CN1225625C - 脉冲管低温冷却器 - Google Patents

Abstract

一种脉冲管低温冷却器，包括：用于工作气体重复输入和吸收的压缩器，通过热辐射部分与压缩器相耦合且内部充入再生剂的再生器，通过冷凝部分与再生器相耦合的脉冲管，以及通过热辐射部分和惯性管与脉冲管相耦合的缓冲容器，其中脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例为0.75至1.5。

Description

脉冲管低温冷却器

技术领域

本发明涉及产生低温温度状态的低温冷却器，特别涉及采用斯特灵(Stirling)循环且包括脉冲管和再生器的低温冷却器。

背景技术

由于采用斯特灵循环的低温冷却器能够通过利用工作气体的压缩和膨胀的重复获得低温温度，因此它广泛地应用于诸如超导元件的冷却，气体的提纯和分离，红外线传感器等等场合。

利用这类斯特灵循环的斯特灵低温冷却器的工作原理将参照图2和图3来讨论。其中，图2是显示制冷循环轮廓的例子的视图，以及，图3是显示根据制冷循环压缩活塞和置换器的起伏周期的图形。

在图2中，斯特灵低温冷却器20由内部含有压缩活塞22的压缩器21，内部充入再生剂的再生器23，形成膨胀腔室25和压缩腔室28的置换器24，制成在膨胀腔室25和再生器23之间的冷凝部分26，以及制成在压缩腔室28周围的热辐射部分27构成。随后，将工作气体在高压下密封到由上述部件所构成的密封流动通道中，以及压缩器21的压缩活塞22和置换器24以它们之间的相位差作往返运动。

此外，在图3中，实线22a表示压缩活塞22的起伏，以及，实线24a表示置换器24的起伏。此外，实线29表示由压缩活塞22的起伏而引起低温冷却器总的容积变化。

从图2中间部分所示的容积(P)-压力(V)的图形中可以看到，斯特灵循环是由两个等温的变化和两个恒定容积变化所组成的过程构成的。

即，从图2的“a”到“b”的过程是等温的膨胀过程，在这时，压缩活塞22从上部极限位置向低部极限位置运动，从而使在膨胀腔室25中的工作气体膨胀，冷凝部分26吸收热Qc，并且实现冷却(图2(A))。

接着，从“b”到“c”过程是恒定容积加热过程，这时，置换器24从低部极限位置向上部极限位置运动，从而使膨胀腔室25内的液体推出并且通过再生器23流到压缩腔室一边的空间，压力升高(图2(B))。

接着，从“c”到“d”的过程是等温压缩的过程，这时，压缩活塞22从低部极限位置向上部极限位置运动，从而使得工作气体送入到压缩腔室28中，并且通过在热辐射部分27从辐射热Qh进行等温压缩(图2(C))。

最后，从“d”到“a”的过程是恒定容积冷凝过程，这时，置换器24从上部极限位置向下部极限位置运动，从而使压缩腔室28内的液体推出且通过再生器23推到膨胀腔室25一边(图2(D))，使压力下降，并且循环周期结束。

顺便提一下，在该循环中，正如图3中的实线22a和24a所示，在压缩活塞22和置换器24之间的相位差设置约为90度。

正如以上所阐述的，在斯特灵低温冷却器中，压缩活塞是由机械功所驱动的，从而在密封空间中的工作气体的压力是变化的，并且在膨胀腔室内的工作气体膨胀被与该压力周期性变化相同步运动的置换器冷凝，因此就能获得高的热效率。

另一方面，对利用这种斯特灵循环的低温冷却器来说，如图4所示的脉冲管低温冷却器也是众所周知的。

这种脉冲管低温冷却器10具有用于工作气体重复输入和吸出的压缩器11，通过热辐射部分12与该压缩器11相耦合且内部充有再生剂的再生器13，通过冷凝部分14与再生器13相耦合的脉冲管15，通过热辐射部分16和惯性管17与该脉冲管15相耦合的缓冲容器18。

