基于电涡流阻尼的调相装置、脉管制冷机及调相方法与流程

本发明属于低温制冷机领域，具体是涉及一种基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置、使用该调相装置的脉管制冷机以及调相方法。

背景技术

脉管制冷机最早在1963年由gifford和longsworth提出，其最重要的特点是冷头部分没有运动部件，具有长寿命、低成本和稳定可靠的优势，十分适合空间超导器件和红外设备的冷却。脉管制冷机通常由压缩装置、级后冷却器、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器和调相装置组成。其中，回热器冷端的声阻抗对于脉管制冷机的制冷性能具有至关重要的影响，而调相装置的作用就是为回热器冷端提供合适的声阻抗。事实上，脉管制冷机性能的进步与其调相装置的发展息息相关。从基本型，小孔型，小孔气库型，双向进气型再到惯性管气库型，脉管制冷机的调相装置不断发展，其制冷温度不断降低，制冷量和效率也不断提升。

当前脉管制冷机的主要调相装置为惯性管和气库组合而成，该种组合虽然尺寸较大，但其在较高的制冷温区可以为脉管制冷机提供较优的阻抗。然而，随着制冷温度的降低，惯性管和气库的组合越来越难为脉管制冷机提供足够的阻抗，从而导致当前深低温脉管制冷机的效率低下。因此，高效的深低温调相方法是当前脉管制冷领域的研究热点和难点。同时，在降温过程中脉管制冷机回热器冷端的最优声阻抗是动态变化的，而且在降温过程结束后，受热负荷和环境的变化影响，其运行工况和最优声阻抗也不是固定不变的。然而，传统的调相装置往往在设计好之后就不能变化，这意味着，在脉管制冷机降温过程及运行工况变化时，回热器冷端的声阻抗偏离最优值，脉管制冷机的性能不能达到最佳状态。因此，可以根据实际工况实时调节阻抗的调相装置对于脉管制冷机性能的进一步提高具有重要意义。

此外，为达到实时调节阻抗的目的，申请号为cn201610054685.7的专利文献公开了一种利用波纹管作为可调气库的脉管制冷机。所述波纹管气库的体积可以实时手动或者自动调节，从而达到制冷机的快速降温。然而，由于改变气库体积的同时也会改变系统的压力，该技术在调节阻抗的时候很可能会使制冷机的充气压力显著地偏离最优值，让制冷机的性能反而恶化。

技术实现要素：

为解决上述常用调相方法无法在深低温下为脉管制冷机提供合适的阻抗和根据实际工况实时主动调节阻抗的难题，本发明提供了一种基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置，通过合理的设计，该装置能够为脉管制冷机的高效工作提供较优的阻抗，从而使脉管制冷机高效的工作。

一种基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置，能够用于脉管制冷机的调相，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。一种基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置，包括：

壳体；

通过弹性件设置在壳体内的活塞，该活塞为导体；

设置在壳体外能够对活塞产生磁场作用力的磁场发生装置；

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磁场的材料，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。

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。

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时压力信息，通过简单的转换即可得到所述的位移幅值或压力幅值，方便于控制。

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。

本发明还提供了一种脉管制冷机，包括脉管热端换热器以及调相装置，其特征在于，所述调相装置为上述任一技术方案所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置，且所述壳体与所述脉管热端换热器的对应端密封连通。

作为优选，所述脉管制冷机为单级或多级脉管制冷机，为多级脉管制冷机时，其中至少一级的调相装置为上述任一项技术方案所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置。

作为优选，所述脉管制冷机包括通过管路依次连接的压缩装置、回热器热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、脉管热端换热器以及调相装置，所述调相装置为上述任一技术方案所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置，此时所述外壳与所述脉管热端换热器的对应端密封对接。

