DE102011009997A1

DE102011009997A1 - Pulsrohrkühler

Info

Publication number: DE102011009997A1
Application number: DE201110009997
Authority: DE
Inventors: Kyosuke Tokyo Nakano
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: DE102011009997B4; JP5425754B2; JP2011179808A

Abstract

Ein Pulsrohrkühler weist ein Regeneratorrohr, ein Pulsrohr und einen Kondensator auf, der ein atmosphärisches Gas kondensiert und an kalten Enden des Regeneratorrohrs und am Pulsrohr angeordnet ist, um auch als eine Kühlstufe zu wirken. Der Kondensator weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die zueinander weisen, weiter einen Flusspfad mit zwei Öffnungen auf der ersten Oberfläche, der das kalte Ende des Regeneratorrohrs und das kalte Ende des Pulsrohrs verbindet, und mehrere Löcher, die sich von der zweiten Oberfläche erstrecken. Die Löcher, die in einem Bereich des Kondensators ausgeformt sind, der durch einen Kreis definiert wird, der eine Mitte auf einer geraden Linie hat, welche die Mitten der Öffnungen des Flusspfades verbindet, verlaufen nicht durch den Kondensator bis zur ersten Oberfläche. Der Kreis ist der kleinste Kreis, der die Öffnungen umschließt oder ein umschreibender bzw. umlaufender Kreis, der die Öffnungen umgibt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Ein gewisser Aspekt dieser Offenbarung bezieht sich auf einen Pulsrohrkühler.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Pulsrohrkühler werden allgemein verwendet, um Vorrichtungen, wie beispielsweise Magnetresonanzbildgebungsvorrichtungen (MRI-Vorrichtungen, MRI = magnetic resonance imaging), zu kühlen, welche eine kryogene bzw. gekühlte Umgebung erfordern.
In einem Pulsrohrkühler bzw. Pulsröhrenkühler wird bewirkt, dass ein Kühlmittelgas (beispielsweise Helium-Gas), d. h. ein Arbeitsströmungsmittel, welches durch einen Kompressor komprimiert wird, wiederholt in ein Regeneratorrohr und ein Pulsrohr fließt, und dass es aus dem Regeneratorrohr und dem Pulsrohr zurück in den Kompressor fließt. Als eine Folge wird ”Kälte” an kalten Enden des Regeneratorrohrs und des Pulsrohrs erzeugt. Die kalten Enden sind mit einer Kühlstufe verbunden, und die Kühlstufe wird in thermischen Kontakt mit einem Objekt gebracht, um Wärme vom Objekt abzuziehen. Man nehme beispielsweise einen Pulsrohrkühler, der für einen MRI-Kryostaten verwendet wird. Eine Kühlstufe des Pulsrohrkühlers ist in einem Raum angeordnet, der mit einem Tank für flüssiges Helium in Verbindung steht, der einen MRI-Magneten enthält, so dass der MRI-Magnet auf eine kryogene Temperatur abgekühlt wird.
Um den MRI-Magneten auf der kryogenen Temperatur zu halten, muss hier flüssiges Helium konstant zum Tank für flüssiges Helium geliefert werden, um flüssiges Helium zu ersetzen, welches durch Wärmeaustausch verdampft. Aus diesem Grund wird normalerweise ein Kondensator nahe der Kühlstufe vorgesehen (beispielsweise direkt unter der Kühlstufe), um das verdampfte Helium (Helium-Gas) wieder zu einer Flüssigkeit zu kondensieren. Die offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2006-214717 offenbart beispielsweise einen Pulsrohrkühler, bei dem ein Kondensator und eine Kühlstufe integriert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Pulsrohrkühler vorgesehen, der ein Regeneratorrohr aufweist; weiter ein Pulsrohr; und einen Kondesator, der ein atmosphärisches Gas kondensiert und an kalten Enden des Regeneratorrohrs und des Pulsrohrs angeordnet ist, um auch als eine Kühlstufe zu wirken. Der Kondensator weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die zueinander hin weisen, einen Flusspfad mit zwei Öffnungen auf der erste Oberfläche, der das kalte Ende des Regeneratorrohrs und das kalte Ende des Pulsrohrs verbindet, und mit mehreren Löchern, die sich von der zweiten Oberfläche erstrecken. Wenn man von einer Richtung parallel zur Achse des Regeneratorrohrs oder des Pulsrohrs schaut, verlaufen die Löcher, die in einem Bereich des Kondensators geformt sind, der von einem Kreis mit der Mitte auf einer geraden Linie definiert wird, welche die Mitten der Öffnungen des Flusspfades verbindet, nicht durch den Kondensator bis zur ersten Oberfläche. Der Kreis ist der kleinste Kreis, welcher die Öffnungen des Flusspfades oder einen umschriebenen Kreis umschließt, welcher die Öffnungen des Flusspfades umgibt bzw. umschreibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensators mit mehreren Löchern;
2 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht eines Pulsrohrkühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht eines Kondensators eines Pulsrohrkühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4A und 4B sind eine Draufsicht und eine Ansicht von unten eines Kondensators eines Pulsrohrkühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensators eines Pulsrohrkühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensators eines Pulsrohrkühlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht eines Kondensators eines Pulsrohrkühlers gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Kondensationseffekt (oder der Heliumgas-Kühleffekt) des Kondensators verbessert sich, wenn die Fläche des thermischen Kontaktes mit dem Heliumgas zunimmt. Daher werden normalerweise mehrere Löcher in einem Kondensator geformt, um seine Oberfläche zu vergrößern.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kondensators 60, der mehrere Löcher hat und auch als eine Kühlstufe wirkt.
