本发明涉及一种步进式低温流体节流开度控制装置，属于低温及制冷工程技术领域。
背景技术：
随着低温液体在空间的存储量及其使用时间逐渐增加，液氢/液氧等沸点很低液体由于受到辐射、导热等热环境容易蒸发，引起冷量损失，因而低温液体的在轨贮存是实现冷能在空间长期使用的一项重要课题。采用joule-thomson技术的热力学排气系统技术是实现低温液体高效贮存的一种行之有效的被动技术，该技术采用焦汤膨胀节流的方法，使贮箱内的流体经过节流后形成温度和压力降低的两相流，并与外部热源进行换热，从而减少低温液体的蒸发。
节流技术是英国科学家joule和thomson在19世纪50年代首次发现，他们研究了气体从高压膨胀到低压环境时温度降低的现象。基于该流体节流制冷结构的装置能够实现降低低温液体或低温蒸气的温度。对于外部热源处于变化的热力学环境，根据外部热源的变化动态调整节流制冷量，能够更有效地节省低温液体的使用量，避免了冷能的浪费，因而能够进一步提高了系统能源利用率。
固定式调节机构中低温液体流量无法通过调节开度的方式进行调整，流体流量一般只能通过节流前后的压差进行控制；而手调式节流阀开度调节机构除了上述控制方法外，还可通过手动调节节流阀门旋钮进行低温液体节流流量的改变，但是此种调节方式无法做到节流开度的精确控制，而且在液氢等深低温工质实验环境下具有一定的危险性。采用步进式的低温液体节流开度调节机构能够有效解决上述两个问题，步进电机接收数字控制电脉冲信号转化成与之相对的角位移或线位移来使与电机耦合的低温液体节流阀门旋钮根据需要进行精确调节，而且步进调节装置能够实现远距离控制，降低实验过程中的安全隐患。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种步进式低温流体节流开度控制装置，能够实现低温液体节流制冷，通过控制节流开度，实现调节流量和节流制冷量的目的。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种步进式低温流体节流开度控制装置，包括步进式电动机、齿轮副配合结构以及流体节流结构；
所述步进式电动机通过所述齿轮副配合结构驱动流体节流结构移动，调节低温液体的流出开度。
优选的，所述齿轮副配合结构包括第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮由步进式电动机驱动，所述第二齿轮与第一齿轮啮合驱动，所述第二齿轮固定连接于所述步流体节流结构上。
优选的，所述流体节流结构包括轴套、连杆、节流件、节流顶锥、套管以及流体排出管；
连杆与所述第二齿轮固定连接，所述轴套与连杆螺纹连接，所述连杆与节流顶锥固定连接，所述节流顶锥设置在所述套管内；所述节流件连接到套管，通过节流顶锥控制低温液体的流入的开度；流体排出管与轴套分别固定在套管的两端。
优选的，所述步进式电动机包括调节滚动轴承、电机转子、电机定子、绕组线圈及转轴；所述滚动轴承位于电机转子两端，绕组线圈位于电机定子外侧靠近电机壳部位，绕组线圈在电机通电情况下产生磁场带动电机转子和转轴转动。
优选的，所述节流顶锥依次为尾部、圆柱段和锥形段；所述尾部插入轴套的内部，并在连杆的带动下能够在轴套内轴向移动；所述圆柱段的直径等于所述套管的内径，高度不小于所述套管侧壁的节流件所在管路的内径，节流顶锥轴向移动时，使顶锥侧壁面与套管之间所形成的环形空腔界面改变。
优选的，节流顶锥的轴向位移为：
其中s为轴套的螺距，第一齿轮和第二齿轮的直径分别为d1和d2，旋转角度分别为θ1和θ2。
优选的，所述第一齿轮与步进式电动机的转轴固定连接，连接接触面采用槽道卡扣连接或者点焊方式。优选的齿轮副配合结构还包括齿轮副壳体，所述第一齿轮和第二齿轮位于齿轮副壳体内。优选的所述第一齿轮和第二齿轮的直径尺寸及直径比根据实际需要传动比设定。
优选的，所述第二齿轮与连杆为固定连接结构，连接接触面采用槽道卡扣连接或者点焊方式。
优选的，产生δqc的制冷量与步进电机的调节角度θ1之间的关系为：
