CN104654676B - 一种纳米涂层金属丝网回热器填料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米涂层金属丝网回热器填料，不锈钢钢丝网做成规则片状，在不锈钢钢丝网片上均匀形成纳米涂层，将纳米涂层不锈钢丝网片作为回热器填料，不锈钢钢丝直径为20～50µm，纳米涂层厚度为1～5µm。由于纳米涂层具有高比热容的优点，因此可以提高回热器填料的热容，从而提高低温回热器的回热效率，最终提高了低温制冷机的制冷效率。该纳米涂层金属丝网回热器填料可应用于低温斯特林制冷机和脉管制冷机，工作温区在40～100K。

Description

一种纳米涂层金属丝网回热器填料

技术领域

本发明涉及一种低温回热器，特别涉及一种纳米涂层金属丝网回热器填料。

背景技术

回热器是低温制冷机的关键元件，回热器一端为冷端，另一端为热端，两端具有巨大的温差，回热器依靠回热器填料与交变流动的氦气热交换实现交变蓄热和蓄冷。在低温制冷机(特别是斯特林制冷机和脉管制冷机)的各项损失中，回热器的损失最大，通常回热器损失占总损失的50％以上，回热器通过填料的热容实现气固热交换，回热器损失主要包括回热损失、流阻损失和轴向导热损失，而其中以回热损失最大。回热器填料的比热容越大，理论上回热损失将会降低，因此比热容是在回热器填料的材料选择过程中需要重点考虑的物性参数。

专利CN102937351A公开了一种采用碳纳米回热填料的深低温回热器。该回热器采用在不锈钢管内填充直径小于1微米的碳纳米管、碳纳米纤维素、碳纳米球以及碳纳米金属笼中的任意一种或多种材料组成的碳纳米材料。工作温区在10K及以下时，碳纳米材料具有非常好的吸附能力，由于氦气在液氦温区的体积比热容较高，所以吸附了氦气的碳纳米材料在10K以下较宽的温度范围内也具有较高的体积比热容，同时具有较好的稳定性，是一种具有较高体积比热容的回热填料。与使用传统回热填料的深低温回热器相比可获得具有更高的效率，从而提高了液氦温区脉管制冷机的性能。但该优势仅适用于极低温10K以下，在10K温区以上不适用。同时该碳纳米材料如不进行固化，很容易通过氦气流动而带入压缩机，从而导致低温制冷机失效。

专利CN101799229B公开了一种轴向填料和径向填料混合填充的回热器结构，其主要目的在于减小流动阻力损失，采用的是常规的金属丝网材料。

目前的研究主要是对同一种填料材料的几何参数进行优化，如改变目数、孔隙率，分层数等，或是常规材料的不同搭配。常规的回热器填料一般采用不锈钢丝网或铜丝网，但是由于在低温下不锈钢和铜的比热容下降较快，因此极大地影响了回热器在低温下的回热效率。纳米材料是指颗粒尺寸在1～100nm的材料，由于尺度效应和表面效应，纳米材料比块体材料具有更大的比热容。由于在高频交变流动换热中，丝网表面层材料与氦气进行直接的热量交换，所以回热填料的表面热容很重要。

发明内容

本发明是针对常规的回热器填料不锈钢丝网或铜丝网低温回热效率低的问题，提出了一种纳米涂层金属丝网回热器填料，利用纳米材料的独特热性能，运用于回热器填料中，提高回热器填料的整体比热容，提高回热器的回热效率，进而提高低温制冷机的综合制冷性能。

本发明的技术方案为：一种纳米涂层金属丝网回热器填料，不锈钢钢丝网做成规则片状，在不锈钢钢丝网片上均匀形成纳米涂层，将纳米涂层不锈钢丝网片作为回热器填料，不锈钢钢丝直径为20～50μm，纳米涂层厚度为1～5μm。

所述不锈钢钢丝网片为圆形，目数为150～400目，直径为8～30mm。

所述纳米涂层不锈钢丝网片层叠紧密压实，形成的回热器填料长度为40～70mm，装填入薄壁不锈钢回热器套管内。

所述纳米涂层为纳米铁涂层，利用荷电微粒和带相反电荷聚电解质间的静电引力将纳米铁沉积到不锈钢丝网片表面。

本发明的有益效果在于：本发明纳米涂层金属丝网回热器填料，用纳米涂层金属丝网作为填料，提高回热器填料的整体比热容，提高回热器的回热效率，进而提高低温制冷机的综合制冷性能。

附图说明

图1为本发明纳米涂层金属丝网回热器填料装配后剖视示意图；

图2为本发明纳米涂层金属丝网的示意图；

图3为本发明纳米涂层金属丝网的局部放大图；

图4为纳米铁涂层不锈钢丝网截面示意图。

具体实施方式

如图1所示纳米涂层金属丝网回热器填料装配后剖视示意图，多片纳米涂层不锈钢丝网2叠加后置于回热器中，显示了纳米涂层金属丝网填料在回热器中的装配。纳米涂层金属丝网填料为由一根根具有纳米涂层的金属丝编成的纳米涂层不锈钢丝网2，纳米涂层不锈钢丝网2与薄壁不锈钢回热器套管1内壁紧密接触，工作氦气在纳米涂层不锈钢丝网2中交变流动和换热，实现低温制冷机的回热功能。

