改进的分体式脉冲管连接管线的制作方法

改进的分体式脉冲管连接管线
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年3月30日提交的序列号为63/001,701的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本文所述的实施例涉及最小化与将gifford-mcmahon(gm)型脉冲管制冷机的阀机构与在低温下冷却装置的冷头分开的连接管线相关的损失。阀马达和冷头之间的连接管线的改进增加了可用的冷却并减少了振动的传递。

背景技术：

4.如今使用的一些装置和正在开发的新装置在4k或以下运行，需要大约1w的冷却和低水平的振动。正在使用gm型脉冲管制冷机，因为它们可以在冷头中没有移动部件。gm型脉冲管膨胀机通过在高压和低压之间循环(通常在2.2和0.8mpa左右，以及1到2hz之间)进出冷头的气体(通常是氦气)而在低温下产生制冷。单级脉冲管冷头包括具有热端和冷端的蓄热器、冷端热站、具有热端和冷端的脉冲管以及连接到脉冲管的热端上的压力移相机构。气体循环进出蓄热室的热端并流过冷端热站，因为它对脉冲管中的气体进行加压和减压。流入和流出脉冲管冷热端的气体流经流动平滑器，导致气体分层(不混合)。进入脉冲管热端和冷端的气体使留在脉冲管中的气体充当可压缩活塞。可以将循环进出冷端的气体想象为作用于固体活塞的末端并移动行程的大约百分之十五(15％)进入脉冲管。p-v图类似于带有固体活塞的gm或斯特林循环膨胀机。
5.gm型脉冲管中的压力循环由连续流压缩机提供，该压缩机具有连接到将气体循环至冷头的阀机构的低压返回管线和高压供应管线。在整体式膨胀机中，阀机构和冷头联接在一起。在分体式脉冲管膨胀机中，阀机构通过连接管线与冷头隔开，连接管线有时是柔性的，称为柔性管线，有时是管。内直径小于约3mm的小直径管线通常由管制成，而较大直径的管线通常由波纹软管制成。
6.gm型脉冲管的压缩机和阀机构有时被称为压力波发生器(pwg)。该术语源自斯特林式脉冲管，其中往复式活塞压缩机通过连接管线或连接管联接到脉冲管冷头，压缩机被称为压力波发生器。斯特林型脉冲管通常以高速运行，例如60hz，因此冷头中的气体膨胀能量可以回收并作为动能存储在压缩机活塞中。gm型脉冲管通常以1至2hz的频率操作，并且不会回收膨胀能量，但可以设计为比斯特林型脉冲管更冷。另一方面，斯特林型脉冲管可以小得多，并且在较高温度下具有更高的效率。
7.在非常低的温度(例如4k)和低速下操作的gm型脉冲管依赖于竖直取向，脉冲管的冷端向下，以保持脉冲管中的气体分层。此应用中pwg和冷头之间的连接管通常在制冷机安装时固定到位。由于气体没有时间分层，在更高的速度和温度下操作并且具有更小直径的脉冲管的斯特林型脉冲管制冷机可以在其它取向上操作。它们广泛用于没有重力使脉冲管中的气体分层的空间。
8.在大多数应用中，在pwg和脉冲管冷头之间建立连接管线的主要目的是隔离从pwg传递到脉冲管冷头的振动。其它原因是考虑安装限制、电磁干扰与pwg的隔离、或者pwg与磁场的隔离。使用波纹软管的连接管线既可以隔离振动，又可以灵活地将阀机构安装在gm型脉冲管中。
9.spoor的美国专利第7,628,022号(“'022专利”)描述了一种分体式斯特林型脉冲管，其使用带有编织盖的波纹柔性软管(第4栏第32行)将pwg连接到冷头。'022专利将pwg描述为“声学功率源”。连接管线的主要目的是将pwg与冷头分开，该专利的主权利要求指定了基于操作频率的最小长度。
