CN106369860A - 线性膨胀器和包括线性膨胀器的深冷制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性膨胀器以及包括线性膨胀器的深冷制冷系统，该线性膨胀器通过移动结合到对称地设置在主体部分中的两个线性发电机的活塞，可以在结构上抵消因活塞运动导致的振动和噪声，吸入阀和排出阀分别在两侧以相反方向设置在主体部分中，并且因此，该膨胀器具有简单的结构并且可以改善压缩机的运动稳定性。

Description

线性膨胀器和包括线性膨胀器的深冷制冷系统

发明背景

(a)发明领域

本发明涉及线性膨胀器，并且更具体地涉及具有简单结构且可以以高频率运行和可以在深冷温度下使用的线性膨胀器，以及包括该线性膨胀器的深冷制冷系统。

(b)相关技术的描述

逆布雷顿循环系统使用压缩、冷却、膨胀和加热过程运行，并通过工作气体的绝热膨胀产生制冷功。由于在膨胀过程期间高压气体向外部做功，所以与焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson)膨胀相比，绝热膨胀可以获得更显著的冷却效果。但是，绝热膨胀需要膨胀器的复杂的机械装置。

当前，在深冷温度下运行的深冷温度膨胀器概括地分类为往复式膨胀器和透平膨胀器。

常见的往复式膨胀器使用曲柄、凸轮和类似物通过将线性运动改变为旋转运动的过程将生成的膨胀功排放到外部。但是，往复式膨胀器尺寸上大且运行频率低至数个赫兹。此外，往复式膨胀器具有在其中曲柄在膨胀器内部和外部之间连接的结构，使得噪声和振动产生，并且因为由于内部温度和外部温度以及压差引起的泄露和热损耗的发生，该往复式膨胀器是低效的。

使用以非常高速旋转的叶轮的透平膨胀器具有很好的效率，但是因为膨胀器需要足以支撑以高达数千赫兹旋转的叶轮的轴承技术，所以透平膨胀器已经面临技术障碍。

因此，本发明提出了一种新的膨胀器，其可以解决往复式膨胀器的低效率及产生噪声和振动的问题，并且可以解决透平膨胀器的高技术障碍问题。

在该背景部分公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，并且因此其可以包含不构成对在该国为本领域的普通技术人员已经已知的现有技术的信息。

发明概述

在一方面，本发明已努力提供一种线性膨胀器，其通过移动结合到对称地设置在主体部分中的两个线性发动机的活塞，可以在结构上抵消因活塞运动导致的振动和噪声，吸入阀和排出阀分别在两侧以相反方向设置在主体部分中。

此外，本发明提供了一种线性膨胀器，尤其是这样的一种线性膨胀器，其通过具有其中流体穿过主体部分流入和流出与活塞的运动方向无关的结构而具有简单的结构的活塞。

此外，本发明提供了一种线性膨胀器，通过使用设置在完全封闭和密封的外壳中的线性膨胀器将由膨胀产生的能量改变为电能，该线性膨胀器可以减少由膨胀器的内部和外部的温度差及压差导致的能量损耗。

在另一方面，本发明提供了一种包括线性膨胀器的深冷制冷系统。

在下面的详细描述中，仅通过说明的方式示出并描述了本发明的仅某些示例性实施方案。如本领域的技术人员将认识到的，所描述的实施方案可以以各种不同的方式修改，而全都不偏离本发明的精神或范围。

根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器包括：主体部分，该主体部分包括具有第一压力的流体穿过其流入的吸入孔，流体以低于第一压力的第二压力穿过其流出的排出孔，以及连接在吸入孔和排出孔之间形成的膨胀空间的第一孔和第二孔；第一线性生成部分和第二线性生成部分，通过当具有第一压力的流体膨胀到具有第二压力的流体时所产生的膨胀力，该第一线性生成部分和第二线性生成部分分别地促使设置在第一孔和第二孔中的活塞线性地往复运动以产生感应电动势；打开或关闭吸入孔的吸入阀；以及打开或关闭排出孔的排出阀。

