CN201463425U - 一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其制冷机。采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是在不锈钢管内填充有丝径为2μm-15μm的不锈钢纤维构成高频回热器，在300K-80K温区的工作频率为150Hz-1000Hz，在80K-35K温区的工作频率为100Hz-1000Hz。这种新型的高频回热器不仅可以应用于80K温区单级脉管制冷机，也可以应用在35K温区多级热耦合或气耦合脉管制冷机。不锈钢纤维具有比传统不锈钢丝网更小的丝径，能够形成更小的流体通道，可以使得回热器在300K-80K温区，150-1000Hz的高频工况下，或者在80K-35K温区，100-1000Hz的高频工况下，高效工作。脉管制冷机中各个变径处采用锥形过渡段结构，并填充紫铜丝绒以减小锥形过渡段的死体积，从而提高制冷机性能。

Description

一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其脉管制冷机
技术领域
本实用新型涉及制冷机，尤其涉及一种不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其脉管制冷机
背景技术
从上世纪八十年代以来，随着国防军事、环境、商业、医学、交通运输、能源、农业和生物、工业、科学研究诸多领域对低温环境的需求的产生，使得低温制冷机在理论和实用化上都得到了迅速的发展。不断出现的新的应用，对低温制冷机的效率和可靠性、体积和重量、以及振动和电磁干扰等提出了越来越高的要求。
脉管制冷机最早由Gifford和Longsworth在上个世纪六十年代中期提出。但是由于其较低的效率而一直没有得到较大的发展。直到八十年代中期，脉管制冷机才逐渐开始吸引研究者的热情，一系列改进的提出使得其效率得到迅速的提升。由于在冷端没有运动部件，脉管制冷机较之斯特林制冷机和G-M制冷机，具有结构简单、成本低、机械振动小、可靠性高、寿命长等优点。这使得脉管制冷机可以与各种器件配合形成小型特种仪器，在军事武器(如夜视仪)，超导技术(如SQUID器件)，科研及工业(如红外热像仪)，医疗仪器设备(如医用局部MRI)，移动通信基站(如超导滤波器)等领域具有较大的优越性和广泛的应用前景。
根据驱动方式不同，脉管制冷机主要可分为G-M型脉管和斯特林型脉管两种形式。前者由G-M压缩机(有阀压缩机)通过旋转阀驱动制冷机，其工作频率一般在9Hz(主要由于旋转阀速度的限制)以下。而后者使用曲柄连杆或直线压缩机(无阀压缩机)驱动，工作频率一般在30Hz以上。
斯特林型脉管制冷机由于采用较高的频率和无阀压缩机，较之G-M型具有效率高(2倍-5倍)、体积小(5倍以上)、重量轻(5倍以上)等优势，因此主要在空间和军事方面得到广泛应用，近年来也逐步向民用方面拓展。
在输入功不变的情况下，更高的工作频率能有效地减小斯特林型脉管制冷机的冷头和压缩机的大小、重量，加快降温速率，这对于军事、空间等要求制冷机微型化的应用场合具有重要意义。近几年来，100Hz以上的高频斯特林脉管制冷机已成为脉管制冷机的重要研究方向之一。
为了使得斯特林型脉管制冷机的回热器在100Hz，甚至更高的频率下仍然具有较高的效率，必须满足以下要求：
1.回热材料的特征尺寸必须小于材料的热渗透深度，即Dm＜δtm，以确保回热材料的热容能够充分利用。
2.回热材料形成的流道的水力直径必须小于流体工质的热渗透深度，即Dh＜δtg，以确保工质的充分换热。
表1常用不锈钢丝网的尺寸参数
Figure G2009201239052D00021
如图4所示，80K，3.5MPa下，氦气工质和不锈钢回热材料的热渗透深度随着工作频率的升高而减小。
图5和图6分别给出了不同频率下，不锈钢和氦气热渗透深度随温度的变化曲线，并分别与常用不锈钢丝网的丝径和水力直径的比较。80K时，氦气在150Hz，5MPa时的热渗透深度为31.88μm，与635目丝网的水力直径30.58μm相当。但是当频率高于150Hz，压力高于5.0MPa时，氦气的热渗透深度将小于635目丝网的水力直径(当量直径)。例如频率为300Hz，压力为7.0MPa时，氦气的热渗透深度仅为19.68μm，远小于635目丝网的水力直径。随着温度的降低，氦气的热渗透深度也迅速下降，使得在35K，120Hz，3.5MPa时氦气的热渗透深度为21.99μm，也已小于635目丝网的水力直径。
可见，限制不锈钢丝网为回热材料的回热器在高频下获得较高效率的原因主要在于：高频(常匹配以高压)下，常用不锈钢丝网的水力直径相比氦气的热渗透深度大，使得低温下氦气工质与不锈钢丝网未能获得良好的换热，从而使得制冷机无法获得较高的效率。
由于编织工艺的限制，常规的不锈钢丝网填料所能达到的极限是635目。在80K温区，635目不锈钢丝网不能满足频率在150Hz以上回热器的换热要求；在35K温区，635目不锈钢丝网不能满足频率在100Hz以上回热器的换热要求。
