CN100443825C - 低温制冷器的冷端组件装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种低温制冷器的冷端组件。所述组件包括一个整体的外壳。通过从单个整体的金属壳构建所述的壳，现有技术组件中的部件数量得以减少。此外，消除了先前固定和密封构件所需要的所有铜焊。此外，由于在制造/形成外密封壳之后的一个或多个加工步骤，改善了公差。这使得几个构件可以收缩配合组装，以及获得了活塞孔和移位器之间的改善的直线对齐精确性。由于后一个改善，消除了对移位器衬垫的需求。
Description
本申请于2004年12月3日作为一个PCT国际申请移交，申请人为美国国籍的超导技术公司(其作为在除美国之外的所有国家申请中的申请人)以及美国公民阿姆·哈桑·欧′拜德(Amr Hassan O’Baid)和马克·黑尼斯(Mark Hanes)(其仅作为在美国的国家申请中的申请人)，并且要求在2003年12月5日申请的美国专利申请10/729,719的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及低温制冷器，更具体地涉及一种整体的低温制冷器的冷端组件壳，更为具体地涉及一种整体式的冷端组件壳，其消除了铜焊或使得铜焊最少，同时提供了设计上的灵活度，从而可以将放气构件设置在内部或外部。
背景技术
超导体产品的市场持续地增长，尤其是在考虑到其明显增长的商业应用。更特别地，高温超导体(HTS)设备和系统已经被成功地应用于蜂窝式通讯基站的过滤器中。这种过滤器的设计减少了信号之间的干涉并增加了基站的灵敏度。
为了如期地运作，超导体设备通常必须被冷却到一个非常低的温度。对于现有的HTS设备，设备必须被冷却到大约77K或更低。可以通过使用低温制冷器或将待冷却的设备浸入到在低温下沸腾的液体中来获得这些低温。通常用来实现低温的液体是在77K时沸腾的氮以及在4K时沸腾的氦。通常，通过挥发性液体的受控蒸发(使用蒸发热作为冷却手段)、通过起先限制在一高压下(例如150到200个大气压)的气体的受控膨胀、或者通过选择地膨胀位于待冷却区域附近的气体(通过所谓的膨胀热来吸热)而作为热泵、然后在闭合循环中于另一位置处压缩气体(通过压缩热来移去热量)，从而操作低温制冷器。一种效率最高的低温制冷器是基于斯特林(Stirling)循环的闭合循环低温制冷器。
斯特林循环制冷单元(或斯特林循环低温制冷器)通常包括一移位组件和一压缩组件，其中两个组件彼此之间流体地连通。组件通常由一原动机驱动。该原动机可通过电磁线性马达或回转马达实现。
常规的移位组件通常具有一“冷”端和一“热”端。热端与压缩组件流体地连通。移位组件通常包括一移位器，该移位器具有一个安装在其中的交流换热器，用于将流体——例如氦——从移位器的一端(即冷端)转移到移位器的另一端(即热端)。压缩组件用于当流体大致位于移位组件的热端时对流体施加额外的压力，以及当流体大致位于移位组件的冷端时从流体中释放压力。以此方式，移位组件的冷端可保持于例如77K，而移位组件的热端保持比室温高15度(即大约为313K)。
现有低温制冷器的一个缺点在于：其使用了大量的构件。特别地，形成外壳的构件很多。因为设备通过压缩和膨胀流体而工作，低温制冷器必须完全地密封。在实际中，不同的构件铜焊在一起以满足这个要求(例如把低温制冷器与环境空气密封隔绝)。然而，铜焊是非常费事的。此外，铜焊操作经常在组件的线性中引进了不期望的变化。这增加了所要求的设备公差，并导致了增加额外的构件以适应所要求的更大公差以及非线性。
现有低温制冷器的另一个缺点在于：将不同构件包括到低温制冷器的内部中。许多这些构件都具有放气效应(例如，气体从构件扩散到低温制冷器密封的内部环境中)。可能有放气效应的构件的例子为：马达线圈、外迭片结构、以及将不同构件结合在一起的环氧树脂。通过将不期望的气体导入到内部密封环境中，气体经常降低了低温制冷器的效率。
因此，在此技术领域中存在开发一种具有最少数量的形成外密封壳的构件低温制冷器的需求。由此，改进了构件之间的对中性。此外，存在这样的一种需求：灵活设计外密封壳，使得可以使用内马达和外马达。本发明直接地致力于并克服了现有技术中的缺点。
