用于-160℃～0℃温区斯特林制冷机的非金属回热器的制作方法

本发明涉及斯特林循环制冷机技术领域，具体涉及一种用于-160℃～0℃温区斯特林制冷机的非金属回热器及非金属回热器的制造方法。

背景技术：

目前一般斯特林制冷机的工作温区为77k(-196℃)附近，随着低温生物冰箱、冷链冰箱对斯特林制冷机需求的增加，高温区(-160℃～0℃)斯特林制冷机逐渐成为研究热点，其对回热器的要求也与77k温区制冷机不同。

回热器是斯特林制冷机热功转换的场所。气体工质通过压缩机压缩后，在热端换热器部分进行冷却(一般冷却至30℃-40℃附近)，然后进入回热器进行热量交换。气体通过回热器的高温端，逐渐流向低温端，在流动过程中不断与回热器交换热量，当气体到达回热器的低温端时，气体的温度较低，然后进入膨胀腔膨胀获得制冷效应，其温度进一步降低。因此回热器需要做到在较短的长度内实现较大的温差(典型的是从30℃变化到-160℃)，需要回热器在轴向方向上热导率较低，而在径向方向上热导率较高。在回热器中需要保证能够在较短的时间内填料和气体充分换热，回热器需要具备较大的换热器面积，且水利直径要远远小于工质的热渗透深度。此外回热器材料的热容要大于工质的热容，这样才能够起到蓄热作用。

现有回热器一般采用金属回热器或者芳族聚酸胺纤维回热器，保证其热容大于工质热容。为了保证其较小的水利半径以及较大的换热面积，金属回热器需要具备很高的目数，使得金属回热器的价格偏高。芳族聚酸胺纤维回热器价格较低，但是其编织方式、装填方式等并不能保证回热器的丝径的一致性，以及回热器整体孔隙率的一致性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种用于-160℃～0℃温区斯特林制冷机的非金属回热器及非金属回热器的制造方法，有效解决了现有回热器存在的制作难度大、回热器孔隙率一致性较差和成本过高的问题。

为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于-160℃～0℃温区斯特林制冷机的非金属回热器，包括套筒，套筒内层叠有多片毡片，所述毡片由非金属细丝经纬均匀交织而成，非金属细丝的丝径为8-100μm。

本发明相较于现有技术，采用合适丝径的非金属材料编织成合适厚度和孔隙率的毡片，在装填回热器时通过调节毡片数量即装填松紧度来控制非金属回热器整体的孔隙率，可以保证非金属回热器的整体孔隙率的一致性和便于调控性，保证该温区斯特林制冷机的性能和效率；降低了制冷机的成本。

进一步地，单片毡片的厚度为0.3mm-100mm。

采用上述优选的方案，可以根据非金属细丝材料的可编织性，编织合适的单片毡片厚度，以确保毡片孔隙率的均匀一致性。

进一步地，所述非金属回热器的孔隙率为60％-94％。

采用上述优选的方案，非金属回热器的孔隙率通过称量毡片的重量、毡片厚度和装填松紧度进行精确控制，回热器丝径和孔隙率的精确控制有利于提高装调的成品率。

进一步地，斯特林制冷机的工质为氦气、氮气、氩气、氖气、二氧化碳中的一种或者为其中多种的混合工质。

采用上述优选的方案，采用不同的工质增加了对回热器材料、设计和制作工艺的选择性，可进一步降低工质成本和回热器成本。

进一步地，所述非金属回热器由多个回热器单元组合而成，各回热器单元具有毡片层叠长度限制结构。

采用上述优选的方案，将回热器分成多个回热器单元，每个回热器单元内毡片减少，使得各毡片之间松紧层叠均匀，各回热器单元能具有更稳定的孔隙率，从而确保回热器整体孔隙率的一致性。

进一步地，从热端向冷端，各回热器单元在单位长度上层叠毡片的数量依次增多。

由于从非金属回热器的热端向冷端，制冷机工质在不同温度段的运动黏度不同，单段式回热器中热端造成的黏性耗散会比冷端多。采用上述优选的方案，在热端回热器单元的毡片松紧度相对较松，孔隙率相对较大，即对于整个非金属回热器从热端到冷端的孔隙率逐渐变小，使制冷机工质在整个非金属回热器内扩散更为平稳，减少整个回热器的黏性耗散，同时非金属回热器冷端有较大的散热面积，能更充分换热而提高回热效率。

