脈衝管低溫冷卻器的製作方法
2023-04-24 18:10:26 1
專利名稱：脈衝管低溫冷卻器的製作方法
技術領域：
本發明涉及產生低溫溫度狀態的低溫冷卻器，特別涉及採用斯特靈(Stirling)循環且包括脈衝管和再生器的低溫冷卻器。
背景技術：
由於採用斯特靈循環的低溫冷卻器能夠通過利用工作氣體的壓縮和膨脹的重複獲得低溫溫度，因此它廣泛地應用於諸如超導元件的冷卻，氣體的提純和分離，紅外線傳感器等等場合。
利用這類斯特靈循環的斯特靈低溫冷卻器的工作原理將參照圖2和圖3來討論。其中，圖2是顯示製冷循環輪廓的例子的視圖，以及，圖3是顯示根據製冷循環壓縮活塞和置換器的起伏周期的圖形。
在圖2中，斯特靈低溫冷卻器20由內部含有壓縮活塞22的壓縮器21，內部充入再生劑的再生器23，形成膨脹腔室25和壓縮腔室28的置換器24，製成在膨脹腔室25和再生器23之間的冷凝部分26，以及製成在壓縮腔室28周圍的熱輻射部分27構成。隨後，將工作氣體在高壓下密封到由上述部件所構成的密封流動通道中，以及壓縮器21的壓縮活塞22和置換器24以它們之間的相位差作往返運動。
此外，在圖3中，實線22a表示壓縮活塞22的起伏，以及，實線24a表示置換器24的起伏。此外，實線29表示由壓縮活塞22的起伏而引起低溫冷卻器總的容積變化。
從圖2中間部分所示的容積(P)—壓力(V)的圖形中可以看到，斯特靈循環是由兩個等溫的變化和兩個恆定容積變化所組成的過程構成的。
即，從圖2的「a」到「b」的過程是等溫的膨脹過程，在這時，壓縮活塞22從上部極限位置向低部極限位置運動，從而使在膨脹腔室25中的工作氣體膨脹，冷凝部分26吸收熱Qc，並且實現冷卻(圖2(A))。
接著，從「b」到「c」過程是恆定容積加熱過程，這時，置換器24從低部極限位置向上部極限位置運動，從而使膨脹腔室25內的液體推出並且通過再生器23流到壓縮腔室一邊的空間，壓力升高(圖2(B))。
接著，從「c」到「d」的過程是等溫壓縮的過程，這時，壓縮活塞22從低部極限位置向上部極限位置運動，從而使得工作氣體送入到壓縮腔室28中，並且通過在熱輻射部分27從輻射熱Qh進行等溫壓縮(圖2(C))。
最後，從「d」到「a」的過程是恆定容積冷凝過程，這時，置換器24從上部極限位置向下部極限位置運動，從而使壓縮腔室28內的液體推出且通過再生器23推到膨脹腔室25一邊(圖2(D))，使壓力下降，並且循環周期結束。
順便提一下，在該循環中，正如圖3中的實線22a和24a所示，在壓縮活塞22和置換器24之間的相位差設置約為90度。
正如以上所闡述的，在斯特靈低溫冷卻器中，壓縮活塞是由機械功所驅動的，從而在密封空間中的工作氣體的壓力是變化的，並且在膨脹腔室內的工作氣體膨脹被與該壓力周期性變化相同步運動的置換器冷凝，因此就能獲得高的熱效率。
另一方面，對利用這種斯特靈循環的低溫冷卻器來說，如圖4所示的脈衝管低溫冷卻器也是眾所周知的。
這種脈衝管低溫冷卻器10具有用於工作氣體重複輸入和吸出的壓縮器11，通過熱輻射部分12與該壓縮器11相耦合且內部充有再生劑的再生器13，通過冷凝部分14與再生器13相耦合的脈衝管15，通過熱輻射部分16和慣性管17與該脈衝管15相耦合的緩衝容器18。
工作氣體，例如，氦氣，氮氣或氫氣，可以在高的壓力下密封到該脈衝管低溫冷卻器10的密封空間中。隨後，類似於上述斯特靈低溫冷卻器，工作氣體的膨脹和壓縮是由壓縮器來重複，以形成壓力的幅度。
這裡，在脈衝管低溫冷卻器10中，脈衝管15內的工作氣體30在流體管道中不斷的振蕩，從而起到了上述斯特靈低溫冷卻器中的置換器的功能。同樣，工作氣體30可以通過控制振蕩工作氣體30位移和壓力位移的相位來做功，從熱輻射部分12和16輻射熱量Q1和Q3，在冷凝部分4吸收熱量Q2，冷凝部分變成低溫冷卻器的冷端，並且能夠形成低溫的狀態。順便提一下，慣性管17和緩衝器18起著控制振蕩的工作氣體的位移和壓縮活塞的位移的相位的作用。
