CN1757992A - 一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器 - Google Patents

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陈曦
吴亦农
陈楠
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Abstract

一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器，包括一个由内套和外套构成的用于斯特林制冷机热端散热器与膨胀腔彼此连通的环形连接通道，在环形连接通道的二端各有一个固定内套和外套的环形封头；在环形连接通道内，在二环形封头之间依次置有导流板/数层叠放的环形金属丝网片/导流板。所说的环形封头和导流板上开有均布的气流通孔。本发明的最大优点是：采用封头和导流板使气体进出流动均匀，从而提高气流与丝网的热交换效率，并且可降低进出口气体的局部流动阻力。采用叠层金属丝网片，丝网目数和蓄冷器空容积率可控，可综合考虑流阻和换热面积，使蓄冷器的效率达到较好。

Description

一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器
技术领域
本发明涉及蓄冷器，具体是指一种用于大冷量斯特林制冷机的环形蓄冷器。
背景技术
斯特林制冷机是采用气体膨胀制冷的闭式循环，由压缩单元与膨胀单元无阀连通而成。自问世以来受到了航天、军事等部门的青睐，现已广泛应用于光电子、电子、真空等诸多领域。
蓄冷器(又称回热器)是斯特林制冷机中的重要部件，其效率的高低对制冷机的制冷性能影响很大。对于小型斯特林制冷机，一般把蓄冷器和膨胀活塞集成在一起，即在膨胀活塞内部填充金属丝网作为蓄冷器。而大制冷量的斯特林制冷机，考虑到机械的动力学优化匹配，膨胀活塞的重量不宜过重，因而不采用金属丝网填充在膨胀活塞内部，而是把蓄冷器单独置于膨胀气缸外侧。
美国专利，专利号：US6591609B2，该环形蓄冷器的结构如图1所示，环形壳体内部填充有缠绕成不规则形状的金属导电丝，再用导电容液对金属丝网的节点焊接。这种结构的缺点是容易造成金属丝网填充不均匀，影响换热效果。
发明内容
本发明的目的是要提供一种用在大制冷量斯特林制冷机中的换热效果好，制作容易的环形蓄冷器。
本发明的环形蓄冷器，包括一个由内套和外套构成的用于斯特林制冷机热端散热器与膨胀腔彼此连通的环形连接通道，在环形连接通道的二端各有一个固定内套和外套的环形封头；在环形连接通道内，在二环形封头之间依次置有导流板/数层叠放的环形金属丝网片/导流板。所说的环形封头上开有均布的气流通孔；所说的导流板上也开有均布的气流通孔。
环形蓄冷器在斯特林膨胀机中的工作过程是：氦气由热端散热器进入环形蓄冷器，工作气体在蓄冷器中流动的顺序是：封头——导流板——金属丝网片——导流板——封头。工作气体氦气对金属丝网放热，然后进入膨胀腔膨胀制冷；低温氦气再由膨胀腔进入环形蓄冷器，从丝网吸热，之后进入热端换热器和压缩腔，完成一个交变循环过程，从而使制冷机冷头获得源源不断的冷量。
本发明的优点是：
1.采用封头和导流板使气体进出流动均匀，从而提高气流与丝网的热交换效率，并且可降低进出口气体的局部流动阻力。
2.采用叠层金属丝网片，丝网目数和蓄冷器的空容积率可控，可综合考虑流阻和换热面积，使蓄冷器的效率达到较好。
附图说明
图1已有专利蓄冷器的结构示意图
图2为本发明的环形蓄冷器的剖面结构示意图；
图3为本发明的环形蓄冷器封头的结构示意图；
图4为本发明的环形蓄冷器导流板的的结构示意图；
图5为本发明的环形丝网的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：环形蓄冷器，包括一个由内套1和外套2构成的用于斯特林制冷机热端散热器与膨胀腔彼此连通的环形连接通道3，在环形连接通道的二端各有一个固定内套和外套的环形封头4；在环形连接通道内，在二环形封头之间依次置有导流板5/数层叠放的环形金属丝网片6/导流板5。所说的环形封头上开有均布的气流通孔401；所说的导流板上也开有均布的气流通孔501。
蓄冷器的内套1和外套2采用聚酰亚胺合成材料制作，这种材料具有较大的强度和硬度以及极低的热膨胀系数，导热系数低，适合工作温度20K～300K。
环形封头采用硬铝材料，二个环形封头的作用是：a.起定位作用，保证蓄冷器内外套的同心，同轴；b.在交变工作气体流动下，使金属丝网和导流板保持稳定。
导流片采用硬铝材料，导流片上打有均匀分布的小孔，其作用在于调节工作气体进出流动的均匀性，从而提高气流与丝网的热交换效率，并且可降低进出口气体的局部流动阻力。
金属丝网片可以是磷青铜丝网或者不锈钢丝网，有平纹和斜纹二种编织方式。丝网目数越高，空隙率变小，会导致氦气在蓄冷器内的流阻增大；丝网目数越高，比表面积(单位体积的丝网换热面积)变大，可增大丝网与氦气的换热面积。丝网目数选择及其重要，综合考虑流阻和换热面积，对于斯特林制冷机，丝网目数选择范围在150目～350目之间。蓄冷器空容积率在65％～80％之间。金属丝径一般0.04mm～0.1mm之间选择，随制冷温度降低丝径选择偏向小丝径。金属丝网片采用冲压一次成形。内外圆的同心度要求在10μm以内。
加工好所有的零部件后，装配时，采用低温胶先将一个封头和蓄冷器外套及内套粘合，固化后，放入一片导流板，再逐片装入金属丝网片，金属丝网片层数以放满连接通道为限，不宜加力压紧，最后再放入一个导流板，再采用低温胶将另一个封头与蓄冷器内套、外套粘合，从而组成了一个环形蓄冷器。在装配制冷机的时候把环形蓄冷器装在薄壁膨胀气缸外侧。
本实例中的蓄冷器参数为：内径41mm，外径65mm，总长62mm，丝网高度48mm；内套、外套壁厚为2mm，丝网材料为不锈钢，丝径为0.063mm，平纹编织网孔尺寸为0.106mm，填充的丝网空容积率为0.75。该蓄冷器已成功用于40W，制冷温度为200K的自由活塞斯特林制冷机中。

Claims (4)

1.一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器，包括一个由内套(1)和外套(2)构成的用于斯特林制冷机热端散热器与膨胀腔彼此连通的环形连接通道(3)，其特征在于：
在环形连接通道的二端各有一个固定内套和外套的环形封头(4)；在环形连接通道(3)内，在二环形封头(4)之间依次置有环形导流板(5)/数层叠放的环形金属丝网片(6)/环形导流板(5)；所说的环形封头(4)上开有均布的气流通孔(401)；所说的环形导流板(5)上也开有均布的气流通孔(501)。
2.根据权利要求1的一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器，其特征在于：所说的内套(1)和外套(2)采用聚酰亚胺合成材料制作。
3.根据权利要求1的一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器，其特征在于：所说的环形封头(4)和环形导流板(5)采用硬铝材料制作。
4.根据权利要求1的一种用于斯特林制冷机的环形蓄冷器，其特征在于：所说的环形金属丝网片层数以放满连接通道为限。
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