用于向热负荷提供致冷的方法和设备技术

一种特别是在较大的温度范围内并在深冷温度下用于向热负荷提供致冷效果的系统，其中脉冲管致冷器（４０）冷却传热介质（５），以便向致冷流体（１３）提供更高能级的致冷效果，通过使用非脉冲管式的系统向该致冷流体提供较低能级的致冷效果。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种低温或深度致冷，尤其涉及脉冲管致冷。
技术介绍
例如氖气、氢气、或氦气的特定气体的冷却、液化和/或过冷、或蒸浓需要产生非常低温的致冷。例如在大气压下，氖气在27.1K时液化，氢气在20.39K时液化、而氦气在4.21K时液化。产生这种非常低温的致冷是非常昂贵的。因此对于例如氖气、氢气、或氦气的流体的使用在例如能量产生、能量传递、电子设备的领域中格外重要，所以在这种用于使流体液化的系统中任何改进是非常希望的。在产生低温致冷的领域中，近来的显著改进是脉冲管，其中通过使用振荡气流将脉冲能量转化成致冷效果。这种系统可产生非常低能级的致冷效果，例如足以液化氦气。然而，如果起始点是例如环境温度的较高温度，则这种由脉冲管系统产生的致冷效果是非常昂贵的。因此，本专利技术的一目的在于提供一种使用脉冲管系统来提供深度致冷的系统，与目前的可获得的使用脉冲管技术的系统相比，该脉冲管系统可更高效地提供这种致冷效果。
技术实现思路
通过阅读本说明书，对于本领域的普通技术人员来说明显的是，通过本专利技术可实现本专利技术的以上和其它的目的，本专利技术的一个方面是一种用于向热负荷提供致冷的方法，其包括(A)压缩脉冲管气体，以产生热的压缩的脉冲管气体；冷却该压缩的脉冲管气体；并且使得该被冷却的脉冲管气体膨胀以产生冷的脉冲管气体；(B)通过与传热介质间接热交换来对该冷的脉冲管气体加温，以便产生被冷却的传热介质，并且通过与致冷流体间接热交换来对该被冷却的传热介质加温，以便产生处于10-280K范围内的第一温度的被冷却的致冷流体；(C)向该被冷却的致冷流体中提供致冷，以便产生处于3-150K范围内的低于该第一温度的第二温度的冷的致冷流体；以及 (D)通过从该冷的致冷流体将致冷效果传递到热负荷中，从而对该冷的致冷流体加温。本专利技术的另一方面是一种用于向热负荷提供致冷的设备，其包括(A)脉冲管致冷器，其包括再生器主体、具有脉冲管热交换器的脉冲管主体、用于在该再生器主体中产生振荡流动的加压气体的装置、以及用于在该脉冲管主体中使气体经该脉冲管热交换器膨胀的装置；(B)预冷回路，其包括预冷热交换器、用于将传热介质从该脉冲管热交换器传送到该预冷热交换器的装置、以及用于将传热介质从该预冷热交换器传送到该脉冲管热交换器的装置；(C)用于将致冷流体传送到该预冷热交换器的装置，和在该预冷热交换器的下游用于向该致冷流体中提供致冷效果的装置；以及(D)热负荷，和用于从该致冷流体将致冷效果传送到该热负荷中的装置。本文使用的术语“间接热交换”意味着流体形成热交换关系，并且流体彼此之间没有任何物理接触或相互混合。本文使用的术语“直接热交换”意味着通过与冷却和加热实体的接触来进行致冷效果的传递。本文使用的术语“磁”意味着通过外施加电场来感应出物质的磁性性质。本文使用的术语“热负荷”意味着处于较高温度的可接收致冷效果并由此冷却到较低温度的实体。附图说明图1是本专利技术的一个优选实施例的示意图，其中通过多元致冷剂的压缩/膨胀循环的运行向被冷却的致冷流体提供较低能级的致冷效果；图2是本专利技术的一个优选实施例的示意图，其中通过Brayton致冷器的运行向被冷却的致冷流体提供较低能级的致冷效果；和图3是本专利技术的一个优选实施例的示意图，其中通过磁致冷器的运行向被冷却的致冷流体提供较低能级的致冷效果。具体实施例方式以下参照附图详细描述本专利技术。参照图1，脉冲管致冷器40包括再生器主体41和脉冲管主体1，脉冲管主体包括脉冲管热交换器42。再生器41包含脉冲管气体，该气体可以是氢气、氖气、氮气、氦气和氖气的混合物、氖气和氮气的混合物、或氦气和氢气的混合物。氦气和氢气的混合物是优选的。脉冲即压缩力借助于脉冲发生器43施加到再生器主体41的热端，由此启动脉冲管序列的第一部分。优选的是，该脉冲由活塞来提供，该活塞压缩与再生器主体41连通的脉冲管气体的贮气室。向该再生器施加脉冲的另一优选手段是使用热声驱动器向再生器内的气体施加声能。用于施加脉冲的又一方式是借助于线形马达/压缩机结构。