CN108954891A - 基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，包括至少一个预冷级斯特林制冷机和至少一个低温级脉管制冷机，所述低温级脉管制冷机至少有一个采用电涡流阻尼调相机构，该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为低温级脉管制冷机调相。本发明的复合型制冷机中低温级脉管制冷机由于温度降低，调相机构入口声功太小无法获得合适的调相角度的缺点，采用电涡流阻尼调相机构，可为低温级脉管制冷机提供更优的相位，而且电涡流阻尼调相机构通过改变磁场强度实现相位的主动调节，从而使斯特林/脉管复合型制冷机可以高效的获得20K及以下的制冷温度。

Description

基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机

技术领域

本发明涉及一种回热式低温制冷机，尤其是涉及一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机。

背景技术

回热式低温制冷技术在国防军事、能源医疗、航空航天、低温物理等领域有着不可或缺的重要作用。其中回热器是回热式低温制冷技术的关键，当前的回热式制冷技术在80K温区技术相对成熟，但是对20K以下的温区，当前回热式制冷技术的效率低下，结构复杂。

脉管制冷机由Gifford和Longsworth于1964年提出，它在冷端不存在运动部件，具有高可靠性和长寿命的潜在优势，经过近半个世纪的发展，脉管制冷机目前已广泛应用于航空航天、低温超导等领域。根据驱动源的不同，脉管制冷机主要分为G-M脉管制冷机(也称低频脉管制冷机)和Stirling脉管制冷机(也称高频脉管制冷机)；G-M脉管制冷机由G-M制冷机的压缩机驱动，其工作频率一般为1～2Hz，Stirling脉管制冷机由线性压缩机驱动，其工作频率一般在30Hz。

目前G-M脉管制冷机可以获得的最低温度为1.3K，已实现液氦及以上温区的商业化应用，但是其在液氦温区的效率很低(在4.2K获得1W的制冷量需要输入6～10kW的电功)；而与G-M脉管制冷机相比，Stirling脉管制冷机具有结构紧凑、效率高、重量轻等一系列优势，而且它在35K及以上温区的技术相对成熟，目前已广泛应用于上述温区的航空航天任务中。

R.Stirling于1817年发明了斯特林发动机，A.Kirk将结构进行改进于1874年实现了制冷效应，即斯特林制冷机。经过近两个世纪的发展，斯特林制冷机当前已广泛应用于航空航天，国防军事等领域，且其在35K及以上温区技术相对成熟，但目前仍无法高效长寿命工作于20K及以下温区。

当前，为获得较低的制冷温度(如20K以下)必须采用多级制冷结构，其中制冷机的耦合方式主要有热耦合和气耦合两种方式。虽然热耦合的方式能够使各级之间独立运行在彼此的最佳工况，但是由于存在多段回热器(如两级脉管制冷机采用热耦合方式便存在三段回热器，分别为预冷级回热器，低温级预冷段回热器和低温级回热器，其中预冷级回热器和低温级预冷段回热器工作在相同温度)，与气耦合方式相比，其存在较大的回热器损失，且预冷级与低温级之间需要由热桥进行热传导，热阻的存在进一步降低了其效率。

对于气耦合方式而言，虽然其回热器段数较少，但是由于回热器在不同的温区存在不同的最佳运行压力，而气耦合回热器只能在一个充气压力下工作，导致高温段回热器和低温段回热器性能无法兼顾，从而导致气耦合方式的回热式制冷机效率也不高。

斯特林/脉管复合型制冷机作为一种近期提出的新型结构，具有结构紧凑的优点。但是低温段的脉管级由于本征效率低于卡诺效率，且调相机构无法获得较优的相位，导致目前性能仍待提高，如何提高低温段脉管级的效率是当前斯特林/脉管复合型制冷机亟待解决的问题。

发明内容

为解决斯特林/脉管复合型制冷中低温段脉管级效率低的难题，本发明提供了一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，实现了斯特林/脉管复合型制冷中低温段脉管级工作在最优的相位条件下，从而使整机高效工作，同时由于取代了原有的惯性管和气库等结构，使整机结构更加紧凑。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下几种优选的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，下述几种多级回热式制冷机的制冷效率均较高，均能高效达到20K及更低的工作温区

