CN111998567B - 一种主动控制型自调式节流制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动控制型自调式节流制冷器，本发明的主动控制型制冷器是直接根据被冷却对象反馈的温度信号来对制冷器流量进行调节，克服了传统的波纹管或记忆合金自调式节流制冷器调节滞后性问题，同时，装配和调试更为简单，寿命相比波纹管自调式制冷器更长。

Description

一种主动控制型自调式节流制冷器

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，特别是涉及一种主动控制型自调式节流制冷器。

背景技术

利用高压气体节流降温实现制冷的制冷器被称为节流制冷器或焦耳汤姆逊制冷器(即，J-T制冷器)。由于节流制冷器可实现较低的制冷温度、且具有启动快、体积小、重量轻等优势，被广泛应用于低温医疗、航空航天以及红外探测等领域。

自调式节流制冷器是指可以实现制冷温度、制冷流量、制冷功率自动调节的制冷器。目前，常见的自调技术路线有两种，波纹管自调式和记忆合金自调式。波纹管是一种薄壁弹性元件，内部充有一定压力的气体，波纹管内气体感受到外部环境温度变化时压力会发生相应的变化，波纹管随之变形带动针阀机构动作，实现自调。记忆合金具有随温度变化的形状记忆特性，可在外界环境温度发生变化时发生形变，实现对针阀机构开度的控制。

但是以上两种自调方式对温度都是滞后调节，具体来说，波纹管或记忆合金感知的都是周围环境温度，而不是被冷却对象的温度，从而使温度调节不够及时，导致温度的滞后调节。

发明内容

本发明提供了一种主动控制型自调式节流制冷器，以解决现有技术中的自调式节流制冷器温度调节滞后的问题。

本发明提供了一种主动控制型自调式节流制冷器，包括：步进电机、阀针、弹簧和阀体，其中，所述阀针卡套在所述弹簧的第一端部内，所述弹簧的第二端部与所述阀体连接；

通过控制所述步进电机来推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩，来调节所述阀针与所述阀体上的节流孔的开度大小，以对所述制冷器的温度进行调整。

可选地，所述制冷器还包括：控制器；所述控制器根据接收到的被制冷对象的温度信息，根据所述温度信息控制所述步进电机，以推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩。

可选地，所述制冷器还包括：温度传感器；所述温度传感器，用于测量所述被制冷对象的温度信息，并将所述温度信息发送给所述控制器，以使所述控制器根据所述被制冷对象是温度信息控制所述步进电机推动所述阀针的运动。

可选地，通过所述步进电机推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩，包括：通过所述步进电机的电机轴来推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩。

可选地，所述制冷器还包括：滑块和芯管；所述滑块，套接在所述阀针外围，并与所述弹簧的第一端部连接，用于对所述阀针进行限位，以使所述阀针仅沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩；所述芯管，套接在所述滑块和所述弹簧的外围，所述芯管的第一端部与所述步进电机连接，所述芯管的第二端部与所述阀体连接。

可选地，所述制冷器还包括：电机连接环；通过所述电机连接环将所述步进电机的电机轴与所述芯管进行连接。

可选地，所述制冷器还包括：热交换器；所述热交换器缠绕在所述芯管外围，所述热交换器的第一端部通过进气尾座与供气源连接，所述热交换器的第二端部与所述阀体连接。

可选地，通过所述进气尾座对进入所述热交换器的制冷气体进行过滤；

过滤后的制冷气体经所述热交换器进入所述阀体，在所述阀体的节流孔处被节流，节流后的制冷气体从所述阀体与所述芯管的间隙流出，并达到所述被制冷对象对其进行制冷，制冷后的制冷气体经所述热交换管表面间隙排出。

可选地，所述进气尾座一端与所述热交换器的第一端部连接，其另一端部与供气源的输出管道连接；所述进气尾座内设有过滤片，通过所述过滤片对所述输出管道输送来的制冷气体进行过滤。

可选地，所述阀体的第一端部的中心位置设有所述节流孔，且所述阀体的第一端部沿其中心轴对称设有四个直角缺口，所述直接缺口分别与所述节流孔相通，并且所述阀体通过所述阀体的第一端部与所述芯管连接；

