CN101762119B - 一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回热式低温制冷机减小回热器蓄冷材料轴向导热的方法。该方法在填充制冷机回热器蓄冷材料时，将绝热材料制成的热阻隔器按照一定的间隔距离放入回热器筒中，将回热器蓄冷材料分隔成热不连接的若干段，热阻隔器中间开有均匀密布小孔，不影响回热器中的工质往复流动，而且局部规则排列小孔，有利于工质和蓄冷材料的换热。热阻隔器热阻是同样厚度回热器蓄冷材料热阻的40多倍，而对于回热器的热效率则影响不大。本发明有效地减小了制冷机回热器轴向导热，且工质气体定向流路畅通，无气体滞留处，提高了制冷机有效制冷量和效率。这种方法可以应用到各种回热式低温制冷机中。

Description

一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法

技术领域

本发明涉及一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法。 

背景技术

回热式低温制冷机，如斯特林制冷机、GM制冷机，其中的回热器蓄冷材料起着贮存能量的作用，交变流动的冷热振荡流体，分别在制冷循环的各个周期中与回热器蓄冷材料进行热交换。回热器蓄冷材料要求具有高热容、低导热系数，一般选用不锈钢、铍青铜、镍或铅等金属材料，这些材料在低温下热容较大，导热系数较小，但是相对于聚四氟乙烯或聚酰亚胺等非金属材料，其导热系数仍然很大，造成回热器轴向导热损失较大，尤其对于小冷量的回热式低温制冷机的效率有较大的影响。 

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种减小回热式低温制冷机减小回热器蓄冷材料轴向导热的方法。本发明改变现有技术中回热器全部装入金属蓄冷材料的方法，在对回热器换热性能不影响的前提下，提供一种减小回热器轴向导热的方法，该方法使工质气体流过回热器填料，既能保证工质在金属蓄冷材料中换热和流动充分，有利于提高回热器效率、又能够减小流阻损失，从而提高低温制冷机的效率。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现： 

本发明的一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法具体实现步骤如下： 

步骤一、根据回热器的内孔尺寸确定热阻隔器的外径，使热阻隔器的外径与回热器的内孔达到紧配合，在热阻隔器上均匀打孔，孔径为Φ0.2mm，镂空面积占热阻隔器截面积的25～40％，镂空面积占热阻隔器截面积比率的计算如公式(I)： 

$\mathrm{\η}=\frac{n\×d_2^2}{d_1^2}\×100\%---\left(I\right)$

其中：η-镂空面积占热阻隔器截面积比率； 

n-打孔数目； 

d₁-热阻隔器直径，即回热器筒体内径； 

d₂-打孔直径； 

步骤二，在填充回热式低温制冷机回热器蓄冷材料前，首先将1个热阻隔器装入回热器筒底部； 

步骤三，装入回热器蓄冷材料，装入量按照回热器能够加入的总蓄冷材料量按间隔比例装入，比例计算如公式(II)，将公式(II)计算值向下取整得到a，则蓄冷材料装入量为回热器能装入的总蓄冷材料量的比例为 

$a=\frac{0.03\×l}{\mathrm{\δ}}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中：a-装入的热阻隔器数量； 

l-回热器长度； 

δ-热阻隔器厚度； 

步骤四，按照公式(II)计算的回热器能装入的总蓄冷材料量的 量，加入回热器蓄冷材料后，再装入1个热阻隔器； 

步骤五如步骤三、步骤四依次交替装入回热器蓄冷材料和热阻隔器，热阻隔器数量为a个，如步骤三中的公式(II)计算。 

所述热阻隔器的材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯，热阻隔器的厚度为0.2～0.5mm，热阻隔器总厚度小于或等于回热器总长度的3％，公式(II)计算值向下取整得到的a值为热阻隔器装入的数量，所述交替装入回热器蓄冷材料和热阻隔器是指热阻隔器之间为蓄冷材料，每份蓄冷材料的装入量相同且每个热阻隔器之间的间距相同。 

有益效果 

(1)改变现有技术中回热器全部装入金属蓄冷材料的方法，在对热回器换热性能和流阻不影响的前提下，提供一种减小回热器轴向导热的方法； 

(2)该方法使工质气体流过回热器填料，既能保证工质在金属蓄冷材料中换热和流动充分，有利于提高回热器效率、又能够减小流阻损失，从而提高低温制冷机的效率； 

(3)热阻隔器热阻是同样厚度回热器蓄冷材料热阻的40多倍，而对于回热器的热效率则影响不大。本发明有效地减小了制冷机回热器轴向导热损失； 

(4)本发明方法简单可靠，成本低，对系统带来的影响极小。 

具体实施方式

为了充分说明本发明的特性以及实施本发明的方式，下面给出实施例。实施例1 

步骤一、回热式低温制冷机回热器的内径为Φ5mm，长度为50mm，根据热阻隔器总厚度为回热器筒体总长度的3％，可得出热阻隔器总厚度为1.5mm，共需加入3片0.5mm厚的热阻隔器，将回热器蓄冷材料隔为均匀的3部分，根据回热器的内径为Φ5mm确定热阻隔器的外径为Φ5mm，使热阻隔器的外径与回热器的内孔达到紧配合，在热阻隔器上均匀打孔，孔径为Φ0.2mm，孔数量为160，根据公式(I)得出镂空面积占热阻隔器截面积的25.6％， 

