用于冷冻制冷机的冷头的制作方法与工艺

本发明涉及用于冷冻制冷机的冷头。

背景技术：
WO94/29653描述了一种用于冷冻制冷机的冷头，其与作为工作气体的氦气一起操作并且连接至高压源和低压源。该冷头包括多通道控制阀，其控制高压进口和低压进口至活塞圆筒单元和在暖侧上的冷指的工作腔室的相应连接。在其多个端之一，可以包括回热器的置换器界定暖侧工作腔室，并且在相反端，其界定冷侧工作腔室。尽管回热器通过活塞圆筒单元周期性地往复运动，热不断地从冷头的壳体获得。利用具有单级置换器的冷头，可以产生降至约30K的温度。利用二级或三级置换器，可以产生低于1K的温度。使用处理气体(通常氦气)来在冷头中执行热力循环处理(斯特灵处理或吉福德-麦克马洪处理)，该处理气体引导在闭合回路中。结果是，热从包围置换器的壳体的一个端区域获得。冷头连接至压缩机。由于回路是闭合回路，冷头的高压连接和低压连接都连接到压缩机。此类的压缩机通常包括溢流阀。该溢流阀被布置在布置于高压侧和低压侧之间的回流导管中。通常，溢流阀是弹簧承力的止回阀，其通常针对于例如18巴的压缩机的高压和低压之间的压差而设计。当阻力很高的冷头连接到压缩机时，在压缩机处的高压侧上的工作压力过度增加。为了排放该过度能量，溢流阀打开，从而制冷剂(具体为氦气)经由回流导管流向压缩机的低压侧。由于冷头的循环处理，实现从压缩机到冷头的脉冲式气体供应。这里，气体震荡可能发生。特别是在过了较长的时段，这可能造成溢流阀的频繁打开和闭合。由此，溢流阀将经受显著的过载。这可能导致对溢流阀的阀座的破坏或甚至对于阀座的毁损。进一步，这造成产生明显的噪声和性能上的损失。当溢流阀被破坏时，可能发生油进入制冷回路。另一缺点在于性能损失由于溢流阀在开启压力和关闭压力之间的现存滞后现象而发生。

