CN107603573A - 一种多层复合型回热材料及其应用 - Google Patents

一种多层复合型回热材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层复合型回热材料，该回热材料包括中心的高比热容材料以及均匀覆盖在高比热容材料表面的低导热率材料，所述高比热容材料的形状为球状颗粒或网状。与现有技术相比，本发明既利用高比热容材料比热容大的优点，以提高回热器的回热性能；又利用了低导热率材料热导率低的特点，以减小回热材料的导热损失，最终达到提高制冷机制冷效率的目的，此种多层复合型的回热材料适用于斯特林制冷机、脉管制冷机、GM制冷机等回热式的低温制冷机。

Description

一种多层复合型回热材料及其应用
技术领域
本发明涉及低温回热器的填充材料，具体涉及一种多层复合型回热材料及其应用。
背景技术
很多特殊的物理现象诸如超导电性、生物活性降低等，都是伴随着低温而出现，低温技术正逐渐渗透到医疗、军事、能源等很多领域，是推动社会、科技进步不可或缺的力量。低温制冷机则是低温环境的源头，根据换热器的不同可将低温制冷机分为间壁换热式制冷机和回热式制冷机。其中回热式制冷机的换热器为回热式结构，冷热流体周期性地交替流经回热填料间的微小流道，并与回热器填料换热，回热器填料在每个周期中起着储存和释放热量的作用，从而实现冷热流体间的热量交换。先后发明的斯特林制冷机、脉管制冷机以及G-M制冷机大大促进了回热式制冷机的快速发展，并在各个领域得到广泛应用。
回热器是回热式低温制冷机中的关键部件，承担冷、热流体间周期性换热的任务，其特点在于冷、热流体交替地流经同一流道空间，通过与回热材料的直接接触实现热交换。回热材料的结构形式和热物性是决定回热器性能的关键因素，其结构形式主要影响回热器的空体积、流动阻力以及传热过程，热物性(主要是体积比热容和热导率)则主要影响回热器的换热性能。因此回热器中回热材料的选择与填充方式是提高回热器换热效率与性能的关键。
回热器中回热材料的回热性能可用比热容Cs(单位质量材料温度每升高或降低1K所吸收或放出的热量)、热渗透深度δs(在时间内热量通过回热材料扩散的距离)，和回热材料密度ρs的乘积定量表示。三者乘积的物理意义为单位回热材料面积对应的渗透深度区域温度每变化1K所吸收或放出的热量。因此，在热渗透深度δs和回热材料密度ρs相当的情况下，比热容越大，回热材料的回热性能就会越强。
低温制冷机温度梯度大，轴向导热带来显著的损失。由导热公式可知，当截面积A、长度L和左右两端温差(Th-Tc)保持不变时，热导体的热阻Rh会随着热导率k的减小而增大，则导热量Q减小，进而减小回热器的导热损失。
目前常使用的回热材料为不锈钢网、铜网或铅丸，但由于不锈钢和铜在较低温度下体积比热容下降比较快，比如不锈钢在20K左右时体积比热容仅约为0.09J/(cm3·K)，因此在较低温度下不锈钢丝网的回热效率比较低。而铅在较低温度下则具有较高的比热容，如在20K左右时铅的体积比热容约为0.6J/(cm3·K)，是不锈钢在同温度下体积比热容的6.7倍。
但由于铅的热导率在低温下十分巨大，20K左右约为10W/(m*K)，在4.2K达到更高的250W/(m*K)，将带来显著的导热损失。而不锈钢在20K只有2W/(m*K)，仅为铅热导率的五分之一甚至更低。所以由导热公式可知，在其它参数相同的条件下，不锈钢的导热损失约为铅的导热损失的五分之一。所以需要既具有较高体积比热容，又具有较低热导率的回热材料，才能显著提高回热器的回热效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种比热容高、回热效率高的多层复合型回热材料及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多层复合型回热材料，该回热材料包括中心的高比热容材料以及均匀覆盖在高比热容材料表面的低导热率材料，所述高比热容材料的形状为球状颗粒或网状。本发明采用比热容较高的材料作为主体，从而使得整体具有较高的比热容，能与工质气体充分进行热交换，提高会热效率；同时，在其外层覆盖低导热率的材料，可以提高整体的热阻，降低由于热导而造成的导热损失，进而提高制冷机的综合性能。
所述的高比热容材料包括铅或磁性蓄冷材料。
所述的高比热容材料优选为铅。
所述的磁性蓄冷材料为在低温下具有磁性相变蓄冷的材料，包括钬化铜、铒镍系列、Gd-Sb。
所述的低导热率材料包括不锈钢、镍、钛、锡、尼龙或含氟塑料中的一种。
所述的低导热率材料优选为不锈钢。
当所述的高比热容材料为球状颗粒时，所述球状颗粒的直径为0.05～1mm，并紧凑均匀的填充在回热器套管内；
