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一種高頻脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄冷材料及其制備方法

文檔序號(hào):8468883閱讀:718來源:國(guó)知局
一種高頻脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄冷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及低溫制冷材料技術(shù)領(lǐng)域,具體一種高頻脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄冷材料 及其制備方法。
[0002] 發(fā)明背景
[0003]脈沖管制冷機(jī)屬于回?zé)崾綑C(jī)械制冷機(jī),與斯特林制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)等其它回?zé)崾?制冷機(jī)相比,其低溫端無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,具有機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),且結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,實(shí)用性能非常優(yōu)越,因此是各國(guó)大力發(fā)展的一種低溫制冷機(jī)。高頻小型 化是脈沖管制冷機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向,在空間、航天、通訊、國(guó)防等領(lǐng)域存在大量對(duì)液氮 溫區(qū)小制冷量制冷機(jī)的需求,小型脈沖管制冷機(jī)具有緊湊性、長(zhǎng)壽命、高可靠性能,能極好 地滿足這類要求。
[0004] 蓄冷器是脈沖管制冷機(jī)的關(guān)鍵部件之一。蓄冷器的性能主要取決于所填充的蓄冷 材料。具有高熱容量的蓄冷材料在制冷循環(huán)的壓縮和膨脹過程中分別貯存和釋放能量,與 工作流體進(jìn)行熱交換。通過蓄冷器傳遞的熱量比制冷機(jī)的制冷量大10~50倍,因而其性 能的優(yōu)劣對(duì)制冷機(jī)的性能有決定性的影響。低溫蓄冷器對(duì)蓄冷材料的要求有:1)在工作范 圍內(nèi)有足夠大的體積比熱;2)比表面積盡可能大,以利于換熱;3)流動(dòng)阻力和軸向?qū)釗p 失??;4)填充率高,以減小空容積;5)有足夠的強(qiáng)度,工作工程中無粉塵形成。因此,在選擇 填充的蓄冷材料時(shí),必須對(duì)各種因素綜合考慮,以求得最優(yōu)化條件。
[0005] 對(duì)于高頻脈沖管制冷機(jī),在高頻條件下其蓄冷器阻力非常大。目前50Hz脈沖管 制冷機(jī)通過蓄冷器后的壓力波幅值一般只有進(jìn)蓄冷器前幅值的一半左右,如果頻率增加到 500Hz,這意味著相同位移下的流速將增加10倍,故粘性阻力和慣性阻力會(huì)成倍增加。另 外,在50Hz時(shí)脈沖管和蓄冷器內(nèi)的慣性力相對(duì)很小可以忽略,在超高頻條件下,慣性力的 影響已不可忽略,這會(huì)帶來系統(tǒng)工作性能的改變。
[0006] 球形蓄冷材料在高頻下產(chǎn)生的粘性阻力和慣性阻力特別大,且大壓力下易形成粉 塵,因此在高頻條件下脈沖管制冷機(jī)一般選用絲網(wǎng)狀蓄冷材料填充在蓄冷器中。并且,蓄冷 器的換熱效率隨頻率增加會(huì)明顯降低,這是因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)的換熱時(shí)間減少導(dǎo)致絲網(wǎng)狀蓄 冷材料的熱穿透深度明顯減小,例如,頻率增加9倍,絲網(wǎng)狀蓄冷材料的熱穿透深度減小為 原來的1/3因此,在高頻條件下脈沖管制冷機(jī)中的絲網(wǎng)填料的絲徑要盡量小于該填料熱穿 透深度,以免該蓄冷材料擁有無效熱容且增加軸向?qū)帷?br>[0007] 目前,高頻脈沖管制冷機(jī)中的蓄冷器一般選用絲網(wǎng)狀不銹鋼填料,并且該絲網(wǎng)直 徑已經(jīng)在商用絲網(wǎng)絲徑的最小范圍了。