用于以氦气作为工作气体的低温冷却器的再生器，用于生产这种再生器的方法，以及包括这种再生器的低温冷却器技术

氦气通常用作低温冷却器中的工作气体。氦气在2K至20K的温度范围内具有相对较高的热容量，相当于稀土族化合物在该温度范围时的热容量。因此，已经有专家提出使用氦作为再生器的材料。这类再生器结构包含封闭空心体，工作气体在空心体四周流动。这种使用封闭空心体，并以氦填充在空心体内的已知技术，主要缺点在于，必须在正压力下填充氦气到空心体，导致昂贵的成本。由于该正压力，必须增加空心体的壁厚，结果会导致传热阻力的劣化。本发明专利技术提出一种再生器，使用氦作为储热材料，但是具有简单的结构。在最简单的情况下，再生器由具有导热单元壁(4)的中空单元(2)组成。单元壁的外部(4a)至少部分地限定了用于氦工作气体的流动通道(12)。中空腔(6)填充氦，作为储热材料，并通过压力平衡开口(8)连接到单元的外部。氦工作气体围绕管形单元流动，使腔体外部的氦工作气体和腔体内的氦气之间可经由单元壁进行热的传递。根据工作气体的流动通道的尺寸设定相关的单元尺寸，使得再生器的高压侧和低压侧之间达到期望的压力差，以使无效容积成为最小。

Regenerator for cryogenic cooler with helium as working gas, method for producing such regenerator, and cryogenic cooler including such regenerator

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于以氦气作为工作气体的低温冷却器的再生器，用于生产这种再生器的方法，以及包括这种再生器的低温冷却器
本专利技术涉及用于以氦气作为工作气体的低温冷却器的再生器(根据权利要求1)，用于生产这种再生器的方法(根据权利要求16和17)，并提供包括这种再生器的低温冷却器(根据权利要求18)。
技术介绍
以再生器的方式操作定期操作的低温冷却器，例如斯特林(Stirling)冷却器、吉福德麦克马洪(GiffordMcMahon)(GM)型冷却器或其他脉冲管冷却器，可以利用材料的热容量来储存冷量和/或预冷正进入膨胀室的热气。但这种操作的问题在于，在2K到20K的温度范围内，几乎所有材料的热容量都急剧下降。因此，很难找到在2K和20K之间的温度范围内具有足够高的热容量的材料。图13示出了两级脉冲管冷却器的典型结构，所示的结构中，第一冷级220级可达到大约30K的温度，第二冷级222可达到至多大约2K的温度。第一冷级220包括第一脉冲管224与第一再生器226。第二冷级222包括第二脉冲管228和根据本专利技术的第二再生器230。第一冷级220可达到约30K的温度，第二冷级222则可达到约4K的温度。第一脉冲管224、第一再生器226和第二脉冲管228终止于连接装置232；连接装置232将环境与待冷却区域分开。从工作气体管线234以泵(未示出)供应和排出形成脉动的工作气体。工作气体管线234通向第一再生器226，并且通过阀门236连接到第一脉冲管224和第二脉冲管228，以及稳压容积238。第二冷级222中的第二再生器230由第一再生器部分240以及低温再生器部分242组成。第一再生器部分240由叠加的金属筛网244组成，配置在低温再生器部分242的上方－参见图14。低温再生器部分242则包含稀土族化合物，例如ErNi，HoCu2等。第二再生器230的结构在图14中示意性地示出。稀土族化合物的成本相对昂贵。此外，这些材料以珠子246的形式(直径为100至几百微米)使用。这种架构的问题在于珠子在工作气体的振荡流中如何固定。因为无论何种类型的运动，都会导致珠子磨损，并因此产生粉尘，结果将会大幅缩短低温冷却器的寿命。此外，根据图14架构的珠床会形成相当大的无效容积。无效容积对热交换没有贡献，对于冷却能力也没有帮助。氦气通常用作低温冷却器中的工作气体。氦气在2K至20K的温度范围内具有相对较高的热容量，相当于稀土族化合物在该温度范围时的热容量。因此，已经有专家提出使用氦作为再生器的再生器材料。