工作气体，例如，氦气，氮气或氢气，可以在高的压力下密封到该脉冲管低温冷却器10的密封空间中。随后，类似于上述斯特灵低温冷却器，工作气体的膨胀和压缩是由压缩器来重复，以形成压力的幅度。

这里，在脉冲管低温冷却器10中，脉冲管15内的工作气体30在流体管道中不断的振荡，从而起到了上述斯特灵低温冷却器中的置换器的功能。同样，工作气体30可以通过控制振荡工作气体30位移和压力位移的相位来做功，从热辐射部分12和16辐射热量Q1和Q3，在冷凝部分4吸收热量Q2，冷凝部分变成低温冷却器的冷端，并且能够形成低温的状态。顺便提一下，惯性管17和缓冲器18起着控制振荡的工作气体的位移和压缩活塞的位移的相位的作用。

在该脉冲管低温冷却器中，不需要在斯特灵低温冷却器中安装的置换器，以及可替换掉置换器，这样高压气体就不断的振荡，从而使得工作气体被压缩和膨胀，因此，在低温部分就不存在可移动的部分。于是，可获得在冷端不存在机械振荡，设备结构简单，以及可靠性高的优点。

发明内容

在上述脉冲管低温冷却器中的输出(低温冷却器的输出)取决于与脉冲管内部空间的压力幅度和流动幅度的乘积成比例的输出(下文称之为标称的制冷输出)和在低温冷却器内部所产生的各种热损耗之间的差值，且可以下列公式表示：

(制冷输出)＝(标称的制冷输出)-(热损耗)

因此，为了提高脉冲管低温冷却器的冷却效率，以下两点是很重要的：(1)通过将压缩器的压缩活塞所提供的压力幅度有效地传递给脉冲管来提高标称的制冷输出，以及(2)要减小由于在各个结构部件中的热传导，特别是在低温冷却器内的热传导所引起的热损耗。

首先，关于再生器，为了减小上述的热损耗，有必要减小通过再生器的结构部件的热传导，因为在图4所示的热辐射部分12和冷凝部分14之间存在着温度差异。即，有必要暂时存储压缩器11所提供的并排出的工作气体的潜在的热量，以及减小从高温一边的热辐射部分12的热量通过工作气体流向低温一边的冷凝部分14。

为了这个目的，可以设想通过增加低温冷却器13的内部容量来增加热容量，或通过在轴线方向上加长低温冷却器13来增加热阻。

然而，另一方面，从标称的制冷输出来看，为了能有效地将压缩器11所产生的压力幅度传递给脉冲管15，就有必要缩小再生器的压力损耗。因此，从这个观点出发，再生器的长度最好能短些。

因此，可以设想象在再生器3方面，有必要优化再生器的内部容积，长度等等，以满足上述这些自相矛盾的要求。

另一方面，也与脉冲管15方面有关，为了能减小上述热损耗，有必要降低由于热辐射部分16和冷凝部分14之间的温度差异而引起、通过脉冲管的结构部件热传导，为了这个目的，在脉冲管15的轴线方向上的热阻最好能大些，因此，可以想象通过脉冲管15在轴线方向上的加长来增加热阻。

然而，类似于再生器13，考虑到压力幅度的获得来增加标称的制冷输出，与来自压缩器11的压力幅度有关，在脉冲管15内的压力幅度有必要保持在大的数值上。于是，从压力损耗的观点出发，脉冲管的长度最好能短些。同样，也与脉冲管15有关，可以想象脉冲管的内部容积，长度，等等必须优化，以同时满足自相矛盾的要求。

随后，由于将上述再生器13和脉冲管15连接起来构成低温冷却器，可以想象在低温冷却器的容积，长度等等与脉冲管15的容积，长度等等方面都存在着最佳的范围，且可以想象这些参数对低温冷却器的效率将产生很大的影响。

因此，本发明的第一问题是通过优化上述有关自相矛盾的条件来提供具有高的制冷效率的脉冲管低温冷却器。

此外，能够容易地实现具有优良性能的脉冲管低温冷却器，它没有机械振动，设备结构简单以及可靠性改善，同时，通过安装姿态的调整，即，在安装的同时调整的再生器和脉冲管之间的相对位置关系，很难轻易地改变低温冷却器的输出，以及有必要保证结构不会受到安装姿态的调整太大的影响。

