CN103486777A

CN103486777A - 一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器

Info

Publication number: CN103486777A
Application number: CN201310436966.5A
Authority: CN
Inventors: 邱利民; 方凯; 甘智华; 姜晓
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103486777B

Abstract

本发明公开了一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，包括低温段和高温段，所述回热器内填充有多层不同孔隙率的回热填料，所述回热器内填充的回热填料的孔隙率范围为59%-92%。本发明针对在不同温度时回热器内各种损失所占的比重不同，在不同温区的回热器采用不同孔隙率的回热填料，相比传统填有固定孔隙率填料的回热器，可有效减少回热器内损失，提高回热效率，从而提高制冷机效率。

Description

一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器

技术领域

本发明涉及回热器，尤其涉及一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器。

背景技术

回热式低温制冷机是一种依据气体绝热膨胀的原理制取冷量的机械设备，主要有斯特林制冷机，GM制冷机和脉管制冷机等类型。在航空航天、国防军事、低温超导、医疗设备等领域有着广泛的使用。作为回热式低温制冷机的核心部件，回热器的作用是在热循环一个周期的不同阶段从工作流体中增加和移除热，将热量从冷端泵送至热端排除，以达到制冷的目的。通常一台斯特林制冷机回热器导致的冷量损失占总损失的57%，因此回热器的效率对于整机性能有着决定性的影响。

当前回热器的填料主要有丝网、球状颗粒和烧结材料等几种类型，依据气体工质和填料的热物性差异，会针对不同制冷温度选用相对适用的孔隙率和水力直径的填料。其中烧结材料由于其更小的水利直径，在相同的比表面积下能够获得比其他填料更大的孔隙率，从而有效降低了回热器的流阻损失，因此在回热式低温制冷机中逐渐获得应用。

然而，由于回热器本身在轴向上存在有巨大的温度梯度（通常有2000K/m以上），流体和工质填料在回热器热端和冷端诸如粘性系数，动力粘度，蓄热能力等热物性有着显著的差异。这使得回热器热端和冷端的填料，其相应的最优孔隙率明显不同。但无论是采用编制丝网、球状颗粒还是烧结材料，目前的回热器孔隙率通常都是固定的，在轴向上不存在有人为的孔隙率梯度。这会导致回热器最终的填料选择是在对回热器冷热端孔隙率不同需求的折中选择（如图1所示，通常室温端材料热容远大于气体工质，流阻损失重于换热，因此需要高孔隙率，而低温端填料比热接近工质，需要低孔隙率来增加换热面积），无法使得回热器每一段都工作在最高效率状态，所以无疑会显著增加回热器损失，尤其在深低温区（液氦温区）和大功率的回热制冷机，更是对回热器效率非常不利。

公开号为CN101799229B的专利文献公开了一种回热式低温制冷机的回热器，包括回热器套管及回热器填料，回热器套管内部先填充径向填料，再填充轴向填料，依次交替填充，最后填充径向填料，径向填料由20-40片圆形金属网片层层紧密铺叠而成，圆形金属网片的直径与回热器套管的内直径相等；轴向填料由方形金属网片沿边缘金属丝紧密卷裹而成，径向填料和轴向填料均与回热器套管内壁紧密接触。该专利文献通过将轴向填料的空隙率设置成小于径向填料的空隙率，以实现高回热效率。

发明内容

本发明提供了一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，通过在回热器内填充不同孔隙率的填料以减小回热器损失，提高制冷机效率。

一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，包括低温段和高温段，所述回热器内填充有多层不同孔隙率的回热填料，所述回热器内填充的回热填料的孔隙率范围为59%-92%。

所述回热填料的水力直径范围为8-40μm。8-40微米范围内的回热填料，尤其为金属填料最有利于提高回热效率。

所述回热填料为金属填料或陶瓷材料，作为优选，所述回热填料为金属填料，金属填料可以为烧结的金属纤维，也可以是其他使用的磁性蓄冷材料（如钬铜材料等）。所述金属填料还可为金属丝网填料，具体为不锈钢丝网或铜丝网（紫铜，黄铜）；在300-20K温区之间，通常用不锈钢丝网，有时会掺杂铜丝网，在20K以下温区，主要用磁性蓄冷材料。

所述金属丝网填料的填料目数范围为24-1000。作为优选，所述回热填料的填料目数为400。

所述回热器内的孔隙率自低温段的冷端至高温段的热端呈现轴向单调递增或单调减小，或所述回热器的孔隙率自低温段的冷端至高温段的热端呈现轴向不均等变化，即可按照回热器的工作特性呈非单调变化，比如中部某处或多处局部孔隙率高于或低于两端。

所述回热器内不同层回热填料的孔隙率和材质不同。依据回热器的工作温度，作为优选，所述低温段内填充的回热填料的孔隙率比所述高温段内填充的回热填料的孔隙率低。更为优选，所述回热器低温段的冷端至高温段的热端孔隙率逐渐增大，以减小回热器热端的流阻损失，增加冷端的换热面积。

按照回热器轴向温度梯度和工作温区可以设计多层回热填料，设计每层孔隙率以及不同孔隙率的填料的组合顺序和比例，依据实际工况下的回热器冷热温度和回热器长度的不同，所述回热器内填充有3-7层回热填料。

所述回热器为圆筒形或环形。

本发明的工作原理是：由于回热器的工作温度不同，针对回热器内各温区的流动和传热特性，在回热器内填充不同孔隙率的回热填料，以达到提高回热器整体效率的目的。比如在回热器温度相对较高的一段，采用高孔隙率的回热器填料，减小回热器的摩擦阻力损失；在低温段采用低孔隙率的回热器填料，以增加回热填料与金属的换热面积。