从US2012/0304668A1、DE10319510A1、DE102005007627A1、CN104197591A、DE19924184A1和US4359872A等专利中可以得知，这类再生器结构包含以玻璃或金属制成的封闭空心体，在空心体中填充氦气。不过基于这种想法的再生器尚未有成品问世。此外，填充氦气仍然会导致珠子磨损，也会缩短低温冷却器的使用寿命。这种已知的填充氦气的封闭空心体，其主要缺点在于，在正压力下填充氦气到空心体，需要昂贵的成本。由于该正压力，必须增加空心体的壁厚，结果会导致传热阻力的劣化。在文章“HeatCapacityCharacterizationofa4KRegeneratorwithNon-RareEarthMaterial”(“具有非稀土材料的4K再生器的热容特性”，刊登于Cryocooler’s19，InternationalCryocoolerConference,Inc.，美国科罗拉多州Boulder，2016)中，提出了一种具有吸附剂材料的结构，该吸附剂材料可以吸收氦气。所述结构作为低温冷却器的再生器。不过，这种再生器的结构复杂且昂贵，并存在部分吸附剂材料可能被工作气流夹带吹走的风险。气流夹带的吸附剂颗粒会严重缩短使用这种再生器的低温冷却器的使用寿命。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种与使用稀土族化合物的再生器相比，较为低廉的再生器，这种再生器使用氦作为储热材料并且具有简单的结构。所述目的的解决方案通过权利要求1的技术特征实现。再生器最简单的形式包括中空单元，该中空单元具有导热单元壁。单元壁的外侧至少部分地限定了用于氦工作气体的流动通道。中空腔内充满氦气，作为储热材料。中空腔还通过压力平衡开口与单元外部连接。氦工作气体围绕所述管形单元流动，由此在腔外部的氦工作气体与腔内部的氦工作气体之间的热传递，可以通过单元壁发生。根据工作气体的流动通道的尺寸，决定单元的尺寸，藉此将再生器的高压侧和低压侧之间的压力差设定在所需值，而使可能形成的无效容积成为最小。单元的单元壁具有非常小的壁厚，从而可以进行所需的热交换。选择腔体或多个中空腔的容积与开口面积的比率或与压力平衡开口的流出阻力的比率，使得在冷却操作的工作频率范围内(约1至60Hz)，单一空腔或多个空腔中的压力几乎不会变化或者至多只是略有变化。这种工作模式类似于高频电容的工作模式－当电容足够高且电压变化不大时，电压的变化几乎不会产生任何电容变化。在典型的应用中，单元中的压力总是在冷却系统的平均压力附近波动，通常约为16巴。稳定的压力对系统相当重要，因为压力如果不稳定，例如，如果每个周期中压力是在例如8和24之间变化，则空腔的容积有相当部份将会成为“无效容积”，对于冷却毫无作用。选择压力平衡开口的开口面积或流出阻力，使得在再生器投入运行之前和在启动阶段期间，当时的压力比值就足以将氦气送入一个或多个空腔内。由于压力平衡开口处存在高流出阻力，在再生器的区域中的压力波动期间产生上述“冷凝器效应”，其具有冷却器的操作频率。在启动阶段，氦工作气体的温度以及再生器腔体中的氦的温度降低。结果使氦的体积缩小，导致氦继续通过压力平衡开口流入再生器腔内。换言之，在启动阶段需要添加氦气直到工作温度和工作压力达到稳定。如果没有所述压力平衡开口，就必须预先在单元的腔体内填充氦气。但由于低温冷却器的工作区域中的压力在16巴的范围内，必须使用相当厚的单元壁。如果空心体是在环境温度下填充氦气，也必须选择相当高的填充压力，这是因为在环境温度下氦气密度较低。上述因素导致必须使用较厚的单元壁，结果导致显著更高的传热阻力。由于单元壁的增厚，单元壁的传热阻力将会提高到使得在低温冷却器的工作频率范围内，氦工作气体和腔内部的氦几乎不会发生任何热交换。上述问题也可能就是市场上没有低温冷却器是使用在封闭空腔中以氦为工作气体的再生器的原因。根据权利要求2的优选实施例，单元被单元壁所界定的流动通道穿透。这种设计可以增大热交换表面，因此改善了空腔中的氦与外部工作气体之间的热传递。流动通道优选为形成狭槽。