交变流动换热器及交变流动系统的制作方法

本实用新型涉及换热器设备技术领域，尤其涉及一种交变流动换热器及交变流动系统。

背景技术：

交变流动换热器是指一侧流体往复运动，另一侧流体单向流动的换热器，一般用于交变流动系统与外界之间的换热。当前的交变流动系统主要包括斯特林热机、热声热机、脉管制冷机等。这些系统的内部(交变流动侧)工质通常为气体，外侧(稳态流动侧)传热工质通常为液体。由于气体与壁面之间的换热系数较小，因此气体侧的换热需要强化。交变流动系统中的换热器受到系统工作频率的制约，长度通常小于内部气体的最大行程，因此这种换热器不能随意通过增加长度来增强换热。

交变流动换热器具体的结构形式多种多样，其中以翅片式换热器和管壳式换热器应用较为广泛。

常见的翅片式换热器结构在换热器外壳的内部装有翅片状的交变流动侧流道，在外壳侧部开具有长圆孔状的稳流动侧流道，交变流动侧流道与稳流动侧流道的工质行进方向相交，以实现换热效果。该翅片式换热器结构通常采用线切割方式加工，加工成本高。随着尺寸的增大，翅片高度增加，导热温差将增大，因此仅适用于小尺寸系统。

常见的管壳式换热器结构中，利用多个排列的圆管作为交变流动侧流道，系统的工作气流在各个小圆管内流动，冷却水在圆管外侧流动，由于冷却水与每根圆管都接触，因此每根圆管的外壁温度比较接近，不同圆管内的气体不会出现较大的温度差异。

但是该管壳式换热器结构也存在以下问题：

一、由于交变流动换热跟气体的热穿透深度息息相关，如果系统频率较高，例如50hz，气体的热穿透深度就会小于0.5mm，因此圆管的内径应该在1mm左右才能保证较好的换热，但是在实际加工过程中发现，即使圆管之间非常紧密的排列，换热器的流通面积比(气体流道面积与换热器横截面积之比)也小于10％，很难提高，并且随着换热器的增大，圆管数量达到数千以上，可靠性非常低；

二、该结构气体侧的换热器面积与冷却水侧的换热面积基本相等，但气体侧的换热系数却比水侧的换热系数小一个量级以上，所以如果不增加气体侧的换热面积，会导致气体侧和流体侧之间的换热面积失衡。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是解决现有的换热器受结构限制导致换热能力比较差，难以满足大功率的换热需求的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种交变流动换热器，包括：

壳体；

交变流动侧流道，所述交变流动侧流道包含沿壳体轴向设置的多重套管结构，所述多重套管结构用于将交变流动侧流道分割成多条单元管束，各条所述单元管束内分别流经有交变流体，每条所述单元管束内包含有多条分支流道；

稳流动侧流道，贯通设置在所述壳体的侧壁上，所述稳流动侧流道用于使稳流体流经每条所述单元管束外；

其中，所述单元管束包括外管、内管和挤压棒，所述外管的轴线上设有所述挤压棒，所述挤压棒的外壁和所述外管的内壁之间固定有多条所述内管，多条所述内管用于将所述外管的内腔沿轴线分割成多条所述分支流道。

进一步的，多条所述内管排列为单层结构或多层结构

进一步的，所述单层结构包括多条单层内管，多条所述单层内管均匀的排列在所述挤压棒的外壁和所述外管的内壁之间。

进一步的，所述多层结构包括第一层内管和第二层内管，所述第一层内管和所述第二层内管各包括有多条单层内管，第一层的所述单层内管和第二层的所述单层内管按由内至外的顺序排列在所述挤压棒的外壁和所述外管的内壁之间。

进一步的，所述多层结构包括第一层内管、第二层内管……以及第n层内管，n为大于2的自然数，所述第一层内管、第二层内管……以及第n层内管各自包括有多条单层内管，各层的所述单层内管按由内至外的顺序排列在所述挤压棒的外壁和所述外管的内壁之间。

进一步的，各层的所述单层内管的直径由内至外逐渐减小；和/或所述内管层数n≤4；和/或同一层中相邻的所述单层内管之间相互接触；和/或每条所述单层内管的外表面均设有焊料层。

进一步的，每层的所述单层内管分别均匀的围绕所述外管的轴线排列，且同一层的各个所述单层内管的轴线与所述外管的轴线之间的距离相等。

进一步的，所述挤压棒包括棒体和尖端部，所述棒体设置在所述外管的轴线上，所述尖端部设置在所述棒体的一端。

进一步的，所述稳流动侧流道为环形通道，所述交变流动侧流道的各条所述单元管束分别穿插在所述环形通道内。

本实用新型还提供了一种交变流动系统，包括如上所述的交变流动换热器。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有以下有益效果：

