CN105556813A - 具有磁性往复运动活塞的低温制冷机 - Google Patents

Abstract

描述了一种低温制冷机，该低温制冷机可以包括压力波发生器以及制冷装置(例如，冷头)，在气体暴露于该制冷装置的表面时该制冷装置能够用于液化气体。压力波发生器可以包括一个或多个马达。每个马达可以包括定子以及围绕所述定子的一部分缠绕的至少一个通电线圈。在交变电流穿过所述通电线圈时，所述通电线圈可以产生反向磁场。所述马达还包括可以放置在由所述定子封闭的空间内的加压容器，以及可以放置在所述加压容器内侧的活塞。所述定子可以放置在所述加压容器的外部。所述活塞通过组合具有相反且横向极性的磁铁而制成，并且所述磁铁在共同的往复轴线上相邻地组合。

Description

具有磁性往复运动活塞的低温制冷机

相关申请

当前的专利申请要求2013年8月2日提交的名称为“外部驱动低温制冷机”的美国临时专利申请系列号第61/861,588号的优先权，该临时申请的内容通过引用整体结合于此。

技术领域

在此描述的主题涉及低温制冷机，其包括压力波发生器和制冷装置(例如，冷头(coldhead)，在气体暴露于制冷装置的表面时，该制冷装置可以用于液化气体。更具体地说，压力波发生器包括一个或多个往复运动马达，且电磁定子在加压容器的外部，每个马达包括磁铁制成的磁性活塞，该磁铁具有横向相对的极，所述活塞被构造成在加压容器之内滑动，同时使得活塞和加压容器之间的摩擦最小。

背景技术

大量的病人遭受呼吸疾病，如，慢性阻塞性肺病(COPD)。由于这种病人的肺的有效性降低，为了舒适和活动，这些病人需要补充氧气支持。典型地，这些病人使用的氧气作为加压气体或作为液化氧来提供，这使得能够比气态氧更紧凑和轻量地存储，并且在病人活动期间特别有益。虽然大部分液态氧从中心来源输送，氧的现场液化已经被已知通过传统低温制冷机来进行。这种传统的低温制冷机包括马达供能的制冷循环。这种马达包括定子和活塞，二者与多个其他元件(例如，高渗透性材料(如铁、电工钢、磁轭和其他类似材料)制成的各种元件)一起结合在加压容器中，以将高纯度工作气体包含在典型的超纯的氦中，所述超纯的氦在所有其他物质变成液体或固体时在低温下仍保持气态。这个传统马达的结构非常复杂，并且会在导线或它们的绝缘方面存在故障的电磁定子仅能够通过破裂或打开加压容器才能修理或更换。于是，传统马达和相关的低温制冷机是非常昂贵的。

发明内容

在一个方面，描述了一种马达，该马达包括定子，通电线圈、加压容器和活塞。所述定子能够限定中断高透磁性材料的回路的空间。所述通电线圈能够围绕定子的一部分缠绕。在交变电流穿过通电线圈时，所述电磁线圈能够在定子和所述定子限定的所述空间内中产生反向磁场。所述加压容器能够被放置在所述定子封闭的空间内。所述活塞能够被放置在所述加压容器内侧。所述活塞能够响应于所述反向磁场在所述加压容器之内滑动。

在一些变型中，以下特征中的一个或多个可以被单独或以任何可行的组合实现。所述活塞能够包括具有相对和横向极性的第一磁铁和第二磁铁的组合。所述第一磁铁和第二磁铁可以结合在共同的轴线上。所述第一磁铁和第二磁铁中的每一个可以是圆柱形的。加压容器的相当大部分可以是圆筒形的。第一磁铁和第二磁铁中每一个的直径可以基本上等于所述加压容器的圆筒形部分的内径。由所述定子限定的所述空间的表面和所述第一磁铁和第二磁铁中的至少一个的外表面之间的距离可以小于两毫米。所述活塞的至少圆周部分可以涂覆有低摩擦材料，当所述活塞在所述加压容器之内滑动时，该低摩擦材料能够使得所述活塞的外表面和所述加压容器的内表面之间的摩擦最小。所述活塞在所述加压容器之内的滑动可以是谐振往复运动。

所述加压容器可以连接到冷头上，所述冷头包括移相网络(phasingnetwork)。所述活塞在所述加压容器之内的谐振往复运动可以导致所述加压容器和所述移相网络之内的工作流体的振荡流。所述工作流体在所述移相网络之内的振荡流可以导致所述冷头的至少一些部分的温度的降低。所述冷头的至少一些部分的降低的温度可以导致暴露于所述冷头的外表面的气体的液化。所述工作流体可以包括氦、氢、二氧化碳和氩中的至少一种。通过暴露于所述冷头的外表面而液化的气体可以是氧。

