CN106152629B - 用于回热式低温制冷机的多流程回热器 - Google Patents

Abstract

一种用于回热式低温制冷机的回热器，包括沿回气管从内而外同轴设置的内部热阻隔层和外部热阻隔层，以及从内而外填充在两个热阻隔层径向分成的三个区域内的低温段填料、中温段填料和高温段填料；两个热阻隔层构成了回热器的三流程结构，减小了回热器整体的轴向温度梯度，降低轴向导热损失；回热器填料逐级递增的孔隙率有效降低了流阻损失，增加了换热面积，降低不充分换热损失；大于氦气容积比热的回热器填料提高了低温制冷机的制冷性能。

Description

用于回热式低温制冷机的多流程回热器

技术领域

本发明涉及的是一种回热器领域的技术，具体是一种用于回热式低温制冷机的多流程回热器。

背景技术

回热式低温制冷机是一种依据气体绝热膨胀导致温度降低的原理来获取冷量的机械设备，目前广泛应用于航天航空、国防军事、高温超导、医疗设备等领域，例如空间技术中的光电遥感元件的冷却、电工技术中的高温超导变压器的冷却、医学领域中的核磁成像仪和低温医疗冷刀等。

回热器是回热式低温制冷机的核心部件，在低温制冷机的工作过程中，冷热气流交替流过回热器，以回热器填料为中介实现冷热气流之间的热量交换，起到储存和回收冷量的作用，并且建立起制冷机冷端(腔)与热端(腔)之间较大的温度梯度。

由于在低温制冷机中，通过回热器的传热量要比制冷机本身的冷量大10～50倍，故其换热性能对低温制冷机的性能有决定性影响，研究表明只有在回热器的换热效率达到99％以上，才能获得良好的制冷性能。通常一台G－M制冷机回热器导致的冷量损失占总损失的55％～60％，主要包括回热损失、回热器填料对气体流动阻力造成的压力损失和轴向导热损失等，故回热器的优化方向就是在提高回热效率的基础上，降低流阻，减少轴向导热和空容积。

当前常见的回热器多为单流程回热器，冷气流在制冷机冷端(腔)和热端(腔)之间为一维轴向流动，即热气流从热端沿轴向经过回热器填料直接到达冷端，或冷气流从冷端沿轴向经过回热器填料直接到达热端。这种单流程的结构形式会导致热端和冷端之间产生巨大的轴向温度梯度(通常在2000K/m以上)，造成回热器轴向导热的较大损失，降低了回热器性能。另一方面，现有的回热器多采用单一的填充材料(如磷青铜网、铅丸和磁性材料)，且回热器孔隙率通常是固定的，而不是根据流体和工质填料在回热器热端和冷端显著的热力性质差异来选择合适的孔隙率，无法使得回热器工作在最优状态，降低了回热器效率。

经过对现有技术的检索发现中国专利文献号CN101936630A公开(公告)日2011.01.05，公开了一种制冷机技术领域的低温制冷机回热器整流元件，包括：导流层、整流层和过渡层，其中：以过渡层为中心，两侧对称布置整流层和导流层，气流通过回热器及所述整流元件做往复交替运动。该技术以改善蓄冷材料的充填方式，从而达到改善回热器内部气流分布，提高回热器换热效率的目的。低温制冷机回热器内部加装此整流元件后，制冷机的冷量可提高30％，制冷机的运行效率得到了显著的改善。但该技术结构复杂，整流元件的使用会在一定程度上增加了回热器的流动阻力、减少了蓄冷材料的填充空间，也无法减少回热器的轴向导热损失。

中国专利文献号CN203881010U公开(公告)日2014.10.15，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。但该技术缓冲腔的设置增加了回热器的体积，减少了蓄冷材料的填充空间，虽然分隔管的管壁上若干通孔的设置在一定程度上强化了回热器的径向热传导，但更多的是增加了流动阻力损失。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于回热式低温制冷机的多流程回热器，丰富了填充材料和孔隙率的选择，减小了轴向温度梯度，从而减少了回热器的轴向导热损失和流阻损失，有效提高了回热器的换热效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于回热式低温制冷机的回热器，包括：回热器填料、沿回气管从内而外同轴设置的内部热阻隔层和外部热阻隔层，其中：两个热阻隔层将回热器内部空间径向分为三个区域，区域内填充回热器填料。

