具有气动膨胀器的低温斯特林制冷器的制作方法

1.本发明涉及一种低温制冷器。更具体地，本发明涉及一种具有共振式气动膨胀器的低温分离式斯特林制冷器。


背景技术：

2.低温制冷系统广泛用于向多个有效负载提供稳定的低温温度并将它维持在该稳定的低温温度下。例如，红外成像器通常包括需要被冷却以便将暗电流减小到低于期望极限的焦平面阵列，从而改善信噪比。因此，常见的高分辨率红外成像器通常包括机械式闭环斯特林低温制冷器(有时也称为“低温冷却器”或“制冷机”)。
3.常见的机械式斯特林低温冷却器包括两个主要部件：压力波发生器(例如，活塞式压缩器)和包括由弹簧支撑的共振式活塞移位器的膨胀器。压缩器活塞的往复运动在膨胀器的膨胀空间中提供循环性压力脉冲和气态工作介质(氦、氮、氩等)的体积流量。在制冷机的操作的膨胀阶段期间，膨胀工作介质对移动的密封活塞做机械功，这实现了对容纳在膨胀器的膨胀空间中的工作介质的冷却效应，并且从热附接至膨胀空间的有效负载吸收热量。在制冷器的操作的压缩阶段期间，工作介质在活塞式压缩器的压缩空间中被压缩，使得从有效负载吸收的热量与压缩热量一起在共振式膨胀器的与环境热接触的热端部处被排出到周围环境。
4.在分离式制冷器中，膨胀器和压缩器是通过气体传递管线(例如，薄壁不锈钢管)互连的分开的单元。这种布置通常增加了系统设计的灵活性并且将要冷却的部件与活塞式压缩器的操作产生的振动和热量隔绝开。在该实现方式中，移位器可以使用由于驱动活塞的有效面积的差异和所施加的动态压力而施加的净差力来气动地致动。


技术实现要素：

5.根据本发明的一些实施例，提供了一种分离式斯特林低温制冷器装置，其包括：共振式气动膨胀器，所述共振式气动膨胀器包括共振式移位器组件，所述共振式移位器组件由弹簧支撑并且构造成在所述共振式气动膨胀器的壳体内沿纵向轴线往复滑动。所述共振式移位器组件包括：管状移位器，容纳回热器并且联接至密封活塞；以及驱动活塞，通过伸长的径向柔性且轴向刚性的连接构件连接到所述密封活塞。在本发明的一些实施例中，所述管状移位器的直径基本上等于所述密封活塞的直径。
6.在本发明的一些实施例中，所述管状移位器的直径与所述驱动活塞的直径不相等。
7.在本发明的一些实施例中，所述管状移位器的直径大于所述驱动活塞的直径。
8.在本发明的一些实施例中，所述密封活塞和所述驱动活塞中的每个都构造成在衬套内的配合孔中往复滑动。
9.在本发明的一些实施例中，所述密封活塞和所述驱动活塞构造成在同轴布置的所述膨胀器的冷指以及近侧衬套和远侧衬套内往复滑动。
10.在本发明的一些实施例中，多个所述配合孔在单个衬套中基本上同轴对准。
11.在本发明的一些实施例中，所述弹簧是螺旋弹簧。
12.在本发明的一些实施例中，所述弹簧是平面弹簧。
13.在本发明的一些实施例中，所述弹簧是气动弹簧。
14.在本发明的一些实施例中，所述弹簧是磁性弹簧。
15.在本发明的一些实施例中，所述磁性弹簧包括固定的且沿轴向类似地极化的两个永磁环，并且包括能移动的且沿轴向相反地极化的一永磁环，所述沿轴向相反地极化的永磁环位于固定的且沿轴向极化的所述两个永磁环之间。
16.在本发明的一些实施例中，选择所述弹簧的弹簧常数以使得所述共振式移位器组件的共振频率基本上等于所述低温制冷器的预定驱动频率。
17.在本发明的一些实施例中，所述连接构件选自由以下项组成的组：杆、管以及具有闭合线圈的预加载的螺旋弹簧。
18.在本发明的一些实施例中，所述驱动活塞位于所述装置的热侧处。
19.在本发明的一些实施例中，所述管状移位器位于所述装置的冷指中。
