TWI451055B - 線性驅動低溫冷凍機 - Google Patents

Description

線性驅動低溫冷凍機

本發明關於一低溫冷凍機，以及特別係關於一線性驅動低溫冷凍機。

在習知類型的低溫冷凍機中，一工作流體，諸如氦氣，係被導入於一汽缸中，以及該流體係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類型冷凍機中，一高壓工作流體係經閥進入該冷凍機的一溫暖端部，以及接著藉由一置換器的運動通過一蓄熱器。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。該置換器的運動係藉由一旋轉馬達被驅動。

一級低溫冷凍機以及兩級低溫冷凍機亦為習知。典型地，該第一級包含一第一置換器。該第一置換器往復運動該工作流體於膨脹以及壓縮之間。該第二級包含一第二置換器。該第二置換器亦往復運動該工作流體於膨脹以及壓縮之間。典型地，該第一以及第二置換器係互相聯接以及係藉由一習知旋轉馬達被驅動。

據信一低溫冷凍機的第一以及第二級實際中在不同的負載下操作，或亦即該第一置換器的衝程長度，衝程速度，衝程位移輪廓，以及衝程相位應不同於該第二置換器的衝程長度，速度，位移輪廓，以及相位操作。這常在該低溫冷凍機已設計完成以及放入實際運用後被發現。通常，此類的冷凍機包含一機械的旋轉驅動操作該第一以及該第二級兩者。該機械的旋轉驅動將以相同衝程長度，速度，位移輪廓，以及相位操作該低溫冷凍機的該等級。通常藉由改變該旋轉機械驅動的操作參數以增加該低溫冷凍機的效率係困難的。許多時候，在稍微改變該旋轉驅動的操作參數之後增加效率係不成功的，增加該低溫冷凍機的一整體效率的方法係設計一具有不同的衝程參數之第二新低溫冷凍機。

一般地，衝程的速率，該汽缸體積以及該工作流體的溫度係決定該低溫冷凍機級的效率之參數。這必須以閥的適當時點所完成，該閥以一壓力波動確保該閥於適當時間開啟。一般地，在該技藝中的一項問題係該第二級完全地取決於該第一級，以及一第二級置換器衝程係不幸地連結至該第一級的效能。

本發明之低溫冷凍機係較該先前技藝冷凍機有效率的，由於該第二級的操作非藉由該第一級所限制。不同的操作參數(諸如衝程長度及該置換器的位移輪廓，置換器相位，以及其他置換器往復運動參數)對於每一級可為獨立且在該等級之間改變。此級的獨立操作說明該第一以及該第二級不同的負載而沒有從事該冷凍機一完整的重新設計。該低溫冷凍機具有一第一級，其相對該第二級獨立地操作用於改良該低溫冷凍機的溫度控制。

根據本揭示內容的某些具體實施例，在此提供一低溫冷凍機，其具有一第一級，一第二級，以及用於每一級的一線性馬達。該用於每一級的線性馬達允許該兩級的獨立控制。該線性馬達係可操作地被連接至一置換器。在該冷凍機的另一級，一第二線性馬達係可操作地被連接至一第二置換器。該置換器係一活塞式(piston-like)元件，其用於每一級在一冷凍汽缸內往復運動。該線性馬達控制每一置換器的一衝程。

在另一具體實施例，該線性馬達允許在該第一級中在一第一衝程長度操作一第一置換器，以及在該第二級中在一第二衝程長度操作一第二置換器。該第一衝程長度以及該第二衝程長度可為不同，或是可為相同。

該冷凍機可被製造如一Gifford McMahon冷凍機，以及可包含一氣體控制閥。該閥允許高壓氦工作氣體進入冷凍汽缸，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，機械閥，以及可為短管閥(spool valve)。閥操作可藉由該控制器被控制以及非藉由該置換器的運動預先定義。

該低溫冷凍機較佳地具有兩線性馬達，每一個可操作地被連接至一置換器用於該第一以及該第二級的每一個。該線性馬達可被控制以及允許在該第一級中在一第一衝程速度，衝程長度，位移輪廓，循環速度，或是相位操作一第一置換器，以及在該第二級中在一第二可能地不同的衝程速度，長度，位移輪廓，循環速度或是相位操作一第二置換器。該衝程速度，長度，相位，輪廓或是循環速度，如果需要，亦可為相同。

