一种插片阻热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，具体是涉及一种插片阻热回热器及带有该回热器的低温制冷机。

背景技术

低温制冷机按照换热方式可分为间壁式和回热式两大类，其中回热式低温制冷机包括g-m制冷机，斯特林制冷机和脉管制冷机，均已成为目前广泛应用并研究的低温制冷机。回热器作为其核心部件，其性能的提升对提高低温制冷机性能的起到非常大的作用。

回热式低温制冷机中，回热器的损失主要包括导热损失、换热损失、阻力损失和实际气体损失等。其中导热损失包括气体导热损失、回热器管壳导热损失和回热器填料导热损失。回热器填料的导热损失则是由于回热器填料在回热器内紧密接触，在回热器轴向的温度梯度下产生的轴向热流，该热流由回热器高温端流向低温端，将会减小低温制冷机在冷端换热器处产生的制冷量。减小导热损失是增大制冷量，提高低温制冷机制冷性能的有效方法。

回热器填料通常为不锈钢、铜或磁性稀有材料，导热系数通常大于20w/(m·k)，因此导热产生较大热流，造成较大的填料导热损失。

为了改善上述问题，有研究人员对填充材料进行了改进，改善蓄冷材料的充填方式，从而达到改善回热器内部气流分布，提高回热器换热效率的目的，制冷机的运行效率得到了显著的改善。但是这种结构会造成较大的流动阻力，并且一定程度上减少了蓄冷材料的填充空间，也无法有效减少回热器的轴向导热损失。

技术实现要素：

本发明提供了一种插片阻热回热器，通过在回热器内插入低温阻热插片，阻隔回热器轴向导热热流，减小导热损失。

一种插片阻热回热器，包括管壳和填充在管壳内的回热器填料，还包括在所述管壳内隔断回热器填料的阻热插片，所述阻热插片在使用工作温区下的导热系数小于0.5w/(m·k)。

本发明的阻热插片采用低温用绝热材料具有较低的导热系数，且易于加工，可用于阻隔热流，减小导热损失。

为了更好地阻隔热流，优选的，所述阻热插片垂直所述管壳的中心轴。

为了便于制造和降低成本，优选的，所述阻热插片的制造材料采用聚四氟乙烯或环氧树脂。材料成本低，易于获得和加工制造。

为了减小回热器阻力损失，优选的，所述阻热插片为多孔结构，孔隙率大于所述回热器填料。为了避免阻力损失过大，所述阻热插片的孔隙率大于所述回热器填料。

为了减小回热器体积，优选的，所述阻热插片的厚度小于1mm。

为了提高阻隔热流的效果，优选的，所述阻热插片沿轴向设有多块。

为了便于制造和安装，优选的，所述阻热插片沿轴向间隔均匀分布。

为了减小更多回热器导热损失，根据工作温区热流分布不均匀布置，优选的，所述阻热插片沿轴向由导热系数较大的高温区段向导热系数较低的低温区段逐渐稀疏分布。在回热填料导热系数较大的区段布置较多的阻热插片，减小该区段的导热热流，使热流分布更均匀。

优选的，所述回热器填料的孔隙率为0.3～0.7，所述阻热插片的孔隙率为0.6～0.9。

本发明还提供了一种低温制冷机，包括至少一个回热器，至少有一个回热器采用上述的插片阻热回热器。

为了进一步提高阻隔热流的效果，优选的，所述多个回热器相连的部位设有所述低温阻热插片。

所述低温制冷机可以是脉管制冷机，包括通过管路依次连通的压缩机、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器和调相机构，脉管制冷机结构紧凑，低温下无运动部件，具有高效、可靠、长寿命等优点。

所述脉管制冷机为多级脉管制冷机，多级结构为热耦合或气耦合。因为多级脉管制冷机制冷温度可低于20k，回热器跨温区大，导热损失也增大，在回热器内插入低温阻热插片，将有效减小回热器导热损失。

由于导热系数远小于回热器填料，低温阻热插片将减小回热器填料的轴向温度梯度，回热器填料的导热损失与回热器温度梯度和回热器填料的导热系数有关：

式中km为回热器填料导热系数，am为回热器填料有效面积，t为温度，x为轴向长度。

回热器的换热损失也与回热器温度梯度相关：

式中ηt为与填料密度、比热容和尺寸等参数相关的系数。由此可知，回热器填料的导热损失和回热器换热损失，都将随回热器填料的轴向温度梯度减小而减小。因此，插片阻热回热器将有效减小回热器损失，从而提高低温制冷机的制冷性能。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的插片阻热回热器，利用成本低并且易于加工制造的低温用绝热材料，制成低温阻热插片置于回热器内，有效减小回热器轴向导热损失。

(2)本发明的插片阻热回热器，利用低温阻热插片减小回热器填料的温度梯度，减小导热损失的同时，减小回热器换热损失。

(3)本发明的带有插片阻热回热器的低温制冷机，回热器损失小，能提高制冷性能。

附图说明

图1为本发明的带有插片阻热回热器的脉管制冷机的结构示意图。

图2为本发明的插片阻热回热器的结构示意图。

图3为无低温阻热插片的传统回热器的温度分布示意图。

图4为本发明的插片阻热回热器的温度分布示意图。

图中，1、插片阻热回热器，2、管壳，3、回热器填料，4、阻热插片，5、压缩机，6、回热器热端换热器，7、冷端换热器，8、脉管，9、脉管热端换热器，10、调相机构。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的带有插片阻热回热器的脉管制冷机包括依次连通的压缩机5、回热器热端换热器6、插片阻热回热器1、冷端换热器7、脉管8、脉管热端换热器9和调相机构10。

其中，插片阻热回热器1的结构如图2所示，包括管壳2、回热器填料3和阻热插片4。

阻热插片4由导热系数小于0.3w/(m·k)的低温用绝热材料制成，如聚四氟乙烯、环氧树脂等。阻热插片4阻隔了回热器填料的导热热流，同时减小回热器填料3的轴向温度梯度。

无低温阻热插片的传统回热器，其温度分布如图3所示；而插入阻热插片4的插片阻热回热器，其温度分布将如图4所示。由于阻热插片4的导热系数远小于回热器填料，阻热插片4将减小回热器填料3的轴向温度梯度，回热器填料3的导热损失与回热器温度梯度和回热器填料的导热系数有关：

式中km为回热器填料导热系数，am为回热器填料有效面积，t为温度，x为轴向长度。

回热器换热损失与温度梯度的关系为：

式中ηt为与填料密度、比热容和尺寸等参数相关的系数。由此可知，回热器填料的导热损失和回热器换热损失，都将随回热器填料的轴向温度梯度减小而减小。

因此阻热插片4能同时减小回热器导热损失和换热损失，提高回热器效率。低温阻热插片孔隙率大，厚度小，插片阻热回热器1内的阻力损失不会增大，空体积小。带有插片阻热回热器的脉管制冷机因回热器总损失的减小而性能提升。

本实施例的带有插片阻热回热器的脉管制冷机的运行过程为：经过压缩机5的高温高压气体流经回热器热端换热器6后冷却至室温，在插片阻热回热器1中与回热器填料3换热，温度降低，气体依次通过冷端换热器7、脉管8、脉管热端换热器9和调相机构10，运行稳定后在冷端换热器7处产生制冷效应，在插片阻热回热器1沿轴向方向形成温度梯度。回热器内的阻热插片4阻隔导热热流，并在回热器填料3的轴向形成较小的温度梯度，回热器导热损失和换热损失小，可在冷端换热器7处获得较大的制冷效应。

本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。