CN100494815C - 一种多阀两级脉管型gm致冷器和其中使用的三通道回转阀 - Google Patents

一种多阀两级脉管型gm致冷器和其中使用的三通道回转阀 Download PDF

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Abstract

一种多阀两级脉管型GM致冷器，具有回转阀，该回转阀包括一个用于流向回热器的通道和两个流向脉管的通道，其中，该阀具有两个位于单个通道上通向所述脉管的高压孔口、和两个位于独立的单个通道上从所述脉管连接出来的低压孔口，其中回转座阀每转动一圈具有两个冷却循环。

Description

一种多阀两级脉管型GM致冷器和其中使用的三通道回转阀
本申请要求享有于2004年2月11日提交的临时申请序列号为60/544144的美国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及吉福德·麦克马洪(Gifford McMahon)(GM)型脉管致冷器。这种低温致冷器的冷头包括一个阀机构，该阀机构通常由一个回转阀碟和一个阀座构成。存在有若干个离散的孔口，通过周期性对齐不同孔口，容许由压缩机供给的工作流体通过，到达回热器以及冷头的工作腔，和从回热器以及冷头的工作腔流出。
背景技术
GM型致冷器使用了压缩机，压缩机供给处于近乎恒定高压下的气体并且接收处于近乎恒定低压下的气体。依靠交替地容许气体流入和流出往复式膨胀器的阀机构，气体被供送至该膨胀器，其中所述膨胀器相对于压缩机以低速运转。在USP 3205668中，Gifford公开了一种多孔口回转碟阀，其利用了从高到低的压力差来在横跨阀的表面保持严格密封。这种阀已经被广泛用在不同类型的GM致冷器中，例如在Longsworth的USP 3620029和Chellis的USP 3625015中示出的GM致冷器。这种阀的缺点在于，由于需要增大直径来容纳用于多个阀的较大孔口，因此需要的转矩量增大。
脉管致冷器由W.E.Gifford在专利文献USP 3237421中首次给予了描述，其中示出了一种类似于早期GM致冷器那样连接若干个阀的脉管。它还示出了一种直接连接在压缩机上的脉管膨胀器，从而使得其与压缩机以相同速度脉动。这方面与斯特林(Stirling)循环制冷器等效。
早期的脉管致冷器在效率上不足以与GM型致冷器相抗衡。在1984年Mikulin等人提出了重大的改进(E.I.Mikulin，A.A.Tarasow和M.P.Shkrebyonock，‘Low temperature expansion(orifice type)pulse tube’，Advances in Cryogenic Engineering，Vol.29，1984，p.629)，随后激发了人们寻求进一步改进的浓厚兴趣。关于自1984年以来的主要改进的描述可以在下述文献中找到：S.Zhu和P.Wu，‘Double inlet pulse tube refrigerator：animportant improvement’，Cryogenics，vol.30，1990，p.514；Y.Matsubara、J.L.Gao、K.Tanida、Y.Hiresaki以及M.Kaneko，‘Anexperimental and analytical investigation of 4K(four valve)pulse tube refrigerator’，Proc.7th Intl Cryocooler Conf.，AirForce Report PL-(P-93-101)，1993，p.166-186；S.W.Zhu、Y.Kakami、K.Fuj ioka以及Y.Matsubara，‘Act ive-buffer pulse tuberefrigerator’，Proceedings of the 16th Cryogenic EngineeringConference，1997，p.291-294；以及J.Yuan和J.M.Pfotenhauer，‘Asingle stage five valve pulse tube refrigerator reaching 32K’，Advances in Cryogenic Engineering，Vol.43，1998，p.1983-1989。有关改进的其它公开可以在Lobb的USP 4987743中找到。
所有这些脉管均可以用作GM型膨胀器，其中利用阀来使得气体循环流入和流出脉管，但是仅有单孔和双孔脉管已经被用作斯特林型膨胀器。斯特林型脉管由于以相对高的速度进行工作，所以体积较小。但是这种高的速度使得难以达到较低温度，从而使得以低速运转的GM型脉管一般用于低于约20K的应用。已经发现，利用在Gao的USP6256998的附图9中示出的脉管，已经实现了4K的最佳性能。这种设计具有两个控制至回热器的流的阀，和四个控制到脉管的暖端的流的阀，这些阀按照USP 6256998的附图11中所示顺序打开和关闭。这种脉管的单级型式具有四个阀，两个用于回热器，两个用于脉管，由此这种控制通常被称作四阀控制。这些阀功能是通过利用一个多孔口转阀共同实现的。
当设计一种具有在固定阀座上旋转的阀碟的阀时，通常在阀座上设有一个或者多个与回热器连通的孔口，气体通过这些相同的孔口流入和流出回热器。尽管大多数GM致冷器均使用了两个孔口并且阀碟每转动一圈具有两个冷却循环，但是也已经使用了三个孔口，如在Longsworth的USP 4430863中所描述的那样。在Asami等人的USP5361588中描述了一种单孔口阀，其对于GM膨胀器每转动一圈提供一个冷却循环。这种阀与常规的回转阀的不同在于，使来自于压缩机的高压气体作用在阀座上，来推动阀座进入回转阀的表面之内。轴承抵抗所述阀座的轴向力保持住所述阀碟，而并非将其作为轴向载荷传送到马达轴。在这种配置方案中的气体的流动与在早先专利中示出的常规配置方案相反。高压气体流入中心孔口，并且低压气体被排放至阀的外周。
USP 6256998中的附图11示出了相对于第一级脉管PT1，用于使得气体流入和流出第二级脉管PT2的不同时刻，但是并未示出这些阀的另外一个重要特点，也就是说在各个阀上的孔的尺寸不同。必须对流向各个脉管的气体的量进行控制，并且使得返回低压的气体量与从高压流出的气体量相等。由于密度不同，用于各个脉管的阀上的孔的尺寸必须不同。
