[发明专利]具有机械驱动扩展器的低温斯特林制冷机

说明书

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。

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。