脉冲管低温冷却器制造技术

一种脉冲管低温冷却器，包括：用于工作气体重复输入和吸收的压缩器，通过热辐射部分与压缩器相耦合且内部充入再生剂的再生器，通过冷凝部分与再生器相耦合的脉冲管，以及通过热辐射部分和惯性管与脉冲管相耦合的缓冲容器，其中脉冲管的空间容积与再生器的空间容积的比例为０．７５至１．５。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及产生低温温度状态的低温冷却器，特别涉及采用斯特灵(Stirling)循环且包括脉冲管和再生器的低温冷却器。
技术介绍
由于采用斯特灵循环的低温冷却器能够通过利用工作气体的压缩和膨胀的重复获得低温温度，因此它广泛地应用于诸如超导元件的冷却，气体的提纯和分离，红外线传感器等等场合。利用这类斯特灵循环的斯特灵低温冷却器的工作原理将参照图2和图3来讨论。其中，图2是显示制冷循环轮廓的例子的视图，以及，图3是显示根据制冷循环压缩活塞和置换器的起伏周期的图形。在图2中，斯特灵低温冷却器20由内部含有压缩活塞22的压缩器21，内部充入再生剂的再生器23，形成膨胀腔室25和压缩腔室28的置换器24，制成在膨胀腔室25和再生器23之间的冷凝部分26，以及制成在压缩腔室28周围的热辐射部分27构成。随后，将工作气体在高压下密封到由上述部件所构成的密封流动通道中，以及压缩器21的压缩活塞22和置换器24以它们之间的相位差作往返运动。此外，在图3中，实线22a表示压缩活塞22的起伏，以及，实线24a表示置换器24的起伏。此外，实线29表示由压缩活塞22的起伏而引起低温冷却器总的容积变化。从图2中间部分所示的容积(P)-压力(V)的图形中可以看到，斯特灵循环是由两个等温的变化和两个恒定容积变化所组成的过程构成的。即，从图2的“a”到“b”的过程是等温的膨胀过程，在这时，压缩活塞22从上部极限位置向低部极限位置运动，从而使在膨胀腔室25中的工作气体膨胀，冷凝部分26吸收热Qc，并且实现冷却(图2(A))。接着，从“b”到“c”过程是恒定容积加热过程，这时，置换器24从低部极限位置向上部极限位置运动，从而使膨胀腔室25内的液体推出并且通过再生器23流到压缩腔室一边的空间，压力升高(图2(B))。接着，从“c”到“d”的过程是等温压缩的过程，这时，压缩活塞22从低部极限位置向上部极限位置运动，从而使得工作气体送入到压缩腔室28中，并且通过在热辐射部分27从辐射热Qh进行等温压缩(图2(C))。最后，从“d”到“a”的过程是恒定容积冷凝过程，这时，置换器24从上部极限位置向下部极限位置运动，从而使压缩腔室28内的液体推出且通过再生器23推到膨胀腔室25一边(图2(D))，使压力下降，并且循环周期结束。顺便提一下，在该循环中，正如图3中的实线22a和24a所示，在压缩活塞22和置换器24之间的相位差设置约为90度。正如以上所阐述的，在斯特灵低温冷却器中，压缩活塞是由机械功所驱动的，从而在密封空间中的工作气体的压力是变化的，并且在膨胀腔室内的工作气体膨胀被与该压力周期性变化相同步运动的置换器冷凝，因此就能获得高的热效率。另一方面，对利用这种斯特灵循环的低温冷却器来说，如图4所示的脉冲管低温冷却器也是众所周知的。这种脉冲管低温冷却器10具有用于工作气体重复输入和吸出的压缩器11，通过热辐射部分12与该压缩器11相耦合且内部充有再生剂的再生器13，通过冷凝部分14与再生器13相耦合的脉冲管15，通过热辐射部分16和惯性管17与该脉冲管15相耦合的缓冲容器18。工作气体，例如，氦气，氮气或氢气，可以在高的压力下密封到该脉冲管低温冷却器10的密封空间中。随后，类似于上述斯特灵低温冷却器，工作气体的膨胀和压缩是由压缩器来重复，以形成压力的幅度。这里，在脉冲管低温冷却器10中，脉冲管15内的工作气体30在流体管道中不断的振荡，从而起到了上述斯特灵低温冷却器中的置换器的功能。同样，工作气体30可以通过控制振荡工作气体30位移和压力位移的相位来做功，从热辐射部分12和16辐射热量Q1和Q3，在冷凝部分4吸收热量Q2，冷凝部分变成低温冷却器的冷端，并且能够形成低温的状态。顺便提一下，惯性管17和缓冲器18起着控制振荡的工作气体的位移和压缩活塞的位移的相位的作用。在该脉冲管低温冷却器中，不需要在斯特灵低温冷却器中安装的置换器，以及可替换掉置换器，这样高压气体就不断的振荡，从而使得工作气体被压缩和膨胀，因此，在低温部分就不存在可移动的部分。于是，可获得在冷端不存在机械振荡，设备结构简单，以及可靠性高的优点。
