用于脉冲管低温冷却器的同轴双入口阀制造技术

提供一种在低温下提供冷却的吉福德

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于脉冲管低温冷却器的同轴双入口阀
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年8月27日提交的美国临时申请，序列号63/071,240的优先权，其全部内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术涉及一种用于吉福德
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麦克马洪(Gifford
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McMahon)(GM)型脉冲管低温冷却器的改进的双入口阀，其简化了用以获得良好冷却能力的调节。

技术介绍

[0004]吉福德
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麦克马洪(GM)型脉冲管制冷器是一种低温冷却器，类似于GM制冷器，其从压缩机中的气体压缩中获得冷却，压缩机通过供应软管和返回软管与膨胀机连接，膨胀机通过入口阀和出口阀将气体通过再生器循环到冷膨胀空间。GM膨胀机通过固体活塞(当活塞上方和下方的位移体积由再生器连接时，活塞通常被称为位移器)在气缸中的往复运动建立冷膨胀空间，而脉冲管膨胀机通过"气体活塞"的往复运动建立冷膨胀空间。脉冲管制冷器在其冷头中没有移动部件，而是在脉冲管内具有摆动的气柱，充当可压缩活塞。活塞包括在被加压和减压时在脉冲管中停留的气体。脉冲管制冷器的冷端消除了移动部件，可以大大减少振动，并且提高可靠性和使用寿命。两级GM型脉冲管制冷器通常使用油润滑的压缩机来压缩氦气，并消耗5至15千瓦或更多的输入功率。如今的主要应用是冷却MRI(磁共振成像)和NMR(核磁共振成像)磁体，其中它们在大约40K的温度下冷却热屏蔽，在大约4K的温度下重新凝聚氦气。它们还被用于量子计算机的早期开发。这些应用需要低水平的振动和低水平的EMI(电磁干扰)。
[0005]GM型脉冲管冷却器与斯特林(stirling)型脉冲管冷却器并行开发，后者直接从往复式压缩机的活塞向再生器和脉冲管提供压力循环。这些被广泛用于冷却地面和空间系统中接近70K的红外探测器。它们通常要小得多，并且以更高的速度运行，例如60赫兹，而GM型脉冲管则为1至2赫兹。斯特林型脉冲管比GM型脉冲管更高效，因为它们回收大部分的膨胀功，但控制脉冲管的暖端和缓冲体积之间的流动的方式是不同的，而且它们在低温下不那么高效。
[0006]W.E.Gifford是GM循环制冷器的共同专利技术人，他还设想了一种膨胀机，用气体活塞取代固体活塞，并称之为"脉冲管"制冷器。这在他的第3,237,421号美国专利("
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421号专利")中首次得到描述，该专利示出了与阀连接的脉冲管，就像早期的GM制冷器一样。脉冲管膨胀机的早期发展表明，气体在底部进入竖直取向的管，并流经流动平滑网，形成了分层气体柱，该分层气体柱在其被压缩并被推向顶部时变热。管的顶部具有铜帽，可以吸收一些热量，使得当气体流出管并随着膨胀而冷却时，其就会在所谓的冷端冷却流动平滑器和邻近的铜。如1984年报告的，Mikulin等人对基本的GM型脉冲管进行了重大改进，在脉冲管的暖端增加缓冲体积并通过节流阀使气体流进和流出。这现在被称为基本孔口型脉冲管或单入口阀脉冲管。随后的开发工作导致设计了几种不同的节流方式，改善了脉冲管膨胀机的性
能。大多数斯特林型脉冲管是单入口式设计。
[0007]对于GM型脉冲管，人们发现在脉冲管的暖端和再生器的入口之间增加第二孔口改善了性能，使两级脉冲管有可能达到4K以下。这现在被称为双入口脉冲管，且第二节流装置被称为双入口阀。正如单入口阀采取不同的形式一样，双入口阀也采取了不同的形式。本专利技术是一种新的双入口阀，使得可以通过轻松微调阀的设定来获得良好的性能。
[0008]Gifford的第3,205,668号美国专利("
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668号专利")描述了一种GM膨胀机，其具有固体活塞，该固体活塞具有附接到暖端的阀杆，该阀杆通过使驱动阀杆上方的压力循环与膨胀空间的压力循环不相一致来驱动位移器上下移动。旋转阀是在高、Ph和低、Pl之间进行压力循环的最常见手段。我们可以认为，如果气体活塞的冷边界基本上遵从与固体活塞的冷端相同的模式，那么脉冲管的暖端处的流动控制就会得到优化。
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668号专利中描述的膨胀机的循环开始于位移器被压住，同时进气阀打开，将压力增加到Ph值。然后活塞向上移动，在大约3/4处，入口阀关闭，压力随着活塞移动到顶部而下降。然后出口阀打开，压力下降到Pl。然后活塞向下移动，在大约3/4处，出口阀关闭，压力随着活塞移动到底部而增加。P
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V(压力
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体积)的面积是衡量每个循环产生的制冷量的标准。固体活塞和气体活塞之间的区别很多。它们包括：1)长度和冲程取决于压力比和允许多少气体流入和流出脉冲管的冷端；2)阀正时和流动阻力的不对称会导致每个循环流入或流出脉冲管一端的气体多于流出或流入的，被称为直流(DC)流动；以及3)很难同时平衡流入和流出冷端和暖端以建立冷边界，被称为交流(AC)流动，模拟固体活塞的运动和P
