CN116249865A - 可逆的气动驱动膨胀机 - Google Patents

Abstract

一种主要以吉福德‑麦克马洪(GM)循环操作的气动驱动低温制冷器通过旋转阀与致使置换器往复运动的驱动活塞之间的开关阀而从冷却切换到加热。旋转阀具有在两个半径处的端口，一个使流动循环到置换器，第二个使流动循环到驱动活塞。两个端口使流动循环到驱动活塞的顶部，"冷却"端口优化了冷却循环，"加热"端口提供了良好的加热循环。将流动从一个端口改变到另一个端口的开关阀可以是线性地或旋转地致动的。旋转阀不会反转方向。

Description

可逆的气动驱动膨胀机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年8月28日提交的序列号为63/071,669的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于往复式低温膨胀机的气动驱动机构，其结合有在产生冷却或加热之间切换的阀。

背景技术

半导体在真空室中制造，这些真空室通常使用由吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon)(GM)制冷器冷却的低温泵来产生真空。典型的低温泵具有：暖面板，其冷却到大约80K(I族气体，包含水蒸气冻结于所述热面板上)；以及冷面板，其冷却到大约20K(II族气体，如氮气和氧气冻结于所述冷面板)。冷面板的背侧上的木炭吸附了较轻的气体，氢气和氦气。在运行数天或数周后，必须对低温泵进行加热，以清除冷冻沉积物。气体的可燃组合物可能会在低温泵中积聚，因此要避免在低温泵内使用加热器，而低温面板通常由低温泵壳体外部的加热器间接加热。现在使用的大多数GM型膨胀机在一个方向运行时产生冷却，在反向运行时继续以降低的速度产生冷却。具有可以交替产生加热的膨胀器的低温泵，可以选择更快地升温，或降低成本，或两者兼有。

W.E.Gifford和H.O.McMahon的美国专利3,045,436("‘436专利")描述了GM循环。这里描述的系统主要以GM循环操作，一般来说，输入功率在5到15kW之间，但更大和更小的系统都可以落入本发明的范围。GM循环和许多布雷顿循环的制冷器使用为空调应用设计的油润滑压缩机，向往复式低温膨胀机供应气体(氦气)。GM膨胀机通过室温下的入口和出口阀以及再生器将气体循环到冷膨胀空间，而布雷顿循环膨胀机具有气体在室温下进入和离开的逆流式热交换器以及将气体循环到冷膨胀空间的冷入口和出口阀。膨胀机中的置换器被机械地或气动地驱动。

Gifford的美国专利3,205,668("‘668号专利")描述了一种具有附接到置换器的暖端的杆的GM膨胀机，所述GM膨胀机借助于旋转阀使驱动杆上方的压力循环与膨胀空间的压力不相一致来驱动置换器上下移动。在阀沿向前方向旋转的情况下，循环可能会假设在置换器向下(冷置换体积最小)、低压和杆上方的压力高的情况下开始。将置换器的压力切换到高压，然后在短暂的延迟后，将驱动杆的压力切换到低压。这导致置换器向上移动，抽取高压气体通过再生器进入冷置换体积。置换器的高压阀通常在置换器到达顶部之前关闭且气体在到达顶部时存在一部分膨胀。置换器的低压阀接着打开且膨胀的气体变冷。然后，驱动杆上方的压力被转换为高压，并推动置换器下降，推动冷低压气体通过冷端热交换器，并通过再生器返回，完成循环。当通往置换器的压力切换时，通过再生器的压降会产生与驱动杆上的力方向相同的力。当压力-位移关系，P-V，被绘制在图表上时，关系的顺序是顺时针方向的，面积等于每个循环产生的冷却。当‘668号专利的旋转阀反向运行时，通往驱动杆的压力先于通往置换器的压力切换，P-V顺序仍为顺时针方向，但由于时序不佳，冷却效果降低。在循环的各个阶段，当置换器中的压力和驱动杆上的压力相同时，没有净力来移动置换器。

