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驱动自由活塞伽马型斯特林热泵的动态频率调谐的制作方法

1.本发明涉及用于运行伽马(gamma)自由活塞斯特林机器的方法和装置，特别是伽马自由活塞斯特林冷却器，诸如用作热泵以冷却超低温冷冻机。本发明的一个目的是当模式适合于现有温度状况时通过最小化电功率消耗来最大化冷冻机的能量效率。本发明的第二个目的是当模式是由于现有温度状况所需要时通过最大化热量冷却功率来最大化冷冻机温度可以减少到其设定点温度的速率。

背景技术：

2.使用斯特林循环自由活塞冷却器的冷冻机不仅是最不破坏环境的超低温(ult)冷冻机，而且它们也是性能最好及运营成本最低的。ult冷冻机通常将其储存室温度维持在负80℃和负90℃之间的温度范围内。大学、医院和药品制造商以及经销商使用这些冷冻机来储存生物样本，诸如疫苗。
3.最简单的自由活塞斯特林冷却器是冷冻机中常用的贝塔(beta)型配置。贝塔配置的主要和必要的移动部件是活塞、置换器和平衡器。活塞和置换器在气缸中往复运动，并且施加到活塞和置换器的弹簧力创建机械谐振系统，该机械谐振系统在其谐振频率处或谐振频率附近运行。活塞的往复运动引起容纳贝塔自由活塞斯特林冷却器的外壳的振动。平衡器的目的是去除外壳的过度振动，以最小化减少噪声传播。通过首先调整置换器的共振频率直到其运动具有优选的在活塞之前的置换相位超前量，来最佳地调谐贝塔型斯特林机。一旦达到了这一点，就必须调谐平衡器。因为平衡器一般是无阻尼的簧载质量，所以它具有高q(储存能量/耗散能量)，结果是需要非常精确的调谐以便获得最佳性能。这种调谐通常在期望的振荡固有频率赫兹的几分之一范围内，这在实践方式中很难实现。当前的做法是通过添加或减去质量来调谐平衡器，直到外壳振动小于最大允许水平。可能建议其自身的方法是改变机器的运行频率，直到达到最小外壳振动。这种方法具有的问题在于它将更改置换器运动与活塞运动的相位关系，并且减少机器在最小外壳振动点处的性能。因此，期望消除对调谐的需要以及还避免对平衡器的需要，并且仍然具有可接受的小振动水平。
4.图1是相对简化的图解图示，其包括安装成使冷冻机的储存室制冷的伽马自由活塞斯特林冷却器。这种配置的冷冻机在现有技术中是已知的，并且如图1所示的基本部件也适用于本发明的实施例。自由活塞斯特林机，也称为自由活塞斯特林发动机，在包括伽马配置的自由活塞斯特林机的现有技术中是众所周知的。通过向用于产生往复输出以驱动机械负载的机器的一个部件施加热量，它们可以作为马达运行。它们也可以由诸如线性电动马达的往复驱动器驱动，以将热量从“冷头”传送到更暖的物质，诸如环境大气。在后者的机能中，它们也被称为热泵。术语“斯特林冷却器”用于指代被设计为并且旨在将热量从其冷头泵送或移动到更高温度物质的斯特林机。
5.由于斯特林冷却器和使用斯特林冷却器的冷冻机在现有技术中是众所周知的，因此此说明为概述。参考图1，伽马自由活塞斯特林冷却器10安装在具有储存室14的制冷装置中，诸如冷冻机12，并且配置成将热量从储存室14通过其冷头15移动到环境大气。储存室14
具有通道门17，用于插入和取出储存在储存室14中的样本。斯特林冷却器10具有置换器16和两个活塞18和20。活塞18和20处于相对布置，这理想地消除了由于活塞的相反运动方向的所有振动。置换器16通过连杆22连接到平面弹簧24。密封在外壳26中的工作气体还用作向活塞施加弹簧力的弹簧，因此整个冷却器10机械地共振。虽然置换器运动是不平衡的，但置换器为低质量，因此它对外壳振动的贡献很小并且通常是可以接受的。活塞由ac线性电动马达28以相对的往复方式驱动，因此原本导致外壳26振动的力将相互抵消。由交变电功率源30提供的交变电压和电流以运行频率驱动马达28。电功率源30由包括数字处理电路和计算机组件的电子控制系统32控制。至少由储存室温度传感器34和其他传感器36感测到的运行参数被提供给控制系统32。现有技术的控制系统根据其储存的控制算法并基于其输入感测到的运行参数的可控地改变功率源30的电压振幅。
6.图2是图示活塞18和20和置换器16的运动并且显示这些运动之间的相对相位的相量图。置换器16在活塞运动之前约45
°
至65
°
往复。活塞18和20从时间角度看彼此同相运行，虽然活塞18和20从空间角度看是相对的。由于图2的相量图显示了运动的时域关系，所以两个活塞18和20的运动显示为重叠，但是与置换器16的运动为相同的滞后相位关系。外壳26的运动与置换器16的运动相反。因为置换器16为低质量以及整个机器的其余部分为相当大的质量，所以产生的外壳运动很小并且在大多数实际情况下重要性可以忽略不计。
