一种低温冰箱低温端的热管传热系统.pdf

1、10申请公布号CN104180586A43申请公布日20141203CN104180586A21申请号201310194266X22申请日20130522F25D19/00200601F28D15/0420060171申请人海尔集团公司地址266102山东省青岛市崂山区高科园海尔路1号海尔工业园申请人青岛海尔特种电器有限公司72发明人陈海涛张江涛张国帆袁顺涛王毅74专利代理机构北京元中知识产权代理有限责任公司11223代理人王明霞54发明名称一种低温冰箱低温端的热管传热系统57摘要本发明涉及一种低温冰箱低温端的热管传热系统，包括提供冷量的冷源和将冷量传递到低温冰箱内部的热管传热模块，所述的热管

2、传热模块包括一与冷源连接的热交换块，该热交换块还连接至少一个热管，所述热管设置在低温冰箱内胆上，该热管内设有低温循环工质。降低传热系统的结构尺寸，减轻传热系统重量，模块化设计方式，保障了批量生产中质量的一致性，有利于实现采用新型低温制冷机的超低温冰箱的规模化生产，解决了新型低温制冷机紧凑的制冷端与低温冰箱大容积的冷冻空间之间高效传热瓶颈问题，将新型低温制冷机冷量快速高效传递到低温冰箱，与传统制冷系统相比，消除了润滑油在低温下回油困难的问题，避免了润滑油产生凝结造成制冷系统堵塞。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页

3、附图2页10申请公布号CN104180586ACN104180586A1/1页21一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管传热系统包括提供冷量的冷源和将冷量传递到低温冰箱内部的热管传热模块，所述的热管传热模块包括一与冷源连接的热交换块（2），该热交换块（2）还连接至少一个热管（3），所述热管（3）设置在低温冰箱内胆（4）上，该热管（3）内设有低温循环工质。2根据权利要求1所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热交换块（2）连接多个热管（3），相邻两热管（3）的间距为60MM120MM，多个热管（3）均匀分布在低温冰箱内胆（4）上，优选多个热管（3）对称设置，所述

4、热管（3）一端为冷凝段（5）另一端为蒸发段（6），每个热管（3）的冷凝段（5）与热交换块（2）连接，每个热管（3）的蒸发段（6）与低温冰箱内胆（4）连接。3根据权利要求1或2所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管（3）的冷凝段（5）与热交换块（2）通过焊接、粘接、压接中的一种或多种方式连接，所述的热管（3）的蒸发段（6）与低温冰箱内胆（4）通过焊接、粘接、压接中的一种或多种方式连接。4根据权利要求3所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管（3）与低温冰箱内胆（4）、热交换块（2）通过固定片（8）压紧，铝箔胶带贴合，且在热管（3）和低温冰箱内胆（4）、热

5、交换块（2）之间的缝隙通过降低接触热阻低温导热胶（10）粘接。5根据权利要求4所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管（3）靠近冷凝段（5）设有调节热管（3）内部压力的膨胀罐（12），该膨胀罐（12）与热管（3）通过毛细管（11）连通。6根据权利要求5所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管（3）的规格与低温冰箱的工作温度和容积相匹配，优选所述热管（3）的管径为622MM。7根据权利要求3所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管（3）为重力热管，热管（3）的冷凝段（5）位于热管（3）上部，所述的热交换块（2）设置在低温冰箱内胆（4）的

6、上部，热管（3）的冷凝段（5）与热交换块（2）连接，所述热管（3）优选环形重力热虹吸热管。8根据权利要求3所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热管（3）为无重力热管，所述的热交换块（2）设置在低温冰箱内胆（4）的侧部。9根据权利要求1所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的冷源为新型低温制冷机（1），该制冷机的低温端与热交换块（2）连接，优选的，所述制冷机为斯特林制冷机或脉管制冷机或GM制冷机，所述的低温循环工质与低温冰箱的工作温度相匹配。10根据权利要求9所述的一种低温冰箱低温端的热管传热系统，其特征在于所述的热交换块（2）为高效传热金属板，所述高效传热金

