專利名稱：低溫制冷器的冷端組件裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及低溫制冷器，更具體地涉及一種整體的低溫制冷器的冷端組件殼，更為具體地涉及一種整體式的冷端組件殼，其消除了銅焊或使得銅焊最少，同時(shí)提供了設(shè)計(jì)上的靈活度，從而可以將放氣構(gòu)件設(shè)置在內(nèi)部或外部。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)體產(chǎn)品的市場(chǎng)持續(xù)地增長(zhǎng)，尤其是在考慮到其明顯增長(zhǎng)的商業(yè)應(yīng)用。更特別地，高溫超導(dǎo)體(HTS)設(shè)備和系統(tǒng)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于蜂窩式通訊基站的過濾器中。這種過濾器的設(shè)計(jì)減少了信號(hào)之間的干涉并增加了基站的靈敏度。
為了如期地運(yùn)作，超導(dǎo)體設(shè)備通常必須被冷卻到一個(gè)非常低的溫度。對(duì)于現(xiàn)有的HTS設(shè)備，設(shè)備必須被冷卻到大約77K或更低?？梢酝ㄟ^使用低溫制冷器或?qū)⒋鋮s的設(shè)備浸入到在低溫下沸騰的液體中來獲得這些低溫。通常用來實(shí)現(xiàn)低溫的液體是在77K時(shí)沸騰的氮以及在4K時(shí)沸騰的氦。通常，通過揮發(fā)性液體的受控蒸發(fā)(使用蒸發(fā)熱作為冷卻手段)、通過起先限制在一高壓下(例如150到200個(gè)大氣壓)的氣體的受控膨脹、或者通過選擇地膨脹位于待冷卻區(qū)域附近的氣體(通過所謂的膨脹熱來吸熱)而作為熱泵、然后在閉合循環(huán)中于另一位置處壓縮氣體(通過壓縮熱來移去熱量)，從而操作低溫制冷器。一種效率最高的低溫制冷器是基于斯特林(Stirling)循環(huán)的閉合循環(huán)低溫制冷器。
斯特林循環(huán)制冷單元(或斯特林循環(huán)低溫制冷器)通常包括一移位組件和一壓縮組件，其中兩個(gè)組件彼此之間流體地連通。組件通常由一原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。該原動(dòng)機(jī)可通過電磁線性馬達(dá)或回轉(zhuǎn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)。
常規(guī)的移位組件通常具有一“冷”端和一“熱”端。熱端與壓縮組件流體地連通。移位組件通常包括一移位器，該移位器具有一個(gè)安裝在其中的交流換熱器，用于將流體——例如氦——從移位器的一端(即冷端)轉(zhuǎn)移到移位器的另—端(即熱端)。壓縮組件用于當(dāng)流體大致位于移位組件的熱端時(shí)對(duì)流體施加額外的壓力，以及當(dāng)流體大致位于移位組件的冷端時(shí)從流體中釋放壓力。以此方式，移位組件的冷端可保持于例如77K，而移位組件的熱端保持比室溫高15度(即大約為313K)。
現(xiàn)有低溫制冷器的一個(gè)缺點(diǎn)在于其使用了大量的構(gòu)件。特別地，形成外殼的構(gòu)件很多。因?yàn)樵O(shè)備通過壓縮和膨脹流體而工作，低溫制冷器必須完全地密封。在實(shí)際中，不同的構(gòu)件銅焊在一起以滿足這個(gè)要求(例如把低溫制冷器與環(huán)境空氣密封隔絕)。然而，銅焊是非常費(fèi)事的。此外，銅焊操作經(jīng)常在組件的線性中引進(jìn)了不期望的變化。這增加了所要求的設(shè)備公差，并導(dǎo)致了增加額外的構(gòu)件以適應(yīng)所要求的更大公差以及非線性。
現(xiàn)有低溫制冷器的另一個(gè)缺點(diǎn)在于將不同構(gòu)件包括到低溫制冷器的內(nèi)部中。許多這些構(gòu)件都具有放氣效應(yīng)(例如，氣體從構(gòu)件擴(kuò)散到低溫制冷器密封的內(nèi)部環(huán)境中)?？赡苡蟹艢庑?yīng)的構(gòu)件的例子為馬達(dá)線圈、外迭片結(jié)構(gòu)、以及將不同構(gòu)件結(jié)合在一起的環(huán)氧樹脂。通過將不期望的氣體導(dǎo)入到內(nèi)部密封環(huán)境中，氣體經(jīng)常降低了低溫制冷器的效率。
因此，在此技術(shù)領(lǐng)域中存在開發(fā)一種具有最少數(shù)量的形成外密封殼的構(gòu)件低溫制冷器的需求。由此，改進(jìn)了構(gòu)件之間的對(duì)中性。此外，存在這樣的一種需求靈活設(shè)計(jì)外密封殼，使得可以使用內(nèi)馬達(dá)和外馬達(dá)。本發(fā)明直接地致力于并克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于改進(jìn)低溫制冷器的冷端組件的公差和效率的裝置和方法。更具體地，組件的部件數(shù)量減少了，且消除了費(fèi)事的銅焊和粘合步驟。這導(dǎo)致了低溫制冷器在制造時(shí)間以及制造費(fèi)用上的改進(jìn)。通過兩種方式減少了部件數(shù)量。首先，形成低溫制冷器外密封殼的構(gòu)件最小化。其次，通過在安裝后進(jìn)行加工，圓筒狀構(gòu)件(例如移位器、缸膛、以及活塞孔(piston bore))彼此之間精確地設(shè)置。通過構(gòu)件的精確設(shè)置，可省略某些部件，例如現(xiàn)有技術(shù)中的移位器缸膛(移位器襯墊)。
如上所述，在過去，通常把銅焊用做構(gòu)建方法，以將各個(gè)構(gòu)件連接起來并密封。然而，本發(fā)明優(yōu)選地消除了銅焊。此外，通過對(duì)殼的最終重要直徑進(jìn)行加工，改善了對(duì)中性。在某些情形下，可完全地省略襯套及其它的減少摩擦的構(gòu)件。其它的構(gòu)件需要環(huán)氧樹脂粘合。通過消除對(duì)這類構(gòu)件組件的需求，消除了另一放氣源。在某些情形下——例如馬達(dá)外置設(shè)計(jì)中，放氣構(gòu)件可移到外密封殼的外部。在此情形下，對(duì)內(nèi)部的流體/氣體環(huán)境的污染更小?？梢岳斫?，當(dāng)保持期望的內(nèi)部的流體/氣體環(huán)境、使之與指定程度更接近時(shí)，則低溫制冷器的效率可以提高。
