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CN108444131A - 一种用于声能制冷机的回热器及其制造方法、声能制冷机及工作过程 - Google Patents

一种用于声能制冷机的回热器及其制造方法、声能制冷机及工作过程 Download PDF

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CN108444131A CN201810311668.6A CN201810311668A CN108444131A CN 108444131 A CN108444131 A CN 108444131A CN 201810311668 A CN201810311668 A CN 201810311668A CN 108444131 A CN108444131 A CN 108444131A
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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Abstract

本发明涉及本发明涉及声能制冷机的部件，特别是一种用于声能制冷机的回热器及其制造方法、声能制冷机及工作过程。声能制冷机包括上机壳、膨胀气缸、热端换热器、冷端换热器、压缩腔和膨胀腔，回热器为聚四氟乙烯经高温、高压烧结制成的环形圆柱状结构，声能制冷机的压缩腔和膨胀腔分别位于膨胀气缸的底端和顶端，回热器、热端换热器、冷端换热器环绕于膨胀气缸外部，回热器外环面与上机壳的内侧紧贴，内环面与膨胀气缸的外侧紧贴，下端抵住热端换热器，上端抵住冷端换热器。本发明的用于声能制冷机的回热器具有孔隙率高、比表面积大、强度韧性高等优点，可使声能制冷机的回热性能大幅提升，且与整机装配简单，提高装配效率。