以上已经提出了，脉冲管低温冷却器的制冷输出是由下列关系式表示：

(制冷输出)＝标称制冷输出-(热损耗)

以及，在关系式中的热损耗中，有受到低温冷却器安装姿态的影响的热损耗，存在着密封在内部的工作气体在脉冲管内部空间和再生器内部空间内部产生的对流的热损耗，以及由该热对流从高温端进入冷凝头的热量。

即，由于冷凝头时低温的，例如，约为70K，而高温端通常为正常温度(约为300K)，所以，工作气体的密度就会在冷凝头和高温端之间有很大的差异，且由重力而产生对流，这种对流的程度会受到安装姿态的影响，因此，由这种对流而产生的热损耗也受到安装姿态的影响。

下文，将以脉冲管作为一个例子来讨论安装姿态的影响。

首先，在脉冲管的冷凝头定位在高于高温端的安装状态中，由于在脉冲管的内部空间的工作气体的温度状态是与高温端相接触的下部分的温度高于与冷凝头相接触的上部分的温度，在脉冲管内部空间的工作气体的密度就变成在上部的大而在下部的小，且受到重力的影响工作气体就产生了对流。其结果是，在与高温端相接触的较下部分的工作气体上升，并且将热量传递给设置在上部的冷凝头，以及在与冷凝头相接触的上部中的工作气体将冷却的热量又传递给设置在较下部分的高温端，从而产生热损耗并降低了低温冷却器的制冷输出。

另一方面，在脉冲管的冷凝头定位在低于高温端的安装状态中，由于在脉冲管内部空间的工作气体的温度就变得与高温端相接触的较上部分的温度高于与冷凝头相接触的较下部分的温度，所以在脉冲管内部空间的工作气体的密度就变得在较下部分中的大而在较上部分中的小。因此，在这种安装姿态中，由于工作气体不会由于重力而产生对流以及可以忽略由对流而产生的热损耗，所以能够获得高的制冷输出。

本发明的产生考虑到上述讨论的常规脉冲管低温冷却器的困难，本发明的第二问题是提供脉冲管低温冷却器，它减少了由于安装姿态的差异而产生的制冷输出的差异，以及即使在各种不同的安装条件下都能获得稳定的制冷输出。

为了解决上述第一问题，本发明者及同事认真进行了实验，发现通过将再生器及脉冲管的空间容积，长度，截面部分等等设置在指定比例上可以获得比常规低温冷却器高的制冷输出，并已经完成了该发明。

即，根据本发明的脉冲管低温冷却器包括用于工作气体重复输入和吸收的压缩器，通过热辐射部分与压缩器相耦合且内部充入再生剂的再生器，通过冷凝部分与再生器相耦合的脉冲管，和通过热辐射部分和惯性管与脉冲管相耦合的缓冲容器，并且脉冲管低温冷却器的特征为脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例为0.75至1.5(本发明的权利要求1)。

根据上述发明，通过将脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例设置在上述范围内，从标称的制冷输出的观点来看，在压缩器中所产生的压力幅度能有效地传递到脉冲管，热损耗的发生可以被抑制，以及制冷效率能够提高。

在上述发明中，脉冲管的长度与再生器的长度的比例最好为0.9至1.9(本发明权利要求2)。这样的话，由于在压缩器中所产生压力幅度的损耗能够进一步的减少，因此就提高了标称的制冷输出，也就提高了低温冷却器的制冷效率，以及能够提高制冷输出。

此外，根据本发明的另一个脉冲管低温冷却器包括用于工作气体重复输入和吸收的压缩器，通过热辐射部分与压缩器相耦合且内部充入再生剂的再生器，通过冷凝部分与再生器相耦合的脉冲管，和通过热辐射部分和惯性管与脉冲管相耦合的缓冲容器，并且脉冲管低温冷却器的特征为在所具有等于再生器内部截面部分的区域的圆的直径为内部直径时，再生器的长度除以内部直径的平方所获得的数值为0.11至0.26(本发明权利要求3)。