Wie in 1 veranschaulicht, hat der Kondensator 60 eine Oberseite 2 und eine Unterseite 3. Die Oberseite 2 ist mit einem kalten Ende 42b eines Regeneratorrohrs 41 und mit einem kalten Ende 47b eines Pulsrohrs 46 verbunden. Das kalte Ende 42b des Regeneratorrohrs 41 und das kalte Ende 47b des Pulsrohrs 46 sind miteinander über einen Gasflusspfad 48 verbunden, der im Kondensator 60 geformt ist. Der Kondensator 60 hat auch mehrere Durchgangslöcher 10, die durch den Kondensator 60 von oben nach unten verlaufen. Die Durchgangslöcher 10 sind vorgesehen, um die Oberfläche des Kondensators 60 zu vergrößern.
Obwohl dies in 1 nicht veranschaulicht ist, ist der Kondensator 60 in einem isolierenden Container bzw. Behälter aufgenommen. Auch ist ein (nicht gezeigter) Tank für flüssiges Helium, welcher einen MRI-Magneten enthält, unter der Unterseite 3 des Kondensators 60 vorgesehen. Entsprechend ist eine Heliumgasatmosphäre in dem isolierenden Behälter vorhanden.
Die Temperatur des flüssigen Heliums in dem Tank für flüssiges Helium steigt aufgrund des Wärmeaustausches mit dem MRI-Magneten. Als eine Folge wird das flüssige Helium verdampft und in ein Heliumgas umgewandelt. Wenn das Heliumgas den Kondensator 60 berührt, wird das Heliumgas gekühlt und wieder zu Flüssigkeit kondensiert und die Flüssigkeit (flüssiges Helium) kehrt zum Tank für flüssiges Helium zurück. Somit macht es der Kondensator 60 möglich, konstant flüssiges Helium zum Tank für flüssiges Helium zu liefern, um das verdampfte flüssige Helium zu ersetzen und dadurch den MRI-Magneten auf einer kryogenen Temperatur zu halten (beispielsweise bei ungefähr 4 K).
Bei der Konfiguration des Kondensators 60, wie er in 1 veranschaulicht ist, kann jedoch ein Teil des Heliumgases (des verdampften flüssigen Heliums) leicht von einem unteren Raum (75) über die Durchgangslöcher 10 des Kondensators 60 zu einem Raum zwischen dem Regeneratorrohr 41 und dem Pulsrohr 46 fließen. Dies kann die Flussgeschwindigkeit des Heliumgases in dem Raum zwischen dem Regeneratorrohr 41 und dem Pulsrohr 46 vergrößern und dadurch den Konvektionswärmeverlust vergrößern. Auch kann eine starke Konvektion bewirken, dass die Temperaturen des Regeneratorrohrs 41 und des Pulsrohrs 46 variieren, und dies kann die Kühlleistung des Pulsrohrkühlers verringern.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
2 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht eines beispielhaften Pulsrohrkühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist der Pulsrohrkühler als ein zweistufiger Pulsrohrkühler 100 ausgeführt.
Wie in 2 veranschaulicht, weist der zweistufige Pulsrohrkühler 100 einen Kompressor 111, eine obere Gehäuseeinheit 101, einen Flansch 121 und einen kalten Kopf 120 auf, der über den Flansch 121 mit der oberen Gehäuseeinheit 101 verbunden ist. Die obere Gehäuseeinheit 101 weist ein Gehäuse 105 auf. Das Gehäuse 105 nimmt ein Reservoir 115A der ersten Stufe, ein Reservoir 115B der zweiten Stufe, ein Ventil 112, ein Ventil 113 und Zumessöffnungen 117 auf. Das Ventil 112 und das Ventil 113 sind über eine Rohrleitung 114 mit dem Kompressor 111 verbunden. Der kalte Kopf 120 weist ein Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe, ein Pulsrohr 136 der ersten Stufe, eine erste Kühlstufe 130, ein Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe, ein Pulsrohr 146 der zweiten Stufe und eine zweite Kühlstufe 160 auf.