发明内容
本发明提供了一种用于改进低温制冷器的冷端组件的公差和效率的装置和方法。更具体地，组件的部件数量减少了，且消除了费事的铜焊和粘合步骤。这导致了低温制冷器在制造时间以及制造费用上的改进。通过两种方式减少了部件数量。首先，形成低温制冷器外密封壳的构件最小化。其次，通过在安装后进行加工，圆筒状构件(例如移位器、缸膛、以及活塞孔(piston bore))彼此之间精确地设置。通过构件的精确设置，可省略某些部件，例如现有技术中的移位器缸膛(移位器衬垫)。
如上所述，在过去，通常把铜焊用做构建方法，以将各个构件连接起来并密封。然而，本发明优选地消除了铜焊。此外，通过对壳的最终重要直径进行加工，改善了对中性。在某些情形下，可完全地省略衬套及其它的减少摩擦的构件。其它的构件需要环氧树脂粘合。通过消除对这类构件组件的需求，消除了另一放气源。在某些情形下——例如马达外置设计中，放气构件可移到外密封壳的外部。在此情形下，对内部的流体/气体环境的污染更小。可以理解，当保持期望的内部的流体/气体环境、使之与指定程度更接近时，则低温制冷器的效率可以提高。
在依据本发明的原理而构建的一个优选实施方式中，外密封腔由单个整体的金属壳制造。由此，多达10个现有技术低温制冷器的冷端组件中的构件被整合成单个部件。此外，先前在紧固和密封构件时所需要的铜焊也可以省略。此外，由于在制造/形成外密封壳之后的一个或多个加工步骤，改善了公差。这使得几个构件可以收缩配合地组装，以及导致在活塞孔和移位器之间的改善的直线对齐的精确性。由于后一个改善，消除了对移位器衬垫的需求。
依据本发明的原理而构建的一个冷端组件包括一个压缩器及线性马达组件、一个热交换单元、以及一个移位器组件。这些构件组装在一起并位于外密封壳内。在马达外置设计的实施方式中，一个真空凸缘、一个外散热器、一个外迭片组件以及一个马达线圈设置和构造在外密封壳的外侧。在马达内置设计的实施方式中，仅仅是真空凸缘和散热器设置和构造在外密封壳的外侧。在任一实施方式中，通过对外密封壳的特定部分进行加工、从而改善和控制公差，在一个收缩配合过程中，这些组件中的几个可配合地位于外密封壳上或内部。这个过程可包括：加热一个部件/组件而使其膨胀、然后将其压配合到适当的位置上。通过正确地构造不同部件和组件的尺寸，当部件/组件冷却时，其牢固地设置在外密封壳上或内部。
本发明的一个特征是采用了一个非铜焊的内部热交换器。优选的热交换器是已经加工好的或挤压成型的铝合金。然而，热交换器可由任意具有良好导热性能的材料制造。现有技术使用了铜焊片，其导致了费时的组装过程以及公差要求提高。加工或挤压成型的热交换器改善了屈服强度、热性能，并且是一个更一致的部件。
本发明的其它特征包括：对于马达外置的实施方式，消除在外密封壳中的电流馈通，可选地使用挠曲轴承(flexure bearing)、气体轴承或其它的轴承设计，以及可选地使用一个移动线圈马达、移动磁铁马达、或其它的马达设计。
在可选的气体轴承的情况下，这种轴承优选地使用工作流体来减少、并理想地消除活塞和包括有压缩器的汽缸之间的摩擦。为了实施气体轴承，加压气体可通过一止回阀而进入到活塞的密封内部中。这为气体轴承提供了一个加压气体源，其不会随着压缩器组件的压缩腔中的气体压力显著地波动。其它的低温制冷器设计使用了润滑剂，所述润滑剂会影响工作流体的纯度或摩擦表面，这会影响工作寿命。
因此，依据本发明的一个方面，提供了一种用于低温制冷器的冷端组件的外壳，该低温制冷器为包括一个热交换器、一个移位汽缸组件以及移位汽缸原动机的类型，所述的外壳包括：一个基本上成一体的壳，所述的壳设置和构造成容纳所述的热交换器、移位汽缸组件以及至少一部分的移位汽缸原动机。本发明的另一方面包括上述的壳，并进一步包括一个第一部分，所述的第一部分设置和构造成用作一个指形冷冻器并基本上容纳所述的移位汽缸组件；一个第二部分，所述的第二部分设置和构造成基本上容纳一个热交换器；以及一个第三部分，所述的第三部分设置和构造成基本上容纳至少一部分的移位汽缸原动机。
