CN1818507B - Gm型脉冲管制冷器 - Google Patents
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Abstract
通过在一个或多个脉冲管和再生器中设置一个或多个热桥、和/或位于一个或多个脉冲管和再生器之间的绝热套筒、和/或间隔件、以及间隔管减小了与多级脉冲管的再生器和脉冲管中的温度分布相关的对流损失，该多级脉冲管被安装在MRI低温保持器的颈管内的氦气中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年2月4日提交的美国临时申请No.60/650,286以及2006年1月17日提交的美国专利申请No.11/333,760的优先权，其全部内容以参考方式结合于此。
技术领域
本发明涉及多级Gifford McMahon(GM)型脉冲管制冷器/脉管制冷机(pulse tube refrigerator)，其被用于再凝结MRI磁体(MRI magnet)中的氦。当传统的多级脉冲管在MRI低温保持器/低温恒温器(cryostat)的颈管中工作时，该多级脉冲管被氦包围，由于脉冲管和再生器/回热器(regenerator)中的温度分布的差异而引起的氦对流循环可产生显著的热损失。
背景技术
GM型制冷器使用压缩机，该压缩机向膨胀器供应具有几乎恒定高压的气体并且从膨胀器接收几乎具有恒定低压的气体。膨胀器凭借使气体交替地进入膨胀器或从膨胀器中排出的阀机构相对于压缩机低速运转。Gifford的US 3,119,237描述了一种带有气动驱动装置的GM膨胀器。因为膨胀器可以以1至2赫兹的频率运转，已经证明GM循环是产生低于约20K的少量冷却的最佳方式。
脉冲管制冷器最先由Gifford在US 3,237,421中描述，其显示了一对用于早期的GM制冷器中并连接到再生器的热端的阀，该再生器反过来被连接到脉冲管的冷端。20世纪60年代中期对脉冲管制冷器的早期研究在R.C.Longsworth的论文‘早期脉冲管制冷器发展’，低温技术9，1997年，261-268页中被描述。其中研究了单级、两级、具有内定相(inter-phasing)的四级和同轴设计。所有的设计均将脉冲管的热端封闭并且除了同轴设计之外的所有设计均将脉冲管与再生器分开。尽管通过这些早期脉冲管实现了低温温度，但是其效率不足以与GM型制冷器相比。
Mikulin等人的‘低温膨胀(孔型)脉冲管’，低温技术发展，29卷，1984年，629-637页公开了对脉冲管性能的显著改进，并且因而产生了寻找进一步改进的更大兴趣。这种最初的改进使用了与脉冲管的热端相连的孔和缓冲容积，以控制“气体活塞”在脉冲管中的运动，从而在各循环中产生更多的冷却。随后的研究集中于改进气体活塞的控制和改进脉冲管膨胀器结构的方法。S.Zhu和P.Wu在标题为‘双进口脉冲管制冷器：重要改进’，低温学，30卷，1990年，514页的论文中描述了控制气体活塞的双孔方法。Gao的US 6,256,998中描述了控制两级脉冲管中的气体活塞的方法，该两级脉冲管在4K的温度下工作良好。
多级脉冲管首先被Gifford和Lonsworth的‘早期脉冲管制冷器发展’，低温技术9，1997年，261-268页所研究，其采用了将热从单级泵送到下一个更高级的设计。如US 5,107,683中所述，Chan等人发现将第二级脉冲管从低温热交换器一直延伸到环境温度是可能并更好的。
该概念是Y.Matsubara，J.L.Gao，K.Tanida，Y.Hiresaki和M.Kaneko的‘4K(四阀)脉冲管制冷器的实验与分析研究’，国际低温技术会议记录7′，空气动力报告PL-(P-93-101)，1993年，166-186页，以及J.L.Gao和Y.Matsubara的‘4K脉冲管制冷器的实验研究’，低温学1994年，34卷，25页所公开的若干结构中的一个。它已经被证明对于4K脉冲管来说工作良好。所研究的布置均使脉冲管与再生器分开并且与其平行，并且冷端朝下。这是目前两级脉冲管最常见的结构并且在此引用作为常规设计。Ohtani等人的US 5,412,952显示了在第一级热站和相邻的第二级脉冲管之间具有热联接件的两级脉冲管。本发明人中的一位在1994年对该结构进行了试验并且发现对冷却性能没有改进，但是它确实引起了脉冲管温度分布方面的变化。
脉冲管和再生器之间的温差在脉冲管与再生器分开并且脉冲管被真空所包围时不成问题。然而，当传统的脉冲管被安装在MRI低温保持器的颈管内的氦气氛中时，温差导致对流热损失。
