CN1961183A - 带有频率调制机械共振器的深冷冷却器系统 - Google Patents

带有频率调制机械共振器的深冷冷却器系统 Download PDF

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Abstract

一种提供制冷效果的系统，其中频率调制机械共振器(1)定位在压力波发生器(10)与深冷冷却器之间，并且降低从压力波发生器发出的振荡气体的频率，以便使得该频率更接近深冷冷却器的更高效的工作频率。

Description

带有频率调制机械共振器的 深冷冷却器系统
技术领域
本发明总体上涉及低温或深冷制冷，例如由脉冲管深冷冷却器产生的制冷效果。
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荡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。其它的这种深冷冷却器系统是Gifford-McMahon深冷冷却器和斯特林深冷冷却器。
常规的深冷冷却器系统的一个问题在于，该深冷冷却器系统的最高效的工作频率与振荡气体产生系统的最高效的工作频率之间的不匹配所导致的可能出现的效率降低。
因此，本发明的目的在于提供一种改进的深冷冷却器系统，其提供更高效的工作。
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：
一种用于操作深冷冷却器系统的方法，其包括：
(A)借助电驱动的压力波发生器产生频率在25-125赫兹范围内的振荡气体；
(B)借助一频率调制机械共振器来降低该振荡气体的频率以便产生频率较低的振荡气体；和
(C)使得该频率较低的振荡气体流向深冷冷却器以便产生制冷效果。
本发明另一方面在于：
一种频率调制的深冷冷却器系统，其包括：
(A)电驱动的压力波发生器；
(B)用于接受来自该压力波发生器的振荡气体的频率调制机械共振器；和
(C)用于接受来自该频率调制机械共振器的深冷冷却器。
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“频率调制机械共振器”意味着一个或多个质量块、弹簧、和活塞系统的组合，其设计成便于调制深冷冷却器的工作频率以便获得改进的性能。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的示意图，其采用了设置在管路上的频率调制机械共振器，其中深冷冷却器是脉冲管深冷冷却器。
图2是实施本发明所采用的频率调制系统的示意图。
图3是采用设置在管路上的频率调制机械共振器的本发明的另一个优选实施例的示意图，其中深冷冷却器是脉冲管深冷冷却器。
在附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施方式
本发明包括使用定位在电动的压力波发生器与深冷冷却器之间的低损失的频率调制机械共振器以便在不损失电动机的任何额定功率的情况下驱动低频深冷冷却器，该电动机以固有的交流电频率运行。机械共振器是能量传输装置，因此其具有较低的损失。低损失的机械共振器是损失小于相当的例如为长管的流体共振器的装置。
以下将参照附图来详细描述本发明。现参照图1，压力波发生器10是共振的线型马达压缩系统，该压力波发生器具有轴向往复运动的电磁变换器，其具有与活塞11连接的悬挂系统12。该往复运动的活塞以(未示出的)交流电源提供的频率产生振荡运动。尽管在图中未示出，但是还设置有冷却系统以便使得该共振的线型马达中的摩擦损失和电损失所产生的热量排散出去。该压力波发生器以交流电源的固有频率运行，并且通常产生频率在25-120赫兹范围内的振荡气体。深冷冷却器的最佳工作频率与压力波发生器的最佳工作频率明显不同。因此，在压力波发生器与深冷冷却器的高效工作之间存在不匹配的情况。特别是，用于低温例如低于70K的深冷冷却器在低于50赫兹的频率下可更高效地工作。实际上，这些深冷冷却器的最高效的工作频率可能是低于30赫兹，优选为低于10赫兹，并且最优选为低于5赫兹。
由压力波发生器产生的振荡气体在管路15流入位于压力波发生器10与深冷冷却器之间的低损失的频率调制机械共振器1。频率调制机械共振器1具有实心的活塞2或质量块2，并且设计成便于将压力波发生器的工作频率转换成深冷冷却器再生器20和热缓冲管40的工作频率；换言之，该频率调制机械共振器在深冷冷却器的再生器20的暖端处复制(replicate)深冷冷却器的动态状态。如附图标记3表示的悬挂件是对于实心活塞的运动提供稳定性的线型悬挂件。如此构造的频率调制机械共振器使得由摩擦和阻力产生的损失减至最小。
图2是表示用于图1所示的系统中的频率调制机械共振器的弹簧、质量块和阻尼器的示意图。现参照图2，第一质量块m1与弹簧k1连接并且可沿一个方向x1自由地振荡。该第一质量块和弹簧代表了典型的压力波发生器10的活塞。随时间以正弦曲线变化的加压函数应用于其上。该质量块-弹簧与可自由地振荡的另一弹簧(k2)-质量块(m2)-弹簧(k3)系统连接，其中m2代表频率调制机械共振器1。整个系统具有两个自由度x1和x2，其经历了两个明显不同的自然频率ω1和ω2。有利的是，弹簧和质量块可设计成便于产生两个以独特频率的单独的运动。
该频率调制机械共振器用于降低振荡气体的频率，以便产生频率较低的振荡气体，振荡气体的频率低于压力波发生器的共振频率并且接近深冷冷却器的优选的工作频率。该频率较低的振荡气体通常具有低于40赫兹的频率，典型地具有低于30赫兹的频率，其优选为低于10赫兹，最优选为低于5赫兹。现再参照图1，该频率较低的脉冲气体随后沿管路16流入脉冲管深冷冷却器的再生器20。
该频率较低的振荡气体使得脉冲施加到再生器20的热端上，由此产生振荡的工作气体并启动脉冲管时序过程的第一部分。该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并且冷却该被压缩的工作气体的压缩热。在本发明的实施方式中用作传热流体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力波发生器产生的压力-容积功而实现的。
再生器20包含再生器介质或传热介质。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流向在冷端的热缓冲管40。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。所得到的被加温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，在热缓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的适当的同相，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、线型交流发电机、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。
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。
图3示出了与图1所示的结构相似的另一结构，其中采用了两个频率调制机械共振器35和36。这是采用了相对的双频率调制机械共振器的振动平衡系统，以便消除由该频率调制装置产生的振动正负符号差。图3中的与图1和图2所示的实施例中共用的部件不再详细描述。在振荡状态中的单个活塞包括反作用/反射振动噪音。同相的相对的双活塞例如图3所示的系统可降低这种反作用/反射振动噪音。
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。例如，可使用Gifford-McMahon深冷冷却器或斯特林深冷冷却器以便代替图1和3所示的脉冲管深冷冷却器。此外，可采用其它的频率调制机械共振器。在所述的其它的频率调制机械共振器中，可以指定：活塞质量块借助O型密封件与壁密封的共振器、活塞质量块借助弹簧系统与壁密封的共振器、采用波纹结构以便保持、密封、和引导该活塞质量块同时向共振器提供另一弹性常数的共振器、以及具有这种波纹管结构并且其中的活塞质量块借助O型密封件与壁密封的共振器。

