專利名稱：具有無油驅(qū)動器的低頻脈沖管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及低溫或深冷制冷，尤其涉及脈沖管制冷。
背景技術(shù)：
在產(chǎn)生低溫制冷效果的領(lǐng)域中的最近的重要發(fā)展在于借助振動的氣體將脈沖能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹评湫Ч拿}沖管系統(tǒng)或深冷冷卻器。這種系統(tǒng)可產(chǎn)生溫度非常低的制冷效果，例如足以使得氦液化。由這種深冷冷卻器系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷效果的一個重要應(yīng)用場合是磁共振成像系統(tǒng)。
常規(guī)的深冷冷卻器系統(tǒng)的一個問題在于脈沖產(chǎn)生設(shè)備可能導(dǎo)致脈沖氣體污染。而且，效率降低的根源是該深冷冷卻器系統(tǒng)的最高效的工作頻率與脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)的最高效的工作頻率之間的不匹配。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的深冷冷卻器系統(tǒng)或脈沖管系統(tǒng)，其降低了潛在的污染并提供更高效的工作。

發(fā)明內(nèi)容
對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見的是，在閱讀以下的詳細(xì)描述可容易地理解本發(fā)明的上述的和其它的目的，本發(fā)明的一方面在于一種用于操作低頻深冷冷卻器系統(tǒng)的方法，其包括(A)借助一移動元件緊靠周圍壁的移動來壓縮氣體，從而以至少25赫茲的頻率產(chǎn)生脈沖氣體，其中，在該移動元件與該周圍壁之間不使用油；(B)使得該脈沖氣體流經(jīng)頻率調(diào)制閥并降低該脈沖氣體的頻率以便產(chǎn)生頻率較低的脈沖氣體；和(C)使得該頻率較低的脈沖氣體流向與熱緩沖管流體連通的再生器。
本發(fā)明另一方面在于一種低頻深冷冷卻器系統(tǒng)，其包括(A)具有排氣口和緊靠周圍壁的移動元件的壓縮機(jī)，其中，在該移動元件與該周圍壁之間不使用油；(B)再生器、頻率調(diào)制閥、從該排氣口延伸到該頻率調(diào)制閥的排氣導(dǎo)管、和從該頻率調(diào)制閥延伸到該再生器的再生器輸入/輸出導(dǎo)管；以及(C)與再生器流體連通的熱緩沖管。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“再生器”意味著形式為分布有孔隙的材質(zhì)或介質(zhì)的熱學(xué)裝置，其具有良好的熱容量以便借助與該帶有孔隙的材質(zhì)的直接傳熱從而冷卻流入的暖氣體并給返回的冷氣體加溫，該材質(zhì)或介質(zhì)例如球、疊置網(wǎng)、帶有孔的金屬薄板等。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“熱緩沖管”意味著與再生器分隔開的并且靠近冷的熱交換器的深冷冷卻器部件，其溫度范圍從對于該級而言的最冷溫度到較暖的放熱溫度。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“間接熱交換”意味著在流體彼此沒有任何實體接觸或相互混合的情況下，使得流體形成熱交換關(guān)系。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“直接熱交換”意味著借助實體的冷卻和加熱的接觸來傳遞制冷效果。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“頻率調(diào)制閥”意味著以所需的頻率產(chǎn)生振蕩的壓力和質(zhì)量流的閥或閥系統(tǒng)。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“排氣頻率調(diào)制容器”意味著排氣導(dǎo)管的總?cè)莘e，并且如果使用從壓縮機(jī)排氣口延伸到該頻率調(diào)制閥的存儲器的話，總?cè)莘e應(yīng)計入該存儲器和排氣導(dǎo)管的容積。該排氣頻率調(diào)制容積可以是壓縮機(jī)排氣容積的0.1-10倍。
