專利名稱：用脈沖管制冷的低溫容器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于例如儲存或其他目的的低溫流體容器。
背景技術：
低溫流體的儲存容器或其他容器涉及利用絕熱容器來盡可能減少因熱量漏進容器內(nèi)而產(chǎn)生的一些低溫流體損失。然而，即使采用現(xiàn)有最好的絕熱系統(tǒng)，仍然有相當數(shù)量的被儲存冷凍劑會因漏熱而蒸發(fā)，導致容器內(nèi)部壓力升高到蒸汽可通過安全閥泄露到環(huán)境中的大小。低溫流體的這種損失帶來了極大的經(jīng)濟負擔，對于成本較高的低溫流體比如用于諸如超導領域等應用中的氦和氖來說猶為如此。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種儲存或容納低溫流體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可減少或消除因熱量漏入流體而產(chǎn)生的損失。
發(fā)明概述本領域普通技術人員在閱讀了本文后即可明白，通過本發(fā)明可以實現(xiàn)上述和其他目的，其中本發(fā)明的一個方面是為低溫容器提供制冷作用的方法，其包括(A)給工作氣體提供脈沖以產(chǎn)生壓縮的工作氣體，冷卻該壓縮了的工作氣體以產(chǎn)生冷卻的工作氣體；(B)在脈沖管的冷端膨脹該冷卻的工作氣體以產(chǎn)生制冷作用，用來產(chǎn)生進一步冷卻的工作氣體；和(C)將來自該進一步冷卻的工作氣體的制冷作用提供給包含低溫流體的低溫容器。
本發(fā)明的另一方面是一種低溫容器系統(tǒng)，其包括(A)容器，該容器有限定了容器內(nèi)腔的外殼；(B)一個脈沖發(fā)生器，一個再生器，一個冷的換熱器，用來將壓力波經(jīng)過工作氣體從脈沖發(fā)生器送到再生器的裝置，以及將壓力波經(jīng)工作氣體從再生器送到冷的換熱器的裝置；和(C)一個有冷端的脈沖管，所述冷端與冷的換熱器流體連通，所述冷的換熱器至少部分位于容器內(nèi)腔內(nèi)部。
這里使用的術語“低溫流體”是指在溫度240K、大氣壓力下為氣體的流體。
這里使用的術語“再生器”是指形式為多孔分布體的熱裝置，例如球狀堆積篩、穿孔金屬板等，它有良好的熱容量，可通過與多孔分布體直接換熱而將引進的熱氣冷卻并加熱返回的冷氣。
這里使用的術語“脈沖管”是指一種利用包括脈沖發(fā)生器在內(nèi)的合適部件產(chǎn)生低溫制冷作用的制冷裝置。
這里使用的術語“小孔”是指一種安放在脈沖管制冷機中的脈沖管膨脹器熱端和儲器之間的氣流限制裝置。
這里使用的術語“壓力波”是指一種氣團，它以循環(huán)的方式、順序地經(jīng)歷高壓和低壓。


圖1是本發(fā)明低溫容器系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施方案的剖面圖。
圖2是本發(fā)明低溫容器系統(tǒng)的另一個優(yōu)選實施方案的剖面圖，其中采用了熱管。
圖3是本發(fā)明低溫容器系統(tǒng)的另一個優(yōu)選實施方案的剖面圖，其中將制冷作用直接提供給容器內(nèi)部的隔熱層。
詳細說明本發(fā)明涉及用來容納低溫流體的容器，比如固定儲罐、移動式容器、杜瓦瓶等。在利用本發(fā)明可有效保存的低溫流體中，可列舉出的有氫、氦、氖、氧、氮、氬、二氧化碳、以及混合物比如空氣和天然氣。
下面參考附圖對本發(fā)明進行詳細描述?，F(xiàn)參考圖1，低溫容器20具有外殼1，外殼限定了容器內(nèi)腔2。容器內(nèi)腔2包括隔熱體21，在圖1所示的本發(fā)明實施方案中，隔熱體是一層緊靠在容器外殼1內(nèi)表面的隔熱層。容器內(nèi)腔2還容納有一定量的低溫流體3。如果沒有本發(fā)明脈沖管制冷作保證，那么通過隔熱體漏入容器的環(huán)境熱量將使一些低溫液體蒸發(fā)，最終使一些蒸發(fā)了的低溫流體經(jīng)過安全閥22漏出。
