通过声阻抗以减少瞬时冷却时间和热损失的多级脉冲管低温冷却器的制作方法

专利名称：通过声阻抗以减少瞬时冷却时间和热损失的多级脉冲管低温冷却器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及脉冲管低温冷却器，更具体地说，涉及一种多级脉 冲管低温冷却器的第二级或较高级的声阻抗的构造，以减少将低温冷却器冷 却到其操作温度所需的瞬时时间间隔。
背景技术：
业已认为，脉冲管冷却器的特性适合冷却至低温。它们一般包括一由 再生器连接到脉冲管一端的压力波发生器，例如一往复式隔膜或活塞。脉冲 管的另一端与一声阻抗连接以便将内部的工作气压和速度的相位作适当调 整。通常由再生器与脉冲管连接的一端的一冷区域吸热，由再生器的另一端 的热区域散热。由于适当定相后压力和位移的波动在空间位移上产生膨胀和 压縮，所以脉冲管冷却器内的工作流体能够将热从冷区域传送至热区域。热 和冷区域内都设置有热交换器，例如一铜壳体，它包含与壳体传导连接的铜 网，用于在工作气体和附着的传热物质之间进行热输送。脉冲管低温冷却器的其中一结构是美国专利申请公开号2004/0000149 的图中所示的U形管结构。脉冲管和再生器大致呈平行设置并形成U形的 脚。该脉冲管和再生器通过一吸热的转向岐管接合在一起，该转向岐管内或 相邻处设有热交换器。这种结构使得再生器和脉冲管的热区域极其接近该结 构一端，而冷区域则位于该结构的另一端。装配在一起的脉冲管、再生器和 转向岐管以及它们的热交换器通常称为冷头。脉冲管冷却器可级联为多级以便获得较冷的温度和改进的性能。上述 专利申请示出了一个两级低温冷却器，其每一级均为U形结构，但冷却器亦 可为三或更多级。当分级时， 一级的吸冷、吸热区域与下一级的散热区域热 连接。每一级将热由其冷区域传送至热区域，再传至前一级的冷区域，如此 类推沿级联多级传下去，直到第一级的热区域，再将热散至周围环境或一些冷却介体。
除了冷头外，脉冲管冷却器还需要声阻抗以便对脉冲管低温冷却器内 的工作气体的气压和速度作适当的定相将热传送至再生器。声阻抗具有类似 电阻抗的相位特性。称为储存器或缓冲器的一较大体积的容器基本上要其有 顺从特性。顺从性与接地电容类似，这是因为气体能够被压縮的缘故，使体
积流速或速度较压力超前90。 一相对长而窄的管原则上具有称作所谓惯性的 特性。惯性与感应器类似，这是因为气体的动量导致体积流速或速度较压力 滞后90。。因此，顺从性导致相位超前，而惯性导致相位滞后。本文中的"滞 后"和"超前"是相对的术语，其取决于速度使用的符号规定；即，+号可以 代表所考虑的流量流入或流出。因此，当+和-的符号被互换时，关于这些术 语的其它说明也可以互换。孔口与阻抗类似，因为在孔口处，速率和压力的 相位相同。
利用这些阻抗特性，脉冲管低温冷却器通常被设计成适当地定相，方 法是；通过选择一个或多个声阻抗以提供所要求的相位关系。用于脉冲管装 置以及其它热声系统的声阻抗，在G.W. Swift的Thermoacoustics(由 Acoustical Society of America(2002)出版)中有更详细的讨论。在一般的 情况下，声阻抗是惯性组合件，为一长而相对窄的管，或者是两条不同直径 的管串联连接起来，其中一端与脉冲管连接，另一端与顺从性储存器连接。
每级的冷头和至少在第一级之后的各级的声阻抗一般被封装在一真空 容器内。该容器一直保持高真空，防止或将由周围环境至脉冲管冷却器部件 的附加热传导及对流传热减至最少。
