提供了一种两级脉冲管制冷机，其具有紧凑的结构以及低振动和低热量损失，其中至少第二级是同轴式的，但优选两级均为同轴式的，其中第二级脉冲管处于中央而第一级脉冲管占据第二级脉冲管和第一级再生器之间的环形空间。通过再生器内的一个或多个垫块、气体通路连接部在长度上的物理差异、ｄｃ流的调节以及热桥，使脉冲管内的热力形态相对于再生器改变，从而使与脉冲管和再生器内的不同温度分布相关的对流损失降至最小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及多级Gifford-McMahon(GM)型脉冲管制冷机，其用于在MRI(核磁共振成像)磁体中再凝集氦。
技术介绍
GM型制冷机使用压缩机，压缩机在几乎恒定高压下向膨胀器(expander)供应气体和在几乎恒定的低压下从膨胀器接收气体。所述膨胀器依靠一个阀机构相对于压缩机低速运转，所述阀机构可有选择地使气体进、出膨胀器。Gifford在美国专利3,119,237中描述了一种具有气动驱动器的GM膨胀器。GM循环已经被证明是产生大约20K以下的小量制冷作用的最佳方法，因为膨胀器可以在1到2Hz运转。一种脉冲管制冷机首次由Gifford在美国专利3,237,421中描述。其示出了一对阀，类似于早期的GM制冷机，所述阀连接到再生器的热端，再生器的冷端又被连接到脉冲管上。十九世纪六十年代中期进行的对脉冲管制冷机的早期研究工作在R.C.Longsworth的论文“Early pulse tube refrigerator developments”，Cryocoolers，9，1997，p.261-268中被描述。单级、两级、内部相位调整式四级、以及同轴式的结构曾被研究。所有这些设计都是使脉冲管的热端靠近再生器，并且除同轴设计之外所有的设计都是使脉冲管与再生器分开。尽管利用这些早期的脉冲管可达到低温，但其效率不能与GM型制冷机相比。Longsworth在美国专利4,606,201中描述了一种不同类型的用于GM型膨胀器的气动驱动器，其利用使气体流经孔口(orifice)到达或离开缓冲腔来控制置换器(displacer)。显著的改进由E.I.Mikulin，A.A.Tarasow和M.P.Shkrebyonock在1984年报导于“Low temperature expansion(orificetype)pulse tube”，Advances in Cryogenic Engineering，Vol.29，1984，p.629-637，并且许多研究跟着寻求进一步的改进。这种最初的改进是使用孔口和连接到脉冲管热端的缓冲腔来控制“气体活塞”在脉冲管内的运动，以在每个循环产生较多的制冷量。实际上，在美国专利4,606,201中，气体活塞取代了通常被称作置换器的固体活塞。接下来的工作集中在改进气体活塞的控制和改进脉冲管膨胀器的结构两方面的途径。S.Zhu和P.Wu在“Double inlet pulsetube refrigeratorsan important improvement”，Cryogenics，vol.30，1990，p.514中描述了控制气体活塞的双孔口装置。Gao的美国专利6,256,998中描述了在两级脉冲管中控制气体活塞的装置，其在4K时工作良好。Chen等在美国专利5,107,683中描述了脉冲管的第二级从第二级热站延伸至外界温度。这个概念是J.L.Gao和Y.Matsubara研究的几种构造之一，参看“Experimental investigation of 4K pulse tube refrigerator”，Cryogenics，1994，Vol.34，p.25，该构造已被证实对于两级4K脉冲管工作良好。前面探讨过的所有结构都使脉冲管与再生器分离开。一种利用单孔口控制的同轴式脉冲管在1986年由R.N.Richardson报导于“pulse tube refrigerator-an alternativecryocooler？”Cryogenics，1986，26(6)p.331-340。Inoue等在日本特开平7-260269中描述了一种两级脉冲管，其中再生器和脉冲管同轴。