本发明的有益效果是：

本发明针对在不同温度时回热器内各种损失所占的比重不同，在不同温区的回热器采用不同孔隙率的回热填料，相比传统填有固定孔隙率填料的回热器，可有效减少回热器内损失，提高回热效率，增加低温下的制冷量。

本发明的回热器可用于各种回热式低温制冷机中，如脉管制冷机、GM制冷机和斯特林制冷机。

附图说明

图1为常见回热器填料与气体工质比热容比较图。

图2为本发明的一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器的剖面结构示意图。

图3为本发明的另一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器的剖面结构示意图。

图4为回热器分割示意图。

图5为图4中的回热器区域1和区域10的孔隙率与制冷效率关系图。

图6为不同温区的制冷机损失比例图。

具体实施方式

实施例1

参照图2，图2为圆筒形回热式低温制冷机用变孔隙率回热器的剖面结构图。回热器包括低温段和高温段，回热器内填充有多层不同孔隙率的回热填料，回热填料的水力直径范围为20-30μm，回热填料为不锈钢丝网，丝网的目数范围为400-635。从图上可看出，回热器内填充有6层回热填料，从室温端到低温端，回热填料的孔隙率逐渐变小。图上所示室温端为高温段的热端，低温端为低温段的冷端。如用于77K温区的单级斯特林型脉管制冷机算例，其回热器自热端至冷端共均分为六层，丝径均为20微米。第一层丝网孔隙率为0.89，第二层丝网孔隙率为0.8，第三层丝网孔隙率0.75，第四层丝网孔隙率为0.7，第五层丝网孔隙率为0.69，第六层丝网孔隙率0.68。将填充有6层不锈钢变孔隙率丝网的回热器与内部统一填充有孔隙率为0.68的不锈钢丝网的回热器进行对比，计算结果如下表1所示：

表1 填充有不同孔隙率回热填料的回热器效率对比

	统一孔隙率（0.68）算例	6层不锈钢变孔隙率丝网算例
			制冷量	490.7W	589.3W
COP	8.297	9.387
			PV功	5.91kW	6.28kW

从上述结果中可看出，变孔隙率回热器使得制冷机整机COP从8.297提高至9.387，而且使得在相同活塞行程下，压缩机的输出能力得到提升（从5.91kW提升至6.28kW），最终结果是使得77K的制冷量提高了20%，效果非常明显。

实施例2

参照图3，图3为圆环形回热式低温制冷机用变孔隙率回热器的剖面结构图。回热器包括低温段和高温段，回热器内填充有多层不同孔隙率的回热填料，回热填料的水力直径范围为10-25μm。从图上可看出，回热器内填充有6层回热填料，从室温端到低温端，回热填料的孔隙率逐渐变小，回热器内填充的回热填料的孔隙率范围为59%-92%，图上所示室温端为高温段的热端，低温端为低温段的冷端。

以下通过对传统回热器进行分析体现回热填料的变孔隙率对制冷机制冷效率的影响。

如图4所示，将回热器自热端至冷端均分成1-10等十个大小相同的区域。当此十个区域孔隙率均维持在0.68时，制冷机在77k时输入7.3kW声功可获得700W的制冷量，制冷机效率（COP）可达9.67%。而若分别改变区域1和区域10的孔隙率，使其从0.68变化至0.89，其他区域维持在0.68，进行计算后发现，高温段孔隙率越大，制冷效率越高，最高可达10.4%，而低温段回热器孔隙率越小，则制冷效率越高，最高可达9.67%，如图5所示。这是由于在高温段，压力损失为回热器内的主要损失，因此提高孔隙率可有效降低压力损失，而在低温侧，回热器丝网的不充分换热损失占主导作用，因此提高丝网密度，降低孔隙率，能够增加换热面积，提高制冷机效率。

另外，如图6所示，通过分析不同温区的制冷机损失，可知回热器温度越低，其导热损失占的比重越大。而在80-300K温区，回热器内流阻损失占主导地位。因此在高温区采用高孔隙率的填料以降低流阻，在低温区采用低孔隙率的材料以提高换热面积，可以有效提高回热器效率。

Claims

1.一种回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，包括低温段和高温段，其特征在于，所述回热器内填充有多层不同孔隙率的回热填料，所述回热器内填充的回热填料的孔隙率范围为59%-92%。

2.根据权利要求1所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述回热填料的水力直径范围为8-40μm。

3.根据权利要求1所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述回热器内的孔隙率自低温段的冷端至高温段的热端呈现轴向单调递增或单调减小，或所述回热器的孔隙率自低温段的冷端至高温段的热端呈现轴向不均等变化。

4.根据权利要求3所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述低温段内填充的回热填料的孔隙率比所述高温段内填充的回热填料的孔隙率低。

5.根据权利要求4所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述回热器低温段的冷端至高温段的热端孔隙率逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述回热器内填充有3-7层回热填料。

7.根据权利要求1-6中任一所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述回热填料为金属填料或陶瓷材料。

8.根据权利要求7所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述金属填料为烧结的金属纤维或磁性蓄冷材料。

9.根据权利要求7所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述金属填料为金属丝网填料。

10.根据权利要求9所述的回热式低温制冷机用变孔隙率回热器，其特征在于，所述金属丝网填料的填料目数范围为24-1000。