CN114616430A - 具有机械驱动扩展器的低温斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

一体式线性低温斯特林制冷机，包括自由活塞容积式压力波发生器，该自由活塞容积式压力波发生器的移动组件通过动态“弹簧‑块‑弹簧”机械移相器连接至自由活塞置换器，该动态“弹簧‑块‑弹簧”机械移相器的机械特性(弹簧刚度和重量)被选择以提供置换器活塞的运动相对于压力波发生器的移动组件的预定相位滞后。

Description

具有机械驱动扩展器的低温斯特林制冷机

技术领域

本发明涉及低温制冷机。更具体地，本发明涉及具有机械驱动扩展器的低温斯特林制冷机。

背景技术

低温制冷系统被广泛用于在稳定的低(低温)温度下提供并维持各种有效载荷。一种应用是红外检测器(焦平面阵列和读出集成电路)和冷却的红外成像器的其他相关组件(冷屏蔽、冷滤波器等)的冷却，因此，通常可以通过降低红外检测器的操作温度来实现期望的信噪比。因此，典型的高分辨率红外成像器包括机械闭合循环斯特林低温制冷机(低温冷却器)。

典型的斯特林低温冷却器可包括两个主要部件：压力波发生器(容积式压缩机)和扩展器(活塞置换器)。典型地，容积式压缩机(另外的压缩机)可以是“移动活塞”或“移动气缸”类型。在“移动活塞”的概念中，活塞在紧密匹配的静态的管状气缸套内往复运动，并且在“移动气缸”的概念中，加盖的管状气缸套沿着静态的紧密匹配的活塞往复运动。压缩活塞或压缩气缸的往复运动可以提供需要的压力脉冲，并且使在该扩展器的扩展空间中的工作试剂(典型地，氦气)的体积往复变化。在扩展器的冷指内部往复运动的置换器通过再生式热交换器使工作试剂从冷却器的冷侧与暖侧之间往复。通常，在热力循环的扩展阶段期间，扩展的工作试剂可以在移动的置换器上执行机械功，因此导致从安装到冷指末端(循环的冷阶段)的IR检测器或其他冷却的部件的冷却效果和热吸收。在热力循环的压缩阶段期间，吸收的热量与压缩热量一起被从冷指的基部排放到周围环境(循环的温暖阶段)。分离式斯特林低温冷却器的操作详述于G.Walkerd的“低温冷却器，第二部分-应用(CryogenicCoolers，Part2-Applications)”，普莱纽姆出版社(Plenum Press)，纽约，1983。

在分离式冷却器中，压缩机和扩展器可以通过柔性气体输送管线(例如，具有小直径的薄壁不锈钢管)互连。这种布置可以增加系统设计的灵活性并且可以将冷却的部件与由压缩机的运行引起的振动隔离。在一体式冷却器中，所有部件都被封闭在共同的壳体中。一体式配置可实现比分离式配置具有更好性能(例如，具有更低的附加压力损失)的更简单、更紧凑、更轻和更便宜的设计。

发明内容

因此，根据本发明的一些实施例，提供了一种低温制冷装置。该低温制冷装置可包括外壳，该外壳被配置成封闭气态工作试剂。该装置还可包括压缩机，该压缩机具有移动部件，该移动部件被配置成由线性电磁致动器在外壳内沿着装置的纵向轴线前后驱动。该装置还可以包括置换器，该置换器包括再生式热交换器并且被配置成在连接至外壳的远端的冷指内沿着纵向轴线前后滑动，置换器的近端连接至置换器柱塞，该置换器柱塞包括能够使工作试剂在再生式热交换器与在柱塞的近侧的温暖室之间流动的孔。该装置还可以包括辅助块，该辅助块被配置成在外壳内且在置换器柱塞与压缩机的移动部件之间沿着纵向轴线前后滑动。辅助块可以通过传动弹簧连接至压缩机的移动部件并且通过柱塞弹簧连接至置换器柱塞，使得压缩机的移动部件的运动被传送到置换器，辅助块包括能够使工作试剂在压缩室与温暖室之间流动的孔，该压缩室位于压缩机的移动部件和辅助块之间，辅助块的质量以及传动弹簧和柱塞弹簧的弹簧刚度被选择成引入置换器的运动相对于压缩机的移动部件的运动的预定相移，置换器的运动和压缩机的移动部件的运动都被周期性地前后驱动。