所述阀体的第二端部设有进气孔，所述进气孔的中心轴与所述阀体的中心轴相垂直，且所述进气孔与所述热交换器通过管道相连通；

所述阀体的中心轴设有中空结构，所述中空结构的第一端口与所述节流孔相通，所述中空结构的第二端口设有密封塞，且所述中空结构与所述进气孔相连通。

本发明有益效果如下：

本发明的主动控制型制冷器是直接根据被冷却对象反馈的温度信号来对制冷器流量进行调节，克服了传统自调式节流制冷器调节滞后性问题，同时，本发明摒弃了波纹管或记忆合金结构，制冷器装配和调试变得更为简单，并克服了制冷器寿命短的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种主动控制型自调式节流制冷器的自调机构结构示意图；

图2是本发明实施例提供的主动控制制冷器的整体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的进气尾座的侧视图图；

图4是本发明实施例提供的进气尾座的剖视图；

图5是本发明实施例提供的阀体的俯视视图；

图6是本发明实施例提供的阀体的剖视图；

图7是本发明实施例提供的气源供应组件装置示意图

附图说明：1：阀体；2：弹簧；3：阀针；4：滑块；5：电机轴；6：步进电机；7：螺钉；8：螺母；9：密封圈；10：电机连接环；11：芯管；12：热交换管；100：气源供应组件；101：供气源；102：第一压力表；103：减压阀；104：第二压力表；105：流量计；106：截止阀。

具体实施方式

本发明实施例针对现有通过波纹管或记忆合金的自调式节流制冷器温度调节滞后的问题，通过滑块套在阀针针体上，起到对阀针径向限位的作用，使阀针针尖始终对准节流孔轴线区域。弹簧有两个作用，一是防止阀针和滑块自由移动，撞击节流孔，二是和步进电机轴配合调节阀针和阀体的相对位置。步进电机轴接收到脉冲信号后可以在轴线方向伸长或收缩，从而控制针阀机构的开度，实现制冷流量的调节。即，本发明实施例的节流制冷器是使用电机和驱动控制器来替代传统的波纹管或记忆合金结构实现流量的自动调节，并且本发明实施例的主动控制型制冷器是直接根据被冷却对象反馈的温度信号来对制冷器流量进行调节，从而克服了传统自调式节流制冷器调节滞后性问题，同时，本发明摒弃了波纹管或记忆合金结构，制冷器装配和调试变得更为简单，还可克服了制冷器寿命短的问题。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

目前的自调型制冷器主要有两种类型：波纹管自调式制冷器和记忆合金自调式制冷器，其普遍存在控温稳定性问题，尤其是在变负载环境下，制冷器流量调节迟缓，不能及时将标的物体冷却至所需温度。另外，自调型制冷器装调难度很大。主要原因是波纹管的刚度和记忆合金的低温形变量离散性较高，每只制冷器的调试状态几乎都不相同。对于波纹管自调式制冷器还存在密封性问题，焊接工艺复杂，产品的使用寿命无法保证。综上：自调型制冷器设计急需解决控温稳定性差和装调困难问题。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种主动控制型自调式节流制冷器，参见图1和图2，包括：步进电机6、阀针3、弹簧2和阀体1，其中，所述阀针3卡套在所述弹簧2的第一端部内，所述弹簧2的第二端部与所述阀体1连接；

通过控制所述步进电机6来推动所述阀针3沿所述弹簧2的中心轴的轴向进行伸缩，来调节所述阀针3与所述阀体1上的节流孔的开度大小，以对所述制冷器的温度进行调整。

也就是说，本发明实施例是通过滑块套在阀针3针体上，起到对阀针3径向限位的作用，使阀针3针尖始终对准节流孔轴线区域。弹簧2有两个作用，一是防止阀针3和滑块自由移动，撞击节流孔，二是和步进电机轴5配合调节阀针3和阀体1的相对位置。步进电机轴5接收到脉冲信号后可以在轴线方向伸长或收缩，从而控制针阀机构的开度，实现制冷流量的调节。即，本发明实施例的节流制冷器是使用电机和驱动控制器来替代传统的波纹管或记忆合金结构实现流量的自动调节，并且本发明实施例的主动控制型制冷器是直接根据被冷却对象反馈的温度信号来对制冷器流量进行调节，从而克服了传统自调式节流制冷器调节滞后性问题，同时，本发明摒弃了波纹管或记忆合金结构，制冷器装配和调试变得更为简单，还可克服了制冷器寿命短的问题。

