胶囊型氦气回热器及带有该回热器的低温制冷机的制作方法

本发明涉及低温制冷机领域，具体是涉及一种胶囊型氦气回热器及带有该回热器的低温制冷机。

背景技术：

随着现代科技的快速发展，航天技术、超导技术、通讯技术和科学研究领域对于液氦温区及以下的低温需求越来越迫切，稳定性、寿命等要求也越来越高，因此液氦温区低温制冷机的研究和应用越来越广泛和深入。目前应用于液氦温区的制冷机主要有G-M制冷机和脉管制冷机两种回热式制冷机，回热器作为其的核心部件，其性能提升对制冷机性能的提高有很大作用。

如图1所示，现有的液氦温区斯特林型脉管制冷机结构，包括依次连接的线性压缩机1、传输管2、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、第三段回热器8、冷端换热器9、脉管10、调相机构11。其中一级预冷换热器5连接液氮温区制冷机或液氮储罐而对第二段回热器6进行预冷，二级预冷换热器7连接液氢温区制冷机或液氢储槽对第三段回热器8进行预冷。第三段回热器8工作在4K到20K温区，使用球状或颗粒状的磁性回热填料。调相机构11为低温惯性管和气库，也可以是双向进气、小孔和气库、多路旁通等调相方式。

液氦温区脉管制冷机的工作过程为：由线性压缩机1产生工质流体(氦-4)周期性变化的高压和低压，氦-4在第一段回热器4、第二段回热器6、第三段回热器8内与回热填料进行换热，在脉管10内进行绝热压缩及膨胀。随着这个过程的反复，第一段回热器4、第二段回热器6、第三段回热器8和脉管10冷端的温度渐渐降低，在冷端换热器9出产生制冷。调相机构11对制冷机内质量流和压力波的相位差进行调节，从而影响脉管制冷机的制冷性能。

现有的液氦温区脉管制冷机仍存在制冷效率低的问题，限制其制冷效率提高主要因素之一是4K到20K温区回热填料的有限比热。虽然目前开发了很多种特殊填料，但它们仅在有限的局部温区比热大，而且制作费用很昂贵。不同回热器填料和氦-4的体积比热特性如图2所示：除了不锈钢和铅之外，其他填料的比热在4K到20K温区的局部区域大于氦-4，因此这些填料在液氦温区制冷机中起到很重要的作用；此外氦-4的比热在4K到20K温区与100K以上温区差别很大，在4K到20K温区，氦-4与任一回热填料相比，在大部分区域比热明显更大。而且氦-4购进价格较低。因此，一些以氦-4作为液氦温区制冷机回热填料的研究正在进行。

例如文件号为US4359872-A的专利文献GOLDOWSKY M P,Regenerator for closed cycle cryogenic coolers-employs helium filled glass spheres held in cylindrical container提出了一种是利用机械工程热力学的方法，把氦-4充气到一个部件内，部件内的氦-4和其外部的工质流体氦-4进行换热但是加工复杂，造价昂贵；又例如文件号为US4835973-A的专利文献JONES J A,PETRICK W,BRITCLIFFE M J,Cryogenic regenerator including saran carbon heat conduction matrix-adsorbs helium into matrix when combination exhibits higher volumetric specific heat leading to lower refrigerator temperatures提出一种用吸收氦-4的特殊毫微材料，吸收的氦-4和通过毫微材料的工质流体氦-4换热。

但无论何种方法，仍未达到预期的效果。其主要原因是换热面积小且孔隙率低，换热不足且压降损失大。并且技术复杂，加工难度大。

技术实现要素：

本发明提供了一种胶囊型氦气回热器，该氦-4回热器适用于4K到20K温区，代替现有的球状或颗粒状磁性回热填料，利用新的换热机理，提高液氦温区制冷机的制冷效率。

一种胶囊型氦气回热器，包括中空的回热管，还包括堆叠在所述回热管的空腔内的多个胶囊状腔体，所述胶囊状腔体的内部为填料区，各胶囊状腔体间的间隙为工质区，每个胶囊状腔体的壁面上开有连通填料区和工质区的气体进出孔。

上述技术方案中，制冷机的胶囊型氦气回热器内充入工质氦-4时，部分氦-4通过气体进出孔进入胶囊状腔体，成为填料氦-4，胶囊状腔体外的间隙内为工质氦-4；制冷机运行时，所述胶囊状腔体内填料氦-4随着胶囊外工质压力的高低变化而有一部分从气体进出孔进出胶囊状腔体，与工质氦-4进行质量和热量的交换，留在胶囊状腔体内的填料氦-4则通过胶囊状腔体的壁面间接换热。

优选的，所述的胶囊状空腔为椭球体或球体。胶囊与胶囊之间为接触面积小，以减小回热器填料的导热损失。

考虑方便加工和减小轴向导热，优选的，所述的椭球体的三个半径关系为1/2c<a＝b<c，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上述的所述低温制冷机一般采用氦-4作为工作流体。

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。

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。

本发明的有益效果：

(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。

(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。

(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

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。

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。

图3是本发明的胶囊型氦气回热器的结构示意图。

图4是图3在A-A方向上的剖视示意图。

图5是图3在B-B方向上的剖视示意图。

图6是图4中C部分的放大示意图。

图7是图5中D部分的放大示意图。

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。

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。

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。

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。

图中:

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。