根据上述发明，通过将再生器的长度和截面设置在以上所规定的范围内，以尽可能地抑制热损耗使得再生器轴向方向上的热阻变大，也将压力损耗抑制在极限范围内，使得在压缩器中所产生的压力幅度能够有效地传递到脉冲管，因此就有可能提高标称的制冷输出以及提高制冷效率。

此外，作为本发明者解决第二问题的早期实验的结果，已经发现了与常规脉冲管低温冷却器相比能够减少由安装姿态所引起的制冷输出差异的条件。

即，在本发明中，为了解决第二问题，在脉冲管和再生器水平设置的脉冲管低温冷却器中，脉冲管的内部截面部分与再生器的内部截面部分的比例设置为不小于0.1和不大于0.35(本发明权利要求4)。

因此，在包括脉冲管和再生器的脉冲管低温冷却器中，脉冲管的内部直径设置为12mm或小于12mm(本发明权利要求5)。

当构成脉冲管低温冷却器使得脉冲管的内部截面与再生器的内部截面的比例，或脉冲管的内部直径设置成上述范围内的数值，正如下文将介绍的，在脉冲管内部空间所产生的工作气体的自然对流而产生的热损耗变成等效于在再生器内部空间所产生工作气体的自然对流而产生的热损耗，即使在安装的姿态发生上下变化的条件下依然如此，由于可以抵消上述两项热损耗，所以就减小了由安装姿态所引起的制冷输出的差异，就能够获得在各种安装的条件下都可具有稳定制冷输出的脉冲管低温冷却器。

附图说明

[图1]本发明脉冲管低温冷却器的实例的结构示意图。

[图2]显示采用斯特灵循环的斯特灵低温冷却器的工作原理的举例示意图。

[图3]显示在斯特灵循环中压缩活塞和置换器之间相位的图形。

[图4]脉冲管低温冷却器的结构示意图。

[图5]显示实例1结果的图形。

[图6]显示实例2结果的图形。

[图7]显示实例3结果的图形。

[图8]显示实例4结果的图形。

[图9]显示实例5结果的图形。

标号和符号的描述

10脉冲管低温冷却器

11压缩器

11a连接导管

12热辐射部分

13再生器

14冷凝部分

15脉冲管

16热辐射部分

17惯性管

18缓冲容器

19a冷却的散热器

19b冷凝头

19c热辐射头

具体实施方式

下文尽管是在图1的基础上讨论本发明的实施方式，但是本发明并不局限于下列方式。

图1显示了本发明脉冲管低温冷却器所示意的结构。值得注意的是，由于基本结构与图4的结构相同，所以与图4相同的部件就采用同样的符号来表示，且省略了对它们的解释。

在该脉冲管低温冷却器10中，耦合着未显示的压缩器的连接导管11a，热辐射部分12，再生器13，冷凝部分14，脉冲管15和热辐射部分6依序连接成一体，且形成完整的圆柱形状。

惯性管17通过热辐射部分16与脉冲管15相耦合，以及还通过惯性管17与缓冲容器18相耦合。

该惯性管17和缓冲容器18用于控制在脉冲管15中的工作气体振荡的位移相位和连接着连接导管11a的未显示的压缩器的压缩活塞的位移相位。

另外，在热辐射部分12周围提供了用于热辐射的冷却散热片19a，在冷凝部分14周围提供了冷却头19b，以及在热辐射部分16周围提供了热辐射头部分19c。

有利于工作气体热传导的热传导材料设置在热辐射部分12，冷凝部分14，以及热辐射部分16。其中，作为热传导材料来说，最好能采用具有优良热传导性能的金属网，例如，铜或铝。

在本发明中，在与再生器13有关的关系中，脉冲管15的空间容积和脉冲管的长度都很重要，已经发现这些参数已成为确定受标称的制冷输出和热损耗影响的制冷效率的因素。值得注意的是，本发明的脉冲管的长度是指图1中冷凝部分14和热辐射部分16之间的轴向距离L2。

