脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机的制作方法

本发明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。

背景技术

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。

技术实现要素：

本发明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。

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。

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。

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。

本发明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等效弹簧刚度，m表示活塞的作用面积。

作为优选，所述脉管预冷单元为多级脉管制冷机。

作为优选，所述多级脉管制冷机为二级脉管制冷机，所述二级脉管制冷机中至少有一级采用电涡流阻尼调相机构调相。

作为优选，所述j-t制冷单元包括按照制冷剂流向依次相连的j-t压缩机、第一级回热式换热器、第一级预冷换热器、第二级回热式换热器、第二级预冷换热器、节流前换热器、节流阀和蒸发器；

所述二级脉管制冷机中第一级冷端换热器(通过第一级热桥对第一级预冷换热器内的制冷剂进行预冷；第二级冷端换热器通过第二级热桥对第二级预冷换热器内的制冷剂进行预冷。

为提高j-t节流制冷单元的制冷效率，改善所述j-t节流制冷单元的节流前换热器中高低压两侧氦气水当量不匹配造成的换热器效率低下的情形，作为优选，所述j-t节流制冷单元的节流前换热器可选择采用旁通节流的低温间壁式换热器，此时，作为对上述方案的进一步优选，所述j-t节流制冷单元的节流前换热器中高压侧管路上有一个与低压侧管路连通的旁通管路，该旁通管路上设有能够产生等焓节流效应的节流元件。

本发明中，所述二级脉管制冷机可以为热耦合的二级脉管制冷机，也可以为气耦合的二级脉管制冷机。

为便于布置，作为优选的技术方案：所述脉管预冷单元可选择采用电涡流阻尼调相的两级高频脉管制冷机，包括预冷压缩机、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、第一级调相机构、阻隔流动的声功传输部件、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、第二级调相机构。

上述部件的连接方式为：预冷压缩机出口通过管路依次与回热器热端换热器、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和第一级调相机构连通；第二级回热器依次与第二级冷端换热器、第二级脉管、第二级脉管热端换热器和第二级调相机构连通；第一级回热器冷端通过阻隔流动的声功传输部件与第二级回热器热端连接。

所述第一级冷端换热器通过第一级热桥对第一级预冷换热器内的制冷剂进行预冷；所述第二级冷端换热器通过第二级热桥对第二级预冷换热器内的制冷剂进行预冷。

所述第一级调相机构和第二级调相机构中至少有一个为所述的电涡流阻尼调相机构。

本发明的控制器可以采用控制芯片，也可以采用计算机。既可以单独设置，也可以集成于制冷机的总控制器上。对于多级脉管制冷机，既可以其中一个调相装置采用上述的电涡流阻尼调相机构，也可以是所有的调相装置都采用所述的电涡流阻尼调相机构。采用多个所述电涡流阻尼调相机构时，可分别单独设置控制器进行单独分别控制，也可以采用集成的一个控制器分别进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明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主动调节，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。因此，本发明的脉管制冷机预冷的低温j-t节流制冷机的制冷性能也会比现有采用单一回热式制冷机预冷的j-t节流制冷循环高，而且可靠性更高，寿命更长，同时具备结构紧凑等优点。

附图说明

图1为两级脉管制冷机预冷的低温j-t节流制冷机的一种实施方式的示意图。

图2为两级脉管制冷机预冷的低温j-t节流制冷机的另一种实施方式的示意图。

图3为本发明的基于电涡流阻尼的调相机构的一种实施方式。

图4为本发明的基于电涡流阻尼的调相机构的另一种实施方式。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种两级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ptc和j-t节流制冷单元j-tc。其中j-t节流制冷单元包括j-t压缩机c2、第一级回热式换热器jhx1、第一级预冷换热器phx1、第二级回热式换热器jhx2、第二级预冷换热器phx2、节流前换热器jhx3、节流阀o和蒸发器lhc，脉管预冷单元为两级脉管制冷机，包括预冷压缩机c1、回热器热端换热器hx1、第一级回热器rg1、第一级冷端换热器hx2、第一级脉管pt1、第一级脉管热端换热器hx3、第一级电涡流阻尼调相机构ecd1、第二级回热器rg2、第二级冷端换热器hx4、第二级脉管pt2、第二级脉管热端换热器hx5、第二级电涡流阻尼调相机构ecd2，第一级热桥tb1和第二级热桥tb2。

