一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及低温制冷机领域，具体是涉及一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机。
【背景技术】
[0002]随着高科技的很快的发展；超导磁体及传感器、低温物性研究、Sub-Kelvin冷却、移动通讯等等，对液氦的需求越来越高，4K低温制冷机的研究和应用越来越广。当前主流的4K温区低温制冷机按照制冷循环方式划分为GM制冷机和脉管制冷机两种，GM制冷机的制冷效率比脉管制冷机的效率还是高。当前4K低温制冷机的研究过程中最重要的是提高制冷效率。而4K温区氦四的实际气体物性、回热器填料的有限的比热，为提高制冷效率增添了很大困难。因此，把工作流体氦四替换到氦三，而且开发4K温区比热特别大的填料，使用它们，成为目前研究的重点。
[0003]图1所示为不同回热器填料和氦-4的体积比热特性:除了不锈钢和铅之外，其他填料的比热在4K到20K温区的局部领域相比氦-4特别大。因此在4K低温制冷机中这些材料作为4K回热器的填料起到很重要的作用。此外氦-4的比热在100K以上温区之外与在4K到20K温区的物性差别特别大。所以为了开发4K温区比热很大的填料材料，大量研究不停地进行。
[0004]图2所示为现有的4KG-M型脉管制冷机的结构，包括:压缩机1、旋转阀2、传输管3、热端换热器4、一级回热器5、一级回热器冷端换热器6、一级冷端流体通道7、一级脉管冷端换热器8、一级脉管9、一级脉管热端换热器10、一级气库11、一级小孔阀20、一级双向进气阀121、一级双向进气阀1122、二级回热器I 12、二级回热器II 13、二级回热器冷端换热器14、二级冷端流体通道15、二级脉管冷端换热器16、二级脉管17、二级脉管热端换热器
18、二级气库19、二级小孔阀23、二级双向进气阀124、二级双向进气阀1125。
[0005]4K GM型脉管制冷机的工作过程为:为了达到4K温区，需要30K?40K的预冷部分，是由制冷机的一级来实现的。由压缩机I产生工作流体(氦-4)高压和低压。通过旋转阀2，氦-4的压力周期的变化。氦-4在一级回热器5内进行和填料换热，在一级脉管9内进行绝热压缩及膨胀。一级回热器填料是一般不锈钢或者紫铜丝网和铅球。随着这个过程的反复，冷端的温度渐渐降低。由一级小孔阀20、一级双向进气阀I 21、一级双向进气阀1122调节在一级冷端流体质量流量和压力波动之间的相位差及直流，从而影响一级的制冷性能。
[0006]制冷机的更重要的部分是第二级，在这个部分达到4K温区。在两级脉管制冷机，氦-4的质量流量在两级之间由一级冷端流体通道7分配到两部分，分别进入到:一级脉管冷端换热器8和二级回热器I 12的热端。二级回热器填料是在4K到40K温区比热特别大的材料:比如GAP、GOS、HoCu2、ErNia9Coa1、ErN1、Er3N1、Gd-Rh等等。因为这些填料的比热在局部温区大，二级回热器结构是分层的。由二级小孔阀23、二级双向进气阀I 24、二级双向进气阀II 25调节在二级冷端流体质量流量和压力波动之间的相位差及直流，从而影响二级的制冷性能。
[0007]现有的4K GM型脉管制冷机还是存在制冷效率低的问题。在4K温区制冷效率低的最关键的原因是4K回热器填料的有限比热。虽然到目前开发了很多种特殊的球填料，但是它们的缺点是在局部温区比热大，而且制作费用很贵。
[0008]氦-4跟现有的多种特殊的球填料相比，比热更大，并且购进价格比较低。因此为了把氦-4用作4K回热器填料的一些研究正在进行，其方法有两种:第一种是利用机械工程热力学的方法。把氦-4充气到一个部件的里面，这个部件里面的氦-4和其部件外面的工作流体氦-4换热。第二种是用吸收氦-4的特殊毫微材料的方法。吸收的氦-4和通过毫微材料流的氦-4换热。但是无论是什么方法，还是没有达到预定的效果。主要原因是换热面积小及孔气率低，和压力波动的损失。
【实用新型内容】
[0009]针对上述问题，本实用新型提出了一种氦四回热器及带有该回热器的低温制冷机，该氦四回热器适于4K低温温区使用，代替现有的球填料，利用新的换热机理，提高了 4K温区的制冷效率。
[0010]一种氦四回热器，包括带有空腔的本体、分别设置在本体顶部和底部的上盖和下盖，所述本体上设有开口朝向所述空腔的内狭缝以及开口背对空腔朝外的外狭缝；所述外狭缝和内狭缝互相独立，且沿本体轴线周向交替设置，相邻外狭缝和内狭缝之间形成换热面；所述上盖和下盖上分别设有与所述外狭缝对应的狭缝结构，所述上盖和下盖分别将内狭缝的顶端和底端密封。