20.在本发明的一些实施例中，所述回热器包含多孔回热式热交换器材料。
21.在本发明的一些实施例中，所述装置包括传递管线，以用于将循环性压力脉冲传递到所述壳体中以驱动所述共振式移位器组件。
22.在本发明的一些实施例中，所述传递管线定位成将所述循环性压力脉冲传递至所述密封活塞和所述驱动活塞之间的有限空间中。
23.在本发明的一些实施例中，所述传递管线定位成将所述循环性压力脉冲传递至所述驱动活塞后方的有限空间中。
附图说明
24.为了更好地理解本发明并且认识到其实际应用，提供以下附图并在下文中对其进行参考。应注意的是，附图仅作为示例给出，并且决不限制本发明的范围。相同的部件由同一附图标记表示。
25.图1是根据本发明的一些实施例的分离式斯特林低温制冷器装置的框图。
26.图2示意性地示出了根据本发明的一些实施例的被气动驱动的共振式膨胀器，该共振式膨胀器具有两个活塞和位于后部空间中的螺旋辅助弹簧，其中这两个活塞由径向柔性且轴向刚性的连接构件连接。
27.图3示意性地示出了根据本发明的一些实施例的被气动驱动的共振式膨胀器，该共振式膨胀器在后部空间中具有平面辅助弹簧。
28.图4示意性地示出了根据本发明的一些实施例的被气动驱动的共振式膨胀器，该共振式膨胀器具有管状柔性连接构件，该管状柔性连接构件气动地连接热空间与回热器。
29.图5示意性地示出了根据本发明的一些实施例的被气动驱动的共振式膨胀器，该共振式膨胀器具有磁性辅助弹簧。
具体实施方式
30.在以下具体实施方式中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，
本领域普通技术人员将理解，本领域普通技术人员可以在没有这些具体细节的情况下进行实践。在其他情况下，为了避免本发明模糊不清，未详细描述公知的方法、过程、部件、模块、单元和/或电路。
31.尽管本发明的实施例在这方面不受限制，但使用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等术语的讨论可以指计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算装置的操作和/或过程，其将计算机寄存器和/或存储器内的表示物理(例如，电子)量的数据操纵和/或转换为可存储用于执行操作和/或过程的指令的计算机寄存器和/或存储器或其他信息非暂时性存储介质(例如，存储器)内的表示物理量的类似的其他数据。尽管本发明的实施例在这方面不受限制，但是本文中使用的术语“许多”和“多个”可包括例如“多个”或“两个或更多个”。术语“许多”或“多个”可在整个说明书中使用以描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等。除非明确阐述，否则本文中所描述的方法实施例不拘泥于具体顺序或序列。另外，本发明所描述的方法实施例或其元件中的一些可在相同时间点同时或一起发生或执行。除非另有指示，否则如在文中使用的连接词“或”应被理解为是包括性的(包括任何或所有阐述的选项)。
32.图1是根据本发明的一些实施例的分离式斯特林低温制冷器装置的框图。
