專利名稱：脈沖管低溫冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生低溫溫度狀態(tài)的低溫冷卻器，特別涉及采用斯特靈(Stirling)循環(huán)且包括脈沖管和再生器的低溫冷卻器。
背景技術(shù)：
由于采用斯特靈循環(huán)的低溫冷卻器能夠通過(guò)利用工作氣體的壓縮和膨脹的重復(fù)獲得低溫溫度，因此它廣泛地應(yīng)用于諸如超導(dǎo)元件的冷卻，氣體的提純和分離，紅外線傳感器等等場(chǎng)合。
利用這類斯特靈循環(huán)的斯特靈低溫冷卻器的工作原理將參照?qǐng)D2和圖3來(lái)討論。其中，圖2是顯示制冷循環(huán)輪廓的例子的視圖，以及，圖3是顯示根據(jù)制冷循環(huán)壓縮活塞和置換器的起伏周期的圖形。
在圖2中，斯特靈低溫冷卻器20由內(nèi)部含有壓縮活塞22的壓縮器21，內(nèi)部充入再生劑的再生器23，形成膨脹腔室25和壓縮腔室28的置換器24，制成在膨脹腔室25和再生器23之間的冷凝部分26，以及制成在壓縮腔室28周圍的熱輻射部分27構(gòu)成。隨后，將工作氣體在高壓下密封到由上述部件所構(gòu)成的密封流動(dòng)通道中，以及壓縮器21的壓縮活塞22和置換器24以它們之間的相位差作往返運(yùn)動(dòng)。
此外，在圖3中，實(shí)線22a表示壓縮活塞22的起伏，以及，實(shí)線24a表示置換器24的起伏。此外，實(shí)線29表示由壓縮活塞22的起伏而引起低溫冷卻器總的容積變化。
從圖2中間部分所示的容積(P)—壓力(V)的圖形中可以看到，斯特靈循環(huán)是由兩個(gè)等溫的變化和兩個(gè)恒定容積變化所組成的過(guò)程構(gòu)成的。
即，從圖2的“a”到“b”的過(guò)程是等溫的膨脹過(guò)程，在這時(shí)，壓縮活塞22從上部極限位置向低部極限位置運(yùn)動(dòng)，從而使在膨脹腔室25中的工作氣體膨脹，冷凝部分26吸收熱Qc，并且實(shí)現(xiàn)冷卻(圖2(A))。
接著，從“b”到“c”過(guò)程是恒定容積加熱過(guò)程，這時(shí)，置換器24從低部極限位置向上部極限位置運(yùn)動(dòng)，從而使膨脹腔室25內(nèi)的液體推出并且通過(guò)再生器23流到壓縮腔室一邊的空間，壓力升高(圖2(B))。
接著，從“c”到“d”的過(guò)程是等溫壓縮的過(guò)程，這時(shí)，壓縮活塞22從低部極限位置向上部極限位置運(yùn)動(dòng)，從而使得工作氣體送入到壓縮腔室28中，并且通過(guò)在熱輻射部分27從輻射熱Qh進(jìn)行等溫壓縮(圖2(C))。
最后，從“d”到“a”的過(guò)程是恒定容積冷凝過(guò)程，這時(shí)，置換器24從上部極限位置向下部極限位置運(yùn)動(dòng)，從而使壓縮腔室28內(nèi)的液體推出且通過(guò)再生器23推到膨脹腔室25一邊(圖2(D))，使壓力下降，并且循環(huán)周期結(jié)束。
順便提一下，在該循環(huán)中，正如圖3中的實(shí)線22a和24a所示，在壓縮活塞22和置換器24之間的相位差設(shè)置約為90度。
正如以上所闡述的，在斯特靈低溫冷卻器中，壓縮活塞是由機(jī)械功所驅(qū)動(dòng)的，從而在密封空間中的工作氣體的壓力是變化的，并且在膨脹腔室內(nèi)的工作氣體膨脹被與該壓力周期性變化相同步運(yùn)動(dòng)的置換器冷凝，因此就能獲得高的熱效率。
另一方面，對(duì)利用這種斯特靈循環(huán)的低溫冷卻器來(lái)說(shuō)，如圖4所示的脈沖管低溫冷卻器也是眾所周知的。
這種脈沖管低溫冷卻器10具有用于工作氣體重復(fù)輸入和吸出的壓縮器11，通過(guò)熱輻射部分12與該壓縮器11相耦合且內(nèi)部充有再生劑的再生器13，通過(guò)冷凝部分14與再生器13相耦合的脈沖管15，通過(guò)熱輻射部分16和慣性管17與該脈沖管15相耦合的緩沖容器18。
工作氣體，例如，氦氣，氮?dú)饣驓錃?，可以在高的壓力下密封到該脈沖管低溫冷卻器10的密封空間中。隨后，類似于上述斯特靈低溫冷卻器，工作氣體的膨脹和壓縮是由壓縮器來(lái)重復(fù)，以形成壓力的幅度。
這里，在脈沖管低溫冷卻器10中，脈沖管15內(nèi)的工作氣體30在流體管道中不斷的振蕩，從而起到了上述斯特靈低溫冷卻器中的置換器的功能。同樣，工作氣體30可以通過(guò)控制振蕩工作氣體30位移和壓力位移的相位來(lái)做功，從熱輻射部分12和16輻射熱量Q1和Q3，在冷凝部分4吸收熱量Q2，冷凝部分變成低溫冷卻器的冷端，并且能夠形成低溫的狀態(tài)。順便提一下，慣性管17和緩沖器18起著控制振蕩的工作氣體的位移和壓縮活塞的位移的相位的作用。