一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，包括压缩机、至少一个预冷级斯特林制冷机和至少一个低温级脉管制冷机，所述低温级脉管制冷机至少有一个采用电涡流阻尼调相机构，该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为低温级脉管制冷机调相。

作为优选的方案，所述压缩机通过管路与预冷级斯特林制冷机热端连通，所述预冷级斯特林制冷机的冷端与低温级脉管制冷机的热端相连。所述预冷级斯特林制冷机包括气缸、板弹簧、级后冷却器、连杆、排出器、热端密封圈、冷端密封圈、预冷级冷端换热器；其中排出器通过连杆连接到板弹簧并固定在气缸热端，热端密封圈和冷端密封圈分别布置在排出器的热端和冷端，级后冷却器布置在板弹簧和排出器热端之间，预冷级冷端换热器布置在气缸冷端。所述低温级脉管制冷机包括通过管路依次连通的回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器及电涡流阻尼调相机构。

为进一步降低斯特林/脉管复合型制冷机的工作温度，作为优选，所述脉管热端换热器和预冷级冷端换热器相连。

为获得低于10K的温度，作为优选，所述斯特林/脉管复合型制冷机中至少包括两个低温级脉管级制冷机，且至少有一个低温级脉管级制冷机采用电涡流阻尼调相机构调相。

作为优选，所述低温级脉管制冷机为单级脉管制冷机。作为进一步优选，所述预冷级斯特林制冷机也为单级斯特林制冷机。

作为优选，所述单级脉管制冷机脉管热端换热器与预冷机斯特林制冷机冷端相连。

作为优选，所述预冷级斯特林制冷机的排出器冷端与低温级脉管制冷机的回热器热端之间通过预冷级冷端换热器相连。

作为优选，所述电涡流阻尼调相机构包括：

能与所述脉管制冷机的脉管热端换热器密封连通的壳体；

通过弹性件设置在壳体内、且在压力波作用下能够做往复运动的活塞，该活塞为导体；

设置在壳体外能够在活塞往复运动时对活塞产生磁场作用力的磁场发生装置。

采用上述方案，可通过仿真实验，确定活塞面积，弹簧以及磁场发生装置的磁场的大小，通过磁场发生装置控制活塞的运动，进而实现较优相位调节。

本发明还可以同时结合传感器和控制器，可以根据实际工况实时主动调节活塞受到的电涡流阻尼力，使得制冷机内位移和压力的相位差始终保持在最优相位差，使制冷机始终保持在最优声阻抗状态。

作为优选，所述电涡流阻尼调相机构还包括：用于检测活塞实时位移信息的位移传感器；

用于活塞作用面的实时压力信息的压力传感器；

控制器，接收所述位移传感器的位移信息和压力传感器的压力信息，控制所述磁场发生装置产生的磁场强度的大小。

本发明通过改变所述磁场发生装置的磁场强度来控制活塞受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

本发明中，所述活塞为导体，活塞的移动，会产生瞬间电流，进而在外加磁场作用下，产生电涡流阻尼力。

C型铁芯一般采用硅钢等导磁材料加工而成，绕组为漆包线或者其它具有绝缘外层的导线。所述C型铁芯的两端正对活塞的两侧，其产生的磁场力与活塞的运动方向垂直，使得活塞移动过程中，始终保持切割磁力线运动。

作为优选，所述壳体选择非铁磁材料，非铁磁材料不仅仅包括非铁材料，而是一类不屏蔽磁场也不干扰的材料，采用该材料的壳体，避免其对磁场发生装置产生的磁场产生干扰。

作为优选，其特征在于，所述磁场发生装置包括：

两端正对活塞一侧设置的C型铁芯；

缠绕在C型铁芯上的绕组；

对绕组进行供电的电源；

所述电源受控于所述控制器。

作为优选，所述位移传感器输出的位移信息为位移幅值，所述压力传感器输出的压力信息为压力幅值。位移传感器或压力传感器可以直接检测到活塞的实时位移信息或者其作用面的实施压力信息，通过简单的转换即可得到所述的位移幅值或压力幅值，方便了控制。