Inoue在JP H07-260269中结合同轴脉冲管阐述了与脉冲管与再生器之间的温差相关的损失。该专利显示了布置在脉冲管内部靠近热端并且与第一级再生器的壁接触的若干多孔塞热交换器。Mastrup等人的US5,613,365描述了单级同心(同轴)脉冲管，其中一中央脉冲管具有由低导热性材料制成的厚壁，其可以提供与在其外部的环形再生器的高度绝热。Rattay等人在US 5,680,768中扩展了该思路，其中周围的真空延伸到位于脉冲管壁和再生器的内壁之间的缝隙中。
使脉冲管的壁隔热的另一种方法被Mitchell的美国专利6,619,046所公开。对同轴脉冲管中的损失的研究在L.W.Yang，J.T.Liang，Y.Zhou，和J.J.Wang的‘被无阀压缩机驱动的两级同轴脉冲管冷却器的研究’，低温技术10，1999年，233-238页和K.Yuan，J.T.Liang，和Y.L.Ju的‘G-M型同轴脉冲管低温冷却机的实验研究’，低温技术12，2001年，317-323页的论文中进行了报导。通过添加“dc”流动使损失达到最小，该流动使热气体历经许多周期在脉冲管中向下流动。
Zhou等人的US 5,295,355描述了一种多支路脉冲管，其将效率方面的改进作为它的目标。在效力上，它是一种多级脉冲管，但只有一个脉冲管。由于使严格相等数量的气流沿双向通过各支路孔是很困难的，因此它在实践中几乎不可能实现。它的特征在于脉冲管中的温度分布与再生器中的温度分布基本相同。
与再凝结MRI磁体中的氦相关的问题在Longsworth的US 4,606,201中进行了阐述。具有最低温度为10K的两级GM膨胀器预先冷却JT热交换器中的气体，该热交换器产生4K的冷却。JT热交换器盘绕GM膨胀器，以使得JT热交换器和膨胀器的温度在热端和冷端之间逐渐变冷。膨胀器组件被安装在MRI磁体的颈管中，其在颈管中被氦气包围，凭借与冷端一起竖直向下使得氦气被热分层。4K热站具有扩展表面，以再凝结氦。致冷被传递到MRI低温保持器中的位于两个热站处的冷护罩上，两个热站处于大约60K和15K的温度。颈管中的相配圆锥形热站和伸缩软管使得两个热站随着热凸缘(thermal flange)被用螺栓向下拧紧并用表面型“O”形环密封而配合起来。
Longsworth的US 4,484,458先前已经描述了同心GM/JT膨胀器，其具有笔直的热站和在热凸缘处密封的径向型“O”形环密封。这允许膨胀器被轴向移动，以使膨胀器热站相对于颈管热站到达期望的位置。
目前脉冲管技术和MRI低温保持器的发展使得使用两级脉冲管在大约40K的(开氏)温度下冷却单个护罩以及在大约4K的温度下再凝结氦成为可能。两级脉冲管膨胀器优于两级GM膨胀器，因为其具有更小的振动，并因此在MRI信号中产生更小的噪音。当根据本设计与再生器平行的脉冲管被***到MRI磁体的颈管中时，已经发现，颈管中的氦气由于脉冲管和再生器之间的温差而在它们之间循环。这导致致冷的重大损失。
Stautner等人的PCT WO 03/036207 A2解释了传统的两级4K脉冲管的问题并提供了一种呈套筒形式的解决方案，该套筒围绕脉冲管组件并包裹在管周围而具有绝热性。该套筒具有温度大约为40K的热站和位于冷端的再凝结器。它可以被容易地从颈管中拆下，以便保养。
Daniels等人的PCT WO 03/036190 A1提供了对MRI颈管中的传统两级4K脉冲管的对流损失问题的另一种解决方案。当脉冲管被安装在MRI颈管内的氦气中时，围绕脉冲管和再生器的绝热套筒减小了对流损失。
传统两级脉冲管制冷器具有分离的平行管形式的脉冲管和再生器。在工作于真空中的传统脉冲管中，脉冲管和再生器的长度和直径可以被几乎彼此独立地优化。当被安装在MRI低温保持器的颈管中时，因为脉冲管和再生器之间的温差，颈管中的氦导致由于对流引起的热损失，因此在设计中必须考虑其它因素。
发明内容
本发明的目的是当脉冲管在氦气氛中工作时，使由于对流产生的热损失最小化。
本发明通过位于一个或多个脉冲管和再生器之间的一个或多个热桥、间隔件(spacer)、间隔管(spacer tube)和绝热套筒减小了与多级脉冲管的再生器和脉冲管中的不同温度分布相关的对流损失，该多级脉冲管被安装在MRI低温保持器的颈管内的氦气中。
在本发明的基本实施例中，其用于通过两级GM型脉冲管在MRI低温保持器中再凝结氦。在可选实施例中，其用于再凝结低温保持器中的氢和氖，该低温保持器被设计成高温超导(HTS)磁体。在高温时，其实际上还可使脉冲管直接连接到压缩机上并以非常高的速度以斯特林循环(Stirling cycle)方式工作。
附图说明
图1为本发明的示意图，其显示了被安装在MRI低温保持器的颈管中、在第一级上具有热桥的两级脉冲管，其中该两级脉冲管被氦气包围，并具有温度大约为40K的热站以冷却护罩，且具有温度大约为4K的氦再凝结器。
