CN112236630B - 气动驱动制冷机 - Google Patents

Abstract

Gifford‑McMahon低温制冷器包括在制冷体积内的往复式位移器。位移器由气动驱动体积内的驱动活塞气动驱动。气动驱动体积中的压力由阀调控制，所述阀调导致驱动活塞通过驱动活塞的冲程而遵循编程位移曲线。驱动阀调可包括比例阀，所述比例阀提供驱动流体的连续可变的供应和排放。在成比例控制的反馈系统中，控制到驱动体积中的阀门，以最小化位移信号和编程位移曲线之间的误差。阀调与制冷体积的暖端部也可成比例。被动力发生器（诸如，机械弹簧或磁体）可与由驱动流体施加的驱动力相对地向活塞施加力。

Description

气动驱动制冷机

相关申请

本申请要求2018年4月9日提交的美国临时申请第62/655,093号的权益。上述申请的全部教导通过参考并入本文。

背景技术

在Gifford-McMahon（GM）型制冷器（诸如，美国专利2,906,101和2,966,035中公开的）中，高压工作流体（诸如，氦气）被阀调到气缸中的制冷体积的暖端部中。然后，通过压差和位移器活塞朝向暖端部的移动（其可携带再生矩阵），流体穿过再生矩阵。流体随着其穿过再生矩阵而被冷却。流体然后在位移器活塞的冷端部处膨胀，并且被进一步冷却，其中，流体从暖端部通过排放阀排放。随着流体流动通过，位移器活塞移动返回朝向制冷体积的冷端部，以冷却再生矩阵。在最初的Gifford专利中，活塞由来自旋转马达的曲柄驱动，并且对于气缸的暖端部的阀门由相同的旋转驱动器控制，以使活塞移动与阀调同步。还参见美国专利3,625,015，其中，旋转马达控制旋转阀，并且通过止转轭以线性移动驱动位移器活塞。如今，该方法用于大多数GM制冷器。

多年来，市场上已经存在GM制冷器，所述GM制冷器依靠气动力，以导致位移器在制冷器气缸内往复移动。参见例如美国专利3,620,029和6,256,997。那些设计可在位移器上经历力不平衡，这导致位移器撞击气缸的底部或顶部。随着寄生力（诸如，摩擦力或粘性力）随着时间而变化，那些力不平衡可出现。美国专利6,256,997提出了使用能量吸收缓冲垫，以吸收位移器对于气缸冲击的能量。然而，冲击仍然导致不必要的振动和其它不利的功能特性。

已经提出了利用阀门而控制到气动驱动体积的流体流动的气动驱动设计。美国专利3,188,819、3,188,821和3,218,815提出了通过诸如凸轮的机械装置而控制阀定时。在一种方法中，与滑阀相关联的凸轮由从制冷器位移器延伸的杆上的圆盘驱动。在其它实施例中，滑阀通过与位移器相关联的端口而被气动控制。在每种情况下，阀门和位移器在结构上密切相关联，并且阀门的定时不容易调整。美国专利3,188,821附加地建议了一种实施例，其中，滑阀由独立于位移器位置的螺线管控制。最近，美国专利4,543,793提出了气动阀，其中，对于气动驱动体积的阀调由电子驱动的滑阀响应于位移器位置而控制。由那些阀调气动驱动系统导致的实际的实施方式是未知的。

发明内容

低温制冷器包括制冷体积，所述制冷体积包括具有暖端部和冷端部的一个或多个互连膨胀室以及在制冷体积内的往复式位移器。制冷体积的暖端部处的气动驱动体积中的驱动活塞联接到位移器。制冷体积阀调控制加压制冷剂气体到制冷体积的暖端部以及从制冷体积的暖端部的循环供应和排放。驱动阀调将驱动流体供应到气动驱动体积以及从气动驱动体积排放。电子控制器利用一个或多个输入的驱动控制信号而控制驱动阀调，所述驱动控制信号通过驱动活塞的冲程而变化，以导致驱动活塞通过驱动活塞的冲程而遵循编程位移曲线。

低温制冷器可包括位移传感器，所述位移传感器响应于驱动活塞或位移器的移动，以提供位移信号，并且电子控制器可控制驱动阀调，以通过驱动活塞的冲程而最小化位移信号和编程位移曲线之间的误差。低温制冷器还包括被动力发生器，所述被动力发生器与由驱动流体施加驱动力相对地将力施加到活塞。

驱动阀调可为比例驱动阀调，所述比例驱动阀调与来自电子控制器的驱动控制信号成比例地提供驱动流体的连续可变的供应和排放。可选地，电子控制器可以足够的速率打开和关闭对于相应供应管线和排放管线的驱动阀调，以在气动驱动体积中的供应压力和排放压力之间提供可变的压力控制。

被动力发生器可为弹簧，并且弹簧可包括两个或多个弹簧元件，所述弹簧元件定位在驱动体积的内部或外部，并且通过轴联接到活塞。可选地，被动力发生器可包括磁体。

驱动活塞可将气动驱动体积分隔成邻近位移器的近侧驱动室和远离位移器的远侧驱动室。驱动阀调可将驱动流体供应到远侧驱动室以及从远侧驱动室排放驱动流体。驱动阀调还可或可选地将驱动流体供应到近侧驱动室以及从近侧驱动室排放驱动流体。可选地，近侧驱动室可直接联接到驱动流体排放管，或与制冷体积的暖端部流体连通。

制冷体积阀调还可包括比例阀调，所述比例阀调与电子制冷剂控制信号成比例地向制冷体积提供制冷剂气体的连续可变的供应和排放。驱动流体可从相同的制冷剂供应管线和返回管线被阀调。