而目前不锈钢纤维的最小丝径可达2μm。参照不锈钢丝网的统计计算方法，得到不同空隙率下形成的流道水力直径，如附图7所示。由于不锈钢纤维的丝径比不锈钢丝网的丝径小的多，因此在填充率较小，即空隙率较大的情况下仍然能够获得比不锈钢丝网更小的水力直径。如附图8所示，在空隙率为0.7时，丝径8μm以下的不锈钢纤维形成的流道水力直径均小于80K，300Hz，7.0MPa时氦气工质的热渗透深度，足以满足该工况下回热器的有效换热。丝径为2μm的不锈钢纤维在空隙率为0.7时的水力直径仅为4.67μm，足可以满足回热器在300K-80K和80K-35K温区，1000Hz，10.0MPa工况下的高效运行。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术、工艺的不足，提供一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其脉管制冷机。
采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是：在不锈钢管内填充有丝径为2μm-15μm的不锈钢纤维构成回热器，回热器在300-80K温区的工作频率为150Hz-1000Hz，在80K-35K温区的工作频率为100Hz-1000Hz。
一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机包括一级压缩机、一级回热器热端换热器、一级回热器、一级冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器和一级调相机构，一级压缩机、一级回热器热端换热器(HX1)、一级回热器、一级冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器和一级调相机构依次连接，一级回热器热端换热器入口、一级回热器出口、一级冷端换热器入口以及一级脉管热端换热器出口变径处设有锥形过渡段，锥形过渡段中填充紫铜丝绒，一级回热器中填充的回热材料为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，工作频率为150Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K.
一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机包括一级压缩机、一级回热器热端换热器、一级回热器、一级冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器、一级调相机构、级间热桥、二级压缩机、二级预冷段回热器热端换热器、二级高预冷段回热器、二级预冷段回热器冷端换热器、二级低温段回热器、二级冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器和二级调相机构，一级压缩机、一级回热器热端换热器、一级回热器、一级冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器和一级调相机构依次连接，二级压缩机、二级预冷段回热器热端换热器、二级预冷段回热器、二级预冷段回热器冷端换热器、二级低温段回热器、二级冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器和二级调相机构依次连接，一级冷端换热器通过级间热桥与二级预冷段回热器冷端换热器连接，一级回热器热端换热器入口、一级回热器出口、一级冷端换热器入口、一级脉管热端换热器(HX3)出口、二级预冷段回热器热端换热器入口、二级预冷段回热器出口、二级低温段回热器出口、二级冷端换热器以及二级脉管热端换热器出口变径处设有锥形过度段，锥形过渡段中填充紫铜丝绒，一级回热器、二级预冷段回热器和二级低温段回热器中填充的回热材料均为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，一级回热器的工作频率为150Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级预冷段回热器的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级低温段回热器的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为80K-35K。
一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机包括二级压缩机、二级预冷段回热器热端换热器、二级高预冷段回热器、二级预冷段回热器冷端换热器、二级低温段回热器、二级冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器、二级调相机构、一级脉管、一级脉管热端换热器、一级调相机构，二级压缩机、二级预冷段回热器热端换热器、二级高预冷段回热器、二级预冷段回热器冷端换热器、二级低温段回热器、二级冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器和二级调相机构依次连接，二级预冷段回热器冷端换热器出口引出通路与一级脉管连接，一级脉管与一级脉管热端换热器、一级调相机构依次连接，二级预冷段回热器热端换热器入口、二级预冷段回热器出口、二级低温段回热器出口、二级冷端换热器、二级脉管热端换热器出口、二级预冷段回热器冷端换热器和一级脉管热端换热器变径处设有锥形过度段，锥形过渡段中填充紫铜丝绒，二级预冷段回热器和二级低温段回热器中填充的回热材料均为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，二级预冷段回热器的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级低温段回热器的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为80K-35K。