具体来说，本发明实施例的步进电机6，或者又可称为称脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，是一种可以自由回转的电磁铁，其工作原理是依靠气隙磁导的变化率产生电磁转矩。步进电机6工作时，需要接收脉冲信号，电机接受脉冲信号后会转化为角位移或线位移。主动控制型制冷器选用的步进电机6具有三大特点：第一，直线型位移。步进电机6接受到脉冲信号后会控制电机轴5在直线方向做伸缩运动，转速和停止位置受由脉冲信号的频率和脉冲个数决定。第二，高控制精度。要实现高控制精度，步进电机6的步长应尽可能小，步进电机6的步长大小受细分数影响，细分数越多，单个脉冲对应的步长就越小，主动控制型制冷器的步进电机6步长控制在微米级别可对制冷器流量进行较为精确的调节。第三，微型化。目前节流制冷器的发展方向是微型化，尤其是在航空航天、红外制导等领域对制冷器的微型化程度要求极高，为了保证整体尺寸满足使用要求，步进电机的尺寸也要尽可能小，目前微机电制造技术可以制造出直径尺寸在4mm以内的步进电机。

本发明实施例的自调机构设计方案如图1所示，主要包括阀体1、弹簧2、阀针3、滑块4和步进电机轴5。滑块4套在阀针3针体上，起到对阀针3径向限位的作用，使阀针3针尖始终对准节流孔轴线区域。弹簧2有两个作用，一是防止阀针3和滑块4自由移动，撞击节流孔，二是和步进电机轴5配合调节阀针3和阀体1的相对位置。步进电机轴5接收到脉冲信号后可以在轴线方向伸长或收缩，从而控制针阀机构的开度，实现制冷流量的调节。

进一步地，本发明实施例中所述制冷器还包括：所述控制器根据接收到的被制冷对象的温度信息，根据所述温度信息控制所述步进电机6，以推动所述阀针3沿所述弹簧2的中心轴的轴向进行伸缩。

所述温度传感器，用于测量所述被制冷对象的温度信息，并将所述温度信息发送给所述控制器，以使所述控制器根据所述被制冷对象是温度信息控制所述步进电机6推动所述阀针3的运动。

具体来说，本发明实施例是在被冷却对象表面布置有温度传感器，并将温度信号反馈给电机驱动。制冷器开始工作时，节流孔处于完全打开状态，制冷器大流量工作快速冷却标的物体，当冷却至所需温度后，驱动开始向电机输入脉冲信号，电机接收到脉冲信号后，会驱动电机轴5朝节流孔方向移动，移动的长度由输入的脉冲个数决定，电机轴5伸长过程中，弹簧2被压缩，节流孔开度减小，制冷器保持小流量工作，实现自调功能。

受外界环境温度影响，被冷却对象温度升高时，驱动向电机输入反向脉冲信号，控制电机轴5做收缩运动，弹簧2伸长，节流孔开度增大，制冷器流量增加，施加在被冷却对象上的制冷量增大，被冷却对象随即被冷却至所需温度。同样地，被冷却对象温度过低时，驱动会控制电机轴5做伸长运动，节流孔会被关小，流量减小，被冷却对象回升至正常温度。被冷却对象温度恢复正常后，驱动不再向电机反馈脉冲信号，制冷器流量保持稳定状态。

具体实施时，本发明实施例所述通过所述步进电机6推动所述阀针3沿所述弹簧2的中心轴的轴向进行伸缩，包括：通过所述步进电机6的电机轴5来推动所述阀针3沿所述弹簧2的中心轴的轴向进行伸缩。

本发明实施例的弹簧2的一端与滑块4接触，另一端与阀体1接触。弹簧2和电机轴5配合控制阀针3在芯管11中的运动，弹簧2收缩时，阀针3与节流孔间的开度减小，弹簧2伸长时，阀针3和节流孔间的开度增加。

并且，本发明实施例的阀针3的顶部和电机轴5接触，针尖部位和节流孔配合。电机轴5伸长时，阀针3向节流孔方向移动，节流孔开度减小，电机轴5缩短时，阀针3向远离节流孔方向移动，节流孔开度增加。

