專利名稱：具有平均壓力變化的脈沖管低溫冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及低溫或深冷制冷，特別是脈沖管制冷。
背景技術(shù)：
近來在產(chǎn)生低溫制冷領(lǐng)域的一個顯著進步是其中使用振動氣體將脈沖能量轉(zhuǎn)化為制冷的脈沖管系統(tǒng)或低溫冷卻器。這類系統(tǒng)可以產(chǎn)生極低范圍的足以例如使氦液化的制冷。由這類低溫冷卻器系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷的一個重要應用是在磁共振成像系統(tǒng)中。
脈沖管低溫冷卻器是包含固定裝載量的工作氣體(通常為氦氣)的氣密密封等容設(shè)備。迄今為止對它們進行的研究都是在環(huán)境溫度很少變化的室內(nèi)試驗室環(huán)境中進行的。當其被商業(yè)化和應用于戶外環(huán)境中、或至少暴露于室外溫度場時，它們可能會經(jīng)受大的溫度波動，由于低溫冷卻器具有固定容積并包含固定裝載量的工作流體，所以這可能會引起內(nèi)部平均壓力的顯著變化。人們還沒有認識到這些平均壓力波動會嚴重影響低溫冷卻器的性能。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種操作脈沖管低溫冷卻器的方法，它可以提高低溫冷卻器在經(jīng)受一或多次平均壓力波動時的性能。
發(fā)明概述通過本發(fā)明可以實現(xiàn)在閱讀此公開之后對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的上述及其他目的，本發(fā)明是一種操作脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)的方法，其中所述脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)具有含處于平均壓力下的工作氣體的固定容積并由工作在不超過500赫茲的壓力波發(fā)生器驅(qū)動，所述方法包括在經(jīng)受工作氣體的平均壓力變化之后，隨著工作氣體的平均壓力變化而直接改變壓力波發(fā)生器的頻率。
在本文中術(shù)語“直接”是指在同一方向上，即平均壓力增大需要提高頻率。變化的大小不必相同且通常不相同。
在本文中術(shù)語“平均壓力”是指壓力波動所圍繞的靜態(tài)、平均或中間壓力。
在本文中術(shù)語“蓄熱器”是指多孔分布的物質(zhì)或介質(zhì)如球體、層疊篩、鉆孔金屬板等形式的熱力設(shè)備，其具有良好的熱容量以通過與多孔分布的物質(zhì)的直接熱交換來冷卻進入的暖氣體和加熱返回的冷氣體。
在本文中術(shù)語“熱緩沖管”是指與蓄熱器分離并緊靠冷熱交換器的低溫冷卻器部件，它覆蓋從最冷到較熱的該階段排熱溫度的溫度范圍。
在本文中術(shù)語“間接熱交換”是指使流體不經(jīng)流體之間的任何物理接觸或混合而發(fā)生熱交換關(guān)系。
在本文中術(shù)語“直接熱交換”是指通過冷卻和加熱實體的接觸來傳遞制冷。
附圖簡述

圖1示出可受益于本發(fā)明的實施的脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施方案，其中壓力波產(chǎn)生器是由電動線性電機驅(qū)動的線性壓縮機。
圖2是本發(fā)明和未實施本發(fā)明的實施例和對比實施例的結(jié)果圖示。
發(fā)明詳述本發(fā)明圍繞對可以通過在低溫冷卻器的壓力經(jīng)歷增加時增大驅(qū)動低溫冷卻器的壓力波發(fā)生器的頻率和在低溫冷卻器的平均壓力經(jīng)歷降低時減小壓力波發(fā)生器的頻率來提高脈沖管低溫冷卻器的性能的認識。
下面將參照附圖對脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)的一般操作進行描述。參見圖1，壓力波發(fā)生器1可以工作在不超過500赫茲的頻率下，一般在15-80赫茲的范圍之內(nèi)，且典型地在50-65赫茲的范圍之內(nèi)。壓力波發(fā)生器1產(chǎn)生脈沖氣體來驅(qū)動脈沖管低溫冷卻器，其中脈沖管低溫冷卻器包括蓄熱器20和具有固定容積并含有工作氣體的熱緩沖器管40。在圖1所示的本發(fā)明的實施方案中，壓力波發(fā)生器1是由電動線性電機即軸向往復電磁轉(zhuǎn)換器2驅(qū)動的無油線性壓縮機。