附加于或可选于位移反馈控制，电子控制器可进一步提供适应性前馈控制。

附图说明

上述内容将从示例实施例的以下更具体的描述中显而易见，如在所附附图中示出的，其中，贯穿于不同视图，相似的附图标记指的是相似的部件。附图不一定是成比例的，重点相反地放在说明实施例上。

图1A是本发明的实施例的截面视图；

图1B是还包括弹簧作为被动力发生器的本发明的可选实施例；

图2示出了本发明的一个实施例中的阀定时；

图3是图1B的实施例的示意图，其中，近侧驱动室与制冷体积流体连通；

图4是本发明的可选实施例的示意图，其中，近侧驱动室联接到排放管，并且不与制冷体积流体连通；

图5是本发明的可选实施例的示意图，其中，近侧驱动室和远侧驱动室两者被阀调，以供应和排放；

图6A示出了如应用于本发明的PID控制器；

图6B是本发明的一个实施例中的电子控制器的操作的流程图；

图7A示出了传统GM循环制冷器中的位移器位置以及阀排气和进气定时，其还可被实施在本发明的制冷器中；

图7B示出了还可与本发明一起实施的传统GM制冷器的PV图；

图8A至图8F示出了可被实施在系统中的示例位移器位置和阀定时曲线；

图9是根据本发明的可选气动驱动装置的截面视图；

图10是根据本发明的另一可选气动驱动装置的分解视图；

图11A至图11C示出了在关闭、完全打开供应和完全打开返回的状态下根据本发明使用的比例阀的一个示例；以及

图12示出了可用于实施本发明的前馈电子控制器的框图。

具体实施方式

以下是示例实施例的描述。

主导马达驱动的Gifford-McMahon（GM）低温制冷机的当前实施方式的特征在于某些性能限制：

1）由高转矩马达产生的寄生磁场，这可要求电磁屏蔽低温制冷机，以确保适当的应用性能；

2）使用电动马达中固有的磁性材料，这可使由具体应用（例如，MRI和NMR）要求的主磁场扭曲；

3）经由止转轭机构将位移器主体直接联接到驱动马达，这可导致不利于应用（例如，MRI和NMR）的显著机械振动；

4）位移器和马达的直接联接，这可导致不期望的声发射；

5）位移器位置和氦气（He）入口/排放阀定时之间的直接机械链接，这防止了制冷器能力和效率的优化；

6）制动能力不可调整，从而仅提供所需的制冷量，以抵消系统上的热负荷，由此仅消耗对于具体应用所需的电能；

7）GM制冷器的传统马达驱动装置的大小和重量，这使现场更换困难；

8）对于具体应用的有限的低温制冷机可调谐性，这导致专用设计解决方案；

9）密封和衬套部件的显著磨损，这限制低温制冷机的寿命。

根据GM低温制冷机所服务的具体应用（用于半导体行业的低温泵、MR/NMR以及其它），上述限制可成为对于客户的应用的严重限制因素。

本文提出的解决方案旨在减少或消除上述限制。所公开的实施例通过利用配备有电子控制阀的主动控制的气动驱动装置代替马达驱动装置和止转轭机构而消除了马达驱动装置和止转轭机构。气动驱动的制冷器提供了减小振动、减少磁性材料、减小声音、减小大小和重量、改进热力循环效率的优点以及有利于应用（诸如，MRI）的其它优点。

所公开的气动驱动设计在大小和重量上可小于典型的当前马达驱动装置。可通过使来自压缩机的氦制冷剂气体流动中的一些转向而提供气动力。气体用于填充驱动体积中的一个或多个室，并且驱动体积中产生的结果力与热力（TD）制冷体积中产生的气动和摩擦/耗散力相平衡，所述热力制冷体积包括一个或多个膨胀室，位移器在所述膨胀室中往复移动。压力/力平衡由电子阀控制，在某些实施例中，所述电子阀是成本有效的比例滑阀，所述比例滑阀调节到驱动体积和TD膨胀体积中的气体的进入和排放。位置传感器可用于检测位移器的位置，并且基于位移器位置（可能地以及其中附加使用压力传感器的TD体积压力），调整驱动体积压力，以导致位移器的受控运动。因为位移器不机械连接到阀门致动机构，与其中位移器的位置机械链接到阀定时的传统GM制冷器不同，所以可能贯穿于热力循环而控制由位移器行进的线性距离，而独立于控制氦气流入和流出TD体积的阀门被致动的时间。以此方式，制冷器的压力-体积（PV）图可变得高度可调；控制系统可调整膨胀体积的大小、膨胀体积的大小的变化率以及其中体积根据编程曲线装填的压力。

驱动装置的实施方式可包括适当大小的轴向机械弹簧或磁体，其用作被动力发生器，以辅助由驱动室中的压力水平决定的位移器的移动。力发生器可确保位移器位置的高可控性，包括避免气缸顶部和底部处的撞击，而不需要复杂的控制算法。力发生器可为可调的。例如，弹簧的总弹簧长度/负载可手动调整，也经由马达机构（例如，具有螺杆驱动装置的电动马达）而调整。同样，可使用一个或多个电磁体。如果弹簧/磁体是可调的，则可进行微调，例如，以补偿制造偏差或优化被动力发生器的优点。可在驱动装置的操作之前或期间进行调整。例如，其可在操作期间进行联机调整，以优化总体能源消耗。

图1A呈现了本发明的一个实施例的详细截面视图。在此实施例中，两级冷指100可与传统GM制冷器的相同。虽然被显示为两级冷指，但是本发明同样适用于单级或三级或多级的制冷器。GM制冷器的区别在于，下文将描述的气动驱动装置102。