在該脈衝管低溫冷卻器中，不需要在斯特靈低溫冷卻器中安裝的置換器，以及可替換掉置換器，這樣高壓氣體就不斷的振蕩，從而使得工作氣體被壓縮和膨脹，因此，在低溫部分就不存在可移動的部分。於是，可獲得在冷端不存在機械振蕩，設備結構簡單，以及可靠性高的優點。
發明內容
在上述脈衝管低溫冷卻器中的輸出(低溫冷卻器的輸出)取決於與脈衝管內部空間的壓力幅度和流動幅度的乘積成比例的輸出(下文稱之為標稱的製冷輸出)和在低溫冷卻器內部所產生的各種熱損耗之間的差值，且可以下列公式表示(製冷輸出)＝(標稱的製冷輸出)-(熱損耗)因此，為了提高脈衝管低溫冷卻器的冷卻效率，以下兩點是很重要的(1)通過將壓縮器的壓縮活塞所提供的壓力幅度有效地傳遞給脈衝管來提高標稱的製冷輸出，以及(2)要減小由於在各個結構部件中的熱傳導，特別是在低溫冷卻器內的熱傳導所引起的熱損耗。
首先，關於再生器，為了減小上述的熱損耗，有必要減小通過再生器的結構部件的熱傳導，因為在圖4所示的熱輻射部分12和冷凝部分14之間存在著溫度差異。即，有必要暫時存儲壓縮器11所提供的並排出的工作氣體的潛在的熱量，以及減小從高溫一邊的熱輻射部分12的熱量通過工作氣體流向低溫一邊的冷凝部分14。
為了這個目的，可以設想通過增加低溫冷卻器13的內部容量來增加熱容量，或通過在軸線方向上加長低溫冷卻器13來增加熱阻。
然而，另一方面，從標稱的製冷輸出來看，為了能有效地將壓縮器11所產生的壓力幅度傳遞給脈衝管15，就有必要縮小再生器的壓力損耗。因此，從這個觀點出發，再生器的長度最好能短些。
因此，可以設想像在再生器3方面，有必要優化再生器的內部容積，長度等等，以滿足上述這些自相矛盾的要求。
另一方面，也與脈衝管15方面有關，為了能減小上述熱損耗，有必要降低由於熱輻射部分16和冷凝部分14之間的溫度差異而引起、通過脈衝管的結構部件熱傳導，為了這個目的，在脈衝管15的軸線方向上的熱阻最好能大些，因此，可以想像通過脈衝管15在軸線方向上的加長來增加熱阻。
然而，類似於再生器13，考慮到壓力幅度的獲得來增加標稱的製冷輸出，與來自壓縮器11的壓力幅度有關，在脈衝管15內的壓力幅度有必要保持在大的數值上。於是，從壓力損耗的觀點出發，脈衝管的長度最好能短些。同樣，也與脈衝管15有關，可以想像脈衝管的內部容積，長度，等等必須優化，以同時滿足自相矛盾的要求。
隨後，由於將上述再生器13和脈衝管15連接起來構成低溫冷卻器，可以想像在低溫冷卻器的容積，長度等等與脈衝管15的容積，長度等等方面都存在著最佳的範圍，且可以想像這些參數對低溫冷卻器的效率將產生很大的影響。
因此，本發明的第一問題是通過優化上述有關自相矛盾的條件來提供具有高的製冷效率的脈衝管低溫冷卻器。
此外，能夠容易地實現具有優良性能的脈衝管低溫冷卻器，它沒有機械振動，設備結構簡單以及可靠性改善，同時，通過安裝姿態的調整，即，在安裝的同時調整的再生器和脈衝管之間的相對位置關係，很難輕易地改變低溫冷卻器的輸出，以及有必要保證結構不會受到安裝姿態的調整太大的影響。
以上已經提出了，脈衝管低溫冷卻器的製冷輸出是由下列關係式表示(製冷輸出)＝標稱製冷輸出-(熱損耗)以及，在關係式中的熱損耗中，有受到低溫冷卻器安裝姿態的影響的熱損耗，存在著密封在內部的工作氣體在脈衝管內部空間和再生器內部空間內部產生的對流的熱損耗，以及由該熱對流從高溫端進入冷凝頭的熱量。
即，由於冷凝頭時低溫的，例如，約為70K，而高溫端通常為正常溫度(約為300K)，所以，工作氣體的密度就會在冷凝頭和高溫端之間有很大的差異，且由重力而產生對流，這種對流的程度會受到安裝姿態的影響，因此，由這種對流而產生的熱損耗也受到安裝姿態的影響。