本实用新型的交变流动换热器中，交变流动侧流道包含沿壳体轴向设置的多重套管结构，多重套管结构用于将交变流动侧流道分割成多条单元管束，各条单元管束内分别通入交变流体，每条单元管束内包含有多条分支流道；稳流动侧流道贯通设置在壳体的侧壁上，稳流动侧流道用于使稳流体流经每条单元管束外，以使稳流体与流经各条单元管束内的交变流体之间换热。本实用新型依据该交变流动换热器提出了交变流动系统。该交变流动换热器及交变流动系统利用多重套管结构将交变流动侧流道分割成多条单元管束，并进一步将各条单元管束分割成多条分支管束，从而增大了换热器气体侧的换热面积，克服了现有换热器换热能力差导致难以满足大功率换热需求的问题，并安全稳定的提升了换热器的换热能力。

本实用新型的交变流动换热器中，多重套管结构的设置大大降低了换热器的加工难度和制造成本。

本实用新型的交变流动换热器中，稳流动侧流道在将流动工质引入壳体内腔时，能够快速流经多条单元管束的外壁，提高换热效率，提升换热器的换热能力。

本实用新型的交变流动换热器中，利用挤压棒挤压内管，以使内管变形，从而实现各个管路流道之间相切接触面的良好的接触，使得外管与内管之间、以及各个内管之间由理想的线接触变为面接触，增强导热能力；挤压棒还能保证单元管束的内部结构稳定，且便于装配。

附图说明

图1为本实用新型实施例的交变流动换热器的结构示意图(一)；

图2为本实用新型实施例的单元管束结构的横截面结构示意图(一)；

图3为本实用新型实施例的挤压棒的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的单元管束结构的横截面结构示意图(二)；

图5为本实用新型实施例的单元管束结构的横截面结构示意图(三)；

图6为本实用新型实施例的交变流动换热器的结构示意图(二)。

其中，1、交变流动侧流道；2、稳流动侧流道；3、壳体；4、棒体；5、尖端部；6、外管；7、单层内管；8、挤压棒；9、第一层内管；10、第二层内管；11、第三层内管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多层”的含义是两层或两层以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种交变流动换热器，该交变流动换热器包括壳体3、交变流动侧流道1和稳流动侧流道2。交变侧流道内通有交变流体，交变流体在交变侧流道内交变流动，优选交变流体为气体工质或液体工质；稳流动侧流道2内通有稳流体，稳流体在稳流动侧流道2内为稳定流动，稳流体优选为液体，例如水。本实施例的换热器将壳体3的内腔作为稳流动侧流道2，将交变流动侧流道1嵌套设置在稳流动侧流道2内，并保证交变流动侧流道1和稳流动侧流道2之间不连通，从而利用稳流体流经交变流动侧流道1外，以便于稳流体与交变流体之间快速换热，且不会造成不同工质之间的混淆。

本实施例中，交变流动侧流道1包括沿壳体3轴向设置的多重套管结构，多重套管结构用于将交变流动侧流道1分割成多条单元管束。各条单元管束内分别通入交变流体。每条单元管束内包含有多条分支流道。该交变流动换热器利用多重套管结构将交变流动侧流道1分割成多条单元管束，并进一步将各条单元管束分割成多条分支流道，在换热时，稳流体流经每条单元管束时，能够流经各条分支流道，从而增大了换热器气体侧的换热面积，保证稳流体与交变流体的充分换热。并且，多重套管结构的设置大大降低了换热器的加工难度和制造成本。

稳流动侧流道2贯通设置在壳体3的侧壁上，稳流动侧流道2用于使稳流体流经每条单元管束外，以使稳流体与各条单元管束中的多条分支流道充分接触，从而与流经各条单元管束内的交变流体之间充分换热。稳流动侧流道2在将流动工质引入壳体3内腔时，能够快速流经多条单元管束的外壁，提高换热效率，提升换热器的换热能力。

优选如图1所示的稳流动侧流道2包括贯通于壳体3侧壁上的引流口，壳体3的内腔作为换热腔，由于多条单元管束沿壳体3轴向紧密排布在壳体3的内腔中，故而在稳流体由引流口被引入换热腔内时，稳流体直接与多条单元管束的外壁接触，配合各条单元管束内嵌套设置的多条分支流道，从而保证稳流体在换热腔内能与多条分支流道相接触，从而增大换热面积，克服了现有换热器换热能力差导致难以满足大功率换热需求的问题，并安全稳定的提升了换热器的换热能力。

