一种单活塞调相的脉管制冷机系统及其减振方法

本发明属于回热式低温制冷机领域，具体是涉及一种采用同轴布置的单活塞型调相机构和主动减振机构的脉管制冷机系统。

背景技术：

红外技术、低温电子器件、超导技术等对低温制冷机的需求日益增大，小型低温制冷机具有高效、紧凑的特点而备受关注。

脉管制冷机是回热式小型低温制冷机领域重要的分支，其需要通过调相机构调节质量流和压力波的相位关系，调相机构有小孔-气库型、双向进气型、惯性管型、活塞型等。活塞型调相机构具有调相范围广、调相角度精确的优点，但采用活塞型调相由于多压缩机与脉管冷指的耦合机构复杂，整机体积重量大，难以工程化应用。

超导量子干涉仪等敏感器件的冷却对低温制冷机的振动提出了严苛的要求，脉管冷指的微小振动输出也将干扰敏感器件的正常工作。

技术实现要素：

针对上述问题和需求，本发明的目的是提供一种单活塞调相的脉管制冷机系统及其减振方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单活塞调相的脉管制冷机系统，包括驱动机构、脉管制冷机冷指、活塞型调相机构、主动减振机构和数据采集和控制系统，其特征在于，包括：所述脉管制冷机冷指包括回热器和脉管；所述活塞型调相机构包括活塞体、活塞气缸体、支撑机构和工作腔，活塞体位于活塞气缸体中，并与支撑机构相连，所述活塞型调相机构中的活塞体与活塞气缸体之间为间隙密封，形成工作腔。

所述主动减振机构包括平衡活塞体和驱动机构，所述主动减振机构的平衡活塞体与驱动机构相连接；所述数据采集和控制系统包括位移传感器；

所述带有同轴部件的脉管制冷机系统其特征在于驱动机构与脉管制冷机冷指连接，脉管制冷机冷指与活塞型调相机构的工作腔连通，且活塞型调相机构的活塞体与脉管制冷机冷指同轴布置，通过调节脉管制冷机冷指内压力波和质量流的相位进而调节脉管制冷机的制冷量；所述主动减振机构与脉管冷指同轴布置，数据采集和控制系统采集调相机构活塞体的振幅和相位。

驱动机构通过连管连接脉管制冷机冷指，或不经连管直接与脉管冷指耦合。所述活塞型调相机构的支撑机构包括板弹簧或螺旋弹簧支撑。

所述活塞型调相机构的活塞体可采用直线电机或其他机构驱动实现主动调相。

所述数据采集与控制系统包括位移传感器和控制系统，位移传感器用于采集调相机构活塞体的振幅和位移相位。

一种基于权利要求1所述的同轴布置的单活塞调相脉管制冷机系统的减振方法，其特征在于：所述数据采集和控制系统通过采集调相机构活塞体的位移波和控制主动减振机构中的驱动机构，使平衡活塞体运动方向与调相活塞体运动方向相反，以减小冷指振动输出。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

(1)单活塞型调相机构调相范围广，调相角度精确，有利于提高脉管制冷机效率；

(2)单活塞型调相机构与脉管制冷机冷指耦合布置，整机简单紧凑，方便与被冷却器件负载耦合应用；

(3)数据采集和控制系统可通过减振驱动机构驱动平衡活塞体，控制平衡活塞体与调相机构活塞体运动方向相反，抑制脉管冷指振动。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图

图2为本发明实施例2的结构示意图

图中标号示意如下：1为主驱动机构，2为脉管制冷机冷指，2-1为脉冲管，2-2为回热器，3为单活塞调相机构，3-1为调相活塞体，3-2为气缸体，3-3为活塞支撑机构，3-4为工作腔，3-5为调相活塞体驱动机构，4为主动减振机构，4-1主动减振活塞体，4-2主动减振活塞驱动机构，5为数据采集与控制系统，5-1为位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种同轴布置的气动单活塞调相脉管制冷机及其主动减振机构，包括主驱动机构1，脉管制冷机冷指2，气动单活塞调相机构3，主动减振机构4和数据采集与控制系统5。其中脉管冷指包含脉冲管2-1和回热器2-2，气动单活塞调相机构3包含活塞体3-1、气缸体3-2、活塞支撑机构3-3和工作腔3-4，主动减振机构4包含平衡活塞体4-1、驱动机构4-2，数据采集与控制系统5包含位移传感器5-1。

其中主驱动机构1可为直线电机或热声机等驱动活塞往复运动的机构，主驱动机构与脉管冷指热端相连接，并在其驱动下工作腔3-4的体积不断变化。活塞支撑机构3-3可为板弹簧活塞或螺旋支撑弹簧，支撑机构3-3支撑活塞体3-1不断往复运动。