作为进一步优选，所述回热器与所述脉管可以采用u型布置，或者直线型布置。

作为优选，所述多级脉管制冷机为气耦合多级脉管制冷机或者热耦合多级脉管制冷机。

作为进一步优选的方案，一种多级脉管制冷机，包括通过管路依次连接的压缩装置、回热器热端换热器、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器以及第一级调相装置；通过管路依次连接的第二级回热器、第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器以及第二级调相装置；第一级回热器冷端与第二级回热器热端连接，所述第一级调相装置和第二级调相装置之中至少有一个为上述任一技术方案所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置。

基于对上述方案的优选，所述第一级回热器与所述第一级脉管可以采用u型布置，或者直线型布置。所述第二级回热器与所述第二级脉管可以采用u型布置，或者直线型布置。

作为另一种优选的方案，一种多级脉管制冷机，包括通过管路依次连接的第一级压缩装置、第一级回热器热端换热器、第一级回热器、第一级冷端换热器、第一级脉管、第一级脉管热端换热器以及第一级调相装置；通过管路依次连接的第二级压缩装置、第二级回热器热端换热器、第二级回热器第一段、第一级冷端换热器、第二级回热器第二段、第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器以及第二级调相装置，所述第一级调相装置和第二级调相装置之中至少有一个为上述任一技术方案所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置。

基于对上述技术方案的优选，所述第一级回热器与所述第一级脉管可以采用u型布置，或者直线型布置。所述第二级回热器第二段与所述第二级脉管可以采用u型布置，或者直线型布置。

本发明还提供了一种利用所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动装置进行调相的方法，包括：磁场发生装置通过磁场作用力实现对活塞的控制；所述磁场发生装置的磁场强度根据最优相位差确定。

本发明还提供了一种利用上述基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置进行调相的方法，包括：

位移传感器检测活塞实时位移信息；

压力传感器检测活塞作用面的实时压力信息；

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；

活塞在所述磁场发生装置的磁场力作用下，产生电涡流阻尼，调整其作用面处的位移与压力的实时相位差为最优相位差。

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等效弹簧刚度，m表示活塞的作用面积。

本发明的调相装置的外壳布置有通过弹性部件(比如弹簧)与外壳相连的活塞，活塞的材料为导体。此外，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的调相装置引入电涡流阻尼力参与阻抗调节，该电涡流阻尼力的大小可以通过改变磁场发生装置所发出的磁场强度来控制，同时配合活塞面积和弹簧刚度的选择，为脉管制冷机提供较优的阻抗，从而使脉管制冷机可以高效的工作；同时还可以结合传感器和控制器，可以实现根据实际工况进行实时主动调相，使得脉管制冷机在降温过程或者偏离设计工况时均能在最佳声阻抗下运行，从而实现脉管制冷机在不同工况下的高效制冷。同时，本发明的调相装置中的活塞能够加强调相装置的惯性效应，从而克服当前惯性管和气库组合调相装置在深低温区制冷温度下调相能力不足的问题。此外，本发明的调相装置在进行调节相位时不会改变系统的充气压力和其它运行参数，避免了相位调节的过程中其它运行参数偏离最优值。

附图说明

图1为本发明的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的结构示意图。

图2为本发明的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的磁场发生装置的结构示意图。

图3为本发明的采用基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的脉管制冷机的一种实施方式的结构示意图。

图4为本发明的采用基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的多级脉管制冷机的一种实施方式的结构示意图。

图5为本发明的采用基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的多级脉管制冷机的另一种实施方式的结构示意图。

图6为本发明的采用基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示：一种基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置1包括：外壳2、通过弹簧4连接在外壳2内的活塞3、置于外壳2外的磁场发生装置5、与活塞3相连接用于检测活塞位移的位移传感器31、布置在活塞3前部用于检测活塞所受压力的压力传感器33以及通过数据连接线34与磁场发生装置5、位移传感器31和压力传感器33相连接的控制器32；通过改变所述磁场发生装置5的磁场强度可以控制活塞3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，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3为导体，可采用现有的导体材料。图中，活塞3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4与外壳2顶面内壁固定，在外力作用下活塞可在外壳内往复运动。