該低溫冷凍機也可包含一振動阻尼裝置與該冷凍機相聯繫。該振動阻尼裝置移除藉由該線性馬達造成之不想要的振動，或是移除與該置換器往復運動相聯繫之振動。該阻尼裝置本質上可為主動式或是被動式。一位置感測器可被放置在該置換器之上，或是在該低溫冷凍機的另一位置，以量測一第一或是一第二置換器的位置，以及提供一回饋信號。該回饋信號可被接收，以及該第一以及第二級的獨立控制係根據該回饋信號完成。在一進一步具體實施例，該系統可為開路(open-loop)操作。在本揭示內容的更進一步具體實施例，一工作流體可被導入至該第一級，以及該工作流體可與該第二級的該工作流體熱力學上的隔離。一不同的工作流體可被使用在每一級用於增加效率。

在一壓力對體積曲線圖上所指出的面積界定在該冷凍機的一循環中所產生的總冷卻。這對於該冷凍機的每一級係正確的。冷卻速率，或是每單位時間所產生的冷卻，係此PV面積除以一循環所需之時間。因此，對於每一級： 根據該理想氣體定律， 因此在每一級所產生的總冷卻Q 係正比於該在每一級的膨脹體積處理該氣體之速率，或是 _stage 。

依序，藉由該壓縮機所提供的功，因此該輸入動力係正比於其所供應的質量流率[Σ= _stage1 + _stage2 ]。

被傳遞至該應用設施之實際(或是淨)冷卻係該總冷卻減去藉由在該冷凍機其內部各種損失機構。一些在該冷凍機的損失機構之冷頭損(cold head)係衝程及/或循環速度之函數。不管減少該衝程或是速度任一皆減少該總冷卻以及一些損失機構兩者。低溫冷凍機的每一使用者具有其本身的特定低溫冷卻需求。用於該低溫冷凍機的每一級，此可被作為在一特定溫度之一特定負載[例如，瓦特(watts)]。在習知兩級低溫冷凍機，兩級皆被運動學上地結合，因此分擔相同衝程以及循環速度。

符合多數使用者的冷卻需求以及變化第一以及第二級頭損負載之廣泛範圍傳統上意指使用按尺寸製作之低溫冷凍機以超出使用者的要求。此超出能力意指讓溫度較所需要的冷或是該超出係藉由使用加熱器消耗以維持該所需溫度任一；兩者皆係無效率的。一過大的冷凍機亦意指其處理比所需更多的氣體，其轉換比必須壓縮機還要大的需求。用於一或是更多的冷凍級，一增加冷凍容量有時可暫時地被需求。此可藉由增加該衝程或是該循環速度任一而達成。因此，能夠獨立地控制該冷凍機級的該衝程參數以及該速度，一特定冷卻需求的廣泛範圍可被滿足以及具有一改良系統效率。控制也允許一系統滿足短期間增加冷凍需求。

該冷凍可，例如，冷卻低溫排氣(cryopumping)表面，超導體，基板，檢測器，醫療裝置或是任何其他的項目。任何被冷卻之項目可透過一中間流體被冷卻。

從本發明以下示範具體實施例之更詳細描述，上述內容將是明顯的，如說明在隨附圖式中，在該等圖式中，遍及在不同的圖式中的相同部件參照相同元件符號。該等圖式係不必需按比例的，重點在於本發明具體實施例之描述。

本發明示範具體實施例的描述如下。

見圖1A至1D，在此顯示一低溫冷凍機的數級。低溫冷凍機具有一高壓閥10，以及一具有一第一置換器30之低壓閥20，以及在一冷凍汽缸50中之一第二置換器40。較佳地，在圖1A中，該高壓閥10係被開啟，以及該置換器30，40包含一再生材料(未顯示)，在此該等置換器係在相位1的一最下方位置，該相位1係在下死點的最小冷體積。高壓工作流體充滿該汽缸50。在圖1B，該工作流體係藉由通過在該置換器30，40中的蓄熱器(未顯示)被冷卻，以及該等置換器30，40從下死點移動至上死點。在圖1C，該高壓閥10係被關閉，以及該低壓閥20係被開啟。該工作流體經過膨脹，其導致冷卻效果。現在見圖1D，該低壓工作流體移動通過在該等置換器30，40之該蓄熱器，以及該等置換器30，40移動回到下死點，以及該工作流體係從該汽缸50通過該低壓閥20被排出。應了解的係該高壓以及低壓閥的開啟以及關閉可能未完美的對齊上死點以及下死點，因為置換器位移以及閥位置的關係之變動係被需要以最佳化該壓力-體積曲線圖以及用於每一特定冷凍機之冷卻。