7.现有技术的斯特林冷却器以机器的机械共振频率或机械共振频率附近的单一、恒定的运行频率运行。由用于泵送热量的斯特林冷却器传送的热量冷却功率是活塞振幅的递增函数。活塞振幅是施加到ac线性电动马达28的ac电压的递增函数。现有技术通过调制用于控制储存室14中的温度施加到线性电动马达28的电压来调制热量冷却功率。本发明的实施例包括运行模式，有时该运行模式调制用于控制储存室14中的温度施加到线性电动马达28的电压。为此目的，负反馈控制系统32具有感测到的储存室温度的输入和储存的设定点温度。控制系统32通过调制交变电功率源30的电压来调制热量冷却功率，以便根据众所周知的负反馈控制原理将储存室14的温度维持在设定点温度附近的范围内。为了传送最大冷却功率，现有技术以斯特林冷却器的单一运行频率以其最大振幅极限运行斯特林冷却器。
8.为了自由活塞斯特林冷却器有效地运行，置换器的周期往复应以约45
°
至65
°
范围内的角度超前于活塞的周期往复。置换器超前的角度是斯特林冷却器的运行频率与斯特林冷却器的机械共振频率(共振曲线的峰值)的关系的函数。因为现有技术的斯特林冷却器以单一运行频率运行，以便置换器相位超前量处于上述范围内的可接受角度处，当以单一运行频率被驱动时斯特林冷却器必须被调谐到允许其在可接受的相位超前量处运行的机械频率。
9.表现得像弹簧一样的斯特林机的机械共振频率是其每个往复部件的质量和其机械弹簧的有效弹簧常数及其工作气体的函数。有时制造的零件质量会变化，或者弹簧常数和感测到的置换器相位会不在选取的可接受范围内。如果零件不在可接受范围内，现有技术的制造商会机械地调谐置换器，因此其具有与活塞的可接受相位关系。在观察相对于活塞运动的置换器运动时，对置换器进行调谐以得到最佳的整体性能。最佳性能意味着提供最少能量输入以维持给定冷却温度的相位超前量。
10.这种调谐过程需要拆卸机器以从置换器添加或减去质量，然后重新组装以测试其运行并感测其置换器的相位超前量。对于正在制造的每个冷冻机，此程序可以重复多次直
到检测到的相位角在可接受范围内。因此，此程序显然是相当劳动密集的。此程序的成本和难度不仅增加了冷冻机的成本，而且还要求相位超前量必须是可接受的，即可接受地接近但仍然不同于对于不同的冷却器运行模式将是最佳的相位超前角。必须接受的运行状况是特定的斯特林冷却器可以到达的最佳能量效率和可以到达的最大热量冷却功率之间的折衷。例如，50℃和60℃之间的相位超前量可以被视为合理的折衷。在调谐斯特林冷却器以获得那样范围内的任何位置的置换器相位超前量之后，现有技术的斯特林冷却器随后被驱动并且在其剩余的使用寿命中仅以其单一标准运行频率运行。
11.然而，期望同时实现三个改进：(1)消除过度振动和对平衡器的需要；(2)通过消除以前述方式调谐斯特林机的需要来减少制造成本；(3)以两种不同的且优化的运行模式中的任一种运行斯特林冷却器，一种模式用于最大能量效率以及另一种模式用于最大热量冷却功率，而不是以基于折衷的模式接受和运行斯特林冷却器。

技术实现要素：

12.本发明利用伽马自由活塞斯特林冷却器冷却ult冷冻机，并利用具有可控可变频率的ac功率源驱动其线性电动马达，该线性电动马达使活塞往复运动。最佳频率检测方法当斯特林冷却器维持固定热量负载时检测电动马达的电功率消耗最小化处的马达运行频率。最佳频率检测方法还检测斯特林冷却器的输出热量冷却功率最大化处的不同的马达运行频率。当感测每个步骤(1)维持冷冻机中的稳定温度所需的功率输入或(2)感测由斯特林冷却器提供以减少冷冻机内温度的热量冷却功率时，通过应用以小步长改变运行频率的优化算法来检测最佳频率。
13.本发明还具有模式检测例程，用于检测适合的冷冻机运行是电功率最小化模式或者是热量冷却功率最大化模式。该检测基于冷冻机中的当前热量状况。当冷冻机的储存室足够冷以致稳态运行是适合的时，以检测到的稳态最小电功率消耗频率驱动斯特林冷却器的活塞以节省电功率。当冷冻机的储存室过暖或可能变得过暖时，以检测到的较低的最大热量冷却功率频率驱动斯特林冷却器的活塞，以最小化冷冻机冷却到其设定点温度的时间。
14.本发明至少带来以下改进：(1)将可观的稳态功率消耗最小化；(2)将门打开或其他大量热量输入之后的温度恢复速率最小化；(3)制造商不再需要在昂贵且耗时的运行中单独地调谐每个斯特林冷却器机器。
附图说明
15.图1是由伽马自由活塞斯特林冷却器冷却的冷冻机的示意图和图解。
16.图2是图示现有技术伽马斯特林发动机中活塞和置换器相位关系和运动的相量图。