其中，数据连接线34等也可以由蓝牙等无线模块代替。控制器32可以是通过软件编程以实现所述控制功能的控制芯片或者也可以是计算机或者部分或者全部由控制电路代替的控制芯片，控制器32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32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31一般为现有的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33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。

如图2所示：磁场发生装置5包括c型铁芯6、缠绕在c型铁芯6上的绕组7，以及与绕组相连接的直流电源35，绕组7置于c型铁芯6的中部。活塞底面为工作面，水平设置，c型铁芯6的两极正对活塞的两侧，活塞的运动为切割磁力线运动。

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装置的控制原理为：

假设活塞的实时位移和实时压力分别为：

x＝xacosωt(1)

p＝p0+pacos(ωt+φ)(2)

其中，x表示活塞3的实时位移，xa表示活塞3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3工作面的实时压力，p0表示充气压力、pa表示活塞3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3的动力学方程，有：

其中，a表示活塞3的作用面积(图中为活塞3底面的面积)，k表示同时考虑弹簧4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3的质量，fb表示活塞3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5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5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xa、pa、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3的位移波动以及活塞3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32通过位移传感器31和压力传感器33采集活塞3的实时位移信息以及活塞3前部的实时压力信息，进而得到xa、pa的值，并将xa、pa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32根据最优相位差φ0、活塞3的实时位移信息以及活塞3前部的实时压力信息调节磁感应强度的算法。控制器32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2

如图3所示：带有基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的脉管制冷机包括：压缩装置8、回热器热端换热器9、回热器10、冷端换热器11、脉管12、脉管热端换热器13以及调相装置26，所述调相装置26为实施例1中所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置1。

上述各部件的连接方式如下：压缩装置8通过管路依次与回热器热端换热器9、回热器10、冷端换热器11、脉管12、脉管热端换热器13以及调相装置26相连通；所述回热器10与所述脉管12可以采用u型布置，或者直线型布置。

其中，主动调相装置1的外壳2底端与脉管热端换热器13一端密封对接，通过控制器实时改变磁场发生装置5输出的磁感应强度，使得实时相位差一直为最优相位差。

压缩装置8可选用现有的制冷机领域常用的压缩机。

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装置的脉管制冷机的工质的运行过程为：

经过压缩装置8的高温高压气体流经回热器热端换热器9后冷却至室温，然后与回热器10中的回热填料进行换热，温度降低，气体依次通过冷端换热器11、脉管12、脉管热端换热器13进入调相装置26。稳定运行后在冷端换热器11产生制冷效应。

实施例3

如图4所示：带有基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的一种多级脉管制冷机包括：压缩装置8、回热器热端换热器9、第一级回热器14、第一级冷端换热器15、第一级脉管16、第一级脉管热端换热器17、第一级调相装置27、第二级回热器18、第二级冷端换热器19、第二级脉管20、第二级脉管热端换热器21以及第二级调相装置28，所述第一级调相装置27和第二级调相装置28之中至少有一个为实施例1中所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置1，当然也可两个都采用实施例1所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置1，可分别控制，或者分别设置单独的控制器进行控制。

其中，主动调相装置1的外壳2底端与第一级脉管热端换热器17或/和第二级脉管热端换热器21一端密封对接，通过控制器实时改变磁场发生装置5输出的磁感应强度，使得实时相位差一直为最优相位差。

压缩装置8可选用现有的制冷机领域常用的压缩机。

上述各部件的连接方式如下：压缩装置8通过管路依次回热器热端换热器9、第一级回热器14、第一级冷端换热器15、第一级脉管16、第一级脉管热端换热器17以及第一级调相装置27连通；第二级回热器18通过流道依次与第二级冷端换热器19、第二级脉管20、第二级脉管热端换热器21以及第二级调相装置28连通；第一级回热器14冷端与第二级回热器18热端连接；所述第一级回热器14与所述第一级脉管16可以采用u型布置，或者直线型布置；所述第二级回热器18与所述第二级脉管20可以采用u型布置，或者直线型布置。

