CN104019587B - 低温回热器及低温制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温回热器及低温制冷机，低温回热器包括回热管，所述回热管内同轴布置有分隔管，所述分隔管的管壁均布有若干通孔，分隔管内设有回热填料，分隔管的外壁具有若干沿周向绕置的肋环，所述分隔管外壁与回热管内壁之间为缓冲腔。本发明的低温回热器通过缓冲腔和通孔的设计，引入了径向流动，使得回热器同截面的换热形式由单纯的热传导变成热对流和热传导耦合的换热，强化了径向的热传递，能够更快的平衡回热器周向的温度梯度，能有效抑制回热器内的非均匀现象，显著提高制冷机效率，增加低温下的制冷量；通过设置肋环，使得缓冲腔内的气体不会在热端和冷端间形成强烈对流，且气体在缓冲腔内能沿轴线建立温度梯度。

Description

低温回热器及低温制冷机
技术领域
本发明涉及制冷机领域，尤其涉及低温回热器及低温制冷机。
背景技术
脉管制冷机是依据气体绝热膨胀导致温度降低的原理来获取冷量的回热式制冷机。当前主流的脉管制冷机按照驱动方式可划分为GM型脉管制冷机和斯特林型脉管制冷机两种，其中GM型和斯特林型又可按照需求增加双向进气的配置。
如图1所示，斯特林型脉管制冷机包括依次连接的压缩机、传输管1、级冷器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7和气库8，如图2所示，带有双向进气的斯特林型脉管制冷机还设有带有进气阀9的进气管10，进气管一端与传输管相连，另一端与热端换热器相连。
如图3所示，GM型脉管制冷机包括依次连接的级冷器2、回热器3、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7和气库8，其中级冷器通过第一气管与高压气源相连，通过第二气管与低压气源相连，第一气管和第二气管均设有电动阀，如图4所示，带有双向进气的GM型脉管制冷机还设有带有进气阀9的进气管10，进气管一端与传输管相连，另一端与热端换热器相连。
脉管制冷机的工作过程为：当压缩机压缩气体进入制冷机（GM型为高压气源接入制冷机）时，气体经过级冷器的前级预冷和回热器的预冷，进入脉管内，压缩热被热端换热器排出。当气体开始膨胀返回压缩机（GM型为低压气源接入制冷机）时，气体在脉管5内进行绝热膨胀，温度降低，并经过冷端换4热器将冷量传出，剩余冷量对回热器预冷。其中回热器3作为其中的核心部件，对于制冷机的效率和制冷量的大小有着非常重要的影响。
现有的大功率脉管制冷机由于回热器几何尺寸的增大，存在有一些在大功率脉管制冷机中特有的问题，其中最为典型的即是大直径回热器内的非均匀性现象。非均匀现象是由回热器内部流动与传热的正反馈效应驱动的促使回热效率急剧恶化的现象。非均匀性现象产生的机理非常复杂，其特征是回热器内存在有往返于回热器冷热端的直流流动，回热器温度在周向上存在有明显的温度梯度。这导致回热器内实际参与制冷循环的有效体积大幅减少，直流流动还会将热端的热量带至冷端增加回热器损失，进而导致回热器效率急剧下降。有研究表明，非均匀性被抑制的回热器，其制冷机产生的制冷量是非均匀性未被抑制的制冷机的5倍。可见非均匀性的抑制对于大功率脉管制冷机而言有着非常重要的意义。
当前对于非均匀性抑制的办法主要以增强同截面传热为手段，在回热器中段插入高热导率的填料。如公开号为CN1971172A的专利文献公开了一种带径向强化导热的回热换热器，包括回热器壳体，以及相间放置于所述回热器壳体内的导热率不同的带孔金属板和金属丝网/铅球。但由于此方法会导致回热器内轴向热导率同样增加，继而增加回热器导热损失。当前报道的回热器通常需要在小于100ｍｍ的距离上承受超过220Ｋ温差的温度梯度，因此会导致轴向热导率增加的金属填料对于回热器而言并不是最优的选择。
大功率脉管制冷机主要应用于各种高温超导和低温液体无损储存等工业领域，包括超导电动机，超导发电机，超导限流器，超导引线，大型低温液体储罐等。由于受到回热器效率等因素的限制，目前大功率脉管制冷机的整体效率仍然不高，更加高效的回热器是将来发展的趋势。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种低温回热器。能有效抑制回热器内的非均匀性现象，提高回热器的效率。
一种低温回热器，包括回热管，所述回热管内同轴布置有分隔管，回热管的内壁与分隔管的外壁之间为缓冲腔，所述分隔管的管壁均布有若干通孔，分隔管内设有回热填料。
分隔管设有通孔，分隔管内的气体能够穿过通孔进入缓冲腔，在缓冲腔中混合换热后，穿过通孔进入分隔管内，与回热填料进行热交换，这样的设计能够引入径向流动，使得回热器同截面的换热形式由单纯的热传导变成热对流和热传导兼有的换热，在不增加回热器轴向导热的同时，大大强化回热器径向的热传递，能够更快的平衡回热器周向的温度梯度，能有效抑制回热器内的非均匀现象，显著提高制冷机效率，增加低温下的制冷量。
作为优选，分隔管的外壁具有若干沿周向绕置的肋环。
肋环具有隔离作用，通过设置肋环，使得缓冲腔内的气体不会在热端和冷端间形成对流，相比较传统的夹杂高热导率丝网的方法，侧面窜气进入分隔管带来的轴向导热损失更小。
为了使气体沿分隔管轴线建立温度梯度，作为优选，所述肋环与回热管的内壁之间具有间隙。
所述回热管和分隔管之间可以通过焊接、螺栓连接、卡接等现有的任意方式进行连接，作为优选，所述回热管与分隔管在端部通过法兰盘固定。