33.根据本发明的实施例，低温制冷器基于封闭的斯特林热力循环。根据一些实施例，分离构造包括活塞式压缩器1，该活塞式压缩器包括由电磁致动器驱动并且构造成循环地压缩气态工作介质和使气态工作介质减压的压缩器(例如，活塞式压缩器)。压缩器的压缩空间通过传递管线2(例如，能够使工作介质流过的任何导管)连接至膨胀器3的热空间，该膨胀器包括布置成在冷指内部共振的共振式移位器组件。冷指的远侧端部(例如，冷指的冷端)通常与待冷却至低温温度的部件或物体热接触地放置。由此，压缩器(其可能包括制冷器的最大且最重的部件，并且需要连接到电源)可远离待冷却的物体定位。这能够使得在需要冷却的部件的设计中具有灵活性。
34.使用冷指塞来密封共振式膨胀器的冷指管的远侧端部，从而形成冷端，例如，该冷端可以与待冷却的物体热接触地放置。冷指从冷指基部向远侧延伸。冷指基部的外表面是密封的，以防止工作介质或其他气体流入或流出冷却单元(除非经由传递管线)。
35.冷指管包围共振式移位器组件，该共振式移位器组件构造成在冷指管内向远侧和向近侧滑动。共振式移位器组件包括包围回热式热交换器的移位器管或者包括回热器。回热器通常包含多孔固体材料，该多孔固体材料构造成使气态工作介质能够通过回热器，同时循环地从工作介质吸收热量和将热量释放到工作介质。回热器的远侧(冷)端部向冷膨胀空间开放，该冷膨胀空间位于冷指的远侧端部处并且在冷指塞和回热器的远侧端部之间。
36.共振式移位器组件还可以包括密封活塞、驱动活塞和伸长的径向柔性(compliant)且轴向刚性的连接构件，其中密封活塞联接至移位器管并且被约束为与该移位器管一起滑动，连接构件将密封活塞连接到驱动活塞。柔性连接构件可以是以下形式：细杆、具有闭合线圈的预加载的螺旋弹簧(使得不能够压缩，并且具有足够大的预加载力以防止在操作条件下拉伸)、薄壁管或类似结构。弹簧的轴向刚度使得在轴向方向上的长度基本上恒定，其中，其与活塞的往复运动基本上同轴，并且该弹簧沿着其纵向轴线基本上是不可压缩的且不可拉伸的(例如，具有高纵向刚度)，并且可围绕与纵向轴线正交(径向)的轴线横向弯曲(例如，具有低横向刚度)。
37.密封活塞和驱动活塞构造成沿膨胀器的纵向轴线在紧密配合的远侧衬套孔和近侧衬套孔内向远侧和向近侧滑动。因此，在驱动活塞和密封活塞与远侧衬套孔和近侧衬套孔之间分别构造有滑动间隙密封件，以防止工作介质在(i)冷膨胀空间和热空间之间流动，并且防止在(ii)热空间和位于另一侧上的后部空间之间流动。
38.密封活塞和驱动活塞的不同直径和/或朝向它们的面部的压力变化的组合效果可以在这些联接的活塞上施加净差循环力，该净差循环力有助于共振驱动。
39.在一个示例中，热空间可以由密封活塞的近侧面部和驱动活塞的远侧面部界定，传递管线穿过冷指基部的横向面进入热空间、进入到活塞之间的有限空间中，并且驱动活塞的近侧端部伸出到由冷指基部和后盖界定的后部空间中。
40.连接密封活塞和驱动活塞的柔性连接构件例如可以是以下形式：小直径的伸长杆或者具有预加载闭合线圈的弹簧。在该示例中，在密封活塞中设置有一个或多个轴向导管，以用于在热空间与回热器的热侧之间进行气动连通，因此，朝向密封活塞的具有基本上相等面积的两端的动态压力是基本上相等的，使得没有净力作用在密封活塞上。与密封活塞不同的是，驱动活塞的近侧端部和远侧端部气动地伸出到隔绝开的具有不同动态压力的热空间和后部空间中，由于后部空间中的动态压力与热空间中的动态压力相比小到可以忽略不计，并且因此动态净差力可以施加至驱动活塞。具体地，当热空间中的动态压力为正时，净差力从冷指端向外指向，并且当热空间中的动态压力为负时，净差力指向冷指端。