在該脈沖管低溫冷卻器中，不需要在斯特靈低溫冷卻器中安裝的置換器，以及可替換掉置換器，這樣高壓氣體就不斷的振蕩，從而使得工作氣體被壓縮和膨脹，因此，在低溫部分就不存在可移動(dòng)的部分。于是，可獲得在冷端不存在機(jī)械振蕩，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在上述脈沖管低溫冷卻器中的輸出(低溫冷卻器的輸出)取決于與脈沖管內(nèi)部空間的壓力幅度和流動(dòng)幅度的乘積成比例的輸出(下文稱之為標(biāo)稱的制冷輸出)和在低溫冷卻器內(nèi)部所產(chǎn)生的各種熱損耗之間的差值，且可以下列公式表示(制冷輸出)＝(標(biāo)稱的制冷輸出)-(熱損耗)因此，為了提高脈沖管低溫冷卻器的冷卻效率，以下兩點(diǎn)是很重要的(1)通過(guò)將壓縮器的壓縮活塞所提供的壓力幅度有效地傳遞給脈沖管來(lái)提高標(biāo)稱的制冷輸出，以及(2)要減小由于在各個(gè)結(jié)構(gòu)部件中的熱傳導(dǎo)，特別是在低溫冷卻器內(nèi)的熱傳導(dǎo)所引起的熱損耗。
首先，關(guān)于再生器，為了減小上述的熱損耗，有必要減小通過(guò)再生器的結(jié)構(gòu)部件的熱傳導(dǎo)，因?yàn)樵趫D4所示的熱輻射部分12和冷凝部分14之間存在著溫度差異。即，有必要暫時(shí)存儲(chǔ)壓縮器11所提供的并排出的工作氣體的潛在的熱量，以及減小從高溫一邊的熱輻射部分12的熱量通過(guò)工作氣體流向低溫一邊的冷凝部分14。
為了這個(gè)目的，可以設(shè)想通過(guò)增加低溫冷卻器13的內(nèi)部容量來(lái)增加熱容量，或通過(guò)在軸線方向上加長(zhǎng)低溫冷卻器13來(lái)增加熱阻。
然而，另一方面，從標(biāo)稱的制冷輸出來(lái)看，為了能有效地將壓縮器11所產(chǎn)生的壓力幅度傳遞給脈沖管15，就有必要縮小再生器的壓力損耗。因此，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，再生器的長(zhǎng)度最好能短些。
因此，可以設(shè)想象在再生器3方面，有必要優(yōu)化再生器的內(nèi)部容積，長(zhǎng)度等等，以滿足上述這些自相矛盾的要求。
另一方面，也與脈沖管15方面有關(guān)，為了能減小上述熱損耗，有必要降低由于熱輻射部分16和冷凝部分14之間的溫度差異而引起、通過(guò)脈沖管的結(jié)構(gòu)部件熱傳導(dǎo)，為了這個(gè)目的，在脈沖管15的軸線方向上的熱阻最好能大些，因此，可以想象通過(guò)脈沖管15在軸線方向上的加長(zhǎng)來(lái)增加熱阻。
然而，類似于再生器13，考慮到壓力幅度的獲得來(lái)增加標(biāo)稱的制冷輸出，與來(lái)自壓縮器11的壓力幅度有關(guān)，在脈沖管15內(nèi)的壓力幅度有必要保持在大的數(shù)值上。于是，從壓力損耗的觀點(diǎn)出發(fā)，脈沖管的長(zhǎng)度最好能短些。同樣，也與脈沖管15有關(guān)，可以想象脈沖管的內(nèi)部容積，長(zhǎng)度，等等必須優(yōu)化，以同時(shí)滿足自相矛盾的要求。
隨后，由于將上述再生器13和脈沖管15連接起來(lái)構(gòu)成低溫冷卻器，可以想象在低溫冷卻器的容積，長(zhǎng)度等等與脈沖管15的容積，長(zhǎng)度等等方面都存在著最佳的范圍，且可以想象這些參數(shù)對(duì)低溫冷卻器的效率將產(chǎn)生很大的影響。
因此，本發(fā)明的第一問(wèn)題是通過(guò)優(yōu)化上述有關(guān)自相矛盾的條件來(lái)提供具有高的制冷效率的脈沖管低溫冷卻器。
此外，能夠容易地實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)良性能的脈沖管低溫冷卻器，它沒(méi)有機(jī)械振動(dòng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可靠性改善，同時(shí)，通過(guò)安裝姿態(tài)的調(diào)整，即，在安裝的同時(shí)調(diào)整的再生器和脈沖管之間的相對(duì)位置關(guān)系，很難輕易地改變低溫冷卻器的輸出，以及有必要保證結(jié)構(gòu)不會(huì)受到安裝姿態(tài)的調(diào)整太大的影響。
以上已經(jīng)提出了，脈沖管低溫冷卻器的制冷輸出是由下列關(guān)系式表示(制冷輸出)＝標(biāo)稱制冷輸出-(熱損耗)以及，在關(guān)系式中的熱損耗中，有受到低溫冷卻器安裝姿態(tài)的影響的熱損耗，存在著密封在內(nèi)部的工作氣體在脈沖管內(nèi)部空間和再生器內(nèi)部空間內(nèi)部產(chǎn)生的對(duì)流的熱損耗，以及由該熱對(duì)流從高溫端進(jìn)入冷凝頭的熱量。
即，由于冷凝頭時(shí)低溫的，例如，約為70K，而高溫端通常為正常溫度(約為300K)，所以，工作氣體的密度就會(huì)在冷凝頭和高溫端之間有很大的差異，且由重力而產(chǎn)生對(duì)流，這種對(duì)流的程度會(huì)受到安裝姿態(tài)的影響，因此，由這種對(duì)流而產(chǎn)生的熱損耗也受到安裝姿態(tài)的影響。