Longsworth的美国专利8,448,461("‘461专利")描述了一种布雷顿循环膨胀机，其置换器/活塞上具有气动驱动的杆，可以利用本发明的机制从冷却循环切换到加热循环。本发明的机制也可用于实施对控制置换器/活塞上下移动的速度的孔口的调节，以优化冷却期间的冷却。大多数布雷顿循环膨胀器都具有带密封件的活塞，密封件将冷置换体积与暖置换体积分开，而‘461号专利则具有带再生器的活塞，再生器使冷置换体积与暖置换体积中的压力平衡，因此可以称为置换器。

为了使膨胀机在反向运行时产生热量，当压力从低压切换到高压时，置换器必须处于或接近顶部，并且即使在再生器压力下降而存在向下的力的情况下也要保持在那里，使得冷置换体积被压缩的气体所加热。这种高压的热气体通过再生器被推出来，当置换器下降时，压力被转换为低压。这是由Asami的美国专利5,361,588("‘588专利")中描述的具有旋转阀的Scotch Yoke驱动的置换器完成的。无论压力如何，Scotch Yoke驱动装置都能在马达旋转时固定置换器的位置。当阀在前进方向旋转时，气体通过阀流入和流出的时序被优化以产生制冷。旋转阀盘具有在阀座的端口上滑动的面，并由阀马达转动，该阀马达具有轴，该轴具有销，销与阀盘的背侧上的槽相接合。‘588号专利的阀盘具有环形槽，该环形槽改变销与槽的接合角度。这导致高压端口在置换器位于顶部并向下移动时打开，低压端口在置换器位于底部并向顶部移动时打开。P-V顺序是逆时针的。阀的时序是使得实现了接近最佳的加热循环。

随着膨胀机的用于冷却更大的低温泵的冷却能力增加，Scotch Yoke驱动装置变得比气动驱动装置大得多，也更昂贵，因此需要可以从冷却循环转变为加热循环的更高效的气动驱动膨胀机。

Gao和Longsworth的美国专利7,191,600("‘600号专利")描述了一种脉冲管膨胀机，其具有单独的旋转阀，用于到再生器的流动和到脉冲管的流动。当阀马达沿向前进方向转动时，两个阀之间的相位差产生冷却，而当向相反方向转动时，两个阀之间具有产生加热的相位差。专利申请WO2018/168305("‘305申请")描述了一种不同于‘600号专利所述的脉冲管膨胀机的阀配置，其在反向运行时产生加热。

‘588号专利的原理是让驱动置换器上下移动的机构(Scotch Yoke)独立于阀(旋转阀)，该阀切换施加到置换器的压力，在改变旋转方向时，压力切换的相位会发生变化。专利申请WO2018/168304("‘304申请")描述了一种用于置换器的气动驱动装置，该装置具有附接到驱动杆上的活塞，该活塞比驱动杆大，并且连接到与连接到置换器的阀不同的入口和出口阀。阀是在固定的阀座上滑动的同心盘。内盘切换流向置换器的流动，外盘切换流向驱动活塞的顶部的流动。当阀马达反向运行时，外盘相对于内盘旋转了固定的角度，提供了产生加热而不是冷却所需的相移。图8a-8d分别示出了'304申请的图1、8(a)、8(c)和9(c)。如图8a所示，体积48中的驱动活塞的背侧上的气体被困在驱动活塞和驱动杆上的密封件50、32之间。其围绕着平均压力进行循环，这个平均压力取决于体积48。为了实现图8c所示的矩形P-V图，体积48必须为驱动活塞46上方的体积的至少两倍大。图8b示出了阀V3和V4控制流向驱动杆的流动，以180°的差异打开，并保持打开相同的时间长度，而阀V2在V1之后打开约100°，并保持打开相同的时间长度。虽然这种不对称性可能为冷却提供最佳时序，但其导致加热的时序不够理想，这反映在图8d所示较小的P-V图中。本发明的重要方面是，当从冷却切换到加热时，打开和关闭相当于驱动杆的阀的时序可以是不同的。