在依據(jù)本發(fā)明的原理而構(gòu)建的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，外密封腔由單個(gè)整體的金屬殼制造。由此，多達(dá)10個(gè)現(xiàn)有技術(shù)低溫制冷器的冷端組件中的構(gòu)件被整合成單個(gè)部件。此外，先前在緊固和密封構(gòu)件時(shí)所需要的銅焊也可以省略。此外，由于在制造/形成外密封殼之后的一個(gè)或多個(gè)加工步驟，改善了公差。這使得幾個(gè)構(gòu)件可以收縮配合地組裝，以及導(dǎo)致在活塞孔和移位器之間的改善的直線對(duì)齊的精確性。由于后一個(gè)改善，消除了對(duì)移位器襯墊的需求。
依據(jù)本發(fā)明的原理而構(gòu)建的一個(gè)冷端組件包括一個(gè)壓縮器及線性馬達(dá)組件、一個(gè)熱交換單元、以及一個(gè)移位器組件。這些構(gòu)件組裝在一起并位于外密封殼內(nèi)。在馬達(dá)外置設(shè)計(jì)的實(shí)施方式中，一個(gè)真空凸緣、一個(gè)外散熱器、一個(gè)外迭片組件以及一個(gè)馬達(dá)線圈設(shè)置和構(gòu)造在外密封殼的外側(cè)。在馬達(dá)內(nèi)置設(shè)計(jì)的實(shí)施方式中，僅僅是真空凸緣和散熱器設(shè)置和構(gòu)造在外密封殼的外側(cè)。在任一實(shí)施方式中，通過對(duì)外密封殼的特定部分進(jìn)行加工、從而改善和控制公差，在一個(gè)收縮配合過程中，這些組件中的幾個(gè)可配合地位于外密封殼上或內(nèi)部。這個(gè)過程可包括加熱一個(gè)部件/組件而使其膨脹、然后將其壓配合到適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。通過正確地構(gòu)造不同部件和組件的尺寸，當(dāng)部件/組件冷卻時(shí)，其牢固地設(shè)置在外密封殼上或內(nèi)部。
本發(fā)明的一個(gè)特征是采用了一個(gè)非銅焊的內(nèi)部熱交換器。優(yōu)選的熱交換器是已經(jīng)加工好的或擠壓成型的鋁合金。然而，熱交換器可由任意具有良好導(dǎo)熱性能的材料制造。現(xiàn)有技術(shù)使用了銅焊片，其導(dǎo)致了費(fèi)時(shí)的組裝過程以及公差要求提高。加工或擠壓成型的熱交換器改善了屈服強(qiáng)度、熱性能，并且是一個(gè)更一致的部件。
本發(fā)明的其它特征包括對(duì)于馬達(dá)外置的實(shí)施方式，消除在外密封殼中的電流饋通，可選地使用撓曲軸承(flexure bearing)、氣體軸承或其它的軸承設(shè)計(jì)，以及可選地使用一個(gè)移動(dòng)線圈馬達(dá)、移動(dòng)磁鐵馬達(dá)、或其它的馬達(dá)設(shè)計(jì)。
在可選的氣體軸承的情況下，這種軸承優(yōu)選地使用工作流體米減少、并理想地消除活塞和包括有壓縮器的汽缸之間的摩擦。為了實(shí)施氣體軸承，加壓氣體可通過一止回閥而進(jìn)入到活塞的密封內(nèi)部中。這為氣體軸承提供了一個(gè)加壓氣體源，其不會(huì)隨著壓縮器組件的壓縮腔中的氣體壓力顯著地波動(dòng)。其它的低溫制冷器設(shè)計(jì)使用了潤(rùn)滑劑，所述潤(rùn)滑劑會(huì)影響工作流體的純度或摩擦表面，這會(huì)影響工作壽命。
因此，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于低溫制冷器的冷端組件的外殼，該低溫制冷器為包括一個(gè)熱交換器、一個(gè)移位汽缸組件以及移位汽缸原動(dòng)機(jī)的類型，所述的外殼包括一個(gè)基本上成一體的殼，所述的殼設(shè)置和構(gòu)造成容納所述的熱交換器、移位汽缸組件以及至少一部分的移位汽缸原動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的另一方面包括上述的殼，并進(jìn)一步包括一個(gè)第一部分，所述的第一部分設(shè)置和構(gòu)造成用作一個(gè)指形冷凍器并基本上容納所述的移位汽缸組件；一個(gè)第二部分，所述的第二部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納一個(gè)熱交換器；以及一個(gè)第三部分，所述的第三部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納至少一部分的移位汽缸原動(dòng)機(jī)。
依據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種用于低溫制冷器的冷端組件的外殼，該低溫制冷器為包括一個(gè)熱交換器、一個(gè)移位汽缸組件以及移位汽缸原動(dòng)機(jī)的類型，所述外殼包括一個(gè)第一部分，所述的第一部分設(shè)置和構(gòu)造成用作一個(gè)指形冷凍器并基本上容納所述的移位汽缸組件；一個(gè)第二部分，所述的第二部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納一個(gè)熱交換器；以及一個(gè)第三部分，所述的第三部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納至少一部分的移位汽缸原動(dòng)機(jī)；其中，所述的第一部分、第二部分以及第三部分中的至少兩個(gè)無縫地彼此連接。
