脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机制造技术

本发明专利技术公开了一种脉管制冷机预冷的低温J‑T节流制冷机包括脉管预冷单元和J‑T节流制冷单元，所述脉管预冷单元包括至少一个脉管级制冷机，所述脉管级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脉管级制冷机调相。本发明专利技术的脉管制冷机预冷的低温J‑T节流制冷机，脉管预冷单元中的脉管级制冷机采用了电涡流阻尼调相机构，该结构可为脉管级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调节，从而使脉管预冷单元可以高效的获得10K及以下的制冷温度，更高效地为制冷级J‑T节流制冷循环提供预冷。且本发明专利技术的制冷机可靠性更高，寿命更长，同时具备结构紧凑等优点。

【技术实现步骤摘要】
脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机
本专利技术属于涉及一种制冷系统，具体是涉及一种脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机。
技术介绍
随着科学技术的进步，低温制冷技术在过去近半个世纪中得到了快速发展，并在航空航天、国防军事、超导、医疗、能源以及低温物理等领域有着广泛而不可替代的应用。目前，对于空间液氦温区的制冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技术和机械式制冷技术。其中液氦杜瓦制冷技术利用储存在高真空多层绝热储罐里的液氦或者超流氦的蒸发吸热来实现制冷效应，这种方式可以获得较稳定的温度，在早期的航天探测领域具有广泛的应用，技术相对成熟，但是它存在体积大、重量重、绝热系统复杂，发射成本高以及使用寿命受工质存储量限制等缺点。随着机械式制冷技术的进步和发展，特别是板弹簧和间隙密封等技术的应用，彻底解决了杜瓦技术始终无法克服的长寿命问题，使得机械式制冷技术如斯特林制冷机和脉管制冷机近20年来在航天领域快速发展并占有相当的份额。而在15K以下温区，氦严重偏离理想气体性质、回热材料体积比热容急剧下降等原因造成已在空间大量运用的斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机在液氦温区制冷效率较低。实际空间应用中经常希望压缩机单元能够尽可能靠近散热单元便于热量的耗散，尽可能远离被冷却的探测器装置以减小压缩机带来的热耗散、机械振动和电磁干扰。而回热式低温制冷机的冷端与热端距离比较近，难以实现压缩机和冷头分置的要求，从而限制了其在空间任务中的应用。焦耳-汤普逊制冷机(Joule-ThomsonCooler，以下简称J-T节流制冷机)利用温度低于15K时，氦气的非理想特性显著这一特点带来的Joule-Thomson节流效应获得制冷效应，效率较高。而且J-T节流制冷机工质直流流动，冷端可根据所需冷却的结构进行自由设计等特点所带来的一系列优点使J-T节流制冷机成为空间液氦温区任务的主流。空间液氦温区机械式制冷技术主要集中在日本宇宙研究开发机构(JapanAerospaceExplorationAgency，JAXA)、美国宇航局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)和欧洲空间局(EuropeanSpaceAgency，ESA)等机构，这些机构在近年来已发射或即将发射的航天探测器中，使用液氦温区机械式制冷技术的低温空间项目如表1所示。表1采用液氦温区机械式制冷技术的低温空间任务从表1可以看到，以上提到的研究机构近年来已有的应用于空间的液氦温区的机械式制冷机大多为预冷型的J-T节流制冷机，且主要采用回热式制冷机预冷，如SMILES、Asrto-H和SPICA项目中的液氦温区J-T节流制冷循环均采用两级斯特林制冷机预冷，在ACTDP项目的竞标过程中更是出现了采用四级高频脉管制冷机、三级斯特林制冷机和三级高频脉管制冷机三种不同的预冷方式，但是预冷型J-T节流制冷技术在低温温区均存在预冷效率不高的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，该制冷系统预冷效率好，制冷性能高，且同时具备结构紧凑、寿命长和可靠性高等优点。一种脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，包括脉管预冷单元和J-T节流制冷单元，所述脉管预冷单元包括至少一个采用电涡流阻尼调相机构的脉管级制冷机，该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为脉管级制冷机调相。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。本专利技术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。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。本专利技术中，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，所述弹性件为设置在壳体与活塞之间的弹簧。本专利技术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。作为优选，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。本专利技术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＝xacosωt，xa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+pacos(ωt+φ)，pa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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉管制冷机预冷的低温J‑T节流制冷机，包括脉管预冷单元和J‑T节流制冷单元，其特征在于，所述脉管预冷单元包括至少一个采用电涡流阻尼调相机构的脉管级制冷机，该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为脉管级制冷机调相。

【技术特征摘要】
1.一种脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，包括脉管预冷单元和J-T节流制冷单元，其特征在于，所述脉管预冷单元包括至少一个采用电涡流阻尼调相机构的脉管级制冷机，该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为脉管级制冷机调相。2.根据权利要求1所述的脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，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所述的脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，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所述的脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，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所述的脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭永祥，王博，赵钦宇，巢翊钧，孔家煊，王亚彬，陈思凡，刘东立，周文杰，甘智华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33