本发明的主动调相机构的外壳的外部设置有磁场发生装置，磁场发生装置发出的磁场穿过所述外壳和所述活塞，而且磁场发生装置所发出磁场的磁场强度受到控制器的调节。当制冷机启动时，活塞受到来自脉管热端的声波驱动而发生受迫振动。由于活塞为导体而且置于磁场之中，活塞振动时其内部产生电涡流，该电涡流在磁场的作用下产生阻碍活塞运动的电涡流阻尼力，而电涡流阻尼力的大小与磁感应强度以及活塞的运动速度呈正相关。通过检测活塞的位移和活塞前部的压力，控制器将根据一定算法调节磁场发生装置所发出磁场的磁场强度，就可以调节活塞所受的电涡流阻尼力的大小，从而改变活塞与弹簧所组成的弹簧振子系统的阻抗特性，达到调节回热器冷端声阻抗的目的。

作为优选，所述控制器接收所述位移传感器的位移信息和压力传感器的压力信息，控制所述磁场发生装置产生的磁场强度的大小的关系式如下：

其中x＝x_acosωt，x_a表示位移幅值，由位移传感器直接检测得到，ω表示角速度，t表示时间；p＝p₀+p_acos(ωt+φ)，p_a表示压力幅值，由压力传感器直接检测得到，φ表示位移与压力的实时相位差，取最优相位差；N是与磁场发生装置设计参数相关的常数，B是磁场发生装置所发出的磁场的磁感应强度；A表示活塞的作用面积；k表示同时考虑弹性件和气体弹簧效应的等效弹簧刚度，m表示活塞的作用面积。

作为优选，所述弹性件为设置在壳体与活塞之间的弹簧。本发明中外壳采用非铁磁材料，活塞采用良好的导体，通过弹簧将活塞连接于外壳内，通过改变所述磁场发生装置的磁场强度来控制活塞受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

作为进一步优选，C型铁芯的两个端面的距离大于外壳的外径，以保证外壳能够置于C型铁芯的两个端面之间；绕组布置在C型铁心的中部，布置的匝数根据所需要产生的磁场强度确定。通过控制通入绕组的直流电电流强度，可以调节磁场发生装置所发出的磁场强度。

本发明的控制器可以采用控制芯片，也可以采用计算机。既可以单独设置，也可以集成于制冷机的总控制器上。对于多级脉管制冷机，既可以其中一个调相装置采用上述的电涡流阻尼调相机构，也可以是所有的调相装置都采用所述的电涡流阻尼调相机构。采用多个所述电涡流阻尼调相机构时，可分别单独设置控制器进行单独分别控制，也可以采用集成的一个控制器分别进行控制。

本发明的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，预冷机采用效率较高的斯特林制冷机，低温级脉管制冷机由于采用电涡流阻尼调相机构，克服和惯性管和气库等被动式调相装置调相能力不足和操作不便等缺点，使得斯特林/脉管制冷机整机能够高效地获得深低温。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的斯特林/脉管复合型制冷机克服了斯特林/脉管复合型制冷机中低温级脉管制冷机由于温度降低，调相机构入口声功太小无法获得合适的调相角度的缺点，采用电涡流阻尼调相机构，可为低温级脉管制冷机提供更优的相位，而且电涡流阻尼调相机构通过改变磁场强度实现相位的主动调节，从而使斯特林/脉管复合型制冷机可以高效的获得20K及以下的制冷温度。

附图说明

图1为本发明的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机的另一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明的基于电涡流阻尼的调相机构的一种实施方式。

图4为本发明的基于电涡流阻尼的调相机构的另一种实施方式。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机包括：压缩机C、气缸SC、板弹簧FB、连杆、级后冷却器AC、排出器DS、热端密封圈HS、冷端密封圈CS、预冷级冷端换热器CHX1、回热器RG、冷端换热器CHX2、脉管PT、脉管热端换热器HHX、电涡流阻尼调相机构ECD。

上述各部件的连接方式如下：板弹簧FB、连杆、级后冷却器AC、排出器DS、热端密封圈HS、冷端密封圈CS和预冷级冷端换热器CHX1置于气缸SC内，排出器DS通过连杆与板弹簧FB连接固定在气缸SC热端，热端密封圈HS和冷端密封圈CS分别布置在排出器DS的热端和冷端，级后冷却器AC布置在板弹簧FB和排出器DS热端之间，预冷级冷端换热器CHX1布置在气缸SC冷端，压缩机C通过管路与气缸SC热端连通；回热器RG与冷端换热器CHX2、脉管PT、脉管热端换热器HHX、电涡流阻尼调相机构ECD通过管路依次连接；预冷级冷端换热器CHX1与回热器RG热端相连。