依據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)方面，提供了一種冷端組件，其類型為用來在熱端對(duì)流體進(jìn)行壓縮并將冷卻流體送到冷端，包括一個(gè)原動(dòng)機(jī)；一個(gè)可操作地連接到所述原動(dòng)機(jī)而用于進(jìn)行壓縮的移位汽缸；一個(gè)熱交換器；以及一個(gè)基本上無縫和/或一體的殼，所述的殼設(shè)置和構(gòu)造成支撐和大致上封閉所述的移位汽缸及熱交換器，以及支撐和封閉至少一部分的原動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一種制造低溫制冷器的冷端的方法，包括拉伸一個(gè)用于冷端組件的一體的殼；對(duì)所述殼的至少一個(gè)選擇的內(nèi)直徑進(jìn)行加工；將一個(gè)活塞孔組件安裝在所述至少一個(gè)加工過的內(nèi)直徑附近；對(duì)所述殼的至少一個(gè)選擇的外徑進(jìn)行加工；以及將一個(gè)真空凸緣安裝在所述至少一個(gè)選擇的外徑附近。
雖然參照優(yōu)選實(shí)施方式的構(gòu)造以及在其中所使用的特定設(shè)備而描述了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于在此所公開和描述的構(gòu)造或構(gòu)件。而且，雖然在此描述了密封外殼的特定形狀和整體特性，可以理解，這種特定形狀和整體特性并不是限制性的。相反的，本發(fā)明的原理延展到使得構(gòu)建密封外殼的構(gòu)件的數(shù)量最少、從而消除銅焊和/或改善公差。此外，雖然結(jié)合低溫制冷器在蜂窩基站環(huán)境下的使用而對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了概括的描述，可以理解，本發(fā)明的范圍并不是如此有限的。通過對(duì)本發(fā)明的更為詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以得知本發(fā)明的這些以及其它的變例。
在所附的、并作為本發(fā)明一個(gè)部分的權(quán)利要求中特別地指出了本發(fā)明的區(qū)別優(yōu)點(diǎn)和特征。然而，為了更好地理解本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)參照形成為本發(fā)明一個(gè)部分的附圖以及伴隨的對(duì)其描述，其中示出和描述了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式。


參照附圖，其中在幾個(gè)視圖中，類似的標(biāo)號(hào)指示類似的部件圖1為一個(gè)剖視圖，其示出了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的冷端組件。
圖2A為一個(gè)剖視圖，其示出了圖1冷端組件的外構(gòu)件。
圖2B為一個(gè)剖視圖，其示出了圖1冷端組件的不同構(gòu)件，這些構(gòu)件由依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的本發(fā)明實(shí)施方式中的構(gòu)件所替代。
圖3為一個(gè)剖視圖，其示出了依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的冷端組件，其中馬達(dá)部分位于密封外殼的外部。
圖4為一個(gè)立體圖，其示出了圖3的密封外殼。
圖5A-5F為一系列的剖視圖，其示出了依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的冷端組件的制造和組裝。
圖6為一個(gè)剖視圖，其示出了依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的冷端組件的一可選實(shí)施方式，其中馬達(dá)位于密封外殼的內(nèi)部。
圖7A-7F為一系列的剖視圖，其示出了圖6冷端組件的可選實(shí)施方式的制造和組裝。
具體實(shí)施例方式
包括有依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的冷端組件的低溫制冷器可應(yīng)用在各種情況下并具有各種其它的構(gòu)件。然而，所述原理適用于一種方法和裝置，用于改進(jìn)低溫制冷器冷端組件的公差和效率。通過使形成低溫制冷器外密封殼的構(gòu)件的數(shù)量最小化、以及通過可選地將放氣構(gòu)件設(shè)置在外密封殼的外部而實(shí)現(xiàn)了所述的改進(jìn)。
對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的冷端組件的描述將被推遲到對(duì)現(xiàn)有技術(shù)冷端組件——其示于圖1中——的描述之后。示出了一個(gè)代表性的現(xiàn)有技術(shù)斯特林循環(huán)低溫制冷器10。在名稱為“Stirling Cycle Cryocooler with OptimizedCold End Design”、并轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專利6,327,862中，對(duì)低溫制冷器10進(jìn)行了更為詳細(xì)的描述。在此將該專利結(jié)合入本文中并作為其一個(gè)部分。因此，在此不對(duì)低溫制冷器的所有構(gòu)件或操作都進(jìn)行描述。圖1的低溫制冷器10大致包括一移位單元12、一熱交換單元14、以及一個(gè)壓縮器及線性馬達(dá)組件16。