在回转座阀(rotary face valve)中，阀座上与回热器连通的孔口位于相同直径的圆圈或者通道上，因为高压供给和低压返回均利用旋转阀碟上的切槽交替连通。对于每转动一圈具有单个冷却循环的阀碟来说，必须使得通往脉管的四个孔口中的每一个均在不同半径的孔口上，同时具有足够的径向间隔，从而使得相互之间不会发生泄漏。该阀由此具有五个通道，一个用于流入和流出回热器，四个用于流入和流出脉管。这样就增大了阀的直径，并且由此明显增大了转矩。
本发明的目的在于减小用在多阀脉管中的回转座阀的直径以及使得其发生旋转所需的转矩。
发明内容
本发明降低了使得被设计用于多阀(优选为四阀)两级脉管的回转座阀发生旋转所需的转矩。这一技术效果的实现，是通过将所述阀设计成每转动一圈具有两个冷却循环，并且在单个通道上设有连至脉管的两个高压孔口和在独立的单个通道上从脉管连接出来的低压孔口。流向回热器的流体通过两个孔口，而流入和流出脉管的流体通过阀座中的各一个孔口。两个高压孔口大约间隔180度，两个低压孔口也是如此，而通往第二级脉管的孔口经过开槽处理，以便增大打开持续时间并且相对于第一级孔口先行打开。所述阀碟上的切槽是对称的，并且具有的宽度为第一级孔口提供所需打开时间。
相对于每转动一圈具有一个冷却循环的阀，它将通道的数量从五个减少为三个，一个用于流入和流出回热器，其它的用于流入和流出两个脉管的暖端。通道数量的减少也会减小所述阀的直径以及使得其发生转动所需的转矩。
附图说明
图1是一个四阀两级脉管的示意图。
图2是用于图1中所示的阀的定时图。
图3是一个阀座表面的视图，示出了用于每转动一圈具有一个冷却循环的四阀脉管的孔口。
图4是将与图3中所示阀座共同使用的回转阀碟的表面的视图。
图5是依据本发明的阀座的表面的视图，示出了用于每转动一圈具有两个冷却循环的四阀脉管的孔口。
图6是将与图5中所示阀座共同使用的依据本发明的回转阀碟表面的视图。
具体实施方式
本发明可应用于四阀GM型两级脉管致冷器。
图1是一个两级四阀脉管致冷器10的示意图，示出了在***中的气体流动路径。图1示出了对在USP 6256998的附图9中示出的基本型两级四阀脉管致冷器的某些改进。高压气体Ph通过气体管路57从压缩机60流向阀11(V1)、13(V3)和15(V5)。低压气体P1通过管路58从阀12(V2)、14(V4)和16(V6)返回至压缩机60。阀V1和V2对通过管路50流入和流出回热器21(R1)进行控制。阀V3对通过管路53、孔43(O3)和管路51流向第一级脉管31(PT1)进行控制。阀V5对通过管路55、孔45(O5)和管路52流向第二级脉管32(PT2)进行控制。阀V4对通过管路51、孔44(O4)和管路54从PT1流出进行控制。阀V6对管路52、孔46(O6)和管路56从PT2流出进行控制。某些流入和流出PT1的暖端的气体流过管路51、孔41(O1)和缓冲容积33(B1)。类似地，某些流入和流出PT2的暖端的气体会流过管路52、孔42(O2)和缓冲容积34(B2)。
R1、PT1和PT2的入口端均接近环境温度，而PT1和PT2的其它端部由于气体在流过回热器R1、回热器22(R2)以及连通管道23和24之后被脉动送入冷端内，所以变冷。滞留在脉管中的气体可以被看作气体活塞。流入PT1和PT2的暖端的气体对所述气体活塞的运动加以控制，从而使得在所述冷端处产生致冷作用。在专利文献USP6256998中包含对于四阀两级脉管的工作过程的进一步描述。
相对于USP 6256998的附图9，在图1中示出的改进之处是孔O3、O4、O5、O6，并且将缓冲容积分为两个独立容积B1和B2。所述孔最好是可变化的，并且可以在制造过程中被调节以使冷却作用最优。一旦确定出流动通道的最佳尺寸，那么可以将它们加入到阀V3、V4、V5和V6中的孔口内。将所述缓冲容积分为若干个独立容积用于每个脉管，消除了气体通过所述缓冲容积从一个脉管循环至另外一个脉管的可能性。
图2是关于阀V1至V6的定时图，示出了已经被发现用于使冷却作用最优的打开持续时间。重要的是，识别关于这些阀之每一个的定时的差异。本发明的目的是将这些不同的定时结合到单回转碟型阀的设计之中。
图3和4示出了阀座60和阀碟61，阀座60是固定的，阀碟61与阀座60相匹配，并且随着切槽57中高压Ph和切槽58中的低压P1流经阀座60上的孔口，使得每转动一圈提供一个冷却循环。所述阀碟上的切槽和阀座上的孔口彼此相对定位，以便实现图2中所示的定时。大多数流入和流出脉管的气流均通过R1，因此用于阀V1和V2的孔口50远大于用于使气体通过管路53、阀V3流向PT1和通过管路55、阀V5流向PT2的孔口、以及用于使气体通过管路54、阀V4从PT1返回和通过管路56、阀V6从PT2返回的孔口。所有这五个孔口均采用不同的半径，或者相对于阀碟61的旋转轴线，它们可以说是在不同的通道上。图3示出了由于直径相同而与切槽57相匹配的孔口53、55，和由于直径相同而与切槽58相匹配的孔口54、56。利用孔口的定位和切槽57的宽度且在切槽57越过孔口的情况下，实现孔口55、阀V5相对于孔口53、阀V3打开的定时和持续时间。在所示出的阀中，高压气体Ph流过阀座60的中心，并且随后通过切槽57流向孔口50、53和55。低压气体通过孔口50、54和56，并且随后通过切槽58，返回至压缩机。这种流动模式优于使阀的外周有高压气体而低压气体通过阀座上的中心孔口排出的常规模式，因为由于阀磨损所产生的粉尘往往会被吹向阀的外部，而并非吹入回热器和流动控制孔内。
图5和6示出了阀座70和阀碟71，阀座70是固定的，阀碟71与阀座70相匹配，并且随着切槽57中高压和切槽58中的低压经过阀座70上的孔口，使得阀碟71每转动一圈提供两个冷却循环。这种设计的新颖之处在于，将用于四个通向PT1和PT2/从PT1和PT2连接出来的孔口的通道的数量从图3中示出的四个减少为图5中示出的两个的方式。可以使得阀V3和V5、孔口53和55在不同的持续时间段内打开，即使阀碟71上的切槽57是相同宽度，在所述宽度处，它通过使这些孔口之一伸长而穿经这些孔口。在本示例中，孔口55、阀V5相对于孔口53、阀V3是伸长的。类似地，通过使这些孔口之一伸长，阀V4和V6、孔口54和56可以在不同的时间段被打开，即使阀碟71中它们穿经这些孔口的切槽58具有同一宽度亦是如此。在本示例中，孔口56、阀V6相对于孔口54、阀V4是伸长的。
尽管优选的是，高压气体通过中心孔口流入，而低压气体流向外周，但是也可以将所述阀设计成使流动方向逆转。本发明的主要特征在于，在一个通道上设有两个高压孔口，而在第二单个通道上设有两个低压孔口，每个通道上的孔口具有不同的打开持续时间。

