[0013] 优选的,所述堆叠的胶囊状腔体采用
快速成型技术加工制造,无需模具、刀具和工装卡具,直接根据产品设计(CAD)数据快速制造出产品,并实现产品复杂的空间结构。
[0014] 优选的,所述的工质区占所述的回热管的空腔总体积的30%~50%。回热器每层布置胶囊越多,且层数越多,即胶囊数量越多,则工质氦-4与回热填料氦-4的换热面积越大,换热效率越高。
[0015] 优选的,所有胶囊状腔体的大小相同,沿轴向连续排布有多层,每层设有多个胶囊状腔体。进一步优选的,相邻层的胶囊状腔体在轴向上对齐。轴向上的堆叠胶囊应整齐排列,以减小工质氦-4流道的阻力,减小回热器压降损失。
[0016] 优选的,所述胶囊状腔体的材料选用导热率大、易加工的金属材料或
复合材料,如
不锈钢和陶瓷材料等。
[0017] 胶囊状腔体为薄壁腔体,优选的,所述的胶囊状腔体的壁厚为0.1~1mm。以保证强度同时减小工质氦-4和回热填料氦-4的间接换热损失。
[0018] 优选的,所述气体进出孔为圆形孔,孔径为所述的胶囊状腔体的壁厚的0.3~1倍。
[0019] 本发明中回热管可以卡套在堆叠胶囊状空腔外,还可以是一体成型制造而成,优选的,所述的回热管和所有堆叠的胶囊状腔体为一体成型。上述结构可以提高回热管的工作稳定性。
[0020] 本发明还提供了一种低温制冷机,至少有一个回热器采用上述的胶囊型氦气回热器。
[0021] 上述的所述低温制冷机一般采用氦-4作为
工作流体。
[0022] 优选的,所述低温制冷机在位于4K到20K温区的回热器采用所述的胶囊型氦气回热器。
[0023] 优选的,所述低温制冷机为多级脉管制冷机,多级结构可以是热耦合结构或者气耦合结构,级数可以是两级、三级、四级等,其中三级斯特林型脉管制冷机结构,包括依次连接的压缩机、传输管、热端换热器、第一段回热器、一级预冷换热器、第二段回热器、二级预冷换热器、胶囊型氦气回热器、冷端换热器、脉管、调相机构。一级预冷换热器连接液氮温区制冷机或液氮储罐来获取预冷量,二级预冷换热器连接液氢温区制冷机来获取预冷量,胶囊型氦气回热器位于4K~20K温区,即本发明的胶囊型氦气回热器。脉管的热端和调相机构与二级预冷换热器热耦合。调相机构可以是惯性管和气库或双向进气
阀组。
[0024] 本发明的有益效果:
[0025] (1)本发明的胶囊型氦气回热器,不需购进及制作昂贵的特殊球状回热填料,而是利用较为容易获得的氦-4作为回热填料,降低了回热器的制作和使用成本。
[0026] (2)本发明的胶囊型氦气回热器,填料氦-4在制冷机充气时即进入开有气体进出孔的胶囊状空腔,填充方便。
[0027] (3)本发明的胶囊型氦气回热器以及带有该回热器的低温制冷机,在液氦温区使用流体填料氦-4代替传统的特殊球状填料与工作流体氦-4换热,能在一定程度上提高液氦温区制冷机的效率,并节省液氦温区低温制冷机的制造成本。
附图说明
[0028] 图1是
现有技术的液氦温区斯特林型脉管制冷机的结构示意图。
[0029] 图2是现有的液氦温区使用的传统回热填料与氦-4的体积比热特性图。
[0030] 图3是本发明的胶囊型氦气回热器的结构示意图。
[0031] 图4是图3在A-A方向上的剖视示意图。
[0032] 图5是图3在B-B方向上的剖视示意图。
[0033] 图6是图4中C部分的放大示意图。
[0034] 图7是图5中D部分的放大示意图。
[0035] 图8是本发明的胶囊型氦气回热器内单个胶囊状腔体工作过程示意图。
[0036] 图9是本发明的液氦温区斯特林型脉管制冷机结构示意图。
[0037] 图10是本发明的三级斯特林型脉管制冷机4~20K温区使用He-4与HoCu2回热填料的制冷量的计算结果对比图。
[0038] 图11是本发明的三级斯特林型脉管制冷机4~20K温区使用He-4与HoCu2回热填料的性能系数(COP)的计算结果对比图。
[0039] 图中:
[0040] 1.线性压缩机、2.传输管、3.热端换热器、4.第一段回热器、5.一级预冷换热器、6.第二段回热器、7.二级预冷换热器、8.第三段回热器、9.冷端换热器、10.脉管、11.调相机构、12.胶囊型氦气回热器、13.回热管、14.胶囊状腔体、15.气体进出孔、18.胶囊型氦气回热器、19.回热管、20.胶囊状腔体、21.气体进出孔。
具体实施方式
[0041] 如图3~7所示,本
实施例的胶囊型氦气回热器包括回热管13和回热管内堆叠的胶囊状腔体14,每一个胶囊壁上的布有一个气体进出孔15。