两级冷指包括第一级气缸101，所述第一级气缸101联接到直径减小的第二级气缸103。第一级气缸101由热站106关闭，所述热站106还环绕气缸的冷端部。第二级气缸103由第二级热站108关闭，所述第二级热站108环绕气缸的冷端部。第一级热站可被冷却到55K到100K的温度范围，例如，而第二级站可被冷却到4K到25K的温度。第一级位移器活塞105在第一级气缸中往复移动，并且第二级位移器活塞107在第二级中往复移动。每个活塞包封再生矩阵，通过所述再生矩阵，气体从一个端部流动到另一端部。在制冷操作模式下，气体随着其流动朝向冷端部而被冷却，并且随着其流动返回朝向暖端部而冷却矩阵。两个活塞联接，以通过杆109或销111一起往复移动。

在操作中，来自压缩机114的氦制冷剂气体通过制冷体积阀113从供应管线112被阀调到第一级气缸的暖端部115中。与传统的GM制冷器不同，阀113不由旋转马达致动，所述旋转马达还驱动位移器活塞。虽然阀113可由位移器移动驱动，但是其优选地是下文将更详细地描述的电子控制阀门。

高压氦制冷剂气体被引入到制冷器的TD体积的暖端部115中。往复式位移器活塞被向上拉动，以有助于该工作气体移动通过再生矩阵，并且填充位于气缸的下端部处的冷室。气体流动通过位移器活塞105顶部处的端口116到活塞的再生矩阵室中。气体流动通过该再生矩阵，并且被冷却。冷却的气体流动到活塞的端部119与热站106之间的空间中。在此设计中，该气体从再生矩阵流动通过端口117到活塞与气缸之间的环状空间中，并且向下到活塞119下方的空间。气体然后流动通过环绕杆109的环形空间121到第二级活塞107内的再生矩阵中。气体在其穿过端口123到围绕活塞125的冷端部的环形空间中之前在第二级再生矩阵中被进一步冷却。

随后，通过阀113到氦气返回管线129排放到压缩机的气体导致第一级活塞和第二级活塞的体积中的制冷剂气体膨胀。该膨胀导致热站106和108的低温冷却。在排放期间，位移器活塞返回到制冷器的冷端部，以通过再生矩阵向上位移气体，以冷却矩阵，并且在工作流体从低温制冷机离开并且返回到压缩机之前从工作流体提取冷却能力。循坏然后重新开始。

与传统的马达驱动的GM制冷器不同，驱动往复式位移器活塞的杆127由活塞131驱动，所述活塞131在气动体积133中往复移动。活塞将体积133分隔成远侧室135和近侧室136，并且响应于两个室之间的压差而往复移动。可选地，活塞可延伸通过气动体积的整个近侧端部，只留下远侧室。与商业气动驱动GM制冷器不同，横跨活塞131的压差由电子控制阀门137控制。两个阀113和137由控制器139控制，所述控制器139响应于驱动活塞和位移器的位置。位置传感器可为线性可变位移换能器（LVDT）141。位移传感器141向控制器馈送信号x(t)，所述控制器通过将被描述的反馈控制而通过信号Y1（x(t)）控制定时以及通过阀门137的流动两者。阀113和137优选地是比例阀，但是可为简单的开/关方向阀，只要其致动速度允许定时以及流入和流出TD和驱动室的流体流动的足够可控性。比例阀允许与阀门位置成比例的连续可变的流动水平，所述阀门位置转而与电输入信号Y成比例。在图1的实施例中，近侧室136的压力遵循TD体积的暖端部115的压力。下文将描述其它实施例。

位置传感器的另一实施方式包括永磁体，所述永磁体嵌入活塞或位移器主体中的适当位置处。由磁体在运动时在给定位置处产生的磁通量线的变化强度由放置在低温制冷机气缸上的静态接收传感器线圈检测。然后，相关性方程用于将磁通量的强度与活塞/位移器的实际位置相互关联。

可选位置传感器实施方式（其具有的优点是，对于背景磁场的存在不敏感）基于使用嵌入驱动室或TD制冷体积中的光学传感器。还可使用其它位置传感器。

控制器139可为比例积分微分（PID）控制器，如下文将更详细地描述的。比例控制器能够在位移信号x(t)与限定位移曲线之间生成误差信号，并且提供反馈信号Y1，以控制通过比例阀137的气体流动。该气体流动在远侧室135中施加压力，所述压力驱动活塞131，以最小化误差。控制器还响应于限定压力对于位置曲线而控制到TD体积中的气体的流动。系统还可被提供有压力传感器143，以向控制器提供压力反馈，以允许通过压力误差控制阀113。

图2示出了可选实施例，其基本上与图1相同，除了其附加地包括被动力发生器，除了施加在活塞和位移器组件上的现有力之外，所述被动力发生器也向活塞施加力。在图2中，该被动力发生器是弹簧145，所述弹簧145响应于活塞从静止位置的向下移动在压缩的情况下具有向上的力，并且响应于活塞从静止位置的向上移动在膨胀的情况下具有向下的力。可选被动力发生器是活塞和气缸上磁性相对的一个或多个磁体。

阀（即，制冷体积阀调）113控制氦气流入和流出低温制冷机的第一级热力室和第二级热力室的流动。通过控制器，可致动暖阀，以限定与位移器位置有关的所选择的阀门打开和关闭曲线，用于供应和排放两者。控制器能够限定位移器的循环的周期，在所述周期期间，阀门成比例打开到排放侧（低氦气压力侧）或供应侧（高氦气压力侧），或对于没有流动通过阀门而关闭。图2示出了暖阀致动相对于位移器的位置的典型定时。阀113可为三通阀或一对两通阀。优选地，其是比例阀或开/关阀，具有足够高的致动速度，用于可变流动控制，但是开/关方向阀可被实施在所提出的控制内。

