CN1189706C - 斯特林循环低温冷却器及用于其中的压气活塞单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种斯特林循环低温冷却器，该斯特林循环低温冷却器包括压气活塞单元，该压气活塞单元有冷端和热端。该压气活塞单元(4)包括冷缸壳体和布置在该壳体(10)内表面上的压气活塞衬套(18)。压气活塞组件(12)位于压气活塞衬套(18)内，并可相对于壳体的纵向轴滑动。该压气活塞单元还包括蓄热器单元(14)。受热器(20)固定在压气活塞单元(4)的冷端。受热器(20)将热量从象高温传导滤波器这样的装置传递给位于压气活塞单元(4)中的气体例如氦气。优选是，该受热器(20)包括径向部件(22)和环形部件(24)。有利的是，该受热器减小了受热器和氦气之间的传热热阻。因此，该斯特林循环低温冷却器能够在减小的输入功率下工作，以获得合适的制冷量水平。
Description
技术领域
本发明领域通常涉及低温冷却器。尤其是，本发明领域涉及斯特林循环低温冷却器。
背景技术
近来，非常关注超导体领域以及使用该超导产品的系统和方法。还非常关注提供低温环境(例如77°K或更低)的系统和方法，超导体产品例如超导滤波器系统可以在该低温环境下工作。
一种广泛用于产生使超导体装置可以工作的低温环境的装置是斯特林循环制冷单元或斯特林循环低温冷却器。该单元通常包括压气活塞组件和压缩机组件，其中，这两组件流体连通，并由一个或多个线性或旋转马达驱动。普通的压气活塞组件通常有“冷”端和“热”端，该热端与压缩机组件流体连通。压气活塞组件通常包括其中安装有蓄热器的压气活塞，用于使流体例如氦气从该压气活塞组件的一端(即冷端)移动到另一端(即热端)。活塞组件还起到当流体基本位于压气活塞组件的热端时向流体施加附加压力的作用以及当流体基本位于压气活塞组件的冷端时从流体中释放压力的作用。这样，压气活塞组件的冷端可以保持在例如77°K，同时压气活塞组件的热端可以保持在例如高于环境温度15°K。这时，象超导滤波器系统这样的装置通常布置成与该压气活塞组件的冷端进行热接触。
目前的斯特林循环低温冷却器设计使用了位于压气活塞组件的冷端处的受热器。该受热器通常与要冷却的装置进行热接触，该装置例如高温超导滤波器(HTSF)系统。热量从该装置传递给受热器。传递给受热器的热量再送给装于压气活塞组件中的氦气。热量从受热器向氦气的传递通常是最困难的，因为在该步骤中的传热热阻最大。
在目前的低温冷却器设计中，热量从受热器向氦气的低效传递导致需要附加的功率。实际上，为了达到所希望的制冷量(lift)，将需要更大的功率输入。该较低传热率在很大程度上是因为相对较小的表面积和较低的对流传热系数。
因此需要一种低温冷却器设计，该低温冷却器能减小受热器和氦气之间的传热热阻。有利的是，为了提供等量制冷，该低温冷却器设计所需的输入功率比现有设计更少。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于斯特林循环低温冷却器中的压气活塞单元，该压气活塞单元包括：壳体，该壳体有冷端和热端；邻近该壳体内侧的压气活塞衬套；压气活塞组件，该压气活塞组件位于压气活塞衬套的内部，并可相对于该壳体而轴向滑动，该压气活塞组件包括在其中的蓄热器单元以及位于该压气活塞组件的冷端上的多个径向孔；以及受热器，该受热器固定在该壳体的冷端，且该受热器包括径向部件和环形部件，该环形部件从该径向部件上垂直延伸，且该环形部件抵靠壳体的冷端。
