專利名稱：具有最佳冷端設計的斯特林循環低溫冷卻器的制作方法
技術領域：
本發明領域通常涉及低溫冷卻器。尤其是，本發明領域涉及斯特林循環低溫冷卻器。
發明的
背景技術：
近來，非常關注超導體領域以及使用該超導產品的系統和方法。還非常關注提供低溫環境(例如77°K或更低)的系統和方法，超導體產品例如超導濾波器系統可以在該低溫環境下工作。
一種廣泛用于產生使超導體裝置可以工作的低溫環境的裝置是斯特林循環制冷單元或斯特林循環低溫冷卻器。該單元通常包括壓氣活塞組件和壓縮機組件，其中，這兩組件流體連通，并由一個或多個線性或旋轉馬達驅動。普通的壓氣活塞組件通常有“冷”端和“熱”端，該熱端與壓縮機組件流體連通。壓氣活塞組件通常包括其中安裝有蓄熱器的壓氣活塞，用于使流體例如氦氣從該壓氣活塞組件的一端(即冷端)移動到另一端(即熱端)。活塞組件還起到當流體基本位于壓氣活塞組件的熱端時向流體施加附加壓力的作用以及當流體基本位于壓氣活塞組件的冷端時從流體中釋放壓力的作用。這樣，壓氣活塞組件的冷端可以保持在例如77°K，同時壓氣活塞組件的熱端可以保持在例如高于環境溫度15°K。這時，象超導濾波器系統這樣的裝置通常布置成與該壓氣活塞組件的冷端進行熱接觸。
目前的斯特林循環低溫冷卻器設計使用了位于壓氣活塞組件的冷端處的受熱器。該受熱器通常與要冷卻的裝置進行熱接觸，該裝置例如高溫超導濾波器(HTSF)系統。熱量從該裝置傳遞給受熱器。傳遞給受熱器的熱量再送給裝于壓氣活塞組件中的氦氣。熱量從受熱器向氦氣的傳遞通常是最困難的，因為在該步驟中的傳熱熱阻最大。
在目前的低溫冷卻器設計中，熱量從受熱器向氦氣的低效傳遞導致需要附加的功率。實際上，為了達到所希望的制冷量(lift)，將需要更大的功率輸入。該較低傳熱率在很大程度上是因為相對較小的表面積和較低的對流傳熱系數。
因此需要一種低溫冷卻器設計，該低溫冷卻器能減小受熱器和氦氣之間的傳熱熱阻。有利的是，為了提供等量制冷，該低溫冷卻器設計所需的輸入功率比現有設計更少。
發明簡介在本發明的第一方面，公開了一種用于斯特林循環低溫冷卻器中的壓氣活塞單元。該壓氣活塞單元包括殼體、鄰近該殼體內側的壓氣活塞襯套、壓氣活塞組件、蓄熱器單元以及受熱器。壓氣活塞組件位于壓氣活塞襯套的內部，并可相對于殼體而軸向滑動。受熱器包括徑向部件和環形部件。該受熱器固定在壓氣活塞單元的冷端。
在本發明的第二方面，公開了一種用于壓氣活塞單元的冷端上的受熱器。該受熱器包括徑向部件，該徑向部件包括徑向布置的內表面，該內表面垂直于壓氣活塞單元的長軸。此外，該受熱器包括環形部件，該環形部件包括內周表面。
在本發明的第三方面，根據本發明第一方面的壓氣活塞單元還包括在該壓氣活塞組件上的多個徑向孔。
附圖的簡要說明

圖1表示了斯特林循環低溫冷卻器的側視圖。
圖2表示了壓氣活塞單元的冷端的放大側視圖。
圖3表示了本發明的低溫冷卻器和普通低溫冷卻器的熱制冷量vs.輸入功率的曲線圖。
優選實施例的詳細說明圖1表示了根據本發明優選形式的斯特林循環低溫冷卻器2。如圖1所示，斯特林循環低溫冷卻器2優選是包括壓氣活塞單元4、換熱器單元6、壓縮機和線性馬達組件8。
優選是，壓氣活塞單元4包括冷缸殼體10、壓氣活塞組件12、蓄熱器單元14和壓氣活塞桿組件16。壓氣活塞襯套18布置成周向環繞該壓氣活塞組件12并在冷缸殼體10的內部。壓氣活塞組件12可滑動地沿軸向安裝在該冷缸殼體10中。優選是，壓氣活塞襯套19固定在該冷缸殼體10的內表面上。
