本發(fā)明涉及兩級脈管制冷機，特別涉及一種熱耦合同軸型兩級脈管制冷機二級中間換熱器及設計方法。

背景技術：

20-50K溫區(qū)的脈管制冷機一般采用兩級結構，熱耦合型兩級脈管制冷機一級冷指與二級冷指的氣流相互獨立，可以由同一個壓縮機驅動也可由兩個壓縮機分別驅動，一級冷指的冷量通過熱橋將冷量傳遞至二級冷指中段的中間換熱器，對二級冷指進行預冷，同時也可對外提供冷量，二級冷指工作氣體經由高溫段回熱器回熱、中間換熱器預冷進入低溫段回熱器回熱最后進入二級冷指脈管制冷。

中間換熱器是熱耦合型兩級脈管制冷機中極為關鍵的部件。在理想情況下，它要實現(xiàn)以下幾方面主要功能：

1)實現(xiàn)一級冷指對二級冷指中部的冷量傳輸。二級同軸型冷指回熱器、脈管需要一級冷指冷量進行預冷，這就需要中間換熱器進行一級冷指與二級冷指中部小溫差下的高效傳熱。

2)高效換熱。特別是在同軸型脈管制冷機中對回熱器內氣體的換熱又要實現(xiàn)對二級脈管的預冷，這就需要能在有限體積下實現(xiàn)較大換熱面積的幾何面積。

3)減小高溫段回熱器與低溫段回熱器變截面處的流動損失。對于20～50K溫區(qū)下的深低溫脈管制冷機，回熱器長度較長往往采用分段形式，同時高溫段與低溫段回熱器往往具有不同的截面直徑，要求變截面處不能產生較大地流動損失，這就需要實現(xiàn)變截面的有效過渡。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，在熱耦合同軸型兩級脈管制冷機的二級設計一個中間換熱器，解決一級冷指對二級冷指中部高效傳熱預冷，二級冷指內部變截面處流動損失過大的問題。

為達上述目的，所發(fā)明的熱耦合同軸型兩級脈管制冷機二級中間換熱器，中間換熱器采用高熱導率材料加工制造，內部錐形狹縫體為均勻圓周布置的梯形翅片結構，狹縫體內孔直徑等于脈管直徑；上端外徑等于低溫段回熱器內徑，下端外徑等于高溫段回熱器內徑；狹縫高度控制在8～15mm之間；狹縫寬度控制在0.15～0.25mm之間，條數(shù)控制在48～70條之間，從而形成用于熱耦合型兩級同軸型脈管制冷機第二級的中間換熱器。

所述的狹縫體的設計方法如下：

首先，根據(jù)加工工藝確定狹縫切割寬度W；

其次，確定狹縫條數(shù)n(取整偶數(shù))：

其中：D₁為脈管外徑；

最后，計算狹縫高度H：

其中：Q為換熱器換熱量，D₂為高溫段回熱器內徑、D₃為低溫段回熱器內徑，ΔT為工作氣體流經換熱器的溫差，h為工作氣體與換熱器固體材料在溫度T時的表面換熱系數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點如下：

1)將外部冷源換熱接口與內部換熱體集成，實現(xiàn)由外向內換熱大熱流下傳熱溫差的最小化；

2)在不等直徑間均勻加工錐形狹縫體的方式，實現(xiàn)在有限體積內的換熱面積最大化，從而有利于實現(xiàn)中間換熱器在有限體積內的高效換熱；

3)錐形狹縫的加工方式采用由大直徑到小直徑的錐形加工方式，由大內徑的高溫段回熱器逐步過渡到小內徑的低溫段回熱器，避免無效空體積；

4)錐形狹縫體的幾何形狀實現(xiàn)了不等直徑的高溫段回熱器和低溫段回熱器之間變截面處氣體的順暢導流，從而使變截面處流動損失最小化；

5)錐形狹縫體內徑與脈管外徑相同，使狹縫體與脈管形成良好熱接觸達到對脈管預冷的目的，能夠有效提高脈管制冷系數(shù)。

上述優(yōu)點將大大促進熱耦合同軸型兩級脈管制冷機中間換熱器性能的提高，對于兩級制冷機整機性能的提升具有非常重要的意義。

附圖說明

圖1為所發(fā)明的熱耦合同軸型兩級脈管制冷機中間換熱器剖視圖；

圖2為所發(fā)明的熱耦合同軸型兩級脈管制冷機中間換熱器下視圖；

圖3為采用所發(fā)明的熱耦合同軸型兩級脈管制冷機中間換熱器的二級冷指局部剖視圖；其中：1為低溫段回熱器；2為低溫段回熱器填料；3為第一焊接點；4‐1為錐形狹縫體；4‐2為換熱凸臺；5第二為焊接點；6為高溫段回熱器；7為高溫段回熱器填料；8為脈管。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明的具體實施方式做進一步地詳細說明。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“徑向”、“上”、“下”、“內”、“外”、“豎直”、“水平”等指示方位或位置關系為基于附圖所示位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有的特定方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發(fā)明的描述中除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

如圖3所示，所發(fā)明的熱耦合同軸型兩級脈管制冷機二級中間換熱器，采用高熱導率的無氧銅制造，中間換熱器換熱量為10W，工作溫度為80K，脈管8外徑9mm、高溫段回熱器7內徑為20mm、低溫段回熱器1內徑為15mm，慢走絲線切割技術切割狹縫寬0.2mm，確定錐形狹縫體4-1狹縫條數(shù)為n＝60，為控制工作氣體流經換熱器的溫差控制在2K之內，查的80K下氦氣與換熱器固體材料的表面換熱系數(shù)為1115W/(m²·K)，則計算換熱器狹縫的高度為H＝8.79mm，中間換熱器的內部采用慢走絲線切割方式沿所述的錐形狹縫體4‐1上下端面的中心線均勻加工出梯形翅片結構形成錐形狹縫體4‐1，加工時錐形狹縫體4‐1的高度控制在12mm，錐形狹縫體4‐1的上端面與低溫段回熱器填料2的下端面齊平，下端面插入高溫段回熱器之內10mm。

從而形成用于熱耦合型兩級同軸型脈管制冷機二級的中間換熱器。