10.目前在4k附近操作的gm型脉冲管中使用了两种类型的相移机构。xu的美国专利第9,157,668号(“'668专利”)描述了一种基本双入口脉冲管，在缓冲容积和压缩机返回管线之间增加了引流管线。参考'668专利的图1，基本双入口脉冲管包括pwg部件12、v1和v2、连接管线20、以及包括冷头的其余部件。如果不添加引流管线，则只需一个管线20即可将pwg连接到冷头。这对于两级4k脉冲管也是如此，如'668专利的图8所示，其示出了将管线220作为pwg和蓄热器242之间的连接管线。xu的美国专利第10,066,855号(“'855专利”)描述了一种四阀脉冲管。该名称源于相移机构，包括用于将气体循环到一个或一系列蓄热器的pwg中的两个阀，以及用于第一级脉冲管的两个阀。'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。参考'855专利的图1，脉冲管包括pwg部件压缩机212、阀v1至v6和连接管道、连接管线220、230和299、以及包括两级冷头的其余部件.pwg和蓄热器之间的连接管线220将90％以上的流量输送到冷头，因此比连接管线230和299大得多。相对于双入口脉冲管，需要三个连接管线的两级四阀脉冲管似乎处于劣势；然而，四阀脉冲管不需要缓冲容积。双入口脉冲管的缓冲容积可能相对较大，可能必须与冷头分开安装，这需要相对较小的第二连接管线。
11.具有单独pwg并在4k附近提供约1w冷却的两级gm型脉冲的当前应用之一是用于冷却产生高磁场以进行核磁共振(nmr)研究的超导磁体。分配给bruker biospin gmbh的三项专利解决了使用安装在nmr低温恒温器颈管中的4k脉冲管冷头的问题，其中4k脉冲管冷头冷却冷罩并冷凝氦气蒸发。wikus的美国专利第9,995,510号(“'510专利”)描述了一种新颖的连接管线，该连接管线可减少由于连接管线中气体以1至2hz进行压力循环而对低温恒温器施加的循环力。'510专利的图7示出了一种标准波纹软管，其通常在其上具有ss编织套筒以防止其拉伸，并被描述为隔离高频振动。wikus的美国专利第9,982,840号(“'840专利”)描述了隔离具有通过波纹软管与冷头分离的pwg的两级4k gm型脉冲的振动的另一方面。冷头安装在低温恒温器的颈管中，使用柔性隔膜将脉冲管的热凸缘密封到颈管的热凸缘。隔膜将颈管中的氦气与大气密封，氦气的压力略高于大气压力，因此其倾向于“漂浮”冷头。wikus的美国专利第10,401,447号(“'447专利”)在'840专利的冷头上增加了枢轴轴承，该枢轴轴承支撑颈管中的冷头，使得来自连接管的脉冲力允许其在颈管内进行少量的来回摆动，例如1
°
，而不会将力传递到低温恒温器。'447专利的图5示出了连接管线，其包括与波纹软管部段串联的直管部段。
12.k.nakano和m.y.xu于2012年发表在《低温工程进展》上的题为“开发具有分体阀单元的高效4k两级脉冲管低温冷却器”的论文比较了具有不同直径的1m长的波纹连接管线的性能。示出了整体式和分体式gm脉冲扩管器的照片。由于阀单元和冷头之间的连接管线中
的空隙容积和压降造成的损失，分体阀单元在更高的温度下以相同的热负荷操作。对于分体阀单元，测量到由于1.7hz压力循环导致的第一级和第二级的冷端的位移分别为+/-10.3μm和+/-14.6μm。在频率高达200hz的情况下，整体式与分体式阀马达的振动比较示出了在1.7hz时只有很小的差异，但在较高频率下分体式阀马达的振动减少了多达10倍。
13.目前将pwg与冷头分开的gm型脉冲管制冷机使用市售的波纹ss软管，连接管线带有编织ss盖。该软管为安装阀单元提供了灵活性，并减少了从阀单元传递到冷头的振动。