第一孔和第二孔在同一直线上关于膨胀空间彼此对称，并且第一线性生成部分和第二线性生成部分可以在主体部分的侧面上彼此对称地设置。

吸入阀和排出阀可以设置成处于常开的状态。

当在膨胀空间中的压力减小并且因此在吸入孔的外部和膨胀空间之间的压差大于预定的值时，吸入阀可以关闭以防止具有第一压力的流体的流入，并且当在膨胀空间的压力减小并且因此在排出孔的外部和膨胀空间之间的压差低于预定值时，排出阀可以打开以使膨胀空间中的流体流出。

此外，吸入阀和排出阀可以分别地形成为簧片阀。

主体部分可以包括具有膨胀空间的主体构件。并且线性膨胀器还可以包括与主体构件结合以形成在膨胀空间和主体部分的排出孔之间的空间的排出孔连接构件，并且具有通孔，已经从排出孔流出的流体穿过所述通孔流出，其中排出阀设置在通孔的端部处。

排出阀可以包括阻挡通孔的朝向膨胀空间的端部的阻挡件部分；以及簧片部分，该簧片部分连接至阻挡件部分并提供弹性力以通过在阻挡件部分的前侧和后侧之间的压差来关闭和打开阻挡件部分。

吸入阀可以包括：阻挡吸入孔的阻挡件部分；以及连接至阻挡件部分并提供弹性力以通过阻挡件部分的前侧和后侧之间的压差来关闭和打开阻挡件部分的簧片部分。

第一线性生成部分和第二线性生成部分中的每一个可以优选地包括：活塞；插入到形成在主体部分中的第一孔或第二孔中以提供活塞的运动路径的缸体；以及通过活塞的运动产生感应电动势的线性发电机。

第一线性生成部分和第二线性生成部分中的每一个可以优选地包括设置在活塞连接构件后端处的弹性构件，该活塞连接构件连接线性发电机的操作器和活塞以使活塞根据操作器的运动而移动。

此外，吸入孔和排出孔可以优选地分别地设置在垂直于活塞沿着其移动的直线方向的方向上。

线性膨胀器还可以包括外壳，该外壳固定至主体部分外侧并且封闭和密封内侧同时围绕第一线性生成部分和第二线性生成部分。

根据本发明的示例性的实施方案的深冷制冷系统可以通过循环能够传递热的制冷剂来冷却冷却目标。该深冷制冷系统包括：压缩气态制冷剂的压缩机；将在压缩制冷剂期间产生的压缩热量移除的后冷却器；与后冷却器的出口流体地连通的深冷换热器，该深冷换热器将穿过的二次制冷器制冷剂的热量传递给流入压缩机内的制冷剂；与深冷换热器的出口流体地连通的线性膨胀器，该线性膨胀器接收并膨胀穿过深冷换热器的制冷剂；以及与线性膨胀器的出口和深冷换热器的入口流体地连通且接触冷却目标的换热器，该换热器将热量从冷却目标传递给制冷剂。

根据本发明的线性膨胀器，相应的活塞在对称地设置在主体部分的两个发电机中向两侧相反的方向运动以从而在结构上抵消由活塞运动引起的振动和噪声。

此外，由于流体可以穿过主体部分流入和流出而不论活塞的运动方向如何，所以活塞的结构可以是非常简单的。

此外，从膨胀产生的能量可以通过设置在外壳中的线性发电机改变为电能，使得可以减少因温度差和压差引起的能量损耗。

此外，通过线性发电机产生的电能可以用作为其它装置例如压缩机等的能量源。

附图简述

图1是根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的剖视图。

图2是可以在根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器中作为流入阀或排出阀应用的簧片阀的常开结构的透视图。

图3是图2中的根据压差的增加处在关闭状态下的簧片阀的透视图。

图4A示出了表示根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的运行的压力-体积(p-v)线，以及图4B是图示了依据根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的运行的阀打开/关闭正时和活塞位置的曲线图。