現在見圖1E，在此係顯示根據本揭示內容該低溫冷凍機100的一具體實施例。在此具體實施例中，該低溫冷凍機100包含一第一馬達140a，以及一第二馬達140b，該等分別地獨立控制該第一置換器150以及該第二置換器155。此允許該第一置換器150的衝程長度為獨立的以及相對於該第二置換器155的衝程長度係不同的。此外，該控制器195可獨立地控制每一置換器150，155的衝程速度，每一置換器150，155的衝程輪廓或是每一置換器150，155的衝程相位以獨立地控制依附於特定系統的第一以及第二級130，135之溫度。

雖然可使用任何形式的馬達，該馬達140a，140b係具有永久磁鐵138a，138b以及線圈199a以及199b之動磁式(moving magnet type)線性馬達。在一替代地具體實施例，該線性馬達140a，140b可為一包含氣動閥以及一壓縮機(未顯示)之系統，用於供應氣體至該第一級置換器150以及該第二級置換器155。第一置換器150以及該第二置換器155的衝程參數可藉由該氣動閥開啟以及關閉的時點被控制。線性馬達的獨立操作有利地可及時被改變而對於獨立級溫度控制無需重新設計低溫冷凍機100。此係有利地使該低溫冷凍機100適應不同的負載以及條件。此外，熱係不被加至第一級以在操作期間建立該第一級的最冷部位所需操作溫度以及由於使用線性馬達140a，140b，該冷凍機控制器可選擇性地控制不同負載，對該第一以及第二級該不同的負載容量比例係可調整的。

應了解的係此配置係非限制性地，以及該配置可為顛倒的，額外同軸向的軸可驅動於額外級中之額外的置換器或是該馬達140a，140b可一起被定位，或是在另一構形以允許驅動至少兩個置換器150，155。該第一馬達140a包含一輸出軸145a。該輸出軸145a係被耦接至該第一級置換器150，以致當馬達往復運動該第一置換器150從該下死點位置至該上死點位置時，該第一馬達140a可控制該第一置換器150的衝程。(在此，用於該衝程長度的下死點以及上死點係藉由該控制器建立以及非最大可能的衝程。)

該第二馬達140b包含一第二輸出軸145b。該第二輸出軸145b係藉由一銷接頭145c被連接至該第二級置換器155。該第二輸出軸145b有利地同軸地通過該軸145a，以及該第一置換器150在一密封形式。據此，該第二馬達140b可控制該第二置換器155的衝程。該第二輸出軸145b往復運動該第二置換器155從該下死點位置至該上死點位置同軸地通過該第一置換器150。

根據圖1E，該低溫冷凍機100較佳地操作於一Gifford McMahon循環下以及包含一工作流體，該工作流體藉由一高壓閥110進入一冷凍汽缸105以及藉由一低壓閥115離開該冷凍汽缸105。然而，此具體實施例係非為限制性，以及該冷凍機100可操作於其他習知的循環下，以及該Gifford McMahon循環係僅只顯示為於本揭示內容下的一具體實施例。該低溫冷凍機100亦包含一壓縮機120，該壓縮機藉由線路160以及162與該低溫冷凍機100連通。線路160係被連接至高壓閥110，以及線路162係被連接至低壓閥115。低壓氣體藉由線路162從閥115返回至該壓縮機120，低壓氣體係被壓縮及係藉由線路160被傳遞至閥110。雖然顯示為一單一壓縮機單元，該壓縮機亦可，例如，包含平行管道壓縮機單元或是允許用於一被壓縮氣體的可變供應。

該冷凍汽缸105具有部位105a以及105b。部位105a界定第一級的一上方溫暖室165以及一下方冷膨脹空間170。該上方溫暖室165以及該下方冷膨脹空間170係藉由一再生矩陣(regenerative matrix)175流體連通，該再生矩陣係在該置換器150中，或是替代地該矩陣175可為固定式以及可被安置於置換器150的外側。

