申请/专利权人：中国科学院上海技术物理研究所

申请日：2019-07-10

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN110398168B

主分类号：F28D20/02

分类号：F28D20/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2019.11.26#实质审查的生效;2019.11.01#公开

摘要：本发明公开了一种用于80K低温的带观察视窗的换热器，该结构采用机械密封形式，使用铟丝作为密封材料，实现了低温下相变过程的可视化观测。本发明的有益效果在于：相变腔体采用紫铜，有效增加了换热效率；上盖板采用不锈钢材料，减小上表面漏热情况下增强换热器承压能力；上盖板与换热腔体之间安装观察视窗，实现相变过程的可视化观测；上盖板与玻璃、玻璃与相变腔体之间采用铟丝密封，使不同线膨胀系数部件在降温过程中良好密封，实现80K低温下相变换热及观测。

主权项：1.一种用于80K低温的带观察视窗的换热器，包括盖板1、用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2、用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3、观察视窗4、用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5、钢丝螺套6、相变腔体7、工质入口管8，工质出口管9、平垫圈10、弹垫圈11、内六角螺钉12、盖板内密封槽13、盖板外密封槽14、相变腔体下密封槽15；其特征在于：工质入口管8与工质出口管9布置在相变腔体7下表面，采用钎焊的方式将工质入口管8，工质出口管9与相变腔体7的连接；观察视窗4放置在相变腔体7内，两者之间通过相变腔体下密封槽15内放置用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5实现密封，所述的相变腔体7为中空长方体结构，其上表面机械加工出工质流道，并在其上加工相变腔体下密封槽15，相变腔体下密封槽15设围绕在工质流道周围，相变腔体下密封槽15用于相变腔体7与观察视窗4之间铟丝5的定位和安装；盖板1放置在相变腔体7上，采用平垫圈10、弹垫圈11、内六角螺钉12实现盖板1和相变腔体7的连接，同时相变腔体7的螺钉孔内加装钢丝螺套6；盖板1与相变腔体7之间通过盖板外密封槽14内放置用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3实现密封；观察视窗4与相变腔体7之间通过盖板内密封槽13内放置用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2实现密封。