17.图3是以相对高度简化的水平图示实践本发明中使用的步骤的流程图。
18.图4是与图2类似的相量图，但图示了根据本发明运行的伽马自由活塞斯特林冷却器中的活塞和置换器的相位关系和运动。
19.图5是图示输入到电动马达的电功率根据马达驱动频率的变化的曲线图，电动马达驱动根据本发明运行的斯特林冷却器。
20.图6是图示来自伽马自由活塞斯特林冷却器的热量冷却功率根据马达驱动频率的变化(“移动”)的曲线图，伽马自由活塞斯特林冷却器由根据本发明的电动马达驱动。
21.图7是图示体现本发明的装置及其运行的示例的框图。
22.图8是图示根据本发明的用于为稳态最小马达输入功率运行模式出最佳频率的例程的实施方式的流程图。
23.图9是图示根据本发明的用于为最大热量冷却功率运行模式出最佳频率的例程的实施的流程图。
24.在描述附图中图示的本发明的优选实施例时，为了清楚起见将采取特定的术语。然而，本发明并不意在限于如此选取的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式运行以实现类似目的的所有技术等同物。
具体实施方式
25.概述
26.本发明消除了在斯特林冷却器制造期间对斯特林冷却器进行机械调谐的需要。在现有技术中已经进行了这种调谐，以致斯特林冷却器可以通过将其调谐为折衷的运行模式而以单一运行频率运行。利用贝塔斯特林冷却器时以单一频率运行冷却器是必须的，因为它需要振动平衡器，振动平衡器是具有高q(非常尖锐的谐振峰值)的谐振设备，因此必须将其驱动到非常接近其谐振频率以得到可接受的性能。由于伽马斯特林冷却器不需要振动平衡器，所以其运行频率的关键性减少。伽马斯特林冷却器允许施加到电动马达的驱动频率有一些变化。伽马斯特林冷却器的使用允许以输入到电动马达的电功率为最小处的频率或者以斯特林冷却器的热量冷却功率为最大处的相对低的频率利用可变频率、交变电流(ac)、功率源来驱动冷却器的电动马达。可变频率、ac功率源，有时称为变频驱动器(vfd)，本质上是具有电子可变频率的振荡器电路并且可以传送足够的功率以驱动电动马达。这样的功率源在商业上可用于驱动旋转电动马达。
27.由于消除了振动平衡器使得频率变得不太重要，本发明的运行基于以下观察：斯特林冷却器(1)当以高上现有技术频率的略高运行频率被驱动时以最小功率输入运行，现有技术频率是输入功率效率和冷却功率之间的折衷，以及(2)当以略低于现有技术频率的较低运行频率被驱动时在最大热量功率下运行。原因是改变频率会改变在活塞之前的置换器的相位超前量。改变置换器的相位超前量会改变伽马斯特林冷却器的输入电功率和热量冷却功率。运行频率和置换器相位超前量对于最小电功率输入和对于最大热量冷却功率是不同的。图4是显示相位关系的示例的相量图。本发明基于冷冻机中的热量状况出最小电功率输入或最大热量冷却功率并且然后以最小电功率输入或最大热量冷却功率运行斯特林冷却器。
28.图5和图6是图示本发明的原理应用于根据本发明驱动的伽马自由活塞斯特林冷却器的曲线图。图5图示了输入电功率和置换器相位超前量根据频率变化的示例。它还显示了在近似61.2hz的运行频率处的最小输入功率。图6图示了热量冷却功率和置换器相位超前量根据频率变化的示例。它还显示了在近似59.8hz的运行频率处的最大热量冷却功率。虽然与本发明或者与对本发明的理解无关，但是如果相位和频率是在相同状况下获得的，那么相位相对于频率的曲线图将与图5和图6中是相同的。状况包括活塞振幅、冷头温度和
热交换器对环境大气的温度。图5是在约90瓦的热量冷却功率处获得的，其接近于商用冷冻机在-80℃处的稳态热量冷却功率。图6是商用冷冻机在接近-80℃附近的最大热量冷却功率的状况下获得的。然而，最大冷却功率的最佳采样频率是冷冻机温度的函数，以致最佳运行频率会随着冷冻机冷却而变化。类似地，在接近最大活塞振幅处相位相对于频率的曲线在不同温度下将是不同的。但是通过重复地检测最佳频率，本发明重复地使最大热量冷却功率的最佳频率适合于不同的冷冻机温度和不同的设定点温度。
29.本发明提供了用于检测运行频率的最佳频率检测方法，在该运行频率处斯特林冷却器可以在稳态温度维持模式下运行。在稳态模式期间，即，当热量负载变得稳定时，输入到冷却器的电动马达的电功率理想地处于最小值，以便提供最大效率。本发明还提供了用于检测运行频率的最佳频率检测方法，在该运行频率下斯特林冷却器可以在恢复最大热量冷却功率模式下运行。在恢复模式期间，斯特林冷却器的热量冷却功率理想地最大化，以便最小化其冷冻机要被冷却到其设定点温度所需的时间。