[0042] 堆叠的带有气体进出孔15的胶囊状腔体14可以通过快速成型技术加工,回热管13与堆叠的胶囊状腔体14之间可通卡接等方式连接,或作为整体通过快速成型技术加工。
[0043] 如图8所示,以胶囊型氦气回热器内的一个胶囊状腔体14为例,当低温制冷机充入工作流体氦-4时,一部分氦-4通过气体进出孔15进入胶囊状腔体14,成为填料氦-4,剩余氦-4留在胶囊状腔体14的间隙成为工质氦-4。当制冷机运行,胶囊型氦气回热器12内的工质氦-4作交变流动,其速度波接近正弦曲线。靠近气体进出孔15的填料氦-4随工质氦-4的压力变化而进出气体进出孔15,与工质氦-4进行质量和热量的交换;大部分填料氦-4留在胶囊状腔体14内,通过薄壁面与工质氦-4进行间接换热。胶囊型氦气回热器12的工作即所有单个胶囊状腔体14的换热过程的总和。
[0044] 考虑方便加工和减小轴向导热,本实施例的椭球体的三个半径关系为2/3c=a=b,其中c为极半径,c沿回热管的轴向布置,a、b为赤道半径,沿回热管的径向布置。
[0045] 本实施例的工质区占所述的回热管的空腔总体积的40%。回热器每层布置胶囊越多,且层数越多,即胶囊数量越多,则工质氦-4与回热填料氦-4的换热面积越大,换热效率越高。
[0046] 所有胶囊状腔体14的大小相同,沿轴向连续排布有多层,每层设有多个胶囊状腔体14。相邻层的胶囊状腔体14在轴向上对齐。轴向上的堆叠胶囊应整齐排列,以减小工质氦-4流道的阻力,减小回热器压降损失。
[0047] 胶囊状腔体14的材料选用导热率大、易加工的金属材料或复合材料,本实施例采用不锈钢和陶瓷材料。
[0048] 胶囊状腔体14为薄壁腔体,胶囊状腔体14的壁厚为0.5mm。以保证强度同时减小工质氦-4和回热填料氦-4的间接换热损失。气体进出孔15为圆形孔,孔径为0.3mm。
[0049] 如图9所示,本实施例的液氦温区斯特林型脉管制冷机,包括依次连接的线性压缩机1、传输管2、回热器热端换热器3、第一段回热器4、一级预冷换热器5、第二段回热器6、二级预冷换热器7、胶囊型氦气回热器12、冷端换热器9、脉管10、调相机构11,其中一级预冷换热器5与液氮温区制冷机冷端或液氮储罐连接以获得预冷量,二级预冷换热器7与液氢温区制冷机冷端连接以获得预冷量。脉管10的热端和调相机构11与二级预冷换热器连接,在低温下调相能力提高调相能力。调相机构11由惯性管和气库或双向进气阀组组成。
[0050] 本实施例的胶囊型氦气回热器12的工作即所有单个胶囊状腔体14的换热过程的总和。以胶囊型氦气回热器12内的一个胶囊状腔体14为例,当低温制冷机充入工作流体氦-4时,一部分氦-4通过气体进出孔15进入胶囊状腔体14,成为填料氦-4,剩余氦-4留在胶囊状腔体14的间隙成为工质氦-4。当制冷机运行,如图5所示,胶囊型氦气回热器12内的工质氦-4作交变流动,其速度波接近正弦曲线。靠近气体进出孔15的小部分填料氦-4随工质氦-
4的压力变化而进出气体进出孔15,与工质氦-4进行质量和热量的交换;大部分填料氦-4留在胶囊状腔体14内,通过薄壁面与工质氦-4进行间接换热。
[0051] 跟现有的液氦温区利用的特殊球状填料相比,本发明的胶囊型氦气回热器在较大的温度区间,回热填料具有较高的体积比
热容,和较小的导热,而且工质氦-4流道的阻力更小。因此本发明的回热器能够显著的提高换热量,减小导热损失和压降损失,提高回热器效率。
[0052] 本发明的带有胶囊型氦气回热器的低温制冷机,因在液氦温区回热器效率提高,制冷机性能也得到提升。而且回热填料氦-4比稀有的磁性回热填料易获得,快速成型技术成熟,加工胶囊状腔体容易,降低了低温制冷机的造价和难度。
[0053] 利用制冷机计算
软件Sage根据图9所示的三级斯特林型脉管制冷机结构建立数值模拟模型,在4~20K温区回热器内,改常用的颗粒状填料HoCu2的物理性质(
密度、导热率和定压比热容)为He-4的物理性质,进行计算并与HoCu2作为填料的计算结果比较。结果如图10和11所示,用He-4作为4~20K温区回热器填料,冷端可获得的制冷量和制冷机性能系数(COP)都有增长。
[0054] 以上所述的内容仅为本发明的优选实施例,并非因此即限制本发明的专利保护范围,凡是运用本发明
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,均同理包括在本发明的保护范围内。