驱动阀137根据由用户选择的限定轨迹曲线而控制位移器的位置。驱动阀可为三通比例阀或一对两通比例阀。还可实施具有足够高的致动速度的开/关阀。控制器使用户能够选择位移器轨迹，诸如，正弦运动、梯形运动、三角形运动或总体上可由作用在位移器和活塞组件上的力平衡支持的任何期望曲线。用户输入运动曲线，所述运动曲线指定位移器在循环的任何时间点的期望位置。位置传感器检测位移器的实际位置；控制器将所感测的位置与该时间点的期望位置比较，计算位置误差，并且然后向驱动阀137发送命令，以校正误差。

图3至图5是气动驱动装置的可选实施方式的示意图，其中，活塞131（其机械链接到位移器105、107）在气动驱动体积133的上远侧室135和下近侧室136之间沿着轴向驱动方向行进。两个驱动室通过活塞和在活塞的外直径处的密封件301从彼此分隔，以最小化任何跨室氦气泄漏。

在图3中，与图1B中显示的相反，下驱动室136通过围绕杆127的流体路径直接连接到低温制冷机TD制冷体积。因此，下驱动室打开到TD制冷体积。

此配置基于控制上驱动室压力水平的单个电子滑阀137的采用。在此配置内，下驱动室的加压联接到TD制冷体积的瞬间压力水平，并且为了此原因，此驱动配置可不在热力循环的所有阶段允许完全控制活塞/位移器位置。特别地，此配置可不允许通过修改位移器位置和到TD制冷体积中的进入/排放氦气流动之间的定时而将低温制冷机作为“热机”操作，如图4和图5的情况。为了此原因，将可能使用物理加热器，用于加速低温制冷机加热速率或适当地控制第一级温度值和第二级温度值和/或冷却能力。在此实施方式中，弹簧作用为“返回”弹簧，所述弹簧：a）在低温制冷机静止条件下，保持活塞定位在驱动装置的上侧（在最小的远侧驱动室体积条件下）；以及b）在活塞上产生朝向驱动装置的上侧的返回力，所述返回力与弹簧的轴向压缩成线性比例。

图4是图1B的示意性实施方式。在图4中，下驱动室136借助于衬套和密封元件401而从TD制冷体积的暖端部115分隔，所述衬套和密封元件401位于围绕将活塞链接到位移器的活塞轴127。重要地，流入和流出远侧驱动室135的加压氦气的流动由单个电子滑阀基于指示实时位移器位置的反馈（以及可能地基于TD室中的压力水平的附加反馈）调节。相反地，借助于驱动室136和压缩机返回压力侧之间的开放氦气路径403，近侧驱动室136的压力持续保持在压缩机低压力侧水平。此配置的特征还在于采用“返回”弹簧。

图5显示了与图4中描述的类似的实施方式，除了近侧驱动室136不连接到氦气压缩机返回侧或低温制冷机TD制冷体积。在此配置中，放置在活塞轴上的衬套/密封部件401将近侧驱动室136从TD制冷体积的暖端部115隔离，并且两个单独电子阀为气动驱动单元服务：一个阀门137专用于控制到远侧驱动室135的氦气流动，并且第二阀门501专用于控制到近侧驱动室136的流动。此解决方案确保了活塞位置的最佳可控性。最后，此配置基于弹簧的使用，通过a）在低温制冷机静止条件期间保持活塞定位在驱动室气缸中的中心（冲程的中点）；以及b）产生与作用为使活塞在操作条件下返回到中心位置的弹簧的伸长或压缩成线性比例的力，所述弹簧作用为“定心”弹簧。

弹簧提供了更稳定、可预测和可控制的操作，因为气动驱动体积中的气体压力作用抵抗弹簧的不依赖于温度的静力。与在活塞上方和下方两者不具有弹簧和受控气体压力（这可导致阀门响应于下文将讨论的比例控制反馈振动）相比，更稳定的操作减少了对于驱动系统所要求的气体量。与不具有弹簧相反，弹簧可显著降低气动驱动机构的能量要求。与对于如图5中的活塞的每侧具有高压阀调相反，只对于活塞的一侧具有高压气体阀调也高度减少能量消耗。因此，使弹簧和高压气体仅应用于远侧驱动室导致了功率消耗减少，这以其它方式将导致对于不具有弹簧的两个室的高压控制。

弹簧的目的是：

1）维持对于活塞和位移器组件的固定参考静止位置；

2）将偏置分量引入到活塞和位移器力平衡方程，这改进了位移器的位置可控制性以及可控运动曲线的范围，所述可控运动曲线在上驱动室和制冷体积随着时间的不同压力水平以及压力变化的情况下执行。在上驱动室的压力曲线通过驱动阀调而调节的情况下，而制冷体积的压力曲线通过制冷体积阀调的独立致动而调节，当在没有弹簧的情况下活塞和位移器上的力平衡不允许正确控制位移器的位置时发生情况。例如，在不存在有弹簧的情况下，当制冷体积保持在低压力水平（例如，吸入压力水平）时，活塞和位移器不可朝向远侧驱动室移动（即，当参考图3、图4和图5时的向上运动方向）；

3）通过以降低的阀致动速率使用单个驱动阀（例如，图3和图4）或使用两个驱动阀（例如，图5）而减少对于致动气动驱动装置所要求的流体消耗。

弹簧可定位在任何驱动室的内部处或驱动室的外部处，同时仍然连接到活塞和位移器组件（例如，图10）。

弹簧可包括一个单一弹簧元件，或可选地包括并联定位的多于一个弹簧元件（例如，图10），以减少驱动系统的总体尺寸体积，或改进活塞和位移器组件和制冷室和驱动室之间的对准。