发明内容

本发明的目的是用气动驱动的GM型膨胀机从冷却切换到加热，而不反转驱动马达的方向，同时为冷却和加热提供阀时序，从而使冷却和加热两者都有良好的效率。冷却和加热时的高效率是通过以下方式实现的：用驱动活塞使膨胀机置换器往复运动，无论置换器中的压力如何，驱动活塞都能将置换器驱动到行程的末端；使用旋转阀，该旋转阀具有单独的轨道，用于切换置换器和驱动活塞的压力；以及具有单独的开关阀，该开关阀将流动从驱动活塞轨道上的导致冷却的端口改变为导致加热的第二端口。开关阀可以由线性或旋转驱动装置来致动。驱动活塞可以是单动式，也可以是双动式，且致动器可以简单地将流动切换到驱动活塞，或者连接到控制器，该控制器也可以改变通过开关阀的压降，以控制置换器上下移动的速度。

这些优点可以通过低温膨胀机来实现，该低温膨胀机自压缩机接收处于第一压力的气体，并返回处于第二压力的所述气体。低温膨胀机包括气动驱动且进行往复运动的置换器组件和能够提供冷却和加热模式以分别产生冷却和加热的阀组件。所述置换器组件包括：在置换器气缸中的置换器，其在置换器气缸的暖端和冷端之间往复运动；驱动杆，其附接到置换器的暖端并延伸穿过杆套；以及驱动活塞，其具有顶部和底部，驱动活塞的所述底部附接到所述驱动杆的顶端，在驱动活塞气缸中进行往复运动。所述驱动活塞的直径可以比驱动杆的直径大。气体在暖置换体积和冷置换体积之间流动通过再生器。该阀组件包括阀座和在阀座上旋转的阀盘。阀座具有连接到置换器气缸或阀致动器的在第一半径处的端口、连接到驱动活塞气缸的在第二半径处的端口、以及在第二压力下连接到压缩机的中央端口。所述阀盘具有槽，该槽将处于第一压力和第二压力的气体交替地连接到第一和第二半径处的端口。所述第二半径处的所述端口包括冷却端口和加热端口。所述阀盘的旋转方向保持恒定。所述该阀组件还包含在第二半径处的所述端口和驱动活塞上方的所述顶部体积之间的开关阀。所述开关阀被配置为将所述冷却端口或所述加热端口连接到所述驱动活塞上方的所述顶部体积，以提供冷却模式或加热模式。

附图说明

附图仅以示例的方式而非以限制的方式描绘了根据本申请概念的一种或多种实施方式。在这些图中，相似的附图标记指代相同或相似的元件。

图1是低温制冷系统100的示意图，其包括气动致动的GM循环膨胀机，该膨胀机具有单动式驱动活塞、旋转阀和开关阀，通过相互连接的管道从压缩机供应气体。

图2是低温制冷系统200的示意图，其包括气动致动的GM循环膨胀机，该膨胀机具有双动式驱动活塞、旋转阀和开关阀，通过相互连接的管道从压缩机供应气体。

图3是低温制冷系统300的示意图，其包括气动致动的布雷顿循环膨胀机，该膨胀机具有单动式驱动活塞、旋转阀和开关阀，通过相互连接的管道从压缩机供应气体。

图4示出了系统100的旋转阀、开关阀和驱动活塞的剖面图。

图5示出了系统200的旋转阀、开关阀和驱动活塞的剖面图。

图6a示出了当系统100中的置换器即将被排放至低压时，叠加在阀座上的阀盘上的槽的图案。

图6b示出了当膨胀机产生冷却时，随着系统100的阀盘旋转该阀盘上的槽经过阀座中的端口的顺序。

图6c示出了冷却循环的P-V图，循环上的点如图6b所示地编号。

图7a示出了当系统100中的置换器即将被加压至高压时，叠加在阀座上的阀盘上的槽的图案。

图7b示出了当膨胀机产生加热时，随着系统100的阀盘旋转该阀盘上的槽经过阀座上的端口的顺序。

图7c示出了加热循环的P-V图，循环上的点如图7b所示地编号。

图8a-8d分别示出了'304申请的图1、图8(a)、图8(c)和图9(c)。

具体实施方式

在该部分中，将参考所附附图更全面地描述本发明的一些实施例，在所附附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例。相反地，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围传达给本领域技术人员。相似的标号自始至终指代相似的元件，并且在替代实施例中使用撇号表示相似的元件。附图中相同或相似的部分标以相同的标号，且通常不重复描述。