其中hpb为节流后背压为pb时对应饱和气相焓值，hp1为节流前压力为p1时对应的饱和液相焓值，s为轴套的螺距，第一齿轮和第二齿轮的直径分别为d1和d2，第一齿轮旋转角度为θ1，f(l)表示流通截面积s关于顶锥位移l的关系式，g(s)流体流量关于流通截面积s的关系式。
优选的，所述套管一端与所述轴套固定连接，所述套管外径大于所述轴套外径，所述套管内径均大于所述轴套的内径；所述套管另一端与所述流体排出管固定连接，套管内径等于流体排出管内径。
优选的，所述套管与所述轴套连接段内径大于与所述流体排出管连接段内径；所述节流件与所述套管固定连接，且节流件中心轴线与所述套管中心轴线垂直，并与被固定的节流顶锥的侧面相对应。优选的，所述套管与所述轴套、连杆、顶锥、以及流体排出管中心轴线重合。
优选的，所述流体排出管连接蒸发器，所述蒸发器下部为液体贮存区，外部热载连接于所述蒸发器下部。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了流体节流制冷机构，相对于制冷机等制冷方法而言，具有结构简单，易于操作的优势。
(2)本发明提供了流体节流制冷量可调机构，即通过步进式电机，将电信号转换为角位移使流体流通面积发生改变，从而改变节流制冷量。
(3)本发明通过设置齿轮副，实现了传动比的调节，可以根据实际需要选择齿轮以及齿轮传动比，更改传动比例，传动比例控制灵活。
附图说明
图1为本发明的步进式低温液体节流开度控制装置示意图；
图2为本发明开度控制装置与冷却装置结合的实施例结构示意图。
其中1为滚珠轴承；2为电机转子；3为电机定子；4为绕组线圈；5为转轴；6为齿轮a；7为齿轮副壳体；8为齿轮b；9为轴套10为连杆；11为节流件；12为节流顶锥；13为套管；14为流体排出管；15为低温截止阀；16为进液管路；17为蒸发器；18为液体区；19为外部热载。
具体实施方式
本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，参见图1，主要由步进式电动机(ⅰ)、齿轮副配合结构(ⅱ)以及流体节流结构(ⅲ)组成；
所述步进式电动机(ⅰ)主要包括调节滚动轴承1、电机转子2、电机定子3、绕组线圈4及转轴5；所述齿轮副配合结构(ⅱ)固定连接于所述步进式电动机(ⅰ)和流体节流结构(ⅲ)之间，其主要包括齿轮a6、齿轮b8和齿轮副壳体7。所述齿轮a6固定连接于所述步进式电动机(ⅰ)的转轴5上，所述齿轮b8固定连接于所述步流体节流结构(ⅲ)的连杆10上。
所述流体节流结构(ⅲ)主要包括轴套9、连杆10、节流件11、节流顶锥12、套管13以及流体排出管14。所述轴套9与连杆10螺纹连接，所述连杆10与节流顶锥12固定连接，所述套管13与节流件11、轴套9以及流体排出管14分别固定连接。
所述齿轮a6与转轴5为固定连接结构，连接接触面可采用槽道卡扣连接或者点焊方式。所述齿轮a6和齿轮b8位于齿轮副壳体7内，其特征在于齿轮a6和齿轮b8为齿轮配合传动机构。
所述齿轮a6和齿轮b8其直径尺寸及直径比非固定值，具体尺寸可根据实际需要传动比而设计。齿轮a6和齿轮b8的直径分别为d1和d2，旋转角度分别为θ1和θ2，则两者之间的关系为d1θ1＝d2θ2，齿轮b8与连杆10的旋转角度相同。轴套9的螺距为s，则连杆10的旋转引起轴套9和顶锥12的轴向位移为
所述齿轮b8与连杆10为固定连接结构，连接接触面可采用槽道卡扣连接或者点焊方式。
根据本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，其中，所述轴套9与所述连杆10为螺纹配合连接结构，所述轴套9与所述节流顶锥12固定连接。
根据本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，其中，所述套管13一端与所述轴套9固定连接，所述套管13外径、内径均大于所述轴套9的外径、内径；所述套管13另一端与所述流体排出管14固定连接，套管13内径等于流体排出管14内径。