30.用于出提供最小功率消耗的最佳稳态运行频率的方法和用于出提供最大热量冷却功率的最佳恢复运行频率的方法都包括感测或采样例程，该例程包括跨越选取的频率范围改变交变电压和电流功率源30的频率。为了出最佳稳态模式运行频率，当维持稳定的冷冻机温度时在频率范围内的多个驱动频率处感测传送到电动马达中的电功率。然后以感测到输入给电动马达的最小感测电功率处的运行频率驱动电动马达。为了出最佳恢复模式运行频率，在选取的频率范围内的多个驱动频率处感测由斯特林冷却器传送的热量冷却功率，然后以最大感测热量冷却功率处的运行频率驱动电动马达。
31.优选地，跨越频率范围的驱动频率是紧密间隔的离散采样频率，每个采样频率提供电功率样本或热量冷却功率样本。
32.用于出最佳稳态运行频率的方法和用于出最佳恢复模式运行频率的方法都可以在冷冻机的制造期间、在完成的冷冻机的使用寿命期间或在这两者期间执行。
33.当在工厂车间的制造期间执行检测最佳频率时，将两个检测到的最佳频率储存在控制器存储器中。编程控制例程以在与选取的运行模式相关联的储存的频率处运行冷冻机。因为最佳频率将基于设定点温度(因为置换器共振随膨胀空间温度而变化)，所以需要在冷冻机设计要运行的设定点温度范围上检测最佳频率的集合。储存的最佳频率及其相关联的设定点温度(其表示冷冻机温度相对于最佳频率的曲线)储存在控制固件中，从控制固件中可以恢复适合于冷冻机的当前运行设定点温度的最佳频率。
34.用于检测最佳频率的方法也可以在冷冻机的使用寿命中其正常使用的日常运行期间动态地执行。执行用于检测最佳频率的方法的控制例程被编程到控制器的控制例程中，并且通过处理器按时钟连续不断地运行或定期地运行。
35.通过根据本发明的方法检测最佳频率而无论该方法是在制造期间执行或者是在冷冻机使用期间动态地执行，以上述方式的斯特林冷却器的现有技术机械调谐是不必要的并且因此可以避免。现有技术的调谐是必要的，因为斯特林冷却器的机械参数的变化是机械零件变化的结果，诸如活塞质量和弹簧常数。零件的变化导致斯特林冷却器的运行参数的变化，诸如其谐振频率。斯特林冷却器的运行参数的那些变化意味着，当制造的每个斯特林冷却器全部以相同的单一运行频率运行时可能具有显著不同的冷却特性。例如，在一个运行频率处冷却器可以具有非常不同的效率或性能系数以及显著不同的热量冷却功率。本
发明的方法通过检测每个特定斯特林冷却器的最佳频率来补偿制造的零件中的那些变化。然后，每个制造的斯特林冷却器以其自身的两个最佳频率中的一个或另一个运行。通常，每个冷冻机的最佳频率的集合与在相同生产线上由具有相同标称规格的组成零件制造的其他斯特林冷却机的最佳频率不同。
36.本发明的方法还包括模式检测方法，用于感测冷冻机的一个或多个运行参数，并由感测到的参数检测斯特林冷却器是可以以稳态最小功率消耗模式运行或者是应该以恢复最大热量冷却功率模式运行。如果当前优选运行模式与当前运行模式不同，则由控制器将运行模式切换到优选模式。否则不是这样。稳态最小功率输入模式的最佳频率大于最大热量冷却功率恢复模式的最佳频率。因此，从一种模式切换到另一种模式包括增加或减少电动马达驱动的ac频率的步骤。
37.图3是图示在使用冷冻机的斯特林冷却器、电动马达、控制器和温度传感器的冷冻机的日常运行中实践本发明的基本步骤的简化流程图。紧跟着的描述是对本发明的主要概念的概述并且随后是更详细的解释。
38.第一步骤是检测运行模式的模式检测例程，其中斯特林冷却器应被运行为对感测到的冷冻机的热量状况的适当响应。与本发明相关联的两种模式是稳态、温度维持模式和最大热量冷却功率恢复模式。一般而言，如果冷冻机温度在高于和低于设定点温度延伸的选取的温度范围内，并且没有感测到其他指示或预测冷冻机储存室显著变暖的事件或数据，则稳态、温度维持模式是适合的。同样一般而言，如果冷冻机温度高于选取的温度或者检测到预测冷冻机储存室显著变暖的数据，则最大热量冷却功率模式是适合的。例如，储存室门17的打开或其打开至少一段时间(诸如两分钟)是热量状况事件(因为它预测由于温暖的环境空气的涌入使得冷冻机显著变暖)，并且可以是用于启动最大热量冷却功率恢复模式。
39.在检测适合运行模式的过程之后，以上面简要描述并且随后更详细讨论的方式出检测到的模式的最佳频率。通过跨越选取的频率范围递增地扫描交变电功率源30的频率来出最佳频率。在频率范围内的多个感测频率处，感测由电动马达吸收的电功率以出最佳稳态频率。类似地，在选取的频率范围内的频率处，感测由斯特林冷却器提供的热量冷却功率以出最佳恢复模式频率。在出最佳频率之后，以适合运行模式的最佳频率驱动电动马达。
40.感测输入到电动马达的功率
