专利名称：具有1/4波长共振管来代替储存器的脉冲管制冷机的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及脉冲管制冷机，更具体地说，涉及一种结构，其可 代替用于普通结构的储存器，因而使成本、工作气体容积、重量以及冷却时
间均可减小。
背景技术：
人们业已认识到，行波脉冲管制冷机具有可冷却至低温的所需特性， 特别当分级串联多个制冷机时。它们的发展由将一压力波施加在一管的一端 (管的另一端是封闭的)所得出的冷却效果的研究开始。如美国专利第
3,237,421号中所示般将一再生器加到该管上。从本技术领域中认识到，再 生器中的压力和工作气体质流速度之间的时间定相对于制冷机的热传送效率 是十分关键。将一孔加到上述管的封闭端，利用这孔通入一相对大容积的储 存器，也可称为一电涌容积、柔量容积或缓冲区，使在性能方面获得了巨大 的改进。这种小孔型脉冲管制冷机能够大大改进了再生器的定相，由此使热 传送的效率增加。现有技术中有许多小孔型脉冲管制冷机的例子而美国专利 第5， 794, 450号只是其中的一个例子。
该孔和储存器使管端的声阻抗改变因而使气体速度和压力之间的相位 关系改变。在一管的封闭端的壁上，边界条件速度总是零而压力波动，因此 封闭端有一压力波腹点和一速度节点。该封闭端给该管造成一接近纯无功阻 抗，并且压力和速度相位相差基本上超过90。以及反射能量。然而， 一孔当 与一大容积连接时，其又大到足以不经受任何显著的压力变化，则此孔使气 体能够在不经受储存器内一压力改变的影响下(因为根本没有)以振动的方向 流过该孔以及如果该孔不是太大的话，则穿过孔造成压力变化。因此，可设 计成组合的孔和储存器向该管提供一电阻性声阻抗。该电阻性阻抗的特性是 气体在孔上的压力和速度是同相的。以孔和储存器代替封闭端的壁使在管端产生相位变化而在储存器中形成所希望的定相变化，结果使热传送的效率提 咼。
如美国专利第6,256, 998号及美国专利申请公开号2004/0000149中所 示，脉冲管制冷机业已配置成串接多级。
以一惯性管代替该孔使行波脉冲管制冷机能够有进一步的改进。美国 专利申请公开号2003/0226364中所示为这种结构的例子。惯性管是一长而窄 的管，通常有几米长，管的两端都开口并且可绕成一盘管。惯性管连接在储 存器和脉冲管之间并且在它们之间插入一无功声阻抗。当惯性管以这样的方 式与该脉冲管连接以及切到声波的大约1/4波长时，这种组合向脉冲管的端 部提供了一接近电阻性声阻抗。利用一惯性管代替一孔，设计者可通过改变 惯性管的长度而使声阻抗改变，从而使在脉冲管的端的压力/速度的定相改 变。这使设计者在进一步调整和优化再生器的定相方面有较大的弹性，由此 使热传送的效率可进一步增加。
然而储存器也有一些不希望的特性。储存器必须封装一大的容积足以 使储存器的气压在整个声周期中没有明显的变化。再者，该储存器必须有足 够的强度使工作气体将保持在该脉冲管制冷机操作的平均压力下。必须在结 构上配置储存器，而其表面面积和厚度要足够大以满足这些要求。因而，所 以，储存器的质量大，容积大占很大空间，较重而且制作亦较贵。
此外，在多级脉冲管制冷机中，前几级(在第一级以上的级)在对比温 度下以稳定状态工作。在一些实施例中，前一级的储存器和惯性管在其热区 或"端"的温度工作，即在再前一级的冷区或"端"的温度。所以，在过渡 状态下当制冷机冷却到它的工作温度时，该脉冲管制冷机的级必须使该储存 器以及其它部件冷却。较大质量的储存器以及由其而形成的高的蓄热能力导 致大延迟直到制冷机到达其工作温度。
因此，本发明的一目的是提供一种质量及容积均大为减小的结构来代 替一脉冲管制冷机的储存器，该结构制作相当便宜并且易于由一种普通的轻 易可买到的产品来制成以及可更容易地置于一般安放制冷机的外部真空容器 内。
发明内容
本发明利用一共振管代替脉冲管制冷机的储存器，该共振管的长度大 致相等于在该共振管的工作频率、温度和压力下的工作气体中驻波的1/4波 长，或其奇整数倍数。该共振管最好与惯性管整体形成为一集两者功能的单 个的组合管。
图1为现有技术的一脉冲管制冷机的示意图。
