回热器以及使用该回热器的低温制冷机 【技术领域】
本发明涉及一种回热器以及使用该回热器的低温制冷机，尤其是涉及这样一种回热器以及使用该回热器的低温制冷机，它们能够提高储存工作流体中含有的热量及将储存的热量传递给工作流体的再生性能并使重量最小。
背景技术
通常，低温制冷机主要用于冷却小型电子元件、超导体等。低温制冷机通常为斯特林循环制冷机、脉管制冷机等。
低温制冷机包括一个高温部，用于当通过将电能转换为动能来压缩工作流体时产生热量；以及一个由工作流体快速冷却的冷却部，而且该冷却部吸收外部热量，其中工作流体通过压缩操作的脉冲差膨胀。而且，在高温部和冷却部之间形成工作流体流动通过的通道，并且含有与工作流体换热的热能储存材料的回热器安装在通道中。
也就是说，在工作流体由高温部流向冷却部的过程中，回热器吸收工作流体中含有的热量，因此温度较低的工作流体流向冷却部。此外，在工作流体由冷却部流向高温部的过程中，工作流体接收由回热器吸收的热量，因此温度较高的工作流体流向高温部。
因此，当工作流体由高温部流向冷却部时，回热器必须尽可能多地吸收工作流体中含有的热量。此外，当工作流体由冷却部流向高温部时，回热器必须尽可能多地将热量传递给工作流体。据此，确定了回热器地效率，而且冷却器的效率对低温制冷机的效率影响很大。
为了提高回热器的热交换效率，许多研究正在进行。作为回热器的热能储存材料，可以使用通过层压多个具有细孔的网状物形成的层压体，或者使用通过使细不锈钢纤维成块制成的压制不锈钢块(棉花状)。其中，由于不锈钢块与网状物层压体相比具有更好的效率，因此经常使用不锈钢块。
然而，使用不锈钢块或者网状物层压体的回热器非常重。通常，由于在操作时低温制冷机的冷却部进入低温状态，润滑油结冰因此不能使用，从而使用流体轴承。由于此种原因，如果低温制冷机较重的回热器产生相对运动，则在回热器和与回热器之间产生相对运动的构件之间产生会磨损，因此降低了可靠性并消耗了大量的操作能量。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是提供一种回热器以及使用该回热器的低温制冷机，其能够提高储存工作流体中含有的热量以及将储存的热量传递给工作流体的再生性能而且可使重量最小。
为实现这些目的及其他优点并根据本发明的目的，在这里作具体化并概括地描述，提供一种回热器，包括：一个包含用于使高温部与冷却部彼此连通的连接通道的外壳；以及一个插入外壳连接通道的热能储存材料，该热能储存材料由芳族聚酸胺纤维制成，其储存及释放流过连接通道的工作流体的热量。
为实现这些目的及其他优点并根据本发明的目的，在这里作具体化并概括地描述，这里提供一种低温制冷机，包括：一个具有预定形状的封闭容器；一个安装于封闭容器的驱动电机，用于产生线性往复驱动力；一个安装在封闭容器中的气缸，其中填有工作流体；一个接收驱动电机驱动力的活塞，用于当其在气缸中前后移动时泵送工作流体；一个与封闭容器一侧突出连接的冷端管，其与气缸的内部一起形成封闭的操作空间；一个连接于安装至封闭容器的弹性元件的移置器，用于根据活塞的运动在操作空间前后移动时使工作流体压缩/膨胀；以及一个包括由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料的回热器，其吸收及储存/释放在压缩流体的高温部和膨胀流体的冷却部之间的工作流体中含有的热量。
通过以下结合附图对本发明的详细说明，前述以及本发明的其它目的、特点、方面和优点将变得更加明显。
【附图说明】
附图提供对本发明一部分更进一步理解，并入并组成说明书的一部分，本发明示出的实施例与说明书一起用以阐明本发明的原理。
在附图中：
图1和2分别示出了根据本发明一个实施例的回热器的截面图；
图3示出了根据本发明的低温制冷机的截面图；以及
图4示出了构成低温制冷机的回热器的一个改进实例的截面图。
【具体实施方式】
下面将详细描述本发明的优选具体实施方式，附图中示出了本发明的实例。
图1示出了根据本发明的回热器一个实施例的截面图。
如图所示，回热器包括一个外壳100，该外壳100含有用于使高温部(未示出)与低温部(未示出)连通的连接通道；以及插入外壳100连接通道的热能储存材料200，该热能储存材料由芳族聚酸胺纤维制成，其可吸收及储存通过连接通道的工作流体中含有的热量以及将储存的热量辐射给工作流体。