每片纳米涂层不锈钢丝网2的目数范围为150～400目，每片丝网的直径为8～30mm，金属丝直径为20～50μm，以保证充分利用回热器填料的热容。将纳米涂层不锈钢丝网2分片层叠装填入薄壁不锈钢回热器套管1内，每片网片填料需要紧密压实，最终形成的回热器填料长度一般为40～70mm。该回热器填料的适合工作温度为40～100K。

如图2为纳米涂层金属丝网示意图，显示了纳米涂层不锈钢丝网2的外形和几何结构，纳米涂层不锈钢丝网2为圆形结构，为不锈钢丝网编织而成，如图3所示局部放大图，纳米涂层不锈钢丝3一般为平纹编织或斜纹编织。纳米涂层不锈钢丝网2并通过特定的层叠层自组装工艺在不锈钢丝网表面形成纳米铁涂层。

图4显示了纳米涂层不锈钢丝3的截面图，由图可见，纳米铁涂层302覆盖在不锈钢丝301表面，二者紧密结合，共同形成回热器填料。

本发明的回热器纳米涂层金属丝网的具体制作顺序为：

1)通过用机械模具冲剪不锈钢丝网，制作圆形不锈钢金属网片；

2)选择合格的不锈钢丝网片，进行丙酮超声波清洗3次，去除杂质和油污，然后把清洗好的网片放入50～100℃的真空烤箱烘烤30分钟，取出网片，放入氮气保护箱内保存，准备进行纳米铁涂层处理；

3)将不锈钢丝网在浓度0.5～5％的聚阳离子电解质溶液浸泡30分钟，清洗；再用0.5～5％的聚阴离子电解质溶液浸泡30分钟，循环4～6次；

4)将带表面荷电的不锈钢丝网在浓度为0.1～2％、pH值为8～10的纳米铁胶体溶液中浸泡、洗涤，交替吸附聚电解质和纳米铁胶体，并在氮气保护下晾干，每步沉积时间为1～2小时，根据需要沉积的纳米涂层厚度，控制沉积时间和循环次数；

5)把已完成纳米铁沉积的不锈钢丝网片放进真空烤箱，烘烤30分钟，烘烤温度为800～100℃，可获得纳米铁涂层不锈钢丝网；

6)把纳米铁涂层不锈钢丝网装配入薄壁不锈钢回热器套管1内，完成回热器的制作。

在40～100K温区内，纳米铁颗粒的比热容较传统回热填料材料(不锈钢、铜、铅、磁性材料)以及大部分金属及其纳米材料高，比不锈钢比热容高70.6％,比铜比热容高42％。因此，本发明选用10～40nm的铁纳米颗粒作为纳米涂层材料，根据实际制冷需要，纳米涂层厚度取为1～5μm。涂覆有纳米铁涂层的不锈钢丝网将具有更高的综合比热容，从而使具有纳米铁涂层的不锈钢丝网回热器在40～100K温区范围内具有更高的回热效率。

回热器套管内的丝网填料可以是斜纹编制或平纹编制，其材质为不锈钢。丝网目数越高，孔隙率越小，会导致制冷剂气体在回热器内的流阻增大；丝网目数越高，比表面积(单位体积的丝网回热面积)越大，可增大丝网与制冷剂气体的换热面积。丝网目数的选择至关重要，在本发明中，回热器填料的丝网目数范围在150～400目之间，从而可保证回热器空容积率在60～80％之间。不锈钢丝网骨架的金属丝直径选为20～50μm，可保证充分利用填料的热容，提高回热填料的回热有效性。所涉及回热器填料的金属网片直径与回热器套管的内直径基本相等，根据低温制冷机设计需要，一般在8～30mm之间选择。

制备纳米铁涂层不锈钢丝网采用层叠层自组装技术，即利用荷电微粒和带相反电荷聚电解质间的静电引力将涂层沉积到基底材料表面。层叠层自组装技术对基底材料的组成、形状和尺寸没有特殊的要求，只要通过基底修饰表面可以带有电荷或者功能性基团即可。该方法操作简便，速度快，对仪器要求不高，而且沉积过程中对涂层的组成、结构和厚度较易控制。

Claims (3)

1.一种纳米涂层金属丝网回热器填料，其特征在于，不锈钢钢丝网做成规则片状，用10～40nm的铁纳米颗粒作为纳米涂层材料，在不锈钢钢丝网片上均匀形成纳米铁涂层，将纳米铁涂层不锈钢丝网片作为回热器填料，不锈钢钢丝直径为20～50µm，纳米铁涂层厚度为1～5µm，该回热器填料的适合工作温度为40～100K。

2.根据权利要求1所述纳米涂层金属丝网回热器填料，其特征在于，所述不锈钢钢丝网片为圆形，目数为150～400目，直径为8～30mm。

3.根据权利要求2所述纳米涂层金属丝网回热器填料，其特征在于，所述纳米铁涂层不锈钢丝网片层叠紧密压实，形成的回热器填料长度为40～70mm，装填入薄壁不锈钢回热器套管内。