Das Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe weist einen hohlen Zylinder 132 auf, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl gemacht ist und ein Kältespeichermedium 133, welches den Zylinder 132 füllt. Das Kältespeichermedium 133 ist beispielsweise durch ein Drahtgitter ausgeführt, welches aus Kupfer oder rostfreiem Stahl gemacht ist. Das Pulsrohr 136 der ersten Stufe weist einen hohlen Zylinder 137 auf, der beispielsweise aus einem rostfreien Stahl gemacht ist. Die warmen Enden 132a und 137a der Zylinder 132 und 137 sind an dem Flansch 121 befestigt, und die kalten Enden 132b und 137b der Zylinder 132 und 137 sind an der ersten Kühlstufe 130 befestigt. Ein Wärmetauscher 118a ist am warmen Ende 137a des Pulsrohrs 136 der ersten Stufe vorgesehen, und ein Wärmetauscher 118b ist am kalten Ende 137b des Pulsrohrs 136 der ersten Stufe vorgesehen. Ein Gasflusspfad 138 ist in der ersten Kühlstufe 130 ausgebildet, um das kalte Ende 137b des Pulsrohrs 136 der ersten Stufe und das kalte Ende 132b des Regeneratorrohrs 131 der ersten Stufe zu verbinden.
Das Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe weist einen hohlen Zylinder 142 auf, der beispielsweise aus einem rostfreien Stahl gemacht ist, und ein Kältespeichermedium 143, welches den Zylinder 142 füllt. Das Kältespeichermedium 143 ist beispielsweise mit einem Drahtgitter ausgeführt, welches aus Kupfer oder rostfreiem Stahl gemacht ist. Das Pulsrohr 146 der zweiten Stufe weist einen hohlen Zylinder 147 auf, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl gemacht ist. Ein warmes Ende 142a des Regeneratorrohrs 141 der zweiten Stufe ist über die erste Kühlstufe 130 mit dem kalten Ende 132b des Zylinders 132 des Regeneratorrohrs 131 der ersten Stufe verbunden, und ein kaltes Ende 142b des Regeneratorrohrs 141 der zweiten Stufe ist mit der zweiten Kühlstufe 160 verbunden. Ein warmes Ende 147a des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe ist an dem Flansch 121 befestigt, und ein kaltes Ende 147b des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe ist an der zweiten Kühlstufe 160 befestigt. Ein Wärmetauscher 119a ist am warmen Ende 147a des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe vorgesehen, und ein Wärmetauscher 119b ist am kalten Ende 147b des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe vorgesehen. Ein Gasflusspfad 148 ist in der zweiten Kühlstufe 160 geformt, um das kalte Ende 147b des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe und das kalte Ende 142b des Regeneratorrohrs 141 der zweiten Stufe zu verbinden.
In dem Pulsrohrkühler 100 wird ein Hochdruckkühlmittelgas vom Kompressor 111 über das Ventil 112 und die Rohrleitung 114 zum Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe geliefert und ein Niederdruckkühlmittelgas wird vom Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe über die Rohrleitung 114 und das Ventil 113 zum Kompressor 111 ausgelassen. Das warme Ende 137a des Pulsrohrs 136 der ersten Stufe ist über die Zumessöffnung 117 und die Rohrleitung 116 mit dem Reservoir 115A der ersten Stufe verbunden. Das warme Ende 147a des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe ist über die Zumessöffnung 117 und die Rohrleitung 116 mit dem Reservoir 115B der zweiten Stufe verbunden. Die Zumessöffnungen 117 stellen die Phasendifferenz zwischen einer Druckveränderung und einer Volumenveränderung des Kühlmittelgases ein, welche periodisch in dem Pulsrohr 136 der ersten Stufe und in dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe auftreten.
Der kalte Kopf 120 des Pulsrohrkühlers 100 weist auch einen ersten Isolierbehälter 150 auf, der einen Raum zwischen dem Flansch 121 und der ersten Kühlstufe 130 umschließt und mit einem Heliumgas gefüllt ist.
Der kalte Kopf 120 des Pulsrohrkühlers 100 weist weiter einen zweiten Isolierbehälter 152 auf, der einen Raum (im Folgenden ein oberer Raum 165 genannt) zwischen der ersten Kühlstufe 130 und der zweiten Kühlstufe 160 umschließt. Der zweite Isolierbehälter 152 umschließt auch einen Raum (im Folgenden unterer Raum 175 genannt) unter der zweiten Kühlstufe 160. Ein Tank 153 für flüssiges Helium ist in dem zweiten Isolierbehälter 152 vorgesehen. Der Tank 153 für flüssiges Helium enthält flüssiges Helium 154 und einen MRI-Magneten 155. Der Tank 153 für flüssiges Helium ist in dem zweiten Isolierbehälter 152 angeordnet, um zur zweiten Kühlstufe 160 über den unteren Raum 175 zu weisen.
Die zweite Kühlstufe 160 wirkt auch als ein Kondensator und kann daher als Kondensator 160 in den folgenden Beschreibungen benannt werden.
