CN108931081B - 一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，包括以下步骤：(1)将回热材料和孔隙材料制成丸状，然后根据孔隙率的要求将回热材料和孔隙材料均匀混合；(2)加热使孔隙材料挥发，或加入溶剂将孔隙材料溶解，然后加热，使得回热材料烧结，即得所述可变孔隙率的丸状回热器填料。与现有技术相比，本发明既利用了丸状材料相比于网状材料具有更高填充率的优点，提高回热效率；又可控制回热填料的孔隙率，从而控制回热器的流阻损失，综合这两方面的特点，提高制冷机工作效率。

Description

一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法

技术领域

本发明涉及填料技术领域，具体涉及一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法。

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。低温制冷机则是获得低温环境的源头，随着低温制冷技术的不断发展，回热式低温制冷机的应用也越来越为广泛，该制冷机是依靠气体绝热膨胀的原理来制取冷量的。回热器作为回热式低温制冷机的关键部件，承担冷、热流体间周期性换热的任务，它的特点在于冷、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。而通常一台斯特林制冷机中回热器导致的冷量损失达到制冷机总损失的50％以上，因此回热器的工作效率对制冷机的整体性能具有重要的影响。

在50K以下的温区，铜和不锈钢等常用回热材料的比热容随温度降低而迅速减小，难以实现有效的回热。因而在50-15K温区常使用铅作为回热材料，在15K以下则常采用磁性材料作为回热器填料。在实际制作过程中，铅和磁性材料为脆性材料，难以制作成丝网状，因而多以丸状填料的形式出现在低温制冷机的回热器中。对于颗粒大小相同且填充均匀的丸状填料，其孔隙率与颗粒的大小和材料都无关，极限值为0.3。而回热器中的流阻损失是其内部填充材料孔隙率的函数，在管径、流速等条件不变的情况下一般随着孔隙率的增大而减小。因此对于50K以下低温的回热式制冷机而言，由于一般只能使用由铅或磁性材料制成的丸状回热材料，且孔隙率极限值为0.3，所以如何通过增大丸状回热材料孔隙率来降低回热器流阻损失则成了一大难题。

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可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将回热材料和孔隙材料制成丸状，然后根据孔隙率的要求将回热材料和孔隙材料均匀混合；

(2)加热使孔隙材料挥发，或加入溶剂将孔隙材料溶解，然后加热，使得回热材料烧结，即得所述可变孔隙率的丸状回热器填料。

本发明通过将回热材料与孔隙材料制成丸状，然后通过挥发或溶解的方式将孔隙材料去除，从而使得回热材料之间留出空隙，提高填料的孔隙率。而且，通过调整回热材料与孔隙材料的粒径大小或者质量比例，使得孔隙率可调。制备的最后一步，是迅速加热，一方面回热材料略有膨胀，并通过回热材料相互之间存在的摩擦力，可以避免因孔隙材料的流失而引起的塌陷，另一方面使得回热材料表面部分融化，然后使得回热材料烧结成一个整体。

优选的，所述的回热材料选自于磁性蓄冷材料或铅。更优选的，磁性蓄冷材料选用Er₃Ni或DyNi₂。

优选的，所述回热材料制成丸状后的直径为0.01～1mm。

所述的孔隙材料为固体状低沸点材料或溶于有机溶剂的固体状材料，当孔隙材料为固体状低沸点材料时，步骤(2)通过加热使孔隙材料挥发，当孔隙材料为溶于有机溶剂的固体状材料时，步骤(2)通过加入溶剂将孔隙材料溶解。

所述的固体状低沸点材料包括松香、萘或锡。

所述溶于有机溶剂的固体状材料包括萘或松香。

所述有机溶剂包括乙醇或丙酮。

所述的孔隙材料制成丸状后的直径为0.01～1mm。

所述的回热材料与孔隙材料的质量比例为1：(0.01～10)。

该填料应用于斯特林制冷机、脉管制冷机、GM制冷机等回热式的低温制冷机中。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

利用回热材料在低温区具有较大比热容的优点，使回热材料在去除孔隙材料后整体仍具有较好的换热性能；利用孔隙材料易于去除的优点，通过去除孔隙材料使回热材料的孔隙率增大，从而降低制冷工质在回热器中的流阻损失。因此能够提高回热器的回热效率，进而提高回热式低温制冷机的综合性能。

附图说明

图1为几种回热器填料和⁴He工质在30K以下温区的比热容比较图；

图2为本发明可变孔隙率的丸状回热器填料的装配示意图；

图3为本发明可变孔隙率的丸状回热器填料的丸状颗粒示意图。

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2所示，回热材料紧凑均匀地填充于回热器中，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。

将回热器填料制成如图3所示的丸状颗粒，其为丸状的回热材料和可去除材料均匀混合后并去除其中的可去除材料后得到的回热器填料，直径约为0.01mm-1mm。较小的直径的填料比表面积大，能使回热器填料与制冷工质有充分的换热面积，以提高回热器的回热性能。

本发明中，主要是利用在低温下具有高比热容的铅丸或磁性材料(其比热容如图1所示)和易去除的材料分别制成丸状颗粒后，并固定在一起，再去除其中的可去除材料，并通过一定的方法使去除后的材料固定，以达到在保证足够高比热容的同时增大丸状回热材料孔隙率的目的。这里以加热去除和固定为例，说明去除可去除材料和固定的过程。如下：

(1)按一定的比例将直径为0.01mm-1mm的丸状可去除材料和回热材料均匀紧凑地固定在一起；

(2)将步骤(1)得到的固定后的材料加热，并达到可去除材料的挥发点，使其中的可去除材料彻底挥发去除；

(3)将步骤(2)得到的去除可去除材料后的回热材料继续加热至回热材料的接近熔点的温度，并使部分回热材料表面熔融，接触的部分粘接在一起，再冷却凝结，以达到固定回热材料的目的(类似于烧结)；

(4)将步骤(3)得到的孔隙率变化后的回热材料填充于回热器脉管中，即可作为回热器填料使用。

(5)在极限孔隙率0.3的多孔填料中把需要减小的填充率用可去除材料代替，例如制取孔隙率0.4(填充率0.6)的材料，则填充占总体积0.1的可去除材料。相应的体积比热容降低1/7。但总的热容可满足很多一些工况的要求。

Claims (9)

1.一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将回热材料和孔隙材料制成丸状，然后根据孔隙率的要求将回热材料和孔隙材料均匀混合；

(2)加热使孔隙材料挥发，或加入溶剂将孔隙材料溶解，然后加热，使得回热材料烧结，即得所述可变孔隙率的丸状回热器填料。

2.根据权利要求1所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述的回热材料选自于磁性蓄冷材料或铅。

3.根据权利要求2所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述回热材料制成丸状后的直径为0.01～1mm。

4.根据权利要求1所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述的孔隙材料为固体状低沸点材料或溶于有机溶剂的固体状材料，当孔隙材料为固体状低沸点材料时，步骤(2)通过加热使孔隙材料挥发，当孔隙材料为溶于有机溶剂的固体状材料时，步骤(2)通过加入溶剂将孔隙材料溶解。

5.根据权利要求4所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述的固体状低沸点材料包括松香、萘或锡。

6.根据权利要求4所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述溶于有机溶剂的固体状材料包括萘或松香。

7.根据权利要求6所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括乙醇或丙酮。

8.根据权利要求4～7任一所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述的孔隙材料制成丸状后的直径为0.01～1mm。

9.根据权利要求1所述的一种可变孔隙率的丸状回热器填料的制备方法，其特征在于，所述的回热材料与孔隙材料的质量比例为1：(0.01～10)。

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