下文，將以脈沖管作為一個(gè)例子來(lái)討論安裝姿態(tài)的影響。
首先，在脈沖管的冷凝頭定位在高于高溫端的安裝狀態(tài)中，由于在脈沖管的內(nèi)部空間的工作氣體的溫度狀態(tài)是與高溫端相接觸的下部分的溫度高于與冷凝頭相接觸的上部分的溫度，在脈沖管內(nèi)部空間的工作氣體的密度就變成在上部的大而在下部的小，且受到重力的影響工作氣體就產(chǎn)生了對(duì)流。其結(jié)果是，在與高溫端相接觸的較下部分的工作氣體上升，并且將熱量傳遞給設(shè)置在上部的冷凝頭，以及在與冷凝頭相接觸的上部中的工作氣體將冷卻的熱量又傳遞給設(shè)置在較下部分的高溫端，從而產(chǎn)生熱損耗并降低了低溫冷卻器的制冷輸出。
另一方面，在脈沖管的冷凝頭定位在低于高溫端的安裝狀態(tài)中，由于在脈沖管內(nèi)部空間的工作氣體的溫度就變得與高溫端相接觸的較上部分的溫度高于與冷凝頭相接觸的較下部分的溫度，所以在脈沖管內(nèi)部空間的工作氣體的密度就變得在較下部分中的大而在較上部分中的小。因此，在這種安裝姿態(tài)中，由于工作氣體不會(huì)由于重力而產(chǎn)生對(duì)流以及可以忽略由對(duì)流而產(chǎn)生的熱損耗，所以能夠獲得高的制冷輸出。
本發(fā)明的產(chǎn)生考慮到上述討論的常規(guī)脈沖管低溫冷卻器的困難，本發(fā)明的第二問(wèn)題是提供脈沖管低溫冷卻器，它減少了由于安裝姿態(tài)的差異而產(chǎn)生的制冷輸出的差異，以及即使在各種不同的安裝條件下都能獲得穩(wěn)定的制冷輸出。
為了解決上述第一問(wèn)題，本發(fā)明者及同事認(rèn)真進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)將再生器及脈沖管的空間容積，長(zhǎng)度，截面部分等等設(shè)置在指定比例上可以獲得比常規(guī)低溫冷卻器高的制冷輸出，并已經(jīng)完成了該發(fā)明。
即，根據(jù)本發(fā)明的脈沖管低溫冷卻器包括用于工作氣體重復(fù)輸入和吸收的壓縮器，通過(guò)熱輻射部分與壓縮器相耦合且內(nèi)部充入再生劑的再生器，通過(guò)冷凝部分與再生器相耦合的脈沖管，和通過(guò)熱輻射部分和慣性管與脈沖管相耦合的緩沖容器，并且脈沖管低溫冷卻器的特征為脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例為0.75至1.5(本發(fā)明的權(quán)利要求1)。
根據(jù)上述發(fā)明，通過(guò)將脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例設(shè)置在上述范圍內(nèi)，從標(biāo)稱的制冷輸出的觀點(diǎn)來(lái)看，在壓縮器中所產(chǎn)生的壓力幅度能有效地傳遞到脈沖管，熱損耗的發(fā)生可以被抑制，以及制冷效率能夠提高。
在上述發(fā)明中，脈沖管的長(zhǎng)度與再生器的長(zhǎng)度的比例最好為0.9至1.9(本發(fā)明權(quán)利要求2)。這樣的話，由于在壓縮器中所產(chǎn)生壓力幅度的損耗能夠進(jìn)一步的減少，因此就提高了標(biāo)稱的制冷輸出，也就提高了低溫冷卻器的制冷效率，以及能夠提高制冷輸出。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)脈沖管低溫冷卻器包括用于工作氣體重復(fù)輸入和吸收的壓縮器，通過(guò)熱輻射部分與壓縮器相耦合且內(nèi)部充入再生劑的再生器，通過(guò)冷凝部分與再生器相耦合的脈沖管，和通過(guò)熱輻射部分和慣性管與脈沖管相耦合的緩沖容器，并且脈沖管低溫冷卻器的特征為在所具有等于再生器內(nèi)部截面部分的區(qū)域的圓的直徑為內(nèi)部直徑時(shí)，再生器的長(zhǎng)度除以內(nèi)部直徑的平方所獲得的數(shù)值為0.11至0.26(本發(fā)明權(quán)利要求3)。
根據(jù)上述發(fā)明，通過(guò)將再生器的長(zhǎng)度和截面設(shè)置在以上所規(guī)定的范圍內(nèi)，以盡可能地抑制熱損耗使得再生器軸向方向上的熱阻變大，也將壓力損耗抑制在極限范圍內(nèi)，使得在壓縮器中所產(chǎn)生的壓力幅度能夠有效地傳遞到脈沖管，因此就有可能提高標(biāo)稱的制冷輸出以及提高制冷效率。
此外，作為本發(fā)明者解決第二問(wèn)題的早期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與常規(guī)脈沖管低溫冷卻器相比能夠減少由安裝姿態(tài)所引起的制冷輸出差異的條件。