低温膨胀机通常在冷端向下的情况下操作，因此，术语上和下以及顶和底是参考此定向。图中相同的部件使用相同的编号，且下标用于区分具有不同配置的等效部件。

参考图1，所示为低温制冷系统100的示意图，详细示出了本发明的核心特征与系统的其它部分之间的关系，所述核心特征即为阀和驱动活塞，所述系统的其它部分即为气缸30中的置换器20a，以及压缩机15，该压缩机通过管线16将处于第一压力或高压Ph的气体供应至旋转阀2，并通过管线17从旋转阀2接收处于第二压力或低压Pl的气体气缸。旋转阀2具有在旋转盘上的端口，这些端口经过固定座上的端口。座上的第一半径10a处的端口通过管线9将气体循环到置换器气缸30的暖端，第二半径11a处的端口通过开关阀1和管线18将气体循环到驱动活塞气缸6a的顶端。管线18a始于阀座的第二半径11a上的第一端口，该第一端口指定为冷却端口，且管线18b始于阀座的第二半径11a上的第二端口，该第二端口指定为加热端口。开关阀1的示意图示出了其被固定于冷却位置并逆时针旋转90°用于加热。阀2的示意图示出了随着置换器20a向上移动，连接到气缸30的管线9中的处于高压Ph的气体，连接到气缸6a的管线18中的处于低压Pl的气体。

置换器20a在气缸30中在暖端和冷端之间往复运动，产生暖置换体积25和冷置换体积26。气体通过在置换器本体21a中的暖端处的端口23、再生器22a，和冷端处的端口24而在体积25与26之间流动。密封件27防止气体绕过再生器22a。置换器20a由驱动杆7上下驱动，所述驱动杆在其底端处与置换器20a的顶端连接，且在其顶端处与驱动活塞5a的底端连接。驱动活塞5a被驱动活塞5a上方的体积12a中的循环气体压力与作用在驱动杆7外侧的区域上的驱动活塞5a下方的缓冲体积13a中的压力之间的压力差所驱动。由于驱动活塞5a仅由活塞一侧上的压力从高压Ph变为低压Pl而驱动，因此被描述为是单动式。驱动活塞5a中的密封件31保持体积12a中的气体与体积13a中的气体分开。杆套8中的密封件28保持体积13a中的气体保与体积25中的气体分开。

典型的操作压力是，供应压力Ph约为2.2MPa，返回压力Pl为0.8MPa，压力比为2.8，因此缓冲体积13a必须比置换体积12a大约三倍以上，才能使驱动活塞5a完成全行程。然而，需要更大的体积来减少体积12a中的压力变化，以便在全行程期间，跨驱动活塞5a具有几乎恒定的压力。缓冲体积13a相对于体积12a的这个大体积被示意性地示出为与驱动活塞5a下方的置换体积分开的体积。

参考图2，示出的是低温制冷系统200的示意图，其与系统100的不同之处在于具有双动式驱动活塞5b。当顶部的压力为高压Ph时，驱动活塞5b的底部的压力为低压Pl，当顶部的压力为低压Pl时，驱动活塞5b的底部的压力为高压Ph。在系统100中，来自旋转阀2中的加热端口的管线18b在冷却期间在开关阀1处被阻挡，但在系统200中，其通过开关阀3和管线19连接到驱动活塞5b下方的体积13b。双动式驱动活塞5b的直径可以比单动式驱动活塞5a小，因为全压力差Ph-Pl作用在其上，并且驱动活塞5b上方和下方的体积12b和13b可以与驱动活塞5b置换的体积一样小。

旋转阀4与旋转阀2类似之处在于，在阀座上的第一半径10b处具有至管线9和第二半径的端口，以及在第二半径11b处具有至管线18a和18b且至管线18的端口。开关阀3被构造成使得当来自冷却管线18a的气体连接到管线18时，来自旋转阀4中的加热管线18b的气体连接到管线19，从而随着阀盘4旋转将驱动活塞5b上方和下方的压力切换为相反的压力。

