一種氦四回熱器及帶有該回熱器的低溫制冷機的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及低溫制冷機領域，具體是涉及一種氦四回熱器及帶有該回熱器的低溫制冷機。
【背景技術】
[0002]隨著高科技的很快的發展；超導磁體及傳感器、低溫物性研究、Sub-Kelvin冷卻、移動通訊等等，對液氦的需求越來越高，4K低溫制冷機的研究和應用越來越廣。當前主流的4K溫區低溫制冷機按照制冷循環方式劃分為GM制冷機和脈管制冷機兩種，GM制冷機的制冷效率比脈管制冷機的效率還是高。當前4K低溫制冷機的研究過程中最重要的是提高制冷效率。而4K溫區氦四的實際氣體物性、回熱器填料的有限的比熱，為提高制冷效率增添了很大困難。因此，把工作流體氦四替換到氦三，而且開發4K溫區比熱特別大的填料，使用它們，成為目前研究的重點。
[0003]圖1所示為不同回熱器填料和氦-4的體積比熱特性:除了不銹鋼和鉛之外，其他填料的比熱在4K到20K溫區的局部領域相比氦-4特別大。因此在4K低溫制冷機中這些材料作為4K回熱器的填料起到很重要的作用。此外氦-4的比熱在100K以上溫區之外與在4K到20K溫區的物性差別特別大。所以為了開發4K溫區比熱很大的填料材料，大量研究不停地進行。
[0004]圖2所示為現有的4KG-M型脈管制冷機的結構，包括:壓縮機1、旋轉閥2、傳輸管3、熱端換熱器4、一級回熱器5、一級回熱器冷端換熱器6、一級冷端流體通道7、一級脈管冷端換熱器8、一級脈管9、一級脈管熱端換熱器10、一級氣庫11、一級小孔閥20、一級雙向進氣閥121、一級雙向進氣閥1122、二級回熱器I 12、二級回熱器II 13、二級回熱器冷端換熱器14、二級冷端流體通道15、二級脈管冷端換熱器16、二級脈管17、二級脈管熱端換熱器
18、二級氣庫19、二級小孔閥23、二級雙向進氣閥124、二級雙向進氣閥1125。
[0005]4K GM型脈管制冷機的工作過程為:為了達到4K溫區，需要30K?40K的預冷部分，是由制冷機的一級來實現的。由壓縮機I產生工作流體(氦-4)高壓和低壓。通過旋轉閥2，氦-4的壓力周期的變化。氦-4在一級回熱器5內進行和填料換熱，在一級脈管9內進行絕熱壓縮及膨脹。一級回熱器填料是一般不銹鋼或者紫銅絲網和鉛球。隨著這個過程的反復，冷端的溫度漸漸降低。由一級小孔閥20、一級雙向進氣閥I 21、一級雙向進氣閥1122調節在一級冷端流體質量流量和壓力波動之間的相位差及直流，從而影響一級的制冷性能。
[0006]制冷機的更重要的部分是第二級，在這個部分達到4K溫區。在兩級脈管制冷機，氦-4的質量流量在兩級之間由一級冷端流體通道7分配到兩部分，分別進入到:一級脈管冷端換熱器8和二級回熱器I 12的熱端。二級回熱器填料是在4K到40K溫區比熱特別大的材料:比如GAP、GOS、HoCu2、ErNia9Coa1、ErN1、Er3N1、Gd-Rh等等。因為這些填料的比熱在局部溫區大，二級回熱器結構是分層的。由二級小孔閥23、二級雙向進氣閥I 24、二級雙向進氣閥II 25調節在二級冷端流體質量流量和壓力波動之間的相位差及直流，從而影響二級的制冷性能。
[0007]現有的4K GM型脈管制冷機還是存在制冷效率低的問題。在4K溫區制冷效率低的最關鍵的原因是4K回熱器填料的有限比熱。雖然到目前開發了很多種特殊的球填料，但是它們的缺點是在局部溫區比熱大，而且制作費用很貴。
[0008]氦-4跟現有的多種特殊的球填料相比，比熱更大，并且購進價格比較低。因此為了把氦-4用作4K回熱器填料的一些研究正在進行，其方法有兩種:第一種是利用機械工程熱力學的方法。把氦-4充氣到一個部件的里面，這個部件里面的氦-4和其部件外面的工作流體氦-4換熱。第二種是用吸收氦-4的特殊毫微材料的方法。吸收的氦-4和通過毫微材料流的氦-4換熱。但是無論是什么方法，還是沒有達到預定的效果。主要原因是換熱面積小及孔氣率低，和壓力波動的損失。
【實用新型內容】
[0009]針對上述問題，本實用新型提出了一種氦四回熱器及帶有該回熱器的低溫制冷機，該氦四回熱器適于4K低溫溫區使用，代替現有的球填料，利用新的換熱機理，提高了 4K溫區的制冷效率。
[0010]一種氦四回熱器，包括帶有空腔的本體、分別設置在本體頂部和底部的上蓋和下蓋，所述本體上設有開口朝向所述空腔的內狹縫以及開口背對空腔朝外的外狹縫；所述外狹縫和內狹縫互相獨立，且沿本體軸線周向交替設置，相鄰外狹縫和內狹縫之間形成換熱面；所述上蓋和下蓋上分別設有與所述外狹縫對應的狹縫結構，所述上蓋和下蓋分別將內狹縫的頂端和底端密封。