下文，將以脈衝管作為一個例子來討論安裝姿態的影響。
首先，在脈衝管的冷凝頭定位在高於高溫端的安裝狀態中，由於在脈衝管的內部空間的工作氣體的溫度狀態是與高溫端相接觸的下部分的溫度高於與冷凝頭相接觸的上部分的溫度，在脈衝管內部空間的工作氣體的密度就變成在上部的大而在下部的小，且受到重力的影響工作氣體就產生了對流。其結果是，在與高溫端相接觸的較下部分的工作氣體上升，並且將熱量傳遞給設置在上部的冷凝頭，以及在與冷凝頭相接觸的上部中的工作氣體將冷卻的熱量又傳遞給設置在較下部分的高溫端，從而產生熱損耗並降低了低溫冷卻器的製冷輸出。
另一方面，在脈衝管的冷凝頭定位在低於高溫端的安裝狀態中，由於在脈衝管內部空間的工作氣體的溫度就變得與高溫端相接觸的較上部分的溫度高於與冷凝頭相接觸的較下部分的溫度，所以在脈衝管內部空間的工作氣體的密度就變得在較下部分中的大而在較上部分中的小。因此，在這種安裝姿態中，由於工作氣體不會由於重力而產生對流以及可以忽略由對流而產生的熱損耗，所以能夠獲得高的製冷輸出。
本發明的產生考慮到上述討論的常規脈衝管低溫冷卻器的困難，本發明的第二問題是提供脈衝管低溫冷卻器，它減少了由於安裝姿態的差異而產生的製冷輸出的差異，以及即使在各種不同的安裝條件下都能獲得穩定的製冷輸出。
為了解決上述第一問題，本發明者及同事認真進行了實驗，發現通過將再生器及脈衝管的空間容積，長度，截面部分等等設置在指定比例上可以獲得比常規低溫冷卻器高的製冷輸出，並已經完成了該發明。
即，根據本發明的脈衝管低溫冷卻器包括用於工作氣體重複輸入和吸收的壓縮器，通過熱輻射部分與壓縮器相耦合且內部充入再生劑的再生器，通過冷凝部分與再生器相耦合的脈衝管，和通過熱輻射部分和慣性管與脈衝管相耦合的緩衝容器，並且脈衝管低溫冷卻器的特徵為脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例為0.75至1.5(本發明的權利要求1)。
根據上述發明，通過將脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例設置在上述範圍內，從標稱的製冷輸出的觀點來看，在壓縮器中所產生的壓力幅度能有效地傳遞到脈衝管，熱損耗的發生可以被抑制，以及製冷效率能夠提高。
在上述發明中，脈衝管的長度與再生器的長度的比例最好為0.9至1.9(本發明權利要求2)。這樣的話，由於在壓縮器中所產生壓力幅度的損耗能夠進一步的減少，因此就提高了標稱的製冷輸出，也就提高了低溫冷卻器的製冷效率，以及能夠提高製冷輸出。
此外，根據本發明的另一個脈衝管低溫冷卻器包括用於工作氣體重複輸入和吸收的壓縮器，通過熱輻射部分與壓縮器相耦合且內部充入再生劑的再生器，通過冷凝部分與再生器相耦合的脈衝管，和通過熱輻射部分和慣性管與脈衝管相耦合的緩衝容器，並且脈衝管低溫冷卻器的特徵為在所具有等於再生器內部截面部分的區域的圓的直徑為內部直徑時，再生器的長度除以內部直徑的平方所獲得的數值為0.11至0.26(本發明權利要求3)。
根據上述發明，通過將再生器的長度和截面設置在以上所規定的範圍內，以儘可能地抑制熱損耗使得再生器軸向方向上的熱阻變大，也將壓力損耗抑制在極限範圍內，使得在壓縮器中所產生的壓力幅度能夠有效地傳遞到脈衝管，因此就有可能提高標稱的製冷輸出以及提高製冷效率。
此外，作為本發明者解決第二問題的早期實驗的結果，已經發現了與常規脈衝管低溫冷卻器相比能夠減少由安裝姿態所引起的製冷輸出差異的條件。
即，在本發明中，為了解決第二問題，在脈衝管和再生器水平設置的脈衝管低溫冷卻器中，脈衝管的內部截面部分與再生器的內部截面部分的比例設置為不小於0.1和不大於0.35(本發明權利要求4)。
