CN101087981B - 具有无油驱动器的低频脉冲管 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生制冷效果的脉冲管系统，该脉冲管系统可用于磁共振成像系统或高温超导系统，其中无油压缩机(1)以较高频率运行以便产生脉冲气体，该脉冲气体经过频率降低并以更高效的低频来驱动该脉冲管系统。

Description

具有无油驱动器的低频脉冲管
技术领域
本发明总体上涉及低温或深冷制冷，尤其涉及脉冲管制冷。
背景技术
在产生低温制冷效果的领域中的最近的重要发展在于借助振动的气体将脉冲能量转变为制冷效果的脉冲管系统或深冷冷却器。这种系统可产生温度非常低的制冷效果，例如足以使得氦液化。由这种深冷冷却器系统产生的制冷效果的一个重要应用场合是磁共振成像系统。
常规的深冷冷却器系统的一个问题在于脉冲产生设备可能导致脉冲气体污染。而且，效率降低的根源是该深冷冷却器系统的最高效的工作频率与脉冲产生系统的最高效的工作频率之间的不匹配。
因此，本发明的目的在于提供一种改进的深冷冷却器系统或脉冲管系统，其降低了潜在的污染并提供更高效的工作。
发明内容
对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在阅读以下的详细描述可容易地理解本发明的上述的和其它的目的，本发明的一方面在于：
一种用于操作低频深冷冷却器系统的方法，其包括：
(A)借助一移动元件紧靠周围壁的移动来压缩气体，从而以至少25赫兹的频率产生脉冲气体，其中，在该移动元件与该周围壁之间不使用油；
(B)使得该脉冲气体流经频率调制阀并降低该脉冲气体的频率以便产生频率较低的脉冲气体；和
(C)使得该频率较低的脉冲气体流向与热缓冲管流体连通的再生器。
本发明另一方面在于：
一种低频深冷冷却器系统，其包括：
(A)具有排气口和紧靠周围壁的移动元件的压缩机，其中，在该移动元件与该周围壁之间不使用油；
(B)再生器、频率调制阀、从该排气口延伸到该频率调制阀的排气导管、和从该频率调制阀延伸到该再生器的再生器输入/输出导管；以及
(C)与再生器流体连通的热缓冲管。
本发明所使用的术语“再生器”意味着形式为分布有孔隙的材质或介质的热学装置，其具有良好的热容量以便借助与该带有孔隙的材质的直接传热从而冷却流入的暖气体并给返回的冷气体加温，该材质或介质例如球、叠置网、带有孔的金属薄板等。
本发明所使用的术语“热缓冲管”意味着与再生器分隔开的并且靠近冷的热交换器的深冷冷却器部件，其温度范围从对于该级而言的最冷温度到较暖的放热温度。
本发明所使用的术语“间接热交换”意味着在流体彼此没有任何实体接触或相互混合的情况下，使得流体形成热交换关系.
本发明所使用的术语“直接热交换”意味着借助实体的冷却和加热的接触来传递制冷效果。
本发明所使用的术语“频率调制阀”意味着以所需的频率产生振荡的压力和质量流的阀或阀系统。
本发明所使用的术语“排气频率调制容器”意味着排气导管的总容积，并且如果使用从压缩机排气口延伸到该频率调制阀的存储器的话，总容积应计入该存储器和排气导管的容积。该排气频率调制容积可以是压缩机排气容积的0.1-10倍。
本发明所使用的术语“吸气频率调制容器”意味着吸气导管的总容积，并且如果使用从该频率调制阀延伸到压缩机吸气口的存储器的话，总容积应计入该存储器和吸气导管的容积。该吸气频率调制容积可以是压缩机排气容积的0.1-10倍。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的示意图，其中压缩机是线形压缩机，频率调制阀是旋转阀。
图2是本发明的另一个优选实施例的示意图，其中压缩机是线形压缩机，频率调制阀是控制阀系统。
具体实施方式
以下将参照附图来详细描述本发明。现参照图1，无油式压缩机产生脉冲气体以便驱动深冷冷却器(cryocooler)或脉冲管系统，其包括再生器20和热缓冲管40。无油式压缩机在高频下高效地运行，该频率通常为50-60赫兹。在图1所示的本发明的实施例中，无油式压缩机是由电动线形马达即轴向往复运动电磁变换器2驱动的线形压缩机1。在本发明的实施形式中使用的无油式压缩机的另一示例是由旋转马达驱动的无油式导向旋转压缩机。