所述加压容器可以由低传导率和非铁磁性材料制成。所述低传导率和非铁磁性材料可以是不锈钢、铬镍铁合金玻璃、碳和钛合金中的一种。活塞可以包括多个磁铁，所述多个磁铁与所述定子联接，以产生趋于将活塞返回到活塞的中间行程位置的回复力。在由于反向磁场导致所述活塞在加压容器中滑动时所述定子和通电线圈可以位于环境空气中。所述定子可以是可去除的和可更换的，而不必打开或断开加压容器。

在另一方面，描述了一种系统，该系统能够包括压力波发生器以及与所述压力波发生器流体耦接的声学负载。该压力波发生器可以包括一个或多个马达。所述一个或多个马达中的至少一个马达包括定子、通电线圈、加压容器和活塞。所述定子可以限定中断高透磁性材料的回路的空间。所述通电线圈可以围绕所述定子的一部分缠绕。在交变电流穿过所述通电线圈时所述通电线圈可在所述定子和由所述定子限定的空间内产生反向磁场。所述加压容器可以放置在由所述定子封闭的空间内。所述活塞可以放置在所述加压容器的内侧。响应于所述反向磁场，所述活塞可以在所述加压容器内往复运动。

在一些变型中，以下特征中的一个或多个可以单独或以任何可行组合实现。所述声学负载可以是斯特林循环制冷器和脉冲管声学斯特林制冷器中的至少一个。在一个示例中，所述声学负载可以是压缩机头。所述一个或多个马达可以包括至少两个马达。当包括所述至少两个马达时，它们可以在功能上相组合以抵消在压力波发生器内的机械振动。所述加压容器可以是仅向所述声学负载开放的气密外壳的一部分。所述声学负载可以是冷头(coldhead)。所述冷头可以包括移相网络。所述加压容器可以连接到冷头。所述活塞在所述加压容器之内的往复运动可以导致工作流体在加压容器和冷头之内的振荡流。所述工作流体在声学负载之内的振荡流可以导致所述声学负载的一部分的温度的降低。所述声学负载的一部分的降低的温度可以导致暴露于所述声学负载的外部表面的气体的液化。

在再一方面，描述了一种系统，该系统包括被构造成将气体与气体混合物分离的气体源以及被构造成从所述气体源接收被分离的气体以便液化该气体的低温制冷机。所述低温制冷机可以包括压力波发生器和制冷装置，在气体暴露于该制冷装置的外表面时该制冷装置液化该气体。所述压力波发生器可以包括至少一个往复马达。所述至少一个往复马达可以包括限定一空间的定子。通电线圈可以围绕所述定子的一部分缠绕。当交变电流穿过所述通电线圈时所述通电线圈可以在所述定子内和所述定子限定的空间内产生反向磁场。所述至少一个往复运动马达还可以包括加压容器，该加压容器能够被放置在由定子限定的空间之内。所述加压容器能够封闭所述活塞，使得所述活塞响应于所述反向磁场通过在所述加压容器内滑动而往复运动。

在一些变型中，以下特征中的一个或多个可以单独或以任何可行组合实现。所述制冷装置可以包括移相网络。所述活塞在所述加压容器之内的往复运动可以导致工作流体在所述加压容器和所述制冷装置之内的振荡流。所述工作流体在所述制冷装置之内的振荡流可以导致所述制冷装置的一部分的温度的降低。所述制冷装置的一部分的降低的温度可以导致暴露于包括所述移相网络的声学负载的外部表面的气体的液化。所述系统还包括存储容器，该存储容器收集并存储被液化的气体。所述气体源可以是将气体从气体混合物中分离的空气分离装置。在一个示例中，所述空气分离装置可以是分子筛。在另一示例中，所述空气分离装置可以包括热交换器，该热交换器包括多个热交换器通道。所述气体的混合物可以包括由压缩机压缩的气体。所述气体源可以从压缩机接收气体的混合物。所述气体的混合物可以是环境空气。被分离的气体可以是气态氧。所述被液化的气体可以是液体氧，该液体氧要被提供到一个或多个病人使用的至少一个医疗装置。

要指出的是，在此处描述的低温制冷机的背景下，术语冷头、声学负载和制冷装置已经被可互换地使用。

也描述了相关的设备、系统、方法、技术和物品。

在此描述的主题提供了很多优点。例如，在压力容器外部的低温制冷机的马达有利地使得定子能够在不进入由加压容器包封的加压体积内的情况下被去除和更换。在不破裂加压容器的情况下定子的可去除性和可更换性能够增强低温制冷机的连续操作时间，而不需要主要维护或维修，并且能够显著降低低温制冷机的成本。有利地是，外部定子提供了对绕组的线圈内的电流所导致的电阻热的改善的冷却，并且消除了在压力容器中的成本高的且专用的电馈入装置，否则会需要该电馈入装置将电流承载到内部马达绕组。此外，仅包封活塞(包括其上的任何非磁性帽、如作用为制造工具和行程末端减震器的铝帽)的加压容器有利地提供了简单且大部分管状的结构，该结构比足以将整个马达封闭在其中的容器更小且重量更轻，并因此容易制造。此外，在此描述的低温制冷机的结构和材料能够确保若干年的操作寿命，而不必维护，由于治疗呼吸疾病，如慢性阻塞性肺病(COPD)的平均持续时间会是两年到三年，因此这是重要的。