依据另一个方面，提供了一种用于低温制冷器的冷端组件的外壳，该低温制冷器为包括一个热交换器、一个移位汽缸组件以及移位汽缸原动机的类型，所述外壳包括：一个第一部分，所述的第一部分设置和构造成用作一个指形冷冻器并基本上容纳所述的移位汽缸组件；一个第二部分，所述的第二部分设置和构造成基本上容纳一个热交换器；以及一个第三部分，所述的第三部分设置和构造成基本上容纳至少一部分的移位汽缸原动机；其中，所述的第一部分、第二部分以及第三部分中的至少两个无缝地彼此连接。
依据本发明的再另一个方面，提供了一种冷端组件，其类型为用来在热端对流体进行压缩并将冷却流体送到冷端，包括：一个原动机；一个可操作地连接到所述原动机而用于进行压缩的移位汽缸；一个热交换器；以及一个基本上无缝和/或一体的壳，所述的壳设置和构造成支撑和大致上封闭所述的移位汽缸及热交换器，以及支撑和封闭至少一部分的原动机。
本发明的另一个方面包括一种制造低温制冷器的冷端的方法，包括：拉伸一个用于冷端组件的一体的壳；对所述壳的至少一个选择的内直径进行加工；将一个活塞孔组件安装在所述至少一个加工过的内直径附近；对所述壳的至少一个选择的外径进行加工；以及将一个真空凸缘安装在所述至少一个选择的外径附近。
虽然参照优选实施方式的构造以及在其中所使用的特定设备而描述了本发明，应当理解：本发明并不限于在此所公开和描述的构造或构件。而且，虽然在此描述了密封外壳的特定形状和整体特性，可以理解，这种特定形状和整体特性并不是限制性的。相反的，本发明的原理延展到使得构建密封外壳的构件的数量最少、从而消除铜焊和/或改善公差。此外，虽然结合低温制冷器在蜂窝基站环境下的使用而对本发明的优选实施方式进行了概括的描述，可以理解，本发明的范围并不是如此有限的。通过对本发明的更为详细的描述，本领域内的技术人员可以得知本发明的这些以及其它的变例。
在所附的、并作为本发明一个部分的权利要求中特别地指出了本发明的区别优点和特征。然而，为了更好地理解本发明，应当参照形成为本发明一个部分的附图以及伴随的对其描述，其中示出和描述了本发明的一个优选实施方式。
附图说明
参照附图，其中在几个视图中，类似的标号指示类似的部件：
图1为一个剖视图，其示出了一个现有技术的冷端组件。
图2A为一个剖视图，其示出了图1冷端组件的外构件。
图2B为一个剖视图，其示出了图1冷端组件的不同构件，这些构件由依据本发明原理构建的本发明实施方式中的构件所替代。
图3为一个剖视图，其示出了依据本发明原理构建的冷端组件，其中马达部分位于密封外壳的外部。
图4为一个立体图，其示出了图3的密封外壳。
图5A-5F为一系列的剖视图，其示出了依据本发明原理构建的冷端组件的制造和组装。
图6为一个剖视图，其示出了依据本发明原理构建的冷端组件的一可选实施方式，其中马达位于密封外壳的内部。
图7A-7F为一系列的剖视图，其示出了图6冷端组件的可选实施方式的制造和组装。
具体实施方式
包括有依据本发明原理构建的冷端组件的低温制冷器可应用在各种情况下并具有各种其它的构件。然而，所述原理适用于一种方法和装置，用于改进低温制冷器冷端组件的公差和效率。通过使形成低温制冷器外密封壳的构件的数量最小化、以及通过可选地将放气构件设置在外密封壳的外部而实现了所述的改进。
对优选实施方式的冷端组件的描述将被推迟到对现有技术冷端组件——其示于图1中——的描述之后。示出了一个代表性的现有技术斯特林循环低温制冷器10。在名称为“Stirling Cycle Cryocooler with OptimizedCold End Design”、并转让给了本发明的受让人的美国专利6,327,862中，对低温制冷器10进行了更为详细的描述。在此将该专利结合入本文中并作为其一个部分。因此，在此不对低温制冷器的所有构件或操作都进行描述。图1的低温制冷器10大致包括一移位单元12、一热交换单元14、以及一个压缩器及线性马达组件16。
移位单元12以常规的方式工作，并优选地包括有一移位壳18、一移位汽缸组件20——其内安装有交流换热器单元22、以及一个移位杆组件24。移位汽缸组件20可滑动地沿轴向(即Z轴)安装在移位壳18内并搁置在固定于移位壳18内表面上的移位器衬垫上。一个移位器端盖27设置在移位汽缸组件20的远端内。移位杆组件24的一端连接到移位汽缸组件20而在另一端34处耦合到一个移位器挠曲弹簧组件32上。从而，在适当的条件下，移位汽缸组件20可在移位壳18内来回摆动。
