CN113405270A - 一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温制冷设备技术领域，具体为一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统。本发明制冷系统包括闭循环制冷机、主动式振动衰减系统、低温运行设备、低温屏蔽罩和真空腔体；主动式振动衰减系统包括固定支架、振动传感器、主动式振动衰减器和振动衰减系统控制器;主动式振动衰减器、振动传感器均与振动衰减系统控制器电连接；闭循环制冷机的制冷头伸入制冷隔振界面内，制冷头和制冷隔振界面间填充氦气，闭循环制冷机与制冷隔振界面的之间通过密封波纹管连接密封；低温运行设备放置在真空腔体内并与制冷隔振界面的低温端连接。本发明有效降低振动对低温设备运行的影响，大大提高低温设备的运行精度，且成本低，占地面积小。

Description

一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统

技术领域

本发明属于低温制冷设备技术领域，具体涉及一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统。

背景技术

目前，在低温制冷设备领域涌现了一些闭循环制冷机，如吉福特－麦克马洪制冷机和脉管式制冷机等的低温制冷系统，不需要液氦消耗的情况下获得低温，而上述闭循环制冷机的运行本身会引入不可忽视的低频机械振动，限制了其在同时要求低振动和低温环境的应用。因为低温运行设备对机械振动非常敏感，如有该种机械振动存在，将影响正常信号的获取，如扫描探针显微镜等。

为了解决闭循环制冷机工作时的机械振动，本领域技术人员研发了一些基于机械振动隔离结构的无液氦消耗的低温制冷系统，如申请号为201610002349.8名称为一种机械振动隔离的无液氦消耗极低温制冷系统的专利。其主要原理是将闭循环制冷机与固定支架连接，制冷机和低温运行设备之间通过氦气实现低温热交换，两者间利用密封波纹管进行氦气气体的密封，然而在上述结构中，闭循环制冷机与固定支架的连接往往并不能将制冷机完全固定，制冷机振动的部分能量还是会通过密封波纹管传递到制冷隔振界面，最终给低温运行设备带来振动噪音。

因此开发能够在无需液氦消耗的情况下获得低温并实现低振动环境的制冷技术，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统，通过主动式振动衰减系统将制冷机运行时的振动能量直接衰减，降低制冷机的振动对低温运行设备带来的噪声问题。

本发明提供的带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统，包括闭循环制冷机、主动式振动衰减系统、低温运行设备、低温屏蔽罩和真空腔体；其中：

所述闭循环制冷机中，其制冷头伸入制冷隔振界面内，所述制冷头和所述制冷隔振界面间填充氦气，所述闭循环制冷机与制冷隔振界面的之间通过密封波纹管连接密封；

所述主动式振动衰减系统包括固定支架、振动传感器、主动式振动衰减器和主动式振动衰减系统控制器，所述闭循环制冷机的底座与所述固定支架连接，所述主动式振动衰减器安装在所述闭循环制冷机的底座和所述固定支架之间，所述振动传感器安装在所述闭循环制冷机上，所述主动式振动衰减器、振动传感器均与所述主动式振动衰减系统控制器电连接；

所述低温运行设备，放置在真空腔体内并与所述制冷隔振界面的低温端连接，所述真空腔体放置在所述地面支撑单元上，所述低温运行设备与所述真空腔体之间设有低温屏蔽罩；

所述冷隔振界面由低温屏蔽罩、密封波纹管和闭循环制冷机围设形成。

进一步的，所述振动传感器设置有多个，分别用于测定加速度、角速度、线速度，多个振动传感器均布在所述闭循环制冷机的底座上。

进一步的，所述固定支架的底部直接放置在地面上,

进一步的，所述主动式振动衰减系统控制器独立放置于设备机柜，或集成在所述主动式振动衰减器、振动传感器内。

进一步的，所述低温屏蔽罩与所述制冷隔振界面连接，所述闭循环制冷机产生的制冷量通过所述制冷隔振界面传导到所述低温屏蔽罩。

进一步的，所述真空腔体通过刚性连接固定在所述地面支撑单元上。

进一步的，所述地面支撑单元采用隔离地面振动的橡胶垫或空气弹簧。

进一步的，所述地面支撑单元采用刚性支架。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明包括闭循环制冷机、主动式振动衰减系统和低温运行设备，在此基础上提供的制冷方式，能够在不消耗冷媒（如价格昂贵的液氦）的条件下，为低温运行的设备实现低温工作环境，同时主动式振动衰减系统能够在制冷机工作时，实时监测闭循环制冷机的振动状态，并通过主动式振动衰减器将衰减力反馈到制冷机，从而减小闭循环制冷机机械振动的能量，增加地面支撑单元，极大地降低了低温运行设备端的机械振动噪声。

