CN114111083A - 一种蓄冷器及采用该蓄冷器的蓄冷式低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄冷器及采用该蓄冷器的蓄冷式低温制冷机，属于低温制冷机技术领域，该蓄冷器采用两种不同结构的丝网混合填充，所述两种不同结构的丝网为具有均匀空隙率的层叠基体丝网以及在径向上具有不同空隙率的层叠间隔丝网组成。本发明所提供的蓄冷器在径向上具有变化的空隙率，能够调节蓄冷器中工质气体的流动阻力，减小由于径向温度分布不均匀导致的制冷机冷量损失，提高制冷机的制冷效率。同时，由于层叠间隔丝网本身材料与作为主要蓄冷材料的层叠基体丝网相同，能够保证换热面积以及换热效率，能够减小***部件带来的换热效率下降、制冷性能衰减的问题，进一步提升了制冷机性能。

Description

一种蓄冷器及采用该蓄冷器的蓄冷式低温制冷机

技术领域

本发明属于低温制冷机技术领域，具体涉及一种蓄冷器及采用该蓄冷器的蓄冷式低温制冷机。

背景技术

蓄冷式制冷机是对具有蓄冷器的制冷机的统称，例如，包括GM制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机、索尔文制冷机等。其中吉福特-麦克马洪(Gifford-McMahon)是通过绝热放气降温，连续进行西蒙膨胀制冷的装置。GM制冷机通过容纳与气缸内的活塞往复运动来改变膨胀空间的体积，配合给定相位的配气阀门，使得制冷剂气体在膨胀空间内膨胀产生冷量，并通过冷端换热器将冷量传送到待冷却物体。

蓄冷器是蓄冷式低温制冷机的关键部件，承担冷、热流体间周期性换热的任务。蓄冷器中填充有蓄冷材料，一般处于20K温区的单级制冷机或者双级制冷机的第一蓄冷器中常采用磷青铜或者不锈钢丝网作为蓄冷材料。在蓄冷器中，由于受到内壁流路阻力的影响，制冷剂气体流过蓄冷器时，中心部位的流速大于外周的流速，这会造成蓄冷器横截面换热不一致，产生径向温度分布不均匀的现象，增加了损失，降低了蓄冷器的效率。特别地，对于大冷量蓄冷式低温制冷机，蓄冷器难免具有较大的径向尺寸，因此上述问题就尤为突出。

针对这种现象，现有文献提出过在蓄冷器中***具有不同开口率的***部件来达到流速均等的目的。但是，***部件的未开口部分在蓄冷器中会产生额外的流路阻力，另外***部件也会减少蓄冷材料的填充量，进而降低制冷机制冷性能。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种蓄冷器及采用该蓄冷器的蓄冷式低温制冷机，以提高制冷效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种蓄冷器，包括：整流器、层叠基体丝网以及层叠间隔丝网；所述层叠基体丝网由一定数量的单片基体丝网堆叠而成，所述单片基体丝网通过经线和纬线交错编织而成，形成具有均匀开口的结构；所述层叠基体丝网具有均匀的孔隙率；所述层叠间隔丝网由一定数量的单片间隔丝网堆叠而成，所述单片间隔丝网由环形金属丝与辐射状金属丝交错形成，所述层叠间隔丝网外周部的空隙率大于中心部的空隙率。

进一步地，所述单片间隔丝网的中心部为金属薄片，与所述辐射状金属丝尾部连接固定。

进一步地，构成所述层叠间隔丝网的的单片间隔丝网数量在50片到100片之间。

进一步地，所述层叠间隔丝网在所述蓄冷器内填充的层数为3～10层。

本发明还提供一种蓄冷式低温制冷机，包括：

通过氦气管道顺序连接形成吸排气***的压缩机、供给阀、回流阀；

气缸、容纳在所示气缸内部并纵向往复运动的置换器、位于所示气缸底部的冷端换热器，所述置换器具有高温端和低温端，所述气缸与所述置换器的低温端之间形成膨胀腔，所述气缸与所述置换器的高温端之间形成室温腔；所述室温腔与所述氦气管道连接；所述置换器通过曲柄连杆机构与驱动机构连接；

蓄冷器，所述蓄冷器容纳在所述置换器内，所述置换器顶部设有使所述室温腔中制冷剂气体进入所述蓄冷器内的第一气体通道，底部设有使所述蓄冷器内制冷剂气体进入膨胀腔的第二气体通道。