图2为本发明的一实施例的示意图。 图3为本发明的一较佳实施例的部分纵截面的示意图。 在描述附图中所示的本发明的较佳的实施例中，为求清晰，将借助于 专门术语。然而，这并非有意将本发明限制于所选用的具体术语，应当理 解，每一具体术语包括技术上以类似的方式操作达成类似的目的的所有等同
物。例如，本文使用"连接的"或"连接到"或其类似的术语。它们并不限 于直接连接，还包括通过其它组件的连接，其中本领域的技术人员把这样的 连接认为是等同的。再者，图中所示的装置为可进行公知的操作的类型。本 领域的技术人员将认识到有许多以及未来可能有额外的、不同的装置因提供 相同的操作而把这些装置认为是等同的。
具体实施例方式
图1及图2所示为一 U形管结构的脉冲管制冷机，虽然本发明亦适用 于线性及其它结构。图1及图2分别表示了一单级制冷机，但如本技术领域 所知，脉冲管制冷机可以由每一级串接成多级，每级吸收来自它随后较高一 级中的热量，或如果为最高一级，则吸收来自待冷却物体的热量，以及将热 量排出到其紧接的较低的前级或如果为最低一级时，则对周围环境散热。从 而，如图1及图2所示的制冷机还可表示一配置成串接多级的制冷机的其中 一级。
图1所示为根据现有技术制造的脉冲管制冷机。 一具有一选定的工作 频率，例如30 Hz或60 Hz的压力波发生器，其透过一排出热量的热交换器12、 一再生器14和一吸收热量的热交换器16与一脉冲管18的一端连接。再 生器14透过一包含热交换器16的回转岐管20与脉冲管18连接。脉冲管18 的另一端与一惯性管22的第一端连接，如本技术领域所知，惯性管22的长 度一般制造为约1/4波长。然而，也如本技术领域所知，惯性管22在长度上 一般与准确的1/4波长不一致。这种不一致的原因是不希望在惯性管的脉冲 管的一端有一速度节点，因为在这样的一个节点上将没有气体运动，以致制 冷机无法正常运作。惯性管22的另一端与一柔量储存器24连接。如本技术 领域所知，可具有其它热交换器并且所有这些连接都是以机械连接及流体联 通连接。在制冷机内充入并且容纳一工作气体，例如氦，并具有一选定的工 作温度以及在一选定的平均压力下工作。该工作气体中的声波波长于工作温 度确定，而它受压力所影响的程度亦低得多。
图2所示的实施例与图1所示的制冷机不同的是本发明利用一大致为 1/4波长的共振管26代替储存器24。共振管26可以是一与图2所示的惯性 管28作流体联通连接的独立结构。它还可具有不同的通道截面积和形状。然 而，共振管26最好是与惯性管28整体形成为一单个的组合管。
利用本发明的共振管代替储存器有几个优点。由于有大型工业制造 管，因此它是一相对地可替代而且既便宜又轻易可买到的产品。亦无需设计 和制造一在所需压力和温度下工作的储存器。共振管26的容积以及质量都比 储存器小得多，因此它不仅重量轻及所占的空间小，而且当脉冲管制冷机是 一串接多级的前一级时，在启动时需要冷却到工作温度的质量亦较小。从而 减少冷却时间。由于在制冷机中的总气体容积亦大大减小，因此在冷却期间 流过该脉冲管、岐管和再生器的工作气体亦较少。
再者，由于该适合的管可方便地获得以及共振管可整体地制作成该惯 性管的延伸部分，因而，必需要做的将是把一根管的长度切到较所设计的惯 性管的长度大致长1/4波长，将一端密闭以及以一般的方式将管的另一端连 接到脉冲管上。这提供了基本上与当储存器与惯性管一起使用时现有技术中 所要求的压力/速度边界条件相同。
当用于本发明的1/4波长共振管时，术语"管"的含意一般含有术语
"管"的意思。它是一长形物体形成一可容纳液体的中空内部通道。虽然最普遍的是圆柱形但也可是其它多边形截面，例如椭圆形、正方形、三角形或 矩形。它的长度比横向尺寸大得多。本发明所使用的共振管的一重要特征是 其所起作用为在内部用在与惯性管连接的端上的压力节点和速度腹点及在另 一远的封闭端上的压力腹点和速度节点支持一声驻波非常接近。共振管的截 面积对波的传播并不重要，但其长度应当为在共振管的工作频率、温度和压 力下，在共振管中的工作气体的驻波的1/4波长的奇整数倍数以致于它可支 持一 1/4波长声驻波非常接近。最理想是使共振管的尺寸和重量以及它所容 纳的工作气体的容积减到最小以及具有一可忽略的流阻。过大的流阻会降低 制冷机的性能。过大的重量和管直径增加制冷机的重量而且使它更难绕成一 盘管。从而，选择共振管截面积作为一工程折衷方案或通过选择截面积作综 合考虑，以避免因截面积大小而引起过大的流阻以及因截面积太大而引起过