在此描述的主题的一个或多个变型的细节在附图以及下面的描述中给出。在此描述的主题的其他特征和优点将从该描述和附图并从权利要求书中理解到。

附图说明

图1是示出包括用于液化气体，如氧的低温制冷机的系统的视图；

图2是示出低温制冷机的制冷过程和相关的结构方面的视图；

图3是示出包括低温制冷机的替代系统的视图；

图4是示出在低温制冷机内的两个往复运动马达的往复运动马达的视图；

图5是示出低温制冷机的往复运动马达的透视图的视图；

图6是示出低温制冷机之内的往复运动马达的磁性活塞的视图；

图7是示出磁性活塞的内部截面图的视图，该磁性活塞被构造成放置在低温制冷机的往复运动活塞的加压容器之内；

图8是示出用于构造或组装低温制冷机的各部件的分解图的视图；

图9是示出组装的低温制冷机的一些部件的视图；

图10是示出低温制冷机的另一视图的视图；

图11是示出在低温制冷机内的往复运动马达的定子的替代结构的视图；以及

图12是示出低温制冷机之内的往复运动马达的定子的另一替代结构的视图。

在实践时，在各个附图中的相同附图标记和/或参考符号指示相同元件。

具体实施方式

图1是示出系统101的视图100，该系统101包括用于液化气体，如氧气的低温制冷机102。系统100可以进一步包括压缩机104、气体分离器(例如，浓缩器，如压力摆动吸收剂氧气浓缩器，也称为空气分离装置)106、和存储容器(例如，烧瓶，如真空瓶)108。压缩机104可以接收环境空气110，它可以是大约78％的氮、大约21％的氧、二氧化碳、甲烷、氢、氩和氦构成的剩余1％的混合物。压缩机104可以压缩环境空气110，以形成压缩空气112。空气分离器106可以从压缩机接收压缩空气112，并且基本上从压缩空气112中的其他气体(例如，氮、二氧化碳、甲烷、氢、氩和氦)分离所需的气体114，如氧气。空气分离器106可以排出这些其他气体，它们于是被称为排放气体116。低温制冷机102可以包括制冷装置(例如，冷头，该冷头可以被构造有突出的冷指(cold-finger)118，该冷指具有外表面(例如，冷尖端)120。当气体114接触外表面(例如，冷尖端)120时，气体114可以被液化而形成被液化气体122。存储容器108可以存储被液化气体122。被液化气体122可以按需要且在需要时从存储容器108提取。

低温制冷机102是制冷器，它可以在低于大约一百五十开尔文(150K)的温度下将气体114液化。在执行这个液化的同时，低温制冷机102可以在大约零摄氏度和大约四十摄氏度之间的普通环境温度下排出热量。

视图200(下面讨论)描述了低温制冷机102和这种低温制冷机的结构元件执行的制冷过程；视图300(下面讨论)描述了可以用于取代上述系统101的替代系统；视图400和500(下面讨论)描述了在低温制冷机102的优选实现方式内的两个往复运动马达的一个往复运动马达；视图600(下面描述)描述了用在低温制冷机102的每个往复运动马达内的磁性活塞；视图700示出用在每个往复马达之内的磁性活塞的另一视图；视图800(下面讨论)描述了用于构造低温制冷机102的优选实现方式的部件的分解视图；视图900(下面讨论)描述了低温制冷机102的优选实现方式的内部结构；视图1000(下面讨论)描述了低温制冷机102的优选实现方式的外部视图；以及视图1100和1200中的每一个(下面讨论)描述了在低温制冷机102的每个往复运动马达之内的定子和通电线圈的可能构造。

被液化气体122可以是被液化的氧，它可以从存储容器102被提取并提供到氧接收装置，如具有氧气蒸发器(或再蒸发器)以及病人使用的相关联呼吸器的便携液体氧气瓶。这些病人可以是遭受呼吸疾病，如慢性阻塞性肺病(COPD)的个人。

空气分离器106可以包括分子筛。在另一种实现方式中，空气分离器可以包括多个热交换器通道，该热交换器通道可以被构造成传输一种或多种气体，如下面讨论的视图400所描述的。

图2是示出低温制冷机102的制冷处理和相关的结构方面的视图200。所述低温制冷机102可以包括压力波发生器202以及紧凑的制冷装置(例如，冷头)118。压力波发生器202可以被线性往复运动马达204和206驱动，每个马达在下面通过视图500和600更详细描述。制冷装置118可以是声学斯特林(脉冲管)冷头。制冷装置118可以包括暖端热交换器208、再生器210、冷端热交换器212、热缓冲管214、第二暖端热交换器216、惯性管218和柔性罐220。在一些实现方式中，制冷装置118可以折叠在冷端热交换器212之上，以产生突出的冷区(即，冷尖端120)。