[0011]上述技術方案中，所述空腔和內狹縫之間形成盛放氦四回熱填料的空間；所述外狹縫形成工作流體氦-4通過的空間；工作流體和回熱填料之間通過內狹縫和外狹縫之間的薄壁面實現間接換熱。在4K溫區，與傳統的球填料相比，氦四的比熱容更好，進一步提高了回熱器的回熱性能，進而可以提高制冷機的制冷效率。
[0012]作為優選，所述相鄰外狹縫和內狹縫之間設有開口背對空腔朝外的增強狹縫。通過增強狹縫進一步增加換熱面積，提高換熱效率。
[0013]作為優選，所述上蓋上設有與所述空腔連通的通孔。通過通孔，可實現空腔與外接管路的連接，從而能夠實現對氦四填料的壓力控制，保證氦四填料在最佳比熱特性下工作。
[0014]作為優選，所述外狹縫、內狹縫、增強狹縫的深度方向與所述本體的徑向一致，且以所述本體的中軸線呈輻射狀均勻布置。采用該結構，保證整個本體內換熱均勻，避免局部過熱等。作為進一步優選，所述增強狹縫的深度方向與所述本體的徑向一致，且以所述本體的中軸線呈輻射狀均勻布置。進一步保證換熱均勻。
[0015]作為優選，所述空腔的直徑為所述本體直徑的1/6?1/4。所述外狹縫和內狹縫的深度為所述本體直徑的1/4?1/2.5 ;所述增強狹縫的深度為所述本體直徑的1/5?1/3。采用上述技術方案，保證內外狹縫之間形成足夠多的換熱面。
[0016]本實用新型還提供了一種低溫制冷機，該脈管制冷機中回熱器采用上述任一技術方案所述的氦四回熱器。所述脈管制冷機一般采用氦四(He-4)為工作流體。
[0017]作為優選，所述低溫制冷機中位于4K溫區部分的回熱器采用上述任一技術方案的氦四回熱器。
[0018]作為優選，所述低溫制冷機為二級脈管制冷機，所述上蓋與二級脈管制冷機的二級氣庫之間連接有毛細管，該毛細管一端與所述本體的空腔連通，另一端與二級氣庫連通。采用該技術方案，通過二級氣庫可方便實現對氦四回熱器內回熱填料壓力的調整，進而實現對填料氦-4的比熱特性調節。
[0019]本實用新型的兩級脈管制冷機一般包括壓縮機、熱端換熱器、一級回熱器、一級回熱器冷端換熱器、一級脈管冷端換熱器、一級脈管、一級脈管熱端換熱器、一級氣庫、二級回熱器、二級回熱器冷端換熱器、二級脈管冷端換熱器、二級脈管、二級脈管熱端換熱器、二級氣庫，以及連接在壓縮機與熱端換熱器、(一級/ 二級)氣庫與(一級/ 二級)脈管熱端換熱器之間閥門組件等。二級回熱器由兩段組成，包括二級回熱器1、二級回熱器II，二級回熱器1、二級回熱器II分別采用不同的回熱填料，二級回熱器II位于4K溫區，采用本實用新型的氦四回熱器。
[0020]作為優選，所述毛細管另一端穿過二級脈管制冷機的二級回熱器熱端(即二級回熱器I)、一級回熱器冷端換熱器、一級回熱器和熱端換熱器與所述二級氣庫連通。
[0021]本實用新型中，本體一般為圓柱體結構，設置在回熱器的管路內。本體的內狹縫和空腔內充注氦四作為回熱填料；外狹縫、增強狹縫與回熱器管路內壁之間用于工作流體的流通。上蓋和下蓋保證內狹縫和空腔的密封，保證回熱填料具有一定的壓力。
[0022]根據本實用新型提出的設計，毛細管布置在氦-4回熱器的上蓋上，四周與上蓋上通孔的周緣密封固定，保證毛細管一端與空腔連通。毛細管另一端通過二級及一級回熱器連接到二級的氣庫。因此氦-4回熱器內的壓力跟二級氣庫的壓力一樣，方便了氦-4回熱器內填料壓力的控制。
[0023]本實用新型中，工作流體和4K溫區的回熱器回熱填料均選擇氦-4，工作流體和回熱填料通過內外狹縫，實現兩者的間接地換熱。
[0024]與現有技術相比，本實用新型的有益效果體現在:
[0025]一、本實用新型通過新氦-4回熱器的設計，在4K溫區不利用傳統的固體填料和工作流體之間換熱的傳統方式，而是采用利用流體填料和工作流體之間換熱的新方式，回熱器設計和裝配更簡單。
[0026]二、本實用新型通過新氦-4回熱器的設計，不需要購進及制作費用貴的回熱器特殊球填料，把比較容易得到的氦-4作為填料利用，降低了回熱器和制冷機的制作成本和使用成本。
[0027]三、本實用新型通過新氦-4回熱器的設計，采用比熱性能較好的氦-4作為回熱填料，能夠在4K溫區提高制冷效率。
[0028]綜上所述，本實用新型的氦-4回熱器以及帶有該回熱器的4K低溫制冷機，通過回熱器內外狹縫式結構的設計，使得流體填料氦-4和工作流體氦-4換熱，因而不需要4K溫區傳統利用的特殊球填料，能夠在一定程度上提高4K溫區制冷效率，節省4K低溫制冷機的制造成本。
【附圖說明】
[0029]圖1是現有的4K溫區使用的不同回熱器填料的體積比熱特性圖；
[0030]圖2是現有的4K溫區GM型脈管制冷機的結構示意圖；
[0031]圖3a是本實用新型的4K低溫制冷機的結構示意圖；
[0032]圖3b是本實用新型的