CN204880890U

CN204880890U - 一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机

Info

Publication number: CN204880890U
Application number: CN201520424962.XU
Authority: CN
Inventors: 邱利民; 金光鲜; 甘智华; 王建军; 黄宸
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2025-06-18

Abstract

本实用新型公开了一种氦四回热器以及该有该回热器的低温制冷机，其中回热器包括带有空腔的本体、分别设置在本体顶部和底部的上盖和下盖，本体上设有开口朝向所述空腔的内狭缝以及开口背对空腔朝外的外狭缝；所述上盖和下盖上分别设有与所述外狭缝对应的狭缝结构，所述上盖和下盖分别将内狭缝的顶端和底端密封。本实用新型的氦四回热器以及带有该回热器的低温制冷机，通过回热器内外狭缝式结构的设计，使得流体填料氦四和工作流体氦四换热，因而不需要利用传统的特殊球填料，能够提高4K温区制冷效率，节省4K低温制冷机的制造成本。

Description

一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机

技术领域

本实用新型涉及低温制冷机领域，具体是涉及一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机。

背景技术

随着高科技的很快的发展；超导磁体及传感器、低温物性研究、Sub-Kelvin冷却、移动通讯等等，对液氦的需求越来越高，4K低温制冷机的研究和应用越来越广。当前主流的4K温区低温制冷机按照制冷循环方式划分为GM制冷机和脉管制冷机两种，GM制冷机的制冷效率比脉管制冷机的效率还是高。当前4K低温制冷机的研究过程中最重要的是提高制冷效率。而4K温区氦四的实际气体物性、回热器填料的有限的比热，为提高制冷效率增添了很大困难。因此，把工作流体氦四替换到氦三，而且开发4K温区比热特别大的填料，使用它们，成为目前研究的重点。

图1所示为不同回热器填料和氦-4的体积比热特性：除了不锈钢和铅之外，其他填料的比热在4K到20K温区的局部领域相比氦-4特别大。因此在4K低温制冷机中这些材料作为4K回热器的填料起到很重要的作用。此外氦-4的比热在100K以上温区之外与在4K到20K温区的物性差别特别大。所以为了开发4K温区比热很大的填料材料，大量研究不停地进行。

图2所示为现有的4KG-M型脉管制冷机的结构，包括：压缩机1、旋转阀2、传输管3、热端换热器4、一级回热器5、一级回热器冷端换热器6、一级冷端流体通道7、一级脉管冷端换热器8、一级脉管9、一级脉管热端换热器10、一级气库11、一级小孔阀20、一级双向进气阀I21、一级双向进气阀II22、二级回热器I12、二级回热器II13、二级回热器冷端换热器14、二级冷端流体通道15、二级脉管冷端换热器16、二级脉管17、二级脉管热端换热器18、二级气库19、二级小孔阀23、二级双向进气阀I24、二级双向进气阀II25。

4KGM型脉管制冷机的工作过程为：为了达到4K温区，需要30K～40K的预冷部分，是由制冷机的一级来实现的。由压缩机1产生工作流体(氦-4)高压和低压。通过旋转阀2，氦-4的压力周期的变化。氦-4在一级回热器5内进行和填料换热，在一级脉管9内进行绝热压缩及膨胀。一级回热器填料是一般不锈钢或者紫铜丝网和铅球。随着这个过程的反复，冷端的温度渐渐降低。由一级小孔阀20、一级双向进气阀I21、一级双向进气阀II22调节在一级冷端流体质量流量和压力波动之间的相位差及直流，从而影响一级的制冷性能。

制冷机的更重要的部分是第二级，在这个部分达到4K温区。在两级脉管制冷机，氦-4的质量流量在两级之间由一级冷端流体通道7分配到两部分，分别进入到：一级脉管冷端换热器8和二级回热器I12的热端。二级回热器填料是在4K到40K温区比热特别大的材料：比如GAP、GOS、HoCu₂、ErNi_0.9Co_0.1、ErNi、Er₃Ni、Gd-Rh等等。因为这些填料的比热在局部温区大，二级回热器结构是分层的。由二级小孔阀23、二级双向进气阀I24、二级双向进气阀II25调节在二级冷端流体质量流量和压力波动之间的相位差及直流，从而影响二级的制冷性能。

现有的4KGM型脉管制冷机还是存在制冷效率低的问题。在4K温区制冷效率低的最关键的原因是4K回热器填料的有限比热。虽然到目前开发了很多种特殊的球填料，但是它们的缺点是在局部温区比热大，而且制作费用很贵。