图5A是图示了根据本发明的示例性实施方案的在图4A的p-v线中从点1到点2的等压吸入过程中的线性膨胀器的剖视图。

图5B是图示了根据本发明的示例性实施方案的在图4A的p-v线中从点2到点3的绝热膨胀过程中的线性膨胀器的剖视图。

图5C是图示了根据本发明的示例性实施方案的在图4A的p-v线中从点3到点4的等压排放过程中的线性膨胀器的剖视图。

图5D是图示了根据本发明的示例性实施方案的在图4A的p-v线中从点4到点1的绝热压缩过程中的线性膨胀器的剖视图。

图6是图示了根据本发明的示例性实施方案的包括线性膨胀器的逆布雷顿深冷制冷系统的示意图。

图7是图6中示出的逆布雷顿深冷制冷系统的T-s简图。

<标号的描述>

100：线性膨胀器 110：主体部分

111：吸入孔 112：排出孔

113：第一孔 114：第二孔

115：膨胀空间 130a：第一线性生成部分

130b：第二线性生成部分

131a，131b：外定子

132a，132b：线圈 133a，133b：内定子

135a，135b：活塞连接构件

136a，136b：弹性构件

137a，137b：活塞 138a，138b：缸体

139a，139b：线性发电机 150：排出孔连接构件

152：突出部

160：吸入孔连接构件 170：吸入阀

180：排出阀 190：外壳

200：簧片阀 210：阻挡件部分

220：簧片部分

30：深冷制冷系统 310：压缩机

320：后冷却器 340：深冷换热器

350：换热器 CT：冷却目标

实施方案的详细描述

参考在其中示出了本发明的示例性实施方案的附图，在下文中将更加充分地描述本发明。如本领域的技术人员将认识到的，所描述的实施方案可以以各种不同的方式修改，而全都不偏离本发明的精神或范围。附图和描述应理解为在本质上是说明性地而不是限制性的。在整个说明书中，相同的参考编号表示相同的元件。此外，为了更好的理解和便于描述，在附图中示出的每个结构的大小和厚度被任意地示出，但是本发明不限于此。

此外，除非明确地描述为相反，词语“包括(comprise)”和变体如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”将理解为暗示包括所陈述的元件，但不排除任何其它元件。

此外，在示例性实施方案中，由于相同的参考编号表示具有同样结构的相同元件，因此，代表性地描述了第一示例性实施方案，并且在其它示例性实施方案中，将只描述不同于第一示例性实施方案的结构。

在下文中，参考附图，将描述根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器。

图1是根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的截面图。

根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100包括具有设置成用于流体通过的通过式膨胀空间(through-out expansion space)的主体部分110，分别地连接到主体部分110的侧面并因此与膨胀空间115连接的第一线性生成部分130a和第二线性生成部分130b，以及沿着流体通道的方向分别设置在膨胀空间115的前侧和后侧的吸入阀170和排出阀180。

主体部分110包括吸入孔111和排出孔112，外部高压流体穿过吸入孔111流入到线性膨胀器100内，该排出孔112流动低压流体，由于膨胀至线性膨胀器100的外部，流体压力降低，并且膨胀空间115布置在吸入孔111和排出孔112之间。第一孔113和第二孔114设置在主体部分110的侧面，并且第一孔113和第二孔114是打开的并与膨胀空间115连通。两个活塞137a和137b可以沿着第一孔113和第二孔114线性地往复运动。更具体地，缸体138a和缸体138b分别插入到设置在主体部分110中的第一孔113和第二孔114内，并且活塞137a和活塞137b分别插入到缸体138a和138b内使得活塞可以线性地往复运动。

在这个实例中，主体部分110的第一孔113和第二孔114与吸入孔111和排出孔112之间的膨胀空间115连接在一起，以便使活塞137a和活塞137b通过膨胀空间115中的流体的膨胀力移动，且第一孔113和第二孔114可以在同一直线上关于膨胀空间115彼此对称。

此外，如图1中示出的，主体部分110的形状可以关于膨胀空间115水平地彼此对称，但这不是限制性的。此外，吸入孔111和排出孔112在垂直于活塞137a和活塞137b沿着其往复运动的直线方向的方向上分别地布置，从而允许流体通过。

主体部分110还可以包括设置成形成排出阀180的排出孔连接构件150和将外部的高压流体引导到吸入孔111的流入连接构件160，并且在该示例性实施方案中，排出孔连接构件150和流入连接构件160结合至主体构件118，使得主体部分110形成。