尽管脉冲管15的材料并没有特别的限制，但是考虑到强度，热传导等等，最好能采用金属，特别是采用不锈钢。此外，由于脉冲管15的长度L2是根据以下将要讨论的再生器的关系来确定的，所以并没有特别的限制，但是在制冷输出约为2W的情况下，脉冲管15的长度L2最好是在40至100mm的范围内。此外，脉冲管15的内部容积最好是在5至30ml的范围内。

具有大的热容量的再生剂是设置在再生器13的内部空间中。其中，作为再生剂来说，可以使用诸如不锈钢网或球的优良材料，但这并没有特别的限制。此外，尽管充入的剂量是可以适当选择的，但是与再生器13的空间容积的空隙比例最好为容积的60％至80％。

在本发明中，在与脉冲管15的关系中，再生器13的空间容积，内部直径和长度都是很重要的，且成为确定受标称的制冷输出和热损耗影响的制冷效率的因素。其中，在本发明中的再生器13的长度是指是指图1中热辐射部分12和冷凝部分14之间的轴向距离L1。此外，内部直径是指在图1中再生器13的内部截面部分转换成圆的情况下的直径D。

由于是通过脉冲管15的空间容积和长度的关系来规定再生器13的空间容积，所以并没有特别地限制，但是最好是设置在5至30ml的范围内。此外，再生器的长度L1最好能设置在40至100mm的范围内，以及再生器13的内部直径D最好能设置在15至20mm的范围内。

接着，讨论再生器13和脉冲管15之间的关系。

在本发明中，必须将脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例确定为0.75至1.5，最好是0.8至1.4。这样的话，从标称制冷输出的观点来看，在压缩器中所产生的压力幅度能够有效地传递到脉冲管15，以及能够通过再生器13的热阻来抑制热损耗，从而改善脉冲管低温冷却器的制冷效率和提高制冷输出。

在上述比例小于0.75的情况下，再生器13的空间容积就过分大，而脉冲管的空间容积就过分小。

在再生器13的空间容积过大的情况下，尽管增加了再生剂的热容量和表面面积以及也增加了减小热损耗的效果，但是在压缩器中所产生的压力幅度与传递到脉冲管15的压力幅度的比例(压缩比例)却下降了很多，在脉冲管15中的压力幅度也下降了，结果也降低了标称的制冷输出以及降低了制冷的效率，所以这并不推荐。此外，在脉冲管15的空间容积过分小的情况下，由于没有能在脉冲管15中形成所谓的气体活塞，所以也降低了标称的制冷输出以及也降低了制冷的效率，这也不是最好的。

另一方面，当上述的比例超过了1.5时。再生器13的空间容积就变得过分小，而脉冲管15的空间容积就变得过分小，在前一种情况下，再生器13的热容量和再生剂的表面面积就降低了且热损耗增加了，在后一种情况下，脉冲管15的空间容积增加了，使得压缩比例下降了，降低了标称的致冷输出制冷效率也降低了，这也不是最好的。

此外，在本发明中，脉冲管15的长度L2与再生器13的长度L1的比例，即，L2/L1，推荐设置为0.9至1.9，最好是设置为1.0至1.7。这样的话，由于能够进一步降低在压缩器中所产生的压力幅度，所以能够提高制冷效率以及能够提高制冷输出。

在上述比例小于0.9的情况下，再生器13的长度就变得过大，就增加了在再生器13中的压力损耗，以及降低了标称的制冷输出，所以这并不是最好的，而当上述比例超过1.9时，再生器13的长度就变得过小，通过再生器13的结构部件的热传导质量就提高了，轴向方向上的热阻就降低了，热损耗增加了，所以这也不是最好的。

另外，在本发明中，再生器13的长度L1除以内部直径D的平方所获得的数值推荐为0.11至0.26，最好为0.15至0.25。这样的话，尽可能使再生器13在轴向方向上的热阻大些，热损耗得以抑制，将再生器13的压力损失抑制在极限，压缩器所产生的压力幅度能有效地传递到脉冲管15，以及能提高标称的制冷输出。