即，在本發(fā)明中，為了解決第二問(wèn)題，在脈沖管和再生器水平設(shè)置的脈沖管低溫冷卻器中，脈沖管的內(nèi)部截面部分與再生器的內(nèi)部截面部分的比例設(shè)置為不小于0.1和不大于0.35(本發(fā)明權(quán)利要求4)。
因此，在包括脈沖管和再生器的脈沖管低溫冷卻器中，脈沖管的內(nèi)部直徑設(shè)置為12mm或小于12mm(本發(fā)明權(quán)利要求5)。
當(dāng)構(gòu)成脈沖管低溫冷卻器使得脈沖管的內(nèi)部截面與再生器的內(nèi)部截面的比例，或脈沖管的內(nèi)部直徑設(shè)置成上述范圍內(nèi)的數(shù)值，正如下文將介紹的，在脈沖管內(nèi)部空間所產(chǎn)生的工作氣體的自然對(duì)流而產(chǎn)生的熱損耗變成等效于在再生器內(nèi)部空間所產(chǎn)生工作氣體的自然對(duì)流而產(chǎn)生的熱損耗，即使在安裝的姿態(tài)發(fā)生上下變化的條件下依然如此，由于可以抵消上述兩項(xiàng)熱損耗，所以就減小了由安裝姿態(tài)所引起的制冷輸出的差異，就能夠獲得在各種安裝的條件下部可具有穩(wěn)定制冷輸出的脈沖管低溫冷卻器。


本發(fā)明脈沖管低溫冷卻器的實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。
顯示采用斯特靈循環(huán)的斯特靈低溫冷卻器的工作原理的舉例示意圖。
顯示在斯特靈循環(huán)中壓縮活塞和置換器之間相位的圖形。
脈沖管低溫冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖。
顯示實(shí)例1結(jié)果的圖形。
顯示實(shí)例2結(jié)果的圖形。
顯示實(shí)例3結(jié)果的圖形。
顯示實(shí)例4結(jié)果的圖形。
顯示實(shí)例5結(jié)果的圖形。
標(biāo)號(hào)和符號(hào)的描述10脈沖管低溫冷卻器11壓縮器11a連接導(dǎo)管12熱輻射部分13再生器14冷凝部分15脈沖管16熱輻射部分17慣性管18緩沖容器19a冷卻的散熱器19b冷凝頭19c熱輻射頭具體實(shí)施方式
下文盡管是在圖1的基礎(chǔ)上討論本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本發(fā)明并不局限于下列方式。
圖1顯示了本發(fā)明脈沖管低溫冷卻器所示意的結(jié)構(gòu)。值得注意的是，由于基本結(jié)構(gòu)與圖4的結(jié)構(gòu)相同，所以與圖4相同的部件就采用同樣的符號(hào)來(lái)表示，且省略了對(duì)它們的解釋。
在該脈沖管低溫冷卻器10中，耦合著未顯示的壓縮器的連接導(dǎo)管11a，熱輻射部分12，再生器13，冷凝部分14，脈沖管15和熱輻射部分6依序連接成一體，且形成完整的圓柱形狀。
慣性管17通過(guò)熱輻射部分16與脈沖管15相耦合，以及還通過(guò)慣性管17與緩沖容器18相耦合。
該慣性管17和緩沖容器18用于控制在脈沖管15中的工作氣體振蕩的位移相位和連接著連接導(dǎo)管11a的未顯示的壓縮器的壓縮活塞的位移相位。
另外，在熱輻射部分12周圍提供了用于熱輻射的冷卻散熱片19a，在冷凝部分14周圍提供了冷卻頭19b，以及在熱輻射部分16周圍提供了熱輻射頭部分19c。
有利于工作氣體熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)材料設(shè)置在熱輻射部分12，冷凝部分14，以及熱輻射部分16。其中，作為熱傳導(dǎo)材料來(lái)說(shuō)，最好能采用具有優(yōu)良熱傳導(dǎo)性能的金屬網(wǎng)，例如，銅或鋁。
在本發(fā)明中，在與再生器13有關(guān)的關(guān)系中，脈沖管15的空間容積和脈沖管的長(zhǎng)度都很重要，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)已成為確定受標(biāo)稱的制冷輸出和熱損耗影響的制冷效率的因素。值得注意的是，本發(fā)明的脈沖管的長(zhǎng)度是指圖1中冷凝部分14和熱輻射部分16之間的軸向距離L2。
盡管脈沖管15的材料并沒(méi)有特別的限制，但是考慮到強(qiáng)度，熱傳導(dǎo)等等，最好能采用金屬，特別是采用不銹鋼。此外，由于脈沖管15的長(zhǎng)度L2是根據(jù)以下將要討論的再生器的關(guān)系來(lái)確定的，所以并沒(méi)有特別的限制，但是在制冷輸出約為2W的情況下，脈沖管15的長(zhǎng)度L2最好是在40至100mm的范圍內(nèi)。此外，脈沖管15的內(nèi)部容積最好是在5至30ml的范圍內(nèi)。
具有大的熱容量的再生劑是設(shè)置在再生器13的內(nèi)部空間中。其中，作為再生劑來(lái)說(shuō)，可以使用諸如不銹鋼網(wǎng)或球的優(yōu)良材料，但這并沒(méi)有特別的限制。此外，盡管充入的劑量是可以適當(dāng)選擇的，但是與再生器13的空間容積的空隙比例最好為容積的60％至80％。