当所述的高比热容材料为网状时，高比热容材料呈丝状并编制成网，所述丝状高比热容材料的直径为0.01～0.06mm，网状回热材料的目数为100～1000目，且网状回热材料呈圆形。
所述低导热率材料的厚度为球状颗粒高比热容材料半径的1％～10％，或所述低导热率材料的厚度为丝状高比热容材料半径的1％～10％。
所述的低导热率材料通过电镀或高温烧结的方式均匀覆盖在高比热容材料表面。常规回热器的功能是在充分回热的条件下尽量减小流阻损失和轴向导热损失，取得减小回热损失和功损失的最佳的回热功能。然而以上功能的实现存在矛盾之处，包括回热与流动之间、回热与导热之间。因为高回热性能要求材料比热容大、水力直径小、导热系数大，低流动损失要求水力直径大，低导热损失要求导热系数小、接触热阻大。因此各方面平衡的结果是采用比热容大、水力直径与热渗透深度相当、导热系数小、降低单层厚度的方法。热渗透深度与频率的平方根成正比，因此水力直径、材料直径基本与频率的平方根成正比。例如低频的1Hz的GM制冷机、GM型脉管制冷机所用材料HoCu2在2K低温下的热渗透深度可达到2.5mm，材料常选用0.3-1mm的丸状填料，在室温下常采用100-300目的不锈钢丝网，丝径为0.04-0.06mm，孔隙率为0.65-0.7；而高达1kHz的超高频脉管制冷机，采用不锈钢丝网材料的热渗透深度在室温下小至0.037mm，是普通30Hz工况下热渗透深度的1/6至1/5，相应的回热材料为直径0.01mm左右的不锈钢丝网，目数为800-1000。工作在30Hz左右的高频脉管制冷机在20K以下采用HoCu2等丸状材料，热渗透深度为0.2-0.4mm，常用直径在0.05-0.15范围内。
对于回热与导热之间的平衡，导热系数取决于所用材料自身的物性，而高回热材料往往导热系数较大，这一矛盾也许只有通过本案例的复合型才能解决。低导热涂层将降低层与层之间的导热。该涂层厚度可低至1％，相应对丝状、丸状填料原有材料的替换率低于2％、3％，对原有高热容的影响非常小；当涂层厚度增加至高于10％，则对丝状、丸状填料原有材料的替换率将超过19％、27％，对热容影响将变得比较显著，因此这里将涂层厚度控制在1％至10％。
一种如上所述多层复合型回热材料的应用，该回热材料用于制成制冷机中回热器的填充材料，所述制冷机为回热式低温制冷机，包括斯特林制冷机、脉管制冷机或GM制冷机中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：用高比热容材料作为回热材料的主体，使整体具有较高的比热容，能与工质气体充分进行热交换，提高回热器的回热效率；将低导热率材料覆盖于高比热容材料表面，可以提高整体的热阻，降低由于热导而造成的导热损失，进而提高制冷机的综合性能。
附图说明
图1为实施例1中球状颗粒型回热材料的结构示意图；
图2为实施例1中回热材料的装配示意图；
图3为实施例2中网状回热材料的结构示意图；
图4为实施例2中回热材料的装配示意图。
其中，1为铅，2为不锈钢，3为回热器。
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
当把铅1制成铅丸状，并在铅1的外侧通过喷镀覆盖不锈钢2，如图1所示，每粒铅丸的直径在0.1-1mm范围内；这样能保证回热材料与气体工质之间有足够大的换热面积，以充分利用回热材料的热容，提高回热器的回热性能，同时，利用低导热率的金属不锈钢2对高比热容金属铅1进行涂层，以达到同时提高回热性能和减少导热损失的目的。具体的制备方法如下：
(1)喷镀前准备工作：先清除铅表面的氧化膜等杂质，然后将铅加工成所需要的颗粒状，并对不锈钢丝进行软化退火；
(2)金属喷镀：将不锈钢丝加热熔化后喷射到铅表面，形成厚度约为铅直径的1％-20％的不锈钢涂层。
(3)加工处理：对喷镀后的材料进行热处理和机械微加工，以加强喷镀层与基体间的结合强度并达到一定精度。
如图2所示，回热材料紧凑均匀地填充于回热器3中，工质气体流经回热器时与回热材料充分接触，从而进行充分的热量交换，使左边的较高温气体被回热材料吸收大量热量温度降低，由右边流出达到制冷效应；制冷后的气体由右边流入并吸收回热材料中的热量温度上升，回到上一级脉管中进行循环。
实施例2
把铅1编织成丝网状，如图2所示，每片铅网的目数为100-1000目，且铅网呈圆形，并在每根铅丝的外侧喷镀不锈钢2。
如图4所示，网状的回热材料紧凑均匀地填充于回热器3中，工质气体流经回热器时与回热材料充分接触，从而进行充分的热量交换，使左边的较高温气体被回热材料吸收大量热量温度降低，由右边流出达到制冷效应；制冷后的气体由右边流入并吸收回热材料中的热量温度上升，回到上一级脉管中进行循环。

