[发明专利]输入功率减小的低温制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及带有阀的低温制冷机，特别地，涉及GiffordMcMahon(GM)制冷机，以及GM型脉冲管制冷机。气体通过连接至膨胀器(expander)的阀机构在高压与低压之间循环。阀机构大体包括旋转阀盘与阀座。转盘阀使得它们本身构造有多个端口。设有离散的端口，通过周期对正不同的端口，它们允许由压缩机所供应的工作流体往返再生器(regenerator)与膨胀器的工作容腔。

背景技术

GM和苏威(Solvay)型制冷机使用压缩机，其供应几乎恒定高压的气体，并且接收几乎恒定低压的气体。气体被供应至往复的膨胀器，其借助于阀机构以相对于压缩机的低速运行，其中所述膨胀器交替地使气体进出所述膨胀器。

W.E.Gifford还提出了用气体置换器替换固体置换器的膨胀器，并且将其称为“脉冲管”制冷机。这首先在美国专利公开文献No.3237421中被公开，其说明了像早期的GM制冷机那样连接至阀的脉冲管。

早期的脉冲管制冷机效率并不足以与GM型制冷机竞争。显著的改进由Mikulin等人完成，如1984年所报道，并且继而增加的兴趣在于寻求进一步改进。自1984年以来的主要改进的说明可在于此所列的参考文献中找出。所有这些脉冲管可作为GM型膨胀器运行，其中所述膨胀器使用阀以循环气体进出脉冲管。以低速运行的GM型脉冲管通常用于大约20K以下的应用。

这种类型的带有阀的低温制冷机具有低效的缺点，这是因为随着气体循环进出膨胀器，膨胀器中的空出的容腔的增压和减压。在带有阀的低温制冷机中，在高压阀正好打开之后，具有通过高压阀的较大的压差，这是由于再生器的入口处的压力几乎为低压。在另一方面，在低压阀打开时，还具有通过阀的较大的压差，这是因为再生器的入口处的压力几乎为高压。该过程产生了不可挽回的损失，其不可通过扩大阀的打开面积而减小。该损失对应于冷头(cold head)的空出容腔。

在Fujimoto的日本专利公开文献P2001-317827中，两个缓冲器通过两个旋转阀连接至再生器的入口，其中所述旋转阀由日本专利公开文献P2001-317827的图2中的时序控制。在该专利公开文献中，在充气的过程中，在第一步骤中，气体首先从第一缓冲器流入再生器中。在第二步骤中，气体从压缩机的供应侧流入再生器和第一缓冲器这两者中。在该专利公开文献中所示的附加的第一缓冲器的作用较小，这是因为在第一步骤中从第一缓冲器流入再生器中的气体的量必须在第二步骤中从压缩机被补偿。在排气的过程中，在第三步骤中，气体流出再生器进入第二缓冲器中。在第四步骤中，气体从再生器和第二缓冲器这两者流至压缩机的返回侧。在该专利公开文献中所示的附加的第二缓冲器的作用较小，这是因为在第三步骤中从再生器流入第二缓冲器中的气体在第四步骤中必须流出第二缓冲器进入压缩机中。

本发明的目的是减少由压缩机供应的气体的量，并且提供在气体循环过程中具有减小的压降的低温制冷机.

发明内容

已经发现，可构造一种带有阀的低温制冷机，从而压缩机与膨胀器之间的气流的一部分可通过阀式连接件从缓冲容腔被供应，并被排气至其。由于本发明的内容，通过阀的压降损失被减小，并且需要由压缩机供应的气体的量被减小。

本发明提供了一种减小GM制冷机或GM型脉冲管制冷机的输入功率的措施。缓冲容腔存储气体，其中所述气体通过阀流至和流出再生器的暖端，其中所述阀在所述主要供应和返回阀关闭时的时间段过程中打开和关闭，并且在所述主要供应和返回阀打开时关闭。

在充气的过程中，在再生器的入口处的压力低于缓冲器中的压力时，气体从一个或多个缓冲容腔而不是从压缩机的供应侧被充气进入再生器中。在排气的过程中，在再生器的入口处的压力高于缓冲器中的压力时，气体从再生器排气至缓冲器而不是压缩机的返回侧。最终的效果是，减少由压缩机供应的气体的量，因而增加系统效率。另外，通过阀的压差可被减小，气体流速可降低，并且听得见的噪声由于气体流速被降低而被减小。

缓冲容腔可以是独立式容腔，以及这样的缓冲容腔，其被包含在膨胀器中，以驱动脉冲管中的GM置换器或气体活塞。

缓冲容腔可以是具有任何形状的容器。其可以仅仅是长的管道或者柔性气体管线。

缓冲容腔可以是冷却系统中的压缩机、阀单元、膨胀器或任何子系统的一部分。缓冲容腔可独立于冷却系统中的压缩机、阀单元、膨胀器或任何子系统或与它们一体。缓冲容腔可以是冷却系统中的压缩机、阀单元、膨胀器或任何子系统中的内部容腔。

本发明可通过单级制冷机或多级制冷机实现。