脈沖管制冷系統(tǒng)是典型的封閉式制冷系統(tǒng)，它使封閉循環(huán)內(nèi)的工作氣體或制冷劑脈沖并以這種方式將冷區(qū)的熱負荷轉(zhuǎn)移到熱區(qū)。脈沖的頻率和相位由該系統(tǒng)的結構決定。圖1示出了一種脈沖管制冷系統(tǒng)的一個實施方案。
在圖1所示的脈沖管制冷系統(tǒng)中，驅(qū)動器11可以是一個活塞或者其他機械壓縮裝置，或者是一個聲波或熱聲波發(fā)生裝置，或者任何其他適于為工作氣體提供脈沖或壓縮波的裝置。也就是說，脈沖發(fā)生器給工作氣體提供一個壓縮過程和一個膨脹過程。當?shù)蜏厝萜魇且苿觾迺r，比如是拖拉機拖車上的低溫貯罐時，驅(qū)動器或者脈沖發(fā)生器可以有利地由驅(qū)動機動車系統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動，或者通過熱聲波發(fā)生裝置由發(fā)動機產(chǎn)生的熱量驅(qū)動。驅(qū)動器或脈沖發(fā)生器11給工作氣體提供脈沖以便產(chǎn)生壓縮過的工作氣體。氦是優(yōu)選的工作氣體；然而任何有效的工作氣體都可用來實施本發(fā)明，其中可以提到空氣、氮、氧、氬和氖。
被壓縮的工作氣體在后冷卻器23中被冷卻，在此，通過與冷卻介質(zhì)比如水24的間接熱交換除去壓縮熱，所得壓縮工作氣體接著在再生器12中進行處理。在再生器12中，被壓縮的工作氣體通過與再生器介質(zhì)熱交換而被冷卻下來，然后被冷卻的壓縮工作氣體被送到冷的換熱器13，之后再到絕熱脈沖管10的冷端。
脈沖管制冷系統(tǒng)的幾何結構和脈沖結構應使驅(qū)動器發(fā)出的、經(jīng)過工作氣體的壓縮脈沖到達脈沖管冷端之前，驅(qū)動器就要開始膨脹過程。這將使脈沖管冷端的冷卻的壓縮工作氣體膨脹。脈沖管冷端是靠近冷的換熱器的一端。該膨脹引起脈沖管內(nèi)的工作氣體在脈沖管熱端方向被壓縮，通常利用熱的換熱器25通過與冷卻介質(zhì)比如水26進行間接換熱，將熱量從熱端帶走。優(yōu)選脈沖管制冷系統(tǒng)利用一個小孔15和儲器14，以便將氣體的位移和壓力脈沖保持在合適的狀態(tài)。
脈沖管10熱端內(nèi)的溫度較高的被壓縮脈沖管氣體在熱的換熱器25中被處理，然后經(jīng)過小孔15進入儲器14內(nèi)。孔或閥15和儲器14的結合有利于適當壓力狀態(tài)氣體的運動，而且氣體以波動不大的平均壓力儲存在儲器內(nèi)。儲器14的尺寸足夠大，以至于在脈沖管內(nèi)發(fā)生波動流動期間，儲器內(nèi)基本不發(fā)生壓力波動。來自波發(fā)生裝置/活塞11的輸入流停止，則管壓下降到一個較低的壓力。平均壓力下的氣體從儲器14內(nèi)出來經(jīng)過孔流入具有較低壓力的脈沖管內(nèi)。在脈沖管10冷端進一步冷卻的膨脹氣體在經(jīng)過冷的換熱器13時給外界負荷提供制冷作用。進一步冷卻的工作氣體產(chǎn)生的制冷作用通過間接換熱傳入容器20的內(nèi)腔2，從而抵消漏入容器內(nèi)的熱量并減少或完全消除由于這種漏熱引起的容器內(nèi)的低溫流體損失。所得較熱的工作氣體通過在再生器12內(nèi)的加工繼續(xù)升溫，同時它將再生器冷卻下來。然后準備接受下一個脈沖。低溫流體可從容器20內(nèi)比如經(jīng)過管27被取出。