热交换单元14位于移位单元12和压缩器及线性马达组件16之间。热交换单元包括一热交换块38、一偏流器或类似结构、以及一个热交换器安装凸缘42。热交换器安装凸缘42耦合到压缩器及线性马达组件16的末端。热交换块38包括多个内部换热片46以及多个外部散热片48。从而，热交换单元14的设计便于从气体——例如氦——中散热，所述的气体压缩在位于移位单元12和压缩器及线性马达组件16之间的接合处的区域中(这个区域，PHOT，也可以称为压缩器及线性马达组件16的压缩腔)。热交换块38、内部换热片46以及外部散热片48通常由高纯度的铜制造。
压缩器及线性马达组件16包括一个压力壳44，一个活塞组件50安装于压力壳44内。活塞组件50包括一个汽缸52、一个活塞54、一个活塞组件安装支架56以及一个弹簧组件58。所述的活塞组件安装支架56提供了活塞54和弹簧组件58之间的耦合，且活塞54适于在汽缸52内往复地运动。多个气体轴承60设置在活塞54的外壁62上，且所述的气体轴承60从一个密封腔61接收气体——例如氦，所述的密封腔设置在活塞54中。一个止回阀63在压缩腔区域内气体的压力超过腔61内气体的压力时(即超过了活塞储气腔压力)提供了密封腔61和汽缸的压缩腔(即由PHOT指示的区域)之间的单向流体连通。
在活塞54上优选地安装有多个磁铁74。内迭片72紧固到汽缸52的外侧。外迭片73紧固在压力壳44内并位于磁铁74的外侧。外迭片73优选地固定到一安装凸缘42上。内及外迭片72及73优选地由含铁材料制造。马达线圈70优选地位于外迭片73内并包绕着活塞54。马达线圈70优选地位于磁铁74的外侧并位于形成于外迭片73中的凹槽内。从而，可以理解，当活塞54在汽缸52内移动时，磁铁74在一个间隙75内移动。
从上文可以理解：多个构件形成了外密封壳。图2A更为详细地示出了形成外密封壳的不同构件。通过铜焊将多个不同构件彼此结合起来并密封。另外地，还存在多个通过各种环氧树脂粘合剂组装在一起的构件。
现在参照图3，其示出了依据本发明原理构建的冷端低温制冷器组件的剖视图。低温制冷器以100标示，并通常包括一个外部密封壳201，该外部密封壳为冷端组件的不同构件、部分以及组件提供了结构支撑。冷端组件的主要组件包括一个移位单元112、一热交换单元114、以及一个压缩器及线性马达组件116。线性马达用作压缩器的原动力。下文将对每个组件进行详细的描述。
图4示出了外密封壳201的立体视图。图5A示出了外密封壳201的截面。从图4和5A，可以理解：壳201为一个由“304不锈钢”形成的整体结构。这种材料是一种广泛使用的不锈钢，并且其铬和镍的含量大致分别地为18％和8％。该材料具有很好的强度和防腐蚀性能，并易于制造。该材料对介于中度还原和轻微氧化之间的环境内具有抵抗力。在本情形下，其是形成壳201的材料，所述的壳密封住内部的氦气体。该材料还为各个子组件提供了适当的结构支撑。在优选实施方式中，该材料从一起始盘状金属片(直径大约为
英寸)拉伸。在拉伸之后，在一优选实施方式中，最终的最大外径大约为3.442英寸，而壳201的高度大约为3.546英寸。
具有壳201所需性能的其它材料包括：钛、铬镍铁合金(inconel)或钴。也可以使用其它的材料。期望的材料性能包括：结构稳定性、低导热率、高度防渗透性以及允许铜焊和加工的材料性能。
仍然参照图4和5A，壳201包括几个设置和构造成支撑和/或容纳不同子组件的部分。可以理解，壳201在其结构支撑和密封的功能之外，还提供了从壳201的闭合第一端213移动到壳201的打开第二端214的其他功能。壳201的闭合端214可保持打开以简化最后的对齐加工步骤，但最后需要通过焊接、铜焊、环氧树脂结合或任何密封的、防热冲击的步骤而封闭起来。
第一部分215位于与第一端213最接近的端部处。第一部分215设置和构造成在其外周附近起到一指形冷冻器的作用。在优选的实施方式中，第一部分215延伸穿过一个真空凸缘200(例如视图3)。高温超导体(HTS)过滤器(未示)随后在第一端213处或在邻近第一端213处附接到安装支架252(可在图3中最好地看出)。第一部分215还设置和构造成容纳交流换热器单元122(在图3中看得最清楚)。第一部分215优选地是圆的，并且在一个优选实施方式中，其内直径小于壳201的其他部分。