所述無油壓縮機具有貼近周壁的運動部件。在圖1所示的實施方案中，該運動部件是活塞3，它由線性電機2驅(qū)動往復運動?；钊?在由外殼或周壁8限定的容積之內(nèi)往復運動，它緊貼周壁8并通過間隙7與其分離。在活塞3與周壁8之間的間隙7中沒有油。作為替代，線性壓縮機使用氣體軸承或彎曲懸掛來確保活塞3的流暢運動。
往復運動的活塞3產(chǎn)生具有在所提供的交流電的頻率下的脈動或振動的氣體，其中上述頻率為至少25赫茲且典型地為約50-65赫茲。在本發(fā)明的實施中可被用作由無油壓縮機產(chǎn)生的脈沖氣體的氣體的例子包括氦氣、氖氣、氫氣、氮氣、氬氣、氧氣及其混合物，其中優(yōu)選氦氣。
脈動氣體被冷卻了壓縮熱并被傳送到低溫冷卻器的蓄熱器20。蓄熱器20與熱緩沖管40流動連通。
脈動氣體向蓄熱器20的熱端傳送聲功率來引發(fā)脈沖管序列的第一部分。位于蓄熱器20的熱端的熱交換器21是散熱器，用于由于壓縮機產(chǎn)生的壓力-體積功而由蓄熱器20相對溫度梯度從制冷負荷中抽出的熱。熱的工作氣體優(yōu)選地通過間接熱交換用熱交換器21中的熱傳導流體22冷卻，以產(chǎn)生流23中被加熱的熱傳導流體并冷卻壓縮工作氣體的壓縮熱。可用作熱傳導流體22、23的流體的例子包括水、空氣、乙二醇等等。
蓄熱器20包含蓄熱器或傳熱介質(zhì)。在本發(fā)明的實施中適合的傳熱介質(zhì)的例子包括鋼珠、金屬絲網(wǎng)、高密度蜂窩結(jié)構(gòu)、金屬板網(wǎng)、鉛珠、銅及其合金、稀土元素和過渡金屬的復合物。脈動或振動的工作氣體在蓄熱器20中通過與冷的蓄熱器介質(zhì)直接換熱而被冷卻，產(chǎn)生冷的脈沖管工作氣體。在壓力和速度振蕩的適當相位下，氣體經(jīng)歷膨脹從而產(chǎn)生制冷。
在冷熱交換器30之內(nèi)，冷的振動工作氣體通過間接熱交換被制冷負荷加熱，從而向制冷負荷提供制冷。與制冷負荷的這種熱交換并未示出。制冷負荷的一個實例用于磁共振成像體系中。制冷負荷的另一個實例是在高溫超導中的應用。
熱緩沖管40用來將剩余的聲功率傳送到較高的溫度，在那里可以將其消散。優(yōu)選地，如圖1所示，熱緩沖管40具有位于其冷端的整流柵41和位于其熱端的整流柵42。聲功率在熱交換器43、孔閥50、慣性管51和氣庫52中被消散和衰減。圖1顯示了一個包括所有這些元件的慣性網(wǎng)，但實際上可以省略其中的一個或多個(具體而言是孔閥50或慣性管51)。請注意，除了消散聲功率之外，慣性網(wǎng)絡還能在壓力與振動的工作氣體的速度振幅之間提供適宜相位。其它可用來保持壓力和流動波同相的裝置包括慣性管和孔閥、膨脹器、線性振蕩器、波紋管列以及連回到帶質(zhì)量流量抑制器的壓縮機的功回收管。
冷卻流體44被輸送到熱交換器43并在其中通過與工作氣體的間接熱交換而被加熱或蒸發(fā)，由此充當用于冷卻壓縮工作氣體的吸熱器。產(chǎn)生的被加熱或蒸發(fā)的冷卻流體在流45中被抽離熱交換器43。優(yōu)選地，冷卻流體44為水、空氣、乙二醇等等。
以下實施例和對比實施例用來說明本發(fā)明和突出可由本發(fā)明得到的優(yōu)點。實施例是為說明目的而給出的，并不用于限制。
優(yōu)化脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)以工作在2.6MPa和60赫茲左右。對于70下的設(shè)計，暴露于室外環(huán)境溫度的低溫冷卻器將可能經(jīng)歷以下平均壓力變化。有多種其它因素可能導致工作壓力偏離設(shè)計壓力，如由于小的漏泄而引起的氦氣隨時間的慢慢流失；或在運行之前對低溫冷卻器加壓方面的錯誤。

通過模擬來確定平均壓力變化對低溫冷卻器性能的影響。由于改變排熱的溫度也會影響低溫冷卻器性能，所以保持排熱溫度不變以便可以直接研究平均壓力的影響。此外，假設(shè)壓力波發(fā)生器工作在設(shè)計狀態(tài)的滿負荷，即它同時保持在滿沖程和電流極限。
圖2的曲線A說明了低溫冷卻器的預期性能如何可受平均壓力波動影響。在此實施例中，壓力波發(fā)生器工作在單頻，且被完全優(yōu)化和以滿負荷運轉(zhuǎn)；即它接近沖程和電流極限。隨著壓力的下降，必須降低輸入功率以繼續(xù)工作在沖程極限之內(nèi)。類似地，隨著壓力的升高，沖程將降低但沒有更多的功率可以提供，因為冷卻器已經(jīng)工作在最大容許電流。低溫冷卻器的制冷容量下降，主要是由于提供給低溫冷卻器的功率減小，使其保持在規(guī)定的沖程和電流極限之內(nèi)。隨著壓力偏離設(shè)計壓力和輸入功率降低，低溫冷卻器的性能下降。