本实施方式的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机的运行过程为：

经过压缩机C压缩的高温高压气体流经级后冷却器AC后冷却至室温，然后与排出器DS中的回热填料进行换热，温度降低，通过控制压缩机C的压缩活塞与排出器DS之间的运动关系，实现低温高压气体在冷端膨胀，温度进一步降低，在预冷级冷端换热器CHX1处产生制冷效应，回热器RG内的气体经过预冷级冷端换热器CHX1的冷却作用，初始温度降至预冷级冷端换热器CHX1的温度，之后，气体依次通过冷端换热器CHX2、脉管PT、脉管热端换热器HHX、电涡流阻尼调相机构ECD，通过调节电涡流阻尼调相机构ECD的磁场强度，可以为低温级脉管制冷机提供较优的制冷相位，从而在冷端换热器CHX2处产生制冷效应。

实施例2

如图2所示，一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，与实施例1的区别在于：所述脉管热端换热器HHX和预冷级冷端换热器CHX1相连，通过降低脉管PT热端的温度梯度，减小脉管级的导热漏热，进一步提高该脉管制冷机制冷效率。

实施例3

如图3所示，一种基于电涡流阻尼的调相机构ECD包括：外壳W、通过弹簧S连接在外壳W内的活塞P、置于外壳W外的磁场发生装置M和布置在发生装置M上的线圈I。通过改变所述磁场发生装置M的磁场强度来控制活塞P受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

本实施例中，在装置运行前，可由仿真实验，直接获得需要的磁场强度，直接采用能够产生该磁场强度的磁场发生装置5即可。也可同时在仿真实验中选择最优的活塞工作面积、最优弹性参数的弹簧等。

其中，外壳为非铁磁材料，可采用各种满足要求的材料。外壳开口朝下设置。活塞P为导体，可采用现有的导体材料。图中，活塞P的底部为活塞前部，即活塞的作用面积。活塞可采用柱形体，底面为平面结构。通过弹簧S与外壳W顶面内壁固定，在外力作用下活塞可在外壳内往复运动。

磁场发生装置M包括C型铁芯、缠绕在C型铁芯上的绕组，以及与绕组相连接的直流电源，绕组置于C型铁芯的中部。活塞底面为工作面，水平设置，C型铁芯的两极正对活塞的两侧，活塞的运动为切割磁力线运动。

实施例1、实施例2中的调相机构ECD可以选择上述实施例3中的基于电涡流阻尼的调相机构。

实施例4

如图4所示：一种基于电涡流阻尼的调相机构ECD包括：外壳W、通过弹簧S连接在外壳W内的活塞P、置于外壳W外的磁场发生装置M和布置在发生装置M上的线圈I。通过改变所述磁场发生装置M的磁场强度来控制活塞P受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

相关的结构同实施例3，不同之处在于：还可以包括与活塞P相连接用于检测活塞位移的位移传感器LVDT、布置在活塞P前部用于检测活塞所受压力的压力传感器PS以及通过数据连接线与磁场发生装置M、位移传感器和压力传感器相连接的控制器；通过改变所述磁场发生装置M的磁场强度可以控制活塞P受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

其中，数据连接线等也可以由蓝牙等无线模块代替。控制器可以是控制芯片或者也可以是计算机，控制器可以是单独设置的控制器，也可以是集成于制冷机中心控制器。本实施例中，控制器采用计算机，通过该计算机实现对整个制冷机的参数读取和控制。

其中，位移传感器一般为现有的LVDT位移传感器，通过LVDT位移传感器可以检测活塞的实时位置，最终可以输出位移幅值等。压力传感器也是采用现有的产品，通过对实时压力的检测，最终可以输出压力幅值等。

本实施方式的带有基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相机构的控制原理为：

假设活塞的实时位移和实时压力分别为：

x＝x_acosωt (1)

p＝p₀+p_acos(ωt+φ) (2)

其中，x表示活塞P的实时位移，x_a表示活塞P的位移幅值，ω表示压缩机的角速度，t表示时间，p表示活塞P工作面的实时压力，p₀表示充气压力、p_a表示活塞P工作面的压力幅值，φ表示位移与压力的实时相位差。