一冷膨脹空間185亦係被安置在第二冷凍機汽缸部位105b中在該第二置換器155下方，其係冷凍機100最冷的部位，以及可達到約絕對溫度4度的低溫。在該第二冷凍汽缸部位105b中在該第二置換器155下方的體積，界定冷膨脹空間185。關於該第二置換器155，室170以及下方冷膨脹空間185係藉由一再生矩陣190流體連通，該再生矩陣係被安置在第二置換器155，或是可被安置在在一固定位置，該固定位置係該置換器155的外側，以及遠離該置換器。圖1E現將詳述該低溫冷凍機100的操作。

於操作中，該第一線性馬達140a係沿著導線140c可操作地耦接至一控制器195。該控制器可與該冷凍汽缸結合或是遠離該冷凍汽缸。該控制器195控制該第一線性馬達140a，以及其控制該第一置換器150的衝程之往復運動。該控制器195亦控制該高壓閥110以及該低壓閥115的開啟以及關閉以在正確的間隔導入該工作流體。該閥110，115可為電子閥，或是可為短管閥。此外，機械閥110，115可以取代電子閥110，115。該控制器195亦透過導線140d可操作地耦接至該第二馬達140b，如此該控制器195控制該第二馬達140b以及該第二置換器155的衝程。

在操作下，該高壓閥110係被開啟。該第一置換器150以及該第二置換器155兩者係在最下方位置，下死點，以及氦或是另一合適的工作流體係從該壓縮機120通過一高壓閥110被導入，以及進入該上方溫暖室165。該高壓工作流體充滿該上方溫暖室165以及通過進入該再生矩陣175。該氣體在第二級連續加壓該氣體空間，包含該第二置換器155上方空間，該第二蓄熱器矩陣190以及該第二膨脹空間185。接下來，該控制器195控制該第一馬達140a以往復運動該軸145a。此移動該第一級軸145a以及該第一馬達140a驅動該第一置換器150從該下死點朝向該上死點位置。該置換器運動將導致該工作流體從通過該上方室165至該下方室或通過該再生矩陣175至汽缸部位105a的膨脹空間170，連同該工作流體相對於相對冷卻矩陣175供給熱。當該流體係被冷卻，該高壓係被維持遍及該流體線路160。

當該第一級置換器150係被帶往朝向該下死點位置，該控制器195接著控制該第二級置換器155，相對於該第一級置換器150預期地具有一不同的衝程長度，衝程速度，位移輪廓，以及/或是往復運動相位。此允許用於一個別的溫度控制，該溫度控制對於該第二級135係理想的/被需要的。該控制器195將控制該第二馬達140b藉由軸145b移動該第二置換器155。該氣體連續從該第一級130移動以及係藉由該第二置換器155的運動，通過該第二再生矩陣190被轉換至該第二級膨脹空間185。

應了解的係，每一置換器的循環速率可為預期地相同，但在該循環期間每一置換器150，155能移動多快可為預期地不同的。在至少該置換器部分朝向溫暖端部運送期間，高壓閥110保持開啟以確保有足夠的氣體膨脹。

該第一置換器150以及第二置換器155將接著靠近或是到達該下死點位置以及高壓閥110係被關閉。當該低壓閥115係被開啟，在膨脹空件170，185的氣體經歷膨脹，導致冷卻效果。

現在以該低壓閥115被開啟，該控制器195控制該第一線性馬達140a以及該第二線性馬達140b以獨立地移動，該第一以及該第二置換器150，155從上死點位置往下地至該下死點位置，藉此移動該工作流體從該膨脹空間170，以及185往上地通過該低壓閥115至線路162以排出該工作流體。之後，重複上方所敘述之循環。再者，應了解的係，由於需最佳化該壓力-體積曲線以及用於該特定冷凍機之冷卻，該閥的開啟以及關閉可非精確地發生在位移的末端。

應了解的係，該第一以及該第二置換器150，155的獨立操作可達到該第一以及該第二級130，135的獨立溫度控制。在操作期間，該第一以及該第二馬達140a，140b的獨立往復運動(以及該同軸地放置的輸出軸145a，145b在不同的時點往復運動)可能造成一不想要的振動之問題，該振動係被傳送至該汽缸105，以及其他附近的結構。因此，本低溫冷凍機100較佳地包含一動態平衡裝置105c以移除一不想要的振動或是除此之外抑制部分藉由該置換器150或是155往復運動以及/或是藉由該第一以及該第二馬達140a，140b的操作所造成的振動。