在上述比例小于0.11的情况下，再生器13的长度就变得过小，降低了在轴向方向上的热阻，增加了热损耗，或者通过增加内部直径D使空间容积变得过大，压缩比例下降，标称的制冷输出也下降，以及制冷的效率也降低，所以这并不是最好的，而当上述的比例超过0.26时，因为再生器的长度变得过大，所以压力损耗增加，标称的制冷输出也降低，以及制冷的效率也降低，所以这并不是最好的。

接着，讨论该脉冲管低温冷却器10的工作。

未显示的压缩器与连接导管11a相连接以构成密封的空间，工作气体，例如氦气密封在密封的空间中。尽管工作的气体没有特殊的限制，但是可以使用氦气，氮气，氢气，氧气或类似的气体。在应用于70K或低于70k的低温条件下，最好使用氦气或氢气，使得工作气体不会被液化。此外，工作气体的密封压力最好是2至4MPa。

当将压力的幅度从压缩器施加到工作气体时，在脉冲管15中的工作气体就会根据上述的工作原理而不断的振荡，热量就从热辐射部分16释放出，且由冷凝部分14产生低温状态，冷凝部分成为低温冷却器冷却的冷头。在这种情况下，施加到工作气体上的压力幅度最好为0.1至0.4MPa，而频率最好为45至55Hz。

随后，当需要冷却的物体置于该状态中的冷凝部分14时，热量就从需要冷却的物体中吸收，热量从热辐射部分16释放出，以及将热辐射到系统的外面。

同时，由于脉冲管15的空间容积与再生器13的空间容积的比例设置在0.75至1.5的范围内，压缩器所产生的压力幅度有效地传递到脉冲管15，以提高标称制冷输出，以及适当地提供再生器13的热阻和降低热损耗，这样就有可能在高的制冷效率和在最佳的条件下工作。

实例

下文尽管利用一些例子更详细地讨论本发明，但是本发明并不局限于这些例子。

[实例1]

使用图1所示的脉冲管低温冷却器，在各种不同的条件下变化脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例，以及测量在70K冷却温度下的制冷输出(W)。其结果如图5所示。

值得注意的是，低温冷却器的工作条件为以氦气作为工作气体，在2.1MPa的压力下密封，压力的幅度为0.2MPa以及频率为50Hz。此外，再生器和脉冲管的材料是不锈钢制成的，以及在再生剂充入再生器时，设置400目的不锈钢金属网，使得填入的比例为60％。此外，100目的铜金属网作为热传导材料使用。

图5是显示脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例和制冷输出之间关系的曲线，其横坐标表示脉冲管的空间容积除以再生器的空间容积所获得的数值，而纵坐标表示在70K的冷却温度时的制冷输出。在该图中，条件1表示脉冲管的内部直径为15mm和再生器的内部直径为20mm的情况，而条件2表示脉冲管的内部直径为14mm和再生器的内部直径为18mm的情况。此外，实线1和实线2分别是回归方程式在条件1和条件2下的测量数值的二次方程曲线。

从图5的结果中可以看到，制冷输出有一个对应于脉冲管的空间容积与再生器的空间容积比例向上凸出的关系，可以理解到，在本发明范围内，制冷输出在0.75至1.5是高的。

[实例2]

使用图1所示的脉冲管低温冷却器，在各种不同的条件下变化脉冲管的长度L2与再生器的长度L1的比例，以及测量在70K冷却温度下的制冷输出(W)。其结果如图6所示。值得注意的是，低温冷却器的工作条件类似于实例1的工作条件。

图6是显示脉冲管的长度与再生器的长度的比例和制冷输出之间关系的曲线，其横坐标表示脉冲管的长度除以再生器的长度所获得的数值，而纵坐标表示在70K的冷却温度时的制冷输出。在该图中，条件3表示脉冲管的内部直径为15mm和再生器的内部直径为20mm的情况，而条件4表示脉冲管的内部直径为14mm和再生器的内部直径为18mm的情况。此外，实线3和实线4分别是回归方程式在条件3和条件4下的测量数值的二次方程曲线。