当启动所述类型的低温冷却器的操作时，其部件必须在瞬时条件下冷 却至所设的正常工作温度。由于这些部件质量较大，它们可储存大量的热， 因此所需的冷却时间亦较长。测得该冷却时间可以是数小时，甚至可能，例 如只需半小时。当部件达到稳定的状态后，它们必须保持其工作温度。这些 部件冷却至工作温度或者保持其工作温度是通过把热从部件传至一级的冷区 域以及通过脉冲管冷却器或多级冷却器的传热来实现的。然而，尽管为了防 止热传导及对流负荷而将脉冲管部件抽真空，但真空容器的内壁通过辐射传 热而使脉冲管部件带有热辐射负荷。例如真空容器为环境温度约300K，而压力容器内的部件的温度可逐级下降至约20K或30K。
现有技术试图解决该热辐射负荷的问题，将冷头以防辐射罩包裹置放 真空容器内，防止产生由真空容器内壁至冷头的直接辐射。这些防辐射罩通 常是多层高反射率材料，缠绕在冷头上以把进入的热辐射反射出去。典型的 是以多层保温箔做成一厚毯(一般称为MLI)直接包裹在冷头上及在其周围。 这厚毯由多层铝化聚酯薄膜与多层薄的纤维保温隔离层交替制成。从冷头的 冷区域温度至热区域温度呈现梯度变化。
然而，MLI的使用会产生问题。MLI要求小心的切割以及用人手包裹、 也要求难于操纵的工序来处理线路引线及其它的穿透，还需要大量的时间将 全部水蒸汽以及其它污染物从箔层中排走(数天或更多的排放时间)。
因此，本发明的一个目的和特征是减少多级脉冲管低温冷却器的瞬时 冷却时间，提高保持冷却操作温度的效率，并且避免因使用多层保温层包裹 冷头而引起的各种困难。

发明内容
第一级之后的一选定级(较高级)的至少一部分声阻抗相对于该选定级 的冷头向外间隔设置并且将该冷头包围，所述声阻抗安装成以热传导方式与 该选定级的热区域连接，以将声阻抗冷却至或接近该热区域的温度。包围第 二或更高级冷头的声阻抗部件由具有高扩散率、低热辐射发射率的金属构 成，最好为铝。因此，该包围的声阻抗部件不仅可作为一防辐射罩而无需使 用单独护罩，还容许阻抗部件的热更快传导出去。


图1为示意本发明的原理和概念的简图，图中还显示声阻抗部件的垂 直截面。
图2为本发明的一较佳实施例的局部侧视图。 图3为与图l类似的示意简图，图中所示为本发明的又一实施例。 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。
具体实施方式
图1以图标及符号方式示出一脉冲管低温冷却器，其包括l、 2和3三 个级联的脉冲管冷却级。这些级的大多数部件均容纳在一真空容器10内，所 述真空容器10由一底部托板12以及一与该底部托板12密封的钟形外壳14 形成。第一级脉冲管冷却器1包括一冷头20，该冷头具有一再生器22，其中 再生器通过一转向岐管25连接到脉冲管24的一端。它还具有一声阻抗26， 该声阻抗26在脉冲管24的另一端与该冷头20连接，以便将第一级的内部气 压和气体速度的相位作适当调整。术语"连接"的意思是指在这些部件内的 内部空间是以流体联通连接。第一级的声阻抗26由一惯性管28与该惯性管 连接的一储存器30组成。 一压力波发生器31连接第一级的再生器20的热 端，可以是传统的或具有本领域的技术人员公知的特性的其它压縮机。它向 所有的级传播单一声波。在一较佳的实施例中，压力波发生器31是一双重相 对的自由活塞式往复压縮机，其工作频率为30Hz。每一脉冲管冷却器均设有吸热的冷区域和散热的热区域，两个区域在 两种不同的温度下操作。术语"冷"和"热"是相对的术语，指同一级的相 对温度，即一级的"冷"区域的温度较同一级的"热"区域为低。因此，第 一级脉冲管冷却器1具有位于转向岐管25的吸热的冷区域32以及散热的热 区域34。由于每级的声阻抗的工作温度是该级散热区域的温度，所以第一级 的惯性管28和储存器30可置于真空容器10外大气环境中。这第一级是典型 的现有U形管结构的脉冲管冷却器。