为了提高稳流体的流入速度和稳定性，优选引流口被设置为沿壳体3轴向并列在壳体3外壁上的两个或两个以上引流口。也可以将引流口设置为沿壳体3轴向的长圆孔。

本实施例中，如图2所示，单元管束包括外管6、内管和挤压棒8，挤压棒8和内管被嵌套在外管6的内腔中，具体为：挤压棒8被设置在外管6的轴线上，挤压棒8的外壁和外管6的内壁之间固定有多条内管，多条内管用于将外管6的内腔沿轴线分割成多条分支流道。

如图3所示，本实施例的挤压棒8包括棒体4和尖端部5，棒体4设置在外管6的轴线上，尖端部5设置在棒体4的一端，从而构成一端磨尖的圆柱形棒体4结构。由于在装配单元管束时，先将内管排布在外管6内，再将挤压棒8沿外管6的轴线压入各个内管之间。利用上述的挤压棒8结构是为了在装配单元管束时，易于将挤压棒8压入单元管束中，便于单元管束的装配，提高装配效率。

装配好的单元管束结构中，利用挤压棒8挤压内管，以使内管变形，从而实现各个管路流道之间相切接触面的良好的接触，使得外管6与内管之间、以及各个内管之间由理想的线接触变为面接触，增强导热能力；并且，挤压棒8利用压力作用能保证单元管束的内部结构稳定，能够将内管顶贴在外管6的内壁上，增大内管、外管6与外部的稳流体之间的换热面积，提高换热效率。

如图2所示的单元管束中，多条内管在外管6的内腔中被排列为单层结构。该单层结构包括多条单层内管7，多条单层内管7均匀的排列在挤压棒8的外壁和外管6的内壁之间。

由于在换热器中外管6需要承压，所以外管6材质优选为不锈钢等耐压不易变形的材料；为了增强内管导热能力，内管材质优选紫铜。上述的单层结构中，优选六根内管围绕外管6的轴线依次的排列在外管6内，然后将挤压棒8沿外管6的轴线压入六根内管之间。挤压棒8优选为不锈钢材质。挤压棒8在压入时即可将周围的紫铜材质的内管挤压变形，以实现内管与外管6的各个相切接触面的良好接触，使各个内管之间、以及内管与外管6之间由原本理想的线接触变为面接触，从而增大换热面积，增强导热能力。

该单元管束的结构增加了换热器气体侧(即交变流体侧)的换热面积，提升了换热器的换热能力。通过挤压棒8挤压内管变形来固定单元管束的内部结构。为每条内管的外表面实施电镀或涂抹焊料，经过高温加热后，焊料融化，将内管与外管6之间焊接起来，以实现外管6与内管之间更加良好的热接触，同时也将内管可靠固定在外管6的内壁上。换热器的端面设有法兰，单元管束的外管6与两端法兰之间优选采用钎焊焊接。如果稳流体具有腐蚀性，则可以对单元管束的外管6与两端法兰之间采用电子束等焊接方式。

为了进一步增强交变流动侧气体与壁面的换热能力，还可以将多条内管在外管6的内腔中排列为多层结构。该多层结构可以为双层、三层或三层以上的内管排布结构。

如图4所示的单元管束中的多层结构为双层内管排布结构。具体的，该多层结构包括第一层内管9和第二层内管10，第一层内管9和第二层内管10各包括有多条单层内管7，第一层的单层内管7和第二层的单层内管7按由内至外的顺序排列在挤压棒8的外壁和外管6的内壁之间。

为了保证单元管束内的结构可靠，且传热均匀，本实施例中，各层的单层内管7按由内至外的顺序排列在挤压棒8的外壁和外管6的内壁之间。每层的单层内管7分别均匀的围绕外管6的轴线排列，且同一层的各个单层内管7的轴线与外管6的轴线之间的距离相等。

同理，当多层结构为三层或三层以上的内管排布结构时，该多层结构包括第一层内管9、第二层内管10……以及第n层内管，n为大于2的自然数。其中，第一层内管9、第二层内管10……以及第n层内管各自包括有多条单层内管7，各层的单层内管7按由内至外的顺序排列在挤压棒8的外壁和外管6的内壁之间。