从图6的结果中可以看到，制冷输出有一个对应于脉冲管的长度与再生器的长度的比例向上凸出的关系，可以理解到，在本发明范围内，制冷输出在0.9至1.9是高的。

[实例3]

使用图1所示的脉冲管低温冷却器，在各种不同的条件下变化再生器的长度L1除以再生器的内部直径D的平方所获得的数值，以及测量在70K冷却温度下的制冷输出(W)。其结果如图7所示。值得注意的是，低温冷却器的工作条件类似于实例1的工作条件。

图7是显示再生器的长度L1除以再生器内部直径D的平方所获得数值和制冷输出之间关系的曲线，其横坐标表示再生器的长度L1除以再生器内部直径D的平方所获得数值，而纵坐标表示在70K的冷却温度时的制冷输出。在该图中，条件5表示再生器的内部直径为20mm的情况下的测量数值，而条件6表示再生器的内部直径为18mm的情况下的测量数值。此外，实线5和实线6分别是回归方程式在条件5和条件6下的测量数值的二次方程曲线。

从图7的结果中可以看到，制冷输出有一个对应于再生器的长度L1除以再生器内部直径D的平方所获得数值向上凸出的关系，可以理解到，在本发明范围内，制冷输出在0.11至0.26是高的。

[实例4]

使用图1所示的脉冲管低温冷却器，变化脉冲管15内部空间的截面部分与再生器13内部空间的截面部分的比例，进行在70K冷却温度下的冷却工作，以及在脉冲管15的定位高于再生器13的定位安装情况下和在脉冲管15的定位低于再生器13的定位安装情况下测量制冷输出。值得注意的是，这时，以氦气作为工作气体使用，在2.1MPa的压力下密封且在压力幅度为0.2MPa和频率为50Hz下工作。此外，再生器13和脉冲管5采用不锈钢制成，400目的不锈钢金属网用于再生剂，将再生剂填入再生器13且填入比例为60％。另外，100目的铜金属网用于热辐射部分12，冷凝部分14和热辐射部分16的热传导材料。

图8是显示在该测量测试中所获得结果的特征图。在该图中，纵向坐标表示在脉冲管15的定位高于再生器13的安装情况下的制冷输出与在脉冲管15的定位低于再生器13的安装情况下的制冷输出之间的差异，而水平坐标表示脉冲管15的内部空间截面部分与再生器13的内部空间截面部分的比例。在该图中，由“·”指示的特征曲线(条件1)表示在再生器的内部直径为18mm情况下的测量数值，而由“◆”指示的特征曲线(条件2)表示在再生器的内部直径为20mm情况下的测量数值。此外，实线是这些测量数值的线形回归方程式。

正如该图所显示的，在本发明者的测试范围内，由安装状态而引起的制冷输出之间的差异与脉冲管的截面部分和再生器的截面部分的比例成线性关系，并且可以理解到，特别是在脉冲管的截面部分与再生器的截面部分的比例为0.1至0.35的情况下，由安装状态而引起的制冷输出之间的差异可抑制到最小。同样，如果脉冲管的截面部分与再生器的截面部分的比例选择在0.1至0.35的范围内并构成脉冲管低温冷却器，即使安装的姿态上下变化，但所获得制冷输出的变化可抑制到最小，且能够获得稳定的制冷输出。

在脉冲管低温冷却器中由工作气体的自然对流所引起的热损耗包括在脉冲管15内部空间的工作气体的自然对流引起的热损耗A和在再生器13内部空间的工作气体的自然对流引起的热损耗B，以及由于高温部分和低温部分在上下方向上的位置形成了在脉冲管15和再生管15之间存在一个相对的方向，在脉冲管15的定位高于再生器13的定位的情况下，热损耗A增加，而热损耗B抑制到最小。另一方面，在脉冲管15的定位低于再生器13的定位的情况下，热损耗B增加，而热损耗A抑制到最小。因此，正如以上所讨论的，如果脉冲管的截面部分与再生器的截面部分的比例选择在0.1至0.35的范围内，由于在脉冲管15的定位高于再生器13的定位的情况下的热损耗A等于在脉冲管15的定位低于再生器13的定位的情况下的热损耗B，那么即使安装的姿态在上下方向上变化，仍能获得几乎相等的制冷输出。