脉冲管冷却器的分级是通过将较低级的冷区域和较高级的热区域以热 连接来实现的。因此，那些热连接区域的温度相同，并透过它们从较高级向 较低级传热。如图1所示的部件，较高的后续各级的冷头与第一级的冷头20的形状完全相同。因此，第二级脉冲管冷却器2包括一冷头40，该冷头具有 一再生器42，其中再生器通过一转向岐管45连接到脉冲管44的一端。第三 级脉冲管冷却器3包括一冷头50，该冷头50具有一再生器52，其中再生器 通过一转向岐管55连接到脉冲管54的一端。每级均以本领域的技术人员公 知的流体联通方式与相邻的级连接。
然而，第二和第三级的声阻抗部件与第一级的传统声阻抗部件有所不 同。较第一级高的一选定级的至少一部分声阻抗相对于该选定级的冷头向外 间隔设置并且将该冷头包围。选定级的声阻抗的包围部件安装成以热传导方 式与选定级的热区域连接以冷却该声阻抗。这不单是实体上支承声阻抗的一 方便位置，但更重要的是，该声阻抗的温度应当与其同级的脉冲管冷却器的 散热区域的温度相同，以便基于工作气体温度依赖性，调整得到所希望的工 作气体相位。
如图1所示的第二和第三级的声阻抗具有完全相同的结构，因此现只 对第三级的声阻抗作叙述。第三级的储存器60是包围着第三级3的冷头50 的中空、密封环形管。它呈椭圆形截面，但也可以是其它截面。这环状储存 器60例如通过焊接或铜焊接以热和机械方式附连在一金属环形盘62上，提 供一热传导支撑件或安装板。或者，这些结构如许多其它的构件般，可采用 同一块材料一体成型或加工，把它们的功能组合在一起。圆盘62例如使用螺 丝、螺栓或其它紧固件以热和机械方式附连在第二级的转向岐管45，以致于 该圆盘62和储存器60均被实体地支承在转向岐管45上，使热从储存器60 传导到转向岐管45。
为了节省空间，提供机械支撑以及使冷却声阻抗的热传导增至最大， 较佳地，将惯性管64在储存器60内绕成线圈。惯性管64的一端延伸穿过储 存器60的壁并与其密封，继续延伸到脉冲管54的一端并与其相连接。由于 惯性管一般有几米长，因此它的绕圈数目通常比图1所示的为多。储存器由 两部分组成，所述两部分沿垂直于该储存器的轴线的平面分开，这样便于制 造。惯性管64可被缠绕起来，放入储存器的其中一部分内，然后以焊接或其 它连接方式将储存器的两部分接合并密封在一起。或者，惯性管可在储存器 60的径向内或外环绕。本发明的其中一个效果是真空容器内的热辐射。
一般来说，真空容器壁为室温，例如300K，并且如任何物体一样，向内辐射的热随着其温度升高 而增多，特别是其绝对温度的4次幂。在两个界面连接体之间的净热交换随 着其温差的增大而增大。插入的声阻抗部件包围其选定级的冷头，该声阻抗 部件的温度要远远低于真空容器14的温度。由于声阻抗以一热传导支承结构 与其同级的热区域连接，故该声阻抗与该选定级的热区域的温度相同，例如 80K。由于声阻抗做成包围着冷头，所以它可取代传统的防辐射罩，从而不需 要单独防辐射罩。又由于该声阻抗与选定级的热区域以热传导方式连接(前一 级的冷区域)，并有效地冷却至前一级的温度，它阻断了比冷头温度高的辐射 的进入，并将向内辐射的热以较高温度排出系统。这是非常重要的，因为对 所有低温冷却器而言，排出的热的温度越低，将热排出至环境温度消耗的能 量越大。以电功率输入要求来量度，排1W 20K的热与1W 80K的热相比，前 者需要多用约15倍的功率输入。在第一级固定设置大约80K的防辐射罩，意 味着几乎全部辐射热负荷在相对地容易被除去的温度下被阻断。利用此策 略，不需要任何MLI就可以大大降低于第二级的辐射热负荷。相同的原则也 适用于第三级的辐射热负荷。