第二部分217位于第一部分215的旁侧，其中第一过渡部分216位于该两者之间。真空凸缘200安装在第二部分217的外部。优选地，真空凸缘200通过一个收缩配合工艺安装。因此，第二部分217的外部优选地加工成一个适当的直径(具有受控的公差)以实现这个连接。如可以理解的那样，真空凸缘200和第二部分217之间的连接把真空环境密封——指形冷冻器(即第一部分215)延伸入此真空环境内——起来。第二部分217的内部通常与热交换单元114配合并支撑热交换单元114。优选地，第二部分217是圆的，并且在优选实施方式中，其直径大于第一部分215的直径。
第三部分219位于第二部分217的旁侧，其中第二过渡部分218位于该两者之间。在第三部分219的外部支撑有线圈170和外迭片204。第三部分219的内部通常与线性马达116的内部构件配合且对线性马达116的内部构件进行支撑。优选地，第三部分219是圆的，并且在优选实施方式中，其直径大于第二部分217的直径。
第四部分221位于第三部分219的旁侧，其中第三过渡部分220位于该两者之间。第四部分221位于开口的第二端214处或与第二端214靠近。第四部分221支撑移位组件的弹簧组件。它还密封地接合一个端盖250(在图3中看得最清楚)以将冷端组件密封起来。优选地，第四部分221大致是截头圆锥形的。在优选实施方式中，第四部分221较小端的直径大于第三部分219的直径。
如上文所注意到的，每个部分215、217、219以及221优选地拉伸形成一个整体的、无缝的壳201。然而，可以理解，单个部分能可选的拉伸成两个或多个构件、然后组装起来。虽然可采用这种选用方法来制造，但是为了使缝的数量减到最少并改善冷端组件100的制造工艺，优选地，在单个工序中拉伸所述的壳201。
还可以理解，第一端213的特征在于其是封闭的，而第二端214的特征在于其是开口的。然而，这些特征不应当是限制性的。在优选实施方式中，第二端214是开口的以提供组装。然而，如果壳201制造成两个或更多个构件部分(例如，在过渡部分218和/或220处提供一个缝)，则第二端214可封闭地构造。进一步地，可以理解，可选地，可以除去过渡部分216、218和220和/或采取多种形状和构造。这种部分的主要功能在于：在壳201的功能部分之间提供一个过渡。
图5A-5F示出了各个优选地在拉伸工序之后进行的加工步骤。在图5A中，壳201的内表面被手工地打磨，且在301、303、和305处对内直径进行加工。在图5B中，内活塞孔组件307、热交换块309以及弹簧堆叠安装支座308被插入到壳201内。在图5C中，在位置311处对壳201的外部进行加工(以减少通过外壳材料厚度而进行的热传导)、在位置313处对壳201的外部进行加工(以为紧密的收缩配合连接形成一个适当的尺寸)、在位置315处对壳201的外部进行加工(以减少涡电流损失路径，这仅仅用于马达外置的设计，对于下文所描述的可选实施方式中的马达内置的设计，该加工步骤不是必要的)。这三个位置311、313、以及315大致上分别地与第一部分215、第二部分217、以及第三部分219对应。在图5D中，优选地，通过加热真空凸缘200以及将其压配合到适当的位置而把真空凸缘200收缩配合到壳201上。在图5E中，对以317标示的真空凸缘200表面进行加工。这个表面317将容纳外散热器148(在图3中看得最清楚)。最后，在图5F中，对另三个内表面进行加工。这三个表面以319、321和323标示。这些最后的加工操作使得活塞、压缩器以及移位组件之间最好地对齐。可以理解，图5F所示的构件取代了图2B中所示的现有技术中的构件。
通过如图5A-5F中所述的那样对构件进行加工之后，使得构件之间更好地同心对齐。例如，在现有技术中，同心度大约为.0015”。然而，通过如本文所述地那样构建壳201，整体的同心度提高到大约.0007”。同心度的这个提高改善了其它的公差，使得组装更为容易，并为制造过程提供了更好的一致性。