壓氣活塞單元4還包括受熱器20。優選是，如圖1和2所示，受熱器20包括徑向部件22和環形部件24。該徑向部件22通常垂直于壓氣活塞單元4的長軸。該長軸位于壓氣活塞單元4的熱端和冷端之間。該環形部件24沿壓氣活塞單元4的外周環面布置。優選是，該環形部件24從徑向部件22伸出并超過壓氣活塞組件12的邊緣。更優選是，該環形部件24軸向伸出超過壓氣活塞組件12的邊緣，并抵靠壓氣活塞襯套18的遠端。優選是，該受熱器20釬焊在冷缸殼體10上，以便提供氣密密封的環境。該環形部件24以共軸的方式與壓氣活塞襯套18相對。因此，可用于傳熱的受熱器20的總面積增加。
下面參考圖2，受熱器20的徑向部件包括徑向布置的內表面21。該徑向布置的內表面21優選是垂直于壓氣活塞單元4的長軸。環形部件24包括內周表面23。
盡管受熱器20已經介紹為包括兩個單獨的部件，即徑向部件22和環形部件24，但是應當知道，該受熱器20可以是單個的整體部件。優選是，該受熱器20有導熱金屬制成，例如銅。更優選是，該受熱器20由高純度銅或無氧高導電性銅(OFHC)制成。
在本發明的一個方面，壓氣活塞組件12包括多個徑向孔26。這些徑向孔26允許在壓氣活塞單元4的冷端25中的氦氣能有額外的流動。通過孔26流動的氦氣將直接沖擊到受熱器20上。因此增加了可用于傳熱的面積，如圖2中的箭頭A所示。徑向孔26有助于減小低溫冷卻器2中的受熱器20和氦氣之間的對流熱阻。
還參考圖1，壓氣活塞桿組件16在其一端與壓氣活塞組件12的底部28連接，在其另一端與壓氣活塞彈簧組件32連接。
位于壓氣活塞單元4以及壓縮機和線性馬達組件8之間的換熱器單元6優選是包括換熱器塊34、分流器或等價結構以及換熱器安裝凸緣38。優選是，換熱器安裝凸緣38與壓縮機和線性馬達組件8的耐壓殼體40的遠端連接。優選是，換熱器塊34包括多個內部換熱器翅片42和多個外部排熱翅片44。這樣，該換熱器單元6設計成有助于熱量從位于在壓氣活塞單元4和壓縮機和線性馬達組件8之間的接合點處的區域PHOT內的受到壓縮的氣體例如氦氣中消散(這里也將該區域PHOT稱為壓縮機和線性馬達組件8的壓縮室)。優選是，換熱器塊34、內部換熱器翅片42和外部排熱翅片44由導熱金屬例如高純度的銅制成。
優選是，壓縮機和線性馬達組件8包括耐壓殼體40，該耐壓殼體40中安裝有活塞組件46。該活塞組件46包括氣缸48、活塞50、活塞組件安裝支架54和彈簧組件56。該活塞組件安裝支架54提供在活塞50和彈簧組件56之間的連接。這樣，活塞50用于在氣缸48內往復運動。在活塞50的外壁60內提供有多個氣體軸承58，該空氣軸承58接收來自活塞50內的密封腔62中的氣體，例如氦氣。當氣缸48的區域PHOT(即氣缸48的壓縮室)內的氣體壓力超過空腔62內的壓力時(即超過活塞儲存器的壓力時)，單向閥64提供了在密封腔62和氣缸8的區域PHOT之間的單向流體連通管道。
優選是，在活塞50上安裝有多個磁體66。內部疊片68固定在氣缸48的外部。外部疊片70固定在耐壓殼體40內，并位于磁體66的外側。優選是，外部疊片70固定在安裝凸緣38上。優選是，該內部和外部疊片68、70由含鐵的材料制成。優選是，馬達線圈72位于外部疊片70內，并環繞活塞50。優選是，馬達線圈72位于磁體66的外側，并在形成于外部疊片70中的凹形部分內。因此，應當知道，當活塞50在氣缸48內運動時，磁體66在空隙74內運動。