因为不管声阻抗组件如何构造，它们对脉冲管冷却器都是必需的，而 且它们要维持低温以提高操作效率，所以，配置并使声阻抗包围冷头可提供 第二个或双重作用。换言之，由于声阻抗已被冷却到较低的温度，将它配置 成包围着冷头可以减少冷头与向冷头辐射的表面之间的温差，因而减少了传 到冷头的辐射传热。因此，本发明将防辐射罩的功能与包围冷头的部分声阻抗整合在一 起。无需使用较昂贵的用人手设置MLI防辐射罩，反而将功能与硬件整合起 来。当然如有需要时，本发明可与MLI结合在同一低温冷却器中一起使用。如果惯性管62可选择地被设于环形储存器60的内部，则主要是惯性 管部件将冷却器温度辐射到冷头50上。另一个选择是，只把声阻抗的惯性管 部件缠绕在冷头上，而储存器是传统的容器，并不包围着冷头。在这种情况 下，惯性管线圈起着热辐射作用，实现本发明的优点。本发明上下文中的术语"包围"有多种解释。显然，声阻抗的任何部件包围冷头的方式不可能好象蛋壳包围蛋或如密封箱子包围它所容纳的东西 一样。声阻抗不能完全地包围着冷头，因此沿冷头的每一方向延伸的线会与 声阻抗相交。本发明中"包围"的意思是以环包围线。相对于冷头向外、侧
向或径向间隔设置。此外，"包围"通常也意味着360。圆弧连续地环绕被包
围的物件。然而，优选的是声阻抗部件连续包围时不存有间隙，但相对短的 间隙也是容许的。短间隙影响本发明的效果与该间隙的尺寸成比例。
再者，包围的声阻抗的轴向长度或尺寸不是关键的。对本发明操作的 理解可知，包围的声阻抗的轴向长度越长，它减低辐射的效果越大，虽然会 使热传导受阻。包围的声阻抗的轴向长度较佳地至少与冷头的长度相同，最 好是比冷头的长度更长，但不可过长以致于对其他的级造成干扰。这可防止 真空容器以最大的入射圆弧或入射角度范围进行辐射。然而，即使轴向长度 比冷头的长度为短，仍然有效。具体地说，最重要的是，声阻抗至少相对于 冷头的冷区域、转向岐管向外设置来包围冷头，如实施例中所示那样，这是 因为那是每级最冷的部分，因此也是热辐射负荷最关键的部分。
包围着冷头的储存器的形状也不是关键的。储存器本身既不需要为对 称的形状亦不需要对称地安装在冷头的周围，虽然上述两种情况都是优选 的。储存器最好是大致圆形，但也可以是正方形、矩形、八边形或其它的形 状。截面与图标相比可以有非常多的变化。
利用具有高扩散率和低发射率的金属来制造该包围的声阻抗，可进一 步显著地降低冷却时间。虽然现有技术中的脉冲管冷却器的储存器通常是由 不锈钢构成，但由于以下原因，利用铝来制造储存器可明显地提高本发明的 效果。
热扩散率是材料的一种特性，用于测量热传播通过材料的传播速度。 当将一种材料在一个位置被加热或冷却，热温度梯度波将传播通过材料，直 到其它位置的温度上升或降低到稳定的状态。由于包括声阻抗在内的脉冲管 冷却器的部件，具有相当大热质量，所以要将它冷却到稳定的操作温度需要
花一定的时间，原因有以下两个(l)需要被冷却的质量大小；以及(2)从冷 源传导至某些部分的路径长度，沿该路径热被传导用来冷却所述部分。因为 铝的热扩散率远远大于不锈钢，这意味着不锈钢体比类似构造的铝体需要更长的时间去加热或冷却。阻碍脉冲管冷却器冷却到其操作温度的瞬时冷却过程的另一因素是上 述提到的来自真空容器的热辐射。发射率是材料的一种特性，用来测量自材 料辐射出来的以及辐射进入该材料的辐射率。材料的发射率越高，它的辐射 率与黑色物体越接近。由于本发明的实施例具有第二级或更后级的声阻抗包围着该级的冷头而向冷头散热，因此该包围的声阻抗应该具有最小的实际热 发射率。我们已经发现，铝具有相对高的热扩散率和相对低的发射率，这一组 合是最适宜的，也是较佳的，因此铝明显优于其它材料。当然为任一功能选 取何种材料均需要考虑加工上的折衷和妥协，以获得最大的效果。