氦-4跟现有的多种特殊的球填料相比，比热更大，并且购进价格比较低。因此为了把氦-4用作4K回热器填料的一些研究正在进行，其方法有两种：第一种是利用机械工程热力学的方法。把氦-4充气到一个部件的里面，这个部件里面的氦-4和其部件外面的工作流体氦-4换热。第二种是用吸收氦-4的特殊毫微材料的方法。吸收的氦-4和通过毫微材料流的氦-4换热。但是无论是什么方法，还是没有达到预定的效果。主要原因是换热面积小及孔气率低，和压力波动的损失。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出了一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机，该氦四回热器适于4K低温温区使用，代替现有的球填料，利用新的换热机理，提高了4K温区的制冷效率。

一种氦四回热器，包括带有空腔的本体、分别设置在本体顶部和底部的上盖和下盖，所述本体上设有开口朝向所述空腔的内狭缝以及开口背对空腔朝外的外狭缝；所述外狭缝和内狭缝互相独立，且沿本体轴线周向交替设置，相邻外狭缝和内狭缝之间形成换热面；所述上盖和下盖上分别设有与所述外狭缝对应的狭缝结构，所述上盖和下盖分别将内狭缝的顶端和底端密封。

上述技术方案中，所述空腔和内狭缝之间形成盛放氦四回热填料的空间；所述外狭缝形成工作流体氦-4通过的空间；工作流体和回热填料之间通过内狭缝和外狭缝之间的薄壁面实现间接换热。在4K温区，与传统的球填料相比，氦四的比热容更好，进一步提高了回热器的回热性能，进而可以提高制冷机的制冷效率。

作为优选，所述相邻外狭缝和内狭缝之间设有开口背对空腔朝外的增强狭缝。通过增强狭缝进一步增加换热面积，提高换热效率。

作为优选，所述上盖上设有与所述空腔连通的通孔。通过通孔，可实现空腔与外接管路的连接，从而能够实现对氦四填料的压力控制，保证氦四填料在最佳比热特性下工作。

作为优选，所述外狭缝、内狭缝、增强狭缝的深度方向与所述本体的径向一致，且以所述本体的中轴线呈辐射状均匀布置。采用该结构，保证整个本体内换热均匀，避免局部过热等。作为进一步优选，所述增强狭缝的深度方向与所述本体的径向一致，且以所述本体的中轴线呈辐射状均匀布置。进一步保证换热均匀。

作为优选，所述空腔的直径为所述本体直径的1/6～1/4。所述外狭缝和内狭缝的深度为所述本体直径的1/4～1/2.5；所述增强狭缝的深度为所述本体直径的1/5～1/3。采用上述技术方案，保证内外狭缝之间形成足够多的换热面。

本实用新型还提供了一种低温制冷机，该脉管制冷机中回热器采用上述任一技术方案所述的氦四回热器。所述脉管制冷机一般采用氦四(He-4)为工作流体。

作为优选，所述低温制冷机中位于4K温区部分的回热器采用上述任一技术方案的氦四回热器。

作为优选，所述低温制冷机为二级脉管制冷机，所述上盖与二级脉管制冷机的二级气库之间连接有毛细管，该毛细管一端与所述本体的空腔连通，另一端与二级气库连通。采用该技术方案，通过二级气库可方便实现对氦四回热器内回热填料压力的调整，进而实现对填料氦-4的比热特性调节。

本实用新型的两级脉管制冷机一般包括压缩机、热端换热器、一级回热器、一级回热器冷端换热器、一级脉管冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器、一级气库、二级回热器、二级回热器冷端换热器、二级脉管冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器、二级气库，以及连接在压缩机与热端换热器、(一级/二级)气库与(一级/二级)脉管热端换热器之间阀门组件等。二级回热器由两段组成，包括二级回热器I、二级回热器II，二级回热器I、二级回热器II分别采用不同的回热填料，二级回热器II位于4K温区，采用本实用新型的氦四回热器。

作为优选，所述毛细管另一端穿过二级脉管制冷机的二级回热器热端(即二级回热器I)、一级回热器冷端换热器、一级回热器和热端换热器与所述二级气库连通。

本实用新型中，本体一般为圆柱体结构，设置在回热器的管路内。本体的内狭缝和空腔内充注氦四作为回热填料；外狭缝、增强狭缝与回热器管路内壁之间用于工作流体的流通。上盖和下盖保证内狭缝和空腔的密封，保证回热填料具有一定的压力。

根据本实用新型提出的设计，毛细管布置在氦-4回热器的上盖上，四周与上盖上通孔的周缘密封固定，保证毛细管一端与空腔连通。毛细管另一端通过二级及一级回热器连接到二级的气库。因此氦-4回热器内的压力跟二级气库的压力一样，方便了氦-4回热器内填料压力的控制。

本实用新型中，工作流体和4K温区的回热器回热填料均选择氦-4，工作流体和回热填料通过内外狭缝，实现两者的间接地换热。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