开关阀3固定在所示位置以用于冷却，并且逆时针旋转90度以用于加热。阀4的示意图示出了随着置换器20a向上移动，连接到气缸30的管线9中的气体处于高压Ph，连接到气缸6b的顶部的管线18中的气体处于低压Pl，连接到气缸6b的底部的管线19中的气体处于高压Ph。虽然将气动驱动的低温膨胀机从冷却转向加热的机制最适用于由GM循环膨胀机冷却的低温泵，但其也可以应用于气动驱动的布雷顿循环膨胀机，如图3所示。

参考图3，所示为低温制冷系统300的示意图，其包括具有单动式驱动活塞的气动致动的布雷顿循环膨胀机。系统300的布雷顿循环膨胀机在气缸30b的冷端处具有主要入口阀和出口阀9a和9b。气体自压缩机15从高压管线16通过逆流式热交换器50流向入口阀9a，且从出口阀9b通过热交换器50和低压管线17返回。置换器21b具有再生器22b，所述再生器将气体从冷端体积26循环到暖端体积25，以保持置换器21b上方和下方的压力几乎相同，并允许系统100或系统200的阀机构和驱动活塞机构用于产生冷却或加热。在第一半径10c处的旋转阀2'上的端口相对较小，因为它们只使少量的气体循环到气动致动器29a和29b，这些致动器打开和关闭冷入口和出口阀9a和9b。气动致动器29a在连接到高压Ph时打开阀9a，在连接到低压Pl时关闭。致动器29b和阀9b也是如此。

参考图4，所示为系统100的开关阀1、旋转阀2和驱动活塞5a的剖面图。旋转盘2a由阀马达40、马达轴41和销42转动，所述销与在盘2a的顶部中的槽44接合。本发明所示的阀盘每转有两个循环，且因此具有两个对称的高压槽和低压槽。阀座具有两个对称的端口用于至置换器的流动，但可能只有一对端口用于至驱动活塞的流动。阀盘2a的底部与阀座2b接触，并示出有槽17a，该槽将低压返回端口17与管线18a连接，以通过线轴1b驱动活塞体积12a。这是冷却模式。当线性致动器1a将线轴1b拉到右边以使得管线18b连接到驱动活塞体积12a时，系统100切换到加热模式。管线18a和18b可以有不同的流动阻抗，使得在加热和冷却模式下，驱动活塞12a上下移动的速度可能不同。不同的流动阻抗可以通过开关阀的开启程度或固定端口尺寸来确定。控制开关阀的开启程度可用于控制活塞速度。

开关阀1可以被配置为使得：当膨胀机处于冷却模式时，只有冷却端口18a与驱动活塞5a上方的顶部体积12a流体连通，且当膨胀机处于加热模式时，只有加热端口18b与驱动活塞5a上方的顶部体积12a流体连通。线性启用致动器1a可被配置为控制通过开关阀1的压降，以控制置换器20a上下移动的速度。

参考图5，所示为系统200的开关阀3、旋转阀4和驱动活塞5b的剖面图。阀盘4a的底部与阀座4b接触，并示出有槽16a和槽17a，所述槽16a将高压供应端口16与管线18b连接，以通过线轴3b和管线18驱动活塞体积12b，所述槽17a将低压返回端口17与管线18a连接，以通过线轴3b和管线19驱动活塞体积13b。这是加热模式。当旋转致动器3a将线轴3b转动90°以使得管线18a连接到驱动活塞体积12b并且管线18b连接到活塞体积13b时，系统200切换到冷却模式。

图6a和7a示例性地示出了两个位置中的系统100-300的旋转阀。图6b针对冷却，且图7b针对加热，示出了阀盘中的高压槽和低压槽经过阀座上的端口的时序，这相当于打开和关闭阀。图6c和7c在冷却和加热的P-V图上示出了阀的打开和关闭。图6a和7a示出了从阀马达查看并抵靠阀座2b逆时针转动的阀盘2a的表面中的槽16a和17a。阀座2b中的第一半径46处的端口9与置换器气缸30连接，当高压槽16a经过时作为阀V1打开(见图6b)，且当低压槽17a经过时，作为低压阀V2打开。阀座2b中的第二半径45的管线18a和18b连接到驱动活塞气缸6a的顶部，且当高压槽16a经过它们时作为阀V3a和V3b打开，且当低压槽17a经过它们时作为低压阀V4a和V4b打开。开关阀1在膨胀机冷却时阻挡来自管线18b的流动，在膨胀机加热时阻挡来自管线18a的流动。