本發(fā)明所使用的術(shù)語“吸氣頻率調(diào)制容器”意味著吸氣導(dǎo)管的總?cè)莘e，并且如果使用從該頻率調(diào)制閥延伸到壓縮機(jī)吸氣口的存儲器的話，總?cè)莘e應(yīng)計入該存儲器和吸氣導(dǎo)管的容積。該吸氣頻率調(diào)制容積可以是壓縮機(jī)排氣容積的0.1-10倍。


圖1是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的示意圖，其中壓縮機(jī)是線形壓縮機(jī)，頻率調(diào)制閥是旋轉(zhuǎn)閥。
圖2是本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的示意圖，其中壓縮機(jī)是線形壓縮機(jī)，頻率調(diào)制閥是控制閥系統(tǒng)。
具體實施例方式
以下將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明。現(xiàn)參照圖1，無油式壓縮機(jī)產(chǎn)生脈沖氣體以便驅(qū)動深冷冷卻器(cryocooler)或脈沖管系統(tǒng)，其包括再生器20和熱緩沖管40。無油式壓縮機(jī)在高頻下高效地運行，該頻率通常為50-60赫茲。在圖1所示的本發(fā)明的實施例中，無油式壓縮機(jī)是由電動線形馬達(dá)即軸向往復(fù)運動電磁變換器2驅(qū)動的線形壓縮機(jī)1。在本發(fā)明的實施形式中使用的無油式壓縮機(jī)的另一示例是由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動的無油式導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。
無油式壓縮機(jī)具有緊靠周向壁的移動元件。在圖1所示的本發(fā)明的實施例中，該移動元件是由線形馬達(dá)驅(qū)動以便來回移動的活塞3?；钊?在由殼體或周向壁限定的容積內(nèi)往復(fù)運動，并且活塞3靠近周向壁8且與其間隔開一間隙7。在活塞3與周向壁8之間的間隙7中不存在油。作為替代，該線形壓縮機(jī)采用氣體軸承或撓曲懸掛裝置以便確?；钊?的流暢運動。
往復(fù)活塞3以供應(yīng)的交流電的頻率產(chǎn)生具有脈沖或振動運動，該交流電的頻率至少為25赫茲，通常為50-60赫茲。通常稱為簧片閥的止回閥系統(tǒng)4使得振動壓力波轉(zhuǎn)變，以便在壓縮機(jī)排氣口5處獲得壓縮輸出，其工作頻率具有小的波動。在本發(fā)明的實施方式中，用做由無油式壓縮機(jī)產(chǎn)生的脈沖氣體的氣體示例包括氦氣、氖氣、氮氣、氬氣、氧氣、以及它們的混合物，其中氦氣是優(yōu)選的。
該脈沖氣體在冷卻器12中被冷卻以便釋放壓縮熱，并且在排氣導(dǎo)管18中流向頻率調(diào)制閥17，在圖1所示的實施例中，該頻率調(diào)制閥是旋轉(zhuǎn)閥。旋轉(zhuǎn)閥17由圖1未示出的電動系統(tǒng)來驅(qū)動。優(yōu)選的是，在排氣導(dǎo)管18中的高頻脈沖氣體流經(jīng)存儲器13，如圖1所示。排氣導(dǎo)管18和存儲器13的頻率調(diào)制排氣容積通過向該旋轉(zhuǎn)閥提供相對穩(wěn)定壓力的穩(wěn)定氣體供應(yīng)從而去除了壓縮機(jī)與深冷冷卻器之間脈沖重復(fù)率耦合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥17的(未示出的)旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)時，該孔交替地使得壓縮機(jī)排氣導(dǎo)管18與再生器入口/出口導(dǎo)管62、再生器入口/出口導(dǎo)管62與壓縮機(jī)吸氣導(dǎo)管19連接。這種交替的連接產(chǎn)生振蕩的壓力和質(zhì)量流動，由此以旋轉(zhuǎn)閥17的旋轉(zhuǎn)頻率產(chǎn)生壓力-容積功。
當(dāng)脈沖氣體流經(jīng)頻率調(diào)制閥時，其頻率降低到深冷冷卻器的最高效的工作頻率。所獲得的較低頻率的脈沖氣體通常具有小于40赫茲的頻率，典型地具有小于30赫茲的頻率，較優(yōu)選為小于10赫茲，最優(yōu)選為5赫茲。較低頻率的脈沖氣體隨后進(jìn)入深冷冷卻器或脈沖管系統(tǒng)的再生器20。再生器20與脈沖管系統(tǒng)的熱緩沖管40流動連通。