在部分实施例中，各层的单层内管的直径由内至外逐渐减小。为了保证结构问题，在部分实施例中，内管层数n≤4。同一层中相邻的所述单层内管之间相互接触。

在部分实施例中，每条所述单层内管的外表面均设有焊料层，焊料层用于增强各个内管或单层内管之间的热接触，以提高导热效果。

具体的，如图5所示的单元管束中的多层结构即为三层内管排布结构。外管的内腔中由内向外依次排布有第一层内管9、第二层内管10和第三层内管11。每层的内管均按照上述的单层内管7的排列结构设置。其中，第二层内管10的数量优选为第一层内管9数量的一半，第三层内管11数量为第二层内管10数量一半，以此类推，直至第n层内管的数量为第n-1层内管数量的一半。这样的设置可以保证每个内管都与其周围的内管或者挤压棒8相切接触，得到更大的空间利用率，从而增加换热面积，提高换热能力。

上述的内管排布结构中，挤压棒8对内管施加的径向力从最内层内管依次传导至最外层内管，且力的总量不变，但是第二层一根内管受到的径向力由第一层内管9两根内管均匀分担。如果两层内管尺寸都一样的话，会导致第二层内管10的变形量大于第一层内管9的变形量，则内管变形不均匀、不充分会导致接触热阻迅速上升，影响换热能力。为了消除这一影响，使得各个内管变形量尽量均匀，第二层内管10的壁厚要稍大于第一层内管9的壁厚，或者第二层内管10的硬度要大于第一层内管9，这样可以保证第一层内管9也可以充分变形，使得整个单元管束达到良好的换热性能。

需要说明的是，交变流动换热器具体采用何种结构的单元管束，要根据换热器工作环境，即管内外换热介质的换热系数来计算确定合适的孔隙率、换热面积、内管尺寸和内管层数，以及单元管束在换热器中的布置方式。

实施例二

本实施例二提供了一种交变流动换热器，该交变流动换热器可与自由活塞斯特林发动机、制冷机、及热泵等同轴热机系统进行匹配，提高该类系统的换热能力，以提升其性能。

该交变流动换热器的结构与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图6所示，本实施例所述交变流动换热器中，壳体1的内腔为环形空腔，即壳体1沿轴线被掏空，以使稳流动侧流道2为一环形通道。交变流动侧流道1的多条单元管束分别穿插在该环形通道内。优选每条单元管束分别沿壳体1的轴线排布，以保证稳流体流经每条单元管束时的换热效率相等。

当稳流体流入稳流动侧流道2内时，环形通道起到了引流作用，将稳流体分流为两条侧流，这两条侧流分别沿逆时针和顺时针留过环形通道时，两条侧流可以同时流经多条单元管束。与实施例一相比，本实施例中的稳流动侧流道2内的稳流体能够在相同时间内流经更多条单元管束，从而增加了稳流体与单元管束内的交变流体之间的换热面积，更进一步提高换热效率。

实施例三

在实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供了一种交变流动系统，该系统包括如实施例一和/或实施例二所述的交变流动换热器。该交变流动系统中由于设有上述换热器，从而借助系统内交变流动换热器的换热能力的提升，稳定提升系统的换热效率，并且在简化了系统的加工工艺的同时保持了系统的高可靠性。

综上所述，本实施例的交变流动换热器中，交变流动侧流道1包含沿壳体3轴向设置的多重套管结构，多重套管结构用于将交变流动侧流道1分割成多条单元管束，各条单元管束内分别通入交变流体，每条单元管束内包含有多条分支流道；稳流动侧流道2贯通设置在壳体3的侧壁上，稳流动侧流道2用于使稳流体流经每条单元管束外，以使稳流体与流经各条单元管束内的交变流体之间换热。依据该交变流动换热器提出了交变流动系统。该交变流动换热器及交变流动系统利用多重套管结构将交变流动侧流道1分割成多条单元管束，并进一步将各条单元管束分割成多条分支管束，从而增大了换热器气体侧的换热面积，克服了现有换热器换热能力差导致难以满足大功率换热需求的问题，并安全稳定的提升了换热器的换热能力。

本实施例的交变流动换热器中，多重套管结构的设置大大降低了换热器的加工难度和制造成本。

本实施例的交变流动换热器中，稳流动侧流道2在将流动工质引入壳体3内腔时，能够快速流经多条单元管束的外壁，提高换热效率，提升换热器的换热能力。

本实施例的交变流动换热器中，利用挤压棒8挤压内管，以使内管变形，从而实现各个管路流道之间相切接触面的良好的接触，使得外管6与内管之间、以及各个内管之间由理想的线接触变为面接触，增强导热能力；挤压棒8还能保证单元管束的内部结构稳定，且便于装配。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。