Als nächstes werden die Betriebsvorgänge des Pulsrohrkühlers 100 beschrieben. Wenn das Ventil 112 geöffnet ist und das Ventil 113 geschlossen ist, fließt ein Hochdruckkühlmittelgas vom Kompressor 111 zum Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe. Das Kühlmittelgas, welches in das Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe fließt, wird durch das Kältespeichermedium 133 gekühlt, läuft durch das kalte Ende 132b des Regeneratorrohrs 131 der ersten Stufe und den Gasflusspfad 138 und fließt in das Pulsrohr 136 der ersten Stufe. Das Hochdruckkühlmittelgas, welches in das Pulsrohr 136 der ersten Stufe fließt, komprimiert ein Niederdruckkühlmittelgas, welches ursprünglich in dem Pulsrohr 136 der ersten Stufe ist. Als eine Folge wird der Druck des Kühlmittelgases in dem Pulsrohr 136 der ersten Stufe größer als der Druck in dem Reservoir 115A der ersten Stufe, und das Kühlmittelgas fließt über die Zumessöffnung 117 und die Rohrleitung 116 in das Reservoir 115A der ersten Stufe.
Ein Teil des Hochdruckkühlmittelgases, welches in dem Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe gekühlt wird, fließt auch in das Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe. Das Kühlmittelgas wird weiter durch das Kältespeichermedium 143 gekühlt, läuft durch das kalte Ende 142b des Regeneratorrohrs 141 der zweiten Stufe und den Gasflusspfad 148 und fließt in das Pulsrohr 146 der zweiten Stufe. Das Hochdruckkühlmittelgas, welches in das Pulsrohr 146 der zweiten Stufe fließt, komprimiert ein Niederdruckkühlmittelgas, welches ursprünglich in dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe ist. Als eine Folge wird der Druck des Kühlmittelgases in dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe größer als der Druck in dem Reservoir 115b der zweiten Stufe und das Kühlmittelgas fließt über die Zumessöffnung 117 und die Rohrleitung 116 in das Reservoir 115B der zweiten Stufe.
Wenn das Ventil 112 geschlossen ist und das Ventil 113 geöffnet ist, laufen das Kühlmittelgas in dem Pulsrohr 136 der ersten Stufe und das Kühlmittelgas in dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe jeweils durch das Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe und das Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und die Kühlmittelgase kühlen dadurch das Kältespeichermedium 133 und das Kältespeichermedium 143. Das Kühlmittelgas, welches durch das Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe gelaufen ist, läuft dann durch das Regeneratorrohr 131 der ersten Stufe, das warme Ende 132a des Regeneratorrohrs 131 der ersten Stufe und das Ventil 113 und kehrt zum Kompressor 111 zurück. Da das Pulsrohr 136 der ersten Stufe und das Pulsrohr 146 der zweiten Stufe jeweils über die Zumessöffnungen 117 mit dem Reservoir 115A der ersten Stufe und 115B der zweiten Stufe verbunden sind, tritt eine gewisse Phasendifferenz zwischen der Phase der Druckänderung und der Phase der Volumenänderung des Kühlmittelgases auf. Die Phasendifferenz bewirkt, dass das Kühlmittelgas expandiert und dadurch ”Kälte” am kalten Ende 137b des Pulsrohrs 136 der ersten Stufe und am kalten Ende 147b des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe erzeugt. Der Pulsrohrkühler 100 wiederholt das obige Verfahren, um ein Objekt zu kühlen.
Während des Prozesses wird ein Teil des flüssigen Heliums 154 in dem Tank 153 für flüssiges Helium aufgrund eines Wärmeaustausches mit dem MRI-Magneten 155 verdampft. Entsprechend ist ein Heliumgas (atmosphärisches Gas) im unteren Raum 175 und im oberen Raum 165 vorhanden, welcher mit dem unteren Raum 175 in Verbindung steht. Wenn das Heliumgas die zweite Kühlstufe 160 berührt, d. h. den Kondensator 160, wird das Heliumgas gekühlt und zu einer Flüssigkeit kondensiert und die Flüssigkeit (flüssiges Helium) kehrt zum Tank 152 für flüssiges Helium zurück. Dieser rezyklierende bzw. umlaufende Mechanismus macht es möglich, konstant flüssiges Helium zum Tank 153 für flüssiges Helium zu liefern, um das verdampfte flüssige Helium zu ersetzen und er macht es möglich, den MRI-Magneten 155 auf einer kryogenen Temperatur zu halten.
Der Kondensationswirkungsgrad oder die Heliumgas-Kühleffizienz eines Kompressors verbessert sich, wenn die Fläche des thermischen Kontaktes mit dem Heliumgas zunimmt. Daher sind normalerweise mehrere Löcher in einem Kondensator ausgeformt, um seine Oberfläche zu vergrößern.
Bei der Konfiguration des in 1 veranschaulichten Kondensators 60 kann jedoch ein Teil des Heliumgases (des verdampften flüssigen Heliums) leicht vom unteren Raum 75 über die Durchgangslöcher 10 des Kondensators 60 zum Raum zwischen dem Regeneratorrohr 41 und dem Pulsrohr 46 fließen. Dies kann die Flussgeschwindigkeit des Heliumgases in dem Raum zwischen dem Regeneratorrohr 41 und dem Pulsrohr 46 vergrößern und dadurch den Konvektionswärmeverlust vergrößern. Es kann auch eine starke Konvektion bewirken, dass die Temperaturen des Regeneratorrohrs 41 und des Pulsrohrs 46 variieren, und dies kann die Kühlleistung des Pulsrohrkühlers verringern.