图6a、6b和6c示出了从膨胀阶段结束时开始的冷却循环，其中冷置换体积26达到最大，置换器20a处于顶部，且压力大于低压Pl。图6b和6c中的数字1-8示出了阀时序和相应的P-V循环，其概述如下。

1：阀V2打开，使得置换器中的压力下降到低压Pl。

2：在压力下降到Pl之后，V3a打开，且跨驱动活塞的压力差将置换器推向底部。

3：在置换器到达底部之前，V2关闭，使得压力随着冷气体转移到暖端而增加，同时置换器则会在剩下的行程里移动到底部。

4：V1打开，使得压力增加到高压Ph。

5：V3关闭。

6：V4打开，跨驱动活塞的压力差将置换器推向顶部。

7：在置换器到达顶部之前，V1关闭，使得压力随着暖气体转移到冷端而降低，同时置换器则会在剩下的行程里移动到顶部。

8：V4关闭。

这个循环有两个原则，第一是在切换置换器中的压力之后切换驱动活塞中的压力，第二是阀V1和V2在置换器到达行程末端前关闭，行程顶部、底部都是如此。

图7a、7b和7c示出了从低压阶段起始处开始的加热循环，其中置换体积26为最小，置换器20a处于底部，压力大于低压Pl。图7b和7c中的数字1-8示出了阀时序和相应的P-V循环，其概述如下。

1：阀V2打开，使得置换器中的压力下降到Pl。请注意，阀V3b仍然打开，保持高压气体在驱动活塞5a上，以压制所述驱动活塞。

6：在压力下降到Pl之后，V4b打开，使得跨驱动活塞的压力差将置换器拉向顶部。

3：在置换器到达顶部之前，V2关闭，使得压力随着暖气体转移到底端而增加，同时置换器则会在剩下的行程里移动到顶部。

4：V1打开，因此，压力增加到高压Ph。注意，V4b仍然打开，导致驱动活塞将置换器保持在顶部。

7：V1关闭，接着压力随着置换器移动到底部及气体从冷端转移到暖端而下降，。

这个循环有三个原则。第一是当阀V1和V2切换压力时，驱动活塞上方的压力将置换器保持在顶部或底部。第二是在达到高压或低压后切换驱动活塞上方的压力，第三是在置换器到达顶部或底部之前关闭阀V1和V2。重要的是要注意，通过让V2打开的时间长于V1和在V2之后使V1打开超过90°来优化冷却循环并不会对加热循环不利，因为加热管线18b可以位于距离冷却管线18a超过90°的地方。

系统300的阀时序可以与系统100的相同。系统200的阀和阀时序的表述会示出出更多的对称性，因为驱动活塞5b上方和下方的压力必须在相同时间切换。因此，需要折中以平衡良好的冷却循环和良好的加热循环。

以下请求保护范围不限于所引用的特定组件。例如，示出为线性致动的开关阀1可以被替换为旋转启用阀。第二半径上的加热端口可以改为处于第三半径上。在这些请求保护的范围内，还包括对于简化机械设计而言并非最佳的操作限制。在本文中使用的术语和描述仅作为说明阐述，并不意味着限制。本领域的技术人员将认识到，在本发明及本文中所描述的实施例的精神和范围内，许多变型是可能的。

Claims (14)

1.一种用于自压缩机接收处于第一压力的气体并返回处于第二压力的所述气体的低温膨胀机，其包括：

置换器组件，所述置换器组件气动驱动并往复运动，所述置换器组件包括：

置换器，所述置换器处于置换器气缸中，在所述置换器气缸的暖端和冷端之间往复运动，在所述置换器气缸中产生暖置换体积和冷置换体积，气体在暖置换体积和冷置换体积之间流动通过再生器；