在一些实施例中，低温制冷装置可以包括电磁驱动器，该电磁驱动器被配置成前后驱动压缩机的移动部件。

在一些实施例中，电磁驱动器包括：移动组件，该移动组件包括轴向且相反极化的永磁体，这些永磁体被配置成在外壳内沿着纵向轴线前后滑动；以及线圈和护铁，该线圈缠绕在外壳周围并且该护铁封闭驱动线圈。

在一些实施例中，压缩机包括驱动活塞，该驱动活塞连接到从该磁性组件向远侧延伸的轴。

在一些实施例中，低温制冷装置可以包括在可移动压缩活塞与静态气缸之间或在可移动压缩气缸与静态活塞之间的间隙密封件。

在一些实施例中，压缩机包括具有近侧盖的气缸，磁性组件围绕并附接到气缸套，该气缸被配置成围绕固定到外壳的柱形芯前后滑动。

在一些实施例中，低温制冷装置可以包括在芯与气缸套之间的间隙密封件。

在一些实施例中，相反磁化的永磁体被铁磁垫片分开。

在一些实施例中，低温制冷装置可以包括线性电动机，该线性电动机被配置成前后驱动压缩机的移动部件。

在一些实施例中，选择置换器组件与压缩机的移动部件的运动之间的预定相移以优化装置的性能系数。

在一些实施例中，置换器组件与压缩机的移动部件的运动之间的预定相移在25°至35°的范围内。

在一些实施例中，辅助块的运动与压缩机的移动部件的运动之间的相移在195°至205°的范围内。

在一些实施例中，低温制冷装置可以包括在柱塞与外壳之间的间隙密封件。

在一些实施例中，辅助块的远端通过柱塞弹簧机械地联接至置换器柱塞，该置换器柱塞连接至置换器。

在一些实施例中，该置换器包括再生式热交换器或再生器。

在一些实施例中，辅助块和置换器柱塞均包括中心孔，以便允许气态工作试剂在压缩室、温暖室和再生器的温暖侧之间的气动连通。

附图说明

为了更好地理解本发明并且认识到其实际应用，提供并在下文中引用以下附图。应注意，附图仅作为实例给出，并且不限制本发明的范围。相同的部件由相同的参考标号表示。

图1示意性地示出了一体式线性低温制冷机的实例，其具有经由弹簧-块-弹簧机械移相器连接至该置换器的“移动活塞”压缩机的线性驱动压缩活塞。

图2示意性地示出了一体式线性低温制冷机的实例，其具有经由弹簧-块-弹簧机械移相机构连接至置换器的“移动气缸”压缩机的线性驱动压缩气缸。

具体实施方式

在以下详细说明中，阐述了许多具体细节以便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，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，未详细描述众所周知的方法、过程、部件、模块、单元和/或电路，以免使本发明模糊。

尽管本发明的实施例在此方面不受限制，但使用例如“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的(多个)操作和/或(多个)过程，计算平台、计算系统或其他电子计算装置，其将表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据操纵和/或转换为类似地表示为计算机的寄存器和/或存储器或者可存储用于执行操作和/或过程的指令的其他信息非暂时性存储媒体(例如，存储器)内的物理量的其他数据。虽然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“多”和“多个”可包括例如“多个”或“两个或更多个”。术语“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。除非明确地陈述，否则本文中所描述的方法实施例不限于特定次序或序列。另外，所描述的方法实施例或其元件中的一些可同时、在相同时间点或现在发生或执行。除非另外指明，否则如在此使用的连词“或”应被理解为包括性的(任何所陈述的选项或所有陈述的选项)。

根据本发明的实施例，一体式线性低温制冷机包括自由活塞置换器组件，该自由活塞置换器组件经由链式弹簧-块-弹簧移相机构被机械地驱动。该机构包括连接在置换器柱塞和辅助块之间的置换器弹簧，以及连接在辅助块与压缩机的移动部件之间的活塞弹簧。如本文中所使用的，配置成周期性地压缩和解压缩在压缩空间中的气态工作试剂的往复线性驱动元件(例如，由电磁线性电动机或其他往复线性致动器驱动的“移动活塞”或“移动气缸”)被称为“压缩机”。压缩机的实例包括配置成在静态匹配的气缸套内前后驱动的“移动活塞”以及构造和配置成围绕匹配的静态活塞前后驱动的加盖的“移动气缸”套。可以使用其他类型的压缩机。