各自具有相同结构的第一线性生成部分130a和第二线性生成部分130b以对称的方式设置在在主体部分110的侧面。第一线性生成部分130a的活塞137a和第二线性生成部分130b的活塞137b分别在第一孔113和第二孔114中朝向相反的方向线性地往复运动以通过在主体部分110的膨胀空间115中的流体的膨胀所产生的力产生感应电动势。当高压气体流入划分为吸入孔111、排出孔112和两个活塞137a和137b的膨胀空间115内时，高压气体膨胀并推动活塞137a和活塞137b从而产生感应电动势，并且压力减少的流体流出至膨胀空间115的外部，且这样的过程被重复。参考图4A至图5D稍后将描述根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100的详细的运行。

第一线性生成部分130a和第二线性生成部分130b可以分别地包括活塞137a和活塞137b、缸体138a和缸体138b，以及线性发电机139a和线性发电机139b。

参照图1，以部分地包括圆柱形部分的形状形成的缸体138a和缸体138b插入到主体部分110的第一孔113和第二孔114内，且活塞137a和活塞137b插入到该圆柱部分内并因此被引导以进行往复运动。线性发电机139a和线性发电机139b可以包括内定子133a和内定子133b、其中被线圈132a和线圈132b缠绕同时具有距内定子133a和内定子133b的间隙的外定子131a和外定子131b以及由永磁铁形成的操作器134a和操作器134b。当活塞137a和活塞137b通过从膨胀空间115中的流体膨胀产生的力而移动时，与活塞137a和活塞137b通过活塞连接构件135a和活塞连接构件135b连接的操作器134a和操作器134b也可以随活塞137a和活塞137b运动而一起线性地移动。在这个实例中，当是永久磁铁的操作器134a和操作器134b线性地移动时，感应电动势可以在设置在外定子131a和外定子131b中的线圈132a和线圈132b中产生。

为了满足活塞137a和活塞137b的共振运动并支撑活塞137a和活塞137b，弹性构件136a和弹性构件136b可以连接到活塞连接构件135a和活塞连接构件135b的后端，活塞连接构件135a和活塞连接构件135b连接上述操作器134a和操作器134b及活塞137a和活塞137b。在这个实例中，弹性构件136a和弹性构件136b可以形成为扁平形弹簧或盘簧。

当根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100在深冷温度下使用时，操作器134a和操作器134b可以通过其上的磁性弹簧提供弹簧刚度，而不是使用金属的弹性构件136a和弹性构件136b。

吸入阀170关闭和打开吸入孔111以允许外部的高压流体穿过吸入孔111流入到主体部分110的膨胀空间115内。排出阀180关闭和打开排出孔112以允许压力在主体部分110的膨胀空间115中降低的流体穿过排出孔112流到外部。

在根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100中，吸入孔111的外部压力通常高于膨胀空间115的内部压力，并且排出孔112的外部压力通常设置成低于膨胀空间115的压力。在该实例中，吸入阀170和排出阀180可以设置成处于常开的状态。

在常开的状态下，即使外部压力高，吸入阀170仍是打开的，并且然后在膨胀空间115中的流体的压力降低的时候，吸入阀170关闭，并且因此，内部和外部的压差相比预定值实例变得更大，以从而阻止吸入孔111的外部高压流体流入到膨胀空间115内。此外，在常开的状态下，由于在膨胀空间115和排出孔112之间的外部压差高，排出阀180处于关闭的状态，并且然后当在排出孔112外部和膨胀空间115之间的压差由于膨胀空间115的压力因膨胀降低而降低为低于预定值时，排出阀180打开，以从而允许膨胀空间115中的流体穿过排出孔112流到外部。吸入孔111的外部和膨胀空间115之间的压差的预定值可以与排出孔112的外部和膨胀空间115之间的压差的预定值相等或者不同于排出孔112的外部和膨胀空间115之间的压差的预定值。压差的预定值可以通过设计用于装配和加工的吸入阀170和排出阀180的形状和尺寸来设置。