Aus diesem Grund ist in diesem Ausführungsbeispiel der Kondensator 160 so konfiguriert, dass das Heliumgas nicht einfach aus dem unteren Raum 175 über Löcher des Kondensators 160 zum Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe fließt. Diese Konfiguration macht es möglich, effizient eine Konvektion im Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe zu verhindern.
3 ist eine aufgeschnittenen Seitenansicht des Kondensators 160 (der zweiten Kühlstufe 160) des Pulsrohrkühlers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 3 sind zur Abkürzung das Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe, das kalte Ende 142b, das Pulsrohr 146 der zweiten Stufe, das kalte Ende 147b und der Gasflusspfad 148 weggelassen.
Wie in 3 veranschaulicht, sind mehrere Löcher 110 im Kondensator 160 geformt, um die Oberfläche zu vergrößern. Die Löcher 110 haben Öffnungen auf einer Unterseite 103 des Kondensators 160 und erstrecken sich zu einer Oberseite 102 des Kondensators 160. Jedoch sind die Löcher 110 ”nicht durchgehende” Löcher, die nicht durch den Kondensator 160 bis zur Oberseite 102 hindurch verlaufen.
Bei dieser Konfiguration fließt das Heliumgas, anders als beim Kondensator 60 der 1, nicht direkt vom unteren Raum 175 über die Löcher 110 zum oberen Raum 165. Somit macht es diese Konfiguration möglich, effektiv eine Konvektion im Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe zu verhindern, und sie macht es dadurch möglich, eine Verringerung der Kühlleistung des Pulsrohrkühlers 100 zu verhindern. Bei der Konfiguration der 3 fließt Heliumgas zwischen dem unteren Raum 175 und dem oberen Raum 165 nur durch einen Spalt zwischen der Außenfläche des Kondensators 160 (der zweiten Kühlstufe 160) und der Innenfläche des zweiten Isolationsbehälters 152.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Oberseite 102 im Wesentlichen horizontal (d. h. senkrecht zur Vertikalen). Alternativ kann die Oberseite 102 in einem Winkel bezüglich der Horizontalen gekippt sein oder kann wie ein kreisförmiger Kegel oder ein kreisförmiger Kegelstumpf geformt sein. Diese Konfiguration macht es einfacher, dass das kondensierte Heliumgas (das heißt, das flüssige Helium) auf der Oberseite 102 des Kondensators 160 in den Tank 153 für flüssiges Helium fällt.
In 3 sind alle Löcher 110 des Kondensators 160 nicht durchgehende Löcher. Alternativ können einige der Löcher 110 als durchgehende Löcher geformt sein.
Die 4A und 4B sind eine Draufsicht und eine Ansicht von unten eines Kondensators 160-2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4A veranschaulicht eine Oberseite 102 des Kondensators 160-2, und 4B veranschaulicht eine Unterseite 103 des Kondensators 160-2. In 4A sind der Umriss des kalten Endes 142b des Regeneratorrohrs 141 der zweiten Stufe und der Umriss des kalten Endes 147b des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe durch gestrichelte Linien angezeigt. Ebenfalls ist in den 4A und 4B der Gasflusspfad 148 durch gestrichelte Linien angezeigt.
Wie in den 4A und 4B veranschaulicht, hat der Kondensator 160-2 erste Löcher 110a und zweite Löcher 110b. Die ersten Löcher 110a sind nicht durchgehende Löcher, die keine Öffnungen auf der Oberseite 102 des Kondensators 160-2 haben. Die zweiten Löcher 110b sind Durchgangslöcher, die durch den Kondensator 160-2 von der Unterseite 103 der Oberfläche 102 verlaufen.
Die ersten Löcher 110a können an irgendwelchen Positionen geformt sein, solange die ersten Löcher 110 nicht mit dem Gasflusspfad 148 in Gegenwirkung treten. Übrigens sind die zweiten Löcher 110b außerhalb eines Bereichs S geformt, der durch eine (imaginäre) gekrümmte Linie R definiert wird.
Wie in 4A veranschaulicht, hat der Gasflusspfad 148 Öffnungen 148A und 148B auf der Oberseite 102. Wenn der Kondensator 160-2 von oben oder von unten angesehen wird (d. h. von einer Richtung parallel zur Achse des Regeneratorrohrs 141 der zweiten Stufe oder des Pulsrohrs 146 der zweiten Stufe), ist die gekrümmte Linie R ein umlaufender Kreis mit einer Mitte O auf einer geraden Linie L, welche eine Mitte O₁ der Öffnung 148A und eine Mitte O₂ der Öffnung 148B verbindet und die Öffnungen 148A und 148B des Gasflusspfades 148 umschreibt bzw. umgibt, (d. h. die Öffnungen 148A und 148B des Gasflusspfades 148 sind in dem Kreis R enthalten). Wenn die Öffnungen 148A und 148B des Gasflusspfades 148 eine andere Form als einen Kreis haben, kann die gekrümmte Linie R ein kleinster Kreis sein, welcher die Öffnungen 148A und 148B umschließt.