上述部件的连接关系为：

j-t节流制冷单元中：j-t压缩机c2的出口通过管路依次与第一级回热式换热器jhx1的高温侧管路、第一级预冷换热器phx1、第二级回热式换热器jhx2的高温侧管路、第二级预冷换热器phx2和节流前换热器jhx3的高温侧管路、节流阀o和蒸发器lhc入口连通，蒸发器lhc出口通过管路依次与节流前换热器jhx3的低温侧管路、第二级回热式换热器jhx2的低温侧管路、第一级回热式换热器jhx1的低温侧管路和j-t压缩机c2入口连通。

回热预冷单元中：预冷压缩机c1通过管路依次与回热器热端换热器hx1、第一级回热器rg1、第一级冷端换热器hx2、第一级脉管pt1、第一级脉管热端换热器hx3、第一级电涡流阻尼调相机构ecd1连接；第二级回热器rg2通过流道依次与第二级冷端换热器hx4、第二级脉管pt2、第二级脉管热端换热器hx5、第二级电涡流阻尼调相机构ecd2连通；第一级回热器rg1冷端与第二级回热器rg2热端连接。

第一级冷端换热器hx2通过第一级热桥tb1对第一级预冷换热器phx1内的制冷剂进行预冷；第二级冷端换热器hx4通过第二级热桥tb2对第二级预冷换热器phx2内的制冷剂进行预冷。

本实施方式中工质的运行过程为：

对于j-t节流制冷单元，制冷剂的运行过程为：制冷剂由j-t压缩机c2压缩至高压并排出，依次流经第一级回热式换热器jhx1的高温侧管路、第一级预冷换热器phx1、第二级回热式换热器jhx2的高温侧管路、第二级预冷换热器phx2和节流前换热器jhx3的高温侧管路，进入节流阀o处等焓节流至低压并达到液氦温度后进入蒸发器lhc，经蒸发器lhc与外界换热后蒸发出低压气体工质，依次流经节流前换热器jhx3的低温侧管路、第二级回热式换热器jhx2的低温侧管路、第一级回热式换热器jhx1的低温侧管路，最终返回液氦温区j-t压缩机c2。

两级脉管制冷机与液氦温区j-t节流制冷循环间只存在热量传递，其第一级冷端换热器phx1和第二级冷端换热器phx2分别通过第一级热桥tb1和第二级热桥tb2为第一级预冷换热器phx1和第二级预冷换热器phx2中制冷工质提供预冷。

对于两级脉管制冷机，其运行过程为：

经过预冷压缩机c1压缩的高温高压气体流经回热器热端换热器hx1后冷却至室温，然后与第一级回热器rg1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hx2、第一级脉管pt1、第一级脉管热端换热器hx3进入第一级电涡流阻尼调相机构ecd1，稳定运行后在第一级冷端换热器hx2处产生制冷效应。在第一级冷端换热器hx2处，工质分成两部分，一部分进入第一级脉管pt1，另外一部分进入到第二级回热器rg2。第二级回热器rg2靠近热端的气体在第一级冷端换热器hx2的制冷效应的预冷下，温度降至第一级冷端换热器hx2的温度，第二级回热器rg2中的气体依次通过第二级冷端换热器hx4、第二级脉管pt2、第二级脉管热端换热器hx5进入第二级电涡流阻尼调相机构ecd2，稳定运行后在第二级冷端换热器hx4处产生制冷效应。

实施例2

如图2所示，一种两级脉管制冷机预冷的低温j-t节流制冷机，与实施例1不同之处在于：所述j-t节流制冷单元节流前换热器jhx3中高压侧管路上有一个与低压侧管路连通的旁通管路，该旁通管路上设有能够产生等焓节流效应的节流元件bo，该结构可以有效的改善节流前换热器jhx3高低压侧制冷工质水当量不平衡的问题，显著提高节流前换热器jhx3的效率，最终实现整机的高效工作。

实施例3

如图3所示，一种基于电涡流阻尼的调相机构ecd，包括：外壳w、通过弹簧s连接在外壳w内的活塞p、置于外壳w外的磁场发生装置m和布置在发生装置m上的线圈i。通过改变所述磁场发生装置m的磁场强度来控制活塞p受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