外壳100包括一个一侧封闭型圆柱容器110，它具有形成在具有一定外径及长度的圆柱体111的一侧的圆柱形插槽112和形成在圆柱体111一侧的第一通孔113，其中圆柱形插槽112具有预定的内径及深度，该第一通孔113与插槽112连通；以及一个与一侧封闭型圆柱容器110一侧连接的盖120，用于覆盖插槽112。多个第二通孔121形成在盖120上。
优选的是，一侧封闭形圆柱容器的插槽112形成在圆柱体111的纵向方向上，而且第一通孔113形成在圆柱体111的外圆周面上。
热能储存材料200形成为棉花状芳族聚酸胺纤维。芳族聚酸胺块(棉花状)插入外壳100。也就是说，构成外壳100的、一侧封闭型圆柱容器的插槽112填满芳族聚酸胺块，然后盖120与一侧封闭型圆柱容器110连接从而覆盖插槽112。
外壳100可以由包括上述的形状的多种方式形成。
如图2所示，作为热能储存材料200的改进实例，热能储存材料200由织物制成，该织物由芳族聚酸胺纤维制成并具有预定的形状。热能储存材料这样形成，使得芳族聚酸胺织物210成形为与外壳100的截面形状相对应的圆形，而且多个圆形芳族聚酸胺织物210是层压的。也就是说，多个圆形芳族聚酸胺织物210在构成外壳100的、一侧封闭型圆柱容器的插槽112中是层压的，而且盖120与一侧封闭型圆柱容器110连接从而覆盖插槽112。
如果热能储存材料200是芳族聚酸胺块，那么热能储存材料200的孔隙率根据插入外壳100内的芳族聚酸胺块量而改变，如果热能储存材料200是芳族聚酸胺织物，那么热能储存材料200的孔隙率根据织物网孔的尺寸而变化。
45％～65％的孔隙率对于脉管制冷机是有效的，而且75％～95％的孔隙率对于斯特林循环制冷机是有效的。
回热器布置在工作流体被压缩的高温部和工作流体膨胀的冷却部之间，也就是说布置在用于连接高温部和冷却部的通道。回热器的第一通孔113朝着高温部布置，而且第二通孔121布置在冷却部。
当工作流体由高温部流向冷却部时，加热的工作流体通过第一通孔113引入插槽112，而且引入插槽112的工作流体经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料200并通过第二通孔121排出。在此过程中，当工作流体经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料200时，吸收在高温部加热的工作流体的热量，并通过热能储存材料200储存热量。因此，温度较低的工作流体通过第二通孔121排出。
而且，当工作流体由冷却部流向高温部时，冷却的工作流体通过第二通孔121引入插槽112，而且引入插槽112的工作流体经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料200并通过第一通孔113排出。在此过程中，当经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料200时，在冷却部冷却的工作流体吸收储存在热能储存材料200中的热量。因此，较高温度的工作流体通过第一通孔113排出。通过第一通孔113排出的工作流体引入高温部。
如上所述，当在高温部和冷却部之间流动的工作流体经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料200时，热能储存材料200有效地吸收并储存工作流体中包含的热量，而且同样有效地将储存的热量传递给工作流体，从而提高了热效率。另外，由于热能储存材料200由芳族聚酸胺纤维制成，因此重量非常轻。
图3示出了根据本发明的低温制冷机的一个实施例的截面图。
如图所示，该低温制冷机包括：一个安装于封闭容器的驱动电机400，用于产生线性往复驱动力；一个安装在封闭容器300中的气缸500，其中填有工作流体；一个接收驱动电机400驱动力的活塞600，用于当其在气缸500中前后移动时泵送工作流体；一个与封闭容器300连接的冷端管(cool finger tube)700，其与气缸500的内部一起形成封闭的操作空间；一个连接于安装至封闭容器300的弹性元件310的移置器800，用于当根据活塞600的运动在操作空间中前后移动时压缩/膨胀工作流体；以及一个包括由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料910的回热器900，热能储存材料吸收并储存工作流体中含有的热量而且将储存的热量传递给工作流体。