在所有配置中，驱动室的大小（高度和直径）和弹簧的刚度基于力平衡计算而优化，以确保位移器位置可控性和驱动氦气消耗之间的最佳折中。

所有上述配置可包括弹性体缓冲器，以抑制可发生在活塞/位移器组件和驱动室/低温制冷机气缸组件之间的任何碰撞，但是下文描述的比例控制应使缓冲器是不必要的。

所有上述配置依赖于电子控制阀调的使用：用于控制流入和流出气动驱动室的氦气流动的一个或两个阀门和调节到TD制冷体积中的氦气流动的附加阀门。驱动阀可为比例电子滑阀，以确保驱动室内部的压力水平的精确比例控制，或也可为开/关阀，只要后者的致动频率足够高，以确保适当的可控性。另一方面，为TD制冷体积服务的电子阀可为比例滑阀类型或开/关电磁阀。

气动驱动装置的控制算法被设计为基于一个或多个主动反馈信号（位移器/活塞位置信号和可能地位置和压力信号的组合）而控制低温制冷机电子阀。

图6A显示了如应用于上述实施例的PID控制器示意图。位移器随着时间的期望位移曲线作为r(t)被存储在控制器中。在加法器601处确定该曲线中限定的位移与所测量的位移x(t)之间的差，以产生误差信号e(t)。该误差信号可应用于P算法605、I算法607和D算法609中的每个。导数输出可穿过低通滤波器611，以减少噪声。在603处，将那些算法的输出相加，以确定应用于阀门137的控制信号Y1，以控制位移器的运动。已经确定的是，仅通过依赖于控制器的比例控制元件605，将K_i和K_d设置为零，获得了适当的响应。然而，还可包括I算法607和D算法609。

图6B示出了控制器流程图，显示了控制器的总体操作，以在气动驱动装置和TD压力控制中提供信号Y1和Y2。在615处，用户编程控制器存储器中的表格中的期望位移器运动r(t)。例如，可编程正弦、梯形或其它曲线。用户还编程期望暖阀致动表曲线，具体地是阀门打开程度对于位移器位置和运动方向。在617处，用户在每分钟和冲程长度的循环中选择期望位移器速度。在619处，用户打开低温制冷机控制器139。在621处，控制器通过将阀门V1完全打开到氦气返回管线而在时间t=0下启动定位在最上冲程位置处的位移器，使得弹簧迫使活塞和位移器向上。在623处，控制器通过阀门V1从供应管线引入高压氦气，以开始向下移动位移器。如果在625处确定低温制冷机未运行，则在627处，通过打开阀门V1到排放压力，位移器返回到原始的最上位置，并且操作结束。

利用运行的低温制冷机，通过与图6A的PID控制器操作对应的四个步骤629、631、633和635，系统生成控制信号Y1。同时地，在637处生成信号Y2，以驱动暖阀V2。在PID控制器中，在629处，从位置传感器141接收位置x(t)。在631处，控制器139计算相对于编程期望位移位置r(t)的位置误差e(t)。基于位置误差，控制器使用编程PID控制方案605、607和609，以生成实时输入Y1，以驱动阀门V1。在635处，驱动阀V1接收来自控制器的输入命令Y1，以通过全冲程最小化位移器的实时位置误差。

虽然PID控制器也可用于利用信号Y2而控制阀门V2，但是此类精确控制不是必要的。相反地，控制器139基于实时位移器位置x(t)、运动方向和编程暖阀致动表而激活暖阀V2。即使控制不是成比例的，阀门V2也优选地是比例阀，以允许到TD体积的暖端部中的气体流动的连续可变控制，例如，以使V2阀门能够逐渐打开。可选地，可使用简单的开/关方向阀，而仅允许阀门控制的矩形曲线，或如果致动频率足够高，则通过开/关调制而使阀门能够逐渐打开。

虽然已经描述了比例阀的比例控制，但是比例控制可利用能够在高频率（例如，至少1/20 ms=5Hz）下操作的开/关阀而获得。在该情况下，阀门将在所要求的频率和占空比的情况下打开和关闭，以调节气体流动，以通过与将比例阀打开到期望水平对应的位移器/活塞冲程而遵循分段连续曲线。

可看到的是，相对于控制器以及相对于阀门，术语“比例”用于不同的含义。在控制的情况下，简单地通过遵循被编程到控制器中的曲线，例如，在前馈系统中，可获得驱动信号，如在Y2的情况下。然而，更精确的比例控制通过由PID控制器提供的反馈而获得，如在信号Y1的比例控制中。阀门本身是比例阀（所述术语包括伺服阀），如果其允许响应于可变电输入信号的连续可变的流动或压力控制。然而，即使阀门本身不是比例阀，即，仅是开/关方向阀的阀门，也可响应于PID控制器的比例控制而提供具有高频操作的比例控制。

阀门控制器139可为总体低温制冷机控制器的元件，或其可响应于总体控制器，以根据从主低温制冷机控制器接收的输入参数而使用多种压力和位移器运动曲线中的任何。驱动控制器可根据可从主控制器馈送到其的实时系统输入而调整位移器运动和流入和流出低温制冷机的氦气流动。

图7A和图7B示出了马达驱动的GM循环制冷器的典型操作。如图7A中显示的，位移器由旋转马达以正弦运动701驱动。例如，供应阀在时间703期间打开，并且在时间705期间关闭。在707处在其中两个阀门关闭的短暂时期之后，排气阀在709内打开，并且在711内关闭。制冷循环然后再次开始。结果压力体积图可在图7B中看到，显示了对于冷指内的第一级冷端部位置、第二级冷端部位置和暖端部位置的压力。实施所公开的气动驱动装置和控制的低温泵可通过限定用于控制制冷体积阀113的703、705、709和711的曲线以及通过限定位移器位置曲线701而提供相同的操作。然而，所公开的系统提供更大的灵活性。例如，图8A至图8F分别显示了不同的位移和制冷体积暖阀曲线801和803。在图8A至图8D中的每个中，所使用的具体制冷体积阀在5伏特下关闭，使得气体在低于5伏特的电压下被供应到TD膨胀体积的暖端部，并且在大于5伏特的电压下从TD体积的暖端部排放。其它比例阀可要求不同的致动命令。图8C和图8F导致制冷器的反向加热操作。