41.弹性连接构件(例如，螺旋弹簧、平面弹簧、磁性弹簧)可以位于后部空间中，并且连接可移动的驱动活塞的伸出到后部空间中的近侧端部与形成后部空间的多个固定部件中的一个固定部件(例如，横向壁、近侧壁或者位于后部空间内的衬套端部)。可以选择弹性连接构件的弹簧系数或弹簧常数(例如，根据移动组件的质量，该移动组件包括密封活塞和驱动活塞、回热器、柔性连接构件和移位器)使得共振式移位器组件的共振频率基本上等于低温制冷器的预定驱动频率。
42.在另一个示例中，热空间可以由密封活塞的远侧端部、远侧衬套壁和后盖界定，使得传递管线穿过后盖的背侧伸出到热空间中。
43.连接密封活塞和驱动活塞的柔性连接构件可以是小直径的伸长管的形式，其穿过设置在密封活塞和驱动活塞中的轴向导管伸出，以使热空间与回热器的热侧之间气动连通。
44.在该示例中，后部空间相应地由驱动活塞的远侧端部、密封活塞的近侧端部、冷指基部壁、远侧衬套的近侧端部和近侧衬套的远侧端部界定。管状柔性连接构件位于后部空间内。
45.热空间内的动态压力变化施加到驱动活塞的近侧端部和密封活塞的远侧端部，其中驱动活塞的近侧端部的面部面积和密封活塞的远侧端部的面部面积具有显著差距。后部空间内作用在驱动活塞的远侧端部区域上和作用在密封活塞的近侧端部上的动态压力变化小到可忽略不计，并且因此，施加到联接的活塞上的净差力可以是由于密封活塞和驱动活塞的直径差而造成的。具体地，为了提供有效的冷却效果所需的适当的相位和冲程控制，驱动活塞的直径可以显著小于密封活塞的直径，并且因此，当热空间中的动态压力为正时，净差力从冷指端向外指向，并且当热空间中的动态压力为负时，净差力指向冷指端。
46.弹性连接构件(例如，螺旋弹簧、平面弹簧、磁性弹簧)可以位于后部空间中，并且
连接移动组件的多个部件中的一个部件与形成后部空间的多个固定部件中的一个固定部件(例如，横向壁、近侧壁或者位于后部空间内的衬套端部)。可以选择弹性连接构件的弹簧系数或弹簧常数(例如，根据移动组件的质量，该移动组件包括密封活塞和驱动活塞、回热器、柔性连接构件和移位器)以具有处于或者接近驱动频率的共振频率。
47.相较于结合了现有技术的布置成在单件阶梯式衬套内滑动的单件阶梯式活塞(例如，在相对的端部处具有不同直径)的膨胀器，包括两个柔性连接的活塞的膨胀器可以不需要严格的对准。
48.图2示意性地示出了根据本发明的一些实施例的共振式气动膨胀器，该共振式气动膨胀器具有由驱动活塞致动的移位器以及位于后部空间中的辅助螺旋弹簧，其中，该驱动活塞由伸长的径向柔性的连接构件连接。
49.分离式斯特林低温冷却器的共振式气动膨胀器10可通过活塞式压缩器(未示出)操作，以在低温下将来自有效负载的热量吸收至位于冷指12的远侧端部处的冷指塞16中。封闭在共振式气动膨胀器10的冷指基部14中的热空间24通过传递管线40连接至活塞式压缩器的压缩空间，以用于将工作介质(通常是惰性气体，例如氦、氩、氮等)的气动循环压力脉冲传递到膨胀器10与活塞式压缩器之间中。活塞式压缩器可以以驱动频率操作，以循环地增加和减小工作介质的气体压力。
50.例如，冷指12的冷指塞16通常可与待冷却到低温的区域、物体或部件热接触地放置。冷指12的壁可由非导热材料(例如，钛或不锈钢合金或其他合适的材料)制成并且足够薄，以使从热的冷指基部14到冷指塞16的寄生热流最小。
51.分离式斯特林低温冷却器的共振式气动膨胀器10的冷指基部14包围衬套26、后部空间33、驱动活塞42、密封活塞30和热空间24。密封活塞30和驱动活塞42可以在衬套26内的紧密配合的同心孔内向远侧和向近侧移动。