图2a显示了典型地用于被真空包围的传统两级4K GM型脉冲管的温度分布，而图2b为该脉冲管的示意图，以显示出温度的位置。
图3为两级脉冲管的示意图，其中通过多个热桥使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图4为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第二级再生器的冷端的间隔件使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图5为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第二级再生器的冷端的间隔管使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图6为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第二级脉冲管的热端的间隔件使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图7为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第二级再生器的冷端和第二级脉冲管的热端的间隔件使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图8为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第二级再生器的冷端的间隔管和位于第二级脉冲管的热端的间隔件使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图9为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第一个级再生器的冷端的间隔管使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图10为两级脉冲管的示意图，其中通过连接第一级再生器的冷端和第一级脉冲管的间隔管使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图11为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第一级再生器的热端的间隔件使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图12为两级脉冲管的示意图，其中通过将第一级脉冲管的热端延伸到热端歧管体中使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图13为两级脉冲管的示意图，其中通过位于第二级再生器的冷端和位于第一级再生器的冷端和热端的间隔件使脉冲管和再生器之间的热差减小。
图14为两级脉冲管的示意图，其中通过围绕第一和第二级再生器的绝热套筒使脉冲管和再生器之间的热差减小。
具体实施方式
本发明的两级脉冲管的改进设计允许减小对流热损失，该两级脉冲管被设计成可在除了真空的诸如氦气氛中工作。该脉冲管设计提供一种方法或措施，以使得与在被液氦冷却的MRI磁体的颈管中安装两级脉冲管相关的热损失最小化。如图1中所示，根据本发明的两级脉冲管100被***颈管61中，其中该两级脉冲管(或两级脉冲管膨胀器)100被氦气62包围，该氦气62具有从顶部大约290K的室温到底部4K的温度梯度。该脉冲管膨胀器(pulse tube expander)具有温度大约为40K的第一级热站，其通常被用来冷却磁体低温保持器中的护罩和位于第二级上的氦再凝结器。将脉冲管膨胀器设置在颈管中提供了一种可将其很容易地拆下以便保养的方式。
MRI低温保持器包括通过颈管61与内部容器65相连的外壳60。容器65中装有液氦和超导MRI磁体67。该容器被真空63包围。典型的MRI低温保持器具有防辐射护罩64，其被第一级脉冲管膨胀器100经由颈管热站68冷却至大约40K。膨胀器100包括第一级脉冲管10、被装入一管中的第一级再生器7、以及第二级脉冲管23，所有这些均与热凸缘51相连。第一热站30将三个管相互连接在一起，其起到第一热站30内的传热面与第二级脉冲管23之间的热桥的作用。在第一级脉冲管10中具有冷端流动平滑器(flow smoother)9和热端流动平滑器11。在第二级脉冲管23中具有冷端流动平滑器24和热端流动平滑器22。这些流动平滑器还可以起到热交换器的作用。气体通过氦再凝结器25中的传热面在第二级再生器26的冷端和第二级脉冲管23的冷端之间流动。热凸缘51具有来自再生器7的热端的气体端口15以及连接到脉冲管10和23的热端的端口，该端口反过来与孔形缓冲容积组件28中的气体端口相连。典型地，组件28与阀机构相连，以构成GM型脉冲管，该阀机构通过供给气体管线6和返回气体管线4与压缩机相连。也可以通过单独的气体管线将组件28直接连接到压缩机上，以构成斯特林型脉冲管。