因此，在包括脈衝管和再生器的脈衝管低溫冷卻器中，脈衝管的內部直徑設置為12mm或小於12mm(本發明權利要求5)。
當構成脈衝管低溫冷卻器使得脈衝管的內部截面與再生器的內部截面的比例，或脈衝管的內部直徑設置成上述範圍內的數值，正如下文將介紹的，在脈衝管內部空間所產生的工作氣體的自然對流而產生的熱損耗變成等效於在再生器內部空間所產生工作氣體的自然對流而產生的熱損耗，即使在安裝的姿態發生上下變化的條件下依然如此，由於可以抵消上述兩項熱損耗，所以就減小了由安裝姿態所引起的製冷輸出的差異，就能夠獲得在各種安裝的條件下部可具有穩定製冷輸出的脈衝管低溫冷卻器。
本發明脈衝管低溫冷卻器的實例的結構示意圖。
顯示採用斯特靈循環的斯特靈低溫冷卻器的工作原理的舉例示意圖。
顯示在斯特靈循環中壓縮活塞和置換器之間相位的圖形。
脈衝管低溫冷卻器的結構示意圖。
顯示實例1結果的圖形。
顯示實例2結果的圖形。
顯示實例3結果的圖形。
顯示實例4結果的圖形。
顯示實例5結果的圖形。
標號和符號的描述10脈衝管低溫冷卻器11壓縮器11a連接導管12熱輻射部分13再生器14冷凝部分15脈衝管16熱輻射部分17慣性管18緩衝容器19a冷卻的散熱器19b冷凝頭19c熱輻射頭具體實施方式
下文儘管是在圖1的基礎上討論本發明的實施方式，但是本發明並不局限於下列方式。
圖1顯示了本發明脈衝管低溫冷卻器所示意的結構。值得注意的是，由於基本結構與圖4的結構相同，所以與圖4相同的部件就採用同樣的符號來表示，且省略了對它們的解釋。
在該脈衝管低溫冷卻器10中，耦合著未顯示的壓縮器的連接導管11a，熱輻射部分12，再生器13，冷凝部分14，脈衝管15和熱輻射部分6依序連接成一體，且形成完整的圓柱形狀。
慣性管17通過熱輻射部分16與脈衝管15相耦合，以及還通過慣性管17與緩衝容器18相耦合。
該慣性管17和緩衝容器18用於控制在脈衝管15中的工作氣體振蕩的位移相位和連接著連接導管11a的未顯示的壓縮器的壓縮活塞的位移相位。
另外，在熱輻射部分12周圍提供了用於熱輻射的冷卻散熱片19a，在冷凝部分14周圍提供了冷卻頭19b，以及在熱輻射部分16周圍提供了熱輻射頭部分19c。
有利於工作氣體熱傳導的熱傳導材料設置在熱輻射部分12，冷凝部分14，以及熱輻射部分16。其中，作為熱傳導材料來說，最好能採用具有優良熱傳導性能的金屬網，例如，銅或鋁。
在本發明中，在與再生器13有關的關係中，脈衝管15的空間容積和脈衝管的長度都很重要，已經發現這些參數已成為確定受標稱的製冷輸出和熱損耗影響的製冷效率的因素。值得注意的是，本發明的脈衝管的長度是指圖1中冷凝部分14和熱輻射部分16之間的軸向距離L2。
儘管脈衝管15的材料並沒有特別的限制，但是考慮到強度，熱傳導等等，最好能採用金屬，特別是採用不鏽鋼。此外，由於脈衝管15的長度L2是根據以下將要討論的再生器的關係來確定的，所以並沒有特別的限制，但是在製冷輸出約為2W的情況下，脈衝管15的長度L2最好是在40至100mm的範圍內。此外，脈衝管15的內部容積最好是在5至30ml的範圍內。
具有大的熱容量的再生劑是設置在再生器13的內部空間中。其中，作為再生劑來說，可以使用諸如不鏽鋼網或球的優良材料，但這並沒有特別的限制。此外，儘管充入的劑量是可以適當選擇的，但是與再生器13的空間容積的空隙比例最好為容積的60％至80％。
在本發明中，在與脈衝管15的關係中，再生器13的空間容積，內部直徑和長度都是很重要的，且成為確定受標稱的製冷輸出和熱損耗影響的製冷效率的因素。其中，在本發明中的再生器13的長度是指是指圖1中熱輻射部分12和冷凝部分14之間的軸向距離L1。此外，內部直徑是指在圖1中再生器13的內部截面部分轉換成圓的情況下的直徑D。