图9示出了可选气动驱动装置，其中，预载弹簧901被安装在气动驱动室903的外部。弹簧901定位在驱动室903的顶端部与驱动轴909的端部处的圆盘907之间，所述驱动轴909将活塞905联接到低温制冷机的位移器活塞。弹簧迫使活塞在静止的情况下朝向气动驱动体积的远端部。如图9中示出的，由于上驱动室中的高压力，因此弹簧处于压缩。销911从圆盘907延伸到位置传感器913中。阀门915控制来自TD体积的暖端部的供应和返回，并且阀门917控制到驱动体积的远侧室的供应和返回。驱动体积的近侧室可联接到返回管线，如在图4的实施例中。整个气动驱动组件被包封在圆顶919的密封室中，这确保的是，可能泄露离开阀门的任何工作流体保留在封闭的加压回路中，而不分散在大气中。氦气密封阀的使用使密封室的存在变得不必要。

图10示出了另一实施例，其与图9的实施例类似在于，返回弹簧定位在气动驱动体积的外部。然而，图9的单个弹簧元件由双弹簧元件1001和1003代替，以降低组件的高度。那些弹簧定位在环绕驱动体积和阀门的壳体1006的顶部板1005与保持臂1007之间，所述保持臂1007联接到杆1009和气动驱动活塞1011。在1013处，仅被显示为在模块下方的进一步的杆联接到气动体积1015内的活塞1011。壳体1006还保持用于供应和返回到TD体积的阀门1017以及到气动驱动体积的阀门1019，后者以分解视图显示。所显示的特定比例阀1019是滑阀，如下文将描述的。滑阀包括中心轴环1021，所述中心轴环1021在端部环1023和1025之间，以在阀门气缸（图10中未显示）内限定相应环形空间1027和1029。线轴由弹簧定中心，所述弹簧包括弹簧1031和在控制马达1033内的另一弹簧。马达响应于阀门控制信号成比例地驱动线轴，如下文将更详细地描述的。

图11A、图11B和图11C示出了比例阀V1或V2的操作。如图11A中示出的，线轴包括中心杆1027上的三个轴环1021、1023和1025。在图11A中，线轴通过流体压力平衡和相对的弹簧1031和1101保持在中立位置中，所述相对的弹簧1031和1101中的每个具有固定到阀门壳体1103的端部。线轴的轴向位置通过移动线圈1105的电压控制保持在定子磁体1107内，所述定子磁体1107固定到壳体1103。在所示出的阀门设计中，图11A的中立位置维持有到线圈1105的5伏特输入。在中立位置中，轴环1021阻挡任何气体流动到制冷器端口1109或从制冷器端口1109流动。高压气体从供应管线112供应到体积1029，并且体积1027保持在返回管线129的低压力下。为了将高压气体供应到制冷器，将大于5伏特的电压施加到线圈1105，以导致线轴移动到左侧，压缩弹簧1031，并且延伸弹簧1101。图11B显示了最左侧的线轴，其中，在1102处，10伏特的最高施加电压将制冷器端口1109完全打开到供应管线。然而，任何在5伏特与10伏特之间的施加电压的情况下，线轴1021仅将端口1109部分打开到高压体积，因此与施加电压成比例地控制通过制冷器端口1109的流动和制冷器中的压力。在图1的驱动阀137的情况下，上驱动室135中的压力将由施加电压成比例地控制。在阀113的情况下，到TD体积中的流动将相对于施加电压成比例地控制。

图11C显示了在施加电压为0V的情况下移动到最右侧位置的线轴。在此状态下，到制冷器的端口1109完全打开到低压体积1027，以从制冷器排放气体，在驱动阀137的情况下从驱动体积排放，或在阀113的情况下从TD体积排放。再次地，线轴的位置相对于0伏特到5伏特之间的施加电压成比例地控制，以控制来自制冷剂端口1109的流动以及因此制冷器中的压力。

基于简单的PID控制环路和活塞位置反馈信号，基于所实施的驱动架构的工厂模拟与实验结果指示的是，控制解决方案足以确保活塞的高度可控性（小于全冲程长度的5%的位置误差）。为了进一步优化TD循环以及最小化位置误差的目的，可采用更复杂的控制算法（例如，前馈控制方案）或附加传感器（例如，压力传感器）。

因为反馈控制系统总是对于误差条件补偿，所以控制下的系统不被维持在稳定的状态条件下，而是相反地通常围绕特定的设定值振荡。使用弹簧而减小误差信号和振荡。在具有或不具有弹簧的情况下，围绕最优设定点条件可存在有误差带，在所述误差带内，控制器不响应于输入信号，以便防止控制器将系统驱动成不利的振荡条件或一些其它负面行为。在处于气动控制下的GM制冷器的情况下，关于行进过远的位移器几乎不存在有误差的空间。如果其试图行进过远，则其将撞击制冷气缸的顶部或底部。因此，任何反馈控制系统必须考虑可由控制系统产生的误差的大小，并且将位移器的期望停止位置设置为比气缸的顶部或底部稍短，使得如果位移器超出误差量，则其仍然不物理撞击气缸的底部或顶部。然而，不利用对于位移器可用的全冲程降低了低温制冷机的总体热力学效率，并且因此是不期望的。可选控制器应用适应性前馈控制的构思，以最大化可允许位移器冲程，因此最大化低温制冷机的制冷效率。