现在回到图3，将对一个组装好的冷端组件100进行简单的描述。移位单元112如本领域内的技术人员所知道的那样工作，并优选地包括有一移位壳118、一移位汽缸组件120——其内安装有交流换热器单元122、以及一个移位杆组件124。移位汽缸组件120可滑动地安装在移位壳118内。一个移位器端盖127设置在移位汽缸组件120的远端内。移位杆组件124的第一端连接到移位汽缸组件120的一个基部(未示)，而在另一端134处耦合到一个移位器挠曲弹簧组件132上。从而，在适当的条件下，移位汽缸组件120在移位壳118内来回摆动。由于公差以及移位汽缸组件120和活塞孔之间的直线(in-line)精度改善了，所以，不需要现有技术中所需要的移位器衬垫。
仍然参照图3，热交换单元114位于移位单元112和压缩器及线性马达组件116之间。热交换单元包括一热交换块309以及多个外部散热片148。从而，热交换单元114的设计便于从气体——例如氦——中散热，所述的气体压缩在位于移位单元112和压缩器及线性马达组件116之间的接合处的区域中(即压缩腔PHOT)。优选地，热交换块309由高纯度的铜制造，并作为一个构件安装在壳201内(上述)。优选地，外部散热片148也由高纯度的铜制造。也可以使用其它具有良好的导热特性的材料。由于真空凸缘200收缩配合而与密封的腔201耦合，所以，不需要现有技术中的热交换器安装凸缘。
压缩器及线性马达组件116安装在密封腔201内，并包括一个活塞组件150。活塞组件150包括一个汽缸152、一个活塞154、一个活塞组件安装支架155以及一个弹簧组件156。所述的活塞组件安装支架155提供了活塞154和弹簧组件156之间的一个耦合。活塞154适于在汽缸152内往复地运动。一个或多个气体轴承160设置在活塞154的外壁上。所述的气体轴承160从一个密封腔162接收气体——例如氦。～个止回阀163在压缩腔区域内气体的压力超过腔162内气体的压力时(即超过了活塞储气腔压力)提供了密封腔162和汽缸的压缩腔(即由PHOT指示的区域)之间的单向流体连通管路。
线性马达组件116包括多个外线圈170以及位于外侧的迭片204。内迭片208安装在内活塞孔组件307上。运动磁铁210位于线圈170的下方，密封壳201位于两者之间。从而，可以理解，当活塞154在汽缸152内移动时，运动的内磁铁210也会移动。
可选地，可在冷端组件100中使用其它类型的马达。例如，可修改马达组件116以包括美国专利4,602,174、6,141,971、6,427,450以及6,483,207中的马达设计。
操作过程
在操作过程中，活塞154以及移位汽缸组件120通常在大约为60Hz的共振频率下往复运动，其方式为：移位汽缸组件120的往复运动与活塞154的往复运动之间的相位差大约为90度。可以理解，这意味着移位汽缸组件120的运动“超前”活塞154的运动大约90度。
本领域内的技术人员可以理解，当移位汽缸组件120移向移位器壳的“冷”端时，系统内的大部分流体——例如氦——朝移位器壳的热端移动和/或在一个偏流器或类似结构附近移动，并穿过内换热片抵达活塞组件150的压缩区域。由于移位汽缸组件120的往复运动与活塞154的往复运动之间的相位差，当移位汽缸组件120位于移位器壳118的冷端时，活塞154应当处于中间冲程并朝偏流器140方向运动。这导致区域中的氦被压缩，从而升高了氦的温度。压缩热从压缩的氦传递到内换热片并从该处传递到热交换块309以及外散热片148。从外散热片148，热量传递到环境大气内。当移位汽缸组件120移到移位器壳118的热端时，氦朝移位器壳118的冷端移动。当氦通过移位汽缸组件120时，其将热量留在交流换热器单元122内，并在大约为77K的温度下退到移位器壳118的冷端。此时，压缩活塞154优选地处于中间冲程并朝活塞挠曲弹簧156方向运动。这导致移位器壳118冷端中的氦膨胀，从而进一步降低了氦的温度，并允许氦吸热。由此，冷端起到了一个制冷单元的作用，并可作为一个“冷”源地工作。
可选实施方式
图6示出了依据本发明原理构建的一可选实施方式设计的剖视图。可选实施方式包括一个内马达设计或设置。更具体地，线性马达组件116’的所有构件都位于外密封壳201’的内部。除了线性马达组件116’的各个构件以及外密封壳201’的形状之外，低温制冷器100’的其它构件和操作都保持相同。可以理解，低温制冷器100’的各个构件和操作在上文中都已经参照了低温制冷器100而给出了详细的描述。因此，不再对可选实施方式的这些构件进行详细的描述。然而，下文将对低温制冷器100’进行描述。