在工作過程中，優選是活塞50和壓氣活塞組件12在大約60Hz的諧振頻率下并以壓氣活塞組件12的振動相位離開活塞50的振動相位大約90°的方式振動。以稍微不同的方式來說，優選是壓氣活塞組件12的運動將“領先”活塞50的運動大約90°。
本領域技術人員應當知道，當壓氣活塞組件12運動到壓氣活塞殼體10的“冷”端PCOLD時，系統內的大部分流體例如氦氣都移動到壓氣活塞殼體10的熱端PHOT，和/或環繞分流器或類似裝置并經過內部換熱器翅片42進入活塞組件46的壓縮區域PHOT。由于壓氣活塞組件12和活塞50的運動的相位差，當壓氣活塞組件12位于壓氣活塞殼體10的冷端時，活塞50將處在沖程的中部并沿朝著受熱器20的方向運動。這使得區域PHOT內的氦氣被壓縮，從而使該氦氣的溫度升高。壓縮熱從壓縮的氦氣傳遞給內部換熱器翅片42，并從該內部換熱器翅片42傳遞給排熱翅片44。該熱量再從該排熱翅片44傳遞給外界空氣。當壓氣活塞組件12運動到壓氣活塞殼體10的熱端PHOT時，氦氣移動到壓氣活塞殼體10的冷端PCOLD。當氦氣經過壓氣活塞氣缸12時，它將熱量儲存在蓄熱器單元14中，并在大約77°K溫度下離開蓄熱器單元14進入壓氣活塞殼體10的冷端PCOLD。這時，優選是壓縮機活塞50將處在沖程的中部，并沿朝著彈簧組件56的方向運動。這使得壓氣活塞殼體10的冷端PCOLD中的氦氣膨脹，從而進一步降低該氦氣的溫度，從而使氦氣吸熱。這樣，冷端PCOLD起到制冷單元的作用，也可以作為“冷”源。
通過采用具有徑向部件22和環形部件24的受熱器20，對于給定的輸入功率，斯特林循環低溫冷卻器2的制冷量可以增加。通常，在斯特林循環低溫冷卻器2的工作過程中，氦氣在壓氣活塞單元4的冷端處膨脹，這降低了氦氣的溫度，從而降低了受熱器20的溫度。在受熱器20和氦氣中的溫度梯度使得熱量從要冷凍的裝置例如高溫超導濾波器(HTSF)流向受熱器20和氦氣。傳熱率是要冷凍的裝置與受熱器20和氦氣的溫度之間的溫度差、要冷卻的裝置和受熱器20之間的界面熱阻、受熱器20的傳導熱阻以及受熱器20和斯特林循環低溫冷卻器2內部的氦氣之間的對流熱阻的函數。
在實際使用中，傳熱的最大熱阻出現在受熱器20和氦氣之間。定義該對流熱阻的方程如下(1) Q＝h*A*ΔT其中Q＝傳熱率(瓦)
h＝對流換熱系數(瓦/℃m2)A＝換熱面積(m2)以及ΔT＝溫度差(℃)。
斯特林循環低溫冷卻器2通過采用受熱器20而減小對流熱阻。該受熱器20通過增加換熱面積(A)和增加對流換熱系數(h)而實現該目的。此外，徑向孔26有助于增加在氦氣和受熱器20的環形部件24之間的對流換熱系數(h)。通過減小總對流熱阻，對于相同的制冷量，斯特林循環低溫冷卻器2需要更少的輸入功率。
圖3表示了采用了改進的受熱器20的斯特林循環低溫冷卻器2的改進性能。如圖3所示，在100瓦輸入功率時，制冷量從4.25瓦增加到5.7瓦，提高了大約34％。因此，可以通過減小的輸入功率來獲得所希望的制冷量。
盡管已經介紹了本發明的實施例，但是在不脫離本發明的范圍的情況下可以進行各種變化。因此，本發明只能由下面的權利要求和它們的等效物進行限定。
權利要求