为了使前馈算法成功地控制任何系统，系统对于输入变量变化的响应必须是已知的。这与反馈控制系统明显不同，所述反馈控制系统对于系统的行为反应，并且响应于误差条件而改变输入变量。前馈控制系统监测系统，并且基于实时系统参数的知识而对于输入变量进行调整，以实现期望预测系统状态。控制系统可监测重要的系统参数，诸如，温度、位移器位置、位移器速度、位移器加速度、氦气压力等，并且基于那些参数而调整可控制的输入参数，以实现使位移器运动曲线遵循最优轨迹的期望系统条件。此构思实际上运行的能力要求系统的响应是可预测的。实际上，这意味着控制系统应能够学习系统对于输入变量变化的输出响应。这是要求的，因为系统的响应将随着时间改变，并且因此要求适应性前馈算法。在适应性前馈算法中，控制器学习系统对于输入变量变化的响应，并且因此有效地“校准”由于缓慢变化的响应功能而产生的影响。组合的前馈和反馈控制器可提供两种类型的控制系统的好处，而代价是计算复杂性。然而，现今的低价处理器可容易地处理对于实施组合控制系统所要求的计算负载。

在图12中显示了前馈算法的示意图。

在此实施例中，制冷体积阀113（此处被标记为循环阀）由控制器139以简单的前馈算法控制。控制器控制阀113，以获得质量流量“m点”，其控制制冷体积压力1203，此处被标记为循环室压力。在此前馈控制中，控制器139依赖于在时间t-1下活塞和位移器组件的感测位置141，以预测在时间t下所要求的“m点”值。

适应性前馈控制用于控制驱动阀137，此处被标记为伺服阀。控制产生质量流量“m点”，以控制驱动室压力1207。同时，循环室压力和驱动室压力控制活塞和位移器组件1209的加速度。对于适应性前馈控制，控制器响应于位置传感器141。其也可能响应于发生在先前完成的循环回路期间的计算位置误差和感测压力143。可选地，压力可仅使用位置传感器基于活塞和位移器组件的实时计算加速度而计算。感测压力可仅为循环室压力，或可为循环室压力和驱动室压力两者。

在图12中，我们举例说明了前馈算法的示意图，其使用在时间t下的实时循环（制冷）室压力的信息，以确定在时间t+1下所要求的活塞和位移器组件的加速度和位置。基于时间t下的循环室压力，控制器139计算在时间t+1下所要求的活塞和位移器组件加速度和位置，并且将对应的输入命令发送到伺服阀137。后者的反应是通过调节到驱动室的流体流动，以适时地产生所要求的流体压力水平，以建立在时间t+1下的活塞和位移器组件的期望加速度。

为了控制阀113，控制器读取由用户（其能够根据具体制冷器和应用需要而修改表格）提供的输入表。输入表包含使活塞和位移器组件的位置和运动方向与循环阀的打开程度（即，到循环室中的流体质量流量）相关联的信息。在此情况下，控制器的动作是为了读取活塞和位移器组件的实时位置，通过将当前位置与先前时间步骤（t-1、t-2、t-3等）期间的位置比较而计算后者的运动方向，读取输入表中的循环阀状态，并且将对应命令发送到循环阀。

除了提供气动驱动的制冷器的前馈控制之外，我们包括了与反馈控制稳定性和前馈控制稳定性两者相关的诊断，其指示制冷器磨损和总体健康。

如先前描述的，传统的GM制冷器使用马达驱动的止转轭机构，以驱动制冷器的位移器。气动驱动的制冷器消除了止转轭机构以及其到阀门驱动机构的直接连接，提供了前述部分中描述的优点。气动驱动装置与电子阀的组合实现了利用任何现有传统GM制冷器目前不可实现的以下特征：

1）电子映射位移器的冲程长度的能力；

2）控制制冷器的TD室内部的压力水平的能力。具体地，通过适当地控制流动通过TD室的氦气量而减少由TD循环经历的压力变化；

3）通过施加选定的运动学空间-时间轨迹（正弦、半正弦、梯形等）而电子映射位移器的移动的能力。这包括施加不对称运动曲线的可能性，其特征在于位移器轨迹的不同点处的不同速度，其目的是优化循环的TD效率；

4）电子映射位移器的位置与通过制冷器的氦气流动之间的定时，以优化循环的TD效率（即，可用的冷却能力对于总氦气消耗），并且也将制冷器作为热机操作（即，产生热量而不是冷却）。目前市场上可获得的某些GM制冷器已经可作为热机操作；然而，此实施方式的不同之处在于，所述设计不将上文描述的定时限制为有限数量的定时（总体上两个），而是可将系统电子映射到任何任意定时值；

5）在维持固定制冷器速度（每分钟循环数）和位移器的轨迹的同时电子映射低温制冷机从而修改其冷却能力和效率的能力。期望此特征与MRI应用和NMR应用有关，其中，需要改变低温制冷机的冷却能力，同时维持制冷器以恒定速度和轨迹操作。此设计实现了此类使用，而无需在接收系统中的附加硬件部件，或无需牺牲系统能；

6）使用机械弹簧或磁体，以改进气动驱动的位移器轨迹的可控制性；

7）系统可通过复杂的前馈控制算法而增强，所述前馈控制算法允许动态地平衡力，防止位移器撞击气缸的顶部或底部，同时确保最大能效，并且附加地允许调整位移器的冲程长度，以允许优化制冷能力，并且使能力与应用需要（即，热负荷）相匹配；

8）适当地调整控制算法以及明智地选择组成部分，允许系统解决背景技术中描述的所有问题。

本申请的电子控制器可仅为硬件，但总体上被实施在硬件系统中的软件中，所述硬件系统包括数据处理器和相关联的存储器，并且可包括输入输出装置。处理器例程和数据可作为计算机程序产品被存储在非暂时性计算机可读介质上。例如，控制器还可为独立计算机、装置网络、移动装置或其组合。

本文引用的所有专利、已公开的申请和参考的教导通过参考以其全部并入。

虽然已经特别显示和描述了示例实施例，但是本领域的技术人员将理解的是，可在其中进行形式和细节上的各种变化，而不脱离由所附权利要求涵盖的实施例的范围。

Claims (31)