41.执行本发明的方法需要在多个驱动频率处感测输入到驱动活塞18和20的电动马达28的电功率，以便出造成在稳态温度状况下电功率输入的最小值的频率。现有技术给出了用于测量电功率并且提供以模拟或数字形式表示感测到的功率值的输出的电路和技术的许多示例。由于马达端子是可触及的，所以可以将传统的功率感测电路连接到这些端子。这种电路感测电压、电流和功率因数并向控制器32提供数字或模拟输出。
42.感测热量冷却功率
43.执行本发明的方法还需要在多个驱动频率处感测由斯特林冷却器施加的用于将热量转移出冷冻机的热量冷却功率，以便出造成热量冷却功率的最大值的频率。热量冷却功率是热能转移速率；即，通过伽马自由活塞斯特林冷却器将热能转移出冷冻机储存柜并且最终远离制冷装置的时间速率。它可以以多种单位表示，诸如瓦特、卡路里每分钟、btu
每小时(btu/h)、焦耳每秒(1瓦特＝1焦耳每秒)。
44.由于本发明的方法包括检测热量冷却功率为最大值或最小值处的频率，所以不需要感测可以以一些特定常规单位表示的热量冷却功率的值。只需要感测相对冷却功率；即，每个采样频率处的冷却功率相对于其他采样频率处的冷却功率。为此，只需要感测当热量冷却功率增加时增加并且当热功率减小时减小的参数。在更数学的术语中，只需要感测是热量冷却功率的递增函数的参数。如本文所使用的，感测热量冷却功率的步骤包括感测相对冷却功率；即，感测是热量冷却功率的递增函数的参数。
45.为了本发明的目的感测热量冷却功率的特定实施方式的示例是感测冷冻机柜中温度改变的时间速率。冷冻机的控制器32连接到温度传感器34并且为了多种目的监测储存室的温度。由此，控制器可以通过将不同时间处感测到的两个感测温度之间的温度差除以它们之间的时间间隔来检测温度改变的时间速率。替代地或附加地，可以类似地通过感测制冷回路的部件的温度来检测热量冷却功率，诸如沿着储存室的壁延伸并热连接到冷头15的制冷剂容纳管。
46.在制造期间感测斯特林冷却器的热量冷却功率的实施方式的示例是将斯特林冷却器的冷头15热连接到热量负载并测量由热量负载消耗的功率，以便维持恒定温度。例如，可以将电启动的电阻加热器热耦合到斯特林冷却器的冷头。利用该布置，为了将冷头15维持在恒定温度而提供给加热器的电功率等于斯特林冷却器的热量冷却功率。因此可以通过测量提供给加热器的电功率来进行热量冷却功率的直接测量。
47.检测适合的运行模式
48.执行本发明的方法需要模式检测例程，其中冷冻机的控制器检测哪种运行模式适合于感测到的冷冻机的热量状况。必须检测适合的模式，因为本发明的实施例不是基于性能折衷在单一频率处运行，而是通过冷冻机的热量状况在两种模式之间来回切换。存在两种运行模式。
49.稳态模式是温度维持模式。当储存室没有经受到过度变暖时，这是长期储存的一般运行模式。例如，如果(1)储存室处于包括设定点温度的温度容限范围内，或者(2)储存室温度改变的变暖速率小于温度改变速率极限，或两者兼有，则稳态模式是适合的。在稳态模式中，施加的马达电压以及因此的活塞振幅由控制器以与现有技术中实践的相同方式进行调制，以维持设定点温度。在此稳态模式下，不需要斯特林冷却器的全部热量冷却功率，因此期望在提供最低功率输入的频率处运行斯特林冷却器，最低功率输入与维持稳态设定点温度相称。在该运行频率下，调制活塞振幅以维持设定点温度。
50.当需要最大冷却功率时恢复模式是适合的，因为储存室已经或将要经受热量输入，该热量输入超过通过围绕储存室的绝缘柜从冷冻机的周围环境输入的正常热量。恢复模式以最大热量冷却功率运行斯特林冷却器；即，以其将热量转移出储存室的最大能力。如果在稳态模式下的运行失效或可能失效，则需要恢复模式以将储存室中的温度维持在选取的温度极限或设定点以下。在恢复模式中，期望以最大热量冷却功率运行斯特林冷却器，以便尽快地将储存室温度返回到设定点温度。
51.检测哪种运行模式是适合的一种方式是感测储存室的内部温度并将感测到的温度与储存的温度极限进行比较。如果感测到的温度高于储存的温度极限，则应启动或继续恢复模式，如果感测到的温度低于储存的温度极限或设定点，则可以启动或继续稳态模式。
为了完成上述事情，可以储存设定点温度和感测到的温度之间的选取的温度差并且随后与感测到的温度进行比较，而不是使用储存的温度极限。
52.检测哪种运行模式是适合的另一种方式是以间隔的时间间隙感测储存室的内部温度并计算温度改变的时间速率。如果温度以大于选取的改变速率的改变时间速率变暖，则可以启动恢复模式。感测足够高的温度增加速率可以预测稳态模式下的运行将不能维持储存室中的设定点温度。