进一步地，当所述置换器处于所述气缸的下止点位置时，打开所述供给阀，高压氦气经过所述供给阀从所述氦气管道进入到所述室温腔内，同时通过所述置换器顶部的第一气体通道流入到所述蓄冷器内与蓄冷材料换热，制冷剂气体被冷却温度下降，通过位于所述置换器底部的第二气体通道进入所述膨胀腔，所述置换器向上移动；

当所述置换器移动至所述气缸的上止点位置时，打开所述回流阀，通过制冷剂气体的膨胀产生的冷量由所述冷端换热器传递至被冷却物体；经膨胀降温的低压氦气由所述第二气体通道进入所述蓄冷器中与蓄冷材料换热，被加热的制冷剂气体通过所述第一气体通道充满所述室温腔，再经由所述氦气管道与所述回流阀回到所述压缩机的吸入侧。

进一步地，所述置换器包括密封件、筒状部件以及底盖，所述底盖与所述筒状部件通过胶水连接，用于固定内部的所述蓄冷器。

进一步地，所述密封件位于所述置换器的高温端，用于阻止制冷剂气体在所述置换器的低温端与高温端之间流动；所述筒状部件的外径小于所述气缸的内径。

进一步地，所述层叠间隔丝网与所述层叠基体丝网的外径略小于所述置换器的筒状部件的内径。

进一步地，所述蓄冷式低温制冷机是适用于脉冲管式的GM制冷机、斯特林制冷机、苏尔威制冷机中的任一种。

实施本发明具有如下有益效果：本发明所提供的蓄冷器在径向上具有变化的空隙率，能够调节蓄冷器中工质气体的流动阻力，减小由于径向温度分布不均匀导致的制冷机冷量损失，提高制冷机的制冷效率。同时，由于间隔丝网本身材料与作为主要蓄冷材料的基体丝网相同，能够保证换热面积以及换热效率，相比于其他通过在蓄冷器内***部件来达到使径向气体流速均等的方法，本发明能够减小***部件带来的换热效率下降、制冷性能衰减的问题，进一步提升了制冷机性能。

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为本发明实施例一种蓄冷式低温制冷机的剖视结构示意图。

图2为本发明实施例中单片基体丝网的结构示意图。

图3为本发明实施例中单片间隔丝网的结构示意图。

图4为本发明实施例所涉及的间隔丝网的空隙率在周向上的变化规律示意图。

图5为本发明实施例所涉及的间隔丝网的空隙率在径向上的变化规律示意图。

图6为本发明实施例所涉及的制冷剂气体通过间隔丝网时径向上的流动阻力示意图。

附图标记说明：1—蓄冷式低温制冷机；2-压缩机；3-回流阀；4-供给阀；5-氦气管道；6-气缸；7-置换器；71-密封件；72-第一气体通道；73-第二气体通道；74-底盖；75-筒状部件；8-蓄冷器；81a、81b-整流器；82-层叠基体丝网；83-层叠间隔丝网；9-冷端换热器；10-膨胀腔；11-室温腔；12-曲柄连杆；13-驱动机构；14-单片基体丝网；15-单片基体丝网开口；16-单片基体丝网经线；17-单片基体丝网纬线；18-单片间隔丝网；19-单片间隔丝网中心部；20-环形金属丝；21-辐射状金属丝。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

请参照图1所示，本发明实施例提供一种蓄冷式低温制冷机，该蓄冷式制冷机为例如将氦气用作制冷剂气体的吉福特-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)式的超低温制冷机；该蓄冷式低温制冷机1包括：

通过氦气管道5顺序连接形成吸排气***的压缩机2、供给阀4、回流阀3；

气缸6、容纳在气缸6内部并纵向往复运动的置换器7、位于气缸6底部的冷端换热器9，置换器7具有高温端和低温端，气缸6与置换器7的低温端之间形成膨胀腔10，气缸6与置换器7的高温端之间形成室温腔11；室温腔11与氦气管道5连接；置换器7通过曲柄连杆机构12与驱动机构13连接；

容纳在置换器7内的蓄冷器8，置换器7顶部设有使室温腔11中制冷剂气体进入蓄冷器8内的第一气体通道72，底部设有使蓄冷器8内制冷剂气体进入膨胀腔10的第二气体通道73；