低温制冷机102执行的制冷过程通常如下作用。在压力波发生器之内的往复运动马达内的活塞的往复运动相对于低温制冷机102内的平均压力(充填压力)循环地压缩和膨胀工作流体(例如，氦，或在其他实现方式中任何类似的一种或多种气体)。在活塞的每个向前冲程的情况下，一些工作流体移动通过暖端热交换器208，在此热被去除。工作流体继续通过再生器210，该再生器210在工作流体到达冷端热交换器212之前预先冷却工作流体。随着工作流体朝向冷端热交换器212移动，声学网络(其包括热缓冲管214、第二暖端热交换器216、以及储池220)中的气体也可以在相同方向上移动，被来自活塞的朝向远程柔性罐的向前运动的增大压力驱动。即使由于在活塞达到它们的上极限时活塞和热交换器区域内的局部工作流体停止前进，声学网络内的工作流体继续移动，被在高速惯性管218内的其自身惯性驱动以及柔性罐内的几乎恒定的平均压力驱动。工作流体在惯性管218内的这种运动类似于虚拟活塞作用，远离冷端热交换器212移动，并膨胀在该区域的工作流体。随着工作流体膨胀，它从周围表面和外部负载(例如，暴露于这些表面并要被冷却或液化的气体114)收集热量。当活塞开始回退时，将压力局部降低到平均之下，大部分工作流体然后通过再生器210和暖端热交换器208移回。仍被它的惯性延迟，声学网络内的工作流体较晚地跟随，作用为虚拟活塞，以将更多流体驱动到暖区域，并且该循环再次开始以在暖区压缩。低温制冷机102的往复运动马达以及暖排放热交换器208和216可以被本地空气、水和/或可选的闭环冷却系统冷却，该闭环冷却系统可以包括储池、泵和液体对空气热交换器。热交换器212是冷区域，它被制冷，并于是向与其热耦接的任何负载提供冷却。

图3是示出包括低温制冷机102的替代系统302的视图300。系统302可以包括：空气传送装置304(例如，气泵或鼓风机)、流动控制阀306、再生式热交换器308(包括第一通道310、第二通道312和第三通道314)、存储容器108、低温制冷机102、气态氧出口320、液化氧出口122以及排放/废空气出口324。

空气传送装置304可以提供空气的连续流，其可以包括氮、氧、少量的氩、水蒸气、二氧化碳和其他微量元素。空气可以被引导到热交换器308的第一通道310内，在此，它将热量放弃到第二通道312内的气体流以及有可能在第三通道314内的气体流。随着第一通道310内的空气丧失热量，空气温度可以下降。当第一通道310内的空气的温度下降时，该空气的一些成分(例如，水和二氧化碳)可以冷凝或凝结，由于它们的相变温度(下面指出)明显高于其他成分的相变温度(下面指出)，所述其他成分如氮、氧和氩。例如：水具有273K的正常冷凝温度，并且标准大气中的占比在0.1和2.8％之间；二氧化碳具有195K的名义冷凝温度，且在标准大气中的占比为0.035％(CO2直接凝结和升华，无液相)；氧具有90.2K的名义冷凝温度，且在标准大气中的占比是20.95％；氩具有87.3K的名义冷凝温度，且在标准大气中的占比是0.93％；以及氮具有77.4K的名义冷凝温度，并且在标准大气中的占比是78.1％。

剩余的被冷却气体(即，氮、氩、氧和痕量)能够穿行到低温存储容器108，在此它们可以暴露于制冷表面，该制冷表面被低温制冷机102冷却到大约在八十开尔文和九十开尔文之间的温度。通过传递到该表面的热量从气体中提取的热量能够冷凝溶液中的氧、氩和少量的氮。未冷凝的氮与痕量的氧、氩和其他微量成分一起可以穿过存储容器108，并可以再次进入热交换器308的第二通道312。在第二通道312内，与痕量的氧、氩和其他微量成分一起，氮可以从第一通道310中的进入流吸收热量。气体流然后可以穿过流动控制阀306，并可以然后通过排放出口324离开。富含氧的液体冷凝物可以部分累积在存储容器108内，并可以部分通过热交换器308的第三通道314被引导。第三通道314内的富含氧的液体冷凝物可以随着消耗需求而通过气态氧出口320离开。累积的冷凝物在需要(例如，被移动病人消耗所需要)之前被存储，并然后在需要时作为用于消耗的液体被抽取。

随着热交换器308中的较暖的冷凝物从进入空气的连续流中累积，保持流动所需的压力会升高。当如下一种情况发生时，控制器(未示出)可以将流动控制阀306切换到交替位置：如压力升高、在固定压力下流动减少以及经过预设时间间隔。流动控制阀306向交替位置的切换可以将第一通道310和第二通道312的空气入口和排出口之间的相应连接颠倒。这种颠倒使得较暖冷凝物能够被再夹带，同时保持开放通道且自由空气流过热交换器308。