1.低温制冷器，包括：

制冷体积，具有暖端部和冷端部；

往复式位移器，在所述制冷体积内；

气动驱动体积，在所述制冷体积的暖端部处；

驱动活塞，在所述气动驱动体积中，联接到所述位移器；

制冷体积阀调，控制加压制冷剂气体到所述制冷体积的所述暖端部以及从所述制冷体积的所述暖端部的循环供应和排放；

驱动阀调，提供驱动流体到所述气动驱动体积以及从所述气动驱动体积的供应和排放，以向所述驱动活塞施加驱动力；

电子控制器，利用驱动控制信号而控制所述驱动阀调，所述驱动控制信号通过所述驱动活塞的冲程而变化，以导致所述驱动活塞通过所述驱动活塞的冲程而遵循编程位移曲线；以及

还包括被动力发生器，除了由所述驱动流体施加的驱动力之外，所述被动力发生器也向所述活塞施加力。

2.根据权利要求1所述的低温制冷器，还包括位移传感器，所述位移传感器响应于所述驱动活塞或位移器的移动，以提供位移信号，所述电子控制器通过所述驱动活塞的冲程而最小化所述位移信号和所述编程位移曲线之间的误差。

3.根据权利要求1所述的低温制冷器，其中，所述驱动阀调是比例驱动阀调，所述比例驱动阀调与来自所述电子控制器的电驱动控制信号成比例地提供驱动流体的连续可变的供应和排放。

4.根据权利要求1所述的低温制冷器，其中，所述电子控制器以足够的速率打开和关闭对于相应供应管线和排放管线的所述驱动阀调，以在所述气动驱动体积中的供应压力和排放压力之间提供可变的压力控制。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述被动力发生器是弹簧。

6.根据权利要求5所述的低温制冷器，其中，所述弹簧包括多个弹簧元件，所述多个弹簧元件定位在所述驱动体积的外部，并且通过轴联接到所述活塞。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述被动力发生器包括磁体。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述驱动活塞将所述气动驱动体积分隔成邻近所述位移器的近侧驱动室和远离所述位移器的远侧驱动室，并且所述驱动阀调将驱动流体供应到所述远侧驱动室以及从所述远侧驱动室排放。

9.根据权利要求8所述的低温制冷器，其中，所述驱动阀调进一步将驱动流体供应到所述近侧驱动室以及从所述近侧驱动室排放，并且所述近侧室不与所述制冷体积的所述暖端部连通。

10.根据权利要求8所述的低温制冷器，其中，所述近侧驱动室直接联接到驱动流体排放管，而不是所述制冷体积。

11.根据权利要求8所述的低温制冷器，其中，所述近侧室与所述制冷体积的所述暖端部流体连通。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述制冷体积阀调包括比例阀调，所述比例阀调与电子制冷剂控制信号成比例地提供到所述制冷体积的制冷剂气体的连续可变的供应和排放。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述驱动流体从制冷剂供应管线和返回管线被阀调。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述电子控制器进一步提供适应性前馈控制。

15.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，其中，所述电子控制器提供反馈控制。

16.根据权利要求1至4中任一项所述的低温制冷器，还包括密封室，所述密封室包封所述制冷体积阀调和所述驱动阀调。

17.低温制冷方法，包括：

在制冷体积中提供往复式位移器，所述往复式位移器联接到气动驱动体积中的往复式活塞；

将加压气体制冷剂供应到所述制冷体积的暖端部以及从所述制冷体积的暖端部排放；

利用电子控制器，控制驱动阀调，以提供驱动流体到所述气动驱动体积以及从所述气动驱动体积的供应和排放，以将驱动力施加到所述驱动活塞，所述电子控制器将电子驱动控制信号提供到所述驱动阀调，所述电子驱动控制信号通过所述驱动活塞的冲程而变化，以导致所述驱动活塞通过所述驱动活塞的冲程而遵循编程位移曲线；以及

还包括：除了由所述驱动流体施加的驱动力之外，也向所述活塞施加被动力。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：感测所述驱动活塞或位移器的位置，以提供位移信号，所述电子控制器通过所述驱动活塞的冲程而最小化所述位移信号和所述编程位移曲线之间的误差。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述驱动阀调是比例驱动阀调，所述比例驱动阀调与来自所述电子控制器的电驱动控制信号成比例地提供驱动流体的连续可变的供应和排放。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电子控制器以足够的速率打开和关闭对于相应供应管线和排放管线的所述驱动阀调，以在所述气动驱动体积中的供应压力和排放压力之间提供可变的压力控制。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述被动力由弹簧施加。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述弹簧包括多个弹簧元件，所述多个弹簧元件定位在所述驱动体积的外部，并且通过轴联接到所述活塞。

23.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述被动力由磁体施加。

24.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述驱动活塞将所述气动驱动体积分隔成邻近所述位移器的近侧驱动室和远离所述位移器的远侧驱动室，并且所述驱动阀调将驱动流体供应到所述气动驱动体积的所述远侧驱动室以及从所述气动驱动体积的所述远侧驱动室排放。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述驱动阀调进一步将驱动流体供应到所述近侧驱动室以及从所述近侧驱动室排放，并且所述近侧室不连通到所述制冷体积的所述暖端部。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述近侧驱动室直接联接到驱动流体排放管，而不是所述制冷体积。

27.根据权利要求24所述的方法，其中，近侧室与所述制冷体积的所述暖端部流体连通。

28.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，加压气体制冷剂通过比例阀调供应和排放，所述比例阀调与电子制冷剂控制信号成比例地提供到所述制冷体积的制冷剂气体的连续可变的供应和排放。

29.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述驱动流体从制冷剂供应管线和返回管线被阀调。

30.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述电子控制器进一步提供适应性前馈控制。

31.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述电子控制器提供反馈控制。

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