該較低頻率的脈沖氣體使得脈沖施加到再生器20的熱端上，由此產(chǎn)生振動的工作氣體并啟動脈沖管時序過程中的第一部分。脈沖用于壓縮該工作氣體，以便在再生器20的熱端處產(chǎn)生熱的經(jīng)壓縮的工作氣體。該熱的工作氣體被冷卻，優(yōu)選為通過與熱交換器21中的傳熱流體22進(jìn)行間接熱交換來冷卻，以便產(chǎn)生加溫后的傳熱流體流股23并且冷卻該工作氣體被壓縮而產(chǎn)生壓縮熱。在本發(fā)明的實施方式中用做傳熱流體22、23的示例流體包括水、空氣、乙二醇等。熱交換器21是用于從制冷負(fù)荷克服溫度梯度而抬升的熱量的散熱裝置，這種熱量抬升是借助由壓縮機(jī)和頻率調(diào)制閥產(chǎn)生的壓力-容積功而實現(xiàn)的。
再生器20包含再生器或傳熱介質(zhì)。在本發(fā)明的實施方式中，適當(dāng)?shù)膫鳠峤橘|(zhì)的示例包括鋼球、絲網(wǎng)、高密度蜂窩結(jié)構(gòu)、多孔金屬網(wǎng)、鉛球、銅及其合金、稀土元素和過渡金屬的絡(luò)合物。脈沖的或振蕩的工作氣體在再生器20中通過與冷的再生器介質(zhì)的直接熱交換從而被冷卻，以便產(chǎn)生冷的脈沖管工作氣體。
熱緩沖管40和再生器20在流體上是連通的。這種流體連通包括冷的熱交換器30。冷的工作氣體在管路60中流向冷的熱交換器30并且在管路61中從冷的熱交換器30流向熱緩沖管40的冷端。在冷的熱交換器30內(nèi)，冷的工作氣體通過與制冷負(fù)荷間接熱交換而被加溫，由此向該制冷負(fù)荷提供制冷效果。這種與制冷負(fù)荷的熱交換在附圖中沒有示出。制冷負(fù)荷的一個示例是用于磁共振成像系統(tǒng)。制冷負(fù)荷的另一個示例是用于高溫超導(dǎo)。
該工作氣體從再生器20流向熱緩沖管40的冷端。優(yōu)選的是，如圖1所示，熱緩沖管40在其冷端具有整流器41并且在其熱端具有整流器42。當(dāng)工作氣體流入脈沖熱緩沖管40時，該工作氣體對該熱緩沖管內(nèi)的氣體進(jìn)入壓縮并且迫使一部分該氣體經(jīng)熱交換器43和管路51中的孔口50流入到存儲器52中。當(dāng)在熱緩沖管和存儲器中的壓力均衡時，流動終止。
冷卻流體44流入熱交換器43，在該熱交換器中該冷卻流體通過與該工作氣體的間接熱交換從而被加溫或蒸發(fā)，由此用做冷卻該經(jīng)壓縮的工作氣體的散熱手段。所得到的或被蒸發(fā)的冷卻流體從熱交換器43中以流股45的形式離開。優(yōu)選的是，冷卻流體44是水、空氣、乙二醇等。
在脈沖時序的低壓點處，在脈沖管中的工作氣體膨脹并因此提供冷卻，并且流動從此刻較高壓力的存儲器52逆流進(jìn)入熱緩沖管40。冷的工作氣體被推入冷的熱交換器30并返回到再生器的暖端，同時在熱交換器30處提供制冷效果并冷卻再生器傳熱介質(zhì)以便用于接下來的脈沖時序。孔口50和存儲器52用于保持壓力波和流動波同相，以便熱緩沖管在壓縮和膨脹循環(huán)過程中在熱緩沖管40的冷端處產(chǎn)生凈制冷效果。在本發(fā)明的實施方式中，用于保持壓力波和流動波同相的其它裝置包括慣性管和孔口、膨脹器、線形交流發(fā)電機(jī)、波紋管結(jié)構(gòu)、以及與質(zhì)量流抑制器一起連接回到壓縮機(jī)的功回復(fù)管路。在膨脹時序中，工作氣體膨脹以便產(chǎn)生熱緩沖管40的冷端處產(chǎn)生工作氣體。該膨脹的氣體的方向逆轉(zhuǎn)以便使得其從熱緩沖管流向再生器20。在存儲器中的處于相對較高壓力的氣體經(jīng)閥50流向熱緩沖管40的暖端?？傊瑹峋彌_管40使得由該壓縮和頻率調(diào)制系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力-容積功的剩余部分作為熱量排放到暖的熱交換器43，(該壓縮和頻率調(diào)制系統(tǒng)包括無油壓縮機(jī)和頻率調(diào)制閥)。
從熱交換器30流出的經(jīng)過膨脹的工作氣體在管路60中流向再生器20，在再生器中該工作氣體與在該再生器中的傳熱介質(zhì)直接接觸，由此產(chǎn)生上述冷的傳熱介質(zhì)，從而完成該脈沖管制冷時序的第二部分并且使得該再生器的狀態(tài)回到后續(xù)的脈沖管制冷時序的第一部分。來自再生器20的脈沖氣體返回到旋轉(zhuǎn)閥17并且在吸氣導(dǎo)管19中回到壓縮機(jī)1的吸氣口6。優(yōu)選的是，存儲器16設(shè)置在吸氣導(dǎo)管19上，并且吸氣導(dǎo)管19和存儲器16的吸氣頻率調(diào)制容積的功能與在排氣頻率調(diào)制容積的功能相似。