当置换器处于气缸6的下止点位置时，打开供给阀4，高压氦气经过供给阀4从氦气管道5进入到室温腔11内，同时通过置换器7顶部第一气体通道72流入到蓄冷器8内与蓄冷材料换热，制冷剂气体被冷却温度下降，通过位于置换器7底部的第二气体通道73进入膨胀腔10，置换器7向上移动；

当置换器7移动至气缸6上止点位置时，打开回流阀3，通过制冷剂气体的膨胀产生的冷量由冷端换热器9传递至被冷却物体；经膨胀降温的低压氦气由第二气体通道73进入蓄冷器8中与蓄冷材料换热，被加热的制冷剂气体通过第一气体通道72充满室温腔11，再经由氦气管道5与回流阀3回到压缩机2的吸入侧。

具体地，气缸6内部容纳置换器7，其温度较高侧为高温端，温度较低侧为低温端。置换器7包括密封件71、筒状部件75以及底盖74。底盖74与筒状部件75通过胶水连接，能够固定内部的蓄冷器8。考虑到重量、导热系数、硬度等因素，筒状部件75采用夹布胶木制成。通过置换器7高温端的密封件71使得制冷剂气体不能在低温端与高温端之间流动，减小泄漏和热损失。置换器7具有筒状部件75，该筒状部件75的外径小于气缸6的内径，置换器7能够在纵向(即图1所示的沿长度方向)上在气缸6内往复运动，气缸6为将置换器7能够在纵向上往复移动的方式容纳的容器。考虑到强度、导热系数、氦隔离能力等，气缸6可以使用不锈钢制成。置换器7通过曲柄连杆机构12与驱动机构13连接，以带动置换器7在气缸6内纵向往复运动。位于气缸6底部的冷端换热器9是制冷机直接导出冷量的部件，需要在低温下具有较大的热导率，例如采用无氧铜。

接下来对本发明实施例所涉及的蓄冷式低温制冷机(以吉福特-麦克马洪低温制冷机为例)的工作过程进行说明。压缩机2为氦压缩机，其将低压氦气压缩为高压氦气，一般其吸气压力在4bar～8bar，排气压力在22bar～26bar。在制冷机运行的某一时刻，置换器处于气缸6的下止点位置，此时膨胀腔10容积最小，室温腔11容积最大。若与此同时或者在稍微偏离的时刻打开供给阀4，则高压氦气经过供给阀4从氦气管道5进入到室温腔11内，充满室温腔11，同时通过置换器7顶部第一气体通道72流入到蓄冷器8内，与蓄冷材料换热，制冷剂气体被冷却温度下降，通过位于置换器7底部的第二气体通道73进入膨胀腔10，置换器7向上移动，膨胀腔10被制冷剂气体充满，关闭供给阀4。此时，置换器7位于气缸6上止点。若与此同时或者在稍微偏离的时刻打开回流阀3，则膨胀腔10内的制冷剂气体被减压并膨胀，成为低压氦气。此时，通过制冷剂气体的膨胀产生的冷量，通过冷端换热器9传递至被冷却物体。经过膨胀降温的低温低压氦气由第二气体通道73进入蓄冷器8中，与蓄冷材料进行热交换，氦气温度上升，蓄冷材料温度下降，蓄冷材料能够积蓄产生的冷量。然后被加热的制冷剂气体通过第一气体通道72充满室温腔11，再经由氦气管道5与回流阀3回到压缩机2的吸入侧。将该工序作为一个循环，蓄冷式制冷机1通过反复进行该冷却循环，连续产生冷量。

工作在20K温区及以上的单级蓄冷式低温制冷机及双级蓄冷式低温制冷机的第一蓄冷器一般采用小直径的金属丝编织而成的丝网填料，材料为不锈钢或者磷青铜。在更低的温度下，这些金属丝网便不再适用，这是因为它们的比热容开始显著降低，限制了回热器效率。

在制冷机运行过程中，由于蓄冷器内壁边界层的影响，外周制冷剂气体所受流动阻力要大于中心部制冷剂气体所受流动阻力，因此在蓄冷器横截面上流速不均等，由此产生径向温度非均匀性，从而引发蓄冷器内严重的温度和流动的不稳定性，并且从热端传递额外的热负荷到冷端，蓄冷器的效率和整机制冷性能恶化，在大直径、大冷量低温制冷机中这种现象尤为显著。制冷剂气体与蓄冷材料之间的热交换效率取决于制冷剂气体的流速。具体而言，在蓄冷材料中流动的制冷剂气体的流速越大，制冷剂气体与蓄冷材料之间的热交换效率越大。