Auch bei dem Kondensator 160-2, der so konfiguriert ist, wie oben beschrieben, fließt Heliumgas nicht direkt vom unteren Raum 175 zum Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe durch den Kondensator 160-2. Somit sieht der Kondensator 160-2 mit den Löchern 110a und 110b auch vorteilhafte Effekte vor, wie sie oben beschrieben wurden. Die Löcher 110a und 110b können an irgendwelchen anderen Positionen geformt sein als jene, die in den 4A und 4B veranschaulicht sind, solange die Durchgangslöcher 110b außerhalb des Bereichs S geformt sind. Auch ist die Form der Löcher 110a und 110b nicht auf einen Kreis eingeschränkt. Weiterhin ist die Anzahl der Löcher 110a und 110b nicht auf eine spezielle Anzahl eingeschränkt.
Jedoch nimmt der Effekt des Verhinderns der Konvektion im Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe zu, wenn die Anzahl der Durchgangslöcher 110b abnimmt.
5 veranschaulicht einen Kondensator 160-3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 5 ist der Gasflusspfad 148 zur Abkürzung weggelassen. Der Kondensator 160-3 hat Löcher 110c. Die Löcher 110c sind wie ein umgekehrtes L oder ein Ellenbogen geformt und haben Öffnungen an einer Unterseite 103 und an einer Seitenfläche 104 des Kondensators 160-3 (was eine Verbindung zwischen der Unterseite 103 und einer Oberseite 102 herstellt). Ein Teil des Lochs 110c, der sich horizontal erstreckt, und ein Teil des Lochs 110c, der sich vertikal erstreckt, sind nicht notwendigerweise in einem Winkel von 90 Grad zueinander. Auch kann das Loch 110c eine andere Form als ein umgekehrtes L oder ein Ellenbogen haben und kann sich im Wesentlichen linear von der Seitenfläche 104 zur Unterseite 103 erstrecken.
Obwohl nur die Löcher 110c in 5 veranschaulicht sind, welche wie ein umgekehrtes L oder ein Ellenbogen geformt sind, kann der Kondensator 160-3 auch nicht durchgehende Löcher mit Öffnungen an der Unterseite 103 haben. Weiterhin kann der Kondensator 160-3 durchgehende Löcher haben, welche Öffnungen an der Oberseite 102 und an der Unterseite 103 außerhalb eines Bereiches haben, welcher dem Bereich S entspricht, der in den 4A und 4B veranschaulicht ist. Auch bei dem Kondensator 160-3, der so konfiguriert ist, wie oben beschrieben, fließt das Heliumgas nicht direkt vom Raum 175 zum Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe durch den Kondensator 160-3. Somit bietet der Kondensator 160-3 mit den Löchern 110c auch vorteilhafte Effekte, wie sie oben beschrieben wurden.
6 veranschaulicht einen Kondensator 160-4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 6 ist der Gasflusspfad 148 zur Abkürzung weggelassen. Der Kondensator 160-4 hat eine Oberseite 102, eine Unterseite 103 und eine Seitenfläche 104 mit einem eingekerbten bzw. eingesenkten Teil 190 entlang des Umfangs der Seitenfläche 104. Anders gesagt, der Kondensator 160-4 weist den eingesenkten Teil 190, einen ersten Teil 210 über dem eingesenkten Teil 190 und einen zweiten Teil 220 unter dem eingesenkten Teil 190 auf. Der erste Teil 210 hat eine horizontale Oberfläche 215, die parallel zur Oberseite 102 und zur Unterseite 103 ist. Der zweite Teil 220 hat eine horizontale Oberfläche 225, die parallel zur Oberseite 102 und zur Unterseite 103 ist. Der zweite Teil 220 hat auch mehrere Durchgangslöcher 110d, die durch den zweiten Teil 220 von der Unterseite 103 zur horizontalen Fläche 225 verlaufen.
Obwohl nur die Löcher 110d in 6 veranschaulicht sind, kann der zweite Teil 220 auch nicht durchgehende Löcher mit Öffnungen an der Unterseite 103 haben. Auch kann der erste Teil 210 mehrere nicht durchgehende Löcher mit Öffnungen auf der horizontalen Oberfläche 215 haben. Weiterhin kann der erste Teil 210 Durchgangslöcher mit Öffnungen auf der Oberseite 102 und der horizontalen Oberfläche 215 außerhalb eines Bereiches haben, welcher dem Bereich S entspricht, der in den 4A und 4B veranschaulicht ist.
