本发明专利技术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。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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及制冷机，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
技术介绍
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压縮机(有阀压縮机)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 或直线压縮机(无阀压縮机)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縮机，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 机的冷头和压縮机的大小、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 管制冷机己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A^&，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A^&，以确保工质的充分换热。表1常用不锈钢丝网的尺寸参数目教宇隙率32535.663.980.6422權25.455.440.685850025.439.280.607363520.330.580.6014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31.88jim，与635目丝网的水力直径30.58jim 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19.68pm，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21.99,，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2^m。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8nm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2pm的不锈钢纤维在空隙率为0.7时的水力直径仅为4.67jxm，足可以满 足回热器在300K-80K和80K-35K温区，1000Hz, lO.OMPa工况下的高效运行。
技术实现思路
本专利技术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 2jam-15pm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縮 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，一级压縮机、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2^im-15^im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縮 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、二级压縮机、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， 一级压縮机、 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，二级压縮机、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絨， 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2nm-本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：甘智华，吴英哲，邱利民，曹潇丽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]
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