專利名稱：用于氦的再凝集的同軸多級脈沖管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多級Gifford-McMahon (GM)型脈沖管制冷機，其用于在MRI (核磁共振 成像)磁體中再凝集氦。
背景技術(shù)：
GM型制冷機使用壓縮機，壓縮機在幾乎恒定高壓下向膨脹器(expander)供應(yīng)氣 體和在幾乎恒定的低壓下從膨脹器接收氣體。所述膨脹器依靠一個閥機構(gòu)相對于壓縮機低 速運轉(zhuǎn)，所述閥機構(gòu)可有選擇地使氣體進、出膨脹器。Gifford在美國專利3，119，237中描 述了一種具有氣動驅(qū)動器的GM膨脹器。GM循環(huán)已經(jīng)被證明是產(chǎn)生大約20K以下的小量制 冷作用的最佳方法，因為膨脹器可以在1到2Hz運轉(zhuǎn)。一種脈沖管制冷機首次由Gifford在美國專利3，237，421中描述。其示出了一對 閥，類似于早期的GM制冷機，所述閥連接到再生器的熱端，再生器的冷端又被連接到脈沖 管上。十九世紀(jì)六十年代中期進行的對脈沖管制冷機的早期研究工作在R. C. Longsworth 的 論 文"Early pulse tube refrigerator developments", Cryocoolers,9,1997, p. 261-268中被描述。單級、兩級、內(nèi)部相位調(diào)整式四級、以及同軸式的結(jié)構(gòu)曾被研究。所 有這些設(shè)計都是使脈沖管的熱端靠近再生器，并且除同軸設(shè)計之外所有的設(shè)計都是使脈沖 管與再生器分開。盡管利用這些早期的脈沖管可達到低溫，但其效率不能與GM型制冷機相 比。Longsworth在美國專利4，606，201中描述了一種不同類型的用于GM型膨脹器的氣動 驅(qū)動器，其利用使氣體流經(jīng)孔口(orifice)到達或離開緩沖腔來控制置換器(displace!·)。顯著的改進由Ε· I. Mikulin, A. A. Tarasow 和 M. P. Shkrebyonock 在 1984 年報導(dǎo) 于"Low temperature expansion (orifice type) pulse tube，，，Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 29，1984，p. 629-637，并且許多研究跟著尋求進一步的改進。這種最初 的改進是使用孔口和連接到脈沖管熱端的緩沖腔來控制“氣體活塞”在脈沖管內(nèi)的運動，以 在每個循環(huán)產(chǎn)生較多的制冷量。實際上，在美國專利4，606，201中，氣體活塞取代了通常 被稱作置換器的固體活塞。接下來的工作集中在改進氣體活塞的控制和改進脈沖管膨脹器 的結(jié)構(gòu)兩方面的途徑。S. Zhu 禾口 P. Wu 在"Double inlet pulse tube refrigerators :an important improvement",Cryogenics, vol. 30，1990，p. 514 中描述了控制氣體活塞的雙子L 口裝置。Gao的美國專利6，256，998中描述了在兩級脈沖管中控制氣體活塞的裝置，其 在4K時工作良好。Chen等在美國專利5，107，683中描述了脈沖管的第二級從第二級熱站延伸至外界溫度。這個概念是J. L. Gao和Y. Matsubara研究的幾種構(gòu)造之一，參看"Experimental investigation of 4K pulse tube refrigerator，，，Cryogenics, 1994， Vol. 34, p. 25，該構(gòu)造已被證實對于兩級4K脈沖管工作良好。前面探討過的所有結(jié)構(gòu)都使 脈沖管與再生器分離開。一種利用單孔口控制的同軸式脈沖管在1986年由R. N. Richardson報導(dǎo)于“pulse tube refrigerator-an alternative cryocooler ？"