进一步地，本发明实施例所述制冷器还包括：滑块4和芯管11；

所述滑块4，套接在所述阀针3外围，并与所述弹簧2的第一端部连接，用于对所述阀针3进行限位，以使所述阀针3仅沿所述弹簧2的中心轴的轴向进行伸缩；

所述芯管11，套接在所述滑块4和所述弹簧2的外围，所述芯管11的第一端部与所述步进电机6连接，所述芯管11的第二端部与所述阀体1连接。

本发明实施例的滑块4，阀针3穿过其中，用于阀针3径向限位，使得阀针3运动时，位移仅发生在轴向，从而保证阀针3针尖可以始终和节流孔轴线区域对中。

本发明实施例的电机轴5，其与阀针3顶部接触，可在轴线方向发生位移，驱动阀针3在芯管11内部移动，调整节流孔开度。

本发明实施例的直线型步进电机6，该电机接收脉冲信号后可以控制电机轴5在直线方向上做收缩运动。步进电机6的位移精度很高，可以达到微米级，能十分精确的控制节流孔的开度。步进电机6工作所需的脉冲信号由电机驱动提供，该驱动可将被冷却对象的温度信号转化为脉冲信号。

本发明实施例通过螺钉7和螺母8固定型步进电机6和电机连接环10。并将密封圈9装于电机连接环10的密封槽中，步进电机6和连接环装配过程中，电机外壳会挤压密封圈，密封圈变形，从而实现对电机外壳和电机连接环10装配间隙的密封。

本发明实施例电机连接环10，用于连接步进电机6和制冷器。一端通过螺钉螺母与步进电机6连接，另外一端通过螺纹和制冷器芯管11连接。为了保证连接的可靠性，在连接环和电机外壳的配合处设计了密封槽，并配有密封圈，实现连接环和电机的密封；在连接环和制冷器芯管11的螺纹连接部位，涂覆螺纹胶，防止气体从螺纹缝隙中逸出。

具体实施时，本发明实施例的所述热交换器缠绕在所述芯管11外围，所述热交换器的第一端部通过进气尾座与供气源101连接，所述热交换器的第二端部与所述阀体1连接。

通过所述进气尾座对进入所述热交换器的制冷气体进行过滤；

过滤后的制冷气体经所述热交换器进入所述阀体1，在所述阀体1的节流孔处被节流，节流后的制冷气体从所述阀体1与所述芯管11的间隙流出，并达到所述被制冷对象对其进行制冷，制冷后的制冷气体经所述热交换管12表面间隙排出。

本发明实施例的芯管11，是制冷器的核心支撑结构。其外部缠绕热交换器，内部是自调机构的调节通道，一端通过焊接的方式和阀体1连接，另一端通过螺纹和电机连接环10相连。热交换管12均匀紧密地绕制在制冷器芯管11上，一端和进气尾座连接，另外一端和阀体1连接。热交换器实质上是一个逆流换热器，通气后，高压气体在管内流动，流至节流孔降温降压形成气液混合物，流经被冷却对象时吸收大量的热量，之后从热交换器表面返流至外界大气，返流过程中对管内高压气体进行冷却。

所述进气尾座一端与所述热交换器的第一端部连接，其另一端部与供气源101的输出管道连接；

所述进气尾座内设有过滤片，通过所述过滤片对所述输出管道输送来的制冷气体进行过滤。

如图3和图4所示为本发明实施例的进气尾座，其a位置与热交换管12配合，通过锡焊的方式固定；b为过滤片，可对高压气体进行过滤，防止杂质进入制冷器导致堵塞现象；c为压环，它和进气尾座是过盈配合，起到压紧过滤片的作用；d为密封圈，和气路接头配合，防止气路接头输送的气体泄漏。

所述阀体1的第一端部的中心位置设有所述节流孔，且所述阀体1的第一端部沿其中心轴对称设有四个直角缺口，所述直接缺口分别与所述节流孔相通，并且所述阀体1通过所述阀体1的第一端部与所述芯管11连接；

所述阀体1的第二端部设有进气孔，所述进气孔的中心轴与所述阀体1的中心轴相垂直，且所述进气孔与所述热交换器通过管道相连通；

所述阀体1的中心轴设有中空结构，所述中空结构的第一端口与所述节流孔相通，所述中空结构的第二端口设有密封塞，且所述中空结构与所述进气孔相连通。

如图5和图6所示，本发明实施的阀体1上C位置为节流孔，高压气体在此处节流，快速降温。阀体1的A位置焊有堵头，B位置接入热交换管12并焊接，从热交换管12输送的气体只能从节流孔处流过。阀体1的D位置和制冷器芯11管焊接，E位置是阀体1上加工的直角缺口，经节流孔节流后的制冷工质从4个缺口流出，到达被冷却物体。

