具有磁性往复运动活塞的低温制冷机的制作方法
【专利说明】具有磁性往复运动活塞的低温制冷机
[0001]相关申请
[0002]当前的专利申请要求2013年8月2日提交的名称为“外部驱动低温制冷机”的美国临时专利申请系列号第61/861,588号的优先权，该临时申请的内容通过引用整体结合于此。
技术领域
[0003]在此描述的主题涉及低温制冷机，其包括压力波发生器和制冷装置(例如，冷头(coldhead)，在气体暴露于制冷装置的表面时，该制冷装置可以用于液化气体。更具体地说，压力波发生器包括一个或多个往复运动马达，且电磁定子在加压容器的外部，每个马达包括磁铁制成的磁性活塞，该磁铁具有横向相对的极，所述活塞被构造成在加压容器之内滑动，同时使得活塞和加压容器之间的摩擦最小。
【背景技术】
[0004]大量的病人遭受呼吸疾病，如，慢性阻塞性肺病(COPD)。由于这种病人的肺的有效性降低，为了舒适和活动，这些病人需要补充氧气支持。典型地，这些病人使用的氧气作为加压气体或作为液化氧来提供，这使得能够比气态氧更紧凑和轻量地存储，并且在病人活动期间特别有益。虽然大部分液态氧从中心来源输送，氧的现场液化已经被已知通过传统低温制冷机来进行。这种传统的低温制冷机包括马达供能的制冷循环。这种马达包括定子和活塞，二者与多个其他元件(例如，高渗透性材料(如铁、电工钢、磁轭和其他类似材料)制成的各种元件)一起结合在加压容器中，以将高纯度工作气体包含在典型的超纯的氦中，所述超纯的氦在所有其他物质变成液体或固体时在低温下仍保持气态。这个传统马达的结构非常复杂，并且会在导线或它们的绝缘方面存在故障的电磁定子仅能够通过破裂或打开加压容器才能修理或更换。于是，传统马达和相关的低温制冷机是非常昂贵的。
【发明内容】
[0005]在一个方面，描述了一种马达，该马达包括定子，通电线圈、加压容器和活塞。所述定子能够限定中断高透磁性材料的回路的空间。所述通电线圈能够围绕定子的一部分缠绕。在交变电流穿过通电线圈时，所述电磁线圈能够在定子和所述定子限定的所述空间内中产生反向磁场。所述加压容器能够被放置在所述定子封闭的空间内。所述活塞能够被放置在所述加压容器内侧。所述活塞能够响应于所述反向磁场在所述加压容器之内滑动。
[0006]在一些变型中，以下特征中的一个或多个可以被单独或以任何可行的组合实现。所述活塞能够包括具有相对和横向极性的第一磁铁和第二磁铁的组合。所述第一磁铁和第二磁铁可以结合在共同的轴线上。所述第一磁铁和第二磁铁中的每一个可以是圆柱形的。加压容器的相当大部分可以是圆筒形的。第一磁铁和第二磁铁中每一个的直径可以基本上等于所述加压容器的圆筒形部分的内径。由所述定子限定的所述空间的表面和所述第一磁铁和第二磁铁中的至少一个的外表面之间的距离可以小于两毫米。所述活塞的至少圆周部分可以涂覆有低摩擦材料，当所述活塞在所述加压容器之内滑动时，该低摩擦材料能够使得所述活塞的外表面和所述加压容器的内表面之间的摩擦最小。所述活塞在所述加压容器之内的滑动可以是谐振往复运动。
[0007]所述加压容器可以连接到冷头上，所述冷头包括移相网络(phasing network)。所述活塞在所述加压容器之内的谐振往复运动可以导致所述加压容器和所述移相网络之内的工作流体的振荡流。所述工作流体在所述移相网络之内的振荡流可以导致所述冷头的至少一些部分的温度的降低。所述冷头的至少一些部分的降低的温度可以导致暴露于所述冷头的外表面的气体的液化。所述工作流体可以包括氦、氢、二氧化碳和氩中的至少一种。通过暴露于所述冷头的外表面而液化的气体可以是氧。
[0008]所述加压容器可以由低传导率和非铁磁性材料制成。所述低传导率和非铁磁性材料可以是不锈钢、铬镍铁合金玻璃、碳和钛合金中的一种。活塞可以包括多个磁铁，所述多个磁铁与所述定子联接，以产生趋于将活塞返回到活塞的中间行程位置的回复力。在由于反向磁场导致所述活塞在加压容器中滑动时所述定子和通电线圈可以位于环境空气中。所述定子可以是可去除的和可更换的，而不必打开或断开加压容器。
[0009]在另一方面，描述了一种系统，该系统能够包括压力波发生器以及与所述压力波发生器流体耦接的声学负载。该压力波发生器可以包括一个或多个马达。所述一个或多个马达中的至少一个马达包括定子、通电线圈、加压容器和活塞。所述定子可以限定中断高透磁性材料的回路的空间。所述通电线圈可以围绕所述定子的一部分缠绕。在交变电流穿过所述通电线圈时所述通电线圈可在所述定子和由所述定子限定的空间内产生反向磁场。所述加压容器可以放置在由所述定子封闭的空间内。所述活塞可以放置在所述加压容器的内侧。响应于所述反向磁场，所述活塞可以在所述加压容器内往复运动。