一种非金属回热器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，拉丝：根据非金属回热器水力直径与热渗透深度，拉制丝径为8-100μm的非金属细丝；

步骤2，编织毡片：采用平纹编织方式编织孔隙率为60％-94％的毡片；

步骤3，非金属回热器组装：在回热器框架内装填毡片，通过改变毡片的充填片数来调节非金属回热器的孔隙率。

采用上述优选的方案，采用合适丝径的非金属材料编织成合适厚度和孔隙率的毡片，在装填回热器时通过调节毡片数量即装填松紧度来控制非金属回热器整体的孔隙率，可以保证非金属回热器的整体孔隙率的一致性和便于调控性，保证该温区斯特林制冷机的性能和效率；降低了制冷机的成本。

进一步地，所述非金属回热器由多个回热器单元组合而成，先按步骤3方法制造回热器单元，最后将各回热器单元组合，且从热端向冷端，各回热器单元在单位长度上层叠毡片的数量依次增多。

采用上述优选的方案，在热端回热器单元的毡片松紧度相对较松，孔隙率相对较大，即对于整个非金属回热器从热端到冷端的孔隙率逐渐变小，有效减少了制冷机工质在高温段运动黏度高所带来的黏性耗散，使制冷机工质在整个非金属回热器内扩散更为平稳，减少整个回热器的黏性耗散，同时非金属回热器冷端有较大的散热面积，能更充分换热而提高回热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明毡片一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明另一种实施方式的结构示意图；

图4是本发明另一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明另一种实施方式的结构示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件的名称：

10-回热器单元；11-套筒；111-第一筒体；112-第二筒体；12-毡片；非金属细丝-121。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种用于-160℃～0℃温区斯特林制冷机的非金属回热器，包括套筒11，套筒11内层叠有多片毡片12，毡片12由非金属细丝121经纬均匀交织而成，非金属细丝121的丝径为8-100μm。

采用上述技术方案的有益效果是：采用合适丝径的非金属材料编织成合适厚度和孔隙率的毡片，在装填回热器时通过调节毡片数量即装填松紧度来控制非金属回热器整体的孔隙率，可以保证非金属回热器的整体孔隙率的一致性和便于调控性，保证该温区斯特林制冷机的性能和效率；降低了制冷机的成本。

非金属材料采用适合在-160～0℃温区工作的的材料，其热容大于所在温区工质热容即可。可以是天然纤维，即自然生长在动植物上或提取的纤维；也可以是化学纤维，其分为人造纤维和合成纤维两种，是利用自然界物质以化学和机械方法处理而成；还可以是混纺纤维，即天然纤维和部分化学纤维混合在一起。所以适合回热器的非金属材料包括棉、麻、涤粘、涤纶、毛腈、羊毛、涤棉等材料，其典型的热容(ρcp)数据如表1所示。斯特林制冷机可以利用的工质有氦气、氮气、氩气、氖气等工质，或者混合工质等，工质的典型热容见表2，由于不同工质的热容不同，所以对应所采用的回热器材料也不同。

表1不同材料的热容数值

表2不同工质的热容数值

非金属材料制作成丝径一致性较好的纱，其丝径通过纱的支数来进行控制。其中支数指的是1克重的纱所能拉到的长度为多少米就称为多少支，一般讲支数越大则纱越细。

非金属回热器毡片通过编织方式进行制作，织法一般采用平纹方式。平纹的特点是正反面面料花纹一样，且质地坚牢、正反面外观效果相同，平纹织物密度不高，较为轻薄，耐磨性较好，透气性较好。正由于平纹的特点，适合制作孔隙率较高的非金属回热器。

