[发明专利]通过声阻抗以减少瞬时冷却时间和热损失的多级脉冲管低温冷却器

说明书

技术领域

本发明大体上涉及脉冲管低温冷却器，更具体地说，涉及一种多级脉冲管低温冷却器的第二级或较高级的声阻抗的构造，以减少将低温冷却器冷却到其操作温度所需的瞬时时间间隔。

背景技术

业已认为，脉冲管冷却器的特性适合冷却至低温。它们一般包括一由再生器连接到脉冲管一端的压力波发生器，例如一往复式隔膜或活塞。脉冲管的另一端与一声阻抗连接以便将内部的工作气压和速度的相位作适当调整。通常由再生器与脉冲管连接的一端的一冷区域吸热，由再生器的另一端的热区域散热。由于适当定相后压力和位移的波动在空间位移上产生膨胀和压缩，所以脉冲管冷却器内的工作流体能够将热从冷区域传送至热区域。热和冷区域内都设置有热交换器，例如一铜壳体，它包含与壳体传导连接的铜网，用于在工作气体和附着的传热物质之间进行热输送。

脉冲管低温冷却器的其中一结构是美国专利申请公开号2004/0000149的图中所示的U形管结构。脉冲管和再生器大致呈平行设置并形成U形的脚。该脉冲管和再生器通过一吸热的转向岐管接合在一起，该转向岐管内或相邻处设有热交换器。这种结构使得再生器和脉冲管的热区域极其接近该结构一端，而冷区域则位于该结构的另一端。装配在一起的脉冲管、再生器和转向岐管以及它们的热交换器通常称为冷头。

脉冲管冷却器可级联为多级以便获得较冷的温度和改进的性能。上述专利申请示出了一个两级低温冷却器，其每一级均为U形结构，但冷却器亦可为三或更多级。当分级时，一级的吸冷、吸热区域与下一级的散热区域热连接。每一级将热由其冷区域传送至热区域，再传至前一级的冷区域，如此类推沿级联多级传下去，直到第一级的热区域，再将热散至周围环境或一些冷却介体。

除了冷头外，脉冲管冷却器还需要声阻抗以便对脉冲管低温冷却器内的工作气体的气压和速度作适当的定相将热传送至再生器。声阻抗具有类似电阻抗的相位特性。称为储存器或缓冲器的一较大体积的容器基本上要其有顺从特性。顺从性与接地电容类似，这是因为气体能够被压缩的缘故，使体积流速或速度较压力超前90°。一相对长而窄的管原则上具有称作所谓惯性的特性。惯性与感应器类似，这是因为气体的动量导致体积流速或速度较压力滞后90°。因此，顺从性导致相位超前，而惯性导致相位滞后。本文中的“滞后”和“超前”是相对的术语，其取决于速度使用的符号规定；即，+号可以代表所考虑的流量流入或流出。因此，当+和-的符号被互换时，关于这些术语的其它说明也可以互换。孔口与阻抗类似，因为在孔口处，速率和压力的相位相同。

利用这些阻抗特性，脉冲管低温冷却器通常被设计成适当地定相，方法是；通过选择一个或多个声阻抗以提供所要求的相位关系。用于脉冲管装置以及其它热声系统的声阻抗，在G.W.Swift的Thermoacoustics(由Acoustical Society of America(2002)出版)中有更详细的讨论。在一般的情况下，声阻抗是惯性组合件，为一长而相对窄的管，或者是两条不同直径的管串联连接起来，其中一端与脉冲管连接，另一端与顺从性储存器连接。

每级的冷头和至少在第一级之后的各级的声阻抗一般被封装在一真空容器内。该容器一直保持高真空，防止或将由周围环境至脉冲管冷却器部件的附加热传导及对流传热减至最少。

当启动所述类型的低温冷却器的操作时，其部件必须在瞬时条件下冷却至所设的正常工作温度。由于这些部件质量较大，它们可储存大量的热，因此所需的冷却时间亦较长。测得该冷却时间可以是数小时，甚至可能，例如只需半小时。当部件达到稳定的状态后，它们必须保持其工作温度。这些部件冷却至工作温度或者保持其工作温度是通过把热从部件传至一级的冷区域以及通过脉冲管冷却器或多级冷却器的传热来实现的。然而，尽管为了防止热传导及对流负荷而将脉冲管部件抽真空，但真空容器的内壁通过辐射传热而使脉冲管部件带有热辐射负荷。例如真空容器为环境温度约300K，而压力容器内的部件的温度可逐级下降至约20K或30K。

现有技术试图解决该热辐射负荷的问题，将冷头以防辐射罩包裹置放真空容器内，防止产生由真空容器内壁至冷头的直接辐射。这些防辐射罩通常是多层高反射率材料，缠绕在冷头上以把进入的热辐射反射出去。典型的是以多层保温箔做成一厚毯(一般称为MLI)直接包裹在冷头上及在其周围。这厚毯由多层铝化聚酯薄膜与多层薄的纤维保温隔离层交替制成。从冷头的冷区域温度至热区域温度呈现梯度变化。