该一体式线性低温制冷机的操作被配置成从与该一体式线性低温制冷机的冷端(在此被称为“冷指”末端)热接触的被冷却部件吸收热量，并且被配置成从该一体式线性低温制冷机的温暖侧排放热量。典型地，该一体式线性低温制冷机的温暖端与环境空气热接触并且因此处于或高于环境温度。如在此使用的，提及该一体式线性低温制冷机的近端或远端或者该一体式线性低温制冷机的部件的近端或远端是指相对于该一体式线性低温制冷机的温暖端的位置。

当该一体式线性低温制冷机操作时，该压缩机的移动部件通过在密封外壳内的线性电动机沿着该一体式线性低温制冷机的纵向轴线前后移动。例如，线性电动机可包括线性移动组件，该线性移动组件包括同轴布置的轴向和相反极化的永磁环，该永磁环夹着圆形铁磁轭。同轴布置的定子包括由包括径向气隙和轴向气隙的铁磁护铁材料包围的驱动线圈。施加在驱动线圈上的交流电可以向移动组件施加交变轴向力。可以使用其他线性电动机布置。例如，在一些其他布置中，定子可包括永磁体，而线性移动组件包括线圈(这通常被称为“移动线圈”概念)。

该压缩机可以包括紧密间隙的活塞/气缸密封件，以将该压缩机的远(例如，到该线性电磁电机或到该一体式线性低温制冷机的温暖端)侧处的工作试剂(后空间)与该传动活塞的近端处的压缩空间中的气体气动地隔离。例如，氦气通常用作工作试剂。也可使用其他较重气体，诸如氮气或氩气。

在一些情况下，该压缩机可以呈压缩活塞的形式，该压缩活塞布置成在紧密匹配的气缸内往复运动并且该压缩活塞在远侧连接至该线性电动机。

可替代地，该压缩机可以呈布置成在匹配的静态活塞上滑动的移动式加盖气缸套的形式。在这个实例中，加盖气缸套的壁可以用作用于线性电动机的线性引导件(例如，包括将环形铁磁轭环夹在中间的轴向和相反极化的环形永磁体环，或其他)。

压缩活塞通过机械弹簧-块-弹簧移相器机械地联接至置换器。特别地，辅助块的近端连接至置换器弹簧，该置换器弹簧沿着一体式线性低温制冷机的基部的轴线对准。辅助块的远端通过置换器弹簧机械地联接至置换器柱塞，该置换器柱塞连接至包括再生式热交换器或再生器的置换器。

当压缩活塞被驱动以周期性地移动时，经由传动弹簧的联接导致辅助块的周期性运动(与压缩活塞大致处于相反的相位)和相对于压缩活塞相移的置换器的周期性运动(例如，在25°至35°范围内的相位滞后)。这种有利的相移可以通过辅助块的重量以及传动弹簧和置换器弹簧的弹簧刚度(弹簧常数)的适当选择来实现。

再生器通常包括多孔材料，该多孔材料具有湿表面、热容性和导热性，该多孔材料配置成使得在与工作试剂循环地热交换的同时工作试剂能够自由地通过再生器。

辅助块和置换器柱塞均包括中心孔。中心孔用作管道，以使工作试剂能够在压缩室、温暖室和再生器的温暖侧之间气动连通。因此，在压缩室和温暖室中以及在再生器的温暖侧处的工作试剂可以大致处于相同的温度和压力下。

在该置换器的远端与密封一体式线性低温制冷机的远端的冷指塞之间形成有扩展空间。典型地，冷指塞由导热材料构成，或者包括导热材料。冷指塞可被放置成与要被低温冷却的部件热接触。

可以分别选择辅助块和前柱塞的质量以及传动弹簧和柱塞弹簧的弹簧刚度，以便形成并优化斯特林循环。在斯特林循环中，尽管一体式线性低温制冷机的所有移动部件(例如，压缩活塞、辅助块以及置换器柱塞和置换器的组合)以相同频率循环移动，但压缩活塞或气缸的运动与置换器之间的相位滞后导致热量从冷指盖泵送到周围环境。