在制造脉 冲管冷却器的部件时选用材料需要考虑另一种重要特性机械强度。不过，铝 以及铝合金的所有这些特性的组合表明铝可获得更优良的结果。以下表格列出某些选取的金属的扩散率和发射率，表明使用铝来传热 更为有利表格l热扩散率[mVs ] 4. 045 E-06 6. 890 E-05 1. 136 E-04 3.633 E—05不锈钢304 铝6061-T6 铜表格2拋光铝(2024-T6)粗糙度33 u in拋光铜(粗糙度41um)温度[K] 4. 22077 300 4. 220发射率 0. 018 0. 018 0. 023 0. 050 0. 054 0. 055770. 0703000. 100拋光304不锈钢，粗糙度27uin4. 20. 078200. 087770. 133000. 17机械拋光铝4. 20. 058机械拋光铝770. 10氧化层铝4. 20. 074氧化层铝770. 49未经处理的铜4. 20. 062未经处理的铜770. 12机械拋光304不锈钢4, 20. 074机械拋光304不锈钢770. 12机械拋光304不锈钢3000. 16未经处理的304不锈钢4. 20. 12未经处理的304不锈钢770, 34用来实施本发明的金属较佳地具有至少20E-06 m2/s的热扩散率，最好 是至少50E-06 m2/s的热扩散率。较佳的金属具有不超过0.060的发射率。最 好的金属在上述两个范围内。如本领域公知，热发射率还取决于材料的表面形态。光滑的表面与粗 糙的表面相比辐射较少。因此在本发明的实施例中使用抛光的表面是较理想 的。其中一个例子是使用高扩散率的金属将第二级冷却到第一级的温度，可降低冷却时间，所述冷却时间可用下式粗略估算<formula>formula see original document page 12</formula>式中，a是金属的热扩散率，L是传导路径的长度。在较佳的实施例中，传导路径的长度一般为0.1米。以热扩散率大约5E-6 m7s的不锈钢来 说，根据上述公式估算它的扩散时间约为2000秒(33分钟)。另一方面，铝 的热扩散率大约高14倍，因此扩散时间约为150秒。
图2所示为本发明的一更实用和较佳的实施例。第一级的冷却器的再 生器70通过转向岐管74与其脉冲管72连接。这些冷头部件安装在支撑板 76上，热交换器78和80是以热传导方式与岐管82连接。岐管82的开口84 与一压力波发生器(图中未示)以传统的方式连接，岐管82的开口 86与声阻 抗(图中未示)以传统的方式连接，如图1所示。
第二级冷却器的再生器88通过转向岐管90与其脉冲管92连接，形成 第二级的冷头。脉冲管92通过向内逐渐变小的岐管94与第二级的惯性管96 连接，惯性管96引导入第二级的储存器98，在里面被绕成线圈并通向该储 存器。
类似地，第三级冷却器的再生器100通过转向岐管102与其脉冲管104 连接，形成第三级的冷头。脉冲管104通过向内逐渐变小的岐管106与第三 级的惯性管108连接，惯性管108引导入第三级的储存器110，在里面被绕 成线圈并通向该储存器。
因此，第一级之后的每一级具有至少一部分声阻抗，所述至少一部分 声阻抗相对于该选定级的冷头向外间隔设置。并且将该冷头包围。在这结构 中，储存器98和110的外表面是暴露在外的辐射表面，因此这些储存器适宜 由高扩散率、低发射率的金属来制造，最好由铝或铝合金制造。