在系统302的一些变型中，如下特征中的一个或多个可以单独或以任何可行组合来实现。空气传送装置304可以在排放出口324的另一侧上，以抽取流动，而非推动流动。热交换器308可以定向成使得重力能够有助于收集和去除热交换器308内冷凝的液体，并尤其用高表面填充元件，以辅助各品种的分离(例如，分馏器)。系统302可以允许辅助电除霜循环的偶尔按需要加入。系统302可以包括用于控制气态或液体产物的分配的多个阀。系统302可以进一步包括第二便携存储容器(例如，真空瓶)或者液体氧龙头。系统302可以包括增湿器，以向氧气流中加回一些冷凝水。系统302可以包括预净化器，如过滤器和/或浓缩器。在液体氧仅是期望产品的应用中，气态氧龙头和热交换器308的第三通道314可以被消除。

在若干变型中，如下特征中的一项或多项可以单独地或以任何可能组合实现。由于不完全热交换而仍比周围气流冷的排放空气可以用作冷却空气流，用于低温制冷机热排放。从而，空气泵的双重用途可以被获得，并且制冷机的效率可以通过降低排放温度而得以改善。相反，入口空气可以首先被抽吸到制冷机排放表面上，由此，增加交换器气流之间的温度差，以允许更小的交换器，用于更低的成本。热交换器可以与制冷装置(例如，冷头)118平行且热接触地定位，由此共享热梯度，并在有效的更高温度(沿着梯度)以及相应的更高效率下提供所需制冷中的一些部分。对于仅需要气态氧的目的(例如，焊接)，存储容器108可以被省略，仅保留小的冷凝腔以在氧在热交换器308的第三通道314中再蒸发之前将液体氧从其他气体中分离。

在一些变型中，如下特征中的一项或多项可以单独地或以任何可能的组合实现。系统302可以用于从除空气之外的混合物中净化其他品种。例如，系统302可以用于将丁烷从天然气中的碳氢化合物中隔离，这通过执行类似顺序的冷凝来实现，且颠倒用于较暖冷凝物的流动再夹带、隔离的收集腔以及用于期望纯冷凝物的出口流。通过系统302提供的气流流量可以相对于可用的冷却容量以及操作温度来控制，以便使得被冷却和再加热的空气的质量最小。流动控制阀306可以集成有热交换器308，例如，通过使得相对入口歧管(在一个端部上部分连接到入口且部分连接到排放出口324)缓慢转动的旋转热交换器将多个通道中的每一个依次与在一个端部上的入口和排放出口形成接触并且在另一个端部上总是连接到冷凝腔上来实现。

虽然上面一些变型针对系统302来描述，在可行以及可应用时，这些变型同样可以针对系统101替代地实现。

图4是示出低温制冷机102的两个往复运动马达204和206的往复运动马达204的视图400。往复运动马达204可以包括永久磁性活塞402(如下面描述的视图600和700更清楚示出的)，该活塞402放置在加压容器(例如，气密缸，如下面描述的视图500更清楚示出的)404内。活塞402被构造成在加压容器404之内线性滑动。定子406(视图500中更清楚示出的)能够限定围绕清空空间的一对极性面，在该清空空间内，可以放置加压容器404。一个或多个通电线圈408可以围绕所述定子406的一个或多个位置缠绕。定子芯部的形状以及通电线圈408相对于定子406的位置的更多示例通过视图1100和1200来描述。当电流穿过所述一个或多个通电线圈408时，在极性面之间的空间内产生电磁场，所述极性面或是排斥或是吸引所述磁性活塞的至少一部分，由此导致磁性活塞402运动。因此，在定子线圈408内施加交变电流驱使磁性活塞在容器404之内的反向运动(即，往复运动)，并通常横向于定子406的主平面。

磁性活塞402可以被构造成在加压容器404之内滑动，使得在活塞和加压容器404之间的间隙非常小。该小间隙作用为用于活塞的气体密封并确保压力和流动从活塞有效的传送，且围绕活塞具有最小的旁通泄漏。例如，在活塞402和加压容器404之间的该间隙的径向宽度的数值范围可以在零微米和二十五微米之间。

由于磁铁的横向拉动朝向定子406的较近极比较强，并且活塞在其容器404内自由移动，活塞402通常朝向缸404中的一侧行驶并接触所述缸的一侧(在此，径向减小可以是零微米)，并且远离缸404内的另一径向相对侧(在此，径向间隙可以是最大值，如二十五微米)。为了使恒定接触缸404的活塞402的侧部之间的摩擦最小，活塞402的外圆周表面可以被涂覆有低摩擦材料512(在下面讨论的视图600中示出)，如聚四氟乙烯(PTFE)化合物。

普通的圆柱形活塞402可以包括第一磁铁部分602和第二磁铁部分604(其中，磁性部分602和604在视图600中清楚示出)，并且活塞402的轴向端部可以包括非磁性的帽410(例如，铝帽；并也在视图600和700中示出)，该铝帽允许制造商更容易利用普通工具操纵和处理磁性活塞402。第一磁铁602和第二磁铁604在活塞402内轴向相邻，并可以具有相反和横向极性。