技术实现要素：

14.本发明的实施例提供了gm型脉冲管制冷机的压力波发生器和冷头之间的连接管线的损耗的减少，同时保持或改进了本技术波纹软管连接管线的期望特性，包括隔振、分离距离和安装便利性。实施例的基本手段是减少波纹软管中的褶合部的内部空隙容积，并结合减少波纹的数量、在空隙容积中添加填料、和提供振动吸收涂层。
15.这些优点可以通过例如脉冲管低温制冷机来实现，其包括在压力波发生器(pwg)和脉冲管冷头之间的连接管线，其中连接管线包括金属软管，该金属软管具有允许软管弯曲至少九十度(90
°
)的波纹，波纹的外直径(od)比内直径(id)大至少40％，并且其中软管的内部容积不大于软管的芯部容积的33％。在实施例中，形成波纹的内部容积的外褶合部比形成波纹的外部容积的内褶合部更紧密地间隔开。在实施例中，软管包括具有波纹的波纹部段和至少一个直管部段。形成金属软管的内部容积的外褶合部由直管部段隔开，该直管部段具有与褶合部相同或更小的id。在实施例中，由外褶合部限定的波纹的内部容积至少部分地填充有弹性体。在实施例中，金属软管的外部涂布有弹性体。在实施例中，金属软管的外部用编织盖加强。
16.这些优点可以通过例如脉冲管低温制冷机实现，其包括在压力波发生器(pwg)和脉冲管冷头之间的连接管线，其中连接管线包括可弯曲金属管和联接件，该联接件具有防止pwg和冷头之间金属接触的弹性体密封件。
附图说明
17.以下附图对实施例进行说明，其中相同或相似的附图标记表示相同或等同的部分。
18.图1示出了双入口gm型两级脉冲管制冷机的示意图，示出了连接管线与pwg和冷头的关系。
19.图2示出了市售的波纹软管的一部分。
20.图3示出了根据本发明的可变节距波纹软管的一部分。
21.图4示出了将波纹软管部段与直管部段结合起来的连接管线的一部分。
22.图5示出了将褶合部之间的直部段结合起来的连接管线的一部分。
23.图6示出了具有振动吸收涂层的市售波纹软管的一部分。
24.图7a示出了市售波纹软管的一部分，其中弹性体填充了波纹的内部容积。
25.图7b示出了市售波纹软管的一部分，其中弹性体填充了波纹的内部容积，管衬到id上。
26.图8示出了通过防止金属与金属接触的弹性体密封件将pwg的高频振动与冷头隔
离的联接件的一部分。
27.图9示出了在连接管线的两个部段之间具有将pwg的高频振动与冷头隔离的弹性体结合部的连接管线的一部分。
具体实施方式
28.在该部分中，将参考示出了本发明的优选实施例的附图更全面地描述本发明的一些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围传达给本领域技术人员。相同的标号自始至终指代相同的元件，并且在替代实施例中使用撇号表示相似的元件。
29.图1示出了双入口gm型两级脉冲管制冷机500的示意图，示出了连接管线1与压力波发生器40和冷头20的关系。pwg 40由压缩机41、高压供应管线42、高压阀43、低压阀44和低压返回管线45组成。阀43和44通常作为端口结合在由阀马达驱动的旋转阀组件中。阀马达是高频振动的主要来源，高频振动可通过连接管线1传递到冷头。供应和返回管线42和45通常是允许压缩机41与阀马达组件分离的挠性软管。脉冲管冷头20示出为安装在低温恒温器50的顶部，该低温恒温器包含被冷却的装置。低温恒温器50还提供最小化制冷机热负荷所需的隔热。冷头20的处于环境温度的部件如下：管线19，其将连接管线1连接到第一级蓄热器21的热端(r1)、孔口24和孔口31；管线25，其将孔口24连接到第一级脉冲管23(pt1)的热端、通过孔口26连接到第一级缓冲容积27(b1)；以及管线32，其将孔口31连接到第二级脉冲管30(pt2)的热端、通过孔口36连接到第二级缓冲容积34(b2)。冷部件包括温度t1下的第一级热站22、第二级蓄热器28(r2)和温度t2下的第二级热站29。
30.k.nakano和m.y.xu引用的上述论文描述了具有1m长连接管线的两级gm型脉冲管。本文所描述的脉冲管制冷机代表了本发明所包括的新型连接管线改进的使用。其包含压缩机，抽吸功率为6.4kw，频率为50hz，充有1.65mpa的氦气，气体循环到冷头的频率为1.7hz。连接管线是标准编织波纹软管，连接蓄热器的软管的id为9.5mm，连接第一级脉冲管的软管的id为4.0mm。第一级温度t1测量为45.4k，热负载为40w，第二级温度t2测量为4.05k，热负载为1.0w。在阀机构与冷头集成在一起的情况下，相同条件下的温度分别为37.0k和3.86k。使用根据本发明的连接管线的应用将使用在约1至15kw之间进行抽吸并在约3至80k的温度之间操作的压缩机。连接管线的长度将小于约1m，具有的内直径(“id”)在3到15mm之间，并且通常具有高达九十度(90