另一手段是借助于扬声器施加脉动。施加脉冲的另一优选手段是借助于行进波发生器。该脉冲用来压缩脉冲管气体，以便在再生器主体41的热端处产生热的压缩的脉冲管气体。热的脉冲管气体通过与在热交换器44中的传热流体33进行间接热交换而被冷却，以产生加热的传热流体流34并产生冷却的压缩的脉冲管气体，以便流经再生器主体的其余部分。在本专利技术实施中用作传热流体的流体的示例包括水、空气、乙二醇等。再生器主体包含传热介质。在本专利技术实施中的适当的传热介质的示例包括钢球、金属丝网、高密度蜂窝结构、网眼钢板、铅球、铜及其合金、稀土元素的复合物、和过渡金属。传热介质处于低温，通常为在冷端处在10-280K的范围内，在暖端处在200-310K的范围内，将该低温传递给在以下将详细描述的脉冲管序列的第二部分中。当被冷却的压缩的脉冲管气体流经再生器主体时，该气体通过与冷的传热介质的间接热交换而被进一步冷却，以产生加热的传热介质和进一步冷却的脉冲管气体，通常在冷端处在9-279K的温度范围内，在热端处在199-309K的范围内。在冷端该进一步冷却的脉冲管气体从再生器主体41流到脉冲管主体1，并且经脉冲管热交换器42膨胀。当该进一步冷却的脉冲管气体在冷端处流入脉冲管主体1，该气体产生气体压力波，该压力波流向脉冲管主体1的暖端并压缩在该脉冲管内的被称为脉冲管工作流体的气体，由此加热该脉冲管工作流体。冷却流体35流向热交换器36，其中该冷却流体通过与脉冲管工作流体间接热交换而被加温或气化，这样作为吸热源以便冷却脉冲管工作流体。所得到的加温的或气化的冷却流体从热交换器36以流体流37的形式抽出。优选的是，冷却流体35是水、空气、乙二醇等。具有通向贮存器39的孔口38的管路连接到脉冲管主体1的暖端。脉冲管工作流体的压缩波与脉冲管主体的暖端接触，并且返回到脉冲管序列的第二部分。孔口38和贮存器39用来保持同相的压力波和流动波，以便在脉冲管主体1的冷端处在膨胀循环和压缩循环的过程中使得脉冲管产生净致冷效果。在本专利技术的实施过程中，用于保持压力波和流动波同相的其它装置包括惯性管和孔口、膨胀器、线性振荡器、波纹管结构，以及带有质量流量抑制器的功回收管路。在膨胀序列中，脉冲管气体经脉冲管热交换器42膨胀，以便在脉冲管主体1的冷端处产生冷的脉冲管气体。膨胀后的气体反转其方向，从而使该气体从脉冲管主体流向再生器主体42。流出脉冲管热交换器42的脉冲管气体流经再生器主体41，其中该气体在再生器主体中与传热介质直接接触，以便产生上述的冷的传热介质，由此完成该脉冲管致冷序列的第二部分，并使得该再生器进入对于后续的脉冲管致冷序列的第一部分的状态。在本专利技术的实施过程中，脉冲管主体仅包含用于在冷端处从膨胀的脉冲管气体中传递压能并且用于在脉冲管的暖端处加热脉冲管工作流体的气体。也就是说，脉冲管致冷器40没有包含如活塞式装置使用的移动部件。脉冲管可具有锥度，以助于压力波和流动波之间的适当的相位角的调节。此外，该脉冲管可具有被动排出器，以助于脉冲管的端部的分离。另外，脉冲管具有在脉冲管暖端和压力波管路45之间的连接管路，以代替带有例如波纹管结构的质量流量抑制器的孔口和贮存器，以便回收损失功。传热介质在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于向热负荷提供致冷的方法，其包括：　　　　（Ａ）压缩脉冲管气体（４５），以产生热的压缩的脉冲管气体；冷却（４４）该压缩的脉冲管气体；并且使得该被冷却的脉冲管气体膨胀以产生冷的脉冲管气体；　　　　（Ｂ）通过与传热介质（５）间接热交换来对该冷的脉冲管气体加温（４２），以便产生被冷却的传热介质（６），并且通过与致冷流体（１３）间接热交换来对该被冷却的传热介质加温（３０），以便产生处于２０－２８０Ｋ范围内的第一温度的被冷却的致冷流体（１４）；　　　　（Ｃ）向该被冷却的致冷流体中提供致冷，以便产生处于３－１５０Ｋ范围内的低于该第一温度的第二温度的冷的致冷流体（１７）；以及　　　　（Ｄ）通过从该冷的致冷流体将致冷效果传递到热负荷中，从而对该冷的致冷流体加温（３２）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A阿查亚，JH罗亚尔，DP博纳奎斯特，B阿曼，CF戈茨曼，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]