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装置的一种多级脉管制冷机的工质的运行过程为：

经过压缩装置8的高温高压气体流经回热器热端换热器9后冷却至室温，然后与第一级回热器14中的回热填料进行换热，温度降低，气体依次通过第一级冷端换热器15、第一级脉管16、第一级脉管热端换热器17进入第一级调相装置27。稳定运行后在第一级冷端换热器15产生制冷效应。第二级回热器18靠近热端的气体在第一级冷端换热器15的制冷效应的预冷下，温度降至第一级冷端换热器15的温度，第二级回热器18中的气体依次通过第二级冷端换热器19、第二级脉管20、第二级脉管热端换热器21进入第二级调相装置28，稳定运行后在第二级冷端换热器19产生制冷效应。

实施例4

如图5所示：带有基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置的一种多级脉管制冷机包括：第一级压缩装置29、第一级回热器热端换热器22、第一级回热器14、第一级冷端换热器15、第一级脉管16、第一级脉管热端换热器17、第一级调相装置27、第二级压缩装置30、第二级回热器热端换热器23、第二级回热器第一段24、第一级冷端换热器15、第二级回热器第二段25、第二级冷端换热器19、第二级脉管20、第二级脉管热端换热器21以及第二级调相装置28，所述第一级调相装置27和第二级调相装置28之中至少有一个为实施例1中所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置1，当然也可两个都采用实施例1所述的基于电涡流阻尼的制冷机阻抗主动调相装置1，可分别控制，或者分别设置单独的控制器进行控制。

其中，主动调相装置1的外壳2底端与第一级脉管热端换热器17或/和第二级脉管热端换热器21一端密封对接，通过控制器实时改变磁场发生装置5输出的磁感应强度，使得实时相位差一直为最优相位差。

压缩装置8可选用现有的制冷机领域常用的压缩机。

上述各部件的连接方式如下：第一级压缩装置29通过管路依次与第一级回热器热端换热器22、第一级回热器14、第一级冷端换热器15、第一级脉管16、第一级脉管热端换热器17以及第一级调相装置27连通；第二级压缩装置30通过管路依次与第二级回热器热端换热器23、第二级回热器第一段24、第一级冷端换热器15、第二级回热器第二段25、第二级冷端换热器19、第二级脉管20、第二级脉管热端换热器21以及第二级调相装置28连通；所述第一级回热器14与所述第一级脉管16可以采用u型布置，或者直线型布置；所述第二级回热器第二段25与所述第二级脉管20可以采用u型布置，或者直线型布置。

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装置的一种多级脉管制冷机的工质的运行过程为：

经过第一级压缩装置29的高温高压气体流经第一级回热器热端换热器22后冷却至室温，然后与第一级回热器14中的回热填料进行换热，温度降低，气体依次通过第一级冷端换热器15、第一级脉管16、第一级脉管热端换热器17进入第一级调相装置27。稳定运行后在第一级冷端换热器15产生制冷效应。经过第一级压缩装置29高温高压气体流经第二级回热器热端换热器23后冷却至室温，然后依次与第二级回热器第一段24中的填料、第一级冷端换热器15和第二级回热器第二段25中的填料进行换热，温度降低，气体依次通过第二级冷端换热器19、第二级脉管20、第二级脉管热端换热器21进入第二级调相装置28。稳定运行后在第二级冷端换热器19产生制冷效应。

实施例5

如图6所示：一种基于电涡流阻尼的制冷机阻抗调相装置1包括：外壳2、通过弹簧4连接在外壳2内的活塞3、置于外壳2外的磁场发生装置5。

相关的结构同实施例1，不同之处在于：本实施例中，没有设置压力传感器、位移传感器和控制器等。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。