7、属板与制冷机的低温端固定连接，且所述的高效传热金属板还与热管（3）的冷凝段（5）接触连接。权利要求书CN104180586A1/5页3一种低温冰箱低温端的热管传热系统技术领域0001本发明涉及制冷设备领域，尤其是一种低温冰箱低温端的热管传热系统。背景技术0002随着生物、医疗产业的快速发展，相关生物及医学样本、试剂等生物材料长期存储对于超低温冰箱的需要越来越大。此类超低温冰箱一般要求存储温度在70以下，制冷系统稳定，以实现生物材料的长期可靠存储。0003新型的制冷机（包括斯特林制冷机、脉管制冷机、GM制冷机）在大温差制冷工况（制冷温差60时）下，制冷效率相对较高。尤其是在应用于70以下超低温冰

8、箱制冷系统中，新型低温制冷机制冷效率可达到传统复叠式蒸汽压缩制冷系统的2倍以上，具有显著的节能优势。同时，由于新型低温制冷机可以不采用油润滑，消除了采用蒸汽压缩式制冷的超低温冰箱常见的低温油堵故障，系统更加稳定可靠。而且，这些新型低温制冷机通常采用氮气、氦气等天然物质作为制冷工质，更加环保，随着超低温冰箱应用的普及，这些新型低温制冷机的应用前景更加广泛。0004但是这些新型低温制冷机的制冷器件通常结构紧凑，冷端面积较小，不利于冷端热量的快速交换，从而限制了此类新型低温制冷机在大容积低温冰箱上的应用。0005现有传统做法是采用铜棒、铜带等高导热性能的金属材料，将制冷机冷端的冷量传导至冰箱内部。对

9、于利用铜棒、铜带等高导热性能金属材料实现制冷机冷端与冰箱内部快速换热的方法，由于铜棒等金属材料传热性能远低于热管传热性能，要实现较大容积冰箱内部的快速换热，所采用的铜等金属传热材料的横截面积较大，造成较大的材料耗用，同时也使得冰箱重量过大。0006另外，也有采用在制冷机冷端安装金属散热器，并通过风机对冷端进行强制对流换热，使制冷机冷端的冷量快速传入冰箱内部。而对于利用风机、散热器组合方式，通过强制对流强化制冷机冷端传热效率的方式，由于超低温冰箱内部温度过低（一般在70以下），容易引起风机电机轴承油润滑失效。如果将风机电机外置，通过传动轴带动箱内叶片转动的方式，结构过于复杂，同时易引起低温冰箱箱

10、体漏热量大，造成负荷增加、功耗增大。0007鉴于此提出本发明。发明内容0008本发明的目的为克服现有技术的不足，提供一种低温冰箱低温端的热管传热系统，大大降低传热系统的结构尺寸，减轻传热系统重量，通过模块化的设计方式，保障了批量生产中质量的一致性，有利于实现采用新型低温制冷机的超低温冰箱的规模化生产，解决了新型低温制冷机紧凑的制冷端与低温冰箱大容积的冷冻空间之间高效传热瓶颈问题，将新型低温制冷机低温端冷量快速高效传递到低温冰箱内部空间，推进了新型低温制冷机在低温冰箱产品上的应用，同时，本发明热管传热系统，仅采用相应的低温循环工质实现高效传热，不包含传统蒸汽压缩制冷系统所采用的压机润滑油等辅助材