大的尺寸、重量和工作气体容积。例如，使用一直径为4毫米的管可发现它
几乎没有影响制冷机的性能并且管直径小得既可绕成一盘管又不会过重。由 于利用共振管代替一较重的储存器， 一般都可达致净重量的减小。
图3所示为一串接两级的脉冲管制冷机，其具有一第一级冷头31和第 二级冷头32。第一级具有一脉冲管34、回转岐管36和再生器38。第二级的 再生器40经一回转岐管42与脉冲管44连接，而在它的另一端则具有热交换 器。第二级32还具有一组合管46与第二级32的回转岐管42向外隔开并且 盘绕在其上。实施例中所示的回转岐管42是再生器与脉冲管的第二级连接部 分以形成第二级的冷头的冷区。该盘管46的一开口端48与脉冲管44连接；. 而盘管46的另一端50是封闭的。盘管46的总长度约为声波的1/2波长。具 体地说，管46的长度为位于接近脉冲管44的盘管46的1/4波长的长共振管 段的总和且从封闭端50开始，再加上根据本技术领域公知的原则所设计的一 惯性管的所需长度。
有利的是，把盘管46的管圈焊接或铜焊在一起，以便以机械方式保持 在适合的位置并且沿一连续的热传导路径结合在一起。同样，盘管焊到环形 板52上，而该板以热传导方式固定在第一级的回转岐管36上。从机械上 看，这将使盘管较为牢固，但更重要的是提供了一整条从盘管46到第一级 31的冷区的热传导路径。在冷却脉冲管制冷机的过程中，这条热传导路径使经盘管46的热传导加快。
当然，有很多可供选择的方法将管盘绕在冷头上。例如，盘管的圈数 盘绕在一圆柱形的内或外套上并且可在传热及机械上与该套连接。
虽然本文业已详细地揭示了本发明的一些较佳的实施例，但是应当认 为，在不脱离本发明的精神或权利要求保护范围的情况下，可以作出各种改 型。
权利要求
1.一种改进的脉冲管制冷机，所述制冷机包括一压力波发生器，其具有一选定的工作频率并且经一再生器与一脉冲管的一端连接，所述脉冲管的另一端连接一惯性管的第一端，所述制冷机具有一选定的工作温度以及容纳一在一选定的平均压力工作的工作气体，所述制冷机的改进包括一共振管，其第一端与所述惯性管的第二端连接，所述共振管还具有另一密封的第二端，所述共振管的长度基本相等于在所述共振管的工作频率、温度和压力下的所述共振管内的所述工作气体中一驻波的1/4波长的奇数倍数。
2. 如权利要求1所述的脉冲管制冷机，其特征在于所述奇数倍数为l。
3. 如权利要求2所述的脉冲管制冷机，其特征在于所述共振管与所述 惯性管整体形成为一单个的组合管。
4. 如权利要求3所述的脉冲管制冷机，其特征在于所述组合管的长度 基本为所述波长的1/2。
5. 如权利要求3所述的脉冲管制冷机，其特征在于在一制冷机的一冷 区，即至少在一多级制冷机的第二级，所述组合管与所述再生器和所述脉冲 管的连接部分向外隔开并且盘绕在其上。
6. 如权利要求5所述的脉冲管制冷机，其特征在于所述盘管具有结合 在一起的多圈以改进通过所述盘管的热传导。
7. 如权利要求2所述的脉冲管制冷机，其特征在于在一制冷机的一冷 区，即至少在一多级制冷机的第二级，所述惯性管以及所述共振管与所述再 生器和所述脉冲管的连接部分向外隔开并且盘绕在其上。
8. 如权利要求7所述的脉冲管制冷机，其特征在于所述盘管具有结合 在一起的多圈以改进通过所述盘管的热传导。
全文摘要
一种改进的脉冲管制冷机具有一共振管的连接以代替一柔量容积或储存器。该共振管的长度大致相等于在该共振管的工作频率、温度和压力下的共振管内的工作气体中一声波的1A波长的奇数倍数。共振管最好与惯性管整体形成为一单个的组合管，该组合管的长度约为1A波长。较佳地，在制冷机的冷区域中，组合管与再生器和脉冲管的连接部分向外隔开并且盘绕在其上以及该多圈盘管结合在一起以改进通过该盘管的热传导。
文档编号F25B9/00GK101292123SQ200680039308
公开日2008年10月22日 申请日期2006年6月1日 优先权日2005年8月23日
发明者D·R·哥迪昂 申请人:圣波尔股份有限公司