但是，使用本發(fā)明可以通過調(diào)整壓力波發(fā)生器的頻率來補償平均壓力的變化。如果平均壓力下降，則頻率被降低到壓力波發(fā)生器再次工作在滿電流和沖程的點。這樣可以最大化壓力波發(fā)生器的輸入功率，且這可以提供使低溫冷卻器產(chǎn)生的制冷最大化的最好方法。圖2的曲線B顯示了當頻率按上述調(diào)整時低溫冷卻器的預期性能，并顯示了顯著的性能提高。
為實施本發(fā)明，用戶必須具有某些獨立改變供電頻率和電壓的裝置。一種經(jīng)濟實用的裝置是經(jīng)過改進允許獨立控制電壓和頻率的變頻驅(qū)動器。將頻率為50-60赫茲的三相輸入電力連接到變頻驅(qū)動器電子裝置組件。然后將三相輸出的兩支腳連接到電動機導線，而第三輸出支腳保持未連接。在一種模式下，用戶可以通過與VFD或其它驅(qū)動器電子裝置操作員界面(可以是鍵盤、電位計或其它裝置)直接互動而手動設(shè)置需要的頻率和輸入功率電壓。在其它模式下，頻率和/或電壓可以通過向變頻驅(qū)動器發(fā)送適合信號的控制器來確定。在一種模式下，平均壓力可以通過傳感器來確定，且控制器可以根據(jù)平均壓力與頻率之間的內(nèi)部關(guān)系來調(diào)整頻率。
盡管已經(jīng)參照某些優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了詳細描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道在權(quán)利要求書的精神和范圍之內(nèi)還存在本發(fā)明的其它實施方案。
權(quán)利要求
1.一種操作脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)的方法，其中所述脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)具有含處于平均壓力下的工作氣體的固定容積并由工作在不超過500赫茲的壓力波發(fā)生器驅(qū)動，所述方法包括在經(jīng)歷工作氣體的平均壓力變化之后，隨著工作氣體平均壓力的變化而直接改變壓力波發(fā)生器的頻率。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述平均壓力的變化是由于環(huán)境溫度的改變引起的。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述平均壓力的變化是由于工作氣體從所述固定容積中泄漏而引起的。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述平均壓力的變化是平均壓力升高，而所述壓力波發(fā)生器頻率的變化是壓力波發(fā)生器頻率增大。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述平均壓力的變化是平均壓力降低，而所述壓力波發(fā)生器頻率的變化是壓力波發(fā)生器頻率減小。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述壓力波發(fā)生器是由電動線性電機驅(qū)動的線性壓縮機。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述工作氣體包括氦氣。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述壓力波發(fā)生器工作在15-80赫茲的頻率下。
全文摘要
一種操作脈沖管低溫冷卻器系統(tǒng)的方法，其中，當?shù)蜏乩鋮s器的固定容積內(nèi)的工作氣體的平均壓力變化時，通過隨著平均壓力的變化而直接改變驅(qū)動低溫冷卻器的壓力波發(fā)生器(1)的頻率，避免了該系統(tǒng)操作的嚴重惡化。
文檔編號F25B9/14GK1957212SQ200580016330
公開日2007年5月2日 申請日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者N·J·林奇 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司