52.密封活塞30连接至移位器管18并且被约束为与该移位器管一起向远侧和向近侧移动。移位器管18包括由多孔固体介质制成的回热式热交换器20，气体工作介质可以流过该多孔固体介质并且气体工作介质可以与该多孔固体介质进行热交换。例如，回热式热交换器20可以制造为由纯金属或塑料筛网或任意纤维构成的堆叠盘的形式。回热式热交换器20可具有足够的热容、热导率和湿表面以有助于与气态工作介质进行所需的循环性热交换。
53.密封活塞30包括一个或多个导管32，以能够使工作介质在热空间24与位于回热式热交换器20的近侧端部处的回热器热端部34之间进行气动流动。因此，工作介质的气体压力在热空间24和回热器热端部34两者内基本相同。
54.在冷指12内在回热式热交换器20的远侧(冷)端部50与冷指塞16之间形成有膨胀空间22。密封活塞30与衬套26之间的远侧密封件37(例如，一个或多个间隙密封件或另一类型的密封件)可将热空间24与膨胀空间22气动地隔绝开。因此，工作介质在热空间24和膨胀空间22之间的任何流动被约束为通过回热器热端部34、回热式热交换器20和回热器冷端部50流动。共振式移位器组件18的向远侧运动和向近侧运动可以使得在膨胀空间22中发生低温冷却效应，并且因此从安装在冷指塞16处的热负载吸收热量。
55.驱动活塞42经由伸长的柔性连接构件44连接至密封活塞30。在所示的示例中，柔性连接构件44可以包括伸长的细杆(例如，金属的或塑料的)、具有预加载的闭合线圈的螺
旋弹簧、或具有基本上恒定长度(例如，在平行于纵向轴线11的伸长尺寸上是基本上不可压缩的和不可拉伸的)但可围绕垂直于纵向轴线11的轴线弯曲的另一伸长机械部件。因此，驱动活塞42和密封活塞30被约束为沿纵向轴线11的方向一起移动。驱动活塞42与衬套26之间的近侧密封件46(例如，一个或多个间隙密封件或另一类型的密封件)可将热空间24与后部空间33气动地隔绝开。
56.工作介质的气体压力可以作用在驱动活塞42的面部表面和密封活塞30的面部表面上。由于密封活塞30的远侧面部表面和近侧面部表面以及作用在它们上的压力基本上相等，所以施加到密封活塞30上的动态压力不产生不同的净力。同时，由于被隔绝开的后部空间的体积显著地大于由于活塞42的循环伸出而产生的后部体积变化，因此在后部空间中的压力接近于平均充气压力。因此，热空间24中的作用在面部表面48上的动态气体压力可以向近侧活塞42施加近侧力。由于该力的大小等于压力变化乘以面部表面的面积的大小，所以该力的大小可以通过选择活塞42的直径来控制，该活塞因此可以被称为“驱动杆”。
57.包括移位器18、回热器20、柔性连接构件44、驱动活塞42和密封活塞30的共振式移位器组件的运动可以由弹性连接构件辅助。在所示的示例中，弹性连接构件为螺旋弹簧52的形式。在所示的示例中，螺旋弹簧52位于后部空间内并在在近侧上对冷指基部14进行密封的后盖36与驱动活塞42的近侧端部之间延伸。例如，可以预先确定螺旋弹簧52的弹簧系数使得共振式移位器组件(18、20、44、42和30)的运动的共振频率基本上等于驱动频率，例如k＝mω2，其中，是弹簧系数，m[kg]是共振式移位器组件的质量，并且是循环驱动频率。
[0058]
在其他示例中，弹性元件可以包括磁性弹簧(例如，如下所述)、平面弹簧、气动弹簧、或其他类型的弹性连接构件或者它们的组合。
[0059]
图3示意性地示出了根据本发明的一些实施例的共振式气动膨胀器,该共振式气动膨胀器在后部空间中具有平面辅助弹簧。
[0060]
