具有氣體軸承的自由活塞低溫制冷機的溫度控制制造技術

一低溫制冷機具有二種操作模式，因此可擴大其操作范圍，其氣體軸承系統維持在一操作狀態及其可采用活塞行程調節來提高能量利用效率。當指令活塞行程超過最小行程時，一活塞行程調節器便調節該活塞行程及當指令活塞行程少于最小行程時，則維持最小行程。當指令活塞行程少于最小活塞行程時，一加熱器便施加加熱器功率到熱負荷。使用一閉合環路反饋控制系統，其動態支線具有兩分支。一分支控制所述的低溫制冷機的調節，而該第二平行分支控制所述的加熱器的調節。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術大體上涉及低溫冷凍系統，其具有一自由活塞，提升熱量的熱泵并且其由氣體軸承潤滑，及更具體地說，涉及一改進的閉合環路控制系統，該系統控制溫度并在一寬的熱負荷應用范圍內保持氣體軸承的有效工作而使能量利用效率提高，為控制冷卻能力而調節活塞行程。
技術介紹
多年來，能夠冷卻至低溫溫度的冷凍系統的應用及使用途正在不斷擴展。因此，設計人員均設法為這類系統改善性能及提高能量利用效率及降低成本。一主要類型的低溫冷凍系統采用一具有一自由活塞的壓縮機。這些包括斯特林及脈沖管自由活塞低溫制冷機。該自由活塞在氣缸中往復運動并不受一常規曲柄及連桿接連的約束。該活塞由多種類型原動機中的一種驅動作往復運動，諸如一線性電動機。這些自由活塞制低溫冷機的優點是該自由活塞的行程通常能夠由一閉合環路負反饋控制系統可控性地調節，以便把由低溫制冷機施加的冷卻能力調制成這樣的功，即把熱量從冷端上被冷卻的熱負荷的低溫度提升至熱端上的室溫。由一自由活塞制低溫冷機輸出的冷卻能力是該自由活塞行程的一項遞增函數。因此，該低溫制冷機的控制系統能通過控制活塞行程來控制該熱負荷的溫度以在一冷卻能力需求范圍內增加或減少該冷卻能力，術語”冷卻能力需求”亦稱為熱負荷?；钊谐淌峭ㄟ^控制驅動該自由活塞的行程和向原動機輸出的功率來控制。由于向原動機輸出的功率可以隨需求的冷卻能力改變而增減，以便輸出冷卻能力等于需求的冷卻能力，即要求冷卻能力保持所需的輸入溫度，故而可使能量使用效率達至最大。Wu等人的美國專利第5,535,593號揭示了這樣一種低溫制冷機。一斯特林循環低溫制冷機的冷指尖溫度是通過一閉合環路控制系統控制，其隨低溫制冷機溫度變化調節該壓縮機活塞的行程。自由活塞低溫制冷機中所用的工作氣體的純度對該低溫制冷機操作性能是關鍵性的。因此，不會用一般的石油潤滑劑因為它們會污染該工作氣體。取而代之，使用氣體軸承系統，其使部分工作氣體通過面間相對滑動的部件之間的空間作循環，諸如活塞外表面與氣缸表面之間，一換置器與該氣缸之間或一換置器扦與該活塞之間。該氣體通過將一力施加在使不接觸的兩表面移動的界面上起一液態潤滑劑作用。不幸的是，一氣體軸承系統要求一足以維持其效率的最少氣體流動率。通過該氣體軸承系統的氣體流動率是一活塞行程的遞增函數。所以是對這類制冷機產生一最小活塞行程約束。因此，現有技術的低溫制冷機控制系統須要設計成把它們的操作范圍限制在氣體軸承效率所要的最小活塞行程與一避免損壞該低溫制冷機的最大活塞行程之間輸出的冷卻能力。如果此類低溫制冷機遇上熱負荷對冷卻能力的需求小于在最小活塞行程下輸出的冷卻能力的操作條件，則冷指尖溫度將不會維持在所要求的設定的溫度，而會偏移至較冷溫度。最重要的操作條件之一是該低溫制冷機操作時的周圍環境的溫度。周圍溫度會既影響該熱負荷中的傳熱率，諸如通過其周邊的絕熱來傳導，也影響由該低溫制冷機至周圍環境所排出的傳熱率。雖然以上對活塞行程的限制并不是一問題，但如果該操作條件限制于一較窄的范圍內，則如果可以預期操作條件，諸如周圍溫度在一較寬的范圍內，其包括一些冷卻能力的要求比在最小活塞行程時通過熱泵輸送的冷卻能力小的條件，它們便會成為一個問題。再者，把一低溫制冷機設計成只能在一較窄的操作條件范圍內操作，便限制可使用該低溫制冷機的多個應用。因此，本專利技術的一個目的在于提供一低溫制冷機，其包括原動機及控制系統，并能夠以一小于在其最小活塞行程時輸送的冷卻能力的冷卻能力下操作，而其活塞行程仍保持在適合的氣體軸承潤滑所需要的最小行程以及熱負荷的溫度保持在設定點的溫度。本專利技術的另一目的在于提供一低溫制冷系統，其可利用活塞行程調節的能量效率及還能夠在一較大的冷卻能力需求范圍內操作，因此還可在一較寬的操作條件范圍內，例如在一寬的周圍溫度諸如由-40℃至+70℃，以及由于相同原因可應用于一較廣泛的使用和用途。