圖2示出了本發(fā)明的另一實施例。圖1和圖2所示的實施例中共用的部件不再詳細(xì)描述。在圖2所示的實施例中，旋轉(zhuǎn)閥被分別在輸出和輸入導(dǎo)管上的雙聯(lián)控制閥14和15替代，并且馬達(dá)驅(qū)動的控制閥14用作頻率調(diào)制閥。
此刻借助本發(fā)明，深冷冷卻器即脈沖管系統(tǒng)可以以其最高效頻率來運行，而不是局限于以壓縮機(jī)的頻率來運行，同時還避免脈沖氣體的油污染所造成的問題。盡管本發(fā)明參照特定的優(yōu)選實施例來進(jìn)行詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其它實施例也落入權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于操作低頻深冷冷卻器系統(tǒng)的方法，其包括(A)借助一移動元件緊靠周圍壁的移動來壓縮氣體，從而以至少25赫茲的頻率產(chǎn)生脈沖氣體，其中，在該移動元件與該周圍壁之間不使用油；(B)使得該脈沖氣體流經(jīng)頻率調(diào)制閥并降低該脈沖氣體的頻率以便產(chǎn)生頻率較低的脈沖氣體；和(C)使得該頻率較低的脈沖氣體流向與熱緩沖管流體連通的再生器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該移動元件是由軸向往復(fù)式電磁變換器驅(qū)動的活塞。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該脈沖氣體在流經(jīng)所述閥之前流經(jīng)一排氣頻率調(diào)制容積。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該排氣頻率調(diào)制容積包括存儲器。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該頻率較低的脈沖氣體具有低于10赫茲的頻率。
6.一種低頻深冷冷卻器系統(tǒng)，其包括(A)具有排氣口和緊靠周圍壁的移動元件的壓縮機(jī)，其中，在該移動元件與該周圍壁之間不使用油；(B)再生器、頻率調(diào)制閥、從該排氣口延伸到該頻率調(diào)制閥的排氣導(dǎo)管、和從該頻率調(diào)制閥延伸到該再生器的再生器輸入/輸出導(dǎo)管；以及(C)與再生器流體連通的熱緩沖管。
7.如權(quán)利要求6所述的低頻脈沖管系統(tǒng)，其特征在于，該壓縮機(jī)是線形壓縮機(jī)，該移動元件是由軸向往復(fù)式電磁變換器驅(qū)動的活塞。
8如權(quán)利要求6所述的低頻脈沖管系統(tǒng)，其特征在于，該頻率調(diào)制閥是旋轉(zhuǎn)閥。
9.如權(quán)利要求8所述的低頻脈沖管系統(tǒng)，還包括從該旋轉(zhuǎn)閥延伸到該壓縮機(jī)吸氣口的吸氣導(dǎo)管。
10.如權(quán)利要求6所述的低頻脈沖管系統(tǒng)，其特征在于，還包括定位在排氣口與頻率調(diào)制閥之間位于排氣導(dǎo)管上以便形成一排氣頻率調(diào)制容積的存儲器。
11.如權(quán)利要求9所述的低頻脈沖管系統(tǒng)，其特征在于，還包括定位在旋轉(zhuǎn)閥與壓縮機(jī)吸氣口之間位于吸氣導(dǎo)管上以便形成一吸氣頻率調(diào)制容積的存儲器。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生制冷效果的脈沖管系統(tǒng)，該脈沖管系統(tǒng)可用于磁共振成像系統(tǒng)或高溫超導(dǎo)系統(tǒng)，其中無油壓縮機(jī)(1)以較高頻率運行以便產(chǎn)生脈沖氣體，該脈沖氣體經(jīng)過頻率降低并以更高效的低頻來驅(qū)動該脈沖管系統(tǒng)。
文檔編號F25B9/14GK101087981SQ200580014964
公開日2007年12月12日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者A·阿查亞, B·阿曼, R·C·菲茨格拉德, J·J·沃克, J·H·羅亞 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司