Auch bei dem Kondensator 160-4, der so konfiguriert ist, wie oben beschrieben, fließt das Heliumgas nicht direkt vom unteren Raum 175 zum Raum zwischen dem Regeneratorrohr 141 der zweiten Stufe und dem Pulsrohr 146 der zweiten Stufe durch den Kondensator 160-4. Somit sieht der Kondensator 160-4 dieses Ausführungsbeispiels auch vorteilhafte Effekte vor, wie sie oben beschrieben wurden.
7 veranschaulicht einen Kondensator 160-5 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 7 ist der Gasflusspfad 148 zur Abkürzung weggelassen. Der Kondensator 160-5 hat eine ähnliche Konfiguration wie jene des Kondensators 160-4, außer dass die Durchgangslöcher 110e, welche wie ein invertiertes L oder ein Ellbogen geformt sind, durch den zweiten Teil 220 und den eingesenkten Teil 190 des Kondensators 160-5 geformt sind. Die durchgehenden Löcher 110e haben Öffnungen auf einer Seite 230 des eingesenkten Teils 190. In diesem Fall können die Durchgangslöcher 110d, die im zweiten Teil 220 ausgeformt sind, weggelassen werden. Übrigens kann der zweite Teil 220 auch mehrere nicht durchlaufende Löcher mit Öffnungen auf der Unterseite 103 haben. Weiterhin kann der erste Teil 210 mehrere nicht durchgehende Löcher mit Öffnungen auf der horizontalen Oberfläche 215 haben.
In den obigen Ausführungsbeispielen wird ein zweistufiger Pulsrohrkühler als ein Beispiel verwendet. Jedoch können die obigen Ausführungsbeispiele auch auf einen Pulsrohrkühler mit einer einzigen Stufe oder mit drei oder mehr Stufen angewendet werden. Wenn ein Pulsrohrkühler mehrere Kühlstufen aufweist, kann der Kondensator mit einer der Kühlstufen integriert sein, die die niedrigste Temperatur im Pulsrohrkühler liefert.
Auch wird in den obigen Ausführungsbeispielen ein Helium-Gas als ein atmosphärisches Gas in dem ersten Isolierbehälter 150 und im zweiten Isolierbehälter 152 verwendet. Jedoch kann irgendein anderes geeignetes Gas als atmosphärisches Gas im ersten Isolierbehälter 150 und im zweiten Isolierbehälter 152 verwendet werden. Beispielsweise kann für einen einstufigen Pulsrohrkühler, wo die Temperatur der Kühlstufe ungefähr 40 K bis 50 K ist, ein Stickstoffgas als das atmosphärische Gas verwendet werden und ein Tank für flüssigen Stickstoff kann anstelle eines Tanks für flüssiges Helium vorgesehen sein.
Obwohl ein Kondensator und eine Kühlstufe in den obigen Ausführungsbeispielen integriert sind, können ein Kondensator und eine Kühlstufe getrennt vorgesehen sein. Beispielsweise kann in 2 ein Kondensator unter einer Kühlstufe vorgesehen sein, so dass der Kondensator in Kontakt mit der Unterseite der Kühlstufe ist.
Experimente
Experimente wurden unter Verwendung eines zweistufigen Pulsrohrkühlers ausgeführt, der so konfiguriert ist, wie in 2 veranschaulicht, und die Temperaturen der ersten Kühlstufe und der zweiten Kühlstufe wurden gemessen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Kondensator mit mehreren Durchgangslöchern verwendet, die sich vertikal von der Unterseite zur Oberseite erstrecken, wie in 1 veranschaulicht. In einem zweiten Experiment wird ein Kondensator mit mehreren nicht durchgehenden Löchern verwendet, die sich vertikal erstrecken und Öffnungen nur auf der Unterseite haben, wie in 3 veranschaulicht. Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Experiment war die Anzahl der Löcher 30, und der Durchmesser der Löcher war ungefähr 4 mm. Auch waren die Positionen der Löcher beim ersten und beim zweiten Experiment die gleichen. Die Löcher wurden im Wesentlichen in regelmäßigen Intervallen angeordnet, so dass sie nicht mit dem Gasflusspfad in Wechselwirkung treten, welcher das Pulsrohr und das Regeneratorrohr verbindet. Ein Helium-Gas wurde als das atmosphärische Gas in den ersten und zweiten Isolierbehältern 150 und 152 verwendet. Die Ergebnisse der ersten und zweiten Experimente sind in der Tabelle 1 unten gezeigt. Tabelle 1

Experimente Temperatur der ersten Kühlstufe Temperatur der zweiten Kühlstufe

Erstes Experiment 45,9 K 4,35 K

Zweites Experiment 45,5 K 4,31 K
Bei den ersten und zweiten Experimenten war die Wärmelast der ersten Kühlstufe 30 W und die Wärmelast der zweiten Kühlstufe war 1,0 W. Wie in Tabelle 1 gezeigt, war beim ersten Experiment die Temperatur der ersten Kühlstufe 45,9 K, und die Temperatur der zweiten Kühlstufe war 4,35 K. Dabei war beim zweiten Experiment die Temperatur der ersten Kühlstufe 45,5 K und die Temperatur der zweiten Kühlstufe war 4,31 K.
