[实用新型]一种采用不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其脉管制冷机

说明书

技术领域

本实用新型涉及制冷机，尤其涉及一种不锈钢纤维回热材料的高频回热器及其脉管制冷机

背景技术

从上世纪八十年代以来，随着国防军事、环境、商业、医学、交通运输、能源、农业和生物、工业、科学研究诸多领域对低温环境的需求的产生，使得低温制冷机在理论和实用化上都得到了迅速的发展。不断出现的新的应用，对低温制冷机的效率和可靠性、体积和重量、以及振动和电磁干扰等提出了越来越高的要求。

脉管制冷机最早由Gifford和Longsworth在上个世纪六十年代中期提出。但是由于其较低的效率而一直没有得到较大的发展。直到八十年代中期，脉管制冷机才逐渐开始吸引研究者的热情，一系列改进的提出使得其效率得到迅速的提升。由于在冷端没有运动部件，脉管制冷机较之斯特林制冷机和G-M制冷机，具有结构简单、成本低、机械振动小、可靠性高、寿命长等优点。这使得脉管制冷机可以与各种器件配合形成小型特种仪器，在军事武器(如夜视仪)，超导技术(如SQUID器件)，科研及工业(如红外热像仪)，医疗仪器设备(如医用局部MRI)，移动通信基站(如超导滤波器)等领域具有较大的优越性和广泛的应用前景。

根据驱动方式不同，脉管制冷机主要可分为G-M型脉管和斯特林型脉管两种形式。前者由G-M压缩机(有阀压缩机)通过旋转阀驱动制冷机，其工作频率一般在9Hz(主要由于旋转阀速度的限制)以下。而后者使用曲柄连杆或直线压缩机(无阀压缩机)驱动，工作频率一般在30Hz以上。

斯特林型脉管制冷机由于采用较高的频率和无阀压缩机，较之G-M型具有效率高(2倍-5倍)、体积小(5倍以上)、重量轻(5倍以上)等优势，因此主要在空间和军事方面得到广泛应用，近年来也逐步向民用方面拓展。

在输入功不变的情况下，更高的工作频率能有效地减小斯特林型脉管制冷机的冷头和压缩机的大小、重量，加快降温速率，这对于军事、空间等要求制冷机微型化的应用场合具有重要意义。近几年来，100Hz以上的高频斯特林脉管制冷机已成为脉管制冷机的重要研究方向之一。

为了使得斯特林型脉管制冷机的回热器在100Hz，甚至更高的频率下仍然具有较高的效率，必须满足以下要求：

1.回热材料的特征尺寸必须小于材料的热渗透深度，即D_m＜δ_tm，以确保回热材料的热容能够充分利用。

2.回热材料形成的流道的水力直径必须小于流体工质的热渗透深度，即D_h＜δ_tg，以确保工质的充分换热。

表1常用不锈钢丝网的尺寸参数

如图4所示，80K，3.5MPa下，氦气工质和不锈钢回热材料的热渗透深度随着工作频率的升高而减小。

图5和图6分别给出了不同频率下，不锈钢和氦气热渗透深度随温度的变化曲线，并分别与常用不锈钢丝网的丝径和水力直径的比较。80K时，氦气在150Hz，5MPa时的热渗透深度为31.88μm，与635目丝网的水力直径30.58μm相当。但是当频率高于150Hz，压力高于5.0MPa时，氦气的热渗透深度将小于635目丝网的水力直径(当量直径)。例如频率为300Hz，压力为7.0MPa时，氦气的热渗透深度仅为19.68μm，远小于635目丝网的水力直径。随着温度的降低，氦气的热渗透深度也迅速下降，使得在35K，120Hz，3.5MPa时氦气的热渗透深度为21.99μm，也已小于635目丝网的水力直径。

可见，限制不锈钢丝网为回热材料的回热器在高频下获得较高效率的原因主要在于：高频(常匹配以高压)下，常用不锈钢丝网的水力直径相比氦气的热渗透深度大，使得低温下氦气工质与不锈钢丝网未能获得良好的换热，从而使得制冷机无法获得较高的效率。

由于编织工艺的限制，常规的不锈钢丝网填料所能达到的极限是635目。在80K温区，635目不锈钢丝网不能满足频率在150Hz以上回热器的换热要求；在35K温区，635目不锈钢丝网不能满足频率在100Hz以上回热器的换热要求。