11、料，消除了润滑油在说明书CN104180586A2/5页4低温工况下产生凝结造成制冷系统堵塞的风险，大大提高了低温冰箱制冷系统的可靠性。0009为了实现该目的，本发明采用如下技术方案0010一种低温冰箱低温端的热管传热系统，所述的热管传热系统包括提供冷量的冷源和将冷量传递到低温冰箱内部的热管传热模块，所述的热管传热模块包括一与冷源连接的热交换块，该热交换块还连接至少一个热管，所述热管设置在低温冰箱内胆上，该热管内设有低温循环工质。0011所述的热交换块连接多个热管，相邻两热管的间距为60MM120MM，多个热管均匀分布在低温冰箱内胆上，优选多个热管对称设置，所述热管一端为冷凝段另一端为蒸发段，

12、每个热管的冷凝段与热交换块连接，每个热管的蒸发段与低温冰箱内胆连接。0012所述的热管的冷凝段与热交换块通过焊接、粘接、压接中的一种或多种方式连接，所述的热管的蒸发段与低温冰箱内胆通过焊接、粘接、压接中的一种或多种方式连接。0013所述的热管与低温冰箱内胆、热交换块通过固定片压紧，铝箔胶带贴合，且在热管和低温冰箱内胆、热交换块之间的缝隙通过低温导热胶粘接降低接触热阻。0014所述的热管靠近冷凝段设有调节热管内部压力的膨胀罐，该膨胀罐与热管通过毛细管连通。0015所述的热管的规格与低温冰箱的工作温度和容积相匹配，优选所述热管的管径为622MM。0016所述的热管为重力热管，热管的冷凝段位于热管上

13、部，所述的热交换块设置在低温冰箱内胆的上部，热管的冷凝段与热交换块连接，所述热管优选环形重力热虹吸热管。0017所述的热管为无重力热管，所述的热交换块设置在低温冰箱内胆的侧部。0018所述的冷源为新型低温制冷机，该制冷机的低温端与热交换块连接，优选的，所述制冷机为斯特林制冷机或脉管制冷机或GM制冷机，所述的低温循环工质与低温冰箱的工作温度相匹配，优选R23、R508B、R116工质。0019所述的热交换块为高效传热金属板，所述高效传热金属板与制冷机的低温端固定连接，且所述的高效传热金属板还与热管的冷凝段接触连接。0020采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果00211、本发明所述热管传热

14、系统大大降低传统方式中传热系统的结构尺寸，减轻传热系统重量。00222、本发明所述热管传热系统通过模块化的设计方式，提供了批量生产中一致性的质量保障，有利于实现采用新型低温制冷机的超低温冰箱的规模化生产。00233、本发明所述热管传热系统解决了新型低温制冷机紧凑的制冷端与低温冰箱大容积的冷冻空间之间高效传热瓶颈问题，将新型低温制冷机低温端冷量快速、高效传递到低温冰箱内部空间，推进了新型低温制冷机在低温冰箱产品上的应用。00244、本发明所述热管传热系统仅采用相应的低温循环工质实现高效传热，不包含传统蒸汽压缩制冷系统所采用的压机润滑油等辅助材料，消除了润滑油在低温工况下产生凝结造成制冷系统堵塞的

15、风险，大大提高了低温冰箱制冷系统的可靠性。0025下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。附图说明说明书CN104180586A3/5页50026图1本发明低温冰箱低温端的热管传热系统在低温冰箱内胆的安装结构图0027图2本发明低温冰箱低温端的热管传热系统中热管传热模块结构示意图0028图3图2的AA剖视图0029其中1、新型低温制冷机，2、热交换块，3、热管，4、低温冰箱内胆，5、冷凝段，6、蒸发段，7、新型低温制冷机的低温端，8、固定片，10、导热胶，11、毛细管，12、膨胀罐。具体实施方式0030如图1所示，本发明所述一种低温冰箱低温端的热管传热系统，所述的热管传热系统包括