本发明还提供了一种斯特林循环低温冷却器，包括：耐压壳体，该耐压壳体有安装于其中的活塞组件，所述活塞组件包括用于在气缸内往复运动的活塞；压气活塞杆组件，该压气活塞杆组件在其第一端与该活塞相连；以及压气活塞单元，该压气活塞单元包括：冷缸壳体，该冷缸壳体有冷端和热端；位于该壳体内的压气活塞衬套；往复运动的压气活塞组件，该压气活塞组件位于压气活塞衬套的内部，该压气活塞组件的一端与压气活塞杆组件的第二端相连，该压气活塞组件可在冷缸壳体内轴向滑动，该压气活塞组件还包括在其中的气体蓄热器单元以及位于该压气活塞组件的冷端上的多个径向孔；受热器，该受热器固定在冷缸壳体的冷端，且该受热器包括径向部件和环形部件，该环形部件垂直于径向部件延伸，并抵靠冷缸壳体的冷端。
在本发明的第一方面，公开了一种用于斯特林循环低温冷却器中的压气活塞单元。该压气活塞单元包括壳体、邻近该壳体内侧的压气活塞衬套、压气活塞组件、蓄热器单元以及受热器。压气活塞组件位于压气活塞衬套的内部，并可相对于壳体而轴向滑动。受热器包括径向部件和环形部件。该受热器固定在压气活塞单元的冷端。
在本发明的第二方面，公开了一种用于压气活塞单元的冷端上的受热器。该受热器包括径向部件，该径向部件包括径向布置的内表面，该内表面垂直于压气活塞单元的长轴。此外，该受热器包括环形部件，该环形部件包括内周表面。
在本发明的第三方面，根据本发明第一方面的压气活塞单元还包括在该压气活塞组件上的多个径向孔。
附图说明
图1表示了斯特林循环低温冷却器的侧视图。
图2表示了压气活塞单元的冷端的放大侧视图。
图3表示了本发明的低温冷却器和普通低温冷却器的热制冷量vs.输入功率的曲线图。
具体实施方式
图1表示了根据本发明优选形式的斯特林循环低温冷却器2。如图1所示，斯特林循环低温冷却器2优选是包括压气活塞单元4、换热器单元6、压缩机和线性马达组件8。
优选是，压气活塞单元4包括冷缸壳体10、压气活塞组件12、蓄热器单元14和压气活塞杆组件16。压气活塞衬套18布置成周向环绕该压气活塞组件12并在冷缸壳体10的内部。压气活塞组件12可滑动地沿轴向安装在该冷缸壳体10中。优选是，压气活塞衬套18固定在该冷缸壳体10的内表面上。
压气活塞单元4还包括受热器20。优选是，如图1和2所示，受热器20包括径向部件22和环形部件24。该径向部件22通常垂直于压气活塞单元4的长轴。该长轴位于压气活塞单元4的热端和冷端之间。该环形部件24沿压气活塞单元4的外周环面布置。优选是，该环形部件24从径向部件22伸出并超过压气活塞组件12的边缘。更优选是，该环形部件24轴向伸出超过压气活塞组件12的边缘，并抵靠压气活塞衬套18的远端。优选是，该受热器20钎焊在冷缸壳体10上，以便提供气密密封的环境。该环形部件24以共轴的方式与压气活塞衬套18相对。因此，可用于传热的受热器20的总面积增加。
下面参考图2，受热器20的径向部件包括径向布置的内表面21。该径向布置的内表面21优选是垂直于压气活塞单元4的长轴。环形部件24包括内周表面23。
尽管受热器20已经介绍为包括两个单独的部件，即径向部件22和环形部件24，但是应当知道，该受热器20可以是单个的整体部件。优选是，该受热器20由导热金属制成，例如铜。更优选是，该受热器20由高纯度铜或无氧高导电性铜(OFHC)制成。
在本发明的一个方面，压气活塞组件12包括多个径向孔26。这些径向孔26允许在压气活塞单元4的冷端25中的氦气能有额外的流动。通过孔26流动的氦气将直接冲击到受热器20上。因此增加了可用于传热的面积，如图2中的箭头A所示。径向孔26有助于减小低温冷却器2中的受热器20和氦气之间的对流热阻。
还参考图1，压气活塞杆组件16在其一端与压气活塞组件12的底部28连接，在其另一端与压气活塞弹簧组件32连接。
位于压气活塞单元4以及压缩机和线性马达组件8之间的换热器单元6优选是包括换热器块34、分流器或等价结构以及换热器安装凸缘38。优选是，换热器安装凸缘38与压缩机和线性马达组件8的耐压壳体40的远端连接。优选是，换热器块34包括多个内部换热器翅片42和多个外部排热翅片44。这样，该换热器单元6设计成有助于热量从位于在压气活塞单元4和压缩机和线性马达组件8之间的接合点处的区域PHOT内的受到压缩的气体例如氦气中消散(这里也将该区域PHOT称为压缩机和线性马达组件8的压缩室)。优选是，换热器块34、内部换热器翅片42和外部排热翅片44由导热金属例如高纯度的铜制成。