热站30被显示为呈圆锥形，以与颈管61中同样形状的容器相配合。径向“O”形环52使脉冲管100被***颈管61中，直到脉冲管热站30与颈管热站68热接合。通常使用薄壁SS管构造脉冲管1和2以及再生器3和4的外壳，以使轴向传导热损失最小化。
图2a显示了典型地用于如图2b所示被真空包围的两级4K GM型脉冲管的温度分布(或温度曲线)。脉冲管和第一级再生器之间的温差大于第二级温差，但是由于氦密度非常大，从而使得在充满氦的颈管中第二级的对流损失比第一级更为显著，由此总循环率更高。
图3为两级脉冲管101的示意图，其中通过多个热桥使脉冲管和再生器之间的热差减小。位于第一级的冷端的热桥30与第二级脉冲管23以如图1中所述方式相连。三个热联接件(thermal link)31被显示为位于再生器7和脉冲管23的上部之间，三个热联接件33被显示为位于再生器7和脉冲管10之间，并且三个热联接件32被显示为位于再生器26和脉冲管23的下部之间。所使用的热联接件的实际数目可以由设计者选择。
图3示意性地显示了孔/缓冲容积组件28中的典型部件。其显示了根据S.Zhu和P.Wu的‘双进口脉冲管制冷器：重要改进’，低温学，30卷，1990年，514页的双孔控制，包括连接从压缩机经由气体端口15分别向脉冲管10和23的热端流动的循环流动的孔13和20、控制脉冲管10和缓冲容积14之间的气体流速(或流量)的孔12、以及控制脉冲管23和缓冲容积21之间的气体流速的孔27。所显示的GM型流动循环具有在脉冲管2中被马达3驱动并且通过气体管线4和6连接到压缩机5的阀机构。在图1、3至14中，相同的部件具有相同的数字标记。
图4显示了两级脉冲管102，其中通过位于第二级再生器26的冷端的间隔件43减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔件43的长度小于脉冲管23的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器26的冷端和流动平滑器24的顶端之间测得该距离。图3至13中显示的所有脉冲管均具有如图1和14中显示的第一级热站30和第二级热站25。第二级热站25中的传热面可被间隔件43中的传热面增大。
图5为两级脉冲管103的示意图，其中通过连接第二级脉冲管23和再生器26的冷端的间隔管29减小了第二级脉冲管23和再生器26之间的热差。间隔管29的长度小于脉冲管23的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器26的冷端和流动平滑器24的顶端之间测得该距离。
图6是两级脉冲管104的示意图，其中通过位于第二级脉冲管23的热端的间隔件44减小了脉冲管23和再生器7和26以及脉冲管10之间的热差。间隔件44的长度小于脉冲管23的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的热端和流动平滑器22的底部之间测得该距离。
图7为两级脉冲管105的示意图，其中通过位于第二级再生器26的冷端的间隔件43和位于第二级脉冲管23的热端的间隔件44减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔件44的长度小于脉冲管23的长度的20％。在再生器7的热端和流动平滑器22的底部之间测得该距离。间隔件43的长度小于脉冲管23的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器26的冷端和流动平滑器24的顶端之间测得该距离。第二级热站25中的传热面可被间隔件43中的传热面增大。
图8为两级脉冲管106的示意图，其中通过位于第二级再生器26的冷端的间隔管29和位于第二级脉冲管23的热端的间隔件44减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔件44的长度小于脉冲管23的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的热端和流动平滑器22的底部之间测得该距离。间隔管29的长度小于脉冲管23的长度的20％。在再生器26的冷端和流动平滑器24的顶端之间测得该距离。