技术实现要素：
本发明的目的是减小溢流阀上的负载。根据本发明，该目的利用在权利要求1中定义的冷头来解决。用于本发明的冷冻制冷机的冷头具有在壳体(可能为多部分的壳体)中的工作腔室。单级或多级置换器被布置在工作腔室中。冷头进一步包括用于向工作腔室供应高度压缩的制冷剂的高压连接和用于排放膨胀的或低压制冷剂的低压连接。进一步，提供控制阀装置。控制阀装置服务于控制来往于工作腔室的制冷剂的供应和排放。这里，控制装置可以包括多个阀，例如进给阀和排出阀。优选的是控制阀装置具有多通道控制阀，其控制高压连接、低压连接和工作腔室之间的连接。根据本发明，冷头具有布置在高压连接和低压连接之间并且连接这两个连接的旁路通道。如果需要，过量的制冷剂可以直接从高压连接通过所述通道流至低压连接而无需流经冷头。此类出现的过剩能量因此可以经由旁路来排放。结果，集成在压缩机中的溢流阀得以缓解。可能地，溢流阀可以从压缩机完全省略，或其可以仅作为安全装置来提供。结果，至少可以使用明显低成本的溢流阀。在本发明的特别优选的开发中，在旁路通道中布置通流调整装置。可以例如是喷嘴和/或阀。通流调节装置可以是可调节的。在该上下文中，可以在操作之前做出固定设置，从而阀在例如超过压差时打开。进一步，可以允许从外部(例如从冷头外)对通流调整装置进行调节。这样，可以允许在操作期间也能做出相应的调节。由于本发明在优选的包括压力调整装置的冷头中提供旁路，对于使用的压缩机，可以显著减小成本。进一步，可以增强压缩机的操作安全并且可以增加压缩机性能。由压缩机中的破坏的溢流阀所造成的油穿透的风险也被减小。进一步，服务寿命被延长并且可以实现不变的噪声特性。在本发明的优选开发中，冷头具有用于移动置换器的移动装置。移动装置可以是马达。通过可以例如是电机的马达，可以使用槽型导向器来移动置换器。这可以例如通过偏心轮来实现，从而马达的旋转移动可以以简单的方式转换成置换器的纵向移动。作为替代，活塞/圆筒单元可以被提供用于移动置换器。活塞-圆筒单元可以例如经由单独的液压系统来驱动。然而，为了移动的目的，优选的是将活塞-圆筒单元连接到高压连接和低压连接。在优选的实施方式中，活塞-圆筒单元的制动并且因此置换器的移动通过制冷剂来实现。进一步优选的是冷头具有其中提供至少第一连接通道的分配体(“distributorbody”)。第一连接通道服务于连接高压连接至工作腔体。优选地，该连接经由控制阀装置来做出，从而第一连接通道布置在控制阀装置和工作腔体之间。优选地，分配体附加地具有第二连接通道，其布置在控制阀装置和低压连接之间。在特别优选的实施方式中，阀体设计成使得其也包括控制通道。控制通道服务于向移动装置(即，具体的是活塞-圆筒单元)供应和排放控制介质。控制介质优选的是制冷剂。本发明将在下面参考优选实施方式和参考附图来详细解释。附图说明图1是现有技术的冷冻制冷机的示意示图，图2是本发明的冷冻制冷机的示意示图，图3是根据本发明的冷头的实施方式的示意截面图。具体实施方式现有技术的冷冻制冷机(图1)包括压缩机10，其压缩例如氦气的制冷剂。在高压侧，压缩机10经由导管12连接到冷头16的高压连接14。冷头16的低压连接18经由导管20连接到压缩机10的低压侧。为了避免压缩机10上的过载，止回阀24布置在回流导管22中，该回流导管22将压缩机10的高压侧连接到压缩机10的低压侧。在冷头16内提供工作腔室26，其中布置有在图1中未示出的置换器活塞。进给阀28连接到高压连接14，从而当进给阀28开启时，压缩的制冷剂流入进工作腔室26。膨胀的制冷剂可以经由排出阀30导向至低压连接18。在图2中示出的本发明的系统的基本配置中，类似和相同的组件通过相同的参考编号标识。根据示意性示出的本发明，旁路通道32提供在冷头16的进给阀28和冷头16的排出阀30之间，在该旁路通道32中可以布置有通流调整装置。如图2中的虚线所示出的，提供本发明的旁路通道32使得可以省略回流导管22和溢流阀24。在图3的示意性截面图中示出冷头16的优选实施方式。冷头16具有由两个壳体部分34和36所形成的壳体。在壳体部分34中，两个圆筒冷侧工作腔室38和40被提供用于两个置换器级42和44。上部置换器级42界定暖侧工作腔室46并且提供有布置在分配体52的圆筒50中的驱动活塞48。因此，置换器42和44布置在由多个局部腔室所形成的工作腔室38、40、46中。分配体52界定暖侧工作空间46，其提供有形成控制通道54、第一连接通道56以及第二连接通道57的钻孔。第一连接通道56通向工作腔室46并且服务于向该腔室供应工作气体。所有的这三个通道由控制阀58来控制。第一连接通道56将控制阀58连接到暖侧工作腔室46，控制通道54将控制阀58连接到圆筒50，并且第二连接通道57将控制阀58连接到低压连接60。控制阀58进一步连接到与高压连接64连通的腔室62。高压连接64供应压强约为20巴的氦气，而压强约为5巴的氦气在低压连接18处普遍。两种压强分别经由腔室62和第二连接通道57供应至控制阀58的相应连接(未示出)。所有的导管引入到分配体52的上侧并且从那到达阀58。壳体部分36容纳经由轴68驱动控制阀58的电机66。通过压缩弹簧70对所述阀起作用。在所示实施方式中，经受热力循环过程的处理气体与用于活塞圆筒单元48、50的驱动气体是相同的。适宜使用氦气。可以使用与处理气体不同的气体作为驱动气体。替代于在所示实施方式中提供用于移动置换器72、76的活塞圆筒单元48、50，置换器72、76也可以通过马达来移动，例如使用电机。为此，电机可以提供有偏心轮和槽型导向器，从而偏心轮的旋转被转化为线性运动。在圆柱体工作腔室46中，置换器级42具有管状置换器72，其填充有对于气体具有渗透性的热回热器74。回热器74服务于储存冷气，并且向流入的暖气体发出储存的冷气。类似地，具有比置换器级42更小直径的置换器级44包括可在圆柱体工作腔室40中的轴向中偏移的管状置换器76，所述置换器连接至置换器72并且也填充有可渗透气体的回热器78。在冷指的操作中，在暖侧上的工作腔室46首先经由第一连接通道56和控制阀58连接到高压连接64。同时，高压通过控制通道54引入到圆筒50。置换器72和76向冷侧偏移(向下)。高压下的气体通过回热器74和78也流向冷侧。在这样做时，其在冷却的同时扩张，而进一步的膨胀通过与回热器的热交换来实现。在第二阶段中，控制通道54连接到低压连接。在高压的效果下，置换器72和76向暖侧偏移，从而在暖侧上的工作腔室46变得更小并且气体通过回热器74和78流入到冷侧上的工作腔室40。在第三阶段中，控制阀58造成工作腔室40经由导管56连接到低压连接60。由此，在冷却的同时，在冷头的所有工作腔室中的气体膨胀。此后置换器72和76被向冷侧移动，由此冷侧工作腔室40的体积收缩，从而准备用于下一循环。在该阶段中，冷气从工作腔室40流进回热器74和78，并且由其进一步冷却。所述工作循环的频率大约为2Hz。进一步，在所示出的实施方式中，根据本发明的旁路通道80被提供在分配体52中。旁路通道80将第二控制通道57连接到腔室62。旁路通道80因此将高压连接64连接到低压连接60。如所示意性示出的，例如阀82的通流调整装置被布置在旁路通道80中。如果发生不期望的高压在腔室62中增加，则制冷剂的一部分因此通过旁路通道80直接流回进连接到低压连接60的通道57。