在这里，术语“常开的”暗示这样的结构，即在其中当没有外力施加时阀打开且当来自压差的压力变得比预定值大时阀关闭。在本示例性实施方案中，吸入阀170和排出阀180是被动阀，且所需的条件可以通过设计用于加工和装配的阀的尺寸来获得。

吸入阀170和排出阀180可以形成为接收根据膨胀空间115的内部压力或活塞137a和活塞137b的位置的信号并因此由电信号打开或关闭的电动阀，并且可以形成为根据膨胀空间115的内部和外部之间的压差可以自动打开或关闭的机械阀。

在下文中，将参考图2和图3描述形成为机械阀的吸入阀170和排出阀180的一个示例。

图2是根据本发明的示例性实施方案可以作为为线性膨胀器的吸入阀或排出阀应用的簧片阀的常开结构的透视图，以及图3是图2中的在关闭状态下的簧片阀的透视图。

由于吸入阀170或排出阀180根据内部和外部的压差自动地打开/关闭，因此可以使用是机械阀的簧片阀200，并且图2示例性地图示了该簧片阀200。簧片阀200可以通过包括阻挡件部分210和簧片部分220形成。以板的形状形成的阻挡件部分210以距开口250的预定的距离隔开以允许流动穿过开口250流入或流出，并且当压差增大时，阻挡件部分210遮盖流体流动的开口250从而阻止流体流动。在该实例中，阻挡件部分210的接触开口250的部分可以由用于密封的聚合材料制成，并且例如，可以使用如Rulon、Kapton和类似物。簧片部分220是弹性构件，该弹性构件将阻挡件部分210固定到主体部分110，且根据阻挡件部分210的前侧和后侧之间的压差通过弹性力移动阻挡件部分210，以关闭/打开流体流动的开口部分250。

在图2中，虽然阻挡件部分210的前侧的压力明显大于作为阻挡件部分210的底部的后侧的压力，但是压差是低的并且因此簧片阀200是打开的。在图3中，阻挡件部分210的前侧和后侧之间的压差增大并且因此簧片阀200关闭。如上文描述的，在根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100中，具有常开结构的阀作为吸入阀170和排出阀180应用，并且因此，即使外部压力大于内部压力该阀仍打开，且当外部和内部压差变得大于预定值时，该阀关闭。

在上文中，参考图2和图3已经描述了作为根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的吸入阀和排出阀应用的机械阀的示例，并且，然而可以通过压差自动地打开和关闭的任何阀都是适用的。

返回参考图1，线性膨胀器100还可以包括用于形成排出阀180的上文陈述的排出孔连接构件150。排出孔连接构件150具有通孔，流体穿过该通孔流过排出孔112，并且可以具有阶梯形状以通过结合主体构件118在排出孔112和膨胀空间115之间形成隔离空间。在该实例中，突出部152可以在排出孔112的朝向膨胀空间115的端部处形成，并且突出部152朝着排出阀180突出以限制排出阀180的移动范围。能够自动地打开和关闭的排出阀180可以通过在排出孔连接构件150中安装排出阀180以及然后将排出孔连接构件150结合回到主体构件118而容易地安装在主体部分110中。

同样地，如图1中示出的，吸入阀170可以在设置在主体部分110中的吸入孔111中形成，并且在该实例中，线性膨胀器100还可以包括将流体从外部引导至吸入孔111的吸入孔连接构件160。

外壳190固定至主体部分110的外侧，并且该外壳可以封闭和密封内部，同时围绕第一线性生成部分130a和第二线性生成部分130b。

在本示例性实施方案中，当活塞137a和活塞137b由于膨胀空间115中的流体的膨胀而水平移动时，活塞137a和活塞137b分别在相反的方向上在膨胀空间115的两侧以相同的速度移动，并且因此，从左活塞137a和右活塞137b中的每一个产生的振动可以在结构上彼此抵消。

此外，由于流体穿过主体部分110流入或流出与活塞137a和活塞137b的运动方向无关，所以线性膨胀器100的结构可以简化并且尤其是活塞137a和活塞137b可以具有简单的结构。