°
)的弯曲度。请注意，上述振动测量是由冷头上的与连接管线连接器10相对的传感器51(vs)进行的。
31.图2示出了市售波纹软管100的一部分，目前用于连接管线。此类软管的制造商之一，hose master，将软管的制造过程描述为将金属(通常是不锈钢ss)条带制成管，将其缝焊，然后机械地形成软管的褶合部。hose master还通过将长的ss条带形成为单个褶合部、将其盘绕成螺旋状、然后缝焊边缘来制造波纹软管。标准波纹软管2具有ss编织盖3，可防止薄壁管在受压时拉伸。在没有编织盖的情况下，软管的典型压力限制范围为0.1至0.3mpa，而使用一层编织盖时，压力限制范围通常为5至10mpa。软管的外直径(od)是内直径(id)的1.4倍。当管线中的压力在高压和低压之间循环时，外褶合部4a部分地包围内部容积4b，该内部容积代表空隙容积。该空隙容积将到达冷头的气体量减少了使内部容积4b加压和减压
的量。标准软管具有约50％的过量容积比(褶合部中的容积/芯部容积的百分比)，其中芯部容积是id乘以连接管线的长度中的容积。换言之，在该标准软管中，空隙容积约为芯部容积的50％。内褶合部5a包围外褶合部容积5b。褶合部作为一系列圆形孔口，相对于具有相同id的光滑壁管，这些圆形孔口可增加当气体流过软管时的压降。
32.图3示出了根据本发明的可变节距波纹软管的一部分，其中内褶合部5a之间的距离保持与标准波纹软管相同，但外褶合部4a的半径小于内褶合部5a。对于内褶合部5a的半径是外褶合部4a的半径六(6)倍的情况，内部容积4b约为芯部容积的27％，并且压降因为内褶合部5a的半径更大而略微减小。对于内褶合部5a的半径是外褶合部4a的半径三(3)倍的情况，内部容积4b约为芯部容积的33％。本发明的波纹软管的过量容积比不大于33％。或者，本发明的波纹软管的过量容积比可以不大于27％。
33.图4示出了标识为“直/波纹部段软管”300的连接管线的一部分，其将波纹软管6的部段与直管7的部段结合起来。k.nakano和m.y.xu引用的上述论文使用了波纹软管，其在九十度(90
°
)弯曲处的长度是软管id的两倍半(2.5)。使用的9.5mm id的管在弯曲处的长度小于3mm，占其总长度的百分之三(3％)。与标准波纹软管2相比，与直管7间隔开的波纹软管6的多个部段将具有更小的内部容积和更低的压降。然而，与直管7间隔开的波纹软管6可能会传递更多的振动。值得注意的是，对于等同的压降，波纹软管的id大于可弯曲管的id。id的增大增加了连接管线1中的空隙容积。直部段7的id可以小于波纹部段6的id。
34.图5中所示的构造，标识为“直/波纹软管”400，示出了连接管线的一部分，其将直部段7结合在褶合部4a之间。与软管300一样，与直管7间隔开的波纹6将比标准波纹软管2具有更小的内部容积和更低的压降，但可能会传递更多的振动。
35.图6示出了具有振动吸收涂层8的市售标准波纹软管2的一部分。这种涂层可以应用于任何连接管线构造，以减少从pwg传递到冷头的振动。
36.图7a示出了标准波纹软管2的一部分，弹性体9填充波纹的内部容积。这样的填充，即使只是部分填充了外褶合部，也会减少空隙容积。如果弹性体9完全填充外褶合部9并提供光滑的孔，则消除了由于连接管线中的空隙容积引起的冷却损失并且减少了由于压降引起的损失。弹性体还将吸收振动。图7b将衬管19添加到id。在这种情况下，芯部容积基于管的id。在任一设计中，内部容积与芯部容积的比率可能为1。
37.图8示出隔振联接件10a，其通过弹性体密封件11将pwg的高频振动与冷头隔开，该弹性体密封件防止具有螺纹唇缘的连接管14和具有用于保持联接环12的唇缘的连接管13之间的金属与金属接触。
38.图9示出了在管线17和18的两个部段之间具有将pwg的高频振动与冷头隔离的弹性体结合部15的连接管线的一部分。连接管线1可以由可弯曲的铜管或ss管制成，并结合这样的弹性体结合联接件，该弹性体结合联接件将隔离高频振动并减少与压力循环引起的管线膨胀和收缩相关的低频振动。
39.此处使用的术语和描述仅作为说明阐述，并不意味着限制。本领域的技术人员将认识到，在本发明的精神和范围内以及在此描述的实施例内，许多变化是可能的。

