專利名稱：線性驅(qū)動(dòng)低溫冷凍機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
(無(wú))
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有類型的低溫冷凍機(jī)中，一工作流體，諸如氦氣，是被導(dǎo)入于一汽缸中，以及 該流體是在一活塞或是置換器的一端部膨脹以冷卻一冷凍汽缸。在Gifford-McMahon類型 冷凍機(jī)中，一高壓工作流體是經(jīng)閥進(jìn)入該冷凍機(jī)的一溫暖端部，以及接著通過(guò)一置換器的 運(yùn)動(dòng)通過(guò)一蓄熱器。該流體，在該蓄熱器被冷卻，接著在該置換器的冷端部被膨脹。該置換 器的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)一旋轉(zhuǎn)馬達(dá)被驅(qū)動(dòng)。一級(jí)低溫冷凍機(jī)以及兩級(jí)低溫冷凍機(jī)也為現(xiàn)有。典型地，該第一級(jí)包含一第一置 換器。該第一置換器往復(fù)運(yùn)動(dòng)該工作流體于膨脹以及壓縮之間。該第二級(jí)包含一第二置換 器。該第二置換器也往復(fù)運(yùn)動(dòng)該工作流體于膨脹以及壓縮之間。典型地，該第一以及第二 置換器是互相聯(lián)接以及是通過(guò)一習(xí)知旋轉(zhuǎn)馬達(dá)被驅(qū)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
據(jù)信一低溫冷凍機(jī)的第一以及第二級(jí)實(shí)際中在不同的負(fù)載下操作，或也即該第一 置換器的沖程長(zhǎng)度，沖程速度，沖程位移輪廓，以及沖程相位應(yīng)不同于該第二置換器的沖程 長(zhǎng)度，速度，位移輪廓，以及相位操作。這常在該低溫冷凍機(jī)已設(shè)計(jì)完成以及放入實(shí)際運(yùn)用 后被發(fā)現(xiàn)。通常，此類的冷凍機(jī)包含一機(jī)械的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)操作該第一以及該第二級(jí)兩者。該機(jī) 械的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)將以相同沖程長(zhǎng)度，速度，位移輪廓，以及相位操作該低溫冷凍機(jī)的該等級(jí)。 通常通過(guò)改變?cè)撔D(zhuǎn)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的操作參數(shù)以增加該低溫冷凍機(jī)的效率是困難的。許多時(shí) 候，在稍微改變?cè)撔D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的操作參數(shù)之后增加效率是不成功的，增加該低溫冷凍機(jī)的一 整體效率的方法是設(shè)計(jì)一具有不同的沖程參數(shù)的第二新低溫冷凍機(jī)。—般地，沖程的速率，該汽缸體積以及該工作流體的溫度是決定該低溫冷凍機(jī)級(jí) 的效率的參數(shù)。這必須以閥的適當(dāng)時(shí)點(diǎn)所完成，該閥以一壓力波動(dòng)確保該閥于適當(dāng)時(shí)間開(kāi) 啟。一般地，在該技藝中的一項(xiàng)問(wèn)題是該第二級(jí)完全地取決于該第一級(jí)，以及一第二級(jí)置換 器沖程是不幸地連結(jié)至該第一級(jí)的效能。本發(fā)明的低溫冷凍機(jī)是較該先前技藝?yán)鋬鰴C(jī)有效率的，由于該第二級(jí)的操作非通 過(guò)該第一級(jí)所限制。不同的操作參數(shù)(諸如沖程長(zhǎng)度及該置換器的位移輪廓，置換器相位， 以及其它置換器往復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù))對(duì)于每一級(jí)可為獨(dú)立且在該等級(jí)之間改變。此級(jí)的獨(dú)立操 作說(shuō)明該第一以及該第二級(jí)不同的負(fù)載而沒(méi)有從事該冷凍機(jī)一完整的重新設(shè)計(jì)。該低溫冷 凍機(jī)具有一第一級(jí)，其相對(duì)該第二級(jí)獨(dú)立地操作用于改良該低溫冷凍機(jī)的溫度控制。