Cryogenics, 1986, 26(6) :ρ· 331-340。 Inoue等在日本特開平7-260269中描述了一種兩級脈沖管，其中再生器和脈沖管同軸。這 種設(shè)計在中央具有第二級脈沖管，其從第二級熱站延伸至外界溫度，其并被第一和第二級 再生器包圍。第一級脈沖管是在第一級再生器外部的同軸環(huán)形腔。這個專利的主要特征是 在脈沖管內(nèi)設(shè)置熱交換器，以有助于利用再生器內(nèi)的溫度分布補償脈沖管內(nèi)的溫度分布。 在脈沖管和再生器分離開并且脈沖管被真空包圍的情況下，脈沖管和再生器之間的溫度差 不會成為難題。但是當(dāng)傳統(tǒng)的脈沖管安裝在MRI低溫恒溫器(cryostat)的頸管內(nèi)的氦氣 中時，這種溫差會導(dǎo)致對流熱損失。在同軸式脈沖管中與溫差相關(guān)的損失在以下文獻中被研究L. W. Yang， J. Τ· Liang, Y. Zhou 禾口 J. J. Wang, Research of two-stage co-axial pulse tube coolers driven by a valveless compressor, Cryocoolers, 10,1999, p. 233-238 ；以及 K. Yuan, J. T. Liang, Y. L. Ju, Experimental investigation of a G-M type co-axial pulse tube cryocooler, Cryocoolers, 12, 2001, p. 317-323。首先，他們發(fā)現(xiàn)最好使脈沖管處于中央，由 脈沖管圍繞的環(huán)形空間內(nèi)的再生器包圍。通過在許多循環(huán)中添加“dc”流將熱氣帶到脈沖 管使損失減少到最小。當(dāng)在真空中運行時，他們發(fā)現(xiàn)外部第二級脈沖管比同軸式第二級脈 沖管更有效。Mastrup等在美國專利5，613，365中描述了一種單級同心(同軸)斯特林循環(huán)脈 沖管，其中，中央脈沖管具有由低熱傳導(dǎo)材料制成的厚壁，其提供與外部環(huán)形再生器之間的 高度絕熱。這種想法被Rattay等在美國專利5，680，768中進一步發(fā)展，其中外圍真空延伸 到脈沖管壁和再生器內(nèi)壁之間的間隙。用于對脈沖管壁絕熱的另一種措施由Mitchell在美國專利6，619，046中描述。在 單級同軸式脈沖管中的冷端熱交換器的優(yōu)點在Chrysler等的美國專利5，303，555和Kim 等的美國專利6，484，515中被陳述。與MRI磁體中再凝集氦有關(guān)的問題已經(jīng)被Longsworth在美國專利4，606, 201中 描述過。最低溫度為IOK的兩級GM膨脹器在JT熱交換器中預(yù)冷氣體，該JT熱交換器在4K 產(chǎn)生制冷作用。JT熱交換器盤繞在GM膨脹器的周圍，以使JT熱交換器和膨脹器的溫度在 熱端和冷端之間逐漸變冷。膨脹器組件安裝在MRI磁體的頸管內(nèi)，其在此被氦氣包圍，所述 氦氣以冷端向下的方式垂直定向，以實現(xiàn)熱分層。4K熱站具有延長的表面以致再凝集氦。 在溫度大約是60K和15K的兩個熱站處，制冷作用被傳遞到在MRI低溫恒溫器內(nèi)的冷屏。在 熱端法蘭(warm flange)被栓固并且利用面型0形環(huán)密封后，相匹配對的圓錐形熱站以及 頸管內(nèi)的波紋管使得這兩個熱站能夠彼此接合。Longsworth已經(jīng)在美國專利4，484，458中描述了同心的GM/JT膨脹器，其具有筆 直的熱站和在熱端法蘭上的徑向型0形密封環(huán)。這樣允許膨脹器被軸向移動，以建立起膨 脹器熱站相對于頸管熱站的預(yù)期位置。