Claims (9)

1、一种多阀两级脉管型GM致冷器，具有回转阀，该回转阀包括一个用于流向回热器的通道和两个用于流向脉管的通道，其中，
所述阀具有位于单个通道上通向所述脉管的两个高压孔口、和位于独立的单个通道上从所述脉管连接出来的两个低压孔口，并且其中该回转阀每转动一圈具有两个冷却循环。
2、如权利要求1中所述的多阀两级脉管型GM致冷器，还包括两个缓冲容积。
3、一种用在多阀两级脉管致冷器中的三通道回转阀，其中该阀包括一个用于流向回热器的通道、和两个用于流向脉管的通道，其中，所述阀具有位于单个通道上通向所述脉管的两个高压孔口、和位于独立的单个通道上从所述脉管连接出来的两个低压孔口，并且其中该回转阀每转动一圈具有两个冷却循环。
4、根据权利要求3的回转阀，其中，所述三个通道中的一个通道容许流向第一和第二脉管，所述三个通道中的第二通道容许从所述第一和第二脉管流出，而第三通道容许流入和流出所述回热器。
5、根据权利要求3的回转阀，其中，阀座中通往第一脉管和第二脉管的孔口具有相对于所述回热器相同的打开相角和不同的相角之一。
6、根据权利要求3的回转阀，其中，阀座中通往第一脉管和第二脉管的孔口具有相同的打开时间长度和不同的时间长度之一。
7、根据权利要求5的回转阀，其中，气体在它流向所述第一脉管之前流向所述第二脉管。
8、根据权利要求5的回转阀，其中，气体在它从所述第一脉管流出之前从所述第二脉管流出。
9、根据权利要求5的回转阀，其中，与所述第一脉管相比，气体在更长的时间段内流向所述第二脉管。
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