該阻尼裝置105c較佳地係可操作地被連接至該冷凍汽缸105，或是在另一合適的位置。該阻尼裝置105c可為一主動式阻尼裝置或是一被動式阻尼裝置105c。該主動式阻尼裝置105c較佳地可引起另一第二矯正的振動以消除該不想要的振動。此主動地消除該不想要的振動導致小的或是沒有總振動至該安裝凸緣148。該被動式阻尼裝置105c較佳地包含一經量測的重量，其在一理想的位置係被扣緊至該冷凍汽缸105，以便移除該不想要的振動。較佳地，該阻尼裝置105c係一圍繞該汽缸105的重物，或是該汽缸的一部分，以一同軸方式。

一位置感測器147a，147b可進一步監控該第一以及該第二置換器150，155之一或是兩者的位置，以及連通個別的回饋信號至該控制器195。位置感測轉換器可被放置在每一軸之上，每一置換器，或是往上地或是往下地移動之任一構件之上或是感測該等運動。位置感測器亦可在該線性馬達內。位置感測亦可從該馬達獲得，例如，監控馬達動力或是反電動勢(back EMF)。該控制器195，當接收這些回饋信號，可接著根據該所接收之回饋信號，進一步獨立地控制該第一以及該第二級130，135，用於溫度控制或是該第一以及該第二級130，135的校正。在一具體實施例，該感測器可包含一霍爾效應(Hall effect)位置轉換器元件。

見圖1F，在此顯示一冷凍機100，具有該被動式阻尼裝置105c，以及亦顯示為在圖2之205C，以及在圖3之305C，具有數個重量105d藉由一可撓接頭105e被連接以消除一藉由在反相(anti-phase)振動至該線性馬達之振動。此外，管系105f以及105g係被顯示以導入一冷凍劑(氦)進入以及從該汽缸105通過閥110以及115。圖1F的冷凍機亦係顯示在一低溫真空泵(cryopump)之冷卻低溫排氣表面。該第一級冷卻一輻射遮蔽187以及該第二級冷卻一低溫凝結以及吸收低溫嵌板189。任一習知低溫嵌板構形可藉由該冷凍機被冷卻。該冷凍機可替代地被使用在任一習知低溫設施，包含超導體的冷卻。現在見圖2，在此係顯示本揭示內容的另一具體實施例。在此具體實施例，該低溫冷凍機200係再次被顯示為一具有一高壓閥210以及一低壓閥215的Gifford McMahon冷凍機。該高壓閥210與一線路260連通，該線路與一壓縮機220連通。壓縮機220提供一工作流體，諸如氦，通過該閥210至該低溫冷凍機200。然而，應了解的係，此Gifford McMahon循環係非為限制性，以及本發明可包含其他在該技藝習知之循環。

在圖2所顯示之具體實施例，該第二線性馬達240b相對於圖1E的具體實施例係被不同地定位。在此，該第二線性馬達240b係安置鄰近於該第一線性馬達240a。該輸出軸245b與該第二線性馬達240b相聯繫係非同軸地安置通過該第一置換器250以連接至該第二置換器255。在此具體實施例，該第二軸245b(與該第二線性馬達240b相聯繫)係放置鄰近於該第一置換器250。

在此具體實施例，較佳地，一低溫冷凍機200包含一第一線性馬達240a被連接至一第一置換器250，該第一置換器係覆蓋在一第一冷凍汽缸205a內。該第一冷凍汽缸205a包含一溫暖上方室265以及一冷膨脹空間270。該第一置換器250也包含一再生材料275，如先前所敘述。較佳地，該膨脹空間270與一流徑288在一第一級加熱站290a連通，該第一級加熱站與該第二級冷凍汽缸205b以及第二置換器255連通。