53.检测是否需要恢复模式的又一种方式是感测储存室的通道门17已经打开或者已经打开至少一些选取的最小时间间隙。通道门由用户不时地打开，以便从储存室14储存或取出样本。如果通道门被打开并维持打开两分钟，则冷冻机可能需要接近1.5小时来恢复到其设定点温度。通过感测通道门被打开来启动恢复模式运行是可选的，并且可以不理会(二者or(或))检测是否需要恢复模式的温度感测方式。
54.通过控制逻辑可以使用并且可以组合检测适合的运行模式的多种方式，包括通过and(与)和or逻辑布尔运算组合它们。
55.检测最佳频率
56.如先前所描述的，执行本发明的方法包括最佳频率检测例程，用于检测斯特林冷却器可以在最佳模式下运行的运行频率。在一个检测到的最佳运行频率下的一种模式是稳态、温度维持模式。在不同的检测到的最佳运行频率下的另一种模式是提供最大热量冷却功率的恢复模式。用于出两个最佳频率的过程在许多方面是相似的，并且执行许多相同的感测例程步骤。这两个过程都包括跨越选取的频率范围改变驱动斯特林冷却器的交变电压和电流功率源的频率。两个过程都包括在选取频率范围内的多个驱动频率处感测要被优化的运行参数；也就是，输入到电动马达的功率或由斯特林冷却器传送的热量冷却功率。
57.在更详细地描述本发明的方法中，在每个频率处感测到的感测值被称为样本，并且感测它们的过程被称为采样。选取的频率范围内的频率被称为采样频率。运行频率是在特定时刻处由ac功率源30施加给电动马达的驱动频率，无论是否在采样例程期间。还使用了术语“标称频率”。如果冷却器的零件具有其设计的标称值，诸如活塞和置换器质量以及机械弹簧和工作气体的弹簧常数，冷却器的标称频率是在冷冻机的设计期间可以被计算为冷却器的近似最佳运行频率的运行频率。当然，所有制造的零件会偏离它们的标称设计值，但只要它们的实际值在设计容限范围内就可以使用。标称频率可以用作实践本发明的过程或例程的开始点。本发明然后通过检测实际的最佳运行频率来补偿与标称值的偏离。“标称频率”基于假设的可能运行点，有时被称为“设计点”。该设计点必须假设特定的暖侧温度和冷侧温度以及活塞振幅。因此，标称频率是折衷方案。在现有技术中，不改变运行频率，因此斯特林冷却器以非设计状况下的折衷状况运行。本发明补偿了与设计点不同的运行状况。
58.优选地，跨越频率范围的采样频率是间隔的离散频率。更具体地，通过以小离散频率增量改变施加给电动马达的电压和电流的运行频率以提供跨越选取频率范围的多个采样频率，来出最佳频率。在每个采样频率处，电功率输入或热量冷却功率的样本被感测到并储存在控制器中。然后，基于作为模式检测例程或方法的结果正在优化哪种模式，控制器中的编程例程检测并储存与输入给电动马达的最小感测电功率相关联的采样频率或者与最大感测热量冷却功率样本相关联的采样频率。
59.图5和图6图示了根据本发明运行的伽马斯特林冷却器的示例。在图5中，在近似
61.2hz的运行频率处有最小输入电功率。在图6中，在近似59.8hz的运行频率处有最大热量冷却功率。假设标称频率为60hz，则采样频率可以在谐振频率
±
2hz的采样范围内变化，因为该范围将延伸跨越最大峰值和最小反向峰值的整体。该范围包括最小电功率的频率和最大热量冷却功率的频率二者。采样频率之间的离散频率增量例如可以是0.2hz，或者对于本发明的一些实施例，可以是0.1hz或者甚至0.05hz。例如，对于图中图示的实施例，为了出最大热量冷却功率的频率，可以取得(即感测)样本的范围可以是从谐振频率
±
1hz，因为其包括最大值。总之，如果以不超过
±
2hz的频率范围和0.01hz到0.20hz的频率间隔进行采样，则认为采样将是有效的。
60.此外，在感测每个样本处的时间之间将存在时间间隙。在选择样本之间的时间时应考虑的两个因素是，在采样频率改变之后斯特林冷却器温度稳定的需要以及冷冻室温度表现出使温度传感器将改变其输出信号以记录不同温度的足够大温度改变的需要。由市售的温度传感器可以感测到的温度改变的示例为0.2℃和0.05℃。允许斯特林冷却器运行稳定并且稳定在与先前感测到的温度足够不同的温度处的稳定时间将是期望的稳定时间。期望的稳定时间的估计是18秒，但对于不同尺寸的冷冻机，有效估计的稳定时间将在5到30秒之间。
61.虽然不是必需的，但期望在采样时将活塞振幅维持在恒定振幅；即，当检测电动马达消耗最小电输入功率处的频率时以及当检测斯特林冷却器提供其最大热量冷却功率处的频率时。优选地，当执行最佳频率检测例程时，活塞振幅维持在驱动活塞的最近期振幅处。原因在于，在最佳频率检测例程的采样期间，由于活塞的共振频率与运行频率之间的改变差异，运行电压与活塞振幅之间的关系会发生改变。这种改变的关系可能造成活塞振幅增加或减少。当执行最佳频率检测例程时，这些改变可能扭曲感测到的参数并且造成不准确的和误解的数据。如果不维持活塞振幅，那么获得最佳置换器相位的方法仍然行得通，但是在每次频率改变之后可能需要更长的时间来稳定运行点。因此，在频率改变期间维持活塞振幅以实践最佳频率检测例程将是有益的。可用于维持活塞振幅的一种方法是使用由david m.berchowitz于2020年7月2日提交并且标题为具有自由活塞机的活塞振幅恢复的方法和控制系统的美国专利申请号16/919,689中公开的技术。