16、提供冷量的冷源和将冷量传递到低温冰箱内部的热管传热模块，所述的热管传热模块包括一与冷源连接的热交换块2，该热交换块2还连接至少一个热管3，所述热管3设置在低温冰箱内胆上，该热管内设有低温循环工质。0031所述的低温循环工质与低温冰箱的工作温度相匹配，根据低温冰箱工作温度的不同选用不同的工质。如针对的50至90工作温区低温冰箱，低热端传热热管工质优选采用R116、R23、R508B工质。0032通过热管传热模块快速将冷源的冷量传至低温冰箱内胆4，从而使低温冰箱内胆4形成大面积的低温面，与低温冰箱内空气快速换热，快速降低冰箱内部温度并使内部空间温度均匀一致。热管的传热充分利用热传导原理与致冷介质的

17、快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。0033热交换块2可以连接多个热管3，相邻两热管3的间距为60MM120MM，多个热管3均匀分布在低温冰箱内胆4上，优选多个热管3对称设置，所述热管3的冷凝段5与热交换块2连接，所述热管3的蒸发段6与低温冰箱内胆4连接，设置多个热管3可以增大热管3与低温冰箱内胆4的接触面积，通过内部工质的蒸发、冷凝过程将冷源的冷量快速传至低温冰箱内胆4，从而使低温冰箱内胆4形成大面积的低温面，与低温冰箱内空气快速换热快速降低冰箱内部温度并使内部空间温度均匀一致。0034热管3的设置的数量与低温冰箱的内胆尺寸及热管具

18、体结构布局有关，控制热管之间疏密程度，一般间距在100MM左右，以保证换热效率，若低温冰箱的内胆尺寸较大其具体数量可能会更多。从保证各方向换热均衡的角度出发，优选对称设置。0035如图2所示，上述每个热管3的冷凝段5与热交换块2通过焊接、粘接、压接中的一种或多种方式连接，保证热交换块2的冷量能快速传递给热管3的冷凝段5，对热管3内的工质进行冷凝；所述的热管3的蒸发段6与低温冰箱内胆4通过焊接、粘接、压接中的一种或多种方式连接，热管3内的工质蒸发吸热，吸收热量，使低温冰箱内胆4形成低温面。0036如图2、图3所示所述的热管3与低温冰箱内胆4、热交换块2通过固定片8压紧，铝箔胶带贴合，且在热管3和

19、低温冰箱内胆4、热交换块2之间的缝隙通过低温导热胶10粘接，导热胶10的导热性能良好，使用导热胶10能增大与低温冰箱内胆4的接触面积，从而达到高效率。0037在常温下热管3内部工质为气态，易造成常温工况下热管内部压力过高，对于热管系统的可靠性产生不利影响。为降低低温热管在常温下内部压力，在上述热管3靠近冷凝段5设有调节热管3内部压力的膨胀罐12，该膨胀罐12与热管3通过毛细管11连通。优选在常温工况下热管系统压力超过20MPA时，通过在热管冷凝段采用毛细管外接膨胀说明书CN104180586A4/5页6罐的方式降低热管系统在常温下的系统压力，提高热管系统可靠性。0038所述的热管3的规格与低温

20、冰箱的工作温度和容积相匹配，所述热管3的管径为622MM。0039所述的热管3可为重力热管，热管3的冷凝段5位于热管3上部，所述的热交换块2设置在低温冰箱内胆4的上部，热管3的冷凝段5与热交换块2连接，所述热管3优选环形重力热虹吸热管。冷凝段5位于蒸发段6的上部，将热管3的冷凝段5设置在上部位置，便于使热管3中低温循环工质形成液柱，利用重力因素加速热管中工质循环，增强热管传热效率。环形重力热虹吸热管结构简单成本低廉，只是冷源的安装位置受到限制，只能安装在低温冰箱的上部。0040若使冷源的安装位置不受限制，也可安装在低温冰箱的侧面。但是热管3需要选择无重力热管，内部设置吸液芯等结构，所述的热交换