由於是通過脈衝管15的空間容積和長度的關係來規定再生器13的空間容積，所以並沒有特別地限制，但是最好是設置在5至30ml的範圍內。此外，再生器的長度L1最好能設置在40至100mm的範圍內，以及再生器13的內部直徑D最好能設置在15至20mm的範圍內。
接著，討論再生器13和脈衝管15之間的關係。
在本發明中，必須將脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例確定為0.75至1.5，最好是0.8至1.4。這樣的話，從標稱製冷輸出的觀點來看，在壓縮器中所產生的壓力幅度能夠有效地傳遞到脈衝管15，以及能夠通過再生器13的熱阻來抑制熱損耗，從而改善脈衝管低溫冷卻器的製冷效率和提高製冷輸出。
在上述比例小於0.75的情況下，再生器13的空間容積就過分大，而脈衝管的空間容積就過分小。
在再生器13的空間容積過大的情況下，儘管增加了再生劑的熱容量和表面面積以及也增加了減小熱損耗的效果，但是在壓縮器中所產生的壓力幅度與傳遞到脈衝管15的壓力幅度的比例(壓縮比例)卻下降了很多，在脈衝管15中的壓力幅度也下降了，結果也降低了標稱的製冷輸出以及降低了製冷的效率，所以這並不推薦。此外，在脈衝管15的空間容積過分小的情況下，由於沒有能在脈衝管15中形成所謂的氣體活塞，所以也降低了標稱的製冷輸出以及也降低了製冷的效率，這也不是最好的。
另一方面，當上述的比例超過了1.5時。再生器13的空間容積就變得過分小，而脈衝管15的空間容積就變得過分小，在前一種情況下，再生器13的熱容量和再生劑的表面面積就降低了且熱損耗增加了，在後一種情況下，脈衝管15的空間容積增加了，使得壓縮比例下降了，降低了標稱的致冷輸出製冷效率也降低了，這也不是最好的。
此外，在本發明中，脈衝管15的長度L2與再生器13的長度L1的比例，即，L2/L1，推薦設置為0.9至1.9，最好是設置為1.0至1.7。這樣的話，由於能夠進一步降低在壓縮器中所產生的壓力幅度，所以能夠提高製冷效率以及能夠提高製冷輸出。
在上述比例小於0.9的情況下，再生器13的長度就變得過大，就增加了在再生器13中的壓力損耗，以及降低了標稱的製冷輸出，所以這並不是最好的，而當上述比例超過1.9時，再生器13的長度就變得過小，通過再生器13的結構部件的熱傳導質量就提高了，軸向方向上的熱阻就降低了，熱損耗增加了，所以這也不是最好的。
另外，在本發明中，再生器13的長度L1除以內部直徑D的平方所獲得的數值推薦為0.11至0.26，最好為0.15至0.25。這樣的話，儘可能使再生器13在軸向方向上的熱阻大些，熱損耗得以抑制，將再生器13的壓力損失抑制在極限，壓縮器所產生的壓力幅度能有效地傳遞到脈衝管15，以及能提高標稱的製冷輸出。
在上述比例小於0.11的情況下，再生器13的長度就變得過小，降低了在軸向方向上的熱阻，增加了熱損耗，或者通過增加內部直徑D使空間容積變得過大，壓縮比例下降，標稱的製冷輸出也下降，以及製冷的效率也降低，所以這並不是最好的，而當上述的比例超過0.26時，因為再生器的長度變得過大，所以壓力損耗增加，標稱的製冷輸出也降低，以及製冷的效率也降低，所以這並不是最好的。
接著，討論該脈衝管低溫冷卻器10的工作。
未顯示的壓縮器與連接導管11a相連接以構成密封的空間，工作氣體，例如氦氣密封在密封的空間中。儘管工作的氣體沒有特殊的限制，但是可以使用氦氣，氮氣，氫氣，氧氣或類似的氣體。在應用於70K或低於70k的低溫條件下，最好使用氦氣或氫氣，使得工作氣體不會被液化。此外，工作氣體的密封壓力最好是2至4MPa。