技術實現思路
本專利技術是一種自由活塞低溫制冷機，其有二種操作和控制模式的閉合環路控制系統。對于冷卻能力需求來說，其要求活塞行程超過最小活塞行程，這是保持氣體軸承系統合適的操作所必需的，故而冷卻能力應當按照一冷卻物質所傳感的溫度與指令輸出或者設定點溫度之間的差的遞增函數由調節活塞行程來控制。但是，對于輸出冷卻能力需求而言，其要求一活塞行程小于最小活塞行程，該活塞行程要維持在最小行程及將由一加熱器加熱的熱能施加于被冷卻的物質上，最好按照在最小行程時通過該低溫制冷機施加于該物質的冷卻能力與實際冷卻能力需求之間差別的遞增函數來保持活塞行程。因此，本專利技術的低溫制冷機有一活塞行程調節器，其與驅動該活塞的原動機連接及當所要求的活塞行程超過其最小行程時，調節該活塞行程，并且當所要求的行程小于該最小行程時，維持該最小行程。該低溫制冷機還有一加熱器及一加熱器調節器，當所要求的活塞行程小于該最小行程時，其控制該加熱器的功率。為了此目的，使用一閉合環路反饋控制系統，其動態支線具有兩分支。一分支控制該低溫制冷機的調節，而該第二，平行分支控制該加熱器的調節。附圖說明圖1為本專利技術的簡化方框圖。圖2為一曲線圖，圖中所示為活塞行程和冷卻能力之間的關系及本專利技術的較佳實施例操作。圖3為一本專利技術的一計算機微處理器執行程序的方框圖。圖4為本專利技術的一較佳實施例的較詳細的方框圖。在描述附圖中所示的本專利技術的較佳的實施例中，為求清晰，將借助于專門術語。然而，這并非有意將本專利技術限制于所選的具體術語并且應當理解為每一具體術語包括所有技術上的等同物，其以類似的方式操作以達成類似的目的。例如，可以使用”連接的”或”連接到”。它們并不限于直接連接，還包括通過其他元件的連接，其中本領域的技術人員把這樣的連接認為是等同的。具體實施例方式圖1所示為本專利技術的裝置的基本組件及圖2為一曲線圖，其所示為本專利技術的實施例的操作。圖1所示為一閉合環路負反饋系統，其有一動態支線，一反饋一代表實際冷端溫度的溫度信號的反饋支線4，一產生一代表在冷端感應到的實際溫度T與一以一指令輸入8代表的所要求溫度T*之間的差別的動作信號的集結節點6。如上所述的這些組件是一常規閉合環路控制系統的基本組件。本專利技術的動態支線或控制單位有兩分支。該動態支線的第一分支包括該受控制系統，其通常包括一自由活塞熱泵10，一驅動該熱泵的活塞的原動機12及一由熱泵10冷卻的熱負荷14。這第一分支亦有一控制元件，其包括一組件16，以提供一輸送功能將在其輸入18的動作信號轉換成在其輸出20的一活塞驅動信號Xp。該變數Xp代表一指令活塞行程。該動態支線的第一分支還包括一第二組件，其是一限制器22。圖2中所示為該限制器22的操作。在圖2中，Xpmin是活塞驅動信號，其在最小行程時驅動該活塞以求適當的氣體軸承操作及提供冷卻能力A。在圖2中，Xpmax是活塞驅動信號，其在最大行程時驅動該活塞以避免損害熱泵及提供冷卻能力C。每當該驅動信號的幅度或數值大于該活塞驅動信號Xpmin及小于該驅動信號Xpmax時，該限制器22把活塞驅動信號Xp施加到該原動機12。如果該活塞驅動信號Xp小于該最小行程驅動信號Xpmin時(冷卻能力小于圖2中的A)，該限制器把Xpmin施加到該原動機。如果該活塞驅動信號大于Xpmax時(冷卻能力大于圖2中的C)，該限制器把Xpmax施加到該原動機。總之，該限制器用一常規本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種由一自由活塞低溫制冷機冷卻的物質的溫度的控制方法，其特征在于所述的方法包括以下步驟：（ａ）對于輸出冷卻能力要求一活塞行程超過一已選最小活塞行程來說，控制所述的低溫制冷機的輸出冷卻能力是通過按照感應到物質溫度和一指令參考輸入溫度之 間的差別的遞增函數調節活塞行程；以及（ｂ）對于輸出冷卻能力需求要求一活塞行程小于一已選最小活塞行程來說，則維持最小行程及將熱能施加給所述的物質。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：DE肯特，ES霍利達，
申請(專利權)人：圣波爾股份有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]