所述的回热器填料包括低温段填料、中温段填料和高温段填料，在回热器内从内而外依次填充。

所述的热阻隔层的厚度为0.2～1mm，采用隔热材料，如聚四氟乙烯或聚酰亚胺。

所述的热阻隔层可采用圆筒状结构。

所述的回热器填料的孔隙率范围为56％～93％，作为优选，低温段填料、中温段填料和高温段填料孔隙率依次递增。

所述的回热器填料为磷青铜丝网、不锈钢丝网、铅丸、磁性蓄冷材料或其组合。

所述的回热器填料任一温区填料的容积比热均大于氦气的容积比热。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过使用同轴设置的两个热阻隔层，将回热器内部空间径向划分为低温段、中温段和高温段三个填料区域，形成回热器的三流程结构。

两个热阻隔层的存在隔断了从热端到冷端的直接轴向热传递，大大减小了回热器整体的轴向温度梯度，降低了回热器的轴向导热损失。

本发明通过采用孔隙率逐级变化的回热器填料，提高高温段填料的孔隙率有效降低了流阻损失，降低低温段的孔隙率有效增加了换热面积，降低了不充分换热损失。

不同温区的填料的容积比热均大于氦气的容积比热，提高了低温制冷机的制冷性能。

附图说明

图1为圆筒状热阻隔层的组合剖面示意图；

图2为实施例1结构示意图；

图3为实施例2结构示意图；

图中：1为外部热阻隔层，2为内部热阻隔层，3、6为高温段填料，4、7为中温段填料，5、8为低温段填料。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例包括：圆筒状从内而外同轴设置的内部热阻隔层2和外部热阻隔层1，将回热器内部划分为三个环状区域，从内而外分别填充低温段填料5、中温段填料4和高温段填料3。

所述的热阻隔层1和2的厚度均为0.5mm，材料采用聚四氟乙烯，在尽量不减少回热器蓄冷材料填充空间的同时保证了良好的热阻隔效果。

所述的低温段填料5、中温段填料4和高温段填料3均采用磷青铜丝网，孔隙率分别为63％、75％和90％，通过提高高温段填料的孔隙率有效降低了流阻损失，降低低温段的孔隙率有效增加了换热面积，降低了不充分换热损失。

本实施例以热端进气、冷端出气为例：从热端进入的热气流首先轴向向下经过高温段填料3，经径向进入中温段填料4后沿轴向向上，再经径向进入低温段填料5后沿轴向向下，形成三流程结构。

在流动过程中，回热器填料不断吸收沿途气流的热量，使得气流温度不断降低，最终冷端排出的为温度极低的冷气流。

实施例2

如图1和图3所示，本实施例包括：圆筒状从内而外同轴设置的内部热阻隔层2和外部热阻隔层1，将回热器内部划分为三个环状区域，从内而外分别填充低温段填料8、中温段填料7和高温段填料6。

所述的热阻隔层1和2的厚度均为0.7mm，材料采用聚酰亚胺。

所述的低温段填料8、中温段填料7和高温段填料6分别采用磁性蓄冷材料、铅丸和磷青铜丝网，孔隙率分别为59％、74％和88％。

本实施例以冷端进气、热端出气为例：从冷端进入的冷气流首先轴向向上经过低温段填料8，经径向进入中温段填料7后沿轴向向下，再经径向进入低温段填料6后沿轴向向上，形成三流程结构。

在流动过程中，沿途气流不断吸收回热器填料的热量，使得气流温度不断上升，最终热端排出的为温度较高的热气流。

Claims (3)

1.一种用于回热式低温制冷机的回热器，其特征在于，包括：回热器填料、沿回气管从内而外同轴设置的内部热阻隔层和外部热阻隔层，其中：两个热阻隔层将回热器内部空间径向分为三个区域，区域内填充回热器填料；

所述的两个热阻隔层均为圆筒状结构；

所述的回热器填料包括低温段填料、中温段填料和高温段填料，在回热器内从内而外依次填充且低温段填料、中温段填料和高温段填料孔隙率依次递增。

2.根据权利要求1所述的用于回热式低温制冷机的回热器，其特征是，所述的回热器填料为磷青铜丝网、不锈钢丝网、铅丸、磁性蓄冷材料或其组合。

3.根据权利要求1所述的用于回热式低温制冷机的回热器，其特征是，所述的回热器填料在任一区域内填料的容积比热均大于氦气的容积比热。