优选是，压缩机和线性马达组件8包括耐压壳体40，该耐压壳体40中安装有活塞组件46。该活塞组件46包括气缸48、活塞50、活塞组件安装支架54和弹簧组件56。该活塞组件安装支架54提供在活塞50和弹簧组件56之间的连接。这样，活塞50用于在气缸48内往复运动。在活塞50的外壁60内提供有多个气体轴承58，该空气轴承58接收来自活塞50内的密封腔62中的气体，例如氦气。当气缸48的区域PHOT(即气缸48的压缩室)内的气体压力超过空腔62内的压力时(即超过活塞储存器的压力时)，单向阀64提供了在密封腔62和气缸8的区域PHOT之间的单向流体连通管道。
优选是，在活塞50上安装有多个磁体66。内部叠片68固定在气缸48的外部。外部叠片70固定在耐压壳体40内，并位于磁体66的外侧。优选是，外部叠片70固定在安装凸缘38上。优选是，该内部和外部叠片68、70由含铁的材料制成。优选是，马达线圈72位于外部叠片70内，并环绕活塞50。优选是，马达线圈72位于磁体66的外侧，并在形成于外部叠片70中的凹形部分内。因此，应当知道，当活塞50在气缸48内运动时，磁体66在空隙74内运动。
在工作过程中，优选是活塞50和压气活塞组件12在大约60Hz的谐振频率下并以压气活塞组件12的振动相位离开活塞50的振动相位大约90°的方式振动。以稍微不同的方式来说，优选是压气活塞组件12的运动将“领先”活塞50的运动大约90°。
本领域技术人员应当知道，当压气活塞组件12运动到压气活塞壳体10的“冷”端PCOLD时，系统内的大部分流体例如氦气都移动到压气活塞壳体10的热端PHOT，和/或环绕分流器或类似装置并经过内部换热器翅片42进入活塞组件46的压缩区域PHOT。由于压气活塞组件12和活塞50的运动的相位差，当压气活塞组件12位于压气活塞壳体10的冷端时，活塞50将处在冲程的中部并沿朝着受热器20的方向运动。这使得区域PHOT内的氦气被压缩，从而使该氦气的温度升高。压缩热从压缩的氦气传递给内部换热器翅片42，并从该内部换热器翅片42传递给排热翅片44。该热量再从该排热翅片44传递给外界空气。当压气活塞组件12运动到压气活塞壳体10的热端PHOT时，氦气移动到压气活塞壳体10的冷端PCOLD。当氦气经过压气活塞气缸12时，它将热量储存在蓄热器单元14中，并在大约77°K温度下离开蓄热器单元14进入压气活塞壳体10的冷端PCOLD。这时，优选是压缩机活塞50将处在冲程的中部，并沿朝着弹簧组件56的方向运动。这使得压气活塞壳体10的冷端PCOLD中的氦气膨胀，从而进一步降低该氦气的温度，从而使氦气吸热。这样，冷端PCOLD起到制冷单元的作用，也可以作为“冷”源。
通过采用具有径向部件22和环形部件24的受热器20，对于给定的输入功率，斯特林循环低温冷却器2的制冷量可以增加。通常，在斯特林循环低温冷却器2的工作过程中，氦气在压气活塞单元4的冷端处膨胀，这降低了氦气的温度，从而降低了受热器20的温度。在受热器20和氦气中的温度梯度使得热量从要冷冻的装置例如高温超导滤波器(HTSF)流向受热器20和氦气。传热率是要冷冻的装置与受热器20和氦气的温度之间的温度差、要冷却的装置和受热器20之间的界面热阻、受热器20的传导热阻以及受热器20和斯特林循环低温冷却器2内部的氦气之间的对流热阻的函数。
在实际使用中，传热的最大热阻出现在受热器20和氦气之间。定义该对流热阻的方程如下：
(1)Q＝h*A*ΔT
其中：Q＝传热率(瓦)
h＝对流换热系数(瓦/℃m2)
A＝换热面积(m2)以及
ΔT＝温度差(℃)。