此外，当工作能量从设置在外壳190中的线性发电机130a和线性发电机130b产生时，可以减少因为由外壳190的内部和外部的温度及压差导致的泄露和热传递引起的能量损耗。

在下文中，参考图4A、4B和图5A至图5D将描述根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100的运行。

图4A是表示了根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的运行的压力-体积(即，p-v简图)简图，以及图4B是示出了依据根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的运行的阀打开/关闭正时和活塞位置的曲线图。根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器100可以在一个周期内运行在p-v简图中点1和点2之间的等压吸入过程，在点2和点3之间的绝热膨胀过程，在点3和点4之间的等压排出过程，以及在点4和点1之间的绝热压缩过程，并且由于该周期是重复的，所以穿过吸入孔111流入的高压流体以低压膨胀，使得低压流体可以穿过排出孔112连续地流出。

此外，参考图4B，在等压吸入过程期间，吸入阀170(参考图4B中的实线)保持打开状态，且排出阀180(参考图4B中的虚线)在点1和点2之间保持关闭状态，并且活塞137a和活塞137b向外部移动同时逐渐地远离彼此。在点2和点3之间的绝热膨胀过程期间，吸入阀170和排出阀180保持关闭状态，且活塞137a和活塞137b向外部移动同时逐渐地远离彼此。在点3和点4之间的等压排出过程期间，吸入阀170保持关闭状态且排出阀180保持打开状态，并且活塞137a和活塞137b向内部移动同时靠近彼此。在点4和点1之间的绝热压缩过程中，吸入阀170和排出阀180保持关闭状态，并且活塞137a和活塞137b向内部移动同时持续地靠近彼此。

图5A是示出了在图4A的p-v简图中从点1到点2的等压吸入过程中的根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的剖视图，图5B是示出了在图4A的p-v线中从点2到点3的绝热膨胀过程中的线性膨胀器的剖视图，图5C是示出了在图4A的p-v线中从点3到点4的等压排出过程中的线性膨胀器的剖视图，以及图5D是示出了在图4A的p-v线中从点4到点1的绝热压缩过程中的线性膨胀器的剖视图。

首先，图5A示出了等压吸入过程(1→2)，且形成在吸入孔111的外部中的系统高压P_H保持为始终高于膨胀空间115的压力P_C。在该实例中，在系统高压P_H和膨胀空间115的压力P_C之间的压差降低，并且因此吸入阀170保持打开状态，使得高压流体流入主体部分110内。随着高压流体流入，活塞137a和活塞137b在两侧的方向上分别地向外部移动，使得膨胀空间115的压力P_C可以保持在恒定的水平。在该实例中，膨胀空间115的压力P_C始终高于在排出孔112的外部中形成的系统低压P_L，并且在压力P_C和系统低压P_L之间的差异过高，使得排出阀180关闭，且高压流体从系统高压P_H流入到主体部分110内同时停止流体的流出。

接下来，如图5B中所示，线性膨胀器经历绝热膨胀过程(2→3)，且随着已经流入到膨胀空间115内的高压气体膨胀，膨胀空间115的压力P_C降低。因此，在系统高压P_H和膨胀空间115的压力P_C之间的压差增大，使得吸入阀170关闭。虽然膨胀空间115的压力P_C降低，但是在系统低压P_L和膨胀空间115的压力P_C之间的差异仍然很高，使得排出阀180保持关闭状态。流体的压力随着膨胀空间115中的高压流体的膨胀而降低，并且因此活塞137a和活塞137b通过扩张力在两侧方向上分别向外部移动，且在这样的过程中，线性发电机139a和线性发电机139b可以产生感应电动势。

产生的电力可以通过使负载工作而用尽，但是可以提供另外的充电系统并通过该电力对其充电，或者该电力可以用作为其它装置(例如，压缩机)的电源。

接下来，如图5C中所示，线性膨胀器经历等压排出过程(3→4)，并且由于在绝热膨胀过程期间膨胀空间115的压力P_C逐渐降低，压力P_C与系统低压P_L的压差逐渐降低，且当压差等于预定值时，排出阀180打开，使得在膨胀空间115中的低压流体流出到线性膨胀器100的外部。当膨胀空间115中的流体流出时，膨胀空间115的压力P_C保持恒定的状态并且活塞137a和活塞137b再次从两侧分别地向内部移动。在该实例中，吸入阀170仍然保持关闭状态。