具体地，斯特林循环可以被优化以使性能系数(COP)最大化，该性能系数限定为热量提升(从冷指塞到环境的热移除的速率)与电功率输入的比率。例如，建模和优化软件(诸如Sage^TM(可从Gedeon Associates获得))可用于根据选择的标准(例如，在给定热量提升下的最小功率消耗)优化质量和弹簧刚度。

例如，在针对最大性能系数进行优化的一体式线性低温制冷机的实例中，置换器的运动可以取决于一体式线性低温制冷机的热量提升而使压缩机的移动部件的运动滞后约25°至约35°的范围内的相位角。在相同的实例中，辅助块的运动可以使压缩机的移动部件的运动滞后约195°至约205°的范围内。

因为作用在置换器组件上的所有驱动力都是机械的，其主要由弹簧刚度和质量确定(在移动部件与工作试剂之间具有由拖曳力引起的一些次要贡献)，所以一体式线性低温制冷机的操作和效率可以很大程度上独立于气动考虑。由此，例如，性能、相位滞后和其他操作参数可很大程度上独立于将热量排放到环境的环境温度(例如，在约±40C至约+71C的典型温度范围上)。

包括经由弹簧和在压缩活塞与置换器组件之间的辅助块使用机械联接来机械致动置换器组件的一体式线性低温制冷机相对于其他布置可以是有利的。例如，机械联接布置可以比仅依赖于气动力的另一布置更高效，具有显著更低的附加气动和摩擦损耗。与置换器刚性地连接至驱动杆的布置相比，径向顺应性机械联接布置可能需要较不精确的对准(例如，宽松的公差，并因此可能更容易、更快、并且生产起来较不昂贵)，该驱动杆延伸穿过沿着线性制冷机的长度的一个或多个紧密匹配的孔。

图1示意性地示出了一体式线性低温制冷机的实例，其具有经由弹簧-块-弹簧机械移相器连接至置换器的线性驱动压缩活塞。

一体式线性低温制冷机10可以被操作以将热量吸收到冷指12的冷塞16中，并且经由制冷机外壳26的导热壁将热量泵送并且排放到环境空气。冷指12的壁和制冷机外壳26的壁被密封以封闭和密封气态工作试剂。

例如，冷指12的冷塞16可以放置成与待冷却(通常冷却至低温温度)的区域、物体或部件热接触。冷指12的壁可由非导热的材料(例如，钛或不锈钢合金或者其他合适的材料)制成并且足够薄，以使从制冷机外壳26处的温暖侧到冷端16处的冷侧的寄生传导热流入最小化。待冷却的物体的实例是红外成像器的检测器。

一体式线性低温制冷机10的制冷机主体14封闭后空间32、传动活塞28、压缩室30、辅助块54以及温暖室24。在一体式线性低温制冷机10的操作期间，热量可经由封闭制冷机主体14的导热制冷机外壳26的部分排放。

一体式线性低温制冷机10包括呈压缩活塞28形式的活塞压缩机，该活塞压缩机通过线性电磁驱动器15向远侧和向近侧、交替地和周期性地移动。在所示的实例中，线性电磁驱动器15包括穿过磁性组件33的中央孔的传动轴40。压缩活塞28附接到传动轴40的远端。在压缩活塞28与周围的制冷机外壳26(例如，气缸)之间设置有一个或多个间隙密封件46。间隙密封件46将压缩室30与后空间32气动地分开。

磁性组件33包括相反极化的永久环34和36，每个永久环基本上平行于纵向轴线11极化，它们被铁磁轭38分开。线圈42缠绕在制冷机外壳26的围绕磁性组件33的部分周围(绕组基本上垂直于传动活塞28的运动的纵向轴线11并围绕该纵向轴线)。线圈42被护铁44包裹，具有轴向气隙43和径向气隙45。护铁44可以由具有高磁饱和极限、低铁损耗和导电性(例如，ST1008、Hyperco50A、Permandur或类似材料)的软铁磁材料制成或包括该软铁磁材料。流过线圈42的交流电可以在护铁44的部分中以及在轴向气隙43和径向气隙45中产生交变磁场。护铁44以及轴向气隙43和径向气隙45的结构可以便于将交变磁场与由永磁体34和36以及由铁磁轭38产生的静磁场联接。因此，交变力可以沿纵向轴线11施加到包括磁性组件33的移动组件的部件。