移位單元12以常規(guī)的方式工作，并優(yōu)選地包括有一移位殼18、一移位汽缸組件20——其內(nèi)安裝有交流換熱器單元22、以及一個(gè)移位桿組件24。移位汽缸組件20可滑動(dòng)地沿軸向(即Z軸)安裝在移位殼18內(nèi)并擱置在固定于移位殼18內(nèi)表面上的移位器襯墊上。一個(gè)移位器端蓋27設(shè)置在移位汽缸組件20的遠(yuǎn)端內(nèi)。移位桿組件24的一端連接到移位汽缸組件20而在另一端34處耦合到一個(gè)移位器撓曲彈簧組件32上。從而，在適當(dāng)?shù)臈l件下，移位汽缸組件20可在移位殼18內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。
熱交換單元14位于移位單元12和壓縮器及線性馬達(dá)組件16之間。熱交換單元包括一熱交換塊38、一偏流器或類似結(jié)構(gòu)、以及一個(gè)熱交換器安裝凸緣42。熱交換器安裝凸緣42耦合到壓縮器及線性馬達(dá)組件16的末端。熱交換塊38包括多個(gè)內(nèi)部換熱片46以及多個(gè)外部散熱片48。從而，熱交換單元14的設(shè)計(jì)便于從氣體——例如氦——中散熱，所述的氣體壓縮在位于移位單元12和壓縮器及線性馬達(dá)組件16之間的接合處的區(qū)域中(這個(gè)區(qū)域，PHOT，也可以稱為壓縮器及線性馬達(dá)組件16的壓縮腔)。熱交換塊38、內(nèi)部換熱片46以及外部散熱片48通常由高純度的銅制造。
壓縮器及線性馬達(dá)組件16包括一個(gè)壓力殼44，一個(gè)活塞組件50安裝于壓力殼44內(nèi)。活塞組件50包括一個(gè)汽缸52、一個(gè)活塞54、一個(gè)活塞組件安裝支架56以及一個(gè)彈簧組件58。所述的活塞組件安裝支架56提供了活塞54和彈簧組件58之間的耦合，且活塞54適于在汽缸52內(nèi)往復(fù)地運(yùn)動(dòng)。多個(gè)氣體軸承60設(shè)置在活塞54的外壁62上，且所述的氣體軸承60從一個(gè)密封腔61接收氣體——例如氦，所述的密封腔設(shè)置在活塞54中。一個(gè)止回閥63在壓縮腔區(qū)域內(nèi)氣體的壓力超過腔61內(nèi)氣體的壓力時(shí)(即超過了活塞儲(chǔ)氣腔壓力)提供了密封腔61和汽缸的壓縮腔(即由PHOT指示的區(qū)域)之間的單向流體連通。
在活塞54上優(yōu)選地安裝有多個(gè)磁鐵74。內(nèi)迭片72緊固到汽缸52的外側(cè)。外迭片73緊固在壓力殼44內(nèi)并位于磁鐵74的外側(cè)。外迭片73優(yōu)選地固定到一安裝凸緣42上。內(nèi)及外迭片72及73優(yōu)選地由含鐵材料制造。馬達(dá)線圈70優(yōu)選地位于外迭片73內(nèi)并包繞著活塞54。馬達(dá)線圈70優(yōu)選地位于磁鐵74的外側(cè)并位于形成于外迭片73中的凹槽內(nèi)。從而，可以理解，當(dāng)活塞54在汽缸52內(nèi)移動(dòng)時(shí)，磁鐵74在一個(gè)間隙75內(nèi)移動(dòng)。
從上文可以理解多個(gè)構(gòu)件形成了外密封殼。圖2A更為詳細(xì)地示出了形成外密封殼的不同構(gòu)件。通過銅焊將多個(gè)不同構(gòu)件彼此結(jié)合起來并密封。另外地，還存在多個(gè)通過各種環(huán)氧樹脂粘合劑組裝在一起的構(gòu)件。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其示出了依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的冷端低溫制冷器組件的剖視圖。低溫制冷器以100標(biāo)示，并通常包括一個(gè)外部密封殼201，該外部密封殼為冷端組件的不同構(gòu)件、部分以及組件提供了結(jié)構(gòu)支撐。冷端組件的主要組件包括一個(gè)移位單元112、一熱交換單元114、以及一個(gè)壓縮器及線性馬達(dá)組件116。線性馬達(dá)用作壓縮器的原動(dòng)力。下文將對(duì)每個(gè)組件進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖4示出了外密封殼201的立體視圖。圖5A示出了外密封殼201的截面。從圖4和5A，可以理解殼201為一個(gè)由“304不銹鋼”形成的整體結(jié)構(gòu)。這種材料是一種廣泛使用的不銹鋼，并且其鉻和鎳的含量大致分別地為18％和8％。該材料具有很好的強(qiáng)度和防腐蝕性能，并易于制造。該材料對(duì)介于中度還原和輕微氧化之間的環(huán)境內(nèi)具有抵抗力。在本情形下，其是形成殼201的材料，所述的殼密封住內(nèi)部的氦氣體。該材料還為各個(gè)子組件提供了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)支撐。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該材料從一起始盤狀金屬片(直徑大約為 英寸)拉伸。在拉伸之后，在一優(yōu)選實(shí)施方式中，最終的最大外徑大約為3.442英寸，而殼201的高度大約為3.546英寸。
具有殼201所需性能的其它材料包括鈦、鉻鎳鐵合金(inconel)或鈷。也可以使用其它的材料。期望的材料性能包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低導(dǎo)熱率、高度防滲透性以及允許銅焊和加工的材料性能。
仍然參照?qǐng)D4和5A，殼201包括幾個(gè)設(shè)置和構(gòu)造成支撐和/或容納不同子組件的部分?？梢岳斫?，殼201在其結(jié)構(gòu)支撐和密封的功能之外，還提供了從殼201的閉合第一端213移動(dòng)到殼201的打開第二端214的其他功能。殼201的閉合端214可保持打開以簡(jiǎn)化最后的對(duì)齊加工步驟，但最后需要通過焊接、銅焊、環(huán)氧樹脂結(jié)合或任何密封的、防熱沖擊的步驟而封閉起來。