21、块设置在低温冰箱内胆的侧部。0041上述冷源为新型低温制冷机1，该制冷机的低温端与热交换块2连接，优选的，所述制冷机为斯特林制冷机或脉管制冷机或GM制冷机，所述的热交换块2为高效传热金属板，所述高效传热金属板与制冷机的低温端固定连接，且所述的高效传热金属板还与热管3的冷凝段5接触连接。0042使用时，新型低温制冷机1的低温端与高效传热金属板连接，将冷量传至高效传热金属板，高效传热金属板上连接有多个热管3与高效传热金属板换热，热管3内的工质在此冷凝，热管3的蒸发段6与低温冰箱内胆连接，工质蒸发吸热使低温冰箱内胆4形成低温面，与低温冰箱内部空气发生热交换，从而降低冰箱内部温度。蒸汽再次至冷凝段5冷

22、凝，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，冷量就可以被源源不断地传导到冰箱内部。0043本发明中所述低温冰箱低温端的热管传热系统，大大降低传热系统的结构尺寸，减轻传热系统重量，通过模块化的设计方式，提供了批量生产中一致性的质量保障，有利于实现采用此类新型超低温冰箱的规模化生产，解决了新型低温制冷机紧凑的制冷端与低温冰箱大容积的冷冻空间之间高效传热瓶颈问题，将新型低温制冷机低温端冷量快速高效传递到低温冰箱内部空间，推进了新型低温制冷机在低温冰箱产品上的应用，同时，本发明热管传热系统，仅采用相应的低温循环工质实现高效传热，不包含传统蒸汽压缩制冷系统所采用的压机润滑油等辅助

23、材料，消除了润滑油在低温工况下产生凝结造成制冷系统堵塞的风险，大大提高了低温冰箱制冷系统的可靠性。0044实施例一0045如图1所示，本实施例中所述热交换块2连接两个热管3，两个热管3均匀分布在低温冰箱内胆4上，每个热管3的冷凝段5与热交换块2连接，每个热管3的蒸发段6与低温冰箱内胆4连接。0046实施例二0047本实施例中所述热交换块2连接4个热管3，4个热管3均匀分布在低温冰箱内胆4上，即低温冰箱内胆的每个侧面上均设置一个热管3，每个热管3的冷凝段5与热交换块2连接，每个热管3的蒸发段6与低温冰箱内胆4连接。这样可减少热管3的90度拐角，加工工艺简单。0048实施例三说明书CN104180

24、586A5/5页70049本实施例中低温冰箱的内胆尺寸较大，其热管3数量会更多。但是控制热管之间疏密程度，一般间距在60MM或100MM或120MM左右，优选对称设置，以保证换热效率，保证各方向换热均衡。0050实施例四0051本实施例中热管3为环形重力热虹吸热管，热管3的冷凝段5位于热管3上部，蒸发段6位于热管3下部，冷凝段5位于蒸发段6的上部，所述的热交换块2设置在低温冰箱内胆4的上部，热管3的冷凝段5与热交换块2连接，将热管3的冷凝段5设置在上部位置，与热交换块2连接，便于使热管3中低温循环工质形成液柱，利用重力因素加速热管中工质循环，增强热管传热效率。0052蒸发制冷，使得热管两端温度

25、差很大，使热量快速传导。当热管3的冷凝段5受冷时，热管3中的工质冷凝，依靠重力作用向下流动至蒸发段6，工质蒸发吸热，降低低温冰箱内胆温度，使低温冰箱内胆4形成低温面，与低温冰箱内部空气发生热交换，从而降低冰箱内部温度，蒸汽上升再次冷凝，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，冷量就可以被源源不断地传导到冰箱内部。0053本实施例中环形重力热虹吸热管结构简单成本低廉，只是冷源的安装位置受到限制，只能安装在低温冰箱的上部。0054实施例五0055本实施例采用非重力热管，内部设置吸液芯等结构，形成内部工质循环，实现冷量的快速传递，本实施例中冷源位置可灵活布置，不受位置高低限制。0056以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。说明书CN104180586A1/2页8图1说明书附图CN104180586A2/2页9图2图3说明书附图CN104180586A