62.出位于曲线的最大值和最小值处的最佳值
63.因为感测到的马达输入功率数据和感测到的热量冷却功率数据当绘制为采样频率的函数时沿着图5和图6图示的峰值或反向峰值下降，所以峰值的最大值和最小值可以由控制器使用现有技术中已知的优化算法出。出最小电功率输入的一种简单方式是，随着频率在采样频率范围内前进，仅当每个感测到的功率样本小于先前感测到的样本时，才保存与其采样频率相关联的每个感测到的功率样本。由此，在感测到所有样本之后，最接近峰值最小值的样本将被保存。相同的技术适用于出最大热量冷却功率，除了仅当每个感测到的热量冷却功率样本大于先前感测到的样本时，才保存与其采样频率相关联的每个热量冷却功率样本。
64.存在可以由控制器的计算机执行的其他算法以出最大值或最小值。现有技术算法的另一个示例是newton-raphson(牛顿-拉夫逊)技术，该技术是基于识别具有最大值或最小值的变量曲线图的曲线来出根的方法，曲线在最大值和最小值处具有零斜率。曲线图的曲线的导数的根将是最大值或最小值。
65.代替跨越采样频率范围线性进行的最佳频率检测例程的采样过程，可以使用感测因变量(电功率输入或热量冷却功率)的改变方向的例程。然后，采样频率(自变量)在朝向因变量的最大值或最小值的方向上改变。如果最佳频率检测例程正在寻最小输入电功率，则在每次采样之后在产生电功率输入减少的方向上改变采样频率。如果最佳频率检测例程正在寻最大热量冷却功率，则在每次采样之后在产生热量冷却功率增加的方向上改变采样频率。通过跟随增加或减少的方向，当在被检测到的频率处增加与频率改变的相反方向相同时，其为最大或最小的频率。
66.在完成采样并出最小值或最大值处的频率之后，以最大值或最小值的运行频率驱动电动马达。更具体地，如果模式检测例程检测斯特林冷却器可以在稳态模式下运行，则以在最佳频率检测例程期间感测到的输入到电动马达的最小感测电功率的频率驱动电动马达。如果模式检测例程检测斯特林冷却器应在恢复模式下运行，则以在最佳频率检测例程期间感测到的最大感测热量冷却功率的频率驱动电动马达。
67.在控制器改变运行模式之后，继续重复最佳频率检测例程，因此可以更新当前存在的运行模式的最佳频率。由此，冷冻机继续以其当前运行模式的最佳频率运行。模式检测例程也继续重复直到它检测到应该改变运行模式。在检测到需要改变时，控制器改变运行模式并且过程继续和重复。
68.图7
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系统示例
69.图7图示了体现本发明的装置的示例。伽马斯特林冷却器10由控制器40控制，控制器40包括用于处理感测数据和运行数据处理例程的计算机，其执行本发明的方法以及也用于控制斯特林冷却器10的现有技术方法。控制器40控制驱动器42，驱动器42是为驱动电动马达28提供足够的功率、电压和电流的交变电压和电流的源。通过控制器40的输出驱动器42的输出电压的频率和振幅都是可控可变。
70.控制器40接收用于控制电动马达28的多个输入。其输入中的一个来自通道门传感器44，出于先前描述目的该通道门传感器44感测通道门17(图1)的打开。出于先前描述的目的其输入中的另一个是马达电功率传感器46。出于先前描述的目的，冷冻机温度传感器34将其温度数据施加给控制器40。
71.来自温度传感器34的温度也被施加给求和结点48。求和结点48的另一个输入是设定点温度输入50。求和结点48的输出是设定点温度和冷冻室的储存室14(图1)中的感测温度之间的差。根据先前描述的现有技术反馈控制原理，温度差被施加给控制器以在稳态模式下控制活塞振幅。来自求和结点48的温度差也被施加给由判定块52象征的模式检测例程。模式检测例程52根据检测到的模式启动最佳频率检测例程，该最佳频率检测例程是先前描述的恢复模式热量冷却功率最大化例程54或先前描述的电动马达功率最小化例程56。表示检测到的电动马达功率最小化或热量冷却功率最大化的最佳频率的数据被传输到控制器40。