接下来，如图5D中所示，线性膨胀器经历绝热压缩过程(4→1)，并且因此压缩通过活塞137a和活塞137b的移动再次开始，且吸入阀170和排出阀180两者都保持关闭状态。

如所述的，参考图5A到图5D所描述的过程在一个周期中执行，且这样的周期是重复的，使得从外部已经流入到线性膨胀器100内的高压流体膨胀以将高压流体改变为低压流体，并且低压流体连续地流出到线性膨胀器100的外部。

在图5A至图5D中，吸入阀170和排出阀180形成为参考图2和图3描述的簧片阀200，并且通过压差操作的各种类型的机械阀和通过电信号操作的各种电动阀也是可适用的。

图6是示出了包括根据本发明的示例性实施方案的线性膨胀器的逆布雷顿深冷制冷系统的示意图，以及图7是图6中示出的逆布雷顿深冷制冷系统的T-s简图。

参考图6，深冷制冷系统30包括压缩机310、深冷换热器340、线性膨胀器100和换热器350，并且可以通过循环能够传递热量的制冷剂将冷却目标CT冷却或保持到非常低的温度。例如，深冷制冷系统30可以用于将超导电缆冷却至小于-200℃，使得超导电缆可以保持为超导状态。

压缩机310压缩气态制冷剂，且后冷却器320与压缩机310的出口流体地连通，使得后冷却器320可以将在压缩制冷剂期间产生的压缩热量移除。深冷换热器340与后冷却器320的出口流体地连通，且深冷换热器340可以将穿过后冷却器320的制冷剂的热量传递给流入到压缩机310内的制冷剂。

线性膨胀器100与深冷换热器340的出口流体地连通，使得线性膨胀器100可以接收并膨胀流过深冷换热器340的制冷剂。参考图1至图5D说明的线性膨胀器可以用于深冷制冷系统30的线性膨胀器100。逆流型深冷换热器可以用于深冷制冷系统30的深冷换热器340。在该逆流型深冷换热器中，高温高压气体和低温低压气体当朝向彼此相反的方向流动时交换热量。

换热器350与线性膨胀器100的出口和深冷换热器340的入口流体地连通。换热器350接触冷却目标CT，并可以将热量从冷却目标CT传递给冷却剂。冷却目标CT可以是固体物质或包括液体和气体的流体。

参考图6和图7，将在下文中说明根据本实施方案的深冷制冷系统的运行过程。

压缩机310将低压气态制冷剂压缩(1→2)，且后冷却器320将压缩制冷剂期间产生的压缩热量移除(2→3)，并且然后深冷换热器340使用低压低温气体冷却制冷剂(3→4)。高压气态制冷剂膨胀至低压并向外做功以降低温度(4→5)，并且然后气态制冷剂的温度上升至一定程度，同时冷却与换热器350接触的冷却目标CT(5→6)。深冷换热器340将高压高温气态制冷剂冷却(6→1)，并且然后制冷剂再次流入到压缩机310内。

在图6中，3→4→5→6→1的过程在温度低于室温下运行且因此可以被真空隔离以防止热量从外部侵入。

虽然已经结合目前认为是可行的示例性实施方案描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施方案，而是相反地，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同结构。

Claims (13)

1.一种线性膨胀器，包括：

主体部分，其包括吸入孔、排出孔，以及第一孔和第二孔，具有第一压力的流体穿过所述吸入孔流入，所述流体以低于所述第一压力的第二压力穿过所述排出孔流出，所述第一孔和所述第二孔连接在所述吸入孔和所述排出孔之间形成的膨胀空间；

第一线性生成部分和第二线性生成部分，通过当具有所述第一压力的所述流体膨胀到具有所述第二压力的所述流体时所产生的膨胀力，所述第一线性生成部分和所述第二线性生成部分分别地促使设置在所述第一孔和所述第二孔中的活塞线性地往复运动以产生感应电动势；

