布雷頓循環(huán)發(fā)動機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體平衡布雷頓循環(huán)發(fā)動機，并且具體地涉及設(shè)計為在大約150K下 運轉(zhuǎn)的具有在5至30KW的范圍中的輸入功率的氣體平衡布雷頓循環(huán)發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0002] 布雷頓型或布雷頓循環(huán)發(fā)動機包括三個基本部件：氣體壓縮機、逆流換熱器、以及 膨脹器。
[0003] 歸屬于SHI低溫學(xué)的四個近期專利申請描述了氣體平衡布雷頓循環(huán)膨脹發(fā)動機 和兩種改編，一種來降低到達低溫學(xué)溫度的冷卻時間，另一種來冷卻用于抽吸水汽的低溫 泵。在布雷頓循環(huán)上運轉(zhuǎn)來產(chǎn)生冷凍的系統(tǒng)由壓縮機組成，該壓縮機向逆流換熱器供應(yīng)處 于排出壓力的氣體，這允許氣體通過冷入口閥到膨脹空間，絕熱地使氣體膨脹，排出膨脹的 氣體（其更加冷）通過出口閥中，使冷氣體循環(huán)通過正被冷卻的負載，并然后使氣體通過逆 流換熱器返回至壓縮機。
[0004] 由R.C. Longsworth在2011年9月15日申請的美國專利申請公開2011/0219810 描述了一種在布雷頓循環(huán)上運轉(zhuǎn)的往復(fù)式膨脹發(fā)動機，其中，活塞在熱端部處具有由機械 驅(qū)動器或在高壓和低壓之間交替的氣體壓力驅(qū)動的驅(qū)動桿，并且當活塞移動時，在繞驅(qū)動 桿的區(qū)域中的活塞的熱端部處的壓力實質(zhì)上與在活塞的冷端部處的壓力相同。由R.C. Longsworth在2012年4月12日申請的美國專利申請公開2012/0085121描述了在布雷 頓循環(huán)下運轉(zhuǎn)的往復(fù)式膨脹發(fā)動機的控制，如在之前的申請中所描述的，這允許其縮短將 物質(zhì)冷卻至低溫學(xué)溫度的時間。由S. Dunn等人在2011年5月12日申請的美國序列號 13/106, 218描述了促動膨脹器活塞的備選機構(gòu)。由R. C. Longsworth在2011年7月6日 申請的美國序列號61/504, 810描述了布雷頓循環(huán)發(fā)動機向用于低溫抽吸水汽的冷卻盤管 的應(yīng)用。在公開的專利申請2011/0219810和美國序列號13/106,218中描述的發(fā)動機稱為 "氣體平衡布雷頓循環(huán)發(fā)動機"。在由S. Dunn在2006年4月28日申請的稱為"帶有油旁 路的壓縮機"的美國專利申請公開2007/0253854描述了可用于向這些發(fā)動機供應(yīng)氣體的壓 縮機系統(tǒng)。本發(fā)明的發(fā)動機合并冷旋轉(zhuǎn)閥，其具有與由W. E.Clifford在1965年9月14 日申請的美國專利3, 205, 668和由A. J. Lobb在1991年1月29日申請的美國專利編號 4, 987,743相同的一些特征。其還合并了 ：如在由R. C. Longsworth在2001年7月10日 申請的美國專利編號6, 256, 997中描述的振動吸收雙緩沖器；和如在由H. As ami等人申 請的美國專利編號5, 590, 533中描述的活塞上的抗磨損涂層。