現(xiàn)在，脈沖管技術(shù)和MRI低溫恒溫器設(shè)計上的進步導(dǎo)致能夠使用兩級脈沖管在大 約40K冷卻單屏蔽結(jié)構(gòu)以及在大約4K再凝集氦。兩級脈沖管膨脹器由于其振動小并且由 此在MRI信號中產(chǎn)生較少噪音，所以比兩級GM膨脹器更為優(yōu)選。當(dāng)一種傳統(tǒng)設(shè)計的脈沖管 (脈沖管平行于再生器)被插入到MRI磁體的頸管中時，可以發(fā)現(xiàn)頸管中的氦氣由于脈沖管 和再生器之間的溫差而循環(huán)在脈沖管和再生器之間。這樣導(dǎo)致制冷量嚴(yán)重?fù)p失。Stautner等在PCT申請WO 03/036207 A2中解釋了傳統(tǒng)兩級4K脈沖管的問題，并 且提出一種套筒形式的解決方案，所述套筒圍繞脈沖管組件并且在管周圍設(shè)絕熱填料。所 述套筒具有大約40K的熱站和位于冷端的再凝集器，并且可易于從頸管取下以便被維護。Daniels等在PCT申請WO 03/036190 Al中提出了對MRI頸管內(nèi)的傳統(tǒng)兩級4K脈 沖管對流損失問題的另一種解決方案。當(dāng)脈沖管安裝在MRI頸管內(nèi)的氦氣中時，脈沖管周 圍的絕熱套筒和再生器可減少對流損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種簡便的途徑來減少由膨脹器傳遞到MRI低溫恒溫器的振動。本發(fā)明的一個目的是提供一種簡易的途徑脈以拆下沖管膨脹器以便維護。本發(fā)明的一個目的是提供一種同軸式設(shè)計，其比傳統(tǒng)的平行管設(shè)計結(jié)構(gòu)更為緊湊。本發(fā)明的一個目的是提供一種消除由于脈沖管和再生器之間的熱量傳遞而造成 的對流損失的方法。本發(fā)明進一步的目的是提供一種同軸式脈沖管的最優(yōu)化設(shè)計方法。傳統(tǒng)的兩級脈沖管制冷機具有脈沖管和位于分開的平行管中的再生器。當(dāng)被安裝 在MRI低溫恒溫器的頸管內(nèi)時，由于因脈沖管和再生器之間的溫差，頸管內(nèi)的氦氣會引氣 對流熱量損失。本發(fā)明公開了一種新穎方法，其通過將再生器同軸地設(shè)置在圍繞脈沖管的 環(huán)形空間中而消除對流損失。至少第二級是同軸式的，但優(yōu)選的是兩級都是同軸式的，其中 第二級脈沖管處于中央，而第一級脈沖管占據(jù)第二級脈沖管和第一級再生器之間的環(huán)形空 間。本發(fā)明還公開了使脈沖管和再生器之間的熱量損失減少到最小的措施。本發(fā)明以新穎的途徑使用兩級脈沖管，其中至少一級脈沖管是同軸式的，以將脈 沖管和再生器之間的熱量損失減少到最小，從而消除與脈沖管和再生器內(nèi)的不同溫度分布 有關(guān)的對流損失。盡管本發(fā)明的可以設(shè)想的主要應(yīng)用是通過兩級GM型脈沖管再凝集MRI 低溫恒溫器內(nèi)的氦，其也可用于在低溫恒溫器內(nèi)再凝集氫和氖，這些低溫恒溫器被設(shè)計成 用于高溫超導(dǎo)、HTS、磁體。在較高溫度時，也可使脈沖管直接連接到壓縮機上并且在高得多 的速度下以斯特林循環(huán)模式操作。


圖1是本發(fā)明的示意圖，其示出了安裝在MRI低溫恒溫器的頸管內(nèi)的兩級同軸式 脈沖管，其在此被氦氣包圍并具有一個大約40K的熱站以冷卻屏蔽體，并且具有一個大約 4K的氦再凝集器。圖2是本發(fā)明的兩級脈沖管的示意圖，其中第二級脈沖管和再生器同軸，但是第 一級具有傳統(tǒng)的脈沖管和再生器分開并平行的結(jié)構(gòu)；還示出了 Zhu的雙孔口控制；可以通過在每個GM循環(huán)操作中將流體切換到再生器的主閥連接到壓縮機，或者可以在每個斯特 林循環(huán)中直接連接到壓縮機。圖3示出了被真空包圍的傳統(tǒng)兩級4K GM型脈沖管的典型溫度分布。圖4示出了與圖1中的同軸式脈沖管相同的結(jié)構(gòu)，但是脈沖管的壁較厚。圖5示出了一種兩級同軸式脈沖管，其中墊塊插入到再生器的端部，以獲得脈沖 管和再生器的溫度分布的更佳匹配。圖6示出了另一種裝置，用于使脈沖管的溫度分布相對于再生器偏移以減少熱量 損失。
