本发明公开一种改进的换热器组件。在本发明的一个实施方式中， 由例如铜或铝之类的导热体制成的外部环安置在外部散热鳍片和壳体 壁的外表面之间，从而提供自壳体壁至外部散热鳍片的改善的热量分 布。由例如铜或铝之类的导热体制成的内部支撑安置在壳体壁的内侧并 且支撑抵接于壳体壁的内表面的内部散热鳍片。至少部分外部环和至少 部分内部散热鳍片夹置至少部分壳体壁。内部支撑提供结构支撑使得内 部散热鳍片通过包括冷缩配合在内的多种方法与壳体壁直接接触。内部 散热鳍片能够压配合于壳体壁、冷缩配合于壳体壁或者粘结于壳体壁， 而外部环也能够压配合于壳体壁、冷缩配合于壳体壁或者粘结于壳体 壁。
在本发明的另一个实施方式中，一种斯特林循环机的部件包括：壳 体，所述壳体包括限定内部气体容积并且适于在内部气体容积内密封工 作气体的壁，所述内部工作气体容积包括使工作气体承受间歇的压缩和 膨胀的压缩区域；外部环，所述外部环设置在壳体的外侧并且具有与壁 的外表面接触的内表面；多个自外部环突出的外部散热鳍片；设置在壳 体内侧并且具有外表面的内部支撑；以及多个内部散热鳍片，所述内部 散热鳍片将所述内部支撑的外表面连接至壳体的壁的内表面。至少部分 外部环和至少部分内部散热鳍片夹置至少部分壳体壁。
在本发明的又一个实施方式中，换热器组件包括：外部环，所述外 部环设置在壳体外侧并且具有与壁的外表面接触的内表面；多个自外部 环向外突出的外部散热鳍片；以及多个自壁的内表面向内突出的内部散 热鳍片。至少部分外部环和至少部分内部散热鳍片夹置至少部分壳体 壁。内部散热鳍片能够通过包括铜焊和钎焊在内的方法附接至壳体壁的 内表面。
在本发明的再一个实施方式中，用于制造透过壳体的壁传递热量的 换热器组件的方法包括：将外部环安置在壳体的外侧使得外部环的内表 面与壁的外表面接触；将多个外部散热鳍片安置在外部环上；将内部支 撑安置在壳体的内侧；使用多个内部散热鳍片连接壁的内表面和内部支 撑的外表面，使得至少部分内部散热鳍片和至少部分外部环夹置至少部 分壳体壁。内部散热鳍片能够冷缩配合于壳体壁，而外部环能够冷缩配 合到壳体壁上。
附图说明
本发明的其它目的和优点将通过阅读下列详细说明和参照附图变 得显而易见，其中：
图1示意性地示出了本发明实施方式中的斯特林制冷器；
图2示出了图1所示的斯特林制冷器的换热器组件的横截面图；
图3示出了本发明另一个实施方式中的外部散热鳍片的一部分；
图4示出了本发明的可替代实施方式中的外部散热鳍片的一部分；
图5是本发明的可替代实施方式中的内部换热器的立体图；
图6是图5所示的内部换热器的横截面图；
图7(a)是本发明实施方式中的斯特林制冷器的一部分的横截面示 意图，示出了外部环和内部散热鳍片夹置部分壳体壁；以及
图7(b)是本发明实施方式中的制冷器的一部分的横截面示意图， 示出了部分外部环和部分内部散热鳍片夹置部分壳体壁；
图8示出了本发明另一个可替代实施方式的横截面示意图；
图9示出了本发明又一个可替代实施方式的横截面示意图。
尽管本发明允许各种改型和可替代形式，但是其特定的实施方式以 示例的形式示于附图中并且在此处详细描述。但是，应当理解，此处对 特定实施方式的说明并不使本发明限于所公开的具体形式，相反，如所 附权利要求限定的，本发明涵盖所有落入本发明的精神和范围内的改 型、等同物和替代物。

将参照附图详细描述各种实施方式，其中，几幅视图中始终采用相 似的附图标记来表示相似的部分和组件。参考各种实施方式并不对在此 所附的权利要求的范围构成限制。而且，本说明书中所述的任何示例都 不具有限制性，而仅仅是提出所附权利要求的多种可能的实施方式中的 一些示例。具体地，尽管此处所述的实施方式以例如斯特林制冷器的斯 特林循环机为背景描述，但是不限于斯特林循环机的其它实施方式也是 可能的。