Description

一种用于声能制冷机的回热器及其制造方法、声能制冷机及 工作过程
技术领域
本发明涉及声能制冷机的部件，特别是一种用于声能制冷机的回热器及其制造方法、声能制冷机及工作过程。
背景技术
声能制冷机作为一种小型低温回热式制冷机，利用膨胀气缸内气体周期性膨胀和压缩来制取冷量，具有结构紧凑、制冷温区广、制冷效率高、节能环保等优点，受到了越来越多的重视。由于气体膨胀和压缩后经过同一流道空间进行热交换，因此，声能制冷机是一种回热式声能制冷机。
回热器是回热式声能制冷机的关键部件，承担冷、热流体间周期性换热的任务。与传统的换热器不同，回热器的特点在于冷、热流体交替流经同一流道空间，通过与回热填料的直接接触实现热交换。而在传统的换热器中，冷、热两股流体的流道是彼此分隔的，流体之间通过分隔壁面进行传热，因此也被称为间壁式换热器。
从热力学效率方面来讲，采用回热器所实现的回热过程可以提高制冷循环的热力效率。在低温制冷机工作过程中，回热器周期地积累上一次循环所得冷量，并将其传递给下一次循环的入流工质，充分利用了制冷过程中不同温位的制冷量，提高了能量的利用率。
发明内容
本发明提供了一种用于声能制冷机的回热器、其工作过程及制造方法，可大幅提升声能制冷机的回热性能，提高声能制冷机的制冷效率。
本发明的技术方案为：
一种用于声能制冷机的回热器，所述声能制冷机包括上机壳、膨胀气缸、热端换热器、冷端换热器、压缩腔和膨胀腔，所述回热器为聚四氟乙烯经高温、高压烧结制成的环形圆柱状结构，所述声能制冷机的压缩腔和膨胀腔分别位于膨胀气缸的底端和顶端，所述回热器、热端换热器、冷端换热器环绕于膨胀气缸外部，所述回热器外环面与上机壳的内侧紧贴，内环面与膨胀气缸的外侧紧贴，下端抵住热端换热器，上端抵住冷端换热器。
所述回热器的内径为37.6mm-39.6mm，单边厚度为4mm-8mm。
所述回热器的长度为55mm-62mm。
所述回热器的孔隙率为30％-80％。
一种回热器的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：按一定升温速度对聚四氟乙烯形坯进行升温烧制，直至升至烧结温度；
步骤二：在烧结温度下保温一段时间；
步骤三：将已经烧结好的聚四氟乙烯成型物从烧结温度降至室温冷却。
所述步骤一的升温速度为35℃/h-45℃/h，烧结温度为380℃-390℃。
所述步骤二的保温为，在380℃～385℃温度下保温1小时。
所述步骤三的冷却为，先将聚四氟乙烯成型物冷却至150℃，再取出放于石棉箱内冷却至室温。
一种声能制冷机，包括上机壳、膨胀气缸、热端换热器、冷端换热器、压缩腔和膨胀腔，还包括回热器，所述压缩腔和膨胀腔分别位于膨胀气缸的底端和顶端，所述回热器、热端换热器、冷端换热器环绕于膨胀气缸外部，所述回热器外环面与上机壳的内侧紧贴，内环面与膨胀气缸的外侧紧贴，下端抵住热端换热器，上端抵住冷端换热器。
一种声能制冷机的工作过程，包括以下步骤：
步骤一：压缩腔内的工质气体被压缩后产生热量，经过热端换热器，将产生的热量经热端换热器释放给外界环境；
步骤二：工质气体流经回热器时被冷却，将热量传给回热器，工质气体的温度压力均下降；
步骤三：工质气体进入膨胀腔膨胀制冷，经过冷端换热器将冷量导出；
步骤四：工质气体流回回热器时被加热，吸收回热器内的热量，工质气体的温度压力均上升，返回压缩腔继续被压缩；
步骤五：循环以上步骤一至四，工质气体被循环压缩和膨胀，连续制冷。
本发明的技术方案中：回热器以纯聚四氟乙烯为原料，经高温、高压烧结成聚四氟乙烯烧结芯，该材料具有孔隙率高、比表面积大、强度韧性高等优点，作为声能制冷机的回热器可使回热性能大幅提升。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
1、回热器为聚四氟乙烯烧整体烧结成型，与整机装配简单；
2、聚四氟乙烯烧结芯具有高孔隙率，有效减小工质气体流动阻力；
3、聚四氟乙烯烧结芯具有较大的比表面积，增大了回热器与工质气体的接触换热面积，提升回热器回热性能。
4、聚四氟乙烯烧结芯的导热系数很小，有利于减小回热器的轴向导热损失。
附图说明
图1为本发明用于声能制冷机的回热器的剖视图；
图2为本发明用于声能制冷机的回热器的轴测图；
图3为本发明声能制冷机的结构示图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
如图1和图2所示，回热器1由聚四氟乙烯制作而成，纯聚四氟乙烯经高温、高压烧结成环形圆柱状结构烧结芯，烧结芯的内径Di为37.6mm～39.6mm，长度L为55mm～62mm，孔隙率为30％～80％，单边厚度W为4mm-8mm。
回热器1的制备过程如下：
步骤一：按一定升温速度对聚四氟乙烯形坯进行升温烧制，直至升至烧结温度；
声能制冷机回热器1的长度厚度均偏小，所以升温速度通常在35℃/h～45℃/h，直到380℃-390℃为止。由于聚四氟乙烯的传热性能较差，若升温太快，形坯各部分膨胀不均，易使制品产生内应力，甚至出现裂纹，再者，形坯外层温度已达要求，而内层温度还很低，如果就此冷却，则会造成“内生外熟”的现象。而升温太慢又过度的延长了生产周期，所以加热应按一定的升温速度进行。
步骤二：在烧结温度下保温一段时间；
针对用于声能制冷机回热器的烧结芯，通常在形坯温度达到380℃～385℃时保温1小时为宜。在保证烧结质量的前提下，保温时间不宜过长，否则会造成树脂的分解，至使制品表面不光、起泡以及出现裂纹等。
步骤三：将已经烧结好的聚四氟乙烯成型物从烧结温度降至室温冷却。