狭槽形状的流动通道用于使工作气体优选为直接穿过并且彼此平行的穿过，以使流动阻力最小化，并使流动通道之间的管形空腔形状一致。在简单的实施方式下，由于直线流动和平行流动，在两个流动通道之间的空间体积相等，可以简化流动的系统。再生器由于具有圆形的外形，可以容易地插入低温冷却器中，因为低温冷却器通常具有圆形的横截面。在这种情况下，一个单元可能包括多个的管形结构，而形成碟形。另一种替代的做法是可以将多个单元组装成碟形－权利要求3。根据权利要求4的实施例，将多个单元排列成一个接在另一个之后，可以增加再生器的储热能力。将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种再生器，用于以氦气作为工作气体的低温冷却器，所述再生器包括至少一个单元(2；102)，所述单元(2；102)具有单元壁(4；104)，所述单元壁包括外侧(4a)和内侧(4i)；其中，所述单元壁(4；104)至少为部分导热，所述至少一个单元(2；102)具有一个或多个彼此连接的空腔(6；6‑i；6a，6b；106)，所述空腔被单元壁(4；104)包围，所述单元壁(4；104)的外侧(4a)至少部分地限定了氦工作气体的流动通道；所述至少一个单元(2；102)具有压力平衡开口(8；108)；且所述空腔(6；6‑I；6a，6b；106)以氦填充，作为储热材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.08 DE 202016106860.6;2017.03.03 DE 10201721.一种再生器，用于以氦气作为工作气体的低温冷却器，所述再生器包括至少一个单元(2；102)，所述单元(2；102)具有单元壁(4；104)，所述单元壁包括外侧(4a)和内侧(4i)；其中，所述单元壁(4；104)至少为部分导热，所述至少一个单元(2；102)具有一个或多个彼此连接的空腔(6；6-i；6a，6b；106)，所述空腔被单元壁(4；104)包围，所述单元壁(4；104)的外侧(4a)至少部分地限定了氦工作气体的流动通道；所述至少一个单元(2；102)具有压力平衡开口(8；108)；且所述空腔(6；6-I；6a，6b；106)以氦填充，作为储热材料。2.根据权利要求1所述的再生器，其特征在于，所述至少一个单元(2；102)包括用于工作气体的流动通道(20；120)，所述流动通道由单元壁(4；104)界定。3.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述至少一个单元(2；102)形成为横截面形状为圆形的碟形。4.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，多个单元(2)沿工作气体的流动方向布置成一个接在另一个之后的排列。5.根据权利要求4所述的再生器，其特征在于，在工作气体的流动方向上一个接在另一个之后布置的多个单元(2)以热绝缘层(34)彼此分开，所述热绝缘层施加在包括用于工作的流动通道(20)的部分。6.根据权利要求5所述的再生器，其特征在于，所述至少一个单元(2)和所述热绝缘层(34)各自具有对准元件(30，32)，使得所述至少一个单元(2)的流动通道(20)和一个或多个热绝缘层(34)都彼此对准。7.根据权利要求6所述的再生器，其特征在于，所述对准元件包括位于所述单元(2)一侧的多个定位销(30)和位于所述单元另一侧的互补形成的对准凹槽(32)。8.根据权利要求7所述的再生器，其特征在于，所述热绝缘层(34)包括能够由所述定位销(30)穿过的对准开口，使得所有所述单元(2)中的工作气体的流动通道(20)以及在热绝缘层(34)中的流动通道都彼此对准。9.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其特征在于，所述压力平衡开口(8；108)...

【专利技术属性】
技术研发人员：延斯·赫内，
申请(专利权)人：压力波系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE