一種微通道換熱器及帶有該微通道換熱器的脈管制冷機的制作方法

本發明涉及低溫制冷技術領域，具體地說，涉及一種微通道換熱器及帶有該微通道換熱器的脈管制冷機。

背景技術：

脈管制冷機于20世紀60年代問世以來，由于其結構簡單、低溫下無運動部件、機械振動小、運行可靠、壽命長，從而受到廣泛關注，成為制冷機領域的研究熱點。隨著超導技術的不斷發展，大功率脈管制冷機受到越來越多的關注。在小功率脈管制冷機上采用狹縫式換熱器應用在大功率脈管制冷機時會出現換熱能力不夠以及徑向溫差過大等問題。

在大功率脈管制冷機中的換熱器通常采用管殼式換熱器，如中科院理化所所報道的其在80k可以獲得500w冷量的脈管制冷機中的級后冷卻器采用的是管殼式換熱器，但其仍存在換熱能力不足的問題，所報道的回熱器熱端溫度要遠遠高于常溫。

在大功率脈管制冷機中，雖然采用管殼式換熱器替代狹縫式換熱器有利于增大換熱能力，降低徑向溫差分布，但并未達到理想效果，回熱器熱端溫度仍遠遠高于常溫，當功率增大的時候，均存在換熱能力不足的問題。

技術實現要素：

本發明的目的為提供一種微通道換熱器，該微通道換熱器可有效解決在大功率脈管制冷機中換熱器存在的換熱能力不足的問題；

本發明的另一目的為提供一種脈管制冷機，該脈管制冷機換熱功率大，制冷機性能好。

為了實現上述目的，本發明提供的微通道換熱器包括殼體，殼體包含筒體，該筒體的兩端由封板封閉，每塊封板上均開設有若干扁管安裝孔；兩端的扁管安裝孔之間密封連接有扁管，扁管分隔出若干微通道，所有扁管內的微通道作為換熱器的第一介質通道；各扁管的外壁與筒體內壁之間的空間與筒體上的介質入口和介質出口連通作為換熱器的第二介質通道。

在上述技術方案中，通過扁管將筒體分隔成第一介質通道和第二介質通道，介質一和介質二分別在第一介質通道和第二介質通道內部流動，互不接觸，扁管內部設置微通道，該微通道換熱器的換熱面積大，換熱效率高，且結構簡單。

具體的方案為殼體還包括固定在筒體兩端的上法蘭和下法蘭，下法蘭內設有對位接入介質入口的進水通道，上法蘭內設有對位接入介質出口的出水通道；并設有插入進水通道內的進水管道，和插入出水通道內的出水管道。

換熱介質從介質入口的進水通道進入第二介質通道內，從介質出口的出水通道中流出。制冷劑從上一級部件中流出通經過扁管的微通道流入下一級部件。有效解決在大功率脈管制冷機中換熱器存在的換熱能力不足的問題，減小了換熱器體積，加強了換熱能力。

另一個具體的方案為封板固定在上法蘭和下法蘭的中心孔內，上法蘭的中心孔內壁設有利于焊接筒體的臺階部，下法蘭的中心孔內設有配合筒體端部插入的凹槽。

另一個具體的方案為第二介質通道內部安裝有增加介質行程用的擱板。

另一個具體的方案為在橫截面寬度為12mm、長度為1mm的扁管上，分布有12-16個微通道。相互獨立的通道使得換熱效率更高。

再一個具體的方案為扁管的材質為鋁。采用精煉鋁棒通過熱擠壓并進行表面噴漆防腐處理而形成的薄壁多孔扁管狀的鋁扁管，相對于常規管殼式內部所用管道來說，在相同孔隙率的情況下大大增加了換熱面積，強化了換熱性能。

為了實現上述另一目的，本發明提供的脈管制冷機，包括依次連接的壓縮機、級后冷卻器、回熱器、冷端換熱器、脈管、熱端換熱器、慣性管和氣庫，級后冷卻器采用了上述微通道換熱器。由于級后冷卻器換熱量較大，本發明的為通道換熱器通常應用于級后冷卻器。

具體的方案為冷端換熱器和/或熱端換熱器采用了上述的微通道換熱器。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

結構簡單，便于實現，對脈管制冷機其他部件沒有特殊要求。采用微通道換熱器，可以有效解決在大功率脈管制冷機中換熱器存在的換熱能力不足的問題，減小換熱器體積，增大空間利用率，加強換熱能力，提高脈管制冷機性能。

附圖說明

圖1為本發明微通道換熱器實施例的結構示意圖；

圖2為本發明微通道換熱器實施例的上法蘭正面結構示意圖；

圖3為本發明微通道換熱器實施例的上法蘭背面結構示意圖；

圖4為本發明微通道換熱器實施例的扁管結構示意圖；

圖5為本發明微通道換熱器實施例的下法蘭正面結構示意圖；

圖6為本發明微通道換熱器實施例的下法蘭背面結構示意圖；

圖7為本發明脈管制冷機實施例的結構示意圖。

其中，1、上法蘭；2、螺紋孔；3、密封圈槽；4、密封圈槽；5、扁管；6、出口管道；7、筒體；8、下法蘭；9、進口管道；10、螺紋孔；11、扁管安裝孔；12、出口通道；13、凹槽；14、微通道；15、凹槽；16、進口通道；17、螺紋孔；18、扁管安裝孔；19、密封面；20、壓縮機；21、級后冷卻器；22、回熱器；23、冷端換熱器；24、脈管；25、熱端換熱器；26、慣性管；27、氣庫。

具體實施方式

以下結合實施例及其附圖對本發明作進一步說明。

微通道換熱器實施例

參見圖1至圖6，微通道換熱器包括殼體，殼體包括筒體7及密封安裝在筒體7兩端的上法蘭1和下法蘭8。

上法蘭1上設有用于連接下一級部件的周向布置的螺紋孔2和螺紋孔10。在上法蘭1的正面，靠近螺紋孔2的周向設有對下一級部件進行密封的密封圈槽4，靠近螺紋孔10的周向設有對下一級部件進行密封的密封圈槽3，上法蘭1的中間通孔的孔口設有封板，封板上開有若干扁管安裝孔11。在上法蘭1的側面，通有連通中間通孔的出口通道12，出口通道12內密封安裝有出口管道6。在上法蘭1的背面，中間通孔的孔口處設有用于連接筒體7的凹槽13。

下法蘭8上設有用于連接上一級部件的周向布置的螺紋孔17。在下法蘭8的正面，中間通孔的孔口處設有用于連接筒體7的凹槽15。在下法蘭8的背面，設有對上一級部件進行密封的密封面19。下法蘭8的中間通孔的孔口設有封板，封板上開有若干與扁管安裝孔11對應的扁管安裝孔18。在下法蘭8的側面，通有連通中間通孔的進口通道16，進口通道16內密封安裝有進口管道9。

扁管5的兩端分別安裝在上法蘭1的扁管安裝孔11與下法蘭8的扁管安裝孔18內。扁管5為鋁扁管，采用精煉鋁棒通過熱擠壓并進行表面噴漆防腐處理而形成的薄壁多孔扁管狀材料。在寬度為12mm，厚度為1mm的薄壁扁管上，設有12-16個微通道14，壁厚僅0.2mm左右。相對于常規管殼式內部所用管道來說，在相同孔隙率的情況下大大增加了換熱面積，強化了換熱性能。

扁管5的外部與筒體7的內部空間構成第二介質通道，扁管5內部的微通道14構成第一介質通道。第二介質通道內通有冷卻水，第一介質通道通有制冷劑如液氦。第一介質通道和第二介質通道內的流體互不接觸。

對于間壁式換熱器而言，如管殼式換熱器，傳熱過程包括管內流體到管內側壁面的換熱、管內側壁面到管外側壁面的換熱、管外側壁面到管外側流體的換熱這三個部分。當在穩態條件下時，通過各環節的熱流量φ保持恒定，從而各環節的溫度差可以表示如下：

其中，tfi為管內側流體溫度，twi為管內側壁面溫度，two為管外側壁面溫度，tfo為管外側流體溫度，φ為熱流量，hi為管內側的復合傳熱系數，ho為管外側的復合傳熱系數，λi為管壁材料的導熱系數，di為管內徑，do為管外徑，l為管長。由以上三式可得：

當管外側面積為ao時，換熱系數可以如下求得：

φ＝kao(tfi-tfo)＝kπdol(tfi-tfo)

由以上兩式得，當以管外側面積為基準的時候，傳熱系數計算公式如下：

熱滲透深度計算公式如下：

其中，ks材料導熱系數，f為頻率，ρs為密度，cs為比熱容。在大功率脈管制冷機中，通常頻率較高為60hz左右，計算所得不銹鋼的熱滲透深度小于1mm。

對比具有相同孔隙率的管殼式換熱器和微通道換熱器，微通道換熱器在氣體側的換熱面積是管殼式換熱面積的4倍到5倍，而由于管壁厚度的減小，不銹鋼的導熱熱阻也隨著相應減小；管道內徑降低，與邊界層厚度當量接近，流動擾動增大，氣體側換熱系數提高。總的傳熱系數相應提高。

本實施例中，筒體7通過焊接的方式與上法蘭1及下法蘭8密封相連。出口管道6通過焊接的方式密封安裝在出口通道12內。進口管道9通過焊接的方式密封安裝在進口通道16內。扁管5通過焊接的方式安裝在扁管安裝孔11與扁管安裝孔18之間。

脈管制冷機實施例

參見圖7，本實施例的脈管制冷機包括依次連接的壓縮機20、級后冷卻器21、回熱器22、冷端換熱器23、脈管24、熱端換熱器25、慣性管26和氣庫27。慣性管26為u型管道。

其中，級后冷卻器21、冷端換熱器23和熱端換熱器25可采用上述微通道換熱器實施例中的微通道換熱器，尤其是換熱量較大的級后冷卻器21，由于級后冷卻器換熱量較大，存在換熱能力不足的問題，采用微通道換熱器會有較好的效果。