一、本实用新型通过新氦-4回热器的设计，在4K温区不利用传统的固体填料和工作流体之间换热的传统方式，而是采用利用流体填料和工作流体之间换热的新方式，回热器设计和装配更简单。

二、本实用新型通过新氦-4回热器的设计，不需要购进及制作费用贵的回热器特殊球填料，把比较容易得到的氦-4作为填料利用，降低了回热器和制冷机的制作成本和使用成本。

三、本实用新型通过新氦-4回热器的设计，采用比热性能较好的氦-4作为回热填料，能够在4K温区提高制冷效率。

综上所述，本实用新型的氦-4回热器以及带有该回热器的4K低温制冷机，通过回热器内外狭缝式结构的设计，使得流体填料氦-4和工作流体氦-4换热，因而不需要4K温区传统利用的特殊球填料，能够在一定程度上提高4K温区制冷效率，节省4K低温制冷机的制造成本。

附图说明

图1是现有的4K温区使用的不同回热器填料的体积比热特性图；

图2是现有的4K温区GM型脉管制冷机的结构示意图；

图3a是本实用新型的4K低温制冷机的结构示意图；

图3b是本实用新型的氦四回热器的结构示意图；

图4a是本实用新型4K低温制冷机氦四回热器本体焊接前的俯视结构示意图；

图4b是本实用新型4K低温制冷机氦四回热器本体焊接前的侧视结构示意图；图5a是本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的上盖焊接前的俯视结构示意图；

图5b是本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的上盖焊接前的侧视结构示意图；

图6a是本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的下盖焊接前的俯视结构示意图；

图6b是本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的下盖焊接前的侧视结构示意图；

图7a为本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的俯视结构示意图；

图7b为图7a中的局部放大结构示意图；

图8为本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的侧视结构示意图；

图9a为本实用新型4K低温制冷机氦四回热器的仰视结构示意图；

图9b为图9a中的局部放大结构示意图。

上述附图中：

1.压缩机、2.旋转阀、3.传输管、4.热端换热器、5.一级回热器、6.一级回热器冷端换热器、7.一级冷端流体通道、8.一级脉管冷端换热器、9.一级脉管、10.一级脉管热端换热器、11.一级气库、12.二级回热器I、13.二级回热器II、14.二级回热器冷端换热器、15.二级冷端流体通道、16.二级脉管冷端换热器、17.二级脉管、18.二级脉管热端换热器、19.二级气库、20.一级小孔阀、21.一级双向进气阀I、22.一级双向进气阀II、23.二级小孔阀、24.二级双向进气阀I、25.二级双向进气阀II、26.毛细管。

101.本体、102.上盖、103.下盖、104.空腔、105.内狭缝、106.外狭缝、107.增强狭缝、108.通孔。

具体实施方式

如图3a所示，一种带有氦-4回热器的低温制冷机，为两级脉管制冷结构，其中二级回热器II为本实用新型改进的4K氦-4回热器(氦四回热器)。低温制冷机其余部件之间的连接关系均可采用现有技术。

如图3b所示，一种4K氦-4回热器，包括本体101、固定在本体101顶端的上盖102以及固定在本体101底端的下盖103。

本实施例中，本体101、上盖102、下盖103三者是通过焊接固定，同时本体101、上盖102、下盖103的外狭缝和增强狭缝是在三者焊接后直接一体加工而成的。

首先对焊接前的本体101、上盖102、下盖103作如下说明：

图4a、图4b为焊接前的本体101的俯视和侧视结构示意图，本体101内设有轴向贯穿整个本体的空腔104，空腔104与本体101同轴设置，空腔104的内径约为本体101内径的1/5，且位于本体101的轴心处。本体101上设有若干开口朝向空腔104内的内狭缝105，多个内狭缝105沿本体101的轴心周向呈辐射状均匀布置。本体101顶端和底端外周缘设有焊接缝，用于与上盖102和下盖103的焊接。

如图5a、5b所示，为本实用新型的上盖102的焊接前的俯视和侧视结构示意图，上盖102中心设有通孔108，通孔108中心与本体101上的空腔104同轴对正且相互连通，用于安装毛细管26。毛细管26一端与通孔108密封焊接，另一端穿过二级回热器I12、一级回热器冷端换热器6、一级回热器5、热端换热器4与二级气库19连通，使得二级气库19与氦四回热器连接。上盖102上的通孔108孔沿需要毛细管四周彻底焊接密封。上盖102底部设有焊接缝，用于与本体101顶部的焊缝焊接。

