筒体环面设置有圆孔，用来进行抽真空氦气置换。
[0009]进一步的，所述外层翅片管外表面设置高密度的轴向翅片，外层翅片管外表面设置若干环形凹槽，用于嵌入扰动圆环。
[0010]进一步的，所述内层翅片管内表面设置高密度的轴向翅片以及若干环形凹槽，内层翅片管外表面设置平行的螺旋小凹槽和螺旋大凹槽，螺旋小凹槽放置钎焊丝，螺旋大凹槽为热流体通道。
[0011]进一步的，所述内层翅片管与外层翅片管通过钎焊连接，将内层翅片管外表面的螺旋凹槽封闭，并与两端环形封头形成热流体的螺旋流道，热流体在环形封头处汇合，上部为进液口，下部为出液口。
[0012]进一步的，所述外筒体与外层翅片管紧密配合，内侧翅片管与内支撑筒体紧密配合，两个夹层通道并联，形成冷流体的流道，冷流体在外筒体缩径封头处汇合，底部为进气口，顶部为出气口。
[0013]进一步的，热流体的流动方向为螺旋向下，冷流体的流动方向为竖直向上，二者的流动方向几乎垂直，实现错流换热。
[0014]进一步的，所述外层翅片管外表面和内层翅片管内表面设置的翅片方向与冷流体流动方向一致(轴向)，外层翅片管外表面和内层翅片管端部和中间设置的若干垂直于翅片方向的扰动圆环。
[0015]通过上述技术方案，负压低温换热器在正常工作时，4.4K、1.2
×
105Pa的高压液氦(He I)在螺旋管大凹槽内流动，2.0K、3.1
×
103Pa的负压氦气(He II)从管外的壳侧夹层内逆向流动；冷流体的温度约为2.0K
‑
3.2K，热流体的温度约为2.2K
‑
4.4K，所以冷、热流体的最大换热温差为2.4K。
[0016]通过上述技术方案，负压低温换热器的壳侧冷流体的压力很小(约为3.1
×
103Pa)，为了满足壳侧小流阻的要求，同时避免壳侧流体处于层流区而导致对流换热不佳的效果，所以在螺旋通道上增加翅片来加大换热面积来补偿这种不利的传热工况，在壳侧冷流体压力降允许的范围内，设置若干环向扰动圆环来将流体的流动状态控制在紊流区。
[0017]本专利技术进一步设置为：冷流体流经的通道，在外层翅片管与内侧翅片管均设置密度较大的翅片，有效增大了换热面积，同时在外层翅片管与内侧翅片管设置环向扰动圆环来优化冷流体的流动轨迹，使其处于紊流区，通过这些措施来满足高换热效率的要求。
[0018]本专利技术专利进一步设置为：外层翅片管与内侧翅片管的翅片方向与冷流体的流动方向一致，可以有效的降低壳侧流体的沿程阻力；而在外层翅片管与内侧翅片管设置环向扰动圆环来优化冷流体的流动轨迹，使其处于紊流区，这样有效的实现了换热效率与流阻这两个指标的平衡。
[0019]本专利技术专利进一步设置为：负压低温换热器的主要部件外筒体、外筒翅片管、内层翅片管及内支撑筒体的翅片、凹槽及连接配合面等都是经过车床精加工成型，加工和组装
精度可以保证，方便制造，保证结构参数误差，环向扰动圆环由多匝细丝弯制而成，多匝细丝间有间隙，减小冷流体的流阻。
[0020]本专利技术专利进一步设置为：所述低温换热器可以根据流量对结构参数进行优化设计来满足设定的换热效率和流阻指标。
[0021]本专利技术的轴向翅片结构为多层嵌套式结构，其中外层翅片管4包括外层基管和外层翅片；外层翅片设置于外层基管的外表面，作为外层翅片管4外表面上的轴向翅片；内层翅片管5包括内层基管和内层翅片，内层翅片管设置于所述内层基管的内表面，作为内层翅片管5内表面上的轴向翅片。针对负压低温换热器的换热特性，本专利技术建立了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型负压低温换热器，其特征在于，包括外筒体(3)，所述外筒体(3)的两端设有缩径封头和环形封头，所述外筒体(3)内设有封闭的内支撑筒体(6)，所述外筒体(3)与所述内支撑筒体(6)之间的夹层中由内到外依次为内层翅片管(5)、外层翅片管(4)；所述内支撑筒体(6)通过所述缩径封头上的固定杆(7)限位固定；所述内层翅片管(5)的内表面设置轴向翅片，所述外层翅片管(4)的外表面设置轴向翅片；所述内层翅片管(5)的外壁设置螺旋大凹槽，所述内层翅片管(5)的外壁与所述外层翅片管(4)内壁密接，且所述内层翅片管(5)的两端与所述环形封头连接，用于封闭所述螺旋大凹槽的端部开口，形成热流体的螺旋流道，两所述环形封头上分别设置有流体接口管，作为热流体的出入口；所述外筒体(3)两端的缩径封头作为冷流体的出入口；所述外筒体(3)与所述外层翅片管(5)配合形成一外层冷流体流道，使得冷流体从所述外层翅片管(4)的轴向翅片间缝隙流过；所述内层翅片管(5)与所述内支撑筒体(6)配合形成一内层冷流体流道，使得冷流体从所述内层翅片管(5)的轴向翅片间缝隙流过。2.根据权利要求1所述的紧凑型负压低温换热器，其特征在于，所述外层翅片管(4)外表面设有多个扰动圆环，用于优化冷流体流动轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩瑞雄，葛锐，朱柯宇，常正则，桑民敬，赵同宪，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：