技术实现思路
在上述脉冲管低温冷却器中的输出(低温冷却器的输出)取决于与脉冲管内部空间的压力幅度和流动幅度的乘积成比例的输出(下文称之为标称的制冷输出)和在低温冷却器内部所产生的各种热损耗之间的差值，且可以下列公式表示(制冷输出)＝(标称的制冷输出)-(热损耗)因此，为了提高脉冲管低温冷却器的冷却效率，以下两点是很重要的(1)通过将压缩器的压缩活塞所提供的压力幅度有效地传递给脉冲管来提高标称的制冷输出，以及(2)要减小由于在各个结构部件中的热传导，特别是在低温冷却器内的热传导所引起的热损耗。首先，关于再生器，为了减小上述的热损耗，有必要减小通过再生器的结构部件的热传导，因为在图4所示的热辐射部分12和冷凝部分14之间存在着温度差异。即，有必要暂时存储压缩器11所提供的并排出的工作气体的潜在的热量，以及减小从高温一边的热辐射部分12的热量通过工作气体流向低温一边的冷凝部分14。为了这个目的，可以设想通过增加低温冷却器13的内部容量来增加热容量，或通过在轴线方向上加长低温冷却器13来增加热阻。然而，另一方面，从标称的制冷输出来看，为了能有效地将压缩器11所产生的压力幅度传递给脉冲管15，就有必要缩小再生器的压力损耗。因此，从这个观点出发，再生器的长度最好能短些。因此，可以设想象在再生器3方面，有必要优化再生器的内部容积，长度等等，以满足上述这些自相矛盾的要求。另一方面，也与脉冲管15方面有关，为了能减小上述热损耗，有必要降低由于热辐射部分16和冷凝部分14之间的温度差异而引起、通过脉冲管的结构部件热传导，为了这个目的，在脉冲管15的轴线方向上的热阻最好能大些，因此，可以想象通过脉冲管15在轴线方向上的加长来增加热阻。然而，类似于再生器13，考虑到压力幅度的获得来增加标称的制冷输出，与来自压缩器11的压力幅度有关，在脉冲管15内的压力幅度有必要保持在大的数值上。于是，从压力损耗的观点出发，脉冲管的长度最好能短些。同样，也与脉冲管15有关，可以想象脉冲管的内部容积，长度，等等必须优化，以同时满足自相矛盾的要求。随后，由于将上述再生器13和脉冲管15连接起来构成低温冷却器，可以想象在低温冷却器的容积，长度等等与脉冲管15的容积，长度等等方面都存在着最佳的范围，且可以想象这些参数对低温冷却器的效率将产生很大的影响。因此，本专利技术的第一问题是通过优化上述有关自相矛盾的条件来提供具有高的制冷效率的脉冲管低温冷却器。此外，能够容易地实现具有优良性能的脉冲管低温冷却器，它没有机械振动，设备结构简单以及可靠性改善，同时，通过安装姿态的调整，即，在安装的同时调整的再生器和脉冲管之间的相对位置关系，很难轻易地改变低温冷却器的输出，以及有必要保证结构不会受到安装姿态的调整太大的影响。以上已经提出了，脉冲管低温冷却器的制冷输出是由下列关系式表示(制冷输出)＝标称制冷输出-(热损耗)以及，在关系式中的热损耗中，有受到低温冷却器安装姿态的影响的热损耗，存在着密封在内部的工作气体在脉冲管内部空间和再生器内部空间内部产生的对流的热损耗，以及由该热对流从高温端进入冷凝头的热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲管低温冷却器，其中线性地设置脉冲管和再生器，脉冲管低温冷却器的特征在于：脉冲管的内部截面部分与再生器的内部截面部分的比值不小于０．１且不大于０．３５。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：鴨下友義，保川幸雄，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[]