另外，根据活塞P的动力学方程，有：

其中，A表示活塞P的作用面积(图中为活塞P底面的面积)，k表示同时考虑弹簧S和气体弹簧效应的等效弹簧刚度，可由仿真实验得到，m表示活塞P的质量，F_B表示活塞P受到的电涡流阻尼力，根据电磁学理论，该阻尼力可以表示为：

其中N是与磁场发生装置M设计参数相关的常数，与磁场发生装置的设计有关，一般需要对磁场发生装置进行建模并通过电磁场仿真得到，B是磁场发生装置M所发出的磁场的磁感应强度，受到控制器的调节。

将式(1)、式(2)和式(4)带入到式(3)中，即可得到磁感应强度B与x_a、p_a、t、φ等的关系式。

其中根据制冷机的设计结果，可以知道活塞P的位移波动以及活塞P前部压力波动的最优阻抗的相位差，假设该最优相位差为φ₀，取φ＝φ₀。

同时，当制冷机运行时，控制器通过位移传感器和压力传感器采集活塞P的实时位移信息以及活塞P前部的实时压力信息，进而得到x_a、p_a的值，并将x_a、p_a输入给控制器。

其他参数均为已知值，或者可由仿真算法求得。

综上所述，通过以上公式，可以得到相位差与磁感应强度的数学关系，从而可以编写控制器根据最优相位差φ₀、活塞P的实时位移信息以及活塞P前部的实时压力信息调节磁感应强度的算法。控制器根据该算法可以实时调节磁感应强度，保证实时相位差一直为最优相位差，从而在工况发生变化的情况下仍然能够为脉管制冷机提供合适的阻抗，保证脉管制冷机的高效运行。

实施例1、实施例2中的调相机构ECD可以选择上述实施例4中的基于电涡流阻尼的调相机构。

Claims (10)

1.一种基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，包括至少一个预冷级斯特林制冷机和至少一个低温级脉管制冷机，其特征在于，所述低温级脉管制冷机至少有一个采用电涡流阻尼调相机构，该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为低温级脉管制冷机调相。

2.根据权利要求1所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述电涡流阻尼调相机构包括：

能与所述脉管制冷机的脉管热端换热器密封连通的壳体；

通过弹性件设置在壳体内、且在压力波作用下能够做往复运动的活塞，该活塞为导体；

设置在壳体外能够在活塞往复运动时对活塞产生磁场作用力的磁场发生装置。

3.根据权利要求2所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述电涡流阻尼调相机构还包括：

用于检测活塞实时位移信息的位移传感器；

用于活塞作用面的实时压力信息的压力传感器；

控制器，接收所述位移传感器的位移信息和压力传感器的压力信息，控制所述磁场发生装置产生的磁场强度的大小。

4.根据权利要求3所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，其特征在于，所述磁场发生装置包括：

两端正对活塞一侧设置的C型铁芯；

缠绕在C型铁芯上的绕组；

对绕组进行供电的电源；

所述电源受控于所述控制器。

5.根据权利要求3所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述位移传感器输出的位移信息为位移幅值，所述压力传感器输出的压力信息为压力幅值。

6.根据权利要求3所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述控制器接收所述位移传感器的位移信息和压力传感器的压力信息，控制所述磁场发生装置产生的磁场强度的大小的关系式如下：

其中x＝x_acosωt，x_a表示位移幅值，由位移传感器直接检测得到，ω表示角速度，t表示时间；p＝p₀+p_acos(ωt+φ)，p_a表示压力幅值，由压力传感器直接检测得到，φ表示位移与压力的实时相位差，取最优相位差；N是与磁场发生装置设计参数相关的常数，B是磁场发生装置所发出的磁场的磁感应强度；A表示活塞的作用面积；k表示同时考虑弹性件和气体弹簧效应的等效弹簧刚度，m表示活塞的作用面积。

7.根据权利要求2或3所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述弹性件为设置在壳体与活塞之间的弹簧。

8.根据权利要求1所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述低温级脉管制冷机为单级脉管制冷机。

9.根据权利要求8所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述单级脉管制冷机脉管热端换热器与预冷机斯特林制冷机冷端相连。

10.根据权利要求1所述的基于电涡流阻尼调相的斯特林/脉管复合型制冷机，其特征在于，所述预冷级斯特林制冷机的排出器冷端与低温级脉管制冷机的回热器热端之间通过预冷级冷端换热器相连。