斯特林循环低温冷却器2通过采用受热器20而减小对流热阻。该受热器20通过增加换热面积(A)和增加对流换热系数(h)而实现该目的。此外，径向孔26有助于增加在氦气和受热器20的环形部件24之间的对流换热系数(h)。通过减小总对流热阻，对于相同的制冷量，斯特林循环低温冷却器2需要更少的输入功率。
图3表示了采用了改进的受热器20的斯特林循环低温冷却器2的改进性能。如图3所示，在100瓦输入功率时，制冷量从4.25瓦增加到5.7瓦，提高了大约34％。因此，可以通过减小的输入功率来获得所希望的制冷量。
尽管已经介绍了本发明的实施例，但是在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种变化。因此，本发明只能由下面的权利要求和它们的等效物进行限定。
Claims (15)
1.一种用于斯特林循环低温冷却器中的压气活塞单元，该压气活塞单元包括：
壳体，该壳体有冷端和热端；
邻近该壳体内侧的压气活塞衬套；
压气活塞组件，该压气活塞组件位于压气活塞衬套的内部，并可相对于该壳体而轴向滑动，该压气活塞组件包括在其中的蓄热器单元以及位于该压气活塞组件的冷端上的多个径向孔；以及
受热器，该受热器固定在该壳体的冷端，且该受热器包括径向部件和环形部件，该环形部件从该径向部件上垂直延伸，且该环形部件抵靠壳体的冷端。
2.根据权利要求1所述的压气活塞单元，其中：在压气活塞组件中的多个径向孔靠近受热器的环形部件。
3.根据权利要求1所述的压气活塞单元，其中：该受热器的环形部件和受热器的径向部件由单件受热器形成。
4.根据权利要求1所述的压气活塞单元，其中：该受热器由导热金属形成。
5.根据权利要求1所述的压气活塞单元，其中：该压气活塞单元连接换热器单元以及压缩机和线性马达组件。
6.根据权利要求1所述的压气活塞单元，其中：
该压气活塞组件是一个往复运动的压气活塞组件，该压气活塞组件有位于压气活塞衬套内部的冷端和热端，包含在压气活塞组件内的蓄热器单元是一气体蓄热器，其中，
在压气活塞组件的往复运动的一部分期间，在往复运动的压气活塞组件中的多个径向孔位于邻近受热器的环形部件的内表面的位置处。
7.根据权利要求4所述的压气活塞单元，其中：该受热器由铜制成。
8.根据权利要求7所述的压气活塞单元，其中：该受热器由OFHC铜制成。
9.根据权利要求1所述的压气活塞单元，其中：该受热器钎焊在壳体上，以便提供气密密封的环境。
10.一种斯特林循环低温冷却器，包括：
耐压壳体，该耐压壳体有安装于其中的活塞组件，所述活塞组件包括用于在气缸内往复运动的活塞；
压气活塞杆组件，该压气活塞杆组件在其第一端与该活塞相连；以及
压气活塞单元，该压气活塞单元包括：
冷缸壳体，该冷缸壳体有冷端和热端；
位于该壳体内的压气活塞衬套；
往复运动的压气活塞组件，该压气活塞组件位于压气活塞衬套的内部，该压气活塞组件的一端与压气活塞杆组件的第二端相连，该压气活塞组件可在冷缸壳体内轴向滑动，该压气活塞组件还包括在其中的气体蓄热器单元以及位于该压气活塞组件的冷端上的多个径向孔；
受热器，该受热器固定在冷缸壳体的冷端，且该受热器包括径向部件和环形部件，该环形部件垂直于径向部件延伸，并抵靠冷缸壳体的冷端。
11.根据权利要求10所述的斯特林循环低温冷却器，其中：该受热器的环形部件和受热器的径向部件由单件受热器形成。
12.根据权利要求10所述的斯特林循环低温冷却器，其中：该受热器由导热金属形成。
13.根据权利要求12所述的斯特林循环低温冷却器，其中：该受热器由铜制成。
14.根据权利要求13所述的斯特林循环低温冷却器，其中：该受热器由OFHC铜制成。
15.根据权利要求10所述的斯特林循环低温冷却器，其中：在压气活塞组件的一部分往复运动期间，在往复运动的压气活塞组件中的多个径向孔位于邻近受热器的环形部件的内表面的位置处。
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