参照图1，在本发明的一个实施方式中，换热器组件用于斯特林循 环机中，所述斯特林循环机被构造成制冷器100，该制冷器100包括沿 纵向轴线150设置有不同直径的部分的密封筒状壳体120。壳体120内 部的气体空间通过密封件大体分为工作空间124和缓冲空间126。壳体 120在其一端包括容纳排出器组件114的冷指110。冷指110还包括冷 端换热器或受热器单元112用于将热量从壳体120的外部传递至工作空 间124内限定的工作气体。在制冷器壳体120的内部容积中还包括线性 电动机170和活塞180，所述活塞180由电动机驱动用以在压缩区域160 中压缩和膨胀部分工作气体。制冷器100进一步包括还用于将受热器单 元112安置在真空室内的真空法兰130。另外，将热端换热器组件200 安置为与压缩区域160热接触从而使热量自工作气体散逸至壳体120的 外部。
包括斯特林制冷器在内的斯特林循环机的大体结构和操作在本领 域内是公知的。例如，由单片不锈钢抽伸而成的、壳体部分具有不同直 径的斯特林制冷器公布在2003年12月5日提交的美国专利申请序列号 No.10/729,719中，并且其在2006年11月21日被授权公告为美国专利 No.7,137,259。前述的美国专利No.7,137,259通过参考在此引用。
参照图2，在这一说明性的实施方式中的热端换热器组件200包括 位于壳体120的壳体壁122外侧的外部散热鳍片220和座靠在壳体壁 122的外表面并且支撑外部散热鳍片220的外部环210。该组件进一步 包括位于壳体120的壳体壁122的内侧的内部散热鳍片230。组件200 进一步包括设置于内部散热鳍片230内侧并且与内部散热鳍片230接触 的内部支撑元件240。至少部分外部环210和至少部分内部散热鳍片230 夹置至少部分壳体壁。即，至少部分外部环210和至少部分内部散热鳍 片230沿纵向轴线150占据相同的轴向位置范围(如图7(a)和7(b) 所示的示例中的l)。
在本发明的说明性实施方式中，内部支撑元件240和内部散热鳍片 230整体形成。即，内部支撑元件240和内部散热鳍片230都是由单个 初始件制造而成。例如，能够通过使用机器加工、水切割、激光切割、 化学蚀刻以及其它合适的工艺从初始件去除材料使鳍片形成在内部支 撑元件240上。内部散热鳍片230和内部支撑元件240的整体结构还能 够通过模制铸造、粉末冶金以及用于制造金属部件的任何其它合适的工 艺形成。可替代地，内部散热鳍片能够与内部支撑元件240分别形成， 然后通过包括焊接、铜焊和钎焊在内的任何合适的工艺附接至内部支撑 元件240。
内部散热鳍片230能够通过包括压配合、冷缩配合和使用传导性的 粘合剂粘结在内的多种合适的方法固定于壳体壁122。在这一说明性的 实施方式中，内部散热鳍片230通过冷缩配合固定于壳体壁122。承受 冷缩配合处理的必要硬度由内部散热鳍片230和内部支撑元件240的复 合结构提供。在这种情况下，内部支撑元件240和内部散热鳍片230由 铝制成，其热膨胀系数大于由不锈钢制成的壳体壁122。还能够使用其 它合适材料的组合。例如，能够使用铜及其合金或者其它具有较高导热 率的材料。在内部散热鳍片的热膨胀系数与壳体壁的热膨胀系数相近使 得冷缩配合可能不合适的情况下，例如对于铜来说，则可以使用例如压 配合和粘结等其它方法将内部散热鳍片230固定于壳体壁122。在通过 冷缩配合将内部散热鳍片230附接至壳体壁122的过程中，散热鳍片230 和内部支撑240的组件在安置于壳体壁122的内侧之前先放置在例如液 氮等具有低于壳体壁122的温度的介质中。随着升温，散热鳍片230和 内部支撑240的组件与壳体壁122形成冷缩配合。可替代地，可以在壳 体壁122滑套于内部散热鳍片230之前对壳体壁122进行加热然后使其 冷却。冷缩配合使得内部散热鳍片230附接于壳体壁122而无需例如焊 接、铜焊和钎焊等可能向被结合的部件引入不均匀形变的结合工艺。 对于某些应用，例如在具有排出器的斯特林循环机中，如图2所示， 能够在内部支撑240中形成内表面250，用以收容穿过内表面250限定 的开孔移动的滑动元件(例如排出器)。而且，说明性实施方式中的内 表面250通过打磨或搪磨而与斯特林循环机的壳体120和/或其它部件 同心，所述其它部件例如是压缩机膛孔，并且内表面250足够光滑以用 作滑动元件的轴承表面和/或密封件。例如，在斯特林制冷器的实施方 式中，内表面250的尺寸设置为收容排出器并且具有必要的公差和光滑 度用以形成排出器密封件并且用于实现排出器气体轴承，所述排出器气 体轴承具有导气孔用以排放排出器表面和内部支撑240的内表面250之 间的加压气体。