但是,不銹鋼絲網(wǎng)的比熱在低溫區(qū)域會(huì)迅速下降,導(dǎo) 致蓄冷器在低溫時(shí)的輸出冷量近似為零,嚴(yán)重影響了制冷機(jī)的效率。研宄人員一般通過提 高蓄冷器內(nèi)部氣體的平均壓力、選擇高目數(shù)的絲網(wǎng)材料、減小蓄冷器的體積等方法使不銹 鋼絲網(wǎng)作為蓄冷器填料而用于高頻脈沖管制冷機(jī)。但是,利用這些方法的高頻脈沖管制冷 機(jī)的最低溫度只能達(dá)到20K左右。因此,尋找低溫蓄冷性能更為優(yōu)異的絲狀低溫蓄冷材料, 是提高高頻低溫脈沖管制冷機(jī)制冷效率和工作性能的一種有效途徑。
[0008] 固體在發(fā)生磁相變時(shí),伴隨著熵的急劇變化,固體的比熱會(huì)出現(xiàn)異常增大的現(xiàn)象。 基于該現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外很多研宄組開展了尋找合適的磁性物質(zhì)作為新的低溫蓄冷材料的工 作,至今為止在小型制冷機(jī)用磁性蓄冷材料的研宄方面已經(jīng)取得了許多突破性成功,尤其 是Er系、Ho系等一系列稀土基磁性合金材料作為蓄冷材料在15K以下的低溫制冷機(jī)中的新 應(yīng)用非常引人注目。但是,目前該稀土基磁性合金仍然多以塊狀、球狀等形態(tài)被利用在制冷 技術(shù)中,還未見制得其絲狀形態(tài)材料的報(bào)道,因此限制了其在高頻脈沖管制冷機(jī)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀,本發(fā)明旨在提供一種脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄冷材料,其不僅 具有良好的低溫蓄冷性能,而且適于在高頻條件下應(yīng)用。
[0010] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為:一種高頻脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄 冷材料,該材料為稀土基磁性合金材料,并且呈絲狀,其直徑為100ym以下,長(zhǎng)度為10mm以 上。
[0011] 所述的稀土基磁性合金材料具有優(yōu)良的低溫蓄冷性能,其合金成分表示為RE-TM, 其中RE包括但不限于Er、Ho、Tm等中的一種或兩種以上的組合,TM包括但不限于Co、Ni、 Cu、Ti、Al等元素的一種或兩種以上的組合。具體成分可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行微調(diào),以發(fā)揮 材料的低溫蓄冷性能。
[0012] 所述的稀土基磁性合金材料是以絲狀的形式存在的。作為優(yōu)選,所述的絲狀材料 的直徑為30~100ym。作為優(yōu)選,所述的絲狀材料的長(zhǎng)度為10~500mm。
[0013] 如何制得上述絲狀的低溫蓄冷材料是本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)目標(biāo)。目前多采用拉拔 方式制備絲狀低溫蓄冷材料,但是本發(fā)明中低溫蓄冷材料為稀土基磁性合金材料,稀土基 合金較脆,因此很難利用傳統(tǒng)的拉拔方式將其制備為絲材。本發(fā)明人經(jīng)過探索,采用熔體抽 拉法進(jìn)行嘗試,發(fā)現(xiàn)利用該方法能夠制得絲材。本發(fā)明提供的制備上述高頻脈沖管制冷機(jī) 用低溫蓄冷材料的方法包括以下步驟:
[0014] (1)按照稀土基磁性合金中的元素及其含量配制原料,然后進(jìn)行熔煉,制得稀土基 磁性合金鑄錠;
[0015] (2)將稀土基磁性合金鑄錠置于加熱裝置,加熱融溶,上端形成近球面;啟動(dòng)金屬 輥輪,調(diào)整合金溶液的球面高度,采用熔體抽拉法,如圖1所示,使金屬輥輪抽拉該合金溶 液,得到稀土基磁性合金絲材。
[0016] 作為優(yōu)選,步驟(2)中,稀土基磁性合金鑄錠進(jìn)行加熱時(shí),首先對(duì)加熱裝置進(jìn)行抽 真空,真空度優(yōu)選為0. 5~5Xl(T3Pa,然后充入惰性氣體保護(hù),惰性氣體壓力優(yōu)選為35~ 65pa〇