在本發(fā)明中，在與脈沖管15的關(guān)系中，再生器13的空間容積，內(nèi)部直徑和長(zhǎng)度都是很重要的，且成為確定受標(biāo)稱的制冷輸出和熱損耗影響的制冷效率的因素。其中，在本發(fā)明中的再生器13的長(zhǎng)度是指是指圖1中熱輻射部分12和冷凝部分14之間的軸向距離L1。此外，內(nèi)部直徑是指在圖1中再生器13的內(nèi)部截面部分轉(zhuǎn)換成圓的情況下的直徑D。
由于是通過(guò)脈沖管15的空間容積和長(zhǎng)度的關(guān)系來(lái)規(guī)定再生器13的空間容積，所以并沒(méi)有特別地限制，但是最好是設(shè)置在5至30ml的范圍內(nèi)。此外，再生器的長(zhǎng)度L1最好能設(shè)置在40至100mm的范圍內(nèi)，以及再生器13的內(nèi)部直徑D最好能設(shè)置在15至20mm的范圍內(nèi)。
接著，討論再生器13和脈沖管15之間的關(guān)系。
在本發(fā)明中，必須將脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例確定為0.75至1.5，最好是0.8至1.4。這樣的話，從標(biāo)稱制冷輸出的觀點(diǎn)來(lái)看，在壓縮器中所產(chǎn)生的壓力幅度能夠有效地傳遞到脈沖管15，以及能夠通過(guò)再生器13的熱阻來(lái)抑制熱損耗，從而改善脈沖管低溫冷卻器的制冷效率和提高制冷輸出。
在上述比例小于0.75的情況下，再生器13的空間容積就過(guò)分大，而脈沖管的空間容積就過(guò)分小。
在再生器13的空間容積過(guò)大的情況下，盡管增加了再生劑的熱容量和表面面積以及也增加了減小熱損耗的效果，但是在壓縮器中所產(chǎn)生的壓力幅度與傳遞到脈沖管15的壓力幅度的比例(壓縮比例)卻下降了很多，在脈沖管15中的壓力幅度也下降了，結(jié)果也降低了標(biāo)稱的制冷輸出以及降低了制冷的效率，所以這并不推薦。此外，在脈沖管15的空間容積過(guò)分小的情況下，由于沒(méi)有能在脈沖管15中形成所謂的氣體活塞，所以也降低了標(biāo)稱的制冷輸出以及也降低了制冷的效率，這也不是最好的。
另一方面，當(dāng)上述的比例超過(guò)了1.5時(shí)。再生器13的空間容積就變得過(guò)分小，而脈沖管15的空間容積就變得過(guò)分小，在前一種情況下，再生器13的熱容量和再生劑的表面面積就降低了且熱損耗增加了，在后一種情況下，脈沖管15的空間容積增加了，使得壓縮比例下降了，降低了標(biāo)稱的致冷輸出制冷效率也降低了，這也不是最好的。
此外，在本發(fā)明中，脈沖管15的長(zhǎng)度L2與再生器13的長(zhǎng)度L1的比例，即，L2/L1，推薦設(shè)置為0.9至1.9，最好是設(shè)置為1.0至1.7。這樣的話，由于能夠進(jìn)一步降低在壓縮器中所產(chǎn)生的壓力幅度，所以能夠提高制冷效率以及能夠提高制冷輸出。
在上述比例小于0.9的情況下，再生器13的長(zhǎng)度就變得過(guò)大，就增加了在再生器13中的壓力損耗，以及降低了標(biāo)稱的制冷輸出，所以這并不是最好的，而當(dāng)上述比例超過(guò)1.9時(shí)，再生器13的長(zhǎng)度就變得過(guò)小，通過(guò)再生器13的結(jié)構(gòu)部件的熱傳導(dǎo)質(zhì)量就提高了，軸向方向上的熱阻就降低了，熱損耗增加了，所以這也不是最好的。
另外，在本發(fā)明中，再生器13的長(zhǎng)度L1除以內(nèi)部直徑D的平方所獲得的數(shù)值推薦為0.11至0.26，最好為0.15至0.25。這樣的話，盡可能使再生器13在軸向方向上的熱阻大些，熱損耗得以抑制，將再生器13的壓力損失抑制在極限，壓縮器所產(chǎn)生的壓力幅度能有效地傳遞到脈沖管15，以及能提高標(biāo)稱的制冷輸出。
在上述比例小于0.11的情況下，再生器13的長(zhǎng)度就變得過(guò)小，降低了在軸向方向上的熱阻，增加了熱損耗，或者通過(guò)增加內(nèi)部直徑D使空間容積變得過(guò)大，壓縮比例下降，標(biāo)稱的制冷輸出也下降，以及制冷的效率也降低，所以這并不是最好的，而當(dāng)上述的比例超過(guò)0.26時(shí)，因?yàn)樵偕鞯拈L(zhǎng)度變得過(guò)大，所以壓力損耗增加，標(biāo)稱的制冷輸出也降低，以及制冷的效率也降低，所以這并不是最好的。
接著，討論該脈沖管低溫冷卻器10的工作。
未顯示的壓縮器與連接導(dǎo)管11a相連接以構(gòu)成密封的空間，工作氣體，例如氦氣密封在密封的空間中。盡管工作的氣體沒(méi)有特殊的限制，但是可以使用氦氣，氮?dú)?，氫氣，氧氣或類似的氣體。在應(yīng)用于70K或低于70k的低溫條件下，最好使用氦氣或氫氣，使得工作氣體不會(huì)被液化。此外，工作氣體的密封壓力最好是2至4MPa。