图7A-7F示出了各个优选地在壳201’的拉伸工序之后进行的加工步骤。在图7A中，壳201’的内表面被手工地打磨，且在301’、303’、和305’处对内直径进行加工。可以理解，由于壳201’中的线性马达组件116’的定位部件，第三部分219’的直径大于上述壳201的第三部分219的直径。类似的，过渡部分218’改变了，以在第二部分217和第三部分219’之间过渡。此外，由于部分219’的大圆周，可省略过渡部分220。作为替代，截头圆锥形的第四部分221’可直接连接到第三部分219’。还可以理解，由于第三部分219’的直径增加以及第四部分221’的形状，在可选实施方式中的对应加工位置分别地标示于303’、305’处。然而，这些位置的加工目的与位置303、305类似。
在图7B中，内活塞孔组件307被插入到壳201’内。同时插入壳201’的还有热交换块309以及弹簧堆叠安装支座308。在图7C中，在位置311处对壳201’的外部进行加工(以减少通过外壳材料厚度而进行的热传导)、在位置313处对壳201’的外部进行加工(以为紧密的收缩配合连接形成一个适当的尺寸)、以及可选地在位置315’处对壳201’的外部进行加工(如上所述，在马达内置的设计中，这个位置不一定需要加工)。这三个位置大致上分别地与第一部分215、第二部分217、以及第三部分219’对应。在图7D中，优选地，通过加热凸缘200以及将其压配合到适当的位置而把真空凸缘200收缩配合到壳201’上。在图7E中，对以317标示的真空凸缘200表面进行加工。这个表面317将容纳外散热片148。最后，在图7F中，对另三个内表面进行加工。这三个表面以319、321和323标示。这些最后的加工操作使得活塞、压缩器以及移位组件之间最好地对齐。可以理解，图7F所示的构件取代了图2B中所示的现有技术中的构件。
虽然参照其应用，在对本发明的特别的优选实施方式进行了描述，本领域内的技术人员可以理解，本发明并不限于在此所公开和描述的应用或实施方式或特定构件。本领域内的技术人员可以理解，可构造其它与本文所描述的不同的、但实现了本发明的原理的构件及其的其它应用，而不会偏离本发明的精神和范围。在此所描述的设置仅仅作为一个示例实施方式提供，其结合并实施了本发明的原理。其它的修改和变化可为本领域内的技术人员很好地得知，并被包括于所附权利要求的广泛的范围之内。
Claims (27)
1.一种用于低温制冷器的外壳，该低温制冷器为包括一个热交换器、一个移位汽缸组件以及一个移位汽缸原动机的类型，所述的外壳包括：
一个成一体的单个部件的壳，所述壳设置和构造成容纳所述的热交换器、移位汽缸组件以及移位汽缸原动机的至少一部分。
2.如权利要求1所述的外壳，其中所述一体的壳包括：一个第一部分，所述的第一部分设置和构造成用作一个指形冷冻器并容纳所述的移位汽缸组件；一个第二部分，所述的第二部分设置和构造成容纳一个热交换器；以及一个第三部分，所述的第三部分设置和构造成容纳所述移位汽缸原动机的至少一部分。
3.如权利要求2所述的外壳，进一步包括一个第四部分，所述的第四部分设置和构造成配合地附接到一个端盖。
4.如权利要求2所述的外壳，其中所述的第二部分进一步设置和构造成配合地接合一个真空凸缘。
5.如权利要求4所述的外壳，其中所述第二部分和真空凸缘之间的结合设置和构造成为一个散热器提供结构支撑，所述的散热器位于所述真空凸缘的周边上。
6.如权利要求5所述的外壳，其中所述的第一部分、第二部分以及第三部分的截面是圆的。
7.如权利要求6所述的外壳，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.如权利要求2所述的外壳，其中所述的第一部分通过一个第一过渡部分无缝地连接到所述的第二部分。
9.如权利要求2所述的外壳，其中所述的第二部分通过一个第二过渡部分无缝地连接到所述的第三部分。
10.如权利要求3所述的外壳，其中所述的第三部分通过一个第三过渡部分无缝地连接到所述的第四部分。