第一部分215位于與第一端213最接近的端部處。第一部分215設(shè)置和構(gòu)造成在其外周附近起到一指形冷凍器的作用。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一部分215延伸穿過一個(gè)真空凸緣200(例如視圖3)。高溫超導(dǎo)體(HTS)過濾器(未示)隨后在第一端213處或在鄰近第一端213處附接到安裝支架252(可在圖3中最好地看出)。第一部分215還設(shè)置和構(gòu)造成容納交流換熱器單元122(在圖3中看得最清楚)。第一部分215優(yōu)選地是圓的，并且在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，其內(nèi)直徑小于殼201的其他部分。
第二部分217位于第一部分215的旁側(cè)，其中第一過渡部分216位于該兩者之間。真空凸緣200安裝在第二部分217的外部。優(yōu)選地，真空凸緣200通過一個(gè)收縮配合工藝安裝。因此，第二部分217的外部?jī)?yōu)選地加工成一個(gè)適當(dāng)?shù)闹睆?具有受控的公差)以實(shí)現(xiàn)這個(gè)連接。如可以理解的那樣，真空凸緣200和第二部分217之間的連接把真空環(huán)境密封——指形冷凍器(即第一部分215)延伸入此真空環(huán)境內(nèi)——起來。第二部分217的內(nèi)部通常與熱交換單元114配合并支撐熱交換單元114。優(yōu)選地，第二部分217是圓的，并且在優(yōu)選實(shí)施方式中，其直徑大于第一部分215的直徑。
第三部分219位于第二部分217的旁側(cè)，其中第二過渡部分218位于該兩者之間。在第三部分219的外部支撐有線圈170和外迭片204。第三部分219的內(nèi)部通常與線性馬達(dá)116的內(nèi)部構(gòu)件配合且對(duì)線性馬達(dá)116的內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行支撐。優(yōu)選地，第三部分219是圓的，并且在優(yōu)選實(shí)施方式中，其直徑大于第二部分217的直徑。
第四部分221位于第三部分219的旁側(cè)，其中第三過渡部分220位于該兩者之間。第四部分221位于開口的第二端214處或與第二端214靠近。第四部分221支撐移位組件的彈簧組件。它還密封地接合一個(gè)端蓋250(在圖3中看得最清楚)以將冷端組件密封起來。優(yōu)選地，第四部分221大致是截頭圓錐形的。在優(yōu)選實(shí)施方式中，第四部分221較小端的直徑大于第三部分219的直徑。
如上文所注意到的，每個(gè)部分215、217、219以及221優(yōu)選地拉伸形成一個(gè)整體的、無縫的殼201。然而，可以理解，單個(gè)部分能可選的拉伸成兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件、然后組裝起來。雖然可采用這種選用方法來制造，但是為了使縫的數(shù)量減到最少并改善冷端組件100的制造工藝，優(yōu)選地，在單個(gè)工序中拉伸所述的殼201。
還可以理解，第一端213的特征在于其是封閉的，而第二端214的特征在于其是開口的。然而，這些特征不應(yīng)當(dāng)是限制性的。在優(yōu)選實(shí)施方式中，第二端214是開口的以提供組裝。然而，如果殼201制造成兩個(gè)或更多個(gè)構(gòu)件部分(例如，在過渡部分218和/或220處提供一個(gè)縫)，則第二端214可封閉地構(gòu)造。進(jìn)一步地，可以理解，可選地，可以除去過渡部分216、218和220和/或采取多種形狀和構(gòu)造。這種部分的主要功能在于在殼201的功能部分之間提供一個(gè)過渡。
圖5A-5F示出了各個(gè)優(yōu)選地在拉伸工序之后進(jìn)行的加工步驟。在圖5A中，殼201的內(nèi)表面被手工地打磨，且在301、303、和305處對(duì)內(nèi)直徑進(jìn)行加工。在圖5B中，內(nèi)活塞孔組件307、熱交換塊309以及彈簧堆疊安裝支座308被插入到殼201內(nèi)。在圖5C中，在位置311處對(duì)殼201的外部進(jìn)行加工(以減少通過外殼材料厚度而進(jìn)行的熱傳導(dǎo))、在位置313處對(duì)殼201的外部進(jìn)行加工(以為緊密的收縮配合連接形成一個(gè)適當(dāng)?shù)某叽?、在位置315處對(duì)殼201的外部進(jìn)行加工(以減少渦電流損失路徑，這僅僅用于馬達(dá)外置的設(shè)計(jì)，對(duì)于下文所描述的可選實(shí)施方式中的馬達(dá)內(nèi)置的設(shè)計(jì)，該加工步驟不是必要的)。這三個(gè)位置311、313、以及315大致上分別地與第一部分215、第二部分217、以及第三部分219對(duì)應(yīng)。在圖5D中，優(yōu)選地，通過加熱真空凸緣200以及將其壓配合到適當(dāng)?shù)奈恢枚颜婵胀咕?00收縮配合到殼201上。在圖5E中，對(duì)以317標(biāo)示的真空凸緣200表面進(jìn)行加工。這個(gè)表面317將容納外散熱器148(在圖3中看得最清楚)。最后，在圖5F中，對(duì)另三個(gè)內(nèi)表面進(jìn)行加工。這三個(gè)表面以319、321和323標(biāo)示。這些最后的加工操作使得活塞、壓縮器以及移位組件之間最好地對(duì)齊?？梢岳斫猓瑘D5F所示的構(gòu)件取代了圖2B中所示的現(xiàn)有技術(shù)中的構(gòu)件。
通過如圖5A-5F中所述的那樣對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加工之后，使得構(gòu)件之間更好地同心對(duì)齊。例如，在現(xiàn)有技術(shù)中，同心度大約為.0015”。然而，通過如本文所述地那樣構(gòu)建殼201，整體的同心度提高到大約.0007”。同心度的這個(gè)提高改善了其它的公差，使得組裝更為容易，并為制造過程提供了更好的一致性。