當(dāng)將壓力的幅度從壓縮器施加到工作氣體時(shí)，在脈沖管15中的工作氣體就會(huì)根據(jù)上述的工作原理而不斷的振蕩，熱量就從熱輻射部分16釋放出，且由冷凝部分14產(chǎn)生低溫狀態(tài)，冷凝部分成為低溫冷卻器冷卻的冷頭。在這種情況下，施加到工作氣體上的壓力幅度最好為0.1至0.4MPa，而頻率最好為45至55Hz。
隨后，當(dāng)需要冷卻的物體置于該狀態(tài)中的冷凝部分14時(shí)，熱量就從需要冷卻的物體中吸收，熱量從熱輻射部分16釋放出，以及將熱輻射到系統(tǒng)的外面。
同時(shí)，由于脈沖管15的空間容積與再生器13的空間容積的比例設(shè)置在0.75至1.5的范圍內(nèi)，壓縮器所產(chǎn)生的壓力幅度有效地傳遞到脈沖管15，以提高標(biāo)稱制冷輸出，以及適當(dāng)?shù)靥峁┰偕?3的熱阻和降低熱損耗，這樣就有可能在高的制冷效率和在最佳的條件下工作。
實(shí)例下文盡管利用一些例子更詳細(xì)地討論本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于這些例子。
使用圖1所示的脈沖管低溫冷卻器，在各種不同的條件下變化脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例，以及測(cè)量在70K冷卻溫度下的制冷輸出(W)。其結(jié)果如圖5所示。
值得注意的是，低溫冷卻器的工作條件為以氦氣作為工作氣體，在2.1MPa的壓力下密封，壓力的幅度為0.2MPa以及頻率為50Hz。此外，再生器和脈沖管的材料是不銹鋼制成的，以及在再生劑充入再生器時(shí)，設(shè)置400目的不銹鋼金屬網(wǎng)，使得填入的比例為60％。此外，100目的銅金屬網(wǎng)作為熱傳導(dǎo)材料使用。
圖5是顯示脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例和制冷輸出之間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)表示脈沖管的空間容積除以再生器的空間容積所獲得的數(shù)值，而縱坐標(biāo)表示在70K的冷卻溫度時(shí)的制冷輸出。在該圖中，條件1表示脈沖管的內(nèi)部直徑為15mm和再生器的內(nèi)部直徑為20mm的情況，而條件2表示脈沖管的內(nèi)部直徑為14mm和再生器的內(nèi)部直徑為18mm的情況。此外，實(shí)線1和實(shí)線2分別是回歸方程式在條件1和條件2下的測(cè)量數(shù)值的二次方程曲線。
從圖5的結(jié)果中可以看到，制冷輸出有一個(gè)對(duì)應(yīng)于脈沖管的空間容積與再生器的空間容積比例向上凸出的關(guān)系，可以理解到，在本發(fā)明范圍內(nèi)，制冷輸出在0.75至1.5是高的。
使用圖1所示的脈沖管低溫冷卻器，在各種不同的條件下變化脈沖管的長(zhǎng)度L2與再生器的長(zhǎng)度L1的比例，以及測(cè)量在70K冷卻溫度下的制冷輸出(W)。其結(jié)果如圖6所示。值得注意的是，低溫冷卻器的工作條件類似于實(shí)例1的工作條件。
圖6是顯示脈沖管的長(zhǎng)度與再生器的長(zhǎng)度的比例和制冷輸出之間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)表示脈沖管的長(zhǎng)度除以再生器的長(zhǎng)度所獲得的數(shù)值，而縱坐標(biāo)表示在70K的冷卻溫度時(shí)的制冷輸出。在該圖中，條件3表示脈沖管的內(nèi)部直徑為15mm和再生器的內(nèi)部直徑為20mm的情況，而條件4表示脈沖管的內(nèi)部直徑為14mm和再生器的內(nèi)部直徑為18mm的情況。此外，實(shí)線3和實(shí)線4分別是回歸方程式在條件3和條件4下的測(cè)量數(shù)值的二次方程曲線。
從圖6的結(jié)果中可以看到，制冷輸出有一個(gè)對(duì)應(yīng)于脈沖管的長(zhǎng)度與再生器的長(zhǎng)度的比例向上凸出的關(guān)系，可以理解到，在本發(fā)明范圍內(nèi)，制冷輸出在0.9至1.9是高的。

使用圖1所示的脈沖管低溫冷卻器，在各種不同的條件下變化再生器的長(zhǎng)度L1除以再生器的內(nèi)部直徑D的平方所獲得的數(shù)值，以及測(cè)量在70K冷卻溫度下的制冷輸出(W)。其結(jié)果如圖7所示。值得注意的是，低溫冷卻器的工作條件類似于實(shí)例1的工作條件。