11.如权利要求3所述的外壳，其中：
(a)所述的第一部分通过一个第一过渡部分无缝地连接到所述的第二部分；
(b)所述的第二部分通过一个第二过渡部分无缝地连接到所述的第三部分；以及
(c)所述的第三部分通过一个第三过渡部分无缝地连接到所述的第四部分。
12.一种用于低温制冷器的壳体，该低温制冷器为包括一个热交换器、一个移位汽缸组件以及一个移位汽缸原动机的类型，所述壳体包括：
(a)一个第一部分，所述的第一部分设置和构造成用作一个指形冷冻器并容纳所述的移位汽缸组件的至少一部分；
(b)一个第二部分，所述的第二部分设置和构造成容纳一个热交换器；以及
(c)一个第三部分，所述的第三部分设置和构造成容纳所述移位汽缸原动机的至少一部分；以及
其中所述第一部分、第二部分以及第三部分中的至少两个具有彼此不同的直径并且彼此无缝地连接。
13.如权利要求12所述的壳体，其中所述的第一部分无缝地连接到所述的第二部分、以及所述的第二部分无缝地连接到所述的第三部分。
14.如权利要求13所述的壳体，进一步包括：
(a)一个位于所述第一部分和第二部分之间的第一过渡部分；以及
(b)一个位于所述第二部分和第三部分之间的第二过渡部分。
15.一种低温制冷器，其类型为用来在热端对流体进行压缩并将冷却流体送到冷端，包括：
(a)一个原动机；
(b)一个可工作地连接到所述原动机而进行压缩的移位汽缸；
(c)一个热交换器；以及
(d)一个壳体，其包括无缝的壳体部分，所述的壳体部分设置和构造成支撑和封闭所述的移位汽缸的至少一部分、热交换器的至少一部分以及所述原动机的至少一部分。
16.如权利要求15所述的低温制冷器，其中从所述壳体部分的第一端到第二端，所述壳体部分是完全无缝的，且在组装过程中，所述的壳在第一端处是封闭的，而在第二端处是开口的。
17.如权利要求16所述的低温制冷器，进一步包括一个端盖，所述的端盖密封地接合所述壳体的第二端。
18.一种斯特林循环低温制冷器，包括：
(a)一个移位单元；
(b)一个热交换器；
(c)一个压缩器及线性马达组件；以及
(d)一个密封壳体，其中所述壳体包括一体的单个部件的壳体部分，所述壳体部分设置和构造成支撑和封闭至少部分的所述移位单元、热交换器、以及压缩器及线性马达组件。
19.如权利要求18所述的低温制冷器，其中从所述壳体部分的第一端到第二端，所述壳体部分是完全无缝的，且在组装过程中，所述的壳在第一端处是封闭的，而在第二端处是开口的。
20.如权利要求19所述的低温制冷器，进一步包括一个端盖，所述端盖密封地接合所述壳体部分的第二端。
21.一种制造用于低温制冷器的壳体的方法，包括：
(a)拉伸一个用于低温制冷器的外壳的一体的部分；
(b)对所述壳的至少一个选定的内径进行加工；
(c)将一个活塞孔组件安装在所述至少一个加工过的内径附近；
(d)对所述壳的至少一个选定的外径进行加工；以及
(e)将一个真空凸缘安装在所述至少一个选定的外径附近。
22.如权利要求2所述的外壳，其中所述第一部分、第二部分以及第三部分中的至少两个具有彼此不同的直径。
23.一种用于低温制冷器的外壳，该低温制冷器为包括沿轴线设置的一个热交换器、一个移位汽缸组件以及一个移位汽缸原动机的类型，所述外壳包括：
一体的单个部件的管状的壳体部分，所述壳体部分设置和构造成绕着所述轴线包围所述热交换器的至少一部分、所述移位汽缸组件的至少一部分以及所述移位汽缸原动机的至少一部分。
24.如权利要求23所述的外壳，其中所述一体的单个部件的管状的壳体部分设置和构造成绕着所述轴线包围所述热交换器、所述移位汽缸组件以及所述移位汽缸原动机的至少一部分。
25.如权利要求23所述的外壳，其中所述管状的壳体部分限定了壳体轴线并且包括沿着所述壳体轴线设置的至少两个部分，所述至少两个部分具有彼此不同的内截面面积。
26.如权利要求25所述的外壳，其中所述管状的壳体部分包括沿着所述壳体轴线设置的至少三个部分，各部分沿着所述轴线具有逐渐变大的内截面面积。
27.如权利要求23所述的外壳，其中所述管状的壳体部分进一步设置并构造成绕着所述轴线包围低温制冷器的压缩器的至少一部分。
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