基于上述情况，本发明实施例的蓄冷器8采用层叠基体丝网82和层叠间隔丝网83分层混合填充。请再参照图2和图3所示，蓄冷器8包括配置在置换器7高温端的整流器81a、配置在置换器7低温端的整流器81b、层叠基体丝网82以及层叠间隔丝网83。在蓄冷器8的主要区域内填充由一定数量单片基体丝网14堆叠而成的层叠基体丝网82。构成层叠基体丝网82的单片基体丝网14的结构如图2所示。单片基体丝网14由较小直径的金属丝网通过单片基体丝网经线16和单片基体丝网纬线17交错编织而成，形成具有均匀单片基体丝网开口15的结构。因此，单片基体丝网14具有均匀的空隙率，其构成的层叠基体丝网82也应具有均匀的孔隙率。在不考虑内壁所引起的边界层的影响，制冷剂气体通过具有均匀空隙率的层叠基体丝网82的截面各位置的流路阻力相等。层叠基体丝网82作为蓄冷器8的蓄冷材料发挥作用。

层叠间隔丝网83由一定数量的单片间隔丝网18堆叠而成，构成层叠间隔丝网83的单片间隔丝网18的结构如图3所示。层叠间隔丝网83同时作为蓄冷材料与使流速均等的部件发挥作用。层叠间隔丝网83使在蓄冷器8中流动的制冷剂气体的流速分布均等。层叠间隔丝网83与层叠基体丝网82一起放置于蓄冷器8中，因此层叠间隔丝网83的外形限制于圆形，为了方便填充，层叠间隔丝网83与层叠基体丝网82的外径略小于筒状部件75的内径。单片间隔丝网18的中心部19为金属薄片，厚度与丝网厚度一致，与辐射状金属丝21尾部连接固定。环形金属丝20与辐射状金属丝21交错形成单片间隔丝网18。

由辐射状金属丝21与环形金属丝20交错形成的单片间隔丝网18具有如下特征：在同一直径的周向，单片间隔丝网18的空隙率保持不变，在径向位置，从中心向外，空隙率逐渐增大，由此可知由一定数量单片间隔丝网18构成的层叠间隔丝网83具有相同的特征。图4示意地表示了本发明所涉及的单片间隔丝网18的空隙率在周向上的变化规律。图5示意地表示了本发明所涉及的单片间隔丝网18的空隙率在径向上的变化规律。图6示意地表示了本发明所涉及的制冷剂气体流过层叠间隔丝网83时所受的流动阻力。

如上所述，实施方式所涉及的层叠间隔丝网83构成为外周部的空隙率大于中心部的空隙率。因此，层叠间隔丝网83的中心部的流路阻力大于外周部的流路阻力，通过层叠间隔丝网83的制冷剂气体在中心部的流速减少的程度大于在外周部的流速减少的程度。由此，通过层叠间隔丝网83，能够使在蓄冷器8中流动的制冷剂气体的流速接近均等，进而使得蓄冷器8截面的温度均等，而与蓄冷器8内部的位置无关。

再请参照图1所示，图中83a、83b、83c所指为层叠间隔丝网83在蓄冷器8内的填充位置，图1中示意的表示了三层，其区域层数优选为3～10层。蓄冷器8长度越长，所需层叠间隔丝网83的层数越多，能够保证在蓄冷器8长度方向上流速保持均等。每层容纳层叠间隔丝网83的区域填充单片间隔丝网18的数量为50～100片，如果片数较低将无法发挥使流速均等的作用。

本发明的一种实施方式所涉及的层叠间隔丝网83作为使得蓄冷器8中制冷剂气体流速均等的部件的另一好处是，层叠间隔丝网83本身也作为蓄冷材料发挥作用，同层叠基体丝网82的效果一致，能够避免其他方式如***具有不同开口率的***部件所造成的额外流动阻力；其次是相对而言没有减少蓄冷材料的填充量，因而不会产生制冷性能因此下降的可能性。