根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的某些具體實(shí)施例，在此提供一低溫冷凍機(jī)，其具有一第一級(jí)，一 第二級(jí)，以及用于每一級(jí)的一線性馬達(dá)。該用于每一級(jí)的線性馬達(dá)允許該兩級(jí)的獨(dú)立控制。 該線性馬達(dá)是可操作地被連接至一置換器。在該冷凍機(jī)的另一級(jí)，一第二線性馬達(dá)是可操 作地被連接至一第二置換器。該置換器是一活塞式(piston-like)組件，其用于每一級(jí)在 一冷凍汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該線性馬達(dá)控制每一置換器的一沖程。在另一具體實(shí)施例，該線性馬達(dá)允許在該第一級(jí)中在一第一沖程長(zhǎng)度操作一第一 置換器，以及在該第二級(jí)中在一第二沖程長(zhǎng)度操作一第二置換器。該第一沖程長(zhǎng)度以及該 第二沖程長(zhǎng)度可為不同，或是可為相同。該冷凍機(jī)可被制造如一 Gifford McMahon冷凍機(jī)，以及可包含一氣體控制閥。該 閥允許高壓氦工作氣體進(jìn)入冷凍汽缸，以及一第二閥從冷凍汽缸排出該工作氣體。該閥可 為電子閥，機(jī)械閥，以及可為短管閥(spool valve) 0閥操作可通過(guò)該控制器被控制以及非 通過(guò)該置換器的運(yùn)動(dòng)預(yù)先定義。該低溫冷凍機(jī)較佳地具有兩線性馬達(dá)，每一個(gè)可操作地被連接至一置換器用于該 第一以及該第二級(jí)的每一個(gè)。該線性馬達(dá)可被控制以及允許在該第一級(jí)中在一第一沖程速 度，沖程長(zhǎng)度，位移輪廓，循環(huán)速度，或是相位操作一第一置換器，以及在該第二級(jí)中在一第 二可能地不同的沖程速度，長(zhǎng)度，位移輪廓，循環(huán)速度或是相位操作一第二置換器。該沖程 速度，長(zhǎng)度，相位，輪廓或是循環(huán)速度，如果需要，也可為相同。該低溫冷凍機(jī)也可包含一振動(dòng)阻尼裝置與該冷凍機(jī)相聯(lián)系。該振動(dòng)阻尼裝置移除 通過(guò)該線性馬達(dá)造成的不想要的振動(dòng)，或是移除與該置換器往復(fù)運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的振動(dòng)。該阻 尼裝置本質(zhì)上可為主動(dòng)式或是被動(dòng)式。一位置傳感器可被放置在該置換器之上，或是在該 低溫冷凍機(jī)的另一位置，以量測(cè)一第一或是一第二置換器的位置，以及提供一回饋信號(hào)。該 回饋信號(hào)可被接收，以及該第一以及第二級(jí)的獨(dú)立控制是根據(jù)該回饋信號(hào)完成。在一進(jìn)一 步具體實(shí)施例，該系統(tǒng)可為開(kāi)路(open-loop)操作。在本發(fā)明內(nèi)容的更進(jìn)一步具體實(shí)施例， 一工作流體可被導(dǎo)入至該第一級(jí)，以及該工作流體可與該第二級(jí)的該工作流體熱力學(xué)上的 隔離。一不同的工作流體可被使用在每一級(jí)用于增加效率。在一壓力對(duì)體積曲線圖上所指出的面積界定在該冷凍機(jī)的一循環(huán)中所產(chǎn)生的總 冷卻。這對(duì)于該冷凍機(jī)的每一級(jí)是正確的。冷卻速率，或是每單位時(shí)間所產(chǎn)生的冷卻，是此PV面積除以一循環(huán)所需的時(shí)間。 因此，對(duì)于每一級(jí)
權(quán)利要求
1.一種低溫冷凍機(jī)包含一第一級(jí)；一第二級(jí)；氣體控制閥，其用于準(zhǔn)許高壓氣體進(jìn)入第一及第二級(jí)以及用于從該第一及第二級(jí)排出 該氣體；以及一第一線性馬達(dá)，其被連接至用于該第一級(jí)的一第一置換器，以及一第二線性馬達(dá)，其 被連接至用于該第二級(jí)的一第二置換器，允許該兩級(jí)的獨(dú)立控制。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，其中該線性馬達(dá)允許(i)在該第一級(jí)中在一第一 沖程操作該第一置換器，以及(ii)在該第二級(jí)中在一第二沖程操作該第二置換器。
3.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，進(jìn)一步包含一氣體控制閥，其用于準(zhǔn)許高壓氣體 進(jìn)入該第一以及第二級(jí)，以及一第二氣體控制閥，其用于從該第一以及第二級(jí)排出氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，其中該線性馬達(dá)允許在該第一級(jí)中在一第一沖程 長(zhǎng)度操作該第一置換器，以及在該第二級(jí)中在一第二沖程長(zhǎng)度操作該第二置換器。
5.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，其中該線性馬達(dá)允許在該第一級(jí)中在一第一沖 程位移輪廓操作該第一置換器，以及在該第二級(jí)中在一第二沖程位移輪廓操作該第二置換ο
6.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，其中該線性馬達(dá)允許在該第一級(jí)中在一第一沖程 速度操作該第一置換器，以及在該第二級(jí)中在一第二沖程速度操作該第二置換器。