圖7示出了一種兩級同軸式脈沖管結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)部元件被容納在插于分開的殼體 內(nèi)的筒管中。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種將熱量損失減少到最小的措施，其中一個兩級脈沖管被安裝在 液氦冷卻的MRI低溫恒溫器的頸管內(nèi)。如圖1所示，同軸式脈沖管被插入到頸管中并且在 此被氣態(tài)氦包圍，所述氣態(tài)氦具有從最高為大約290K的室溫到最低為4K的溫度梯度。脈 沖管膨脹器具有位于大約40K的第一級熱站，其用于冷卻磁體低溫恒溫器內(nèi)的屏蔽體，和 在第二級的氦再凝集器。通過使脈沖管膨脹器位于頸管內(nèi)，提供了一種易于將其拆下以便維護的簡單方 法。這種同軸式設(shè)計比傳統(tǒng)的平行管設(shè)計結(jié)構(gòu)更為緊湊，由此頸管可以有較小的直徑，并且 可消除由于脈沖管和再生器之間的熱量傳遞產(chǎn)生的對流損失。參見圖1，MRI低溫恒溫器包括外殼60，其通過頸管61連接到內(nèi)部容器65上。容 器65容納著液氦和超導(dǎo)性MRI磁體，并且被真空63包圍。氣態(tài)氦62充填在頸管中。傳統(tǒng) 的MRI低溫恒溫器具有輻射屏蔽體64，其通過頸管熱站68被同軸式脈沖管膨脹器100的第 一級冷卻到大約40K。膨脹器100包括第一級脈沖管1，其被第一級再生器3包圍并且從熱端法蘭51 延伸到第一級熱站9 ；第二級脈沖管2，其在第一級熱站9下方被第二級再生器4包圍，并且 在第一級熱站9上方被第一級脈沖管1包圍；設(shè)置在第二級脈沖管2的冷端的氦再凝集器 10 ；分別設(shè)置在脈沖管2冷端和熱端的平流器(flow smoother) 6和8 ；分別設(shè)置在脈沖管 1冷端和熱端的平流器5和7 ；設(shè)在閥/孔口 /緩沖腔組件50內(nèi)的氣體端口 23，它們連接 到再生器3、脈沖管1和脈沖管2。組件50可以具有用于連接斯特林型壓縮機的單個氣體管線，或者用于連接GM型 壓縮機的兩個氣體管線。被示出的熱站9是圓錐形狀，以配合頸管61內(nèi)類似形狀的接收 部。徑向0形環(huán)52可使脈沖管100插入頸管61內(nèi)，直到脈沖管熱站9與頸管熱站68熱耦 合(thermal engage)。通常由薄壁S S管構(gòu)成脈沖管1和2及再生器3和4的殼體，以使 軸向傳導(dǎo)損失減少到最小。其它的選擇將結(jié)合后面的附圖討論。圖2是兩級脈沖管101的示意圖，其中第二級脈沖管2和第二級再生器4同軸，但 是第一級脈沖管1和再生器3是以脈沖管和再生器分開且平行的傳統(tǒng)方式設(shè)置。諸如S. Zhu 禾口 P· Wu 的"Double inlet pulse tube refrigerators :an important improvement，，， Cryogenics, vol. 30，1990，p. 514中描述的雙孔口控制結(jié)構(gòu)被示出，其包括孔口 11和13，它們直接或通過閥將循環(huán)流從壓縮機連接到脈沖管1和2的熱端；孔口 12，其控制脈沖管1 和緩沖腔15之間的氣體流速；孔口 14，其控制脈沖管2和緩沖腔16之間的氣體流速。其 它元件具有圖1中相同的附圖標(biāo)記。圖3b示出了被真空包圍的傳統(tǒng)兩級4K GM型脈沖管。圖3a示出了這種系統(tǒng)的典 型溫度分布。脈沖管和第一級再生器之間的溫差大于第二級溫差，但是充填在頸管中的氦氣內(nèi) 的對流損失在第二級比在第一級更顯著，這是由于氦氣明顯更濃并因此而導(dǎo)致質(zhì)量循環(huán)速 度更高。此外，關(guān)于輸入功率的損失，在4K情況下0. IW的損失相當(dāng)于在40K情況下1. Iff 的損失。圖4示出了兩級同軸式脈沖管102。相同的附圖標(biāo)記代表與圖1和圖2中相同的 部件。第一級脈沖管20和第二級脈沖管21使用具有低熱導(dǎo)性的厚壁管，以減少第一級內(nèi) 的脈沖管之間的熱量損失以及兩級內(nèi)的脈沖管和再生器之間的熱量損失。由棉、亞麻或玻 璃纖維布加固的塑料材料是較好的選擇。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中使用玻璃纖維布。