[0017]作為優(yōu)選,步驟(2)中,金屬輥輪轉(zhuǎn)速為600~1800轉(zhuǎn)/分鐘,進(jìn)一步優(yōu)選為 800~1200轉(zhuǎn)/分鐘。
[0018]作為優(yōu)選,步驟(2)中,合金溶液以40~120ym/s,進(jìn)一步優(yōu)選為60~80ym/s的進(jìn)給速率向金屬輥輪方向移動(dòng)。
[0019] 所述的金屬輥輪不限,優(yōu)選為銅輥輪或者鉬輥輪等。
[0020] 綜上所述,本發(fā)明采用熔體抽拉法,將母合金加熱至熔融狀態(tài)后與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的金 屬輥輪接觸,將金屬紡成絲材,通過控制加熱功率、金屬輥輪的轉(zhuǎn)速和熔融金屬的進(jìn)給速率 等參數(shù)調(diào)控絲材性能。例如,稀土基磁性合金熔液的黏度對(duì)絲材的形態(tài)具有影響,所以通過 改變加熱功率控制加熱溫度,以優(yōu)化性能參數(shù);金屬輪轉(zhuǎn)速的不同對(duì)絲材的連續(xù)性和最終 形態(tài)具有很大的影響,優(yōu)選將其調(diào)整為600~1800轉(zhuǎn)/分鐘;合金溶液向金屬轉(zhuǎn)輪的進(jìn)給 速率對(duì)絲材的直徑同樣具有影響,優(yōu)選將其調(diào)整為40~120ym/s;另外,為了防止制備得 到的絲材氧化,優(yōu)選對(duì)加熱腔體抽真空后充滿低壓惰性氣體。實(shí)驗(yàn)證實(shí),利用該方法能夠制 得該稀土基磁性合金絲材,該絲材尺寸均一、成分均勻、表面狀態(tài)較好,并且該方法生產(chǎn)效 率高、工藝可重復(fù)性好,因此很好地解決了由于稀土基合金較脆導(dǎo)致的很難利用傳統(tǒng)的拉 拔方式將其制備成絲材的技術(shù)難題,在高頻脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄冷材料領(lǐng)域具有廣闊的 應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中采用熔體抽拉法制備高頻脈沖管制冷機(jī)用低溫蓄冷材料 Er3Ni的裝備示意圖;
[0022] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的Er3Ni合金絲材的外觀形貌圖;
[0023] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的Er3Ni合金絲材的外表面的掃描電子絲材照片;
[0024]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的Er3Ni合金絲材的橫斷面的掃描電子絲材照片;
[0025] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的Er3Ni合金絲材的能譜照片;
[0026]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的Er3Ni合金絲材的X射線衍射照片;
[0027] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的Er3Ni合金絲材與傳統(tǒng)不銹鋼絲網(wǎng)(SS)和Er3Ni 球作為蓄冷材料在高頻脈沖管制冷機(jī)中進(jìn)行實(shí)測(cè)所得性能的對(duì)比圖;
[0028] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例2中制得的ErQ.6PrQ.4合金絲材的外觀形貌圖;
[0029] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例2中制得的Er(l.6Pra4^金絲材的橫斷面的掃描電子絲材照 片;
[0030] 圖10是本發(fā)明實(shí)施例2中制得的Era6Pra4合金絲材的X射線衍射照片;
[0031] 圖11是本發(fā)明實(shí)施例2中制得的Era6Pra4^金絲材與傳統(tǒng)不銹鋼絲網(wǎng)的低溫比 熱對(duì)比圖。
【具體實(shí)施
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