Wie die Ergebnisse zeigen, macht es ein Kondensator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, effizient die Temperatur der zweiten Kühlstufe zu verringern. Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf einen Regeneratorkühler angewendet werden, wie beispielsweise einen Pulsrohrkühler, der einen Kondensator aufweist, um ein atmosphärisches Gas zu kondensieren.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen einen Pulsrohrkühler vor, der einen Kondensator aufweist, der es möglich macht, effizient eine Konvektion in einem Raum zwischen einem Regeneratorrohr und einem Pulsrohr zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die speziell offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt, und Variationen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-214717 [0004]

Claims

Pulsrohrkühler, der Folgendes aufweist: ein Regeneratorrohr; ein Pulsrohr; und einen Kondensator, der ein atmosphärisches Gas kondensiert und an kalten Enden des Regeneratorrohrs und des Pulsrohrs angeordnet ist, um so als eine Kühlstufe zu wirken, wobei der Kondensator Folgendes aufweist: eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die zueinander hinweisen, einen Flusspfad mit zwei Öffnungen an der ersten Oberfläche, der das kalte Ende des Regeneratorrohrs und das kalte Ende des Pulsrohrs verbindet, und mehrere Löcher, die sich von der zweiten Oberfläche erstrecken; wobei die Löcher gesehen aus einer Blickrichtung parallel zu einer Achse des Regeneratorrohrs oder des Pulsrohrs, welche in einem Bereich des Kondensators ausgeformt sind, der durch einen Kreis mit einer Mitte auf einer geraden Linie definiert ist, welche die Mitten der Öffnungen des Flusspfades verbindet, nicht durch den Kondensator hindurch bis zur ersten Oberfläche verlaufen; wobei der Kreis ein kleinster Kreis ist, welcher die Öffnungen des Flusspfades umschließt, oder ein umschreibender bzw. umlaufender Kreis, der um die Öffnungen des Flusspfades läuft.
Pulsrohrkühler nach Anspruch 1, wobei der Kondensator weiter eine Seitenfläche aufweist, welche die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche verbindet; und wobei zumindest eines der Löcher eine Öffnung auf der Seitenfläche hat.
Pulsrohrkühler nach Anspruch 1, wobei der Kondensator weiter eine Seitenfläche aufweist, welche die erste Fläche und die zweite Fläche verbindet; wobei die Seitenfläche einen eingesenkten Teil entlang eines Umfangs der Seitenfläche hat; und wobei zumindest eines der Löcher eine Öffnung an dem eingesenkten Teil hat.
Pulsrohrkühler nach Anspruch 1, wobei alle Löcher nicht durchgehende Löcher sind.
Pulsrohrkühler, der Folgendes aufweist: ein Regeneratorrohr; ein Pulsrohr; einen Kondensator, der ein atmosphärisches Gas kondensiert; und eine Kühlstufe, die an dem Kondensator angeordnet ist, wobei die Kühlstufe Folgendes aufweist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die zueinander hinweisen, und einen Flusspfad mit zwei Öffnungen an der ersten Oberfläche, der ein kaltes Ende des Regeneratorrohrs und ein kaltes Ende des Pulsrohrs verbindet; wobei der Kondensator Folgendes aufweist eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche, die zueinander hinweisen, wobei die dritte Oberfläche näher als die vierte Oberfläche an der zweiten Oberfläche der Kühlstufe ist, und mehrere Löcher, welches sich von der vierten Oberfläche erstrecken; wobei die Löcher, gesehen aus einer Blickrichtung parallel zu einer Achse des Regeneratorrohrs oder des Pulsrohrs, die in einem Bereich des Kondensators geformt sind, der durch einen Kreis definiert wird, der eine Mitte auf einer geraden Linie hat, welche Mitten der Öffnungen des Flusspfades verbindet, nicht bis zur dritten Oberfläche durch den Kondensator verlaufen; wobei der Kreis ein kleinster Kreis ist, der die Öffnungen des Flusspfades umschließt oder ein umschreibender bzw. umlaufender Kreis, der die Öffnungen des Flusspfades umgibt.
Pulsrohrkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Pulsrohrkühler ein mehrstufiger Pulsrohrkühler ist, und wobei das atmosphärische Gas ein Helium-Gas ist.
Pulsrohrkühler nach Anspruch 6, wobei die Kühlstufe ein niedrigste Temperatur im Pulsrohrkühler vorsieht.
Pulsrohrkühler nach Anspruch 6 oder 7, der weiter einen Tank für flüssiges Helium aufweist, der so angeordnet ist, dass er zur zweiten Oberfläche oder zur vierten Oberfläche des Kondensators weist.
Pulsrohrkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Pulsrohrkühler ein einstufiger Pulsrohrkühler ist, und wobei das atmosphärische Gas ein Stickstoff-Gas ist.