[0010]在一些变型中，以下特征中的一个或多个可以单独或以任何可行组合实现。所述声学负载可以是斯特林循环制冷器和脉冲管声学斯特林制冷器中的至少一个。在一个示例中，所述声学负载可以是压缩机头。所述一个或多个马达可以包括至少两个马达。当包括所述至少两个马达时，它们可以在功能上相组合以抵消在压力波发生器内的机械振动。所述加压容器可以是仅向所述声学负载开放的气密外壳的一部分。所述声学负载可以是冷头(coldhead)。所述冷头可以包括移相网络。所述加压容器可以连接到冷头。所述活塞在所述加压容器之内的往复运动可以导致工作流体在加压容器和冷头之内的振荡流。所述工作流体在声学负载之内的振荡流可以导致所述声学负载的一部分的温度的降低。所述声学负载的一部分的降低的温度可以导致暴露于所述声学负载的外部表面的气体的液化。
[0011]在再一方面，描述了一种系统，该系统包括被构造成将气体与气体混合物分离的气体源以及被构造成从所述气体源接收被分离的气体以便液化该气体的低温制冷机。所述低温制冷机可以包括压力波发生器和制冷装置，在气体暴露于该制冷装置的外表面时该制冷装置液化该气体。所述压力波发生器可以包括至少一个往复马达。所述至少一个往复马达可以包括限定一空间的定子。通电线圈可以围绕所述定子的一部分缠绕。当交变电流穿过所述通电线圈时所述通电线圈可以在所述定子内和所述定子限定的空间内产生反向磁场。所述至少一个往复运动马达还可以包括加压容器，该加压容器能够被放置在由定子限定的空间之内。所述加压容器能够封闭所述活塞，使得所述活塞响应于所述反向磁场通过在所述加压容器内滑动而往复运动。
[0012]在一些变型中，以下特征中的一个或多个可以单独或以任何可行组合实现。所述制冷装置可以包括移相网络。所述活塞在所述加压容器之内的往复运动可以导致工作流体在所述加压容器和所述制冷装置之内的振荡流。所述工作流体在所述制冷装置之内的振荡流可以导致所述制冷装置的一部分的温度的降低。所述制冷装置的一部分的降低的温度可以导致暴露于包括所述移相网络的声学负载的外部表面的气体的液化。所述系统还包括存储容器，该存储容器收集并存储被液化的气体。所述气体源可以是将气体从气体混合物中分离的空气分离装置。在一个示例中，所述空气分离装置可以是分子筛。在另一示例中，所述空气分离装置可以包括热交换器，该热交换器包括多个热交换器通道。所述气体的混合物可以包括由压缩机压缩的气体。所述气体源可以从压缩机接收气体的混合物。所述气体的混合物可以是环境空气。被分离的气体可以是气态氧。所述被液化的气体可以是液体氧，该液体氧要被提供到一个或多个病人使用的至少一个医疗装置。
[0013]要指出的是，在此处描述的低温制冷机的背景下，术语冷头、声学负载和制冷装置已经被可互换地使用。
[0014]也描述了相关的设备、系统、方法、技术和物品。
[0015]在此描述的主题提供了很多优点。例如，在压力容器外部的低温制冷机的马达有利地使得定子能够在不进入由加压容器包封的加压体积内的情况下被去除和更换。在不破裂加压容器的情况下定子的可去除性和可更换性能够增强低温制冷机的连续操作时间，而不需要主要维护或维修，并且能够显著降低低温制冷机的成本。有利地是，外部定子提供了对绕组的线圈内的电流所导致的电阻热的改善的冷却，并且消除了在压力容器中的成本高的且专用的电馈入装置，否则会需要该电馈入装置将电流承载到内部马达绕组。此外，仅包封活塞(包括其上的任何非磁性帽、如作用为制造工具和行程末端减震器的铝帽)的加压容器有利地提供了简单且大部分管状的结构，该结构比足以将整个马达封闭在其中的容器更小且重量更轻，并因此容易制造。此外，在此描述的低温制冷机的结构和材料能够确保若干年的操作寿命，而不必维护，由于治疗呼吸疾病，如慢性阻塞性肺病(COPD)的平均持续时间会是两年到三年，因此这是重要的。
[0016]在此描述的主题的一个或多个变型的细节在附图以及下面的描述中给出。在此描述的主题的其他特征和优点将从该描述和附图并从权利要求书中理解到。
【附图说明】
[0017]图1是示出包括用于液化气体，如氧的低温制冷机的系统的视图；
[0018]图2是示出低温制冷机的制冷过程和相关的结构方面的视图；
[0019]图3是示出包括低温制冷机的替代系统的视图；
[0020]图4是示出在低温制冷机内的两个往复运动马达的往复运动马达的视图；
[0021 ]图5是示出低温制冷机的往复运动马达的透视图的视图；
[0022]图6是示出低温制冷机之内的往复运动马达的磁性活塞的视图；
[0023]图7是示出磁性活塞的内部截面图的视图，该磁性活塞被构造成放置在低温制冷机的往复运动活塞的加压容器之内；
[0024]图8是示出用于构造或组装低温制冷机的各部件的分解图的视图；
[0025]图9是示出组装的低温制冷机的一些部件