[发明专利]用于氦的再凝集的同轴多级脉冲管

说明书

本申请是申请日为2006年1月4日、申请号为200610051381.1、发明名称为“用于氦的再凝集的同轴多级脉冲管”的发明专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2005年1月4日提交的美国临时申请60/461,199的优先权，其整体结合在此作为参考。

技术领域

本发明涉及多级Gifford-McMahon(GM)型脉冲管制冷机，其用于在MRI(核磁共振成像)磁体中再凝集氦。

背景技术

GM型制冷机使用压缩机，压缩机在几乎恒定高压下向膨胀器(expander)供应气体和在几乎恒定的低压下从膨胀器接收气体。所述膨胀器依靠一个阀机构相对于压缩机低速运转，所述阀机构可有选择地使气体进、出膨胀器。Gifford在美国专利3,119,237中描述了一种具有气动驱动器的GM膨胀器。GM循环已经被证明是产生大约20K以下的小量制冷作用的最佳方法，因为膨胀器可以在1到2Hz运转。

一种脉冲管制冷机首次由Gifford在美国专利3,237,421中描述。其示出了一对阀，类似于早期的GM制冷机，所述阀连接到再生器的热端，再生器的冷端又被连接到脉冲管上。十九世纪六十年代中期进行的对脉冲管制冷机的早期研究工作在R.C.Longsworth的论文“Early pulse tube refrigerator developments”，Cryocoolers，9，1997，p.261-268中被描述。单级、两级、内部相位调整式四级、以及同轴式的结构曾被研究。所有这些设计都是使脉冲管的热端靠近再生器，并且除同轴设计之外所有的设计都是使脉冲管与再生器分开。尽管利用这些早期的脉冲管可达到低温，但其效率不能与GM型制冷机相比。Longsworth 在美国专利4,606,201中描述了一种不同类型的用于GM型膨胀器的气动驱动器，其利用使气体流经孔口(orifice)到达或离开缓冲腔来控制置换器(displacer)。

显著的改进由E.I.Mikulin，A.A.Tarasow和M.P.Shkrebyonock 在1984年报导于“Low temperature expansion(orifice type)pulse tube”，Advances in Cryogenic Engineering，Vol.29，1984，p.629-637，并且许多研究跟着寻求进一步的改进。这种最初的改进是使用孔口和连接到脉冲管热端的缓冲腔来控制“气体活塞”在脉冲管内的运动，以在每个循环产生较多的制冷量。实际上，在美国专利4,606,201中，气体活塞取代了通常被称作置换器的固体活塞。接下来的工作集中在改进气体活塞的控制和改进脉冲管膨胀器的结构两方面的途径。S.Zhu和P.Wu 在“Double inlet pulse tube refrigerators：an important improvement”，Cryogenics，vol.30，1990，p.514中描述了控制气体活塞的双孔口装置。

Gao的美国专利6,256,998中描述了在两级脉冲管中控制气体活塞的装置，其在4K时工作良好。Chen等在美国专利5,107,683中描述了脉冲管的第二级从第二级热站延伸至外界温度。这个概念是J.L.Gao和Y.Matsubara研究的几种构造之一，参看“Experimental investigation of 4K pulse tube refrigerator”，Cryogenics，1994，Vol.34，p.25，该构造已被证实对于两级4K脉冲管工作良好。前面探讨过的所有结构都使脉冲管与再生器分离开。

一种利用单孔口控制的同轴式脉冲管在1986年由R.N.Richardson报导于“pulse tube refrigerator-an alternative cryocooler？”Cryogenics，1986，26(6)：p.331-340。Inoue等在日本特开平7-260269中描述了一种两级脉冲管，其中再生器和脉冲管同轴。这种设计在中央具有第二级脉冲管，其从第二级热站延伸至外界温度，其并被第一和第二级再生器包围。第一级脉冲管是在第一级再生器外部的同轴环形腔。这个专利的主要特征是在脉冲管内设置热交换器，以有助于利用再生器内的温度分布补偿脉冲管内的温度分布。在脉冲管和再生器分离开并且脉冲管被真空包围的情况下，脉冲管和再生器之间的温度差不会成为难题。但是当传统的脉冲管安装在MRI低温恒温器(cryostat)的颈管内的氦气中时，这种温差会导致对流热损失。