图9为两级脉冲管107的示意图，其中通过位于第一级再生器7的冷端的间隔件41减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔件41的长度小于脉冲管10的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的冷端和流动平滑器9的顶端之间测得该距离。第一级热站30中的传热面可被间隔件41中的传热面增大。
图10为两级脉冲管108的示意图，其中通过连接第一级再生器7的冷端和第一级脉冲管10的冷端的间隔管19减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔管19的长度小于脉冲管10的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的冷端和流动平滑器9的顶端之间测得该距离。
图11为两级脉冲管109的示意图，其中通过位于第一级再生器7的热端的间隔件40减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔件40的长度小于脉冲管10的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的热端和流动平滑器11的底部之间测得该距离。
图12为两级脉冲管110的示意图，其中通过将第一级脉冲管10的热端延伸到热端歧管体70中而减小了脉冲管和再生器之间的热差。位于歧管70中的脉冲管10的长度小于脉冲管10的长度的20％。
图13为两级脉冲管111的示意图，其中通过位于第一级再生器7的热端的间隔件40、位于再生器7的冷端的间隔件41、以及位于第二级再生器26的冷端的间隔件43减小了脉冲管和再生器之间的热差。间隔件40的长度小于脉冲管10的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的热端和流动平滑器22的底部之间测得该距离。间隔件41的长度小于脉冲管10的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器7的冷端和流动平滑器9的顶端之间测得该距离。第一级热站30中的传热面可被间隔件41中的传热面增大。间隔件43的长度小于脉冲管23的长度的20％，优选地在5％和20％之间。在再生器26的冷端和流动平滑器24的顶端之间测得该距离。第二级热站25中的传热面可被间隔件43中的传热面增大。
图14为两级脉冲管112的示意图，其中通过围绕第一级再生器7的绝热套筒71和围绕第二级再生器26的绝热套筒72减小了脉冲管和再生器之间的热差。带有棉织物、亚麻布或玻璃纤维织布(玻璃布)加强物的塑料制品对于绝热套筒来说是很好的选择。玻璃纤维织布不具有其它织物那样的低导热性，但是它具有最佳的尺寸稳定性和强度。
当设计多级脉冲管时，通常根据制冷能力要求和压缩机排量设定脉冲管和再生器的容积。对于脉冲管来说，在选择长度直径比上范围很大。因为平衡具有压降损失的热力性能的需要，使得再生器的长度直径比受到更多限制。当脉冲管被设计成可在真空中工作时不需要考虑脉冲管和再生器的温度分布，然而在氦气氛中工作时它们则成为重要的设计依据。图1和3显示了通过热桥减少再生器和脉冲管之间的温差的方法。图4至13显示了通过再生器和/或脉冲管中的间隔件以及通过位于再生器的冷端和脉冲管的冷端之间的间隔管改变再生器相对于脉冲管的轴向位置的方法。图14显示了将再生器包裹在绝热套筒中的选择。
与单级或多级脉冲管一起已经被描述过的减小再生器和脉冲管之间温差的不同方法可以被单独或结合使用。
Claims (3)
1.一种GM型脉冲管制冷器，其被安装在非真空气氛中并且在该制冷器中的脉冲管和再生器之间具有减小的温差，该制冷器包括脉冲管组件和一个或多个减小传热部件，所述一个或多个减小传热部件被放置在所述脉冲管和所述再生器之间，所述减小传热部件为一个或多个间隔件，其中在两级脉冲管制冷器中，在一级的再生器或二级的再生器的冷端分别或者全部设置有间隔件。
2.根据权利要求1所述的GM型脉冲管制冷器，其特征在于，所述间隔件在相关脉冲管长度的5％至20％的范围内。
3.根据权利要求1所述的GM型脉冲管制冷器，其特征在于，一个或多个间隔件包含传热面。
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