[實用新型]一種采用不銹鋼纖維回熱材料的高頻回熱器及其脈管制冷機

無效

• 申請號: 200920123905.2
• 申請日: 2009-06-29
• 公開（公告）號: CN201463425U
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 吳英哲;甘智華;邱利民;曹瀟麗
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F25B40/06
• 分類號: F25B40/06;F25B9/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本實用新型涉及制冷機，尤其涉及一種不銹鋼纖維回熱材料的高頻回熱器及其脈管制冷機

背景技術

從上世紀八十年代以來，隨著國防軍事、環境、商業、醫學、交通運輸、能源、農業和生物、工業、科學研究諸多領域對低溫環境的需求的產生，使得低溫制冷機在理論和實用化上都得到了迅速的發展。不斷出現的新的應用，對低溫制冷機的效率和可靠性、體積和重量、以及振動和電磁干擾等提出了越來越高的要求。

脈管制冷機最早由Gifford和Longsworth在上個世紀六十年代中期提出。但是由于其較低的效率而一直沒有得到較大的發展。直到八十年代中期，脈管制冷機才逐漸開始吸引研究者的熱情，一系列改進的提出使得其效率得到迅速的提升。由于在冷端沒有運動部件，脈管制冷機較之斯特林制冷機和G-M制冷機，具有結構簡單、成本低、機械振動小、可靠性高、壽命長等優點。這使得脈管制冷機可以與各種器件配合形成小型特種儀器，在軍事武器(如夜視儀)，超導技術(如SQUID器件)，科研及工業(如紅外熱像儀)，醫療儀器設備(如醫用局部MRI)，移動通信基站(如超導濾波器)等領域具有較大的優越性和廣泛的應用前景。

根據驅動方式不同，脈管制冷機主要可分為G-M型脈管和斯特林型脈管兩種形式。前者由G-M壓縮機(有閥壓縮機)通過旋轉閥驅動制冷機，其工作頻率一般在9Hz(主要由于旋轉閥速度的限制)以下。而后者使用曲柄連桿或直線壓縮機(無閥壓縮機)驅動，工作頻率一般在30Hz以上。

斯特林型脈管制冷機由于采用較高的頻率和無閥壓縮機，較之G-M型具有效率高(2倍-5倍)、體積小(5倍以上)、重量輕(5倍以上)等優勢，因此主要在空間和軍事方面得到廣泛應用，近年來也逐步向民用方面拓展。

在輸入功不變的情況下，更高的工作頻率能有效地減小斯特林型脈管制冷機的冷頭和壓縮機的大小、重量，加快降溫速率，這對于軍事、空間等要求制冷機微型化的應用場合具有重要意義。近幾年來，100Hz以上的高頻斯特林脈管制冷機已成為脈管制冷機的重要研究方向之一。

為了使得斯特林型脈管制冷機的回熱器在100Hz，甚至更高的頻率下仍然具有較高的效率，必須滿足以下要求：

1.回熱材料的特征尺寸必須小于材料的熱滲透深度，即D_m＜δ_tm，以確保回熱材料的熱容能夠充分利用。

2.回熱材料形成的流道的水力直徑必須小于流體工質的熱滲透深度，即D_h＜δ_tg，以確保工質的充分換熱。

表1常用不銹鋼絲網的尺寸參數

如圖4所示，80K，3.5MPa下，氦氣工質和不銹鋼回熱材料的熱滲透深度隨著工作頻率的升高而減小。

圖5和圖6分別給出了不同頻率下，不銹鋼和氦氣熱滲透深度隨溫度的變化曲線，并分別與常用不銹鋼絲網的絲徑和水力直徑的比較。80K時，氦氣在150Hz，5MPa時的熱滲透深度為31.88μm，與635目絲網的水力直徑30.58μm相當。但是當頻率高于150Hz，壓力高于5.0MPa時，氦氣的熱滲透深度將小于635目絲網的水力直徑(當量直徑)。例如頻率為300Hz，壓力為7.0MPa時，氦氣的熱滲透深度僅為19.68μm，遠小于635目絲網的水力直徑。隨著溫度的降低，氦氣的熱滲透深度也迅速下降，使得在35K，120Hz，3.5MPa時氦氣的熱滲透深度為21.99μm，也已小于635目絲網的水力直徑。

可見，限制不銹鋼絲網為回熱材料的回熱器在高頻下獲得較高效率的原因主要在于：高頻(常匹配以高壓)下，常用不銹鋼絲網的水力直徑相比氦氣的熱滲透深度大，使得低溫下氦氣工質與不銹鋼絲網未能獲得良好的換熱，從而使得制冷機無法獲得較高的效率。

由于編織工藝的限制，常規的不銹鋼絲網填料所能達到的極限是635目。在80K溫區，635目不銹鋼絲網不能滿足頻率在150Hz以上回熱器的換熱要求；在35K溫區，635目不銹鋼絲網不能滿足頻率在100Hz以上回熱器的換熱要求。