压缩活塞28通过压缩室30内的传动弹簧60联接至辅助块54。辅助块54还被配置成在制冷机外壳26内以最小摩擦向远侧和近侧滑动。辅助块54通过温暖室24内的柱塞弹簧58联接至前柱塞52。置换器柱塞52连接至置换器18并且被约束为与该置换器一起移动。置换器柱塞52还被配置成在制冷机外壳26内向远侧和近侧滑动，并且滑动置换器18还被配置成在冷指12内向远侧和近侧滑动。

置换器18封闭再生式热交换器20。多孔再生式热交换器20布置成允许工作试剂的自由通过，并且允许再生器材料与工作试剂之间的循环热交换。例如，再生式热交换器20可以包括无规纤维(例如，由不锈钢、聚酯或另外的合适的材料制成)。无规纤维材料可以具有小直径(例如，在一个实例中，4微米的直径)。再生式热交换器20具有足够的热容量以存储可以从工作试剂吸收和释放回工作试剂的热量。工作试剂通过再生式热交换器20的循环流动可以在再生式热交换器20上施加循环拖曳力。

在冷指12内在冷指塞16与置换器18远端处的冷开口50之间形成有扩展空间22。围绕置换器柱塞52的一个或多个间隙密封件56可以将温暖室24与扩展空间22气动地分开。因此，工作试剂在温暖室24与扩展空间22之间的任何流动被约束为经由温暖开口48、再生式热交换器20和冷开口50流动。

辅助块54内的孔62能够使气态工作试剂在压缩室30与温暖室24之间不受约束地气动连通。前柱塞52内的孔64能够使工作试剂在置换器18的温暖开口48与温暖室24之间流动，以流动到再生式热交换器20的近端。因此，在压缩室30和温暖室24内以及在再生式热交换器20的近端处的工作试剂的温度和压力可以基本上相等。

辅助块54的重量连同传动弹簧60和置换器弹簧58的弹簧刚度可以被选择成相对于压缩活塞28的周期性运动产生置换器组件(包括置换器柱塞52、置换器18、再生式热交换器20)的周期性运动的有利的相移和行程，从而在给定的热量提升下最小化功率消耗。

一体式线性低温制冷机10的部件的替代布置可以实现比图1中所示的实例更短且更宽的设计。

图2示意性地示出了一体式线性低温制冷机的实例，其具有经由弹簧-块-弹簧机械移相器连接至置换器的线性驱动压缩气缸。

一体式线性低温制冷机70可以被操作以在冷指12的远端处的冷指塞16处吸收热量并且经由制冷机外壳26的导热壁将热量排放至环境空气。

一体式线性低温制冷机70的制冷机主体14封闭后空间32、呈压缩气缸组件73形式的压缩机、压缩室30、辅助块54以及温暖室24。在一体式线性低温制冷机70的操作期间，热量可经由制冷机外壳26的封闭制冷机主体14的部分排放到环境。典型地，制冷机外壳26包括用于提高到环境的热排放的导热材料。

在所示的实例中，压缩气缸驱动组件73包括配置成在静态活塞芯72上向远侧和向近侧滑动的气缸套74。活塞芯72固定到制冷机主体14的制冷机外壳26。压缩室30形成在由气缸杯76、气缸套74、活塞芯72和辅助块54限定的空间中。

在活塞芯72与气缸74之间设置有一个或多个间隙密封件78。间隙密封件78将压缩室30与后空间32气动地分开。后空间32由气缸驱动组件73的面向外的侧面、活塞芯72和制冷机外壳26界定的空间形成。

压缩气缸驱动组件73通过线性电磁驱动器15向远侧和向近侧交替地和周期性地移动。在所示的实例中，线性电磁驱动器15包括磁性组件33，该磁性组件围绕气缸套74并附接到气缸套，以便与气缸套74一起移动。如在一体式线性低温制冷机10中(在图1中)，磁性组件33包括相反极化的永久环34和36，每个永磁环基本上平行于纵向轴线11极化，它们被铁磁轭38分开。线圈42缠绕在制冷机外壳26的围绕磁性组件33的部分周围，并且除了在轴向气隙43处之外，线圈42被封装在护铁44(其包括软磁材料，例如ST 1008、Hyperco50A或Permandur)内。流过线圈42的交流电可以在护铁44以及轴向气隙43和径向气隙45中产生交变磁场。护铁44以及轴向气隙43和径向气隙45的结构可以便于将由驱动线圈产生的交变磁场与由相反极化的永磁体34和36产生的静磁场联接，以在相反的纵向方向上交替地推动磁性组件33及柱形驱动组件73。