吸入阀，其打开或关闭所述吸入孔；以及

排出阀，其打开或关闭所述排出孔。

2.根据权利要求1所述的线性膨胀器，其中，所述第一孔和所述第二孔在同一直线上关于所述膨胀空间彼此对称，并且所述第一线性生成部分和所述第二线性生成部分在所述主体部分的侧面上彼此对称地设置。

3.根据权利要求1所述的线性膨胀器，其中，所述吸入阀和所述排出阀设置成处于常开的状态。

4.根据权利要求3所述的线性膨胀器，其中，当在所述膨胀空间中的压力减小并且因此所述吸入孔的外部和所述膨胀空间之间的压差大于预定值时，所述吸入阀关闭以防止具有所述第一压力的所述流体的流入，并且

当在所述膨胀空间的所述压力减小并且因此所述排出孔的外部和所述膨胀空间之间的压差低于预定值时，所述排出阀打开以使所述膨胀空间中的所述流体流出。

5.根据权利要求1所述的线性膨胀器，其中，所述吸入阀和所述排出阀分别地形成为簧片阀。

6.根据权利要求5所述的线性膨胀器，其中，所述主体部分包括具有所述膨胀空间的主体构件，并且

还包括排出孔连接构件，所述排出孔连接构件与所述主体构件结合以形成在所述膨胀空间和所述主体部分的所述排出孔之间的空间，并且所述排出孔连接构件具有通孔，已经从所述排出孔流出的流体穿过所述通孔流出，其中所述排出阀设置在所述通孔的端部处。

7.根据权利要求5所述的线性膨胀器，其中，所述排出阀包括：

阻挡件部分，其阻挡所述通孔的朝向所述膨胀空间的端部；以及

簧片部分，其连接至所述阻挡件部分并且提供弹性力以通过在所述阻挡件部分的前侧和后侧之间的压差来关闭和打开所述阻挡件部分。

8.根据权利要求5所述的线性膨胀器，其中，所述吸入阀包括：

阻挡件部分，其阻挡所述吸入孔；以及

簧片部分，其连接至所述阻挡件部分并且提供弹性力以通过在所述阻挡件部分的前侧和后侧之间的压差来关闭和打开所述阻挡件部分。

9.根据权利要求1所述的线性膨胀器，其中，所述第一线性生成部分和所述第二线性生成部分中的每一个包括：

所述活塞；

缸体，其插入到形成在所述主体部分中的所述第一孔或所述第二孔中以提供所述活塞的运动路径；以及

线性发电机，其通过所述活塞的运动产生感应电动势。

10.根据权利要求9所述的线性膨胀器，其中，所述第一线性生成部分和所述第二线性生成部分中的每一个还包括设置在活塞连接构件的后端处的弹性构件，所述活塞连接构件连接所述线性发电机的操作器和所述活塞以使所述活塞根据所述操作器的运动而移动。

11.根据权利要求1所述的线性膨胀器，其中，所述吸入孔和所述排出孔分别地设置在垂直于所述活塞沿着其移动的直线方向的方向上。

12.根据权利要求1所述的线性膨胀器，还包括外壳，所述外壳固定至所述主体部分的外侧并且封闭和密封内侧同时围绕所述第一线性生成部分和所述第二线性生成部分。

13.一种深冷制冷系统，包括根据权利要求1-12中的任一项所述的线性膨胀器，通过循环能够传递热的制冷剂来冷却冷却目标，所述系统包括：

压缩机，其压缩气态制冷剂；

后冷却器，其与所述压缩机的出口流体地连通，所述后冷却器将在压缩所述制冷剂的期间产生的压缩热量移除；

深冷换热器，其与所述后冷却器的出口流体地连通，所述深冷换热器将穿过所述后冷却器的所述制冷剂的热量传递至流入所述压缩机内的所述制冷剂；

所述线性膨胀器，其与所述深冷换热器的出口流体地连通，所述线性膨胀器接收并膨胀穿过所述深冷换热器的所述制冷剂；以及

换热器，其与所述线性膨胀器的出口和所述深冷换热器的入口流体地连通并且接触所述冷却目标，所述换热器将热量从所述冷却目标传递给所述制冷剂。