无油式压缩机具有紧靠周向壁的移动元件。在图1所示的本发明的实施例中，该移动元件是由线形马达驱动以便来回移动的活塞3。活塞3在由壳体或周向壁限定的容积内往复运动，并且活塞3靠近周向壁8且与其间隔开一间隙7。在活塞3与周向壁8之间的间隙7中不存在油。作为替代，该线形压缩机采用气体轴承或挠曲悬挂装置以便确保活塞3的流畅运动。
往复活塞3以供应的交流电的频率产生具有脉冲或振动运动，该交流电的频率至少为25赫兹，通常为50-60赫兹。通常称为簧片阀的止回阀系统4使得振动压力波转变，以便在压缩机排气口5处获得压缩输出，其工作频率具有小的波动。在本发明的实施方式中，用做由无油式压缩机产生的脉冲气体的气体示例包括氦气、氖气、氮气、氩气、氧气、以及它们的混合物，其中氦气是优选的。
该脉冲气体在冷却器12中被冷却以便释放压缩热，并且在排气导管18中流向频率调制阀17，在图1所示的实施例中，该频率调制阀是旋转阀.旋转阀17由图1未示出的电动系统来驱动.优选的是，在排气导管18中的高频脉冲气体流经存储器13，如图1所示.排气导管18和存储器13的频率调制排气容积通过向该旋转阀提供相对稳定压力的稳定气体供应从而去除了压缩机与深冷冷却器之间脉冲重复率耦合.当旋转阀17的(未示出的)旋转部分旋转时，该孔交替地使得压缩机排气导管18与再生器入口/出口导管62、再生器入口/出口导管62与压缩机吸气导管19连接.这种交替的连接产生振荡的压力和质量流动，由此以旋转阀17的旋转频率产生压力-容积功.
当脉冲气体流经频率调制阀时，其频率降低到深冷冷却器的最高效的工作频率。所获得的较低频率的脉冲气体通常具有小于40赫兹的频率，典型地具有小于30赫兹的频率，较优选为小于10赫兹，最优选为5赫兹。较低频率的脉冲气体随后进入深冷冷却器或脉冲管系统的再生器20。再生器20与脉冲管系统的热缓冲管40流动连通。
该较低频率的脉冲气体使得脉冲施加到再生器20的热端上，由此产生振动的工作气体并启动脉冲管时序过程中的第一部分。脉冲用于压缩该工作气体，以便在再生器20的热端处产生热的经压缩的工作气体。该热的工作气体被冷却，优选为通过与热交换器21中的传热流体22进行间接热交换来冷却，以便产生加温后的传热流体流股23并且冷却该工作气体被压缩而产生压缩热。在本发明的实施方式中用做传热流体22、23的示例流体包括水、空气、乙二醇等。热交换器21是用于从制冷负荷克服温度梯度而抬升的热量的散热装置，这种热量抬升是借助由压缩机和频率调制阀产生的压力-容积功而实现的。
再生器20包含再生器或传热介质。在本发明的实施方式中，适当的传热介质的示例包括钢球、丝网、高密度蜂窝结构、多孔金属网、铅球、铜及其合金、稀土元素和过渡金属的络合物。脉冲的或振荡的工作气体在再生器20中通过与冷的再生器介质的直接热交换从而被冷却，以便产生冷的脉冲管工作气体。
热缓冲管40和再生器20在流体上是连通的。这种流体连通包括冷的热交换器30。冷的工作气体在管路60中流向冷的热交换器30并且在管路61中从冷的热交换器30流向热缓冲管40的冷端。在冷的热交换器30内，冷的工作气体通过与制冷负荷间接热交换而被加温，由此向该制冷负荷提供制冷效果。这种与制冷负荷的热交换在附图中没有示出。制冷负荷的一个示例是用于磁共振成像系统。制冷负荷的另一个示例是用于高温超导。
该工作气体从再生器20流向热缓冲管40的冷端。优选的是，如图1所示，热缓冲管40在其冷端具有整流器41并且在其热端具有整流器42。当工作气体流入脉冲热缓冲管40时，该工作气体对该热缓冲管内的气体进入压缩并且迫使一部分该气体经热交换器43和管路51中的孔口50流入到存储器52中。当在热缓冲管和存储器中的压力均衡时，流动终止。
冷却流体44流入热交换器43，在该热交换器中该冷却流体通过与该工作气体的间接热交换从而被加温或蒸发，由此用做冷却该经压缩的工作气体的散热手段。所得到的或被蒸发的冷却流体从热交换器43中以流股45的形式离开。优选的是，冷却流体44是水、空气、乙二醇等。