全文数据：一种用于80K低温的带观察视窗的换热器技术领域本发明涉及相变换热领域，特别涉及一种用于80K低温的带观察视窗的换热器。背景技术相变换热器是高效利用能源的实用设备。相变时换热器进行相变潜热交换，具有很大的换热系数，在较小的换热面积下实现较大的换热量。相变换热在航空航天、汽车、空调、超导等领域都有很多运用与发展。低温相变换热在航空航天、红外领域有重要的意义。研究发现低温流体具有独特的热力学特性、冷凝传热特性和动力学特性，这些特性使得低温流体与常温流体相变存在差异。目前在换热器的研究中，较多地集中在相变流形与换热强度关系的研究，亲疏水表面对相变方式的影响，以及相变换热系数及压降的经验公式拟合。这些研究的最终目的都是为了找出换热系数的影响因素，从而避免不利因素，强化有利因素，实现高强度的换热。其中，相变流型对换热系数具有较大的影响，也是从根本上了解换热系数大小转变的关键因素。针对常温工质相变流型转换规律已经进行了大量的可视化实验研究，想要探究低温工质的相变特性还面临着巨大的挑战。由于低温工质充装在常温下完成，要达到必要的充液率必须使相变腔内充满高压工质，这就要求换热器及可视窗口能承受低温的同时承受高压，这对换热器的设计是非常严苛的要求；另一方面，由于可视化窗口和高热导率材料的线膨胀系数不同，常温下安装好的换热器在低温下由于温度变形，会导致腔体密封不严而产生泄露。发明内容本发明的目的是：为了实现80K低温下换热器内部相变流型的观测，解决低温工质充装及运行过程中对换热器承受高压和低温的要求，提供一种新型铟丝密封结构换热器，该换热器不仅能承受4MPa压力以及80K低温，还可以实现相变过程的可视化观测。本发明密封采用铟丝作为密封垫，保证了内腔的气密性并解决了换热器由常温向低温降温过程中由于线膨胀系数不匹配造成的密封失效问题。本发明一种可用于80K低温的带观察视窗的换热器，包括：盖板1、用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2、用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3、观察视窗4、用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5、钢丝螺套6、相变腔体7、工质入口管8、工质出口管9、平垫圈10、弹垫圈11、内六角螺钉12、盖板内密封槽13、盖板外密封槽14、相变腔体下密封槽15。所述的用于80K低温的带观察视窗的换热器中，工质入口管8与工质出口管9布置在相变腔体7下表面，采用钎焊的方式将工质入口管8，工质出口管9与相变腔体7的连接；观察视窗4放置在相变腔体7内，两者之间通过相变腔体下密封槽15内放置用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5实现密封；盖板1放置在相变腔体7上，采用平垫圈10、弹垫圈11、内六角螺钉12实现盖板1和相变腔体7的连接，同时相变腔体7的螺钉孔内加装钢丝螺套6，以实现该装置的反复拆装；盖板1与相变腔体7之间通过盖板外密封槽14内放置用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3实现密封；观察视窗4与相变腔体7之间通过盖板内密封槽13内放置用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2实现密封。所述的用于80K低温的带观察视窗的换热器中，盖板1选用不锈钢材料，以保证换热器的承压能力；并在其上加工盖板内密封槽13，盖板外密封槽14，分别用于盖板1与观察视窗4之间的铟丝2，盖板1与相变腔体7之间的铟丝3的定位和安装。所述的用于80K低温的带观察视窗的换热器中，相变腔体7为中空长方体结构，选用紫铜材料，以实现较大换热强度，并在其上表面机械加工出工质流道；并在其上加工相变腔体下密封槽15，相变腔体7与观察视窗4之间铟丝5的定位和安装。所述的用于80K低温的带观察视窗的换热器中，观察视窗4采用石英玻璃，以实现相变过程的可视化观测。所述可用于80K低温的带观察视窗换热器的具体工作过程如下：该换热器相变腔体7的工作面与冷源藕合在一起，气态冷凝或液态沸腾工质以一定的压力、流量从该换热器工质入口管8流入，在相变腔体7中充分与腔体壁面进行热交换，相变后的工质以液态或者气态的形态从冷凝器工质出口管9流出，进入循环管路，实现热量的转移。本发明与现有可视化换热器比较，其优点在于：1.采用铟丝密封，有效解决了常温安装的换热器由于线膨胀系数的不匹配，在降温过程中出现的密封失效问题，实现了80K低温下换热器的机械密封。2.采用不锈钢盖板，紫铜相变腔体和观察视窗观察窗，在保证换热强度的前提下，提升了换热器刚度，满足了工质在常温下对换热器的高压要求，同时实现了相变过程的可视化观测。3.在紫铜换热腔体上加工螺纹孔，并加装钢丝螺套，实现反复拆装。4.进出口采用工质下进下出的布置方式，避免了进出口布置在侧面带来的密封问题。附图说明图1为本发明一种用于80K低温的带观察视窗的换热器外观示意图；图2为本发明一种用于80K低温的带观察视窗的换热器密封方式示意图；图中标号:盖板1，用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2，用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3，观察视窗4，用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5，钢丝螺套6，相变腔体7，工质入口管8，工质出口管9，平垫圈10，弹垫圈11，内六角螺钉12，盖板内密封槽13，盖板外密封槽14，相变腔体下密封槽15。具体实施方式结合附图，以下对本发明的结构原理进一步详细描述。本发明所述的可用于80K低温的带观察视窗的换热器，参照附图1、2，本发明主要有别于常规换器的结构包括：用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2，用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3，观察视窗4，用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5，钢丝螺套6。参照附图2，举例展示了根据本发明设计思路设计的一种用于80K低温的带观察视窗的换热器。如图所示，该换热器外形尺寸70*66*26mm；相变腔体7尺寸54*50*10mm；相变腔体7内采用机加工方式加工出设计的通道尺寸及形状，如图所示为蛇形通道，截面尺寸1*1mm；盖板1下表面加工宽度为1mm，深度为0.8mm的盖板内密封槽13，通过用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2与观察视窗4实现内侧的密封；盖板1下表面加工宽度为2mm，深度为0.8mm的盖板外密封槽14，通过用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3实现相变腔体7上表面外侧的密封；相变腔体7内边缘加工宽度为2mm，深度为0.8mm的相变腔体下密封槽15，通过用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5和观察视窗4实现底面的密封；工质入口管8，工质出口管9与相变腔体7通过钎焊的方式实现连接；相变腔体7上加工孔，与盖板1之间通过平垫圈10，弹垫圈11，内六角螺钉12连接，同时在相变腔体7上孔内加装钢丝螺套6，实现该换热器的反复拆装。本发明的实施效果在于，通过铟丝密封的方式，满足低温工质实际工作过程中对高压和低温的要求，解决了常温机械密封结构在降温过程中由于线膨胀系数不匹配造成的密封失效问题，最终实现了80K温区工质相变的可视化观测。以上显示和描述了发明的基本原理和主要特征和发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

权利要求：1.一种用于80K低温的带观察视窗的换热器，包括盖板1、用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2、用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3、观察视窗4、用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5、钢丝螺套6、相变腔体7、工质入口管8，工质出口管9、平垫圈10、弹垫圈11、内六角螺钉12、盖板内密封槽13、盖板外密封槽14、相变腔体下密封槽15；其特征在于：工质入口管8与工质出口管9布置在相变腔体7下表面，采用钎焊的方式将工质入口管8，工质出口管9与相变腔体7的连接；观察视窗4放置在相变腔体7内，两者之间通过相变腔体下密封槽15内放置用于观察视窗4与相变腔体7密封的铟丝5实现密封；盖板1放置在相变腔体7上，采用平垫圈10、弹垫圈11、内六角螺钉12实现盖板1和相变腔体7的连接，同时相变腔体7的螺钉孔内加装钢丝螺套6；盖板1与相变腔体7之间通过盖板外密封槽14内放置用于盖板1与相变腔体7密封的铟丝3实现密封；观察视窗4与相变腔体7之间通过盖板内密封槽13内放置用于盖板1与观察视窗4密封的铟丝2实现密封。2.根据权利要求1所述的一种用于80K低温的带观察视窗的换热器，其特征在于：所述的带观察视窗换热器中，盖板1选用不锈钢材料；并在其上加工盖板内密封槽13，盖板外密封槽14，分别用于盖板1与观察视窗4之间的铟丝2，盖板1与相变腔体7之间的铟丝3的定位和安装。3.根据权利要求1所述的一种用于80K低温的带观察视窗的换热器，其特征在于：所述的相变腔体7为中空长方体结构，选用紫铜材料，其上表面机械加工出工质流道；并在其上加工相变腔体下密封槽15，用于相变腔体7与观察视窗4之间铟丝5的定位和安装。4.根据权利要求1所述的一种用于80K低温的带观察视窗的换热器，其特征在于：所述的观察视窗4采用石英玻璃。

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