該低溫冷凍機200亦包含該第二線性馬達240b。第二線性馬達240b係藉由第二軸245b被連接至該第二置換器255，該第二置換器係覆蓋在該第二冷凍汽缸205b內。第二冷凍汽缸205b係被連接至該第一級加熱站290a。該第二冷凍汽缸205b界定一空間280以及一冷膨脹空間285。該冷膨脹空間285係安置在該第二置換器255下方。該第二置換器255亦包含一再生材料290在該第二置換器255內側。

在操作中，該高壓閥210係被開啟。該第一250以及第二255置換器係在最下方位置，下死點，以及氦或是另一合適的工作流體係被導入通過一高壓閥210。工作流體從該壓縮機220橫越進入該第一冷凍汽缸205a的上方溫暖室265。

該高壓工作流體充滿該上方溫暖室265以及該第一置換器250的再生矩陣275，加熱站路徑288，空間280，第二置換器255的蓄熱器矩陣290以及膨脹空間285以及該工作流體相對該冷卻再生矩陣275以及290發散熱。當該流體被冷卻，該高壓係被維持遍及該流體線路260。接著，該控制器295控制該第一馬達240a以往復運動第一軸245a，該第一軸係被連接至該第一置換器255。該第一馬達240a驅動該第一置換器250從該下死點往上地朝向該上死點。該加壓氣體移動通過兩蓄熱器矩陣以及係藉由與該蓄熱器矩陣熱交換被冷卻。

現在見第二級，該第二置換器255係藉由輸出軸245b被連接至該第二線性馬達240b，第二級係安置鄰近於該第一冷凍汽缸205a。該第二線性馬達240b移動該第二置換器255從下死點朝向上死點在一預期地不同的速度，衝程長度，衝程輪廓或是相對該第一置換器250衝程的往復運動相位。

當第一置換器250以及第二置換器255兩者接近下死點位置，高壓閥210係被關閉以及當低壓閥215係被開啟，該氣體經歷膨脹。當該第一置換器250係帶往上死點位置，該控制器295同時地控制該第二級以預期地一不同的衝程長度，衝程速度，衝程輪廓或是相對該第一級之衝程相位，以及依附用於該第二級之理想溫度。該控制器295控制該第二馬達240b，第二馬達係放置鄰近於該第一級線性馬達240a，以移動該第二置換器255。

該工作流體係在冷膨脹空間285以及270，一但該低壓閥215係被開啟該工作流體係被膨脹，以及導致達成該冷卻效果。接著，該冷凍汽缸205a，205b係被排出。該控制器295控制該第一線性馬達240a以及該第二線性馬達240b以移動該第一以及該第二置換器250，255從該上死點位置往下地至該下死點位置。此運動驅動該工作流體從該膨脹空間270以及285通過該置換器至該線路262以返回該工作流體至該壓縮機220。應了解的係，第一以及第二置換器250，255的獨立操作可達成第一以及第二級的獨立溫度控制。

現在見顯示在圖3之另一具體實施例，較佳地取代圖2的第一級加熱站290a，該加熱站作用為一氣體通道至該第二級冷凍汽缸305b，該第一級加熱站390a可從該第二冷凍汽缸305b被流體隔離，以及反而一熱傳導區塊390c可被導入該汽缸305a，305b之間以熱地連接該兩級，而從該第二級工作流體隔離該第一級工作流體。在此，該低溫冷凍機300可包含一第二高壓閥310b以及一第二低壓閥315b以從該第二冷凍汽缸305b導入以及排出該工作流體，以致於該第一級流體係隔離以及獨立相對於該第二級的工作流體。這是有利地以高效率達成兩級的溫度控制，現在當每一汽缸可具有獨立閥啟動以及預期地獨立循環速度。

當本發明已參考其之示範具體實施例被特別地顯示以及敘述，應了解的係藉由那些熟知該項技術者，在此所作在形式以及細節上的多種變化是不悖離藉由所附申請專利範圍所包含之本發明的範疇。