7.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，進(jìn)一步包含一阻尼裝置與該冷凍機(jī)相聯(lián)系以移除一振動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的低溫冷凍機(jī)，其中該阻尼裝置是主動(dòng)式。
9.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，進(jìn)一步包含一位置傳感器，以量測(cè)至少該第一或 是該第二置換器的位置。
10.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，進(jìn)一步包含一工作流體被導(dǎo)入至該第一級(jí)，以及 其中該第一級(jí)的工作流體是從該第二級(jí)的工作流體區(qū)隔。
11.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，其中該第一以及第二線性馬達(dá)是電磁馬達(dá)。
12.如權(quán)利要求1所述的低溫冷凍機(jī)，其中該低溫冷凍機(jī)是一GiffordMcMahon兩級(jí)冷 凍機(jī)。
13.一種低溫冷凍機(jī)包含一第一級(jí)冷凍汽缸；一第一置換器，在該第一級(jí)冷凍汽缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其位移冷凍氣體于該第一級(jí)冷凍汽 缸的相反端部之間；一第一蓄熱器，其冷卻該被位移的冷凍氣體；一第一線性馬達(dá)，其是可操作地被連接至該第一置換器，以及第一線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)該第 一置換器于往復(fù)運(yùn)動(dòng)中；一第二級(jí)冷凍汽缸；一第二置換器，其用于在該第二級(jí)冷凍汽缸的相反端部之間位移冷凍氣體；一第二蓄熱器，其冷卻該冷凍氣體；一第二線性馬達(dá)被可操作地被連接至該第二置換器，第二置換器驅(qū)動(dòng)該第二置換器在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中；至少一位置傳感器以決定該第一或是該第二置換器的位置；氣體控制閥，用于準(zhǔn)許高壓氣體進(jìn)入第一以及第二級(jí)冷凍汽缸以及用于從該第一以及 第二級(jí)冷凍汽缸排出該氣體；以及一控制器可操作地被連接至至少該位置傳感器上以及至該第一以及該第二線性馬達(dá)， 該控制器以一獨(dú)立方式控制該第一以及第二線性馬達(dá)。
14.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該控制器響應(yīng)于從該位置傳感器的輸出而 在往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間控制該第一以及該第二置換器的沖程參數(shù)。
15.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該控制器響應(yīng)于從該位置傳感器的輸出而 在往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間獨(dú)立地控制該第一以及該第二置換器的沖程參數(shù)。
16.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該第二線性馬達(dá)是被連接至該第二置換 器，該第二置換器同軸地通過(guò)該第一置換器。
17.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該第二線性馬達(dá)是通過(guò)一輸出軸被連接至 該第二置換器，該輸出軸被配置鄰近于相對(duì)于該第一置換器。
18.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該控制器通過(guò)控制該第一線性馬達(dá)而控制 第一級(jí)的溫度。
19.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該控制器通過(guò)獨(dú)立地相對(duì)于第一級(jí)控制該 第二線性馬達(dá)而控制第二級(jí)的溫度。
20.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該控制器通過(guò)控制獨(dú)立地變化該第二線性 馬達(dá)相對(duì)于第一線性馬達(dá)的沖程輪廓以及長(zhǎng)度而控制第二級(jí)的溫度。
21.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，進(jìn)一步包含一阻尼裝置以移除一振動(dòng)。
22.如權(quán)利要求21所述的低溫冷凍機(jī)，其中該阻尼裝置是主動(dòng)式。
23.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該控制器變化該第一或是該第二置換器的 沖程長(zhǎng)度、沖程速度以及沖程相位的至少其中之一。