小孔脈沖管制冷機的作用是在工作流體在脈沖管內(nèi)經(jīng)歷周期性的壓縮和膨脹時提供制冷作用。該循環(huán)如下通過定時的壓縮和膨脹過程，脈沖發(fā)生器使工作氣體在其熱端被壓縮并因此被加熱。由于被壓縮氣體處在比儲器內(nèi)的平均壓力高的壓力下，因此就經(jīng)過小孔流進儲器內(nèi)，并且通過脈沖管熱端的熱的換熱器進行熱交換。當脈沖管內(nèi)的壓力降到平均壓力時，流動便停止。脈沖發(fā)生器往回運動并使氣體在其熱端膨脹。從儲器經(jīng)過小孔流進脈沖管的氣流迫使脈沖管熱端的低溫、低壓氣體流向脈沖管冷端。這反過來又推動脈沖管冷端處的進一步被冷卻的氣體經(jīng)過脈沖管冷端的換熱器進行處理。在該過程中，它從流體或其他被冷卻的實體中去除熱量。當脈沖管內(nèi)的壓力升高到平均壓力時，流動便停止。然后重復上述循環(huán)。
圖1所示的冷的換熱器位于容器內(nèi)腔2內(nèi)的氣體中。冷的換熱器還可以這樣放置，使得它可將至少一些制冷作用直接傳給容器內(nèi)腔內(nèi)部的液體。在另一個實施方案中，冷的換熱器可與一個熱管或其他傳熱裝置連接，該裝置可將制冷作用傳遞給容器內(nèi)腔內(nèi)部的低溫蒸汽和/或低溫液體。在又一個實施方案中，冷的換熱器可以布置成將制冷作用直接傳給容器內(nèi)腔內(nèi)部的隔熱體。
圖2示出本發(fā)明的另一個實施方案，其中利用一個熱管將冷的換熱器的制冷作用傳給容器內(nèi)腔內(nèi)的低溫液體。對于相同部件，圖2中的數(shù)字標記與圖1中的一樣，這里不再對這些相同部件作詳細描述。
熱管是一種熱裝置，它可以很有效地將熱量從管的一端輸送到另一端。典型的熱管包括一個低導熱管，比如兩端封閉并包含一種傳熱流體的不銹鋼管50。該熱管內(nèi)充有適合壓力和溫度的傳熱流體，即氣體或氣體混合物，從而通過以下方式發(fā)生相變在端部51與脈沖管的冷的換熱器接觸而冷凝，在另一端52與待冷凝或待過度冷卻的低溫流體間接接觸而沸騰。例如，在容器內(nèi)腔2中，在例如85K的溫度下冷凝蒸汽或者過度冷卻液體，熱管內(nèi)所需氮氣的質(zhì)量可以由為熱管容積設計的、與氮在80K的相變條件對應的蒸汽和液體部分來確定。
圖3示出本發(fā)明的另一個實施方案，其中制冷作用被供到容器內(nèi)腔內(nèi)的兩個地方，其一是隔熱體內(nèi)的熱屏蔽。對于相同部件，圖3中的數(shù)字標記與圖1中的一樣，這里不再對這些相同部件作詳細描述。
現(xiàn)在參考圖3，低溫容器20在容器內(nèi)腔內(nèi)、隔熱體21內(nèi)有一個熱屏蔽30。熱屏蔽可以是任何能阻斷熱量泄露進容器的實體。比如，可以是金屬材料，或者可以是制冷劑比如液氮。在圖3所示的兩級脈沖管制冷系統(tǒng)中，再生器12出來的冷卻的壓縮工作氣體被分為兩部分。第一部分32在第二再生器31內(nèi)被處理，其中它在冷的換熱器13內(nèi)被處理之前先變得更冷。脈沖管制冷系統(tǒng)的該級中的剩余部分按照類似于上述參考圖1描述的方式運行。
再生器12出來的第二部分冷卻工作氣體33在第二冷的換熱器34內(nèi)被處理，該換熱器與熱屏蔽30是換熱關系。圖3中所示的脈沖管制冷系統(tǒng)的第二級包括第二脈沖管35、第二熱的換熱器36、第二小孔37和第二儲器38，該級與第一脈沖管級的運行方式相同，只是該第二級產(chǎn)生的制冷作用是被傳到內(nèi)腔2中的熱屏蔽而非內(nèi)腔2內(nèi)的低溫流體。這兩級可以使用兩個獨立脈沖管，其具有熱聯(lián)結或者任何其它適合的有效結構。為了清楚起見，遮蓋住兩級脈沖管制冷系統(tǒng)的一部分冷端的隔熱體沒有在圖3中表示出來。本領域的普通技術人員可以明白用普通手段就可使該部分隔熱。
雖然這里參考了某些優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了詳細說明，但是本領域普通技術人員可以理解在權利要求的精神和范圍內(nèi)還有其他的實施方案。
權利要求