10．．．高壓閥

20．．．低壓閥

30．．．第一置換器

40．．．第二置換器

50．．．冷凍汽缸

100．．．低溫冷凍機

105．．．冷凍汽缸

105a,105b．．．汽缸部位

105c．．．阻尼裝置

105d．．．重量

105e．．．可撓接頭

105f，105g．．．管系

110．．．高壓閥

115．．．低壓閥

120．．．壓縮機

130．．．第一級

135．．．第二級

138a，188b．．．永久磁鐵

140a．．．第一馬達

140b．．．第二馬達

140c，140d．．．導線

145a．．．輸出軸

145b．．．輸出軸

145c．．．銷接頭

147a，147b．．．位置感測器

148．．．安裝凸緣

150．．．第一置換器

155．．．第二置換器

160，162．．．線路

165．．．上方溫暖的室

170．．．下方冷的膨脹空間或是室

175．．．再生矩陣

185．．．冷的膨脹空間

187．．．輻射遮蔽

189．．．低溫嵌板

190．．．再生矩陣

195．．．控制器

199a，199b．．．線圈

200．．．低溫冷凍機

205a．．．第一冷凍汽缸

205b．．．第二冷凍汽缸

210．．．高壓閥

215．．．低壓閥

220．．．壓縮機

240a．．．第一線性馬達

240b．．．第二線性馬達

245a．．．第一軸

245b．．．輸出軸

250．．．第一置換器

255．．．第二置換器

260．．．線路

265．．．溫暖的上方室

270．．．冷的膨脹空間

275．．．再生材料

280．．．空間

285．．．膨脹空間

288．．．流徑，加熱站路徑

290．．．再生材料

290a．．．第一級加熱站

295．．．控制器

300．．．低溫冷凍機

305a．．．汽缸

305b．．．第二級冷凍汽缸

310b．．．第二高壓閥

390a．．．第一級加熱站

390c．．．熱傳導區塊

圖1A至1D顯示根據一Gifford-McMahon循環，操作兩個置換器以及閥。

圖1E顯示根據本揭示內容之具體實施例的低溫冷凍機的另一概要圖式，具有一第一線性馬達控制一第一置換器以及一第二線性馬達獨立地控制一第二置換器。

圖1F顯示該冷凍機具有一被動式動態平衡器。

圖2-3顯示根據本揭示內容的另一具體實施例的低溫冷凍機之另一概要圖式。

100．．．低溫冷凍機

105．．．冷凍汽缸

105a,105b．．．汽缸部位

105c．．．阻尼裝置

105d．．．重量

105e．．．可撓接頭

105f，105g．．．管系

110．．．高壓閥

115．．．低壓閥

120．．．壓縮機

130．．．第一級

135．．．第二級

138a，188b．．．永久磁鐵

140a．．．第一馬達

140b．．．第二馬達

140c，140d．．．導線

145a．．．輸出軸

145b．．．輸出軸

145c．．．銷接頭

147a，147b．．．位置感測器

148．．．安裝凸緣

150．．．第一置換器

155．．．第二置換器

160，162．．．線路

165．．．上方溫暖的室

170．．．下方冷的膨脹空間或是室

175．．．再生矩陣

185．．．冷的膨脹空間

187．．．輻射遮蔽

189．．．低溫嵌板

190．．．再生矩陣

195．．．控制器

199a，199b．．．線圈

Claims (39)