与常规的不锈钢丝网相比，不锈钢纤维的丝径更小(不锈钢丝网的最小丝径为20.6μm，而不锈钢纤维的最小丝径为2μm)，可以形成更小水力直径的流体通道。可以使得单级脉管制冷机在80K温区，150Hz-1000Hz的高频；二级脉管制冷机在35K温区，100Hz-1000Hz的高频下高效运行。脉管制冷机各个变径处的锥形过渡用紫铜纤维填充，既增加了气体换热，也有效减小了因锥形过渡带来的死体积，对制冷机的性能具有一定的提高。
附图说明
图1为采用不锈钢纤维为回热材料的高频单级脉管制冷机的示意图；
图2为采用不锈钢纤维为回热材料的高频二级热耦合脉管制冷机的示意图；
图3为采用不锈钢纤维为回热材料的高频二级气耦合脉管制冷机的示意图；
图4为温度80K，平均压力3.5MPa时，氦工质和不锈钢材料的热渗透深度随频率升高而减小的趋势图；
图5为不同频率下不锈钢材料热渗透深度随温度变化的曲线以及和常用不锈钢丝网丝径的比较图；
图6为不同频率下(对应不同压力)氦气工质热渗透深度随温度变化的曲线以及和常用不锈钢丝网水力直径的比较图；
图7为不同空隙率下，不同丝径的不锈钢纤维形成的水力直径曲线图；
图8为不同频率下氦气工质热渗透深度随温度的变化以及和空隙率0.7，不同丝径的不锈钢纤维水力直径的比较图。
具体实施方式
采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器是：在不锈钢管内填充有丝径为2μm-15μm的不锈钢纤维构成高频回热器，回热器在300-80K温区的工作频率为150Hz-1000Hz，在80K-35K温区的工作频率为100Hz-1000Hz。
具体装配方法是：在不锈钢管中均匀填充不锈钢纤维，压紧，两端用硬质丝网封住构成回热器。各锥形过渡段TJ采用紫铜纤维填充。
如附图1，采用不锈钢纤维为回热材料的高频单级脉管制冷机包括一级压缩机C1、一级回热器热端换热器HX1、一级回热器RG1、一级冷端换热器HX2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3和一级调相机构IT7，一级压缩机C1、一级回热器热端换热器HX1、一级回热器RG1、一级冷端换热器HX2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3和一级调相机构IT7依次连接，一级回热器热端换热器HX1入口、一级回热器出口RG1、一级冷端换热器HX2入口以及一级脉管热端换热器HX3出口变径处设有锥形过渡段TJ，锥形过渡段TJ中填充有紫铜丝绒，一级回热器RG1中填充的回热材料为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，工作频率为150Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K。系统安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入0.2-0.4MPa高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空-充气3-4次后，最终充入工作压力的高纯氦气，既可保证系统中氦气工质的纯度。调节一级压缩机C1的运行频率至脉管制冷机的工作频率，打开一级压缩机C1电源，直至一级脉管热端换热器HX3处达到稳定的制冷温度。
如附图2，采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机包括一级压缩机C1、一级回热器热端换热器HX1、一级回热器RG1、一级冷端换热器HX2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3、一级调相机构IT7、级间热桥TB、二级压缩机C2、二级预冷段回热器热端换热器HX4、二级高预冷段回热器RG21、二级预冷段回热器冷端换热器HX5、二级低温段回热器RG22、二级冷端换热器HX6、二级脉管PT2、二级脉管热端换热器HX7和二级调相机构IT2，一级压缩机C1、一级回热器热端换热器HX1、一级回热器RG1、一级冷端换热器HX2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3和一级调相机构IT7依次连接，二级压缩机C2、二级预冷段回热器热端换热器HX4、二级预冷段回热器RG21、二级预冷段回热器冷端换热器HX5、二级低温段回热器RG22、二级冷端换热器HX6、二级脉管PT2、二级脉管热端换热器HX7和二级调相机构IT2依次连接，一级冷端换热器HX2通过级间热桥TB与二