冷却速度不宜或快，否则内外层温差就大，以至收缩不均而具有内应力，甚至出现裂纹。声能制冷机的回热器1厚度通常在4mm～8mm，所以不进行淬火处理，即将处于烧结温度下的成型物缓慢冷却至150℃后取出再放于石棉箱内冷至室温，由于降温缓慢，利于分子规整排列，所以制品的结晶度通常都比淬火的大，可以很好的保证烧结芯内部孔隙的均匀，使气体平稳流过回热器，减小流阻损失。
本发明的用于声能制冷机的回热器1，以纯聚四氟乙烯为原料，经高温、高压烧结成聚四氟乙烯烧结芯，该材料具有孔隙率高、比表面积大、强度韧性高等优点，作为声能制冷机的回热器可使回热性能大幅提升。
如图3所示声能制冷机，包括回热器1、上机壳5、膨胀气缸4、热端换热器2、冷端换热器3、压缩腔6和膨胀腔7，压缩腔6和膨胀腔7分别位于膨胀气缸4的底端和顶端，回热器1、热端换热器2、冷端换热器3环形位于膨胀气缸4外部，回热器1外环面与上机壳5的内侧紧贴，内环面与膨胀气缸4的外侧紧贴，下端抵住热端换热器2，上端抵住冷端换热器3。
包含本发明回热器1的声能制冷机工作过程如下：
步骤一：压缩腔6内的工质气体被压缩后产生热量，经过热端换热器2，将产生的热量经热端换热器2释放给外界环境；
步骤二：工质气体流经回热器1时被冷却，将热量传给回热器1，工质气体的温度压力均下降；
步骤三：工质气体进入膨胀腔7膨胀制冷，经过冷端换热器3将冷量导出；
步骤四：工质气体流回回热器1时被加热，吸收回热器1内的热量，工质气体的温度压力均上升，返回压缩腔6继续被压缩；
步骤五：循环以上步骤一至四，工质气体被循环压缩和膨胀，连续制冷。
本发明的声能制冷机，气体被压缩后形成热流体，被膨胀后形成冷流体，冷、热流体交替流经同一回热器1流道空间。
在第一个循环过程中，热流体流经回热器1时将热量传给回热器1，回热器1吸收储存热量。当冷流体再次流经回热器1时，回热器1储存的热量用于加热冷流体，热量利用率高，加热效果好；同时，回热器1加热热流体后被冷却，储存冷量，在下一次循环过程中，当热流体流经回热器1时，储存的冷量用于冷却热流体，同样，冷量利用率高，冷却效果好。因此，本发明的技术方案周期地积累上一次循环所得冷量，并将其传递给下一次循环的入流工质，充分利用了制冷过程中不同温位的制冷量，提高了能量的利用率。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于声能制冷机的回热器，所述声能制冷机包括上机壳(5)、膨胀气缸(4)、热端换热器(2)、冷端换热器(3)、压缩腔(6)和膨胀腔(7)，其特征在于，所述回热器(1)为聚四氟乙烯经高温、高压烧结制成的环形圆柱状结构，所述声能制冷机的压缩腔(6)和膨胀腔(7)分别位于膨胀气缸(4)的底端和顶端，所述回热器(1)、热端换热器(2)、冷端换热器(3)环绕于膨胀气缸(4)外部，所述回热器(1)外环面与上机壳(5)的内侧紧贴，内环面与膨胀气缸(4)的外侧紧贴，下端抵住热端换热器(2)，上端抵住冷端换热器(3)。
2.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述回热器(1)的内径为37.6mm-39.6mm，单边厚度为4mm-8mm。
3.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述回热器(1)的长度为55mm-62mm。
4.根据权利要求1所述的回热器，其特征在于，所述回热器(1)的孔隙率为30％-80％。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的回热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：按一定升温速度对聚四氟乙烯形坯进行升温烧制，直至升至烧结温度；
步骤二：在烧结温度下保温一段时间；
步骤三：将已经烧结好的聚四氟乙烯成型物从烧结温度降至室温冷却。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤一的升温速度为35℃/h-45℃/h，烧结温度为380℃-390℃。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤二的保温为，在380℃～385℃温度下保温1小时。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤三的冷却为，先将聚四氟乙烯成型物冷却至150℃，再取出放于石棉箱内冷却至室温。
9.一种声能制冷机，包括上机壳(5)、膨胀气缸(4)、热端换热器(2)、冷端换热器(3)、压缩腔(6)和膨胀腔(7)，其特征在于，还包括权利要求1-4中任一项所述的回热器(1)，所述压缩腔(6)和膨胀腔(7)分别位于膨胀气缸(4)的底端和顶端，所述回热器(1)、热端换热器(2)、冷端换热器(3)环绕于膨胀气缸(4)外部，所述回热器(1)外环面与上机壳(5)的内侧紧贴，内环面与膨胀气缸(4)的外侧紧贴，下端抵住热端换热器(2)，上端抵住冷端换热器(3)。
10.一种如权利要求9所述的声能制冷机的工作过程，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：压缩腔(6)内的工质气体被压缩后产生热量，经过热端换热器(2)，将产生的热量经热端换热器(2)释放给外界环境；
步骤二：工质气体流经回热器(1)时被冷却，将热量传给回热器(1)，工质气体的温度压力均下降；
步骤三：工质气体进入膨胀腔(7)膨胀制冷，经过冷端换热器(3)将冷量导出；
步骤四：工质气体流回回热器(1)时被加热，吸收回热器(1)内的热量，工质气体的温度压力均上升，返回压缩腔(6)继续被压缩；
步骤五：循环以上步骤一至四，工质气体被循环压缩和膨胀，连续制冷。
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