當將壓力的幅度從壓縮器施加到工作氣體時，在脈衝管15中的工作氣體就會根據上述的工作原理而不斷的振蕩，熱量就從熱輻射部分16釋放出，且由冷凝部分14產生低溫狀態，冷凝部分成為低溫冷卻器冷卻的冷頭。在這種情況下，施加到工作氣體上的壓力幅度最好為0.1至0.4MPa，而頻率最好為45至55Hz。
隨後，當需要冷卻的物體置於該狀態中的冷凝部分14時，熱量就從需要冷卻的物體中吸收，熱量從熱輻射部分16釋放出，以及將熱輻射到系統的外面。
同時，由於脈衝管15的空間容積與再生器13的空間容積的比例設置在0.75至1.5的範圍內，壓縮器所產生的壓力幅度有效地傳遞到脈衝管15，以提高標稱製冷輸出，以及適當地提供再生器13的熱阻和降低熱損耗，這樣就有可能在高的製冷效率和在最佳的條件下工作。
實例下文儘管利用一些例子更詳細地討論本發明，但是本發明並不局限於這些例子。
使用圖1所示的脈衝管低溫冷卻器，在各種不同的條件下變化脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例，以及測量在70K冷卻溫度下的製冷輸出(W)。其結果如圖5所示。
值得注意的是，低溫冷卻器的工作條件為以氦氣作為工作氣體，在2.1MPa的壓力下密封，壓力的幅度為0.2MPa以及頻率為50Hz。此外，再生器和脈衝管的材料是不鏽鋼製成的，以及在再生劑充入再生器時，設置400目的不鏽鋼金屬網，使得填入的比例為60％。此外，100目的銅金屬網作為熱傳導材料使用。
圖5是顯示脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例和製冷輸出之間關係的曲線，其橫坐標表示脈衝管的空間容積除以再生器的空間容積所獲得的數值，而縱坐標表示在70K的冷卻溫度時的製冷輸出。在該圖中，條件1表示脈衝管的內部直徑為15mm和再生器的內部直徑為20mm的情況，而條件2表示脈衝管的內部直徑為14mm和再生器的內部直徑為18mm的情況。此外，實線1和實線2分別是回歸方程式在條件1和條件2下的測量數值的二次方程曲線。
從圖5的結果中可以看到，製冷輸出有一個對應於脈衝管的空間容積與再生器的空間容積比例向上凸出的關係，可以理解到，在本發明範圍內，製冷輸出在0.75至1.5是高的。
使用圖1所示的脈衝管低溫冷卻器，在各種不同的條件下變化脈衝管的長度L2與再生器的長度L1的比例，以及測量在70K冷卻溫度下的製冷輸出(W)。其結果如圖6所示。值得注意的是，低溫冷卻器的工作條件類似於實例1的工作條件。
圖6是顯示脈衝管的長度與再生器的長度的比例和製冷輸出之間關係的曲線，其橫坐標表示脈衝管的長度除以再生器的長度所獲得的數值，而縱坐標表示在70K的冷卻溫度時的製冷輸出。在該圖中，條件3表示脈衝管的內部直徑為15mm和再生器的內部直徑為20mm的情況，而條件4表示脈衝管的內部直徑為14mm和再生器的內部直徑為18mm的情況。此外，實線3和實線4分別是回歸方程式在條件3和條件4下的測量數值的二次方程曲線。
從圖6的結果中可以看到，製冷輸出有一個對應於脈衝管的長度與再生器的長度的比例向上凸出的關係，可以理解到，在本發明範圍內，製冷輸出在0.9至1.9是高的。
使用圖1所示的脈衝管低溫冷卻器，在各種不同的條件下變化再生器的長度L1除以再生器的內部直徑D的平方所獲得的數值，以及測量在70K冷卻溫度下的製冷輸出(W)。其結果如圖7所示。值得注意的是，低溫冷卻器的工作條件類似於實例1的工作條件。
圖7是顯示再生器的長度L1除以再生器內部直徑D的平方所獲得數值和製冷輸出之間關係的曲線，其橫坐標表示再生器的長度L1除以再生器內部直徑D的平方所獲得數值，而縱坐標表示在70K的冷卻溫度時的製冷輸出。在該圖中，條件5表示再生器的內部直徑為20mm的情況下的測量數值，而條件6表示再生器的內部直徑為18mm的情況下的測量數值。此外，實線5和實線6分別是回歸方程式在條件5和條件6下的測量數值的二次方程曲線。