現(xiàn)在回到圖3，將對(duì)一個(gè)組裝好的冷端組件100進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述。移位單元112如本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所知道的那樣工作，并優(yōu)選地包括有一移位殼118、一移位汽缸組件120——其內(nèi)安裝有交流換熱器單元122、以及一個(gè)移位桿組件124。移位汽缸組件120可滑動(dòng)地安裝在移位殼118內(nèi)。一個(gè)移位器端蓋127設(shè)置在移位汽缸組件120的遠(yuǎn)端內(nèi)。移位桿組件124的第一端連接到移位汽缸組件120的一個(gè)基部(未示)，而在另一端134處耦合到一個(gè)移位器撓曲彈簧組件132上。從而，在適當(dāng)?shù)臈l件下，移位汽缸組件120在移位殼118內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。由于公差以及移位汽缸組件120和活塞孔之間的直線(in-line)精度改善了，所以，不需要現(xiàn)有技術(shù)中所需要的移位器襯墊。
仍然參照?qǐng)D3，熱交換單元114位于移位單元112和壓縮器及線性馬達(dá)組件116之間。熱交換單元包括一熱交換塊309以及多個(gè)外部散熱片148。從而，熱交換單元114的設(shè)計(jì)便于從氣體——例如氦——中散熱，所述的氣體壓縮在位于移位單元112和壓縮器及線性馬達(dá)組件116之間的接合處的區(qū)域中(即壓縮腔PHOT)。優(yōu)選地，熱交換塊309由高純度的銅制造，并作為一個(gè)構(gòu)件安裝在殼201內(nèi)(上述)。優(yōu)選地，外部散熱片148也由高純度的銅制造。也可以使用其它具有良好的導(dǎo)熱特性的材料。由于真空凸緣200收縮配合而與密封的腔201耦合，所以，不需要現(xiàn)有技術(shù)中的熱交換器安裝凸緣。
壓縮器及線性馬達(dá)組件116安裝在密封腔201內(nèi)，并包括一個(gè)活塞組件150?；钊M件150包括一個(gè)汽缸152、一個(gè)活塞154、一個(gè)活塞組件安裝支架155以及一個(gè)彈簧組件156。所述的活塞組件安裝支架155提供了活塞154和彈簧組件156之間的一個(gè)耦合?；钊?54適于在汽缸152內(nèi)往復(fù)地運(yùn)動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)氣體軸承160設(shè)置在活塞154的外壁上。所述的氣體軸承160從一個(gè)密封腔162接收氣體——例如氦。一個(gè)止回閥163在壓縮腔區(qū)域內(nèi)氣體的壓力超過腔162內(nèi)氣體的壓力時(shí)(即超過了活塞儲(chǔ)氣腔壓力)提供了密封腔162和汽缸的壓縮腔(即由PHOT指示的區(qū)域)之間的單向流體連通管路。
線性馬達(dá)組件116包括多個(gè)外線圈170以及位于外側(cè)的迭片204。內(nèi)迭片208安裝在內(nèi)活塞孔組件307上。運(yùn)動(dòng)磁鐵210位于線圈170的下方，密封殼201位于兩者之間。從而，可以理解，當(dāng)活塞154在汽缸152內(nèi)移動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)的內(nèi)磁鐵210也會(huì)移動(dòng)。
可選地，可在冷端組件100中使用其它類型的馬達(dá)。例如，可修改馬達(dá)組件116以包括美國(guó)專利4,602,174、6,141,971、6,427,450以及6,483,207中的馬達(dá)設(shè)計(jì)。
操作過程在操作過程中，活塞154以及移位汽缸組件120通常在大約為60Hz的共振頻率下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其方式為移位汽缸組件120的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與活塞154的往復(fù)運(yùn)動(dòng)之間的相位差大約為90度。可以理解，這意味著移位汽缸組件120的運(yùn)動(dòng)“超前”活塞154的運(yùn)動(dòng)大約90度。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解，當(dāng)移位汽缸組件120移向移位器殼的“冷”端時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的大部分流體——例如氦——朝移位器殼的熱端移動(dòng)和/或在一個(gè)偏流器或類似結(jié)構(gòu)附近移動(dòng)，并穿過內(nèi)換熱片抵達(dá)活塞組件150的壓縮區(qū)域。由于移位汽缸組件120的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與活塞154的往復(fù)運(yùn)動(dòng)之間的相位差，當(dāng)移位汽缸組件120位于移位器殼118的冷端時(shí)，活塞154應(yīng)當(dāng)處于中間沖程并朝偏流器140方向運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致區(qū)域中的氦被壓縮，從而升高了氦的溫度。壓縮熱從壓縮的氦傳遞到內(nèi)換熱片并從該處傳遞到熱交換塊309以及外散熱片148。從外散熱片148，熱量傳遞到環(huán)境大氣內(nèi)。當(dāng)移位汽缸組件120移到移位器殼118的熱端時(shí)，氦朝移位器殼118的冷端移動(dòng)。當(dāng)氦通過移位汽缸組件120時(shí)，其將熱量留在交流換熱器單元122內(nèi)，并在大約為77K的溫度下退到移位器殼118的冷端。此時(shí)，壓縮活塞154優(yōu)選地處于中間沖程并朝活塞撓曲彈簧156方向運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致移位器殼118冷端中的氦膨脹，從而進(jìn)一步降低了氦的溫度，并允許氦吸熱。由此，冷端起到了一個(gè)制冷單元的作用，并可作為一個(gè)“冷”源地工作。