在脉冲管的截面部分与再生器的截面部分的比例小于0.1的情况下，由于再生器的截面部分变得相对过大，在脉冲管的定位低于再生器的定位的安装情况下所得到的热损耗B就会变得大于在脉冲管的定位高于再生器的定位的安装情况下所得到的热损耗A，当脉冲管定位在较低部分时，制冷输出就会大大降低。此外，当脉冲管的截面部分与再生器的截面部分的比例超过0.35时，由于脉冲管的截面部分就会变得相对地过大，且脉冲管的热损耗A就相对增加，当脉冲管定位在较高的部分时，制冷输出就会大大降低。

[实例5]

使用图1所示的脉冲管低温冷却器，变化脉冲管15的内部直径来进行在70K冷却温度下的冷却工作，以及测量在脉冲管15的定位高于再生器13的定位的安装情况下的制冷输出和在脉冲管15的定位低于再生器13的定位的安装情况下的制冷输出。值得注意的是，这时，以氦气作为工作气体使用，在3.1MPa的压力下密封且在压力幅度为0.2MPa和频率为50Hz下工作。此外，再生器13和脉冲管15采用不锈钢制成，400目的不锈钢金属网用于再生剂，将再生剂填入再生器13且填入比例为60％。另外，100目的铜金属网用于热辐射部分12，冷凝部分14和热辐射部分16的热传导材料。

图9是显示在该测量测试中所获得结果的特征图。在该图中，纵向坐标表示在脉冲管15的定位高于再生器13的安装情况下的制冷输出与在脉冲管15的定位低于再生器13的安装情况下的制冷输出之间的差异，而水平坐标表示脉冲管15的内部直径。在该图中，由“·”指示的特征曲线表示测量数值，而实线是这些测量数值的线形回归方程式。

正如图中所显示的，可以理解到，随着脉冲管15的内部直径的减小，在由安装状态所引起的制冷输出之间的差异也减小，特别是在脉冲管15的内部直径小于12mm的情况下，由安装状态所引起的制冷输出之间的差异被抑制到了最小。同样，如果脉冲管的内部直径选择12mm或小于12mm且构成脉冲管低温冷却器，即使变化安装的姿态，在所获得制冷输出中的变化可以抑制到最小，且能够获得稳定的制冷输出。

[本发明的优点]

正如以上所讨论的，根据本发明(权利要求1至3的发明)，通过将再生器和脉冲管的空间容积和长度调整和优化在指定的比例上就能提供具有高的制冷效率的脉冲管低温冷却器。这样的话，由于有可能有效地获得在70K附近的低温，因此本发明能够适用于在诸如冷却高温超导元件的场合中适用。

此外，根据本发明(权利要求4和5的发明)，在脉冲管和再生器直线设置的脉冲管低温冷却器中，由于脉冲管的内部截面部分与再生器的内部截面部分的比例，以及脉冲管的内部直径都选择在预定的数值上且最佳化，因此就减小了由于安装姿态的差异所引起的制冷输出的差异，且能在各种安装条件下获得稳定的输出。

Claims (3)

1.一种脉冲管低温冷却器，包括：用于工作气体重复输入和吸收的压缩器，通过热辐射部分与压缩器相耦合且内部充入再生剂的再生器，通过冷凝部分与再生器相耦合的脉冲管，以及通过热辐射部分和惯性管与脉冲管相耦合的缓冲容器，其特征在于：脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例为0.75至1.5。

2.如权利要求1所述的脉冲管低温冷却器，其特征在于：脉冲管的长度与再生器的长度的比例为0.9至1.9。

3.如权利要求1或2所述脉冲管低温冷却器，其特征在于：脉冲管的内部直径为12mm或小于12mm。

Images