圖7是顯示再生器的長(zhǎng)度L1除以再生器內(nèi)部直徑D的平方所獲得數(shù)值和制冷輸出之間關(guān)系的曲線，其橫坐標(biāo)表示再生器的長(zhǎng)度L1除以再生器內(nèi)部直徑D的平方所獲得數(shù)值，而縱坐標(biāo)表示在70K的冷卻溫度時(shí)的制冷輸出。在該圖中，條件5表示再生器的內(nèi)部直徑為20mm的情況下的測(cè)量數(shù)值，而條件6表示再生器的內(nèi)部直徑為18mm的情況下的測(cè)量數(shù)值。此外，實(shí)線5和實(shí)線6分別是回歸方程式在條件5和條件6下的測(cè)量數(shù)值的二次方程曲線。
從圖7的結(jié)果中可以看到，制冷輸出有一個(gè)對(duì)應(yīng)于再生器的長(zhǎng)度L1除以再生器內(nèi)部直徑D的平方所獲得數(shù)值向上凸出的關(guān)系，可以理解到，在本發(fā)明范圍內(nèi)，制冷輸出在0.11至0.26是高的。
使用圖1所示的脈沖管低溫冷卻器，變化脈沖管15內(nèi)部空間的截面部分與再生器13內(nèi)部空間的截面部分的比例，進(jìn)行在70K冷卻溫度下的冷卻工作，以及在脈沖管15的定位高于再生器13的定位安裝情況下和在脈沖管15的定位低于再生器13的定位安裝情況下測(cè)量制冷輸出。值得注意的是，這時(shí)，以氦氣作為工作氣體使用，在2.1MPa的壓力下密封且在壓力幅度為0.2MPa和頻率為50Hz下工作。此外，再生器13和脈沖管5采用不銹鋼制成，400目的不銹鋼金屬網(wǎng)用于再生劑，將再生劑填入再生器13且填入比例為60％。另外，100目的銅金屬網(wǎng)用于熱輻射部分12，冷凝部分14和熱輻射部分16的熱傳導(dǎo)材料。
圖8是顯示在該測(cè)量測(cè)試中所獲得結(jié)果的特征圖。在該圖中，縱向坐標(biāo)表示在脈沖管15的定位高于再生器13的安裝情況下的制冷輸出與在脈沖管15的定位低于再生器13的安裝情況下的制冷輸出之間的差異，而水平坐標(biāo)表示脈沖管15的內(nèi)部空間截面部分與再生器13的內(nèi)部空間截面部分的比例。在該圖中，由“·”指示的特征曲線(條件1)表示在再生器的內(nèi)部直徑為18mm情況下的測(cè)量數(shù)值，而由“◆”指示的特征曲線(條件2)表示在再生器的內(nèi)部直徑為20mm情況下的測(cè)量數(shù)值。此外，實(shí)線是這些測(cè)量數(shù)值的線形回歸方程式。
正如該圖所顯示的，在本發(fā)明者的測(cè)試范圍內(nèi)，由安裝狀態(tài)而引起的制冷輸出之間的差異與脈沖管的截面部分和再生器的截面部分的比例成線性關(guān)系，并且可以理解到，特別是在脈沖管的截面部分與再生器的截面部分的比例為0.1至0.35的情況下，由安裝狀態(tài)而引起的制冷輸出之間的差異可抑制到最小。同樣，如果脈沖管的截面部分與再生器的截面部分的比例選擇在0.1至0.35的范圍內(nèi)并構(gòu)成脈沖管低溫冷卻器，即使安裝的姿態(tài)上下變化，但所獲得制冷輸出的變化可抑制到最小，且能夠獲得穩(wěn)定的制冷輸出。
在脈沖管低溫冷卻器中由工作氣體的自然對(duì)流所引起的熱損耗包括在脈沖管15內(nèi)部空間的工作氣體的自然對(duì)流引起的熱損耗A和在再生器13內(nèi)部空間的工作氣體的自然對(duì)流引起的熱損耗B，以及由于高溫部分和低溫部分在上下方向上的位置形成了在脈沖管15和再生管15之間存在一個(gè)相對(duì)的方向，在脈沖管15的定位高于再生器13的定位的情況下，熱損耗A增加，而熱損耗B抑制到最小。另一方面，在脈沖管15的定位低于再生器13的定位的情況下，熱損耗B增加，而熱損耗A抑制到最小。因此，正如以上所討論的，如果脈沖管的截面部分與再生器的截面部分的比例選擇在0.1至0.35的范圍內(nèi)，由于在脈沖管15的定位高于再生器13的定位的情況下的熱損耗A等于在脈沖管15的定位低于再生器13的定位的情況下的熱損耗B，那么即使安裝的姿態(tài)在上下方向上變化，仍能獲得幾乎相等的制冷輸出。
在脈沖管的截面部分與再生器的截面部分的比例小于0.1的情況下，由于再生器的截面部分變得相對(duì)過(guò)大，在脈沖管的定位低于再生器的定位的安裝情況下所得到的熱損耗B就會(huì)變得大于在脈沖管的定位高于再生器的定位的安裝情況下所得到的熱損耗A，當(dāng)脈沖管定位在較低部分時(shí)，制冷輸出就會(huì)大大降低。此外，當(dāng)脈沖管的截面部分與再生器的截面部分的比例超過(guò)0.35時(shí)，由于脈沖管的截面部分就會(huì)變得相對(duì)地過(guò)大，且脈沖管的熱損耗A就相對(duì)增加，當(dāng)脈沖管定位在較高的部分時(shí)，制冷輸出就會(huì)大大降低。
使用圖1所示的脈沖管低溫冷卻器，變化脈沖管15的內(nèi)部直徑來(lái)進(jìn)行在70K冷卻溫度下的冷卻工作，以及測(cè)量在脈沖管15的定位高于再生器13的定位的安裝情況下的制冷輸出和在脈沖管15的定位低于再生器13的定位的安裝情況下的制冷輸出。值得注意的是，這時(shí)，以氦氣作為工作氣體使用，在3.1MPa的壓力下密封且在壓力幅度為0.2MPa和頻率為50Hz下工作。此外，再生器13和脈沖管15采用不銹鋼制成，400目的不銹鋼金屬網(wǎng)用于再生劑，將再生劑填入再生器13且填入比例為60％。另外，100目的銅金屬網(wǎng)用于熱輻射部分12，冷凝部分14和熱輻射部分16的熱傳導(dǎo)材料。