可選實(shí)施方式圖6示出了依據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的一可選實(shí)施方式設(shè)計(jì)的剖視圖。可選實(shí)施方式包括一個(gè)內(nèi)馬達(dá)設(shè)計(jì)或設(shè)置。更具體地，線性馬達(dá)組件116’的所有構(gòu)件都位于外密封殼201’的內(nèi)部。除了線性馬達(dá)組件116’的各個(gè)構(gòu)件以及外密封殼201’的形狀之外，低溫制冷器100’的其它構(gòu)件和操作都保持相同?？梢岳斫?，低溫制冷器100’的各個(gè)構(gòu)件和操作在上文中都已經(jīng)參照了低溫制冷器100而給出了詳細(xì)的描述。因此，不再對(duì)可選實(shí)施方式的這些構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的描述。然而，下文將對(duì)低溫制冷器100’進(jìn)行描述。
圖7A-7F示出了各個(gè)優(yōu)選地在殼201’的拉伸工序之后進(jìn)行的加工步驟。在圖7A中，殼201’的內(nèi)表面被手工地打磨，且在301’、303’、和305’處對(duì)內(nèi)直徑進(jìn)行加工?？梢岳斫猓捎跉?01’中的線性馬達(dá)組件116’的定位部件，第三部分219’的直徑大于上述殼201的第三部分219的直徑。類似的，過渡部分218’改變了，以在第二部分217和第三部分219’之間過渡。此外，由于部分219’的大圓周，可省略過渡部分220。作為替代，截頭圓錐形的第四部分221’可直接連接到第三部分219’。還可以理解，由于第三部分219’的直徑增加以及第四部分221’的形狀，在可選實(shí)施方式中的對(duì)應(yīng)加工位置分別地標(biāo)示于303’、305’處。然而，這些位置的加工目的與位置303、305類似。
在圖7B中，內(nèi)活塞孔組件307被插入到殼201’內(nèi)。同時(shí)插入殼201’的還有熱交換塊309以及彈簧堆疊安裝支座308。在圖7C中，在位置311處對(duì)殼201’的外部進(jìn)行加工(以減少通過外殼材料厚度而進(jìn)行的熱傳導(dǎo))、在位置313處對(duì)殼201’的外部進(jìn)行加工(以為緊密的收縮配合連接形成一個(gè)適當(dāng)?shù)某叽?、以及可選地在位置315’處對(duì)殼201’的外部進(jìn)行加工(如上所述，在馬達(dá)內(nèi)置的設(shè)計(jì)中，這個(gè)位置不一定需要加工)。這三個(gè)位置大致上分別地與第一部分215、第二部分217、以及第三部分219’對(duì)應(yīng)。在圖7D中，優(yōu)選地，通過加熱凸緣200以及將其壓配合到適當(dāng)?shù)奈恢枚颜婵胀咕?00收縮配合到殼201’上。在圖7E中，對(duì)以317標(biāo)示的真空凸緣200表面進(jìn)行加工。這個(gè)表面317將容納外散熱片148。最后，在圖7F中，對(duì)另三個(gè)內(nèi)表面進(jìn)行加工。這三個(gè)表面以319、321和323標(biāo)示。這些最后的加工操作使得活塞、壓縮器以及移位組件之間最好地對(duì)齊?？梢岳斫猓瑘D7F所示的構(gòu)件取代了圖2B中所示的現(xiàn)有技術(shù)中的構(gòu)件。
雖然參照其應(yīng)用，在對(duì)本發(fā)明的特別的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明并不限于在此所公開和描述的應(yīng)用或?qū)嵤┓绞交蛱囟?gòu)件。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解，可構(gòu)造其它與本文所描述的不同的、但實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的原理的構(gòu)件及其的其它應(yīng)用，而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神和范圍。在此所描述的設(shè)置僅僅作為一個(gè)示例實(shí)施方式提供，其結(jié)合并實(shí)施了本發(fā)明的原理。其它的修改和變化可為本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員很好地得知，并被包括于所附權(quán)利要求的廣泛的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于低溫制冷器的冷端組件的外殼，該低溫制冷器為包括一個(gè)熱交換器、一個(gè)移位汽缸組件以及一個(gè)移位汽缸原動(dòng)機(jī)的類型，所述的外殼包括一個(gè)基本上成一體的殼，所述殼設(shè)置和構(gòu)造成容納所述的熱交換器、移位汽缸組件以及移位汽缸原動(dòng)機(jī)的至少一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的外殼，進(jìn)一步包括一個(gè)第一部分，所述的第一部分設(shè)置和構(gòu)造成用作一個(gè)指形冷凍器并基本上容納所述的移位汽缸組件；一個(gè)第二部分，所述的第二部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納一個(gè)熱交換器；以及一個(gè)第三部分，所述的第三部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納所述移位汽缸原動(dòng)機(jī)的至少一部分。