磁性活塞402的两个磁铁可以由高强度铁-钕材料制成，它可以使得马达204或206的活塞组件的移动质量最小。较低的移动质量在如下方面会是有利的。这个移动质量必须被相应的刚性移动/摆动，以在一些频率下实现共振，并且移动质量的动量导致振动。较低的移动质量有利地减小振动，并需要较轻的弹簧(以及与提供该弹簧相关联的较低损失，这来自于磁场和气体压力二者)。

磁性活塞402的磁铁可以被轴向钻孔，以使用通过磁性活塞402的连杆，从而共轴地键连接它们的中心。活塞402中的磁铁的长度可以大于(即，不明显小于)磁性活塞402的行程的长度。

加压容器404可以由低传导性和非铁磁性材料制成，该材料诸如是以下中的一种或多种：不锈钢、铬镍铁合金、玻璃、碳、钛合金和任何其他类似材料。低传导性和非铁磁性材料可以具有高拉伸强度，这允许加压容器404的壁较薄，由此，为了最佳的磁链和效率，使得定子406和磁性活塞402之间的运行间隙最小。在一个替代实现方式中，加压容器404可以由玻璃制成。加压容器404可以允许磁通量穿过，但是应该是电气阻抗的以及薄的，以限制能量浪费，该能量浪费由传导材料在其中变化的磁通量的影响下的涡流和磁滞所导致。更具体地说，加压容器404的电阻率应优选地大于5e^-7欧姆每米。

定子406可以用高透磁性的电绝缘粉末(如铁)模制而成。在一个实现方式中，定子406可以包括高透磁性材料(例如，电力钢，如ARMCO的M-15)的叠层，所述高透磁性材料堆叠、粘结并围绕电导体408缠绕。在用于往复运动的情况下，定子402(或是模制的或是轴向层叠的叠层)的总厚度应该大于磁性活塞402的最大行程，这反过来应小于每个磁铁602或604的长度。

大于磁性活塞402的最大行程的定子406的这个厚度出于以下原因是有利的。定子406和磁铁之间的磁链相对于往复运动的活塞402的位置(通常相对于定子轴向居中，如在休止和不工作时)几乎成线性，只要两个磁铁的一些部分保持在定子406的厚度之内即可。即，如果在马达处于休止和不工作时定子厚度如它通常那样与每个磁铁一半一半对准，由于它们的共同接头在定子406的中间，那么在磁铁上的轴向力是零。但是随着活塞往复运动，磁铁之间的中线接头远离定子的中平面移动，活塞和定子之间的轴向力如以下那样变化：随着活塞402移动(使得一个磁铁的一部分离开定子406且另一磁铁的相对应的量进入定子406)，回复力升高以将离开的磁铁拉回，且该力与位移成比例，只要在另一个进入时一个磁铁的相等量离开即可。如果定子406的厚度比活塞402的行程短，那么就不再如此，随着一个磁铁将完全离开并仍在远离，同时另一个磁铁完全进入，与定子406对准，且进一步的运动在活塞402和定子406之间的磁链方面不产生变化。

定子406可以是空气冷却的，并可以邻近低温制冷机102中的热区段的初级热排放器(也相对于视图300、800和900讨论)，以便共享空气流和风扇。此外，定子406通过从圆筒状活塞外壳上滑下，能够可移除/可更换，而不突入由加压容器404包封的加压体积内。形成定子406的材料的透磁性可以比其他附近的材料(例如，包封活塞402的聚四氟乙烯(PTFE)化合物、或构成加压容器404的不锈钢)的透磁性大至少一百倍。定子406和相关联的通电线圈/绕组408可以放置在环境空气中，在此它们容易被冷却并连接到电源。

在一个实现方式中，活塞402的轴向长度可以比活塞402的最大行程长两倍。在一些实现方式中，活塞402的轴向长度可以比定子406的轴向长度长。

图5是示出低温制冷机102的往复运动马达204或206的透视图。

图6是示出低温制冷机102的往复运动马达204或206的磁性活塞402的视图600。磁性活塞402可以包括两个横向取向的磁铁602和604，所述两个磁铁产生相对的磁场。磁性活塞402可以由低摩擦材料412(例如，聚四氟乙烯(PTFE)化合物)覆盖/包封，使得磁性活塞402可以轻易在加压容器404之内滑动，而没有太大摩擦。可以是另一种或相同的聚四氟乙烯(PTFE)化合物的不同或相同低摩擦材料可以被用于覆盖/包封非磁性帽(例如，铝帽)410。磁铁602和604可以与定子406联接，以在活塞502通过在加压容器404之内滑动而往复运动时产生趋于保持活塞围绕活塞402的中间行程位置往复运动的回复力。

图7是示出磁性活塞402的内部截面图的视图700，该磁性活塞402被构造成放置在低温制冷机102的往复运动马达204或206的加压容器404内。加压容器404被构造为薄壁缸，该薄壁缸在一个端部处封闭以形成内部工作流体(作用为气体弹簧)的困入体积，并且在另一端部处开口，以与低温制冷机102的制冷部分流体连通，并在其中紧密配合到活塞402上，以提供密封，并由此在活塞402在容器404之内往复运动时在容器内导致压力波。活塞402和加压容器404之间的间隙的径向宽度可以在零微米和二十五微米之间，如上面指出的。