Claims (9)

1.一种用于操作深冷冷却器系统的方法，其包括：
(A)借助电驱动的压力波发生器产生频率在25-125赫兹范围内的振荡气体；
(B)借助一频率调制机械共振器来降低该振荡气体的频率以便产生频率较低的振荡气体；和
(C)使得该频率较低的振荡气体流向深冷冷却器以便产生制冷效果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该频率较低的振荡气体的频率低于该压力波发生器的共振频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该频率较低的振荡气体的频率低于30赫兹。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该频率较低的振荡气体的频率低于10赫兹。
5.一种频率调制的深冷冷却器系统，其包括：
(A)电驱动的压力波发生器；
(B)用于接受来自该压力波发生器的振荡气体的频率调制机械共振器；和
(C)用于接受来自该频率调制机械共振器的深冷冷却器。
6.如权利要求5所述的频率调制的深冷冷却器系统，其特征在于，该压力波发生器是线型压缩机。
7.如权利要求5所述的频率调制的深冷冷却器系统，其特征在于，该频率调制机械共振器包括活塞、质量块和弹性件。
8.如权利要求5所述的频率调制的深冷冷却器系统，其特征在于，包括第二频率调制机械共振器，其中两个共振器以面对方式定位。
9.如权利要求5所述的频率调制的深冷冷却器系统，其特征在于，该深冷冷却器是脉冲管深冷冷却器。
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