在上述的蓄冷式制冷机中示出了级数为一级的情况，但该级数可以是二级，也可以适当选择为三级以上。并且，在实施方式中，对蓄冷式低温制冷机的GM制冷机的例子进行了说明，但并不限于此。例如，本发明还能够适用于脉冲管式的GM制冷机、斯特林制冷机、苏尔威制冷机等。

通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所提供的蓄冷器在径向上具有变化的空隙率，能够调节蓄冷器中工质气体的流动阻力，减小由于径向温度分布不均匀导致的制冷机冷量损失，提高制冷机的制冷效率。同时，由于间隔丝网本身材料与作为主要蓄冷材料的基体丝网相同，能够保证换热面积以及换热效率，相比于其他通过在蓄冷器内***部件来达到使径向气体流速均等的方法，本发明能够减小***部件带来的换热效率下降、制冷性能衰减的问题，进一步提升了制冷机性能。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种蓄冷器，其特征在于，包括：整流器、层叠基体丝网以及层叠间隔丝网；所述层叠基体丝网由一定数量的单片基体丝网堆叠而成，所述单片基体丝网通过经线和纬线交错编织而成，形成具有均匀开口的结构；所述层叠基体丝网具有均匀的孔隙率；所述层叠间隔丝网由一定数量的单片间隔丝网堆叠而成，所述单片间隔丝网由环形金属丝与辐射状金属丝交错形成，所述层叠间隔丝网外周部的空隙率大于中心部的空隙率。

2.根据权利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，所述单片间隔丝网的中心部为金属薄片，与所述辐射状金属丝尾部连接固定。

3.根据权利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，构成所述层叠间隔丝网的的单片间隔丝网数量在50片到100片之间。

4.根据权利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，所述层叠间隔丝网在所述蓄冷器内填充的层数为3～10层。

5.一种蓄冷式低温制冷机，其特征在于，包括：

通过氦气管道顺序连接形成吸排气***的压缩机、供给阀、回流阀；

气缸、容纳在所示气缸内部并纵向往复运动的置换器、位于所示气缸底部的冷端换热器，所述置换器具有高温端和低温端，所述气缸与所述置换器的低温端之间形成膨胀腔，所述气缸与所述置换器的高温端之间形成室温腔；所述室温腔与所述氦气管道连接；所述置换器通过曲柄连杆机构与驱动机构连接；

如权利要求1-4任一项所述的蓄冷器，所述蓄冷器容纳在所述置换器内，所述置换器顶部设有使所述室温腔中制冷剂气体进入所述蓄冷器内的第一气体通道，底部设有使所述蓄冷器内制冷剂气体进入膨胀腔的第二气体通道。

6.根据权利要求5所述的蓄冷式低温制冷机，其特征在于，当所述置换器处于所述气缸的下止点位置时，打开所述供给阀，高压氦气经过所述供给阀从所述氦气管道进入到所述室温腔内，同时通过所述置换器顶部的第一气体通道流入到所述蓄冷器内与蓄冷材料换热，制冷剂气体被冷却温度下降，通过位于所述置换器底部的第二气体通道进入所述膨胀腔，所述置换器向上移动；

当所述置换器移动至所述气缸的上止点位置时，打开所述回流阀，通过制冷剂气体的膨胀产生的冷量由所述冷端换热器传递至被冷却物体；经膨胀降温的低压氦气由所述第二气体通道进入所述蓄冷器中与蓄冷材料换热，被加热的制冷剂气体通过所述第一气体通道充满所述室温腔，再经由所述氦气管道与所述回流阀回到所述压缩机的吸入侧。

7.根据权利要求5所述的蓄冷式低温制冷机，其特征在于，所述置换器包括密封件、筒状部件以及底盖，所述底盖与所述筒状部件通过胶水连接，用于固定内部的所述蓄冷器。

8.根据权利要求7所述的蓄冷式低温制冷机，其特征在于，所述密封件位于所述置换器的高温端，用于阻止制冷剂气体在所述置换器的低温端与高温端之间流动；所述筒状部件的外径小于所述气缸的内径。

9.根据权利要求5所述的蓄冷式低温制冷机，其特征在于，所述层叠间隔丝网与所述层叠基体丝网的外径略小于所述置换器的筒状部件的内径。

10.根据权利要求1所述的蓄冷式低温制冷机，其特征在于，所述蓄冷式低温制冷机是适用于脉冲管式的GM制冷机、斯特林制冷机、苏尔威制冷机中的任一种。

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