如图6a、6b所示，为本实用新型的下盖103的焊接前的俯视和侧视结构示意图，下盖103顶面设有焊接缝，用于与本体101底部的焊接缝焊接。

下盖103顶部需要跟本体101底部彻底焊接密封。上盖102底部需要跟本体101顶部彻底焊接密封。

图7a、图7b、图8、图9a、图9b为本体101、上盖102、下盖103的焊接装配后，外狭缝加工完成后的4K氦-4回热器的结构示意图。

如图7a为焊接后的4K氦-4回热器的俯视结构示意图。其中图7b为图7a中的局部放大图。图8为焊接后的4K氦-4回热器的侧视结构示意图。图9a为焊接后的4K氦-4回热器的仰视结构示意图。图9b为图9a的局部放大图。

如图7a、图7b、图8、图9a、图9b中，本体101、上盖102、下盖103上设有相互对正、大小相等、一次成型的若干外狭缝106。外狭缝106的靠口朝外(背向空腔104)。多个外狭缝106沿本体101的轴心周向呈辐射状均匀布置。

上盖102、下盖103上，每条外狭缝106两侧均设有两个靠口朝外(背向空腔104)的增强狭缝107，两条相邻外狭缝106之间设有两个增强狭缝107。

本体101上，多个外狭缝106和内狭缝105交叉设置；每条外狭缝106两侧均设有两个增强狭缝107；两条相邻外狭缝106之间设有两个靠口朝外(背向空腔104)的增强狭缝107；外狭缝106和内狭缝105、增强狭缝107的深度方向均沿本体101径向设置。在本体101径向上，增强狭缝107的深度为外狭缝106深度的约2/3。

实际安装时，需要将回热器本体101等置于回热器壳体内，回热器本体101里面和外面都有许多狭缝，其中外狭缝106、增强狭缝107与回热器壳体之间构成工作流体的流动通道，使得通过狭缝工作流体氦四顺利流动，进而进入二级脉管冷端换热器和二级脉管中。内狭缝105和空腔104构成回热填料的容纳空间。通过各狭缝，工作流体和回热填料(氦-4)之间进行换热。

本实用新型的4K低温制冷机的氦-4回热器通过本体内外的狭缝式设计，把氦-4作为回热器填料利用，使得回热器内的氦-4和在回热器外流动的工作流体氦-4换热。通过回热器本体和二级气库19连接的毛细管实现氦-4回热器内的一定压力，使得充气压力的调节能满足需要的填料氦-4的比热特性。跟现有的4K温区利用的特殊填料相比，本实用新型的氦-4回热器在较大的温度区间，都具有较高的体积比热容，而且氦-4的导热更小。能够显著提高换热量，减少热损失，进而提高4K温区制冷效率。

以上所述的内容仅为本实用新型的优选实施例，并非因此即限制本实用新型的专利保护范围，凡是运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效设计变换，可以应用在其他4K低温制冷机有关的技术领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种氦四回热器，包括带有空腔的本体、分别设置在本体顶部和底部的上盖和下盖，其特征在于，所述本体上设有开口朝向所述空腔的内狭缝以及开口背对空腔朝外的外狭缝；所述外狭缝和内狭缝互相独立，且沿本体轴线周向交替设置，相邻外狭缝和内狭缝之间形成换热面；所述上盖和下盖上分别设有与所述外狭缝对应的狭缝结构，所述上盖和下盖分别将内狭缝的顶端和底端密封。

2.根据权利要求1所述的氦四回热器，其特征在于，所述相邻外狭缝和内狭缝之间设有开口背对空腔朝外的增强狭缝。

3.根据权利要求1所述的氦四回热器，其特征在于，所述上盖上设有与所述空腔连通的通孔。

4.根据权利要求2所述的氦四回热器，其特征在于，所述外狭缝、内狭缝、增强狭缝的深度方向与所述本体的径向一致，且以所述本体的中轴线呈辐射状均匀布置。

5.根据权利要求4所述的氦四回热器，其特征在于，所述空腔的直径为所述本体直径的1/6～1/4。

6.根据权利要求4所述的氦四回热器，其特征在于，所述外狭缝和内狭缝的深度为所述本体直径的1/4～1/2.5；所述增强狭缝的深度为所述本体直径的1/5～1/3。

7.一种低温制冷机，其特征在于，该低温制冷机中回热器采用权利要求1-6任一权利要求所述的氦四回热器。

8.根据权利要求7所述的低温制冷机，其特征在于，所述低温制冷机中位于4K温区部分的回热器采用权利要求1-6任一权利要求所述的氦四回热器。

9.根据权利要求7或8所述的低温制冷机，其特征在于，所述低温制冷机为二级脉管制冷机，所述上盖与二级脉管制冷机的二级气库之间连接有毛细管，该毛细管一端与所述本体的空腔连通，另一端与二级气库连通。

10.根据权利要求9所述的低温制冷机，其特征在于，所述毛细管的另一端穿过二级脉管制冷机的二级回热器热端、一级回热器冷端换热器、一级回热器和热端换热器与所述二级气库连通。