根据本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，其中，所述套管13可分两段，与所述轴套9连接段内径大于与所述流体排出管14连接段内径；所述节流件11与所述套管13管段固定连接，且节流件11中心轴线与所述套管13中心轴线垂直，并与被固定的节流顶锥12圆柱体的侧面相对应。
根据本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，其中，所述套管13与所述轴套9、连杆10、顶锥12、以及流体排出管14中心轴线重合。
根据本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，其中，所述节流顶锥12底部呈圆柱体，所述圆柱体的高度不小于所述套管13侧壁的节流件11所在管路的内径。
根据本发明的步进式低温液体节流开度控制装置，其中，所述流体排出管14连接于套管13并朝向节流顶锥12锥头的一侧。
本发明在实际工作时，低温流体通过节流件11所在的管路进入节流件，通过膨胀阀后产生节流制冷效应，节流后产生的气液两相流依次进入套管13和排出管14。当步进式电机接收到脉冲电信号时，能够产生相应的角位移驱动转轴5转动，同时带动与转轴5固定连接的齿轮a6旋转，通过齿轮a6与齿轮b8之间的齿轮啮合传动，引起齿轮b8按一定比例转动相应的角度，至此由电脉冲信号引起步进式电机的角位移通过齿轮副在步进电机(ⅰ)与流体节流结构(ⅲ)之间传递完毕。当齿轮b8与连杆10有一定角位移后，连杆10在与轴套9组成的螺纹副结构中轴向移动，带动节流顶锥12一起轴向运动，从而使顶锥12侧壁锥面与套管13之间所形成的环形空腔界面发生改变，使进入管道的流体流量产生变化，进而对节流制冷量的大小产生影响。
影响节流制冷量的因素有节流前后流体的压力、温度及节流过程中流体的流量大小，节流前后流体的能量状态可通过其焓值h表现，节流制冷量计算公式为
δqc＝δm*q＝δm*(hpb-hp1)
其中q为单位质量节流制冷量，δm为微元流体质量，hpb为节流后背压为pb时对应饱和气相焓值，hp1为节流前压力为p1时对应的饱和液相焓值，δqc为δm质量流体所产生的节流制冷量。节流流量q通过电机转轴5转动所引起的节流顶锥12的轴向位移进行条件，顶锥位移l与流通截面积s(顶锥与通道之间形成环形截面积)之间的关系可表示为：s＝f(l)，而流体流量与流通截面积之间的关系可表示为δm＝g(s)，因此产生δqc的制冷量与步进电机的调节角度θ1之间的关系为：
实施例1
如图2所示，本发明的步进式低温液体节流开度控制装置具体应用可以是一种基于本发明低温液体节流开度控制装置的液体节流制冷量控制与冷却装置，所述的液体节流制冷量控制与冷却装置除包括本发明外，还包括低温截止阀15、进液管路16、蒸发器17、节流后液体贮存区18以及外部热载19。所述进液管路16连接于节流件11外侧，所述低温截止阀15位于进液管路16侧面，并与进液管路16垂直，所述蒸发器17连接于所述流体排出管14后部，所述节流后液体贮存区18位于所述蒸发器17内部，具体地，由于重力影响，其位于所述蒸发器17下部；所述外部热载19连接于所述蒸发器17下部。低温液体可以选择液氮，蒸发器17上部通常为气态氮气。
本实施例中，低温截止阀门位于进液管侧面，为实现低温流体在管道内良好流动并不外露，可在低温阀门与进液管接触面采用低温密封结构；同理，在所述轴套9与所述连杆10连接处，可在连杆10与齿轮b8接触一侧的光滑部分采用低温密封结构。
本实施例中的蒸发器与外部热载之间应具有良好接触，从而可在外部热载与蒸发器之间进行高效换热，因此外部热载与蒸发器之间可采用高导热率材料连接，或采用结构特别设计高效换热器进行连接。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。