本发明中使用的主动式振动衰减器只需要衰减闭循环制冷机的振动能量，而常规闭循环制冷机的重量不超过40 kg，因此只需要非常小型的主动式振动衰减器即可实现振动能量的衰减，避免了机械振动隔离的无液氦系统中为降低振动噪声而使用的吨级大型隔振平台，极大地降低了隔振设备的成本和装置搭建的成本。

本发明中使用的主动式振动衰减结构，从源头上衰减了闭循环制冷机的振动能量，闭循环制冷机的固定不再需要依赖大重量、高强度的固定支架，固定支架也不需要对安装的固定端进行开放性结构改造，极大地降低了无液氦隔振制冷装置的使用门槛，降低了安装、运输以及对工作环境的改造成本。

本发明有效降低振动对低温设备运行的影响，大大提高低温设备的运行精度，且成本低，占地面积小。

附图说明

图1本发明带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统结构图示。

附图标号：1为闭循环制冷机；2为制冷隔振界面；3为密封波纹管；4为低温运行设备；5为固定支架；6为振动传感器；7为主动式振动衰减器；8为主动式振动衰减系统控制器；9为真空腔体；10为低温屏蔽罩；11为地面支撑单元。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统，包括闭循环制冷机1、主动式振动衰减系统和低温运行设备4；闭循环制冷机1的制冷头伸入制冷隔振界面2内，闭循环制冷机1与制冷隔振界面2之间没有接触，制冷头和制冷隔振界面2间填充氦气作为制冷降温媒质；闭循环制冷机1与制冷隔振界面2的之间通过密封波纹管3连接密封，密封氦气的同时能够一定程度上减小闭循环制冷机1传递到制冷隔振界面2的机械振动，根据密封波纹管3材质和结构的不同，闭循环制冷机1振动的部分能量将通过密封波纹管3传递到下方的制冷隔振界面2上；主动式振动衰减系统包括固定支架5、主动式振动衰减系统控制器8、主动式振动衰减器7、 振动传感器6，闭循环制冷机1的底座与固定支架5连接，主动式振动衰减器7安装在闭循环制冷机1的底座和固定支架5之间，振动传感器6安装在闭循环制冷机1上，主动式振动衰减器7、振动传感器6均与主动式振动衰减系统控制器8电连接；低温运行设备4放置在真空腔体9内并与制冷隔振界面2的低温端连接，真空腔体9放置在地面支撑单元11上，低温运行设备4与真空腔体9之间设有低温屏蔽罩10，通过低温屏蔽罩10降低热辐射带来的热负载。

真空腔体9、低温屏蔽罩10为上开口设计，真空腔体9的上端通过柔性材质的密封波纹管3与闭循环制冷机1密封相连，闭循环制冷机1的下端穿设于低温屏蔽罩10内，低温屏蔽罩10、密封波纹管3和闭循环制冷机1围设形成制冷隔振界面2。

本实施例中制冷系统通过闭循环制冷机1实现制冷，制冷头通过氦气将制冷量传导到制冷隔振界面2，再由制冷隔振界面2将制冷量传导到需要在低温运行设备4；振动传感器6的信号输入到主动式隔振衰减系统控制器8，通过主动式振动衰减系统控制器8内部的信号处理后，控制主动式振动衰减器7产生衰减力，从而抵消或部分抵消闭循环制冷机1的振动能量。

其中，闭循环制冷机1的类型包括但不限于吉福特－麦克马洪制冷机、斯特林式制冷机、脉管式制冷机以及基于这些原理的改良型制冷机等，以及任何本领域技术人员可联想到的能提供一定的低温制冷量，冷头处有特定频率的机械振动的装置；主动式振动衰减器7的工作原理包括但不限于气浮式减振器、压电陶瓷式减振器、电磁线圈式减振器、线性马达式减震器等；主动式振动衰减系统控制器8的信号处理原理包括但不限于PID反馈、傅里叶频谱反馈以及基于机器学习的信号处理技术。

具体的，设置有多个用于测定加速度、角速度、线速度的振动传感器6，多个振动传感器6均布在闭循环制冷机1的底座上。

本实施例振动传感器6能够实时测量闭循环制冷机1工作时的机械振动，包括空间三维的加速度、速度、位移与时间的信号。振动传感器6的信号输入到主动式振动衰减系统控制器8，通过主动式振动衰减系统控制器8内部的信号处理后，控制主动式振动衰减器7产生衰减力，从而抵消或部分抵消制闭循环制冷机1的振动能量。振动传感器6可安装多个，以实现闭循环制冷机1的角加速度、角速度、线速度的测量。

具体的，固定支架5的底部直接放置在地面上，主动式振动衰减系统控制器8通过支架放置在固定支架5的一侧，或将主动式振动衰减系统控制器8独立放置于设备机柜，或将主动式振动衰减系统控制器8集成在所述主动式振动衰减器7、振动传感器6内。

