专利名称：具有平均压力变化的脉冲管低温冷却器的制作方法
技术领域：
本发明一般性涉及低温或深冷制冷，特别是脉冲管制冷。
背景技术：
近来在产生低温制冷领域的一个显著进步是其中使用振动气体将脉冲能量转化为制冷的脉冲管系统或低温冷却器。这类系统可以产生极低范围的足以例如使氦液化的制冷。由这类低温冷却器系统产生的制冷的一个重要应用是在磁共振成像系统中。
脉冲管低温冷却器是包含固定装载量的工作气体(通常为氦气)的气密密封等容设备。迄今为止对它们进行的研究都是在环境温度很少变化的室内试验室环境中进行的。当其被商业化和应用于户外环境中、或至少暴露于室外温度场时，它们可能会经受大的温度波动，由于低温冷却器具有固定容积并包含固定装载量的工作流体，所以这可能会引起内部平均压力的显著变化。人们还没有认识到这些平均压力波动会严重影响低温冷却器的性能。
因此，本发明的目的在于提供一种操作脉冲管低温冷却器的方法，它可以提高低温冷却器在经受一或多次平均压力波动时的性能。
发明概述通过本发明可以实现在阅读此公开之后对于本领域技术人员来说将是显而易见的上述及其他目的，本发明是一种操作脉冲管低温冷却器系统的方法，其中所述脉冲管低温冷却器系统具有含处于平均压力下的工作气体的固定容积并由工作在不超过500赫兹的压力波发生器驱动，所述方法包括在经受工作气体的平均压力变化之后，随着工作气体的平均压力变化而直接改变压力波发生器的频率。
在本文中术语“直接”是指在同一方向上，即平均压力增大需要提高频率。变化的大小不必相同且通常不相同。
在本文中术语“平均压力”是指压力波动所围绕的静态、平均或中间压力。
在本文中术语“蓄热器”是指多孔分布的物质或介质如球体、层叠筛、钻孔金属板等形式的热力设备，其具有良好的热容量以通过与多孔分布的物质的直接热交换来冷却进入的暖气体和加热返回的冷气体。
在本文中术语“热缓冲管”是指与蓄热器分离并紧靠冷热交换器的低温冷却器部件，它覆盖从最冷到较热的该阶段排热温度的温度范围。
在本文中术语“间接热交换”是指使流体不经流体之间的任何物理接触或混合而发生热交换关系。
在本文中术语“直接热交换”是指通过冷却和加热实体的接触来传递制冷。
附图简述
图1示出可受益于本发明的实施的脉冲管低温冷却器系统的一个优选实施方案，其中压力波产生器是由电动线性电机驱动的线性压缩机。
图2是本发明和未实施本发明的实施例和对比实施例的结果图示。
发明详述本发明围绕对可以通过在低温冷却器的压力经历增加时增大驱动低温冷却器的压力波发生器的频率和在低温冷却器的平均压力经历降低时减小压力波发生器的频率来提高脉冲管低温冷却器的性能的认识。
下面将参照附图对脉冲管低温冷却器系统的一般操作进行描述。参见图1，压力波发生器1可以工作在不超过500赫兹的频率下，一般在15-80赫兹的范围之内，且典型地在50-65赫兹的范围之内。压力波发生器1产生脉冲气体来驱动脉冲管低温冷却器，其中脉冲管低温冷却器包括蓄热器20和具有固定容积并含有工作气体的热缓冲器管40。在图1所示的本发明的实施方案中，压力波发生器1是由电动线性电机即轴向往复电磁转换器2驱动的无油线性压缩机。
所述无油压缩机具有贴近周壁的运动部件。在图1所示的实施方案中，该运动部件是活塞3，它由线性电机2驱动往复运动。活塞3在由外壳或周壁8限定的容积之内往复运动，它紧贴周壁8并通过间隙7与其分离。在活塞3与周壁8之间的间隙7中没有油。作为替代，线性压缩机使用气体轴承或弯曲悬挂来确保活塞3的流畅运动。
往复运动的活塞3产生具有在所提供的交流电的频率下的脉动或振动的气体，其中上述频率为至少25赫兹且典型地为约50-65赫兹。在本发明的实施中可被用作由无油压缩机产生的脉冲气体的气体的例子包括氦气、氖气、氢气、氮气、氩气、氧气及其混合物，其中优选氦气。
脉动气体被冷却了压缩热并被传送到低温冷却器的蓄热器20。蓄热器20与热缓冲管40流动连通。
脉动气体向蓄热器20的热端传送声功率来引发脉冲管序列的第一部分。位于蓄热器20的热端的热交换器21是散热器，用于由于压缩机产生的压力-体积功而由蓄热器20相对温度梯度从制冷负荷中抽出的热。热的工作气体优选地通过间接热交换用热交换器21中的热传导流体22冷却，以产生流23中被加热的热传导流体并冷却压缩工作气体的压缩热。可用作热传导流体22、23的流体的例子包括水、空气、乙二醇等等。
蓄热器20包含蓄热器或传热介质。在本发明的实施中适合的传热介质的例子包括钢珠、金属丝网、高密度蜂窝结构、金属板网、铅珠、铜及其合金、稀土元素和过渡金属的复合物。脉动或振动的工作气体在蓄热器20中通过与冷的蓄热器介质直接换热而被冷却，产生冷的脉冲管工作气体。在压力和速度振荡的适当相位下，气体经历膨胀从而产生制冷。
在冷热交换器30之内，冷的振动工作气体通过间接热交换被制冷负荷加热，从而向制冷负荷提供制冷。与制冷负荷的这种热交换并未示出。制冷负荷的一个实例用于磁共振成像体系中。制冷负荷的另一个实例是在高温超导中的应用。