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)连接，一级回热器热端换热器HX1入口、一级回热器出口RG1、一级冷端换热器HX2入口、一级脉管热端换热器HX3出口、二级预冷段回热器热端换热器HX4入口、二级预冷段回热器RG22出口、二级低温段回热器RG21出口、二级冷端换热器HX6以及二级脉管热端换热器HX7出口变径处设有锥形过度段TJ，锥形过渡段TJ中填充紫铜丝绒，一级回热器RG1、二级预冷段回热器RG21和二级低温段回热器RG22中填充的回热材料均为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，一级回热器RG1的工作频率为150Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级预冷段回热器RG21的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级低温段回热器RG22的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为80K-35K.系统安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入0.2-0.4MPa高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空-充气3-4次后，最终充入工作压力的高纯氦气，既可保证系统中氦气工质的纯度。调节一级压缩机C1的频率至一级回热器RG1的工作频率，调节二级压缩机C2的频率至二级预冷段回热器RG21和二级低温段回热器RG22的工作频率，打开一级压缩机C1和二级压缩机C2的电源，直至一级脉管热端换热器HX3和二级冷端换热器HX6处达到稳定的制冷温度。
如图3所示，采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机包括二级压缩机C2、二级预冷段回热器热端换热器HX4、二级高预冷段回热器RG21、二级预冷段回热器冷端换热器HX5、二级低温段回热器RG22、二级冷端换热器HX6、二级脉管PT2、二级脉管热端换热器HX7、二级调相机构IT2、一级脉管PT1、一级脉管热端换热器HX3、一级调相机构IT1，二级压缩机C2、二级预冷段回热器热端换热器HX4、二级高预冷段回热器RG21、二级预冷段回热器冷端换热器HX5、二级低温段回热器RG22、二级冷端换热器HX6、二级脉管PT2、二级脉管热端换热器HX7和二级调相机构IT2依次连接，二级预冷段回热器冷端换热器HX5出口引出通路与一级脉管PT1连接，一级脉管PT1与一级脉管热端换热器HX3、一级调相机构IT1依次连接，二级预冷段回热器热端换热器HX4入口、二级预冷段回热器RG22出口、二级低温段回热器RG21出口、二级冷端换热器HX6、二级脉管热端换热器HX7出口、二级预冷段回热器冷端换热器HX5和一级脉管热端换热器HX3变径处设有锥形过度段TJ，锥形过渡段TJ中填充紫铜丝绒，二级预冷段回热器RG21和二级低温段回热器RG22中填充的回热材料均为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，二级预冷段回热器RG21的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级低温段回热器RG22的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为80K-35K。系统安装完毕后，对系统内部抽真空至10-1Pa左右，然后充入0.2-0.4MPa高纯氦气，保持5分钟左右再对系统内部抽真空至10-1Pa左右。如此反复抽真空-充气3-4次后，最终充入工作压力的高纯氦气，既可保证系统中氦气工质的纯度。调节二级压缩机C2的频率至二级预冷段回热器RG21和二级低温段回热器RG22的工作频率，打开二级压缩机C2的电源，直至一级脉管热端换热器HX3和二级预冷段回热器冷端换热器HX5处达到稳定的制冷温度。

Claims (4)

1.一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器，其特征在于在不锈钢管内填充有丝径为2m-15μm的不锈钢纤维构成高频回热器，回热器在300-80K温区的工作频率为150Hz-1000Hz，在80K-35K温区的工作频率为100Hz-1000Hz。
2.一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机，其特征在于包括一级压缩机(C1)、一级回热器热端换热器(HX1)、一级回热器(RG1)、一级冷端换热器(HX2)、一级脉管(PT1)、一级脉管热端换热器(HX3)和一级调相机构(IT7)，一级压缩机(C1)、一级回热器热端换热器(HX1)、一级回热器(RG1)、一级冷端换热器(HX2)、一级脉管(PT1)、一级脉管热端换热器(HX3)和一级调相机构(IT7)依次连接，一级回热器热端换热器(HX1)入口、一级回热器出口(RG1)、一级冷端换热器(HX2)入口以及一级脉管热端换热器(HX3)出口变径处设有锥形过渡段(TJ)，锥形过渡段(TJ)中填充紫铜丝绒，一级回热器(RG1)中填充的回热材料为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，工作频率为150Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K。