这种设计在中央具有第二级脉冲管，其从第二级热站延伸至外界温度，其并被第一和第二级再生器包围。第一级脉冲管是在第一级再生器外部的同轴环形腔。这个专利的主要特征是在脉冲管内设置热交换器，以有助于利用再生器内的温度分布补偿脉冲管内的温度分布。在脉冲管和再生器分离开并且脉冲管被真空包围的情况下，脉冲管和再生器之间的温度差不会成为难题。但是当传统的脉冲管安装在MRI低温恒温器(cryostat)的颈管内的氦气中时，这种温差会导致对流热损失。在同轴式脉冲管中与温差相关的损失在以下文献中被研究L.W.Yang，J.T.Liang，Y.Zhou和J.J.Wang，Research of two-stageco-axial pulse tube coolers driven by a valveless compressor，Cryocoolers，10，1999，p.233-238；以及K.Yuan，J.T.Liang，Y.L.Ju，Experimental investigation of a G-M type co-axial pulse tubecryocooler，Cryocoolers，12，2001，p.317-323。首先，他们发现最好使脉冲管处于中央，由脉冲管围绕的环形空间内的再生器包围。通过在许多循环中添加“dc”流将热气带到脉冲管使损失减少到最小。当在真空中运行时，他们发现外部第二级脉冲管比同轴式第二级脉冲管更有效。Mastrup等在美国专利5,613,365中描述了一种单级同心(同轴)斯特林循环脉冲管，其中，中央脉冲管具有由低热传导材料制成的厚壁，其提供与外部环形再生器之间的高度绝热。这种想法被Rattay等在美国专利5,680,768中进一步发展，其中外围真空延伸到脉冲管壁和再生器内壁之间的间隙。用于对脉冲管壁绝热的另一种措施由Mitchell在美国专利6,619,046中描述。在单级同轴式脉冲管中的冷端热交换器的优点在Chrysler等的美国专利5,303,555和Kim等的美国专利6,484,515中被陈述。与MRI磁体中再凝集氦有关的问题已经被Longsworth在美国专利4,606,201中描述过。最低温度为10K的两级GM膨胀器在JT热交换器中预冷气体，该JT热交换器在4K产生制冷作用。JT热交换器盘绕在GM膨胀器的周围，以使JT热交换器和膨胀器的温度在热端和冷端之间逐渐变冷。膨胀器组件安装在MRI磁体的颈管内，其在此被氦气包围，所述氦气以冷端向下的方式垂直定向，以实现热分层。4K热站具有延长的表面以致再凝集氦。在温度大约是60K和15K的两个热站处，制冷作用被传递到在MRI低温恒温器内的冷屏。在热端法兰(warm flange)被栓固并且利用面型O形环密封后，相匹配对的圆锥形热站以及颈管内的波纹管使得这两个热站能够彼此接合。Longsworth已经在美国专利4,484,458中描述了同心的GM/JT膨胀器，其具有笔直的热站和在热端法兰上的径向型O形密封环。这样允许膨胀器被轴向移动，以建立起膨胀器热站相对于颈管热站的预期位置。现在，脉冲管技术和MRI低温恒温器设计上的进步导致能够使用两级脉冲管在大约40K冷却单屏蔽结构以及在大约4K再凝集氦。两级脉冲管膨胀器由于其振动小并且由此在MRI信号中产生较少噪音，所以比两级GM膨胀器更为优选。当一种传统设计的脉冲管(脉冲管平行于再生器)被插入到MRI磁体的颈管中时，可以发现颈管中的氦气由于脉冲管和再生器之间的温差而循环在脉冲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多级脉冲管膨胀器，其安装在低温恒温器的颈管内，低温恒温器在颈管内具有位于液态氦、氢和氖之一上面的蒸气，其中，脉冲管的至少一级是同轴式的并在其冷端具有再凝集表面。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：许名尧，拉尔夫朗斯沃思，
申请(专利权)人：住友重机械工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。