驱动电机400包括一个固定在封闭容器300内壁的外定子410；一个与气缸500固定连接的内定子420，而且在其与外定子410之间具有一定的间隔；以及一个可移动地插入外定子410和内定子420之间的转子430。外定子410包括一个缠绕线圈440，而且转子430包括一个永磁体450。
气缸500布置在封闭容器300的中心部，活塞600插入气缸500中，而且活塞600的一侧与转子430相连。
弹性元件310是具有预定形状的板簧，而且该板簧布置成与活塞600之间有一定间隔。
冷端管700成形为一侧封闭的圆柱形。冷端管700的封闭部由封闭容器300向外突出，而且其开口部固定地连接在封闭容器300的一侧，并与气缸500的内部空间连通。
移置器800包括一个具有一定长度和外径的第一滑动轴部810；一个以一定长度由第一滑动轴部810伸出的第二滑动轴部820，而且第二滑动轴部的外径大于第一滑动轴部810；一个形成在滑动轴部820端部的槽830，该槽具有一定的内径和深度；形成在滑动轴部820一侧的第一通孔840，该通孔与槽830连通。对于移置器800，第一滑动轴部810插入到穿过活塞600内部的通孔610，而且第一滑动轴部810与弹性元件310固定地连接，将第二滑动轴部820定位在操作空间。
回热器900包括一个具有一定长度、成形为管状的圆柱容器920，其与移置器800的第二滑动轴部820连接，从而与第二滑动轴部的槽830一起形成插槽；插入插槽的热能储存材料910，由芳族聚酸胺纤维制成；以及一个用于覆盖圆柱容器920的盖930。多个第二通孔931形成在盖930中。
热能储存材料910形成为棉花状芳族聚酸胺纤维。芳族聚酸胺块(棉花状)插入插槽。芳族聚酸胺纤维由非金属材料制成而且其在高温下不会变形。
作为热能储存材料910的不同的实施例，如图4所示，热能储存材料910这样成形，使得预定形状的织物911由芳族聚酸胺纤维制成，而且多个预定形状的芳族聚酸胺织物911是层压的。
预定形状的织物911成形为与插槽内部截面形状相对应的圆形。
如果热能储存材料910是芳族聚酸胺块，那么热能储存材料910的孔隙率根据插入插槽(即，回热器的内部空间)内的芳族聚酸胺块量改变。如果热能储存材料910是芳族聚酸胺织物，那么孔隙率根据织物网孔的尺寸而改变。45％～65％的孔隙率对于脉管制冷机是有效的，而且75％～95％的孔隙率对于斯特林循环制冷机是有效的。
回热器900与移置器800连接，而且可移动地布置在由冷端管700的内部空间和气缸500的内部空间形成的工作空间中。而且，移置器的第二滑动轴部820和回热器900将工作空间分成压缩工作流体的空间(S1)和膨胀工作流体的空间(S2)。
未述的附图标记320是热辐射装置，以及510是流体通道。
下面将描述上述低温制冷机的操作。
首先，当向低温制冷机供电时，驱动电机400操作，电机产生线性往复运动。将驱动电机400的驱动力传递给活塞600，因此活塞600在气缸500中前后移动。
当活塞600向前移动时，在气缸500的内部空间中移置器第二滑动轴部820的一侧表面和活塞600之间压缩并加热工作流体，而且压缩及加热的工作流体通过形成于气缸500端部的流体通道510和第二滑动轴部820的第一通孔840引入回热器900的插槽。引入插槽的工作流体经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料910，并引入冷端管700一侧的内部空间。当压缩及加热的工作流体经过由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料910时，工作流体的热量被吸收并储存在热能储存材料910中，因此工作流体的温度变得相对较低。温度较低的工作流体通过第二通孔931排出。
而且，在施加当活塞600向前移动时压缩的工作流体的压力时，通过被弹性元件310弹性支撑，移置器向前移动。回热器900与移置器800的前移一起也向前移动。在移置器800和回热器900的向前移动和活塞600的向前移动之间会产生时差。
当活塞600向后移动时，移置器800和回热器900通过气缸内部空间的压差及弹性元件310的回复力向后移动。