压缩气缸驱动组件73通过压缩室30内的传动弹簧60联接至辅助块54。

如以上结合一体式线性低温制冷机10所描述的，在一体式线性低温制冷机70中，辅助块54还被配置成在制冷机外壳26内向远侧和向近侧滑动。辅助块54通过在温暖室24内的置换器弹簧58联接到置换器组件的置换器柱塞52，该置换器组件也包括置换器18(例如，管)和再生式热交换器20。置换器柱塞52还被配置成在制冷机外壳26内向远侧和近侧滑动，以使置换器18在冷指12内滑动。在冷指12内在冷指塞16与置换器18的远端处的冷开口50之间形成有扩展空间22。围绕前柱塞52的一个或多个间隙密封件56可使温暖室24与扩展空间22气动地隔离。因此，工作试剂在温暖室24与扩展空间22之间的任何流动被约束为经由温暖开口48、再生式热交换器20和冷开口50流动。

辅助块54内的孔62使得工作试剂能够在压缩室30与温暖室24之间自由流动。置换器柱塞52内的孔64使得工作试剂能够在温暖室24和置换器18的温暖开口48之间流动，以流到再生式热交换器20的近端。因此，在压缩室30和温暖室24内以及在再生式热交换器20的近端处的工作试剂的温度和压力可以基本上相等。

辅助块54的重量以及传动弹簧60和置换器弹簧58的弹簧刚度可以被选择成相对于压缩气缸驱动组件73(包括气缸盖76、气缸套74、磁环34和36以及铁磁垫片38)的周期性运动，产生置换器组件的周期性运动的有利的相移和行程。优化过程可以旨在在给定的热量提升下最小化功率消耗。在一体式线性低温制冷机70中的斯特林循环的操作类似于一体式线性低温制冷机10的操作。特别地，一体式线性低温制冷机70的压缩气缸76的从动运动的结果类似于一体式线性低温制冷机10的压缩活塞28的驱动运动的结果。

可以注意到，在一体式线性低温制冷机70中，磁性组件33位于压缩气缸驱动组件73的远侧，并且可以围绕压缩室30、辅助块54和温暖室24中的一个或多个的部分或全部。因此，一体式线性低温制冷机70的长度可基本上短于一体式线性低温制冷机10的长度，其中所有移动部分都位于磁性组件33的远侧。另一方面，由于磁性组件33的直径必须足够宽以围绕气缸套74和上述被包围部分，所以一体式线性低温制冷机70的宽度(例如，直径)可基本上大于一体式线性低温制冷机10的宽度。因此，是否使用类似于一体式线性低温制冷机10或一体式线性低温制冷机70的设计的决定可至少部分地取决于空间要求和约束。在一些情况下，线圈42和磁性组件33的相对周长的差异可导致类似于一体式线性低温制冷机10的设计与类似于一体式线性低温制冷机70的设计之间的不同功率消耗率。

在一体式线性低温制冷机10和一体式线性低温制冷机70两者中，不存在施加在置换器组件上的净差值气动力。因此，在给定的驱动频率下，置换器组件的行程速率和相位滞后完全通过移动部件的质量与传动弹簧和置换器弹簧的弹簧刚度的组合来控制。优化的目标可以包括在由冷温度和排放温度以及所需的热量提升的组合指定的标称工作点处最小化功率消耗，其经受施加于辅助块54的运动的最大行程长度的约束。

对于一体式线性低温制冷机10和一体式线性低温制冷机70，置换器18的相位滞后独立于排放温度和其他操作条件。此外，由于传动弹簧60和置换器弹簧58的横向刚度(例如，沿着垂直于纵向轴线11的轴线)较小，所以不需要使在制冷机外壳26内的各种部件精确地同轴对准。