本发明还提供了一种低温制冷机，包括依次连接的压缩机、传输管、级冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，其中，回热器为本发明所述的低温回热器。
作为优选，还包括设有进气阀的进气管，所述进气管一端与所述传输管相连，另一端与所述热端换热器相连。
本发明还提供了另一种低温制冷机，包括依次连接的级冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，所述级冷器具有与高压气源相连的第一气管以及与低压气源相连的第二气管，第一气管和第二气管均设有电动阀，其中，回热器为本发明所述的低温回热器。
作为优选，还包括设有进气阀的进气管，所述进气管一端与所述第一气管相连，另一端与所述热端换热器相连。
本发明的有益效果是：
一、通过缓冲腔和通孔的设计，引入了径向流动，使得回热器同截面的换热形式由单纯的热传导变成热对流和热传导兼有的换热，在不增加回热器轴向导热的同时，大大强化回热器径向的热传递，能够更快的平衡回热器周向的温度梯度，能有效抑制回热器内的非均匀现象，显著提高制冷机效率，增加低温下的制冷量。
二，通过设置与回热管间隙配合的肋环，使得缓冲腔内的气体不会在热端和冷端间形成对流，且气体在缓冲腔内能沿轴线建立温度梯度。
三、气体的热导率远远低于金属，在相同的温差下，侧面窜气进入分隔管带来的轴向导热比传统的夹杂高热导率金属丝网带来的轴向导热要小的多。
附图说明
图1是现有的斯特林型脉管制冷机的结构示意图；
图2是现有的带有双向进气的斯特林型脉管制冷机的结构示意图；
图3是现有的GM型脉管制冷机的结构示意图；
图4是现有的带有双向进气的GM型脉管制冷机的结构示意图；
图5是本发明低温回热器的局部结构剖视图；
图6是低温制冷机的结构示意图；
图7是另一种低温制冷机的结构示意图。
各附图标记：
1.传输管，2.级冷器，3.回热器，4.冷端换热器，5.脉管，6.热端换热器，7.惯性管，8.气库，9.进气阀，10.进气管，11.第二气管，12.电动阀，13.第一气管，14.分隔管，15.通孔，16.缓冲腔，17.回热管，18.肋环，19.低温回热器。
具体实施方式
如图5所示，一种低温回热器19，包括回热管17，回热管内同轴布置有分隔管14，分隔管14的管壁均布有若干通孔15，分隔管内设有回热填料，分隔管14的外壁具有若干沿周向绕置的肋环18，回热管的内壁与分隔管的外壁之间为缓冲腔16。为了使气体沿分隔管轴线建立温度梯度，肋环18与回热管的内壁之间具有间隙。
回热管和分隔管之间可以通过焊接、螺栓连接、卡接等现有的任意方式进行连接，本实施例回热管与分隔管在端部通过法兰盘固定。
如图6所示，一种低温制冷机，包括依次连接的压缩机、传输管1、级冷器2、低温回热器19、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7和气库8，还包括设有进气阀9的进气管10，进气管一端与传输管相连，另一端与热端换热器相连。
如图7所示，另一种低温制冷机，包括依次连接的级冷器2、低温回热器19、冷端换热器4、脉管5、热端换热器6、惯性管7和气库8，级冷器具有与高压气源相连的第一气管13以及与低压气源相连的第二气管11，第一气管和第二气管均设有电动阀12，还包括设有进气阀9的进气管10，进气管一端与第一气管相连，另一端与热端换热器相连。
本发明的低温回热器通过缓冲腔和通孔的设计，引入了径向流动，使得回热器同截面的换热形式由单纯的热传导变成热对流和热传导兼有的换热，在不增加回热器轴向导热的同时，大大强化回热器径向的热传递，能够更快的平衡回热器周向的温度梯度，能有效抑制回热器内的非均匀现象，显著提高制冷机效率，增加低温下的制冷量；通过设置与回热管间隙配合的肋环，使得缓冲腔内的气体不会在热端和冷端间形成对流，且气体在缓冲腔内能沿轴线建立温度梯度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低温回热器，包括回热管，其特征在于，所述回热管内同轴布置有分隔管，回热管的内壁与分隔管的外壁之间为缓冲腔，所述分隔管的管壁均布有若干通孔，分隔管内设有回热填料。
2.根据权利要求1所述的低温回热器，其特征在于，分隔管的外壁具有若干沿周向绕置的肋环。
3.根据权利要求2所述的低温回热器，其特征在于，所述肋环与回热管的内壁之间具有间隙。
4.根据权利要求3所述的低温回热器，其特征在于，所述回热管与分隔管在端部通过法兰盘固定。
5.一种低温制冷机，包括依次连接的压缩机、传输管、级冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，其特征在于，所述回热器为权利要求1～4中任意一项所述的低温回热器。
6.根据权利要求5所述的低温制冷机，其特征在于，还包括设有进气阀的进气管，所述进气管一端与所述传输管相连，另一端与所述热端换热器相连。
7.一种低温制冷机，包括依次连接的级冷器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器、惯性管和气库，所述级冷器具有与高压气源相连的第一气管以及与低压气源相连的第二气管，第一气管和第二气管均设有电动阀，其特征在于，所述回热器为权利要求1～4中任意一项所述的低温回热器。
8.根据权利要求7所述的低温制冷机，其特征在于，还包括设有进气阀的进气管，所述进气管一端与所述第一气管相连，另一端与所述热端换热器相连。
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