雖然玻璃纖維布不具有像其它 纖維一樣的低熱傳導(dǎo)性，但是其具有最好的體積穩(wěn)定性和強度。在另一個實施例中，使用兩 個其間帶有真空的薄壁不銹鋼管以提供絕熱性能。本發(fā)明的一個目的是減少由膨脹器傳遞到MRI低溫恒溫器的振動。這一點 是通過 使用厚壁脈沖管實現(xiàn)的。這些厚壁脈沖管顯著減少了振動，盡管它們總是處于受壓狀態(tài)。由 于制冷過程中的固有壓力循環(huán)，這個實施例消除了脈沖管和再生器的張拉。不僅減少了機 械振動，而且由于第二級再生器內(nèi)的稀有元素再生器材料的移動，磁場的擾動也減少。但由 于稀有元素材料的溫度循環(huán)，所以磁性擾動仍舊會發(fā)生。圖5是兩級同軸式脈沖管103的示意圖，其中墊塊被插入到再生器的端部，以提供 脈沖管和再生器的溫度分布的更好匹配。相同的附圖標(biāo)記代表圖1、2和4中的相同部件。 嵌件30和31分別示出在再生器的熱端和冷端。類似地，嵌件32和33分別示出在再生器 4的熱端和冷端。在操作于真空中的傳統(tǒng)脈沖管中，脈沖管和再生器的長度和直徑可以幾乎彼此獨 立地最優(yōu)化。但是在同軸式結(jié)構(gòu)中脈沖管和再生器之間的內(nèi)部熱傳遞意味著在這個設(shè)計中 必須考慮其它因素。嵌件的使用對于同軸式脈沖管的最優(yōu)化設(shè)計提供了重要的選擇。圖6是兩級同軸式脈沖管104的示意圖。其中圖5中的墊塊31和33分別被環(huán)形 氣體通路34和35代替。相同的附圖標(biāo)記代表前述圖中的相同部件。對中設(shè)置于脈沖管1 中的第二級脈沖管2的熱端的嵌件36提供了獲得兩個脈沖管的熱端的溫度分布的較好匹 配的途徑。圖7是兩級同軸式脈沖管105的示意圖。其中各內(nèi)部元件被組裝成筒管的形式，該 筒管插入到套筒中。相同的附圖標(biāo)記代表前述圖中的相同部件。包含在可移動筒管43內(nèi) 的部件包括第一級脈沖管1、再生器3、平流器5和7 ；第二級脈沖管2、再生器4和平流器6 和8。筒管43具有一個薄壁殼體，其提供了沿著組件長度(冷端除外)的氣體密封。外殼 40從脈沖管的熱端法蘭51延伸到第二級熱站10。通過密封件41和42防止氣體在筒管43 和殼體40之間流動。通過作為平流器5的整體部分的熱傳遞表面與熱站9之間的封閉間 隙，熱量從作為殼體40 —部分的熱站9傳遞。當(dāng)氣體在再生器4和平流器6之間流動時，氣體流過熱站10內(nèi)的狹縫。 本發(fā)明的優(yōu)點是填裝第二級 再生器4的簡化，并且易于觸及以便維護。
權(quán)利要求
一種多級脈沖管膨脹器，其安裝在低溫恒溫器的頸管內(nèi)，低溫恒溫器在頸管內(nèi)具有液態(tài)氦、氫和氖之一的蒸氣，其中，脈沖管膨脹器的至少一級是同軸式的，并在其冷端具有再凝集表面；其中，脈沖管膨脹器具有均為同軸式的兩級；同軸式的級具有位于脈沖管外側(cè)的再生器；墊塊插入到再生器的冷端。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖管膨脹器，其中，還有墊塊插入到再生器的熱端。
全文摘要
提供了一種兩級脈沖管制冷機，其具有緊湊的結(jié)構(gòu)以及低振動和低熱量損失，其中至少第二級是同軸式的，但優(yōu)選兩級均為同軸式的，其中第二級脈沖管處于中央而第一級脈沖管占據(jù)第二級脈沖管和第一級再生器之間的環(huán)形空間。通過再生器內(nèi)的一個或多個墊塊、氣體通路連接部在長度上的物理差異、dc流的調(diào)節(jié)以及熱橋，使脈沖管內(nèi)的熱力形態(tài)相對于再生器改變，從而使與脈沖管和再生器內(nèi)的不同溫度分布相關(guān)的對流損失降至最小。
文檔編號F25B23/00GK101865558SQ201010220840
公開日2010年10月20日 申請日期2006年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者拉爾夫·朗斯沃思, 許名堯 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社