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V关系。带有单入口阀的斯特林循环脉冲管避免了第一个问题，因为压缩机活塞具有固定的位移，其还避免了第二个问题，因为流出缓冲体积的气体的量与流入缓冲体积的气体的量相同。
[0009]虽然这种气体活塞与固体活塞的类比提供了过程的物理描述，但更常见的是用压力循环和质量流量循环之间的相位关系来描述流动模式。Yuan等人的专利申请US2011/0100022("
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022号申请")对斯特林型单入口脉冲管低温冷却器的相位控制装置有很好的描述。
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022号申请的图2示出了阻力装置，该阻力装置被描述为包括孔口、短管和紧密间隔的板。图2示出了惯性管，其是长的小直径管，在电学模拟中充当电感。
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022号申请的图8示出了如何利用电路模拟来组合这些装置，以优化压力循环和质量流量循环之间的相位关系，从而提供最大的冷却。
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022号申请的图7是单入口阀的示意图，其由与惯性装置并联的阻力装置组成。重要的是要注意，惯性装置在斯特林型脉冲管中是实用的，因为其在高频率下操作。在GM型脉冲管的低频率下，只有阻力装置是实用的。同样重要的是要注意，
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022号申请中描述的所有装置在任何方向的流动中都具有相同的流动特性。
[0010]为提高4K下两级GM型冷却器的冷却能力所做的努力包括开发四阀设计。Xu的第10,066,855号美国专利(
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855专利”)描述了一种四阀脉冲管。这个名字来自于相移机构，该相移机构包括一对连接到再生器暖端的入口阀和出口阀以及第二对连接到脉冲管暖端的入口阀和出口阀。'855专利描述了流量控制机构，用于平衡流向第二级和第三级脉冲管的气体流量，每个流量控制机构都需要一对额外的阀。四阀脉冲管不使用缓冲体积，目前的设计比目前设计的双入口脉冲管的性能略好。然而，当阀马达和旋转阀必须与再生器分离时，它们就处于不利地位。双入口脉冲管在阀组件和脉冲管/再生器组件(称为冷端)之间只需要一个软管，而四阀脉冲管需要一个软管连接到再生器，直径更小的软管连接到多级脉冲管中的每个脉冲管的暖端。采用本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在低温下提供冷却的吉福德
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麦克马洪(GM)型双入口脉冲管系统，包括：同轴双入口阀，所述同轴双入口阀包括：基座，所述基座具有可调节端口，其中所述基座被配置为能够沿轴向方向进行调节；固定针，所述固定针部分地接合在所述可调节端口的一端；可调节针，所述可调节针部分地接合在所述可调节端口的另一端，其中所述可调节针与所述固定针同轴地布置；以及本体，所述本体用于容纳所述基座、所述固定针和所述可调节针。2.根据权利要求1所述的GM型双入口脉冲管系统，其中所述基座和所述可调节针能够从所述本体的同一侧进行调节。3.根据权利要求1所述的GM型双入口脉冲管系统，其中所述基座限定了与形成在所述本体上的阀杆端口相连的腔体，所述本体限定了与形成在所述本体上的端部端口相连的腔体，以及所述可调节端口位于所述基座的所述腔体和所述本体的所述腔体之间。4.根据权利要求3所述的GM型双入口脉冲管系统，其中所述可调节端口和所述可调节针被配置为控制所述阀杆端口和所述端部端口之间的交流(AC)流动和直流(DC)流动。5.根据权利要求3所述的GM型双入口脉冲管系统，其中所述可调节端口和所述可调节针被配置为在所述阀杆端口和所述端部端口之间产生任一方向的DC流动。6.根据权利要求3所述的GM型双入口脉冲管系统，其中所述同轴双入口阀还包括位于所述基座的腔体内的可调节针座，并且所述可调节针与所述可调节针座是一体的。7.一种在低温下提供冷却的吉福德
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麦克马洪(GM)型双入口脉冲管系统，包括：压缩机，所述压缩机通过供应管线供应处于供应压力的气体，并且通过返回管线接收处于返回压力的气体；阀组件，所述阀组件与所述供应管线和所述返回管线连接；脉冲管冷头，所述脉冲管冷头与所述阀组件连接，其中所述阀组件在所述供应压力和所述返回压力之间通过连接管线使气体循环到所述脉冲管冷头，所述脉冲管冷头包括：再生器，所述再生器具有暖端和冷端；脉冲管，所述脉冲管具有暖端和冷端；同轴双入口阀，所述同轴双入口阀包括：基座，所述基座具有可调节端口，其中所述基座被配置为能够沿轴向方向进行调节；固定针，所述固定针部分地接合在所述可调节端口的一端；可调节针，所述可调节针部分地接合在所述可调节端口的另一端，其中所述可调节针与所述固定针同轴地布置；以及本体，所述本体用于容纳所述基座、所述固定针和所述可调节针；第一管线，所述第一管线从所述连接管线延伸到所述再生器的暖端，其中所述同轴双入口阀与所述第一管线连接；第二管线，所述第二管线将所述再生器的冷端连接到所述脉冲管的冷端；第三管线，所述第三管线从所述脉冲管的暖端通过单入口阀延...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷田，许名尧，R，
申请(专利权)人：住友SHI美国低温研究有限公司，
类型：发明
国别省市：