可以应用一个或多个模拟或评估程序、算法或软件程序以便选择质量和弹簧常数。例如，可以利用一个或多个可商购的软件程序(例如，Sage^TM)。

辅助块54的重量的选择使得能够在传动活塞76与置换器18的运动之间有利的相位滞后。该设计的模拟已经示出性能系数，以及热量提升对传动活塞76、辅助块54、前柱塞52中的每一个的运动的相对相位的依赖性独立于排放温度(至少在23C至71C的温度范围内)。

模拟表明，辅助块54与传动活塞76的运动在从约0.1W至约1.2W的范围内的热量提升值上几乎以相反的相位(例如，相对于其具有195°至约205°的相位滞后)移动。在热量提升值的相同范围内，置换器18的运动相对于传动活塞76的运动的相位滞后从约35°变化至约25°。

在此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。为了说明和描述的目的，已经呈现了本发明的实施例的前述描述。其并不旨在是详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。本领域的技术人员应当理解，根据上述教导，许多修改、变化、替换、改变和等效物是可能的。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

虽然在本文中已经示出和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，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (17)

1.一种低温制冷装置，包括：

外壳，被配置成封闭气态工作试剂；

容积式压缩机，具有移动部件，所述移动部件被配置成由线性电磁致动器在所述外壳内沿着所述装置的纵向轴线前后驱动；

置换器，包括再生式热交换器，并且所述置换器被配置成在连接至所述外壳的远端的冷指内沿着所述纵向轴线前后滑动，所述置换器的近端连接至置换器柱塞，所述置换器柱塞包括能够使所述工作试剂在所述再生式热交换器与在所述置换器柱塞的近侧的温暖室之间流动的孔；以及

辅助块，被配置成在所述外壳内且在所述置换器柱塞与所述压缩机的所述移动部件之间沿着所述纵向轴线前后滑动；

其中，所述辅助块通过传动弹簧连接至所述压缩机的所述移动部件并且通过置换器弹簧连接至所述置换器柱塞，使得所述压缩机的所述移动部件的运动被传送至所述置换器，所述辅助块包括能够使所述工作试剂在压缩室与所述温暖室之间流动的孔，所述压缩室位于所述压缩机的所述移动部件与所述辅助块之间，并且所述辅助块的质量以及所述传动弹簧和所述柱塞弹簧的弹簧刚度被选择成引入所述置换器的运动相对于所述压缩机的所述移动部件的运动的预定相移，所述置换器的运动和所述压缩机的所述移动部件的运动都被周期性地前后驱动。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括电磁驱动器，所述电磁驱动器被配置成前后驱动所述压缩机的所述移动部件。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述电磁驱动器包括：移动组件，所述移动组件包括轴向且相反极化的永磁体，所述永磁体被配置成在所述外壳内沿着所述纵向轴线前后滑动；以及线圈和护铁，所述线圈缠绕在所述外壳周围并且所述护铁封闭驱动线圈。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述压缩机包括驱动活塞，所述驱动活塞连接到从磁性组件向远侧延伸的轴。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，轴向且相反磁化的所述永磁体被铁磁垫片分开。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述压缩机的所述移动部件是活塞，所述装置还包括在所述活塞与静态气缸之间的间隙密封件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述压缩机的所述移动部件是气缸，所述装置还包括在所述气缸与静态活塞之间的间隙密封件。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述压缩机包括具有近侧盖的气缸，所述磁性组件围绕并附接到气缸套，所述气缸被配置成围绕固定到所述外壳的柱形芯前后滑动。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括在所述芯与所述气缸套之间的间隙密封件。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括线性电动机，所述线性电动机被配置成前后驱动所述压缩机的所述移动部件。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，选择预定相移以优化所述装置的性能系数。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述预定相移在25°至35°的范围内。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述辅助块的运动与所述驱动活塞的运动之间的相移在195°至205°的范围内。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，还包括在所述置换器柱塞与所述外壳之间的间隙密封件。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，所述辅助块的远端通过所述置换器弹簧机械地联接至前柱塞，所述前柱塞连接至所述置换器。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述置换器包括再生式热交换器或再生器。

17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述辅助块和前块中的每者包括中心孔，以便允许所述工作试剂在压缩室、所述温暖室和再生器的温暖侧之间的气动连通。

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