本实施例中，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。

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p为导体，可采用现有的导体材料。图中，活塞p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s与外壳w顶面内壁固定，在外力作用下活塞可在外壳内往复运动。

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

本实施例中，调相机构的控制原理可参考实施例4相关介绍。

实施例1和实施例2中的第一级电涡流阻尼调相机构ecd1、第二级电涡流阻尼调相机构ecd2可以其中一个选择实施例3中的基于电涡流阻尼的调相机构ecd，另外一个选择现有的调相机构，比如气库、惯性管等或者相结合的结构。当然，第一级电涡流阻尼调相机构ecd1、第二级电涡流阻尼调相机构ecd2也可以都选择实施例3中的基于电涡流阻尼的调相机构，控制器部分可以单独设置，分别控制，当然也可以采用一个集成的控制器，根据控制参数不同，通过不同的程序进行控制。

将本发明实施例1提供的技术方案与传统的两级斯特林或两级脉管制冷机预冷的j-t节流制冷循环进行模拟计算优化，结果对比如下：

表2对于两级预冷的液氦温区j-t节流制冷模拟计算结果

其中j-t节流制冷循环假设条件为：j-t节流制冷循环压缩机吸气压力0.121mpa、第一级预冷温度90k、回热式换热器效率和节流前换热器效率均为0.97、表中j-t高压区间为计算最大cop所在区间。

对于液氦温区j-t节流制冷机整机性能，预冷温度越低，达到最高效率(同时也是最大制冷量)所需要的高温侧压力越低，这对于整机的性能、寿命、制造成本等各方面都是有利的。而目前两级斯特林制冷机与两级高频脉管制冷机的所达到的性能为：最低制冷温度11k～13k(此时无制冷量)，对于已公开文献中的情况来看，两级斯特林制冷机一般在15k～18k的温度范围内对j-t循环预冷。而本发明的脉管制冷机的预期最低制冷温度可至10k以下，即可在10k及以下提供预冷，结合上表2可以看到，脉管制冷机预冷能够大大提高j-t节流制冷机的整机性能。

实施例4

如图4所示：一种基于电涡流阻尼的调相机构ecd包括：外壳w、通过弹簧s连接在外壳w内的活塞p、置于外壳w外的磁场发生装置m和布置在发生装置m上的线圈i。通过改变所述磁场发生装置m的磁场强度来控制活塞p受到的电涡流阻尼力，从而实现制冷机阻抗的主动调节。

相关的结构同实施例3，不同之处在于：还可以包括与活塞p相连接用于检测活塞位移的位移传感器lvdt、布置在活塞p前部用于检测活塞所受压力的压力传感器ps以及通过数据连接线与磁场发生装置m、位移传感器和压力传感器相连接的控制器；通过改变所述磁场发生装置m的磁场强度可以控制活塞p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，数据连接线等也可以由蓝牙等无线模块代替。控制器可以是控制芯片或者也可以是计算机，控制器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。控制器还可以采用微处理器或者控制芯片，通过编程实现下述的控制功能；当然也可以是部分由控制电路代替的微处理器或者控制芯片。

其中，位移传感器一般为现有的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。

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

其中，a表示活塞p的作用面积(图中为活塞p底面的面积)，k表示同时考虑弹簧s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p的质量，fb表示活塞p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m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m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p的位移波动以及活塞p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，控制器通过位移传感器和压力传感器采集活塞p的实时位移信息以及活塞p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根据最优相位差φ0、活塞p的实时位移信息以及活塞p前部的实时压力信息调节磁感应强度的算法。控制器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1和实施例2中的第一级电涡流阻尼调相机构ecd1、第二级电涡流阻尼调相机构ecd2可以其中一个选择实施例4中的基于电涡流阻尼的调相机构，另外一个选择现有的调相机构，比如气库、惯性管等或者相结合的结构。当然，第一级电涡流阻尼调相机构ecd1、第二级电涡流阻尼调相机构ecd2也可以都选择实施例4中的基于电涡流阻尼的调相机构，控制器部分可以单独设置，分别控制，当然也可以采用一个集成的控制器，根据控制参数不同，通过不同的程序进行控制。