如图7所示为本发明实施例的气源供应组件100的整体结构示意图，包括供气源101、第一压力表102和第二压力表104、减压阀103、流量计105以及截至阀。调节减压阀103，将压力设定为制冷器工作压力，打开截止阀106，高压气体进入进气尾座，过滤后从热交换器流至阀体1，在节流孔处节流，节流后的低温低压气液混合物从阀体1和制冷器芯管的间隙流出，达到被冷却对象并对其进行冷却，最后经热交换管12表面间隙流出至大气环境。被冷却对象将温度信号传递给电机驱动，当温度达到所需制冷温度后，驱动开始向电机输入脉冲信号，电机接收脉冲信号后，会控制电机轴5伸长，阀针3关小节流孔，制冷器流量减少。负载增加，温度过高时，驱动发出反向脉冲信号，电机轴5收缩，流量增大，被冷却对象温度恢复正常温度；负载减少，温度过低时，驱动再次控制电机轴5伸长，减少流量，被冷却对象温度恢复正常。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (6)

1.一种主动控制型自调式节流制冷器，其特征在于，包括：步进电机、阀针、弹簧和阀体，其中，所述阀针卡套在所述弹簧的第一端部内，所述弹簧的第二端部与所述阀体连接；

通过控制所述步进电机来推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩，来调节所述阀针与所述阀体上的节流孔的开度大小，以对所述制冷器的温度进行调整；

所述制冷器还包括：控制器；

所述控制器根据接收到的被制冷对象的温度信息，根据所述温度信息控制所述步进电机，以推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩；

所述制冷器还包括：温度传感器；

所述温度传感器，用于测量所述被制冷对象的温度信息，并将所述温度信息发送给所述控制器，以使所述控制器根据所述被制冷对象的温度信息控制所述步进电机推动所述阀针的运动；

所述通过所述步进电机推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩，包括：通过所述步进电机的电机轴来推动所述阀针沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩；

所述制冷器还包括：滑块和芯管；

所述滑块，套接在所述阀针外围，并与所述弹簧的第一端部连接，用于对所述阀针进行限位，以使所述阀针仅沿所述弹簧的中心轴的轴向进行伸缩；

所述芯管，套接在所述滑块和所述弹簧的外围，所述芯管的第一端部与所述步进电机连接，所述芯管的第二端部与所述阀体连接。

2.根据权利要求1所述的主动控制型自调式节流制冷器，其特征在于，所述制冷器还包括：电机连接环；

通过所述电机连接环将所述步进电机的电机轴与所述芯管进行连接。

3.根据权利要求1所述的主动控制型自调式节流制冷器，其特征在于，所述制冷器还包括：热交换器；

所述热交换器缠绕在所述芯管外围，所述热交换器的第一端部通过进气尾座与供气源连接，所述热交换器的第二端部与所述阀体连接。

4.根据权利要求3所述的主动控制型自调式节流制冷器，其特征在于，

通过所述进气尾座对进入所述热交换器的制冷气体进行过滤；

过滤后的制冷气体经所述热交换器进入所述阀体，在所述阀体的节流孔处被节流，节流后的制冷气体从所述阀体与所述芯管的间隙流出，并达到所述被制冷对象对其进行制冷，制冷后的制冷气体经所述热交换管表面间隙排出。

5.根据权利要求3所述的主动控制型自调式节流制冷器，其特征在于，

所述进气尾座一端与所述热交换器的第一端部连接，其另一端部与供气源的输出管道连接；

所述进气尾座内设有过滤片，通过所述过滤片对所述输出管道输送来的制冷气体进行过滤。

6.根据权利要求3所述的主动控制型自调式节流制冷器，其特征在于，

所述阀体的第一端部的中心位置设有所述节流孔，且所述阀体的第一端部沿其中心轴对称设有四个直角缺口，所述直角缺口分别与所述节流孔相通，并且所述阀体通过所述阀体的第一端部与所述芯管连接；

所述阀体的第二端部设有进气孔，所述进气孔的中心轴与所述阀体的中心轴相垂直，且所述进气孔与所述热交换器通过管道相连通；

所述阀体的中心轴设有中空结构，所述中空结构的第一端口与所述节流孔相通，所述中空结构的第二端口设有密封塞，且所述中空结构与所述进气孔相连通。

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