3.一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机，其特征在于包括一级压缩机(C1)、一级回热器热端换热器(HX1)、一级回热器(RG1)、一级冷端换热器(HX2)、一级脉管(PT1)、一级脉管热端换热器(HX3)、一级调相机构(IT7)、级间热桥(TB)、二级压缩机(C2)、二级预冷段回热器热端换热器(HX4)、二级高预冷段回热器(RG21)、二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)、二级低温段回热器(RG22)、二级冷端换热器(HX6)、二级脉管(PT2)、二级脉管热端换热器(HX7)和二级调相机构(IT2)，一级压缩机(C1)、一级回热器热端换热器(HX1)、一级回热器(RG1)、一级冷端换热器(HX2)、一级脉管(PT1)、一级脉管热端换热器(HX3)和一级调相机构(IT7)依次连接，二级压缩机(C2)、二级预冷段回热器热端换热器(HX4)、二级预冷段回热器(RG21)、二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)、二级低温段回热器(RG22)、二级冷端换热器(HX6)、二级脉管(PT2)、二级脉管热端换热器(HX7)和二级调相机构(IT2)依次连接，一级冷端换热器(HX2)通过级间热桥(TB)与二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)连接，一级回热器热端换热器(HX1)入口、一级回热器出口(RG1)、一级冷端换热器(HX2)入口、一级脉管热端换热器(HX3)出口、二级预冷段回热器热端换热器(HX4)入口、二级预冷段回热器(RG22)出口、二级低温段回热器(RG21)出口、二级冷端换热器(HX6)以及二级脉管热端换热器(HX7)出口变径处设有锥形过度段(TJ)，锥形过渡段(TJ)中填充紫铜丝绒，一级回热器(RG1)、二级预冷段回热器(RG21)和二级低温段回热器(RG22)中填充的回热材料均为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，一级回热器(RG1)的工作频率为150Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级预冷段回热器(RG21)的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级低温段回热器(RG22)的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为80K-35K。
4.一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器的脉管制冷机，其特征在于包括二级压缩机(C2)、二级预冷段回热器热端换热器(HX4)、二级高预冷段回热器(RG21)、二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)、二级低温段回热器(RG22)、二级冷端换热器(HX6)、二级脉管(PT2)、二级脉管热端换热器(HX7)、二级调相机构(IT2)、一级脉管(PT1)、一级脉管热端换热器(HX3)、一级调相机构(IT1)，二级压缩机(C2)、二级预冷段回热器热端换热器(HX4)、二级高预冷段回热器(RG21)、二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)、二级低温段回热器(RG22)、二级冷端换热器(HX6)、二级脉管(PT2)、二级脉管热端换热器(HX7)和二级调相机构(IT2)依次连接，二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)出口引出通路与一级脉管(PT1)连接，一级脉管(PT1)与一级脉管热端换热器(HX3)、一级调相机构(IT1)依次连接，二级预冷段回热器热端换热器(HX4)入口、二级预冷段回热器(RG22)出口、二级低温段回热器(RG21)出口、二级冷端换热器(HX6)、二级脉管热端换热器(HX7)出口、二级预冷段回热器冷端换热器(HX5)和一级脉管热端换热器(HX3)变径处设有锥形过度段(TJ)，锥形过渡段(TJ)中填充紫铜丝绒，二级预冷段回热器(RG21)和二级低温段回热器(RG22)中填充的回热材料均为丝径2μm-15μm的不锈钢纤维，二级预冷段回热器(RG21)的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为300K-80K，二级低温段回热器(RG22)的工作频率为100Hz-1000Hz，工作温区为80K-35K.
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