[0011]上述技术方案中，所述空腔和内狭缝之间形成盛放氦四回热填料的空间；所述外狭缝形成工作流体氦-4通过的空间；工作流体和回热填料之间通过内狭缝和外狭缝之间的薄壁面实现间接换热。在4K温区，与传统的球填料相比，氦四的比热容更好，进一步提高了回热器的回热性能，进而可以提高制冷机的制冷效率。
[0012]作为优选，所述相邻外狭缝和内狭缝之间设有开口背对空腔朝外的增强狭缝。通过增强狭缝进一步增加换热面积，提高换热效率。
[0013]作为优选，所述上盖上设有与所述空腔连通的通孔。通过通孔，可实现空腔与外接管路的连接，从而能够实现对氦四填料的压力控制，保证氦四填料在最佳比热特性下工作。
[0014]作为优选，所述外狭缝、内狭缝、增强狭缝的深度方向与所述本体的径向一致，且以所述本体的中轴线呈辐射状均匀布置。采用该结构，保证整个本体内换热均匀，避免局部过热等。作为进一步优选，所述增强狭缝的深度方向与所述本体的径向一致，且以所述本体的中轴线呈辐射状均匀布置。进一步保证换热均匀。
[0015]作为优选，所述空腔的直径为所述本体直径的1/6?1/4。所述外狭缝和内狭缝的深度为所述本体直径的1/4?1/2.5 ;所述增强狭缝的深度为所述本体直径的1/5?1/3。采用上述技术方案，保证内外狭缝之间形成足够多的换热面。
[0016]本实用新型还提供了一种低温制冷机，该脉管制冷机中回热器采用上述任一技术方案所述的氦四回热器。所述脉管制冷机一般采用氦四(He-4)为工作流体。
[0017]作为优选，所述低温制冷机中位于4K温区部分的回热器采用上述任一技术方案的氦四回热器。
[0018]作为优选，所述低温制冷机为二级脉管制冷机，所述上盖与二级脉管制冷机的二级气库之间连接有毛细管，该毛细管一端与所述本体的空腔连通，另一端与二级气库连通。采用该技术方案，通过二级气库可方便实现对氦四回热器内回热填料压力的调整，进而实现对填料氦-4的比热特性调节。
[0019]本实用新型的两级脉管制冷机一般包括压缩机、热端换热器、一级回热器、一级回热器冷端换热器、一级脉管冷端换热器、一级脉管、一级脉管热端换热器、一级气库、二级回热器、二级回热器冷端换热器、二级脉管冷端换热器、二级脉管、二级脉管热端换热器、二级气库，以及连接在压缩机与热端换热器、(一级/ 二级)气库与(一级/ 二级)脉管热端换热器之间阀门组件等。二级回热器由两段组成，包括二级回热器1、二级回热器II，二级回热器1、二级回热器II分别采用不同的回热填料，二级回热器II位于4K温区，采用本实用新型的氦四回热器。
[0020]作为优选，所述毛细管另一端穿过二级脉管制冷机的二级回热器热端(即二级回热器I)、一级回热器冷端换热器、一级回热器和热端换热器与所述二级气库连通。
[0021]本实用新型中，本体一般为圆柱体结构，设置在回热器的管路内。本体的内狭缝和空腔内充注氦四作为回热填料；外狭缝、增强狭缝与回热器管路内壁之间用于工作流体的流通。上盖和下盖保证内狭缝和空腔的密封，保证回热填料具有一定的压力。
[0022]根据本实用新型提出的设计，毛细管布置在氦-4回热器的上盖上，四周与上盖上通孔的周缘密封固定，保证毛细管一端与空腔连通。毛细管另一端通过二级及一级回热器连接到二级的气库。因此氦-4回热器内的压力跟二级气库的压力一样，方便了氦-4回热器内填料压力的控制。
[0023]本实用新型中，工作流体和4K温区的回热器回热填料均选择氦-4，工作流体和回热填料通过内外狭缝，实现两者的间接地换热。
[0024]与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在:
[0025]一、本实用新型通过新氦-4回热器的设计，在4K温区不利用传统的固体填料和工作流体之间换热的传统方式，而是采用利用流体填料和工作流体之间换热的新方式，回热器设计和装配更简单。
[0026]二、本实用新型通过新氦-4回热器的设计，不需要购进及制作费用贵的回热器特殊球填料，把比较容易得到的氦-4作为填料利用，降低了回热器和制冷机的制作成本和使用成本。
[0027]三、本实用新型通过新氦-4回热器的设计，采用比热性能较好的氦-4作为回热填料，能够在4K温区提高制冷效率。
[0028]综上所述，本实用新型的氦-4回热器以及带有该回热器的4K低温制冷机，通过回热器内外狭缝式结构的设计，使得流体填料氦-4和工作流体氦-4换热，因而不需要4K温区传统利用的特殊球填料，能够在一定程度上提高4K温区制冷效率，节省4K低温制冷机的制造成本。
【附图说明】
[0029]图1是现有的4K温区使用的不同回热器填料的体积比热特性图；
[0030]图2是现有的4K温区GM型脉管制冷机的结构示意图；
[0031]图3a是本实用新型的4K低温制冷机的结构示意图；
[0032]图3b是本实用新型的