图8是示出用于构造或组装低温制冷机102的优选实现方式的部件802的分解图的视图800。各部件802可以被组合以形成低温制冷机102，如下面讨论的视图900中所示。部件802可以包括：两个活塞402，每个活塞402由(a)两个磁铁和(b)两个非磁性帽(例如，铝帽)制成，所述两个磁铁具有相对的和横向的极性；两个圆筒状容器404，所述圆筒状容器404被构造成包封相应的活塞402；马达定子506，每个马达定子被构造成包封相应的加压容器404(更详细地说，紧密围绕相应加压容器404的一部分配合)；围绕马达定子406的一部分缠绕的通电线圈408；马达间隔件803，每个马达间隔件被构造成沿着容器404将马达定子406定位在预定位置上；端盖804，每个端盖被构造成封闭相应的加压容器404，以确保高压可以被保持在加压容器404之内；配合件806，所述配合件连接到加压容器404的另一端部上，且每个配合件806具有孔，该孔允许氦(或者用作低温制冷机102内的工作流体的任何其他类似气体)穿过配合件806。所述部件802还包括制冷装置(例如，冷头)118，在加压容器与这种制冷装置流体耦接时，该制冷装置被来自活塞402与加压容器404相关联的运动的压力波所驱动。制冷装置包含有：冷端热交换器212，再生器盘808(要指出的是，为了参考仅示出三个再生器盘808，且为了组装低温制冷机102需要更多的再生器盘808)；缓冲管214；周围热交换器216；以及惯性管218。所述部件802包括主体812，该主体包括在制冷装置118和柔性罐220之间的所有部件，如视图900所示。部件802还包括热排放器810，其中，每个热排放器810可以放置在制冷装置118的周围热交换器216的附近(例如，邻近或靠近周围热交换器)，以从制冷装置118去除/排出热量。

图9是示出组装好的低温制冷机102的一些部件(它们由视图800中所示的分解图示出)的截面图的视图900。

图10是示出低温制冷机102的另一图示的视图1000。冷尖端120实际上具有圆形形状。

图11是示出低温制冷机102的往复运动马达204的定子406的替代构造的视图1100。磁性活塞402和加压容器404被放置成使得磁性活塞402和加压容器404的轴线与点1102重合。

图12是示出低温制冷机102的往复运动马达204的定子406的另一替代构造的视图1200。磁性活塞402和加压容器404可以放置成使得磁性活塞402和加压容器404的轴线可以与点1202重合。

要指出的是虽然往复运动马达402被描述为低温制冷机102的一部分，在其他实现方式中，往复运动马达402同样可以与其他装置一起使用并用于其他目的。此外，虽然已经在上面详细描述了若干变型，但是其他修改也是有可能的。例如，可以从在此的描述和/或视图中解释的逻辑流程不需要所示的特定顺序或依次的顺序来实现期望的结果。此外，在此由不同附图标记表示的相同元件在一些实现方式中可以是可互换的。

Claims (29)

1.一种马达，包括：

限定空间的定子；

通电线圈，该通电线圈被构造成围绕所述定子的一部分缠绕，所述通电线圈被构造成当交变电流穿过所述通电线圈时在定子和由定子限定的空间内产生反向磁场；

加压容器，所述加压容器被构造成放置在由所述定子封闭的空间内；以及

活塞，所述活塞被构造成放置在所述加压容器之内，所述活塞响应于所述反向磁场在所述加压容器内滑动。

2.如权利要求1所述的马达，其中，所述活塞包括第一磁铁和第二磁铁的组合，所述第一磁铁和第二磁铁具有相反且横向极性，所述第一磁铁和第二磁铁在相同轴线上组合。

3.如权利要求2所述的马达，其中：

所述第一和第二磁铁中的每一个是圆柱形的；

所述加压容器的相当大部分是圆筒状的；以及

所述第一磁铁和第二磁铁的每一个的直径基本上等于所述加压容器的圆筒状部分的内径。

4.如权利要求3所述的马达，其中，在由所述定子限定的空间的表面和所述第一磁铁和第二磁铁中的至少一个的外表面之间的距离小于两毫米。

5.如权利要求1所述的马达，其中，所述活塞的至少圆周部分涂覆有低摩擦材料，在所述活塞在所述加压容器内滑动时，该低摩擦材料使得所述活塞的外表面和所述加压容器的内表面之间的摩擦最小。

6.如权利要求1所述的马达，其中，所述活塞在所述加压容器内的滑动是谐振往复运动。

7.如权利要求6所述的马达，其中，所述加压容器被构造成连接到包括移相网络的冷头，所述活塞在所述加压容器内的谐振往复运动导致工作流体在加压容器和移相网络中的振荡流，所述工作流体在所述移相网络内的振荡流导致所述冷头的至少一些部分的温度降低。