镂空面积占热阻隔器截面积比率的计算公式(I)： 

$\mathrm{\η}=\frac{n\×d_2^2}{d_1^2}\×100\%---\left(I\right)$

其中：η-镂空面积占热阻隔器截面积比率； 

      n-打孔数目； 

      d₁-热阻隔器直径，即回热器筒体内径； 

      d₂-打孔直径； 

热阻隔器采用聚酰亚胺材料； 

步骤二、在填充回热式低温制冷机回热器蓄冷材料前，首先将上述的1个0.5mm厚聚酰亚胺制成的热阻隔器装入回热器筒体1内底部中； 

步骤三、装入回热器蓄冷材料，装入量为回热器能够加入的总蓄冷材料量的一定比例，比列计算如公式(II)，将公式(II)计算值向下取整得到α，则蓄冷材料装入量为回热器能装入的总蓄冷材料量的比例为1/3 

$\mathrm{\α}=\frac{0.03\×l}{\mathrm{\δ}}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中：α-装入的热阻隔器数量； 

      l-回热器长度； 

      δ-热阻隔器厚度； 

步骤四、装入1/3回热器蓄冷材料后，再装入1个热阻隔器； 

步骤五、如步骤三、四依次交替装入回热器蓄冷材料和热阻隔器，间隔距离相同。 

热阻隔器数量为α个，如公式(II)计算，一共装入3个热阻隔器，在其他条件相同的情况下，制冷机最低温度下降了5K，制冷量增加了0.165W，表明热阻隔器对于减小低温回热式制冷机回热器轴向导热损失，提高制冷机效率有作用。 

实施例2 

步骤一、回热式低温制冷机回热器的内径为Φ7mm，长度为55mm，根据热阻隔器总厚度为回热器筒体总长度的3％，可得出热阻隔器总厚度为1.65mm，共需加入3片0.5mm厚的热阻隔器，将回热器蓄冷材料隔为均匀的3部分，根据回热器的内径为Φ7mm确定热阻隔器的外径为Φ7mm，使热阻隔器的外径与回热器的内孔达到紧配合，在热阻隔器上均匀打孔，孔径为Φ0.2mm，孔数量为396，根据公式(I)得出镂空面积占热阻隔器截面积的32.3％， 

镂空面积占热阻隔器截面积比率的计算公式(I)： 

$\mathrm{\η}=\frac{n\×d_2^2}{d_1^2}\×100\%---\left(I\right)$

其中：η-镂空面积占热阻隔器截面积比率； 

      n-打孔数目； 

      d₁-热阻隔器直径，即回热器筒体内径； 

      d₂-打孔直径； 

热阻隔器采用聚四氟乙烯材料； 

步骤二、在填充回热式低温制冷机回热器蓄冷材料前，首先将上述的1个0.5mm厚聚四氟乙烯制成的热阻隔器装入回热器筒体1内底部中； 

步骤三、装入回热器蓄冷材料，装入量为回热器能够加入的总蓄冷材料量 的一定比例，比列计算如公式(II)，将公式(II)计算值向下取整得到α，则蓄冷材料装入量为回热器能装入的总蓄冷材料量的比例为1/3 

$\mathrm{\α}=\frac{0.03\×l}{\mathrm{\δ}}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中：α-装入的热阻隔器数量； 

      l-回热器长度； 

      δ-热阻隔器厚度； 

步骤四、装入1/3回热器蓄冷材料后，再装入1个热阻隔器； 

步骤五、如步骤三、四依次交替装入回热器蓄冷材料和热阻隔器，间隔距离相同。 

热阻隔器数量为α个，如公式(II)计算，一共装入3个热阻隔器，在其他条件相同的情况下，制冷机最低温度下降了6.2K，制冷量增加了0.21W，表明热阻隔器对于减小低温回热式制冷机回热器轴向导热损失，提高制冷机效率有作用。 

热阻隔器采用聚酰亚胺或聚四氟乙烯材料都有减小低温回热式制冷机回热器轴向导热损失，提高制冷机效率的作用。 

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一、根据回热器的内孔尺寸确定热阻隔器的外径，使热阻隔器的外径与回热器的内孔达到紧配合，在热阻隔器上均匀打孔，孔径为Ф0.2mm，镂空面积占热阻隔器截面积的25～40％，镂空面积占热阻隔器截面积比率的计算如公式(I)：

$\mathrm{\η}=\frac{n\×d_2^2}{d_1^2}\×100\%---\left(I\right)$

其中：η-镂空面积占热阻隔器截面积比率；

n-打孔数目；

d₁-热阻隔器直径，即回热器筒体内径；

d₂-打孔直径；

步骤二，在填充回热式低温制冷机回热器蓄冷材料前，首先将1个热阻隔器装入回热器筒底部；

步骤三，装入回热器蓄冷材料，装入量按照回热器能够加入的总蓄冷材料量按间隔比例装入，比例计算如公式(II)，将公式(II)计算值向下取整得到a，则蓄冷材料装入量为回热器能装入的总蓄冷材料量的比例为

$a=\frac{0.03\×l}{\mathrm{\δ}}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中：a-装入的热阻隔器数量；

l-回热器长度；

δ-热阻隔器厚度；

步骤四，按照公式(II)计算的回热器能装入的总蓄冷材料量的

量，加入回热器蓄冷材料后，再装入1个热阻隔器；

步骤五如步骤三、步骤四依次交替装入回热器蓄冷材料和热阻隔器，热阻隔器数量为a个，如步骤三中的公式(II)计算。

2.根据权利要求1所述的一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法，其特征在于：所述热阻隔器的材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法，其特征在于：所述热阻隔器的厚度为0.2～0.5mm，热阻隔器总厚度小于或等于回热器总长度的3％。

4.根据权利要求1所述的一种减小回热式低温制冷机回热器蓄冷材料轴向导热的方法，其特征在于：所述步骤五中交替装入回热器蓄冷材料和热阻隔器是指热阻隔器之间为蓄冷材料，每份蓄冷材料的装入量相同且每个热阻隔器之间的间距相同。