再次参照图2，外部环210设置于壳体壁122和外部散热鳍片220 之间并且与壳体壁122和外部散热鳍片220接触。在本发明的这一说明 性实施方式中，外部环210是沿圆周包围壳体壁122的圆筒状的环。在 这一说明性实施方式中，外部环210由相比制成壳体壁122的材料具有 较高的导热率的材料制成。例如，壳体壁通常由不锈钢制成。在这种情 况下，可以使用铜、铝或它们相应的合金或者具有较高导热率的材料制 造外部环。
如上文所指出的，沿圆周方向的热流阻低对于换热器的正常工作是 非常重要的，现有技术通过同时使用外部环和内部环处理这一问题。在 这方面，本发明的说明性实施方式采用单独的外部环210来实现和现有 技术中所使用的两个环相同的功能，从而减少了所需部件并且简化了生 产过程。
外部环210能够通过多种方法固定至壳体壁122。例如，能够使用 具有良好导热特性的粘合剂将外部环210粘结至壳体壁122，所述具有 良好导热特性的粘合剂例如是具有嵌入树脂的金属微粒的导热粘合剂。 外部环210还能以与上述的内部散热鳍片冷缩配合于壳体内侧类似的方 式，通过压配合、冷缩配合或其它方法连接至壳体壁122。例如，能够 在铝制外部环210滑套于不锈钢壳体120的一部分之前对铝制外部环 210进行加热，然后冷却，从而冷缩配合到壳体120上。在本发明的另 一个实施方式中，在进行冷缩配合之前，将密封层应用于外部环210和 壳体壁122之间用以密封外部环210和壳体壁122之间的任何间隙。这 在外部环连接于气密室法兰(例如斯特林制冷器中的真空法兰)或作为 气密室法兰的一部分使用的应用中是非常有用的。能够使用领域内公知 的多种密封层以适应具体的应用。
除了导出壳体壁122的热量，外部环210还用于提高如上所述通常 很薄的壳体壁122的结构完整性。在斯特林冷却器的应用中，壳体120 的内部通常是增压的。因此，在斯特林冷却器的应用中从外部加固壳体 壁122是特别需要的并且通常是更加有效的。
外部散热鳍片220能够通过包括焊接、铜焊和用粘合剂粘结在内的 多种方法固定至外部环210。像上述用于制造内部散热鳍片230的方法 一样，外部散热鳍片220能够由与外部环210相同的初始件材料制成， 而不是将外部散热鳍片220固定至外部环210。
作为上述构造的替换，散热鳍片220和230能够由一个或多个薄金 属折叠片构造，所述金属例如是铜。折叠片能够根据需要通过多种方式 成形以适应具体的设计。例如，进一步参照图3，外部散热鳍片320包 括由一个或多个薄铜折叠片构成的鳍片322，但也能够通过其它导热体 并且能够以其它适应特定应用的形式构成。例如，如图4所示，外部散 热鳍片420的散热鳍片422能够由单独铜片构成。
在本发明的另一个说明性实施方式中，如图5和图6所示，与上述 说明性实施方式中的内部换热器类似，内部换热器500包括内部散热鳍 片530和内部支撑元件540。而且，环形部590与内部散热鳍片530和 内部支撑元件540连接。本实施方式中的环形部590在外侧与散热鳍片 530在径向上同样延伸而在内侧限定室592，该室592与内部散热鳍片 530之间的沟槽532流体连通。当内部换热器500安装在壳体120内时， 换热器500的纵向轴线550与壳体120的纵向轴线150对齐，环形部590 和壳体壁122形成工作空间和缓冲空间之间的密封。
在这一示例中，换热器500、环形部590、内部散热鳍片530和内 部支撑元件540是整体件，其通过在圆柱状原材料上沿该原材料的部分 长度切割出沟槽532(即内部散热鳍片530之间的空间)制成。还能够 使用环形部590、内部散热鳍片530和内部支撑元件540的非整体构造。