從圖7的結果中可以看到，製冷輸出有一個對應於再生器的長度L1除以再生器內部直徑D的平方所獲得數值向上凸出的關係，可以理解到，在本發明範圍內，製冷輸出在0.11至0.26是高的。
使用圖1所示的脈衝管低溫冷卻器，變化脈衝管15內部空間的截面部分與再生器13內部空間的截面部分的比例，進行在70K冷卻溫度下的冷卻工作，以及在脈衝管15的定位高於再生器13的定位安裝情況下和在脈衝管15的定位低於再生器13的定位安裝情況下測量製冷輸出。值得注意的是，這時，以氦氣作為工作氣體使用，在2.1MPa的壓力下密封且在壓力幅度為0.2MPa和頻率為50Hz下工作。此外，再生器13和脈衝管5採用不鏽鋼製成，400目的不鏽鋼金屬網用於再生劑，將再生劑填入再生器13且填入比例為60％。另外，100目的銅金屬網用於熱輻射部分12，冷凝部分14和熱輻射部分16的熱傳導材料。
圖8是顯示在該測量測試中所獲得結果的特徵圖。在該圖中，縱向坐標表示在脈衝管15的定位高於再生器13的安裝情況下的製冷輸出與在脈衝管15的定位低於再生器13的安裝情況下的製冷輸出之間的差異，而水平坐標表示脈衝管15的內部空間截面部分與再生器13的內部空間截面部分的比例。在該圖中，由「·」指示的特徵曲線(條件1)表示在再生器的內部直徑為18mm情況下的測量數值，而由「◆」指示的特徵曲線(條件2)表示在再生器的內部直徑為20mm情況下的測量數值。此外，實線是這些測量數值的線形回歸方程式。
正如該圖所顯示的，在本發明者的測試範圍內，由安裝狀態而引起的製冷輸出之間的差異與脈衝管的截面部分和再生器的截面部分的比例成線性關係，並且可以理解到，特別是在脈衝管的截面部分與再生器的截面部分的比例為0.1至0.35的情況下，由安裝狀態而引起的製冷輸出之間的差異可抑制到最小。同樣，如果脈衝管的截面部分與再生器的截面部分的比例選擇在0.1至0.35的範圍內並構成脈衝管低溫冷卻器，即使安裝的姿態上下變化，但所獲得製冷輸出的變化可抑制到最小，且能夠獲得穩定的製冷輸出。
在脈衝管低溫冷卻器中由工作氣體的自然對流所引起的熱損耗包括在脈衝管15內部空間的工作氣體的自然對流引起的熱損耗A和在再生器13內部空間的工作氣體的自然對流引起的熱損耗B，以及由於高溫部分和低溫部分在上下方向上的位置形成了在脈衝管15和再生管15之間存在一個相對的方向，在脈衝管15的定位高於再生器13的定位的情況下，熱損耗A增加，而熱損耗B抑制到最小。另一方面，在脈衝管15的定位低於再生器13的定位的情況下，熱損耗B增加，而熱損耗A抑制到最小。因此，正如以上所討論的，如果脈衝管的截面部分與再生器的截面部分的比例選擇在0.1至0.35的範圍內，由於在脈衝管15的定位高於再生器13的定位的情況下的熱損耗A等於在脈衝管15的定位低於再生器13的定位的情況下的熱損耗B，那麼即使安裝的姿態在上下方向上變化，仍能獲得幾乎相等的製冷輸出。
在脈衝管的截面部分與再生器的截面部分的比例小於0.1的情況下，由於再生器的截面部分變得相對過大，在脈衝管的定位低於再生器的定位的安裝情況下所得到的熱損耗B就會變得大於在脈衝管的定位高於再生器的定位的安裝情況下所得到的熱損耗A，當脈衝管定位在較低部分時，製冷輸出就會大大降低。此外，當脈衝管的截面部分與再生器的截面部分的比例超過0.35時，由於脈衝管的截面部分就會變得相對地過大，且脈衝管的熱損耗A就相對增加，當脈衝管定位在較高的部分時，製冷輸出就會大大降低。