本实施例固定支架5还可安放在墙壁或天花板，以及本领域技术人员可以想到的具有一定机械强度和结构稳定性的位置。

具体的，地面支撑单元11采用隔离地面振动的橡胶垫或空气弹簧。地面支撑单元11采用刚性支架。

采用本实施例时，当地面振动较小时，地面支撑单元11采用刚性支架，当地面振动较大时，地面支撑单元11采用为橡胶垫或空气弹簧等能够隔离地面振动的装置。

本发明的工作过程如下：

首先，制冷系统通过闭循环制冷机1实现制冷，以闭循环制冷机1以日本住友SRDK-415D为例，闭循环制冷机1的一级冷头和二级冷头空载温度和制冷功率可以达到50K@35W和4.2K@1.5W。闭循环制冷机1的制冷头通过氦将制冷量传导到制冷隔振界面2，再由制冷隔振界面2将制冷量传导到需要在低温运行设备4；闭循环制冷机1和低温运行设备4之间通过氦气实现低温热交换，两者之间利用密封波纹管3进行氦气气体的密封，不消耗氦气，闭循环制冷机1与制冷隔振界面2之间没有接触，因此闭循环制冷机1工作时的机械振动不会直接传导到低温运行设备4上。

其次，闭循环制冷机1与主动式振动衰减器7连接固定，主动式振动衰减器7和固定支架5连接固定，固定支架5放置在地面上。振动传感器6与闭循环制冷机1安装固定，能够实时测量制冷机的振动状态，主动式振动衰减器7与振动传感器6通过线缆连接到主动式振动衰减系统控制器8，主动式振动衰减系统控制器8接收并处理来自振动传感器6的信号后，控制主动式振动衰减器7产生衰减力，抵消或部分抵消闭循环制冷机1的振动能量。

其中，主动式振动衰减系统控制器8的信号处理可以基于PID控制，将每个维度的振动信号按一定的P、I、D参数进行实时反馈，并控制主动式振动衰减器7产生对应的衰减力。由于闭循环制冷机1及固定支架5在安装完成后，正常运行状态时的振动频率及各频率上的振动能量是基本固定的，因此也可采用机器学习算法，将振动传感器6得到的信号进行实时傅里叶变换，得到振动状态的频谱数据，将频谱中特征频率峰的频率、幅值和相位作为机器学习的反馈力变量，通过长时间工作获得最优变量值。以常规的吉福特－麦克马洪制冷机为例，其工作频率通常在2 Hz ，主动式振动衰减器7能够将制冷机在X、Y、Z三个方向的振动加速度衰减一个数量级，同时，如通过控制系统的算法优化还能进一步对特定频率的振动进行衰减。

最后，低温运行设备4连接在制冷隔振界面2的低温端，放置于真空腔体9的内部。低温运行设备4与真空腔体9之间还有低温屏蔽罩10来隔离低温和室温之间的热辐射，低温冷屏罩10通过与制冷隔振界面2的连接，将闭循环氦制冷机1的制冷量传导至低温冷屏罩10。真空腔体9放置于地面支撑单元11上，地面支撑单元11放置在地面上，通过地面支撑单元11隔离地面的振动。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种带有主动式振动衰减结构的无液氦低温制冷系统，其特征在于，包括闭循环制冷机、主动式振动衰减系统、低温运行设备、低温屏蔽罩和真空腔体；其中：

所述闭循环制冷机中，其制冷头伸入制冷隔振界面内，所述制冷头和所述制冷隔振界面间填充氦气，所述闭循环制冷机与制冷隔振界面的之间通过密封波纹管连接密封；

所述主动式振动衰减系统，包括固定支架、振动传感器、主动式振动衰减器和主动式振动衰减系统控制器；所述闭循环制冷机的底座与所述固定支架连接，所述主动式振动衰减器安装在所述闭循环制冷机的底座和所述固定支架之间，所述振动传感器安装在所述闭循环制冷机的底座上，所述主动式振动衰减器、振动传感器均与所述主动式振动衰减系统控制器电连接；

所述低温运行设备，放置在真空腔体内并与所述制冷隔振界面的低温端连接，所述真空腔体放置在所述地面支撑单元上，所述低温屏蔽罩设置在低温运行设备与所述真空腔体之间；

所述冷隔振界面由低温屏蔽罩、密封波纹管和闭循环制冷机围设形成。

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述振动传感器设置有多个，分别用于测定加速度、角速度、线速度，多个振动传感器均布在所述闭循环制冷机的底座上。

3.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述固定支架的底部直接放置在地面上。

4.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述主动式振动衰减系统控制器独立放置于设备机柜内，或集成在所述主动式振动衰减器、振动传感器内。

5.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述低温屏蔽罩与所述制冷隔振界面连接，所述闭循环制冷机产生的制冷量通过所述制冷隔振界面传导到所述低温屏蔽罩。

6.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述真空腔体通过刚性连接固定在所述地面支撑单元上。

7.根据权利要求6所述的制冷系统，其特征在于，所述地面支撑单元采用隔离地面振动的橡胶垫或空气弹簧，或者采用刚性支架。

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