24.如權(quán)利要求13所述的低溫冷凍機(jī)，其中該第一以及第二線性馬達(dá)是電磁馬達(dá)。
25.如權(quán)利要求M所述的低溫冷凍機(jī)，其中該低溫冷凍機(jī)是一GiffordMcMahon兩級(jí)冷 凍機(jī)。
26.一種操作兩級(jí)低溫冷凍機(jī)的方法包含在相同或是不同的冷凍汽缸中提供至少兩置換器；以活門(mén)調(diào)節(jié)氣體進(jìn)入該至少兩置換 器以及從該至少兩置換器離開(kāi)；以及通過(guò)獨(dú)立地控制該至少兩置換器而控制溫度。
27.如權(quán)利要求沈所述的方法，進(jìn)一步包含移除與該兩級(jí)低溫冷凍機(jī)相聯(lián)的振動(dòng)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包含主動(dòng)地移除該振動(dòng)。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包含被動(dòng)地移除該振動(dòng)。
30.如權(quán)利要求沈所述的方法，進(jìn)一步包含獨(dú)立地控制至少一置換器以相對(duì)第二置換 器變化置換器沖程參數(shù)。
31.如權(quán)利要求沈所述的方法，進(jìn)一步包含獨(dú)立地控制至少一置換器以相對(duì)第二置換 器變化置換器速度。
32.如權(quán)利要求沈所述的方法，進(jìn)一步包含獨(dú)立地控制至少一置換器以相對(duì)第二置換器變化置換器相位。
33.如權(quán)利要求沈所述的方法，進(jìn)一步包含通過(guò)獨(dú)立地變化至少一置換器相對(duì)于第二 置換器往復(fù)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，獨(dú)立地控制該兩級(jí)的溫度。
34.如權(quán)利要求沈所述的方法，進(jìn)一步包含感測(cè)兩置換器的至少其中之一的位置。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，進(jìn)一步包含獨(dú)立地控制該兩級(jí)以響應(yīng)該等置換器至少 其中之一的位置。
36.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中該冷凍機(jī)冷卻低溫排氣(cryopumping)表面。
37.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中該冷凍機(jī)冷卻一半導(dǎo)體。
38.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中該置換器是通過(guò)電磁馬達(dá)被控制。
39.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中該低溫冷凍機(jī)是一GiffordMcMahon兩級(jí)冷凍機(jī)。
40.一種低溫冷凍機(jī)包含 一第一級(jí)；一第二級(jí)；以及 用于獨(dú)立地控制兩級(jí)的手段。
41.如權(quán)利要求40所述的低溫冷凍機(jī)，其中該獨(dú)立控制包含控制可變因素，可變因素 包含至少冷凍機(jī)的沖程長(zhǎng)度，冷凍機(jī)的循環(huán)速率，置換器的速度，以及當(dāng)閥相對(duì)于一置換器 的位置操作的時(shí)點(diǎn)的其中之一。
全文摘要
一低溫冷凍機(jī)具有一個(gè)冷凍汽缸以及至少兩個(gè)置換器。每一置換器在冷凍汽缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及移動(dòng)冷凍氣體通過(guò)該冷凍汽缸。一蓄熱器冷卻該冷凍氣體，以及氣體控制閥準(zhǔn)許高壓氣體進(jìn)入該冷凍汽缸以及從該冷凍汽缸排出氣體。該冷凍機(jī)也具有線性馬達(dá)被可操作地連接至置換器，以及該線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)該置換器于往復(fù)運(yùn)動(dòng)中。提供一位置傳感器以決定該置換器在往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間的一參數(shù)。一控制器被可操作地連接至該線性馬達(dá)以控制該線性馬達(dá)。在往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間，該控制器控制該兩置換器的一參數(shù)。該參數(shù)可為沖程長(zhǎng)度，沖程速度，沖程相位或是該置換器用于該低溫冷凍機(jī)溫度控制的另一參數(shù)。該低溫冷凍機(jī)也可包含一裝置以移除振動(dòng)。
文檔編號(hào)F25B9/00GK102099640SQ200980127629
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者布魯斯·R·安迪恩, 羅納德·N·莫里斯, 艾倫·J·巴特雷 申請(qǐng)人:布魯克機(jī)械公司