技术特征：

1.一种脉冲管低温制冷机，其包括：压力波发生器(pwg)和脉冲管冷头之间的连接管线，其中连接管线包括金属软管，该金属软管具有允许软管弯曲至少九十度(90
°
)的波纹，波纹的外直径(od)比波纹的内直径(id)大至少40％，并且其中软管的内部容积不大于软管的芯部容积的33％。2.根据权利要求1所述的脉冲管低温制冷机，其中形成波纹的内部容积的外褶合部的半径小于形成波纹的外部容积的内褶合部的半径。3.根据权利要求1所述的脉冲管低温制冷机，其中软管包括具有波纹的波纹部段和至少一个直管部段，并且形成波纹的内部容积的外褶合部由具有与褶合部相同或更小的id的直管部段间隔开。4.根据权利要求1所述的脉冲管低温制冷机，其中由外褶合部限定的波纹的内部容积至少部分地填充有弹性体。5.根据权利要求1所述的脉冲管低温制冷机，其中金属软管的外部涂布有弹性体。6.根据权利要求1所述的脉冲管低温制冷机，其中金属软管的外部由编织盖加强。7.一种脉冲管低温制冷机，其包括：压力波发生器(pwg)和脉冲管冷头之间的连接管线，其中连接管线包括可弯曲金属管和联接件，该联接件具有防止pwg和冷头之间金属接触的弹性体密封件。8.根据权利要求7所述的脉冲管低温制冷机，其中弹性体密封件设置在金属管的两个部段的联接部分之间。

技术总结

GM型脉冲管制冷机的压力波发生器和冷头之间的连接管线的损耗减少，同时保持或改进了标准波纹软管连接管线的期望特性，包括隔振、分离距离和安装便利性。基本手段是减少波纹软管中的褶合部的内部空隙容积，并结合减少波纹的数量、在空隙容积中添加填料、和增加振动吸收涂层。收涂层。收涂层。

技术研发人员：

许名尧 雷田 R.C.龙斯沃思

受保护的技术使用者：

住友（SHI）美国低温研究有限公司

技术研发日：

2021.03.25

技术公布日：

2022/10/10