1.一種用于斯特林循環低溫冷卻器中的壓氣活塞單元，該壓氣活塞單元有冷端和熱端，該壓氣活塞單元包括殼體；鄰近該殼體內側的壓氣活塞襯套；壓氣活塞組件，該壓氣活塞組件位于壓氣活塞襯套的內部，并可相對于該殼體而軸向滑動；蓄熱器單元；以及受熱器，該受熱器固定在壓氣活塞單元的冷端，且該受熱器包括徑向部件和環形部件。
2.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，其中該受熱器的環形部件環繞壓氣活塞組件的一部分。
3.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，其中該受熱器的環形部件抵靠壓氣活塞襯套的遠端。
4.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，還包括在壓氣活塞組件冷端的多個徑向孔。
5.根據權利要求4所述的壓氣活塞單元，其中在壓氣活塞組件中的多個徑向孔靠近受熱器的環形部件。
6.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，其中該受熱器的環形部件和受熱器的徑向部件由單件受熱器形成。
7.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，其中該受熱器由導熱金屬形成。
8.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，其中該壓氣活塞單元連接換熱器單元以及壓縮機和線性馬達組件。
9.根據權利要求1所述的壓氣活塞單元，其中該環形部件共軸地與壓氣活塞襯套相對。
10.一種用于壓氣活塞單元的冷端上的受熱器，包括徑向部件，該徑向部件包括徑向布置的內表面，該內表面垂直于壓氣活塞單元的長軸；以及環形部件，該環形部件包括內周表面。
11.根據權利要求9所述的受熱器，其中該環形部件抵靠壓氣活塞襯套的遠端。
12.根據權利要求9所述的受熱器，其中該環形部件共軸地與壓氣活塞襯套相對。
13.一種用于斯特林循環低溫冷卻器中的壓氣活塞單元，該壓氣活塞單元有冷端和熱端，該壓氣活塞單元包括殼體；鄰近該殼體內側的壓氣活塞襯套；壓氣活塞組件，該壓氣活塞組件位于壓氣活塞襯套的內部，并可相對于該殼體而軸向滑動，該壓氣活塞組件還包括在其冷端上的多個徑向孔；蓄熱器單元；以及受熱器，該受熱器固定在壓氣活塞單元的冷端，且該受熱器包括徑向部件和環形部件。
全文摘要
本發明公開了一種斯特林循環低溫冷卻器，該斯特林循環低溫冷卻器包括壓氣活塞單元，該壓氣活塞單元有冷端和熱端。該壓氣活塞單元(4)包括冷缸殼體和布置在該殼體(10)內表面上的壓氣活塞襯套(18)。壓氣活塞組件(12)位于壓氣活塞襯套(18)內，并可相對于殼體的縱向軸滑動。該壓氣活塞單元還包括蓄熱器單元(14)。受熱器(20)固定在壓氣活塞單元(4)的冷端。受熱器(20)將熱量從象高溫傳導濾波器這樣的裝置傳遞給位于壓氣活塞單元(4)中的氣體例如氦氣。優選是，該受熱器(20)包括徑向部件(22)和環形部件(24)。有利的是，該受熱器減小了受熱器和氦氣之間的傳熱熱阻。因此，該斯特林循環低溫冷卻器能夠在減小的輸入功率下工作，以獲得合適的制冷量水平。
文檔編號F25B9/00GK1426522SQ01808625
公開日2003年6月25日 申請日期2001年4月16日 優先權日2000年4月26日
發明者馬克·哈尼斯 申請人:超導技術公司