非金属回热器毡片的孔隙率通过纱的密度进行控制。纱的密度上指每平方英寸中排列的经纱和纬纱的根数称经纬密度。回热器毡片的厚度根据编织工艺的一致性进行考虑，如编织工艺可以较为精确地控制孔隙率，编织毡片的厚度可取较大值以便减小斯特林制冷机的回热器装填工作量，可取最大值即毡片厚度等于回热器长度。如果一致性不容易控制，则毡片的厚度可较短(例如为非金属回热器长度的1/10,1/20等)，以便毡片填入回热器时，可通过毡片间的松紧度进行孔隙率的调整。

在本发明的另一些实施方式中，单片毡片12的厚度为0.3mm-100mm。采用上述技术方案的有益效果是：可以根据非金属细丝材料的可编织性，编织合适的单片毡片厚度，以确保毡片孔隙率的均匀一致性。

在本发明的另一些实施方式中，所述非金属回热器的孔隙率为60％-94％。采用上述技术方案的有益效果是：非金属回热器的孔隙率通过称量毡片的重量、毡片厚度和装填松紧度进行精确控制，回热器丝径和孔隙率的精确控制有利于提高装调的成品率。

如图4所示，在本发明的另一些实施方式中，所述非金属回热器由多个回热器单元10组合而成，各回热器单元10具有向套筒内侧延伸的唇边，以该唇边限制毡片层叠长度。采用上述技术方案的有益效果是：将回热器分成多个回热器单元10，每个回热器单元10内毡片12数量减少，使得各毡片12之间松紧层叠均匀，各回热器单元10能具有更稳定的孔隙率，保证整个回热器的孔隙率误差较小，且保证整个回热器填充的均匀性和一致性。

如图5所示，在本发明的另一些实施方式中，从热端向冷端，各回热器单元10在单位长度上层叠毡片的数量依次增多。由于从非金属回热器的热端向冷端，制冷机工质在不同温度段的运动黏度不同，单段式回热器中热端造成的黏性耗散会比冷端多，采用上述技术方案，在热端回热器单元的毡片松紧度相对较松，孔隙率相对较大，即对于整个非金属回热器从热端到冷端的孔隙率逐渐变小，使制冷机工质在整个非金属回热器内扩散更为平稳，减少整个回热器的黏性耗散，同时非金属回热器冷端有较大的散热面积，能更充分换热而提高回热效率。

一种非金属回热器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，拉丝：根据非金属回热器水力直径与热渗透深度，拉制丝径为8-100μm的非金属细丝；

步骤2，编织毡片：采用平纹编织方式编织孔隙率为60％-94％的毡片；

步骤3，非金属回热器组装：在回热器框架内装填毡片，通过改变毡片的充填片数来调节非金属回热器的孔隙率。

回热器内毡片层叠的松紧度可以两种方式实现，一种是采用图2中所示套筒结构，套筒11长度恒定，通过改变套筒内充填毡片数量来改变松紧度，以达到调整孔隙率的目的；另一种是采用图3中所示结构，套筒11分为第一筒体111和第二筒体112，可以调节第一筒体111和第二筒体112的相对位置来改变套筒的总长，以改变套筒内毡片层叠的松紧度。

采用上述技术方案的有益效果是：采用合适丝径的非金属材料编织成合适厚度和孔隙率的毡片，在装填回热器时通过调节毡片数量即装填松紧度来控制非金属回热器整体的孔隙率，可以保证非金属回热器的整体孔隙率的一致性和便于调控性，保证该温区斯特林制冷机的性能和效率；降低了制冷机的成本。

在本发明的另一些实施方式中，如图5所示，所述非金属回热器由多个回热器单元10组合而成，先按步骤3方法制造回热器单元10，最后将各回热器单元10组合，且从热端向冷端，各回热器单元10在单位长度上层叠毡片的数量依次增多。采用上述技术方案的有益效果是：在热端回热器单元的毡片松紧度相对较松，孔隙率相对较大，即对于整个非金属回热器从热端到冷端的孔隙率逐渐变小，有效减少了制冷机工质在高温段运动黏度高所带来的黏性耗散，使制冷机工质在整个非金属回热器内扩散更为平稳，减少整个回热器的黏性耗散，同时非金属回热器冷端有较大的散热面积，能更充分换热而提高回热效率。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。