使用圖1所示的脈衝管低溫冷卻器，變化脈衝管15的內部直徑來進行在70K冷卻溫度下的冷卻工作，以及測量在脈衝管15的定位高於再生器13的定位的安裝情況下的製冷輸出和在脈衝管15的定位低於再生器13的定位的安裝情況下的製冷輸出。值得注意的是，這時，以氦氣作為工作氣體使用，在3.1MPa的壓力下密封且在壓力幅度為0.2MPa和頻率為50Hz下工作。此外，再生器13和脈衝管15採用不鏽鋼製成，400目的不鏽鋼金屬網用於再生劑，將再生劑填入再生器13且填入比例為60％。另外，100目的銅金屬網用於熱輻射部分12，冷凝部分14和熱輻射部分16的熱傳導材料。
圖9是顯示在該測量測試中所獲得結果的特徵圖。在該圖中，縱向坐標表示在脈衝管15的定位高於再生器13的安裝情況下的製冷輸出與在脈衝管15的定位低於再生器13的安裝情況下的製冷輸出之間的差異，而水平坐標表示脈衝管15的內部直徑。在該圖中，由「·」指示的特徵曲線表示測量數值，而實線是這些測量數值的線形回歸方程式。
正如圖中所顯示的，可以理解到，隨著脈衝管15的內部直徑的減小，在由安裝狀態所引起的製冷輸出之間的差異也減小，特別是在脈衝管15的內部直徑小於12mm的情況下，由安裝狀態所引起的製冷輸出之間的差異被抑制到了最小。同樣，如果脈衝管的內部直徑選擇12mm或小於12mm且構成脈衝管低溫冷卻器，即使變化安裝的姿態，在所獲得製冷輸出中的變化可以抑制到最小，且能夠獲得穩定的製冷輸出。
正如以上所討論的，根據本發明(權利要求1至3的發明)，通過將再生器和脈衝管的空間容積和長度調整和優化在指定的比例上就能提供具有高的製冷效率的脈衝管低溫冷卻器。這樣的話，由於有可能有效地獲得在70K附近的低溫，因此本發明能夠適用於在諸如冷卻高溫超導元件的場合中適用。
此外，根據本發明(權利要求4和5的發明)，在脈衝管和再生器直線設置的脈衝管低溫冷卻器中，由於脈衝管的內部截面部分與再生器的內部截面部分的比例，以及脈衝管的內部直徑都選擇在預定的數值上且最佳化，因此就減小了由於安裝姿態的差異所引起的製冷輸出的差異，且能在各種安裝條件下獲得穩定的輸出。
權利要求
1.一種脈衝管低溫冷卻器，包括用於工作氣體重複輸入和吸收的壓縮器，通過熱輻射部分與壓縮器相耦合且內部充入再生劑的再生器，通過冷凝部分與再生器相耦合的脈衝管，以及通過熱輻射部分和慣性管與脈衝管相耦合的緩衝容器，其特徵在於脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例為0.75至1.5。
2.如權利要求1所述的脈衝管低溫冷卻器，其特徵在於脈衝管的長度與再生器的長度的比例為0.9至1.9。
3.一種脈衝管低溫冷卻器，包括用於工作氣體重複輸入和吸收的壓縮器，通過熱輻射部分與壓縮器相耦合且內部充入再生劑的再生器，通過冷凝部分與再生器相耦合的脈衝管，以及通過熱輻射部分和慣性管與脈衝管相耦合的緩衝容器，其特徵在於當面積等於再生器的內部截面部分的圓的直徑作為內部直徑時，再生器的長度除以內部直徑的平方所得到的數值為0.11至0.26。
4.一種脈衝管低溫冷卻器，其中線性地設置脈衝管和再生器，脈衝管低溫冷卻器的特徵在於脈衝管的內部截面部分與再生器的內部截面部分的比值不小於0.1且不大於0.35。
5.如權利要求1至4中任一項所述脈衝管低溫冷卻器，其特徵在於脈衝管的內部直徑為12mm或小於12mm。
全文摘要
一種脈衝管低溫冷卻器，包括用於工作氣體重複輸入和吸收的壓縮器，通過熱輻射部分與壓縮器相耦合且內部充入再生劑的再生器，通過冷凝部分與再生器相耦合的脈衝管，以及通過熱輻射部分和慣性管與脈衝管相耦合的緩衝容器，其中脈衝管的空間容積與再生器的空間容積的比例為0.75至1.5。
文檔編號F25B9/14GK1417544SQ02148250
公開日2003年5月14日 申請日期2002年10月31日 優先權日2001年11月5日
發明者鴨下友義, 保川幸雄 申請人:富士電機株式會社