在共振式气动膨胀器60中，辅助弹性连接构件是平面弹簧54的形式。该平面弹簧54可构造成至少一个具有至少两个螺旋槽的平面薄圆盘的形式，并且可居中地附接至驱动活塞42的近侧端部并且外围附接至后部空间33的固定内壁。例如，可以预先设计平面弹簧54的弹簧系数，使得簧上的共振式移位器组件(18、20、44、42和30)的运动的共振频率基本上等于驱动频率，如上所述。
[0061]
图4示意性地示出了根据本发明的一些实施例的共振式气动膨胀器，该共振式气动膨胀器具有管状柔性连杆，该管状柔性连杆机械地连接驱动活塞和密封活塞并且气动地连接热空间与回热器。
[0062]
在共振式气动膨胀器70中，传递管线40穿过后盖36(该后盖密封冷指基部)伸出，使得通过传递管线40传递的循环压力脉冲被引入到设置在冷指基部14中并且位于驱动活塞42后部的热空间中。热空间24由后盖36、近侧衬套76和驱动活塞42的近侧面部78(该近侧面部位于热空间24的远侧)界定。驱动活塞42构造成在近侧衬套76的紧密配合的孔内(沿纵向轴线11)向远侧和向近侧移动。
[0063]
驱动活塞42通过柔性管72连接至密封活塞30，该柔性管穿过后部空间33(该后部空间也位于热空间24的远侧处)伸出。密封活塞30构造成在远侧衬套27的紧密配合的孔内
(沿纵向轴线11)向远侧和向近侧移动。驱动活塞42包括导管74，并且密封活塞30包括导管32。柔性管72气动地连接在导管74和导管32之间。因此，柔性管72、导管74和导管32能够在热空间24和回热器热端部34之间形成气动路径。
[0064]
在这种情况下，与上述的示例不同，工作介质的动态压力可以作用在驱动活塞42的近侧面部78上和密封活塞30的位于回热器热端部34处的近侧面部39上。驱动活塞的远侧面部78和密封活塞30的远侧面部从动态压力始终小到可以忽略不计的后部空间33伸出。因此，可以向移动组件施加净近侧力，该净近侧力等于密封活塞30的远侧面部39与驱动活塞42的近侧面部78之间的表面积差与热空间24中的压力的乘积。
[0065]
在该示例中，呈平面弹簧54形式的辅助弹性元件附接至柔性管72的外围并且附接至后部空间33的固定内壁。可以预先设计平面弹簧54的弹簧系数，使得簧上的共振式移位器组件的运动的共振频率基本上等于驱动频率，如上所述。
[0066]
图5示意性地示出了根据本发明的一些实施例的共振式气动膨胀器,该共振式气动膨胀器具有磁体辅助弹簧。
[0067]
在共振式气动膨胀器80中，两个沿轴向极化的永磁环82中的一个附接到远侧衬套27，并且另一个附接到近侧衬套76。沿轴向相反地极化的永磁环84在后部空间33内在相同的两个沿轴向极化的永磁环82之间附接到柔性管72。在该示例中，相反地极化的永磁环84被相同的两个沿轴向极化的永磁环82排斥，从而形成与平面弹簧相比成本效率更高的无故障磁性弹簧。
[0068]
本文公开了不同的实施例。某些实施例的特征可以与其他实施例的特征组合；因此，某些实施例可以是多个实施例的特征的组合。出于说明和描述的目的而呈现了本发明的实施例的前述描述。这些描述并不旨在是穷举的或将本发明限为所公开的精确形式。本领域的技术人员应当理解，根据以上教导，许多修改、变型、替换、改变和等同物是可能的。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有此类修改和改变。
[0069]
虽然本文已经说明并描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等效物。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有此类修改和改变。