3.如權(quán)利要求2所述的外殼，進(jìn)一步包括一個(gè)第四部分，所述的第四部分設(shè)置和構(gòu)造成配合地附接到一個(gè)端蓋。
4.如權(quán)利要求2所述的外殼，其中所述的第二部分進(jìn)一步設(shè)置和構(gòu)造成配合地接合一個(gè)真空凸緣。
5.如權(quán)利要求4所述的外殼，其中所述第二部分和真空凸緣之間的結(jié)合設(shè)置和構(gòu)造成為一個(gè)散熱器提供結(jié)構(gòu)支撐，所述的散熱器位于所述真空凸緣的周邊上。
6.如權(quán)利要求5所述的外殼，其中所述的第一部分、第二部分以及第三部分的截面大致上是圓的。
7.如權(quán)利要求6所述的外殼，其中所述第二部分的截面大于所述第一部分的截面，而所述第三部分的截面大于所述第二部分的截面。
8.如權(quán)利要求2所述的外殼，其中所述的第一部分通過一個(gè)第一過渡部分無縫地連接到所述的第二部分。
9.如權(quán)利要求2所述的外殼，其中所述的第二部分通過一個(gè)第二過渡部分無縫地連接到所述的第三部分。
10.如權(quán)利要求2所述的外殼，其中所述的第三部分通過一個(gè)第三過渡部分無縫地連接到所述的第四部分。
11.如權(quán)利要求2所述的外殼，其中(a)所述的第一部分通過一個(gè)第一過渡部分無縫地連接到所述的第二部分；(b)所述的第二部分通過一個(gè)第二過渡部分無縫地連接到所述的第三部分；以及(c)所述的第三部分通過一個(gè)第三過渡部分無縫地連接到所述的第四部分。
12.一種用于低溫制冷器的冷端組件的殼體，該低溫制冷器為包括一個(gè)熱交換器、一個(gè)移位汽缸組件以及一個(gè)移位汽缸原動(dòng)機(jī)的類型，所述殼體包括(a)一個(gè)第一部分，所述的第一部分設(shè)置和構(gòu)造成用作一個(gè)指形冷凍器并基本上容納所述的移位汽缸組件；(b)一個(gè)第二部分，所述的第二部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納一個(gè)熱交換器；以及(c)一個(gè)第三部分，所述的第三部分設(shè)置和構(gòu)造成基本上容納所述移位汽缸原動(dòng)機(jī)的至少一部分；以及其中所述第一部分、第二部分以及第三部分中的至少兩個(gè)彼此無縫地連接。
13.如權(quán)利要求12所述的殼體，其中所述的第一部分無縫地連接到所述的第二部分、以及所述的第二部分無縫地連接到所述的第三部分。
14.如權(quán)利要求13所述的殼體，進(jìn)一步包括(a)一個(gè)位于所述第一部分和第二部分之間的第一過渡部分；以及(b)一個(gè)位于所述第二部分和第三部分之間的第二過渡部分。
15.一種冷端組件，其類型為用來在熱端對(duì)流體進(jìn)行壓縮并將冷卻流體送到冷端，包括(a)一個(gè)原動(dòng)機(jī)；(b)一個(gè)可工作地連接到所述原動(dòng)機(jī)而進(jìn)行壓縮的移位汽缸；(c)一個(gè)熱交換器；以及(d)一個(gè)基本上無縫的殼體，所述的殼體設(shè)置和構(gòu)造成支撐和大致上封閉所述的移位汽缸及熱交換器，以及支撐和封閉所述原動(dòng)機(jī)的至少一部分。
16.如權(quán)利要求15所述的冷端組件，其中從第一端到第二端，所述殼體是完全無縫的，且在組裝過程中，所述的殼在第一端處是封閉的，而在第二端處是開口的。
17.如權(quán)利要求16所述的冷端組件，進(jìn)一步包括一個(gè)端蓋，所述的端蓋密封地接合所述殼體的第二端。
18.一種斯特林循環(huán)低溫制冷器，包括(a)一個(gè)移位單元；(b)一個(gè)熱交換單元；(c)一個(gè)壓縮器及線性馬達(dá)組件；以及(d)一個(gè)整體的密封殼體，其中所述殼體設(shè)置和構(gòu)造成支撐和封閉至少部分的所述移位單元、熱交換器、以及壓縮器及線性馬達(dá)組件。
19.如權(quán)利要求18所述的低溫制冷器，其中從第一端到第二端，所述殼體是完全無縫的，且在組裝過程中，所述的殼在第一端處是封閉的，而在第二端處是開口的。
20.如權(quán)利要求19所述的低溫制冷器，進(jìn)一步包括一個(gè)端蓋，所述端蓋密封地接合所述殼體的第二端。
21.一種制造用于低溫制冷器的冷端組件的方法，包括(a)拉伸一個(gè)用于冷端組件的一體的殼；(b)對(duì)所述殼的至少一個(gè)選定的內(nèi)徑進(jìn)行加工；(c)將一個(gè)活塞孔組件安裝在所述至少一個(gè)加工過的內(nèi)徑附近；(d)對(duì)所述殼的至少一個(gè)選定的外徑進(jìn)行加工；以及(e)將一個(gè)真空凸緣安裝在所述至少一個(gè)選定的外徑附近。
全文摘要
公開了一種低溫制冷器的冷端組件。所述組件包括一個(gè)整體的外殼。通過從單個(gè)整體的金屬殼構(gòu)建所述的殼，現(xiàn)有技術(shù)組件中的部件數(shù)量得以減少。此外，消除了先前固定和密封構(gòu)件所需要的所有銅焊。此外，由于在制造/形成外密封殼之后的一個(gè)或多個(gè)加工步驟，改善了公差。這使得幾個(gè)構(gòu)件可以收縮配合組裝，以及獲得了活塞孔和移位器之間的改善的直線對(duì)齊精確性。由于后一個(gè)改善，消除了對(duì)移位器襯墊的需求。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1890513SQ200480036124
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者阿姆·哈桑·歐拜德, 馬克·黑尼斯 申請(qǐng)人:超導(dǎo)技術(shù)公司