热缓冲管40用来将剩余的声功率传送到较高的温度，在那里可以将其消散。优选地，如图1所示，热缓冲管40具有位于其冷端的整流栅41和位于其热端的整流栅42。声功率在热交换器43、孔阀50、惯性管51和气库52中被消散和衰减。图1显示了一个包括所有这些元件的惯性网，但实际上可以省略其中的一个或多个(具体而言是孔阀50或惯性管51)。请注意，除了消散声功率之外，惯性网络还能在压力与振动的工作气体的速度振幅之间提供适宜相位。其它可用来保持压力和流动波同相的装置包括惯性管和孔阀、膨胀器、线性振荡器、波纹管列以及连回到带质量流量抑制器的压缩机的功回收管。
冷却流体44被输送到热交换器43并在其中通过与工作气体的间接热交换而被加热或蒸发，由此充当用于冷却压缩工作气体的吸热器。产生的被加热或蒸发的冷却流体在流45中被抽离热交换器43。优选地，冷却流体44为水、空气、乙二醇等等。
以下实施例和对比实施例用来说明本发明和突出可由本发明得到的优点。实施例是为说明目的而给出的，并不用于限制。
优化脉冲管低温冷却器系统以工作在2.6MPa和60赫兹左右。对于70下的设计，暴露于室外环境温度的低温冷却器将可能经历以下平均压力变化。有多种其它因素可能导致工作压力偏离设计压力，如由于小的漏泄而引起的氦气随时间的慢慢流失；或在运行之前对低温冷却器加压方面的错误。
通过模拟来确定平均压力变化对低温冷却器性能的影响。由于改变排热的温度也会影响低温冷却器性能，所以保持排热温度不变以便可以直接研究平均压力的影响。此外，假设压力波发生器工作在设计状态的满负荷，即它同时保持在满冲程和电流极限。
图2的曲线A说明了低温冷却器的预期性能如何可受平均压力波动影响。在此实施例中，压力波发生器工作在单频，且被完全优化和以满负荷运转；即它接近冲程和电流极限。随着压力的下降，必须降低输入功率以继续工作在冲程极限之内。类似地，随着压力的升高，冲程将降低但没有更多的功率可以提供，因为冷却器已经工作在最大容许电流。低温冷却器的制冷容量下降，主要是由于提供给低温冷却器的功率减小，使其保持在规定的冲程和电流极限之内。随着压力偏离设计压力和输入功率降低，低温冷却器的性能下降。
但是，使用本发明可以通过调整压力波发生器的频率来补偿平均压力的变化。如果平均压力下降，则频率被降低到压力波发生器再次工作在满电流和冲程的点。这样可以最大化压力波发生器的输入功率，且这可以提供使低温冷却器产生的制冷最大化的最好方法。图2的曲线B显示了当频率按上述调整时低温冷却器的预期性能，并显示了显著的性能提高。
为实施本发明，用户必须具有某些独立改变供电频率和电压的装置。一种经济实用的装置是经过改进允许独立控制电压和频率的变频驱动器。将频率为50-60赫兹的三相输入电力连接到变频驱动器电子装置组件。然后将三相输出的两支脚连接到电动机导线，而第三输出支脚保持未连接。在一种模式下，用户可以通过与VFD或其它驱动器电子装置操作员界面(可以是键盘、电位计或其它装置)直接互动而手动设置需要的频率和输入功率电压。在其它模式下，频率和/或电压可以通过向变频驱动器发送适合信号的控制器来确定。在一种模式下，平均压力可以通过传感器来确定，且控制器可以根据平均压力与频率之间的内部关系来调整频率。
尽管已经参照某些优选实施方案对本发明进行了详细描述，但本领域的技术人员知道在权利要求书的精神和范围之内还存在本发明的其它实施方案。
权利要求
1.一种操作脉冲管低温冷却器系统的方法，其中所述脉冲管低温冷却器系统具有含处于平均压力下的工作气体的固定容积并由工作在不超过500赫兹的压力波发生器驱动，所述方法包括在经历工作气体的平均压力变化之后，随着工作气体平均压力的变化而直接改变压力波发生器的频率。
2.权利要求1的方法，其中所述平均压力的变化是由于环境温度的改变引起的。
3.权利要求1的方法，其中所述平均压力的变化是由于工作气体从所述固定容积中泄漏而引起的。
4.权利要求1的方法，其中所述平均压力的变化是平均压力升高，而所述压力波发生器频率的变化是压力波发生器频率增大。
5.权利要求1的方法，其中所述平均压力的变化是平均压力降低，而所述压力波发生器频率的变化是压力波发生器频率减小。
6.权利要求1的方法，其中所述压力波发生器是由电动线性电机驱动的线性压缩机。
7.权利要求1的方法，其中所述工作气体包括氦气。
8.权利要求1的方法，其中所述压力波发生器工作在15-80赫兹的频率下。
全文摘要
一种操作脉冲管低温冷却器系统的方法，其中，当低温冷却器的固定容积内的工作气体的平均压力变化时，通过随着平均压力的变化而直接改变驱动低温冷却器的压力波发生器(1)的频率，避免了该系统操作的严重恶化。
文档编号F25B9/14GK1957212SQ200580016330
公开日2007年5月2日 申请日期2005年3月21日 优先权日2004年3月23日
发明者N·J·林奇 申请人:普莱克斯技术有限公司