通过数据采集与控制系统5的位移传感器5-1可实时采集活塞体3-1的位移波，进而数据采集与控制系统5可输出电信号至主动减振驱动机构4-2，使平衡活塞体4-1运动相位与3-1相反，可减小脉管制冷机冷指振动输出。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种同轴布置的主动调相型脉管制冷机及其主动减振机构，包括第一驱动机构1，脉管制冷机冷指2，主动调相机构3，主动减振机构4和数据采集与控制系统5。其中脉管冷指包含脉冲管2-1和回热器2-2，单活塞调相机构3包含活塞体3-1、气缸体3-2、工作腔3-4和主动调相活塞驱动机构3-5，主动减振机构4包含平衡活塞体4-1、平衡活塞体驱动机构4-2，数据采集与控制系统5包含位移传感器5-1。

其中主驱动机构1和主动调相活塞驱动机构3-5可为直线电机或热声机等驱动活塞往复运动的机构，主驱动机构与脉管冷指热端相连接。主动调相活塞驱动机构3-5可控制活塞体3-1运动，实现主动调节脉管内质量流与压力波的相位关系。

当主驱动机构1和主动调相活塞驱动机构3-5均为直线电机时，可对其分别施加不同相位角的电流，可改变压缩机和调相机构的相位差，调节脉管制冷机制冷量。

通过数据采集与控制系统5的位移传感器5-1可实时采集活塞体3-1的位移波，进而数据采集与控制系统5可输出电信号至主动减振驱动机构4-2，使平衡活塞体4-1运动相位与3-1相反，减小脉管制冷机冷指振动输出。

最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.一种单活塞调相的脉管制冷机系统，包括驱动机构(1)、脉管制冷机冷指(2)、活塞型调相机构(3)、主动减振机构(4)和数据采集和控制系统(5)，其特征在于，

所述脉管制冷机冷指(2)包括回热器(2-1)和脉管(2-2)；

所述活塞型调相机构(3)包括活塞体(3-1)、活塞气缸体(3-2)、支撑机构(3-3)和工作腔(3-4)，所述活塞型调相机构(3)中的活塞体(3-1)位于活塞气缸体(3-2)中，并与支撑机构(3-3)相连，所述活塞体(3-1)与活塞气缸体(3-2)形成工作腔(3-4)；

所述主动减振机构(4)包括平衡活塞体(4-1)和驱动机构(4-2)，平衡活塞体(4-1)与驱动机构(4-2)连接；

所述数据采集和控制系统(5)包括位移传感器(5-1)；

所述的驱动机构(1)与脉管制冷机冷指(2)连接，脉管制冷机冷指(2)与活塞型调相机构的工作腔(3-4)连通，且活塞型调相机构(3)的活塞体(3-1)与脉管制冷机冷指(2)同轴布置，通过调节脉管制冷机冷指(2)内压力波和质量流的相位进而调节脉管制冷机的制冷量；所述主动减振机构(4)与脉管冷指(2)同轴布置，数据采集和控制系统(5)采集调相机构活塞体(3-1)的振幅和相位。

2.根据权利要求1所述的一种单活塞调相的脉管制冷机系统，其特征在于：所述的驱动机构(1)通过连管连接脉管制冷机冷指(2)，或不经连管直接与脉管冷指(2)耦合。

3.根据权利要求1所述的一种单活塞调相的脉管制冷机系统，其特征在于：所述活塞型调相机构(3)的支撑机构(3-3)包括板弹簧或螺旋弹簧支撑。

4.根据权利要求1所述的一种单活塞调相的脉管制冷机系统，其特征在于：所述活塞型调相机构(3)的活塞体(3-1)采用直线电机或其他机构驱动实现主动调相。

5.根据权利要求1所述的一种单活塞调相的脉管制冷机系统，其特征在于：所述活塞型调相机构(3)中的活塞体(3-1)与活塞气缸体(3-2)之间为间隙密封。

6.根据权利要求1所述的一种单活塞调相的脉管制冷机系统，其特征在于：所述数据采集与控制系统(5)包括位移传感器(5-1)和控制系统，位移传感器(5-1)用于采集调相机构活塞体(3-1)的振幅和位移相位。

7.一种基于权利要求1所述一种单活塞调相的脉管制冷机系统的减振方法，其特征在于方法如下：

所述数据采集和控制系统(5)通过采集调相机构活塞体(3-1)的位移波和控制主动减振机构(4)中的驱动机构(4-2)，使平衡活塞体(4-1)运动方向与调相活塞体(3-1)运动方向相反，以减小冷指(2)振动。

技术总结
本发明公开了一种单活塞调相的脉管制冷机系统及其减振方法。脉管制冷机的冷指与活塞型调相机构连接且活塞型调相机构的活塞体与脉管冷指同轴布置，通过调节脉管冷端压力波和质量流的相位进而调节冷指的制冷量，活塞型调相机构可增加驱动机构控制调相活塞体运动。主动减振机构与脉管冷指同轴布置，数据采集和控制系统可通过控制主动减振机构的驱动机构使平衡活塞体移动方向与调相机构的活塞体运动方向相反。本发明实现脉管制冷机跨温区精准相位调控，提高制冷效率，并减小脉管制冷机冷指的振动输出。

技术研发人员：吴亦农;刘少帅;惠贺军;蒋珍华;丁磊;黄政;殷旺;曲晓萍;杨宝玉;陆志;项汉桢;宋键镗
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2021.04.13
技术公布日：2021.07.06