当移置器800和回热器900向后移动时，引入冷端管700一侧的内部空间的工作流体快速地膨胀，从而吸收外部热量。因此，工作流体在那里膨胀的冷端管700的一部分被冷却至低温状态。被冷却的冷端管700的一部分是冷却部。
在冷端管700的内部空间膨胀导致温度相对较低的工作流体通过第二通孔931引入回热器900的插槽。引入插槽的工作流体经过热能储存材料，并通过第一通孔840和流体通道510引入第二滑动轴部820和活塞600之间的气缸的内部空间中。当低温工作流体经过由芳族聚酸胺织物制成的热能储存材料910时，在热能储存材料910中吸收并储存的热量传递给工作流体。因此，温度较高的工作流体引入气缸500的内部空间。
通过重复这样的过程，在气缸500的内部空间，工作流体被压缩并维持较高温度，而且在冷端管700的一侧，也就是由封闭容器300向外突出的部分，工作流体膨胀并维持低温。
因此，在低温制冷机中，通过驱动电机400，活塞600泵送气缸500中的工作流体，而且，当活塞600移动时，移置器800移动来使工作流体膨胀，因此冷端管700一部分的温度在短时间内降至低温。
此外，因为构成回热器900的热能储存材料910由芳族聚酸胺织物、非金属制成，所以回热器900的重量变得非常轻。因此，回热器900和移置器800组件的重量变得相对较轻。因此，如果组件布置在水平方向，防止了组件的下降，从而使在移置器800和活塞600之间的磨损及在活塞600和气缸500之间的磨损最小。由于降低了磨损而且回热器的重量较轻，因此相对增加了移置器和回热器的振幅，从而增强了工作流体的膨胀效果并提高了组件的可靠性。
此外，因为回热器900的热能储存材料910由芳族聚酸胺纤维制成，而且其吸收并储存流过压缩空间和膨胀空间的工作流体的热量并向工作流体排出储存的热量，其中回热器900的热能储存材料910布置在压缩空间(高温部)和膨胀空间(制冷单元)之间，因此热能储存材料910在高温下不易变形并还具有优异的热储存/排出效果。因此，提高了回热器900的性能，从而大大提高了低温制冷机的性能。
通过将由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料的重量和电热面(electric heating surface)与通常使用的由不锈钢纤维制成的热能储存材料的重量和电热面进行比较得到这样的结果，该结果表明在孔隙率约为80％的状态，由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料的重量大约为4.4g，电热面大约为1.0592m2，但是在孔隙率约为90％的状态，由不锈钢纤维制成的热能储存材料的重量大约为14.5g，电热面大约为0.5296m2。
因此，当由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料的直径与由不锈钢纤维制成的热能储存材料的直径相同时，由芳族聚酸胺纤维制成的热能储存材料的重量比由不锈钢纤维制成的热能储存材料小大约1/4，而且芳族聚酸胺纤维的电热面比不锈钢纤维的电热面大大约2.5倍。该结果表明与不锈钢纤维相比，芳族聚酸胺纤维具有更大的传热面积。
此外，通过将具有由不锈钢纤维制成的回热器热能储存材料的低温制冷机的冷却率(cooling capacity)与具有根据本发明的回热器热能储存材料的低温制冷机的冷却率进行比较得到这样的结果，该结果表明根据本发明的低温制冷机的功率为28.46W、冷却率为0.249，但是具有由不锈钢纤维制成的回热器热能储存材料的低温制冷机的功率为15.86W，其冷却率为0.167。因此，根据本发明的低温制冷机具有的功率大约比由不锈钢纤维制成的低温制冷机大两倍，而且具有更好的性能。
如至此所述，根据本发明的回热器以及使用其的低温制冷机能够提高储存工作流体含有的热量以及将储存的热量传递给工作流体的再生性能，并可以使由于重量的减少引起的组件相对运动产生的磨损最小，从而提高性能及可靠性。
由于本发明在不脱离本发明的精神或必要特征的情况下可以以多种方式实施，还可以理解的是上述的具体实施方式并不被前述说明书的任何细节所限制，除非特别注明，可以在所附权利要求所定义的精神和范围内很宽泛的解释，因此属于权利要求的边界和范围内的所有改变和修改，或者这种边界和范围的等同结构也因此包含于所附的权利要求中。