如上述某些其它的实施方式，内部换热器500能够通过压配合、冷 缩配合或者其它粘结方法固定于壳体120，其中内部散热鳍片530和环 形部590都与壳体壁122接触。在环形部590、内部散热鳍片530和内 部支撑元件540是整体件的示例中，整个换热器500能作为整体固定于 壳体120。在使用环形部590、内部散热鳍片530和内部支撑元件540 的非整体构造的情况下，环形部590和内部散热鳍片530能够通过压配 合、冷缩配合或者其它粘结方法固定于壳体120。内部支撑元件540能 够进一步压配合于内部散热鳍片530的内部、冷缩配合于内部散热鳍片 530的内部或者粘结于内部散热鳍片530的内部。而且，由于具有外部 环210，能够在环形部590和壳体壁122之间应用密封剂以消除它们之 间的任何间隙从而进一步保证气密密封。
在本发明的另一个实施方式中，去掉了内部支撑元件540，内部散 热鳍片530完全由环形部590支撑。
本发明的另一个可替换实施方式示意性地示于图8。在这一实施方 式中，换热器组件800包括与图2所示的换热器200相似的部件，但是 不具有外部散热鳍片。这一说明性实施方式中的交换器组件800包括座 靠在壳体壁122的外表面的外部环810。组件800进一步包括设置在壳 体壁122内侧的内部散热鳍片830。组件800进一步包括设置在内部散 热鳍片830内侧并且与内部散热鳍片830接触的内部支撑元件840。
图8所示的实施方式能够任选地进一步包括附加的传热结构或者用 于附接附加的传热结构的设备，以用于向外部环810或者自外部环810 传递热量。如图8中的标记850象征性地所指的，这些结构和设备能够 包括安装在外部环810的表面上的管道或者形成在外部环810内部的 槽，用于传送例如水等传热流体。所述结构和设备还可以包括散热器， 所述散热器例如是一定体积的具有大热质量的材料。进一步的示例包括 位于外部环810上的用于固定传热结构的凹部、凸部或者其它结构。
在本发明的另一个示意性地示于图9的说明性实施方式中，换热器 组件900包括位于壳体壁122内侧的内部散热鳍片930和设置在内部散 热鳍片930内侧并且与内部散热鳍片930接触的内部支撑元件940。与 某些其它说明性实施方式不同，在这种情况下的换热器组件900不具有 环形的外部换热器部分。取而代之，换热器组件900包括其它的外部传 热结构或者用于附接外部传热结构的设备，用于向壳体壁122或者自壳 体壁122传递热量。如图9中的标记950象征性地所指的，这些结构和 设备能够包括安装在壳体壁122的外表面上的管道。所述结构和设备还 能够包括散热器，所述散热器例如是一定体积的具有大热质量的材料。 所述的一定体积的材料能够进一步包括用于传送例如水、其它流体或者 气体之类的传热流体的沟槽952。进一步的示例包括位于壳体壁122上 的用于固定传热结构的凹部、凸部或者其它结构。
因此，本发明的说明性实施方式提供了若干超过现有技术的装置和 方法的优点。这些优点包括：易于加工自内部支撑向外突出的内部散热 鳍片；通过冷缩配合方法使内部散热鳍片与壳体接触的通用性；用于形 成气体轴承和/或密封件的内部支撑的内表面的精确定位的通用性，其 中滑动元件沿内表面可移动地设置。
上文所参照的所有专利和专利申请公开文献通过参考引入此处。本 领域普通技术人员在本发明的教导的启示下，能够通过不同的但是等效 的方式进行更改或实施本发明，这是显而易见的，因此上文所公开的具 体的实施方式仅用作说明用途。而且，除了权利要求之外，不限制于此 处所示的构造或设计的细节。因此很明显，上文所公开的具体的实施方 式能够进行变更或修改，并且所有这些改型都认为落入本发明的范围和 精神内。因此，此处所寻求的保护如权利要求所述。
本申请为2007年5月17日提交的PCT国际申请，其中美国公司 SUPERCONDUCTOR TECHNOLOGIES INC.作为除美国外的所有指 定国的申请人，而德国公民Andreas Fiedler仅作为指定国美国的申请 人，并且要求2006年5月19日提交的美国临时专利申请No.60/802,174 和2007年5月17日提交的美国专利申请No.11/749,782的优先权。