1. 一種低溫冷凍機包含：一第一級；一第二級；氣體控制閥，其用於准許高壓氣體進入第一及第二級以及用於從該第一及第二級排出該氣體；以及一第一線性馬達，其被連接至用於該第一級之一第一置換器，以及一第二線性馬達，其被連接至用於該第二級之一第二置換器，允許該兩級的獨立控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，其中該線性馬達允許(i)在該第一級中在一第一衝程操作該第一置換器，以及(ii)在該第二級中在一第二衝程操作該第二置換器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，進一步包含一氣體控制閥，其用於准許高壓氣體進入該第一以及第二級，以及一第二氣體控制閥，其用於從該第一以及第二級排出氣體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，其中該線性馬達允許在該第一級中在一第一衝程長度操作該第一置換器，以及在該第二級中在一第二衝程長度操作該第二置換器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，其中該線性馬達允許在該第一級中在一第一衝程位移輪廓操作該第一置換器，以及在該第二級中在一第二衝程位移輪廓操作該第二置換器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，其中該線性馬達允許在該第一級中在一第一衝程速度操作該第一置換器，以及在該第二級中在一第二衝程速度操作該第二置換器。
7. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，進一步包含一阻尼裝置與該冷凍機相聯繫以移除一振動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之低溫冷凍機，其中該阻尼裝置係主動式。
9. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，進一步包含一位置感測器，以量測至少該第一或是該第二置換器的位置。
10. .如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，進一步包含一工作流體被導入至該第一級，以及其中該第一級的工作流體係從該第二級的工作流體區隔。
11. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，其中該第一以及第二線性馬達係電磁馬達。
12. 如申請專利範圍第1項所述之低溫冷凍機，其中該低溫冷凍機係一Gifford McMahon兩級冷凍機。
13. 一種低溫冷凍機包含：一第一級冷凍汽缸；一第一置換器，在該第一級冷凍汽缸中往復運動，其位移冷凍氣體於該第一級冷凍汽缸的相反端部之間；一第一蓄熱器，其冷卻該被位移之冷凍氣體；一第一線性馬達，其係可操作地被連接至該第一置換器，以及第一線性馬達驅動該第一置換器於往復運動中；一第二級冷凍汽缸；一第二置換器，其用於在該第二級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；一第二線性馬達被可操作地被連接至該第二置換器，第二置換器驅動該第二置換器在往復運動中；至少一位置感測器以決定該第一或是該第二置換器的位置；氣體控制閥，用於准許高壓氣體進入第一以及第二級冷凍汽缸以及用於從該第一以及第二級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感測器上以及至該第一以及該第二線性馬達，該控制器以一獨立方式控制該第一以及第二線性馬達。
14. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該控制器回應於從該位置感測器之輸出而在往復運動期間控制該第一以及該第二置換器的衝程參數。
15. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該控制器回應於從該位置感測器之輸出而在往復運動期間獨立地控制該第一以及該第二置換器的衝程參數。
16. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該第二線性馬達係被連接至該第二置換器，該第二置換器同軸地通過該第一置換器。
17. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該第二線性馬達係藉由一輸出軸被連接至該第二置換器，該輸出軸被配置鄰近於相對於該第一置換器。
18. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該控制器藉由控制該第一線性馬達而控制第一級的溫度。
19. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該控制器藉由獨立地相對於第一級控制該第二線性馬達而控制第二級的溫度。
20. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該控制器藉由控制獨立地變化該第二線性馬達相對於第一線性馬達的衝程輪廓以及長度而控制第二級的溫度。
21. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，進一步包含一阻尼裝置以移除一振動。
22. 如申請專利範圍第21項所述之低溫冷凍機，其中該阻尼裝置係主動式。
23. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該控制器變化該第一或是該第二置換器的衝程長度、衝程速度以及衝程相位之至少其中之一。
24. 如申請專利範圍第13項所述之低溫冷凍機，其中該第一以及第二線性馬達係電磁馬達。
25. 如申請專利範圍第24項所述之低溫冷凍機，其中該低溫冷凍機係一Gifford McMahon兩級冷凍機。
26. 一種操作兩級低溫冷凍機的方法包含：在相同或是不同的冷凍汽缸中提供至少兩置換器；以活門調節氣體進入該至少兩置換器以及從該至少兩置換器離開；以及藉由獨立地控制該至少兩置換器而控制溫度。
27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，進一步包含移除與該兩級低溫冷凍機相聯之振動。
28. 如申請專利範圍第27項所述之方法，進一步包含主動地移除該振動。
29. 如申請專利範圍第27項所述之方法，進一步包含被動地移除該振動。
30. 如申請專利範圍第26項所述之方法，進一步包含獨立地控制至少一置換器以相對第二置換器變化置換器衝程參數。
31. 如申請專利範圍第26項所述之方法，進一步包含獨立地控制至少一置換器以相對第二置換器變化置換器速度。
32. 如申請專利範圍第26項所述之方法，進一步包含獨立地控制至少一置換器以相對第二置換器變化置換器相位。
33. 如申請專利範圍第26項所述之方法，進一步包含藉由獨立地變化至少一置換器相對於第二置換器往復運動的參數，獨立地控制該兩級的溫度。
34. 如申請專利範圍第26項所述之方法，進一步包含感測兩置換器的至少其中之一的位置。
35. 如申請專利範圍第34項所述之方法，進一步包含獨 立地控制該兩級以響應該等置換器至少其中之一的位置。
36. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該冷凍機冷卻低溫排氣(cryopumping)表面。
37. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該冷凍機冷卻一半導體。
38. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該置換器係藉由電磁馬達被控制。
39. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該低溫冷凍機係一Gifford McMahon兩級冷凍機。