图3示出的另一个结构特征可应用于本发明的实施例中。与图1所示 的实施例一样，它具有三级脉冲管冷却器，分别设有三级冷头121、 122及 123。虽然图中未示出每级的真空容器和惯性管，它们可如图l般或以传统的 方式形成。第三级冷头123的储存器126上的一部分声阻抗如图1所示那样 相对于第三级冷头123向外间隔设置并且将冷头123包围。第二级冷头122 的储存器128上的一部分声阻抗相对于第二级冷头122和第三级冷头123的 储存器上的部分声阻抗向外间隔设置，并且将冷头122以及包围第三级冷头 123的储存器上的部分声阻抗一同包围。这可通过延长储存器128的轴向长 度使它包围第三级的储存器126，和第三级的冷头123来实现。因此，使用两个声阻抗部分可使本发明的效果加倍，本实施例是使用储存器126和128 来包围温度最低的冷头123。虽然已经详细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
1.一种改进的具有级联多级的脉冲管低温冷却器，其中每级均包括一冷头和一声阻抗以便适当地调整内部的气压和气体速度的相位，该冷头包括一与脉冲管的一端连接的再生器，该声阻抗在脉冲管的另一端与该冷头连接，每个冷头具有一吸热的冷区域和一散热的热区域；这些冷头通过将低一级的冷区域与高一级的热区域作热连接来分级，其中的改进包括较第一级高的选定级的至少一部分声阻抗相对于该选定级的冷头向外间隔设置并将该冷头包围。
2. 如权利要求1所述的低温冷却器，其特征在于所述选定级的包围的 声阻抗安装成以热传导方式与所述选定级的热区域连接以冷却所述声阻抗。
3. 如权利要求1所述的低温冷却器，其特征在于所述的声阻抗是由具 有至少20E-06mVs的热扩散率的金属而形成。
4. 如权利要求3所述的低温冷却器，其特征在于所述金属包括铝。
5. 如权利要求3所述的低温冷却器，其特征在于所述选定级的声阻抗安装成以热传导方式与所述选定级的热区域连接以冷却所述声阻抗。
6. 如权利要求5所述的低温冷却器，其特征在于所述选定级为U形管结构。
7. 如权利要求6所述的低温冷却器，其特征在于所述声阻抗呈环形。
8. 如权利要求7所述的低温冷却器，其特征在于所述声阻抗包括一环状储存器以及一在所述储存器内环绕的一惯性管。
9. 如权利要求7所述的低温冷却器，其特征在于 一安装板与所述声阻抗作导热和机械连接并且向内延伸至与所述选定级的热区域作热传导和机械 连接。
10. 如权利要求1所述的低温冷却器，其特征在于所述部分声阻抗是所述声阻抗的一绕成线圈的惯性管部件。
11. 如权利要求1所述的低温冷却器，其特征在于所述声阻抗由辐射发 射率基本上不大于0. 060的金属而形成。
12. 如权利要求11所述的低温冷却器，其特征在于所述声阻抗是由具有至少20E-06m7s的热扩散率的金属而形成。
13. 如权利要求11所述的低温冷却器，其特征在于所述声阻抗是由具有 至少50E-06m7s的热扩散率的金属而形成。
14. 如权利要求1所述的低温冷却器，其特征在于所述低温冷却器具有 至少三级，所述第三级的至少一部分声阻抗与该第三级的冷头向外间隔设置 并且将所述冷头包围；以及第二级的至少一部分声阻抗与该第二级的冷头和所述第三级的包围的声阻抗向外间隔设置，并且将所述第二级的冷头以及所 述第三级的包围的声阻抗一同包围。
全文摘要
通过将一选定级的至少一部分的声阻抗配置得比第一级为高，以致于该声阻抗可包围选定级的冷头，藉此减少多级脉冲管低温冷却器的冷却时间。所述选定级的包围的声阻抗安装成与该选定级的热区域作热传导连接以冷却该声阻抗，所述选定级的包围的声阻抗由高扩散率、低热辐射发射率的材料制成，较佳为铝。
文档编号F25B9/00GK101292122SQ200680039057
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, K·B·威尔逊 申请人:圣波尔股份有限公司