驱动杆，所述驱动杆附接到所述置换器的暖端，并且延伸穿过杆套；以及

驱动活塞，所述驱动活塞具有顶部和底部，所述驱动活塞的所述底部附接到所述驱动杆的顶端，在驱动活塞气缸内往复运动，所述驱动活塞具有大于所述驱动杆的直径，所述驱动活塞将所述驱动活塞上方的顶部体积与所述驱动活塞下方的底部体积分离；以及

阀组件，所述阀组件能够提供冷却模式和加热模式以分别产生冷却和加热，所述阀组件包括：

阀座；

阀盘，所述阀盘在所述阀座上旋转，其中所述阀座具有在第一半径处的连接到所述置换器气缸或阀致动器的端口、在第二半径处的连接到所述驱动活塞气缸的端口、以及在第二压力下连接到所述压缩机的中央端口，所述阀盘具有槽，所述槽将处于第一压力和第二压力的气体交替地连接到第一半径处的所述端口和第二半径处的所述端口，且第二半径处的所述端口包括冷却端口和加热端口，并且其中所述阀盘的旋转方向保持恒定；以及

开关阀，所述开关阀处于第二半径处的所述端口与所述驱动活塞上方的所述顶部体积之间，其中所述开关阀被配置为将所述冷却端口或所述加热端口连接到所述驱动活塞上方的所述顶部体积，以提供冷却模式或加热模式。

2.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述开关阀被配置为：当所述膨胀机处于冷却模式中时，将所述加热端口连接到所述驱动活塞下方的所述底部体积；且当所述膨胀机处于加热模式中时，将所述冷却端口连接到所述驱动活塞下方的所述底部体积。

3.根据权利要求2所述的低温膨胀机，其中所述开关阀被配置为：当所述膨胀机处于冷却模式中时，将所述冷却端口连接到所述驱动活塞上方的所述顶部体积；当所述膨胀机处于加热模式中时，将所述加热端口连接到所述驱动活塞上方的所述顶部体积。

4.根据权利要求2所述的低温膨胀机，其中所述开关阀包括线轴，所述线轴被配置为旋转地切换所述加热端口和所述冷却端口与所述驱动活塞下方的底部体积的连接。

5.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述开关阀被配置为：当所述膨胀机处于冷却模式中时，只有所述冷却端口与所述驱动活塞上方的所述顶部体积流体连通；当所述膨胀机处于加热模式中时，只有所述加热端口与所述驱动活塞上方的所述顶部体积流体连通。

6.根据权利要求5所述的低温膨胀机，其中所述开关阀包括线轴，所述线轴被配置为线性地切换所述冷却端口和加热端口与所述驱动活塞上方的所述顶部体积的连通。

7.根据权利要求5所述的低温膨胀机，其中分别将所述冷却端口和所述加热端口连接到所述驱动活塞上方的所述顶部体积的管线具有不同的流动阻抗。

8.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述开关阀包括：

线轴，所述线轴用于将所述冷却端口或所述加热端口连接到所述驱动活塞上方的所述顶部体积；以及

致动器，所述致动器用于线性地或旋转地启动所述线轴。

9.根据权利要求8所述的低温膨胀机，其中所述线性地启动的致动器被配置为控制通过所述开关阀的压降，以控制所述置换器向上和向下移动的速度。

10.根据权利要求9所述的低温膨胀机，其中所述线性地启动的致动器被配置为控制所述开关阀打开的程度以控制压降。

11.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中当冷却及加热时，所述置换器停留在所述置换器气缸的暖端或冷端处直到压力达到所述第一压力或所述第二压力，然后所述置换器向另一端移动。

12.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述第一半径处的端口与所述置换器气缸的所述暖置换体积连接。

13.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述置换器组件还包括与所述置换器气缸的所述冷置换体积连接的冷入口阀和冷出口阀，并且其中：

所述第一半径处的端口与所述阀致动器连接；

所述阀致动器包括第一阀致动器，当所述第一阀致动器与所述压缩机的第一压力连接时，所述第一阀致动器用于打开所述入口阀；并且

所述阀致动器包括第二阀致动器，当所述第二阀致动器与所述压缩机的第一压力连接时，所述第二阀致动器用于打开所述出口阀。

14.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述加热端口位于比所述冷却端口更靠近所述第一半径处的端口之一的位置。

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