[发明专利]气动驱动制冷机

说明书

Gifford‑McMahon低温制冷器包括在制冷体积内的往复式位移器。位移器由气动驱动体积内的驱动活塞气动驱动。气动驱动体积中的压力由阀调控制，所述阀调导致驱动活塞通过驱动活塞的冲程而遵循编程位移曲线。驱动阀调可包括比例阀，所述比例阀提供驱动流体的连续可变的供应和排放。在成比例控制的反馈系统中，控制到驱动体积中的阀门，以最小化位移信号和编程位移曲线之间的误差。阀调与制冷体积的暖端部也可成比例。被动力发生器（诸如，机械弹簧或磁体）可与由驱动流体施加的驱动力相对地向活塞施加力。

相关申请

本申请要求2018年4月9日提交的美国临时申请第62/655,093号的权益。上述申请的全部教导通过参考并入本文。

背景技术

在Gifford-McMahon（GM）型制冷器（诸如，美国专利2,906,101和2,966,035中公开的）中，高压工作流体（诸如，氦气）被阀调到气缸中的制冷体积的暖端部中。然后，通过压差和位移器活塞朝向暖端部的移动（其可携带再生矩阵），流体穿过再生矩阵。流体随着其穿过再生矩阵而被冷却。流体然后在位移器活塞的冷端部处膨胀，并且被进一步冷却，其中，流体从暖端部通过排放阀排放。随着流体流动通过，位移器活塞移动返回朝向制冷体积的冷端部，以冷却再生矩阵。在最初的Gifford专利中，活塞由来自旋转马达的曲柄驱动，并且对于气缸的暖端部的阀门由相同的旋转驱动器控制，以使活塞移动与阀调同步。还参见美国专利3,625,015，其中，旋转马达控制旋转阀，并且通过止转轭以线性移动驱动位移器活塞。如今，该方法用于大多数GM制冷器。

多年来，市场上已经存在GM制冷器，所述GM制冷器依靠气动力，以导致位移器在制冷器气缸内往复移动。参见例如美国专利3,620,029和6,256,997。那些设计可在位移器上经历力不平衡，这导致位移器撞击气缸的底部或顶部。随着寄生力（诸如，摩擦力或粘性力）随着时间而变化，那些力不平衡可出现。美国专利6,256,997提出了使用能量吸收缓冲垫，以吸收位移器对于气缸冲击的能量。然而，冲击仍然导致不必要的振动和其它不利的功能特性。

已经提出了利用阀门而控制到气动驱动体积的流体流动的气动驱动设计。美国专利3,188,819、3,188,821和3,218,815提出了通过诸如凸轮的机械装置而控制阀定时。在一种方法中，与滑阀相关联的凸轮由从制冷器位移器延伸的杆上的圆盘驱动。在其它实施例中，滑阀通过与位移器相关联的端口而被气动控制。在每种情况下，阀门和位移器在结构上密切相关联，并且阀门的定时不容易调整。美国专利3,188,821附加地建议了一种实施例，其中，滑阀由独立于位移器位置的螺线管控制。最近，美国专利4,543,793提出了气动阀，其中，对于气动驱动体积的阀调由电子驱动的滑阀响应于位移器位置而控制。由那些阀调气动驱动系统导致的实际的实施方式是未知的。

发明内容

低温制冷器包括制冷体积，所述制冷体积包括具有暖端部和冷端部的一个或多个互连膨胀室以及在制冷体积内的往复式位移器。制冷体积的暖端部处的气动驱动体积中的驱动活塞联接到位移器。制冷体积阀调控制加压制冷剂气体到制冷体积的暖端部以及从制冷体积的暖端部的循环供应和排放。驱动阀调将驱动流体供应到气动驱动体积以及从气动驱动体积排放。电子控制器利用一个或多个输入的驱动控制信号而控制驱动阀调，所述驱动控制信号通过驱动活塞的冲程而变化，以导致驱动活塞通过驱动活塞的冲程而遵循编程位移曲线。

低温制冷器可包括位移传感器，所述位移传感器响应于驱动活塞或位移器的移动，以提供位移信号，并且电子控制器可控制驱动阀调，以通过驱动活塞的冲程而最小化位移信号和编程位移曲线之间的误差。低温制冷器还包括被动力发生器，所述被动力发生器与由驱动流体施加驱动力相对地将力施加到活塞。

驱动阀调可为比例驱动阀调，所述比例驱动阀调与来自电子控制器的驱动控制信号成比例地提供驱动流体的连续可变的供应和排放。可选地，电子控制器可以足够的速率打开和关闭对于相应供应管线和排放管线的驱动阀调，以在气动驱动体积中的供应压力和排放压力之间提供可变的压力控制。