1.一種為低溫容器提供制冷作用的方法，它包括(A)給工作氣體提供脈沖以產(chǎn)生壓縮的工作氣體，冷卻該壓縮了的工作氣體以產(chǎn)生冷卻的工作氣體；(B)在脈沖管(10)的冷端膨脹該冷卻的工作氣體以產(chǎn)生制冷作用，用來產(chǎn)生進一步冷卻的工作氣體；和(C)將來自該進一步冷卻的工作氣體的制冷作用提供給包含低溫流體(3)的低溫容器(20)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中將該制冷作用直接供給低溫流體。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中低溫容器包含帶有熱屏蔽(30)的隔熱體，將制冷作用直接提供給該隔熱體。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中將制冷作用也直接提供給低溫流體。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中將制冷作用提供給熱管流體，然后熱管流體將制冷作用提供給低溫流體。
6.一種低溫容器系統(tǒng)，其包括(A)容器(20)，該容器有限定了容器內(nèi)腔(2)的外殼(1)；(B)一個脈沖發(fā)生器(11)，一個再生器(12)，一個冷的換熱器(13)，用來將壓力波經(jīng)過工作氣體從脈沖發(fā)生器(11)送到再生器(12)的裝置，以及將壓力波經(jīng)工作氣體從再生器(12)送到冷的換熱器(13)的裝置；和(C)一個有冷端的脈沖管(10)，所述冷端與冷的換熱器(13)流體連通，所述冷的換熱器(13)至少部分位于容器內(nèi)腔(2)內(nèi)部。
7.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其中容器內(nèi)腔(2)包含帶有熱屏蔽(30)的隔熱體(21)，冷的換熱器(13)與熱屏蔽(30)為熱交換關系。
8.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其中容器內(nèi)腔(2)包含帶有熱屏蔽(30)的隔熱體(21)，而且還包括用來將壓力波經(jīng)工作氣體從再生器(12)送到與熱屏蔽(30)為熱交換關系的第二冷的換熱器(34)的裝置。
9.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其還包括第二再生器(31)，其中將壓力波經(jīng)由工作氣體從再生器(12)送到冷的換熱器(13)的裝置包括該第二再生器(31)。
10.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其中脈沖發(fā)生器是熱聲波裝置。
11.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其中脈沖發(fā)生器包括一個活塞。
12.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其還包括一個通過小孔(15)與脈沖管(10)流體連通的儲器(14)。
13.根據(jù)權利要6所述的低溫容器，其還包括與冷的換熱器(13)為熱交換關系的熱管(50，51，52)。
全文摘要
一種儲存低溫流體(3)的低溫容器系統(tǒng)，其中漏進容器內(nèi)腔(2)的熱量被脈沖發(fā)生器(11)提供的能量產(chǎn)生的制冷作用抵消，該發(fā)生器給工作氣體提供脈沖，該氣體在脈沖管(10)的冷端膨脹從而給冷的換熱器(13)提供制冷作用，該換熱器至少有一部分是在容器的內(nèi)腔(2)中。
文檔編號F17C3/04GK1620583SQ02825070
公開日2005年5月25日 申請日期2002年9月18日 優(yōu)先權日2001年10月18日
發(fā)明者J·H·羅亞爾, C·F·戈茨曼, A·阿查亞, G·D·朗 申請人:普萊克斯技術有限公司