8.如权利要求7所述的马达，其中，所述冷头的至少一些部分的降低的温度导致暴露于所述冷头的外表面的气体的液化。

9.如权利要求7所述的马达，其中：

所述工作流体包括氦、氢、环境空气、二氧化碳和氩中的至少一种；且

通过暴露于所述冷头的外表面而被液化的气体是氧。

10.如权利要求1所述的马达，其中，所述加压容器由低传导性和非铁磁性材料制成。

11.如权利要求9所述的马达，其中，所述低传导性和非铁磁性材料是不锈钢、铬镍铁合金、玻璃、碳和钛合金中的一种。

12.如权利要求1所述的马达，其中，所述活塞包括与所述定子相联接的多个磁铁，以产生趋于将活塞返回到活塞的中间行程位置的回复力。

13.如权利要求1所述的马达，其中，在所述活塞由于反向磁场而在所述加压容器之内滑动时，所述定子和通电线圈被构造成定位在环境空气中。

14.如权利要求1所述的马达，其中，所述定子被构造成可去除和可更换而不必打开或断开所述加压容器。

15.一种系统，包括：

压力波发生器，所述压力波发生器包括一个或多个马达，所述一个或多个马达中的至少一个马达包括：

限定空间的定子；

通电线圈，所述通电线圈被构造成围绕定子的一部分缠绕，所述通电线圈被构造成在交变电流通过所述通电线圈时，在所述定子内以及由所述定子限定的空间内产生反向磁场；

压力容器，所述压力容器被构造成放置在由所述定子包围的空间内；以及

活塞，所述活塞被构造成放置在所述加压容器内侧，所述活塞响应于所述反向磁场在所述加压容器内往复运动；以及

与所述压力波发生器流体耦接的声学负载。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述声学负载是斯特林循环制冷器和脉冲管声学斯特林制冷器中的至少一个。

17.如权利要求15所述的系统，其中，所述声学负载是压缩机头。

18.如权利要求15所述的系统，其中：

所述一个或多个马达包括至少两个马达；以及

所述至少两个马达被构造成在功能上组合以消除所述压力波发生器内的机械振动。

19.如权利要求15所述的系统，其中，所述压力容器是仅向所述声学负载开放的气密外壳的一部分。

20.如权利要求15所述的系统，其中：

所述声学负载包括移相网络；

所述加压容器被构造成连接到所述冷头；以及

所述活塞在所述加压容器内的往复运动导致工作流体在所述加压容器和冷头内的振荡流，所述工作流体在所述声学负载之内的振荡流导致所述声学负载的一部分的温度降低。

21.如权利要求20所述的系统，其中，所述声学负载的一部分的降低的温度导致暴露于所述声学负载的外部表面的气体液化。

22.一种系统，包括：

气体源，所述气体源被构造成将气体从气体的混合物中分离；以及

低温制冷机，所述低温制冷机被构造成从所述气体源接收被分离的气体，所述低温制冷机被构造成液化所述气体，并且所述低温制冷机包括压力波发生器和制冷装置，该制冷装置在气体暴露于该制冷装置的外表面时液化气体，所述压力波发生器包括至少一个往复运动马达，所述至少一个往复运动马达包括限定空间的定子、围绕所述定子的一部分缠绕的通电线圈，所述通电线圈被构造成在交变电流穿过所述通电线圈时在定子和由定子限定的空间内产生反向磁场，所述至少一个往复运动马达还包括加压容器，该加压容器被构造成放置在由所述定子限定的空间内，所述加压容器封闭所述活塞，使得所述活塞通过响应于所述反向磁场在所述加压容器内滑动而往复运动。

23.如权利要求22所述的系统，其中：

包括移相网络的制冷装置；以及

活塞在所述加压容器内的往复运动导致工作流体在所述加压容器和制冷装置内的振荡流，所述工作流体在所述制冷装置内的振荡流导致所述制冷装置的一部分的温度的降低。

24.如权利要求23所述的系统，其中，所述制冷装置的一部分的降低的温度导致暴露于声学负载的外部表面的气体的液化，所述声学负载包括所述移相网络。

25.如权利要求22所述的系统，还包括：

被构造成收集和存储被液化的气体的存储容器。

26.如权利要求22所述的系统，其中，所述气体源是空气分离装置，该空气分离装置将气体从气体的混合物分离，并且所述空气分离装置包括分子筛。

27.如权利要求22所述的系统，其中，所述气体源是将气体从气体的混合物中分离的空气分离装置，所述空气分离装置包括热交换器，所述热交换器包括多个热交换器通道。

28.如权利要求22所述的系统，其中，所述气体的混合物包括由压缩机压缩的气体，所述气体源从所述压缩机接收所述气体的混合物。

29.如权利要求22所述的系统，其中：

所述气体的混合物包括环境空气；

所述被分离的气体是气态氧；以及

所述被液化的气体是液体氧，该液体氧被提供到由一个或多个病人使用的至少一个医疗装置。