[0005] 用于抽吸水汽的低溫泵需要低溫板，其被冷卻至在120K和170K之間的溫度。這 比低溫抽吸空氣所需的IOK至20K的溫度范圍熱得多。C.B.Rood等人在《低溫學(xué)工程的 進展》第 9卷（"AdvancesinCryogenicEngineering"）（Plenum出版社，紐約（1964)， 496-506頁）中的稱為"用于在10-30K范圍中的運轉(zhuǎn)的氦冷凍機"("HeliumRefrigerators forOperationinthe10-30KRange"）的論文描述了一種大型布雷頓循環(huán)冷凍機，其具 有能夠產(chǎn)生高于I.OKW的處于20K的冷凍的往復(fù)式膨脹發(fā)動機。該冷凍機被開發(fā)來在大型 空間隔室中低溫抽吸空氣。在1970年代早期開始，在120K至170K的范圍的溫度下低溫抽 吸水汽和500至3000W的容量已經(jīng)由如由Missimer在1973年10月30日申請的美國專利 3, 768, 273中所描述的使用混合氣體的冷凍機支配。由Flynn等人在2003年6月10日申 請的更近期的美國專利6, 574, 978描述了控制冷卻和加熱這種類型的冷凍機的速率的機 構(gòu)，該種類型的冷凍機在大約150K下產(chǎn)生大約500至3000W來抽吸水汽。
[0006] 在混合氣體冷凍機中使用的制冷劑包括由于它們在全球變暖上的影響而逐漸淘 汰的一些。因而，期望使用一種布雷頓循環(huán)發(fā)動機，其使用均環(huán)境友好的氦、氬或氮。本發(fā) 明基于如下認識：在約150K下運轉(zhuǎn)的布雷頓循環(huán)發(fā)動機可比設(shè)計為用于較低溫度的發(fā)動 機簡單得多。這些簡化使其實用于設(shè)計一種發(fā)動機，該發(fā)動機可產(chǎn)生高于3000W的冷凍，并 且因此與現(xiàn)有的混合氣體冷凍機競爭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的特定特征是輕質(zhì)往復(fù)式活塞的設(shè)計，其提供帶有低振動的高移置速率。 這優(yōu)選地由具有底部和圓柱形側(cè)壁的往復(fù)式杯形活塞完成，該底部將接近室溫的空間與低 于200K的膨脹空間分離，并且側(cè)壁在具有在室溫和低于200K之間的溫度梯度的汽缸內(nèi)滑 動。驅(qū)動桿附接至活塞，該活塞可通過氣動或機械力產(chǎn)生往復(fù)式運動。在本文中描述的發(fā) 動機在如在美國序列號13/106,218中描述的氣體平衡布雷頓循環(huán)上運轉(zhuǎn)。往復(fù)式運動通 過使用冷旋轉(zhuǎn)閥來將氣體循環(huán)入和循環(huán)出冷膨脹空間而進一步降低。
【附圖說明】
[0008] 圖1是發(fā)動機100的橫截面圖，其由帶有驅(qū)動桿的輕質(zhì)活塞、汽缸、允許氣體到熱 移置體積的端口、以及控制氣體流進入和流出冷移置體積的旋轉(zhuǎn)冷閥組成。圖1顯示了在 接納高壓氣體結(jié)束時的活塞和閥位置。
[0009] 圖2是冷凍機系統(tǒng)200和發(fā)動機100與其它部件之間的關(guān)系的示意圖。圖2顯示 了在排出氣體至低壓結(jié)束時的活塞和閥位置。
【具體實施方式】
[0010] 圖1是發(fā)動機100的橫截面圖。杯形活塞1由杯的底部2、圓柱形套筒3、底部帽 4、 活塞密封件5、抗摩擦涂層6、在套筒3內(nèi)的真空間隙7、活塞聯(lián)接件11、以及驅(qū)動桿12組 成。活塞1在汽缸8內(nèi)往復(fù)，由于不銹鋼具有低熱傳導(dǎo)率，因而該汽缸8典型地由不銹鋼形 成。鄰近的活塞底部2和套筒3也典型地由不銹鋼形成，以便配合汽缸的熱膨脹。底部帽 4由可密切配合不銹鋼的熱膨脹的類似玻璃強化塑料的材料形成，具有相對較低的熱傳導(dǎo) 性，并且具有相對較低的密度。
[0011] 汽缸8的熱端部由汽缸套筒9圍繞，該汽缸套筒9具有高熱傳導(dǎo)性，以便在活塞密 封件5往復(fù)的區(qū)域中保持汽缸8接近室溫。汽缸8顯示為焊接入熱凸緣10,驅(qū)動殼體14螺 栓連接至該熱凸緣10。
[0012] 驅(qū)動桿12具有將28中的低壓氣體與移置體積29中的氣體分離的密封