在脉冲时序的低压点处，在脉冲管中的工作气体膨胀并因此提供冷却，并且流动从此刻较高压力的存储器52逆流进入热缓冲管40.冷的工作气体被推入冷的热交换器30并返回到再生器的暖端，同时在热交换器30处提供制冷效果并冷却再生器传热介质以便用于接下来的脉冲时序.孔口50和存储器52用于保持压力波和流动波同相，以便热缓冲管在压缩和膨胀循环过程中在热缓冲管40的冷端处产生净制冷效果.在本发明的实施方式中，用于保持压力波和流动波同相的其它装置包括惯性管和孔口、膨胀器、线形交流发电机、波纹管结构、以及与质量流抑制器一起连接回到压缩机的功回复管路.在膨胀时序中，工作气体膨胀以便产生热缓冲管40的冷端处产生工作气体.该膨胀的气体的方向逆转以便使得其从热缓冲管流向再生器20.在存储器中的处于相对较高压力的气体经阀50流向热缓冲管40的暖端.总之，热缓冲管40使得由该压缩和频率调制系统所产生的压力-容积功的剩余部分作为热量排放到暖的热交换器43，(该压缩和频率调制系统包括无油压缩机和频率调制阀).
从热交换器30流出的经过膨胀的工作气体在管路60中流向再生器20，在再生器中该工作气体与在该再生器中的传热介质直接接触，由此产生上述冷的传热介质，从而完成该脉冲管制冷时序的第二部分并且使得该再生器的状态回到后续的脉冲管制冷时序的第一部分。来自再生器20的脉冲气体返回到旋转阀17并且在吸气导管19中回到压缩机1的吸气口6。优选的是，存储器16设置在吸气导管19上，并且吸气导管19和存储器16的吸气频率调制容积的功能与在排气频率调制容积的功能相似。
图2示出了本发明的另一实施例。图1和图2所示的实施例中共用的部件不再详细描述。在图2所示的实施例中，旋转阀被分别在输出和输入导管上的双联控制阀14和15替代，并且马达驱动的控制阀14用作频率调制阀。
此刻借助本发明，深冷冷却器即脉冲管系统可以以其最高效频率来运行，而不是局限于以压缩机的频率来运行，同时还避免脉冲气体的油污染所造成的问题。尽管本发明参照特定的优选实施例来进行详细描述，但是本领域的普通技术人员应当理解其它实施例也落入权利要求所限定的精神和范围内。

Claims (9)

1.一种用于操作低频深冷冷却器系统的方法，其包括：
借助一移动元件紧靠周围壁的移动来压缩气体，从而以至少25赫兹的频率产生脉冲气体，其中，在该移动元件与该周围壁之间不使用油；
使得该脉冲气体流经一排气频率调制容积；
在该脉冲气体流经该排气频率调制容积之后，使得该脉冲气体流经频率调制阀并降低该脉冲气体的频率以便产生频率较低的脉冲气体；和
使得该频率较低的脉冲气体流向与热缓冲管流体连通的再生器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该移动元件是由轴向往复式电磁变换器驱动的活塞。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该排气频率调制容积包括存储器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该频率较低的脉冲气体具有低于10赫兹的频率。
5.一种低频深冷冷却器系统，其包括：
压缩机，其具有排气口和紧靠周围壁的移动元件，其中，在该移动元件与该周围壁之间不使用油；
再生器、频率调制阀、从该排气口延伸到该频率调制阀的排气导管、定位在该排气口与该频率调制阀之间位于该排气导管上以便形成一排气频率调制容积的存储器、和从该频率调制阀延伸到该再生器的再生器输入/输出导管；以及
与再生器流体连通的热缓冲管。
6.如权利要求5所述的低频深冷冷却器系统，其特征在于，该压缩机是线形压缩机，该移动元件是由轴向往复式电磁变换器驱动的活塞。
7.如权利要求5所述的低频深冷冷却器系统，其特征在于，该频率调制阀是旋转阀。
8.如权利要求7所述的低频深冷冷却器系统，还包括从该旋转阀延伸到该压缩机吸气口的吸气导管。
9.如权利要求8所述的低频深冷冷却器系统，其特征在于，还包括定位在旋转阀与压缩机吸气口之间位于吸气导管上以便形成一吸气频率调制容积的存储器。
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