Claims (10)

1.一种多层复合型回热材料，其特征在于，该回热材料包括中心的高比热容材料以及均匀覆盖在高比热容材料表面的低导热率材料，所述高比热容材料的形状为球状颗粒或网状。
2.根据权利要求1所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述的高比热容材料包括铅或磁性蓄冷材料。
3.根据权利要求2所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述的高比热容材料为铅。
4.根据权利要求2所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述的磁性蓄冷材料为在低温下具有磁性相变蓄冷的材料，包括钬化铜、铒镍系列、Gd-Sb。
5.根据权利要求1所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述的低导热率材料包括不锈钢、镍、钛、锡、尼龙或含氟塑料中的一种。
6.根据权利要求5所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述的低导热率材料为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，当所述的高比热容材料为球状颗粒时，所述球状颗粒的直径为0.05～1mm；
当所述的高比热容材料为网状时，高比热容材料呈丝状并编制成网，所述丝状高比热容材料的直径为0.01～0.06mm，网状回热材料的目数为100～1000目，且网状回热材料呈圆形。
8.根据权利要求7所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述低导热率材料的厚度为球状颗粒高比热容材料半径的1％～10％，或所述低导热率材料的厚度为丝状高比热容材料半径的1％～10％。
9.根据权利要求1所述的一种多层复合型回热材料，其特征在于，所述的低导热率材料通过电镀或高温烧结的方式均匀覆盖在高比热容材料表面。
10.一种如权利要求1～9任一所述多层复合型回热材料的应用，其特征在于，该回热材料用于制成制冷机中回热器的填充材料，所述制冷机为回热式低温制冷机，包括斯特林制冷机、脉管制冷机或GM制冷机中的一种。
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