圖9是顯示在該測(cè)量測(cè)試中所獲得結(jié)果的特征圖。在該圖中，縱向坐標(biāo)表示在脈沖管15的定位高于再生器13的安裝情況下的制冷輸出與在脈沖管15的定位低于再生器13的安裝情況下的制冷輸出之間的差異，而水平坐標(biāo)表示脈沖管15的內(nèi)部直徑。在該圖中，由“·”指示的特征曲線表示測(cè)量數(shù)值，而實(shí)線是這些測(cè)量數(shù)值的線形回歸方程式。
正如圖中所顯示的，可以理解到，隨著脈沖管15的內(nèi)部直徑的減小，在由安裝狀態(tài)所引起的制冷輸出之間的差異也減小，特別是在脈沖管15的內(nèi)部直徑小于12mm的情況下，由安裝狀態(tài)所引起的制冷輸出之間的差異被抑制到了最小。同樣，如果脈沖管的內(nèi)部直徑選擇12mm或小于12mm且構(gòu)成脈沖管低溫冷卻器，即使變化安裝的姿態(tài)，在所獲得制冷輸出中的變化可以抑制到最小，且能夠獲得穩(wěn)定的制冷輸出。
正如以上所討論的，根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求1至3的發(fā)明)，通過(guò)將再生器和脈沖管的空間容積和長(zhǎng)度調(diào)整和優(yōu)化在指定的比例上就能提供具有高的制冷效率的脈沖管低溫冷卻器。這樣的話，由于有可能有效地獲得在70K附近的低溫，因此本發(fā)明能夠適用于在諸如冷卻高溫超導(dǎo)元件的場(chǎng)合中適用。
此外，根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求4和5的發(fā)明)，在脈沖管和再生器直線設(shè)置的脈沖管低溫冷卻器中，由于脈沖管的內(nèi)部截面部分與再生器的內(nèi)部截面部分的比例，以及脈沖管的內(nèi)部直徑都選擇在預(yù)定的數(shù)值上且最佳化，因此就減小了由于安裝姿態(tài)的差異所引起的制冷輸出的差異，且能在各種安裝條件下獲得穩(wěn)定的輸出。
權(quán)利要求
1.一種脈沖管低溫冷卻器，包括用于工作氣體重復(fù)輸入和吸收的壓縮器，通過(guò)熱輻射部分與壓縮器相耦合且內(nèi)部充入再生劑的再生器，通過(guò)冷凝部分與再生器相耦合的脈沖管，以及通過(guò)熱輻射部分和慣性管與脈沖管相耦合的緩沖容器，其特征在于脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例為0.75至1.5。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖管低溫冷卻器，其特征在于脈沖管的長(zhǎng)度與再生器的長(zhǎng)度的比例為0.9至1.9。
3.一種脈沖管低溫冷卻器，包括用于工作氣體重復(fù)輸入和吸收的壓縮器，通過(guò)熱輻射部分與壓縮器相耦合且內(nèi)部充入再生劑的再生器，通過(guò)冷凝部分與再生器相耦合的脈沖管，以及通過(guò)熱輻射部分和慣性管與脈沖管相耦合的緩沖容器，其特征在于當(dāng)面積等于再生器的內(nèi)部截面部分的圓的直徑作為內(nèi)部直徑時(shí)，再生器的長(zhǎng)度除以內(nèi)部直徑的平方所得到的數(shù)值為0.11至0.26。
4.一種脈沖管低溫冷卻器，其中線性地設(shè)置脈沖管和再生器，脈沖管低溫冷卻器的特征在于脈沖管的內(nèi)部截面部分與再生器的內(nèi)部截面部分的比值不小于0.1且不大于0.35。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述脈沖管低溫冷卻器，其特征在于脈沖管的內(nèi)部直徑為12mm或小于12mm。
全文摘要
一種脈沖管低溫冷卻器，包括用于工作氣體重復(fù)輸入和吸收的壓縮器，通過(guò)熱輻射部分與壓縮器相耦合且內(nèi)部充入再生劑的再生器，通過(guò)冷凝部分與再生器相耦合的脈沖管，以及通過(guò)熱輻射部分和慣性管與脈沖管相耦合的緩沖容器，其中脈沖管的空間容積與再生器的空間容積的比例為0.75至1.5。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1417544SQ02148250
公開日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2002年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月5日
發(fā)明者鴨下友義, 保川幸雄 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社