72.活塞振幅传感器58或等效编程的活塞振幅感测例程将感测到的活塞振幅施加给求和结点60。设定点最大允许活塞振幅与感测到的活塞振幅相加，并且差被施加给求和结点60。如现有技术中已知的，目的是防止活塞振幅超过选取的最大振幅，超过该最大振幅将对斯特林冷却器造成碰撞损坏。从活塞振幅传感器58输出的活塞振幅也可以被施加给控制器40。
73.运行
74.如果在冷冻机的制造期间两种运行模式的两个最佳频率被检测到以及储存在控制器中并且随后不检测，则冷冻机的运行相对简单。在那种情况下，模式检测例程连续不断地重复，并且当检测到模式改变时，控制器将运行频率切换到所储存的运行应被切换到的模式的运行频率。
75.然而，在本发明的更先进的实施方式中，模式检测例程和最佳频率检测例程都在冷冻机的整个寿命期间重复。这些例程连同用于控制冷冻机的许多其他例程，在以通常方式重复的闭环中执行。在描述适用于本发明的控制例程的部分中，我们可以首先考虑当冷冻机最初交付并处于变暖状态时进入闭环。
76.在冷冻机在温暖状态的情况下，可以由斯特林冷却器的设计标称参数(诸如活塞和置换器质量以及平面弹簧和工作气体的弹簧常数)确定运行可以在标称频率处开始。替代地，可以在制造期间测试冷冻机，以出恢复最大冷却功率模式的最佳频率并在该频率下启动运行。
77.当冷冻机处于温暖温度并以初始运行频率运行时，模式检测例程将检测到需要恢复模式。由此，进行用于出最大热量冷却功率的频率的采样过程，以出恢复模式的最佳频率。然后将冷冻机运行改变为最近期检测到的最佳恢复模式频率。冷冻机冷却到其设定点温度可能需要几个小时，例如六个小时。在该时间期间，模式检测例程将连续不断地重复，随后进行用于出最大热量冷却功率的最佳频率的最佳频率检测例程。每次检测到不同的频率，运行频率改变为该频率。该重复一直继续直到冷冻机达到设定点温度或设定点温度附近的选取温度内。预计最大热量冷却功率的最佳运行频率将在该重复过程期间随着冷冻机冷却而多次改变。
78.前面的重复一直继续直到模式检测例程基于冷冻机中的温度检测到控制器应将运行改变为稳态模式。当模式检测例程检测到冷冻机已达到设定点温度或其一些范围以内时，诸如在设定点温度的5℃以内时，可以进行改变。
79.当运行被改变为稳态最小功率模式时，启动用于出稳态最小输入电功率的采样例程。然后连续不断地重复用于出稳态最小输入电功率的模式检测例程和采样例程。每当该采样例程检测到不同的最佳频率时，将运行频率改变为最当前检测到的最佳运行频率并且继续例程重复。
80.进行模式检测例程和最佳频率检测例程的紧接之前的重复一直继续，直到模式检测例程基于冷冻室中的温度或该温度的改变速率或冷冻室门被打开而检测到控制器应将运行改变为恢复模式。
81.然后控制器改变到恢复模式并且运行返回到重复采样以获得最大热量冷却功率的最佳频率，并且如上所描述的进行模式检测例程。在最初进入恢复模式时，频率最初改变为最近期检测到的最佳恢复模式频率。
82.图8和图9是流程图，图示用于出稳态最小马达输入功率模式(图8)的最佳频率和出最佳最大热量冷却功率模式(图9)的例程的更详细实施方式的示例。
83.参考编号表
84.10伽马自由活塞斯特林冷却器
85.12冷冻机
86.14储存室
87.15冷头
88.16置换器
89.17通道门
90.18和20活塞
91.22连杆
92.24平面弹簧
93.26外壳
94.28直线电动马达
95.30交变电功率源
96.32电子控制系统
97.34储存室温度传感器
98.36其他传感器。
99.40控制器
100.42电动马达驱动器
101.44通道门传感器
102.46马达功率传感器
103.48用于冷冻机温度/设定点的求和结点
104.50冷冻机温度设定点
105.52决策块
106.54恢复模式最大化例程
107.56电动马达功率最小化例程
108.58活塞振幅感测
109.60用于活塞振幅限制的求和结点
110.62最大活塞振幅设定点
111.结合附图的详细描述主要旨在作为对本发明当前优选实施例的描述，而不是旨在表示可以构造或利用本发明的唯一形式。说明结合所示实施例阐述了实施本发明的设计、功能、方式和方法。然而，应当理解，相同或等效的功能和特征可以通过也旨在包含在本发明的精神和范围内的不同实施例来实现，并且可以在不背离本发明或下列权利要求的范围的情况下采用各种修改。

技术特征：

1.一种有时在温度维持模式下并且有时在恢复模式下用于可控地运行伽马自由活塞斯特林冷却器的方法，所述斯特林冷却器具有置换器和至少两个活塞并且由线性电动马达往复驱动，所述马达由运行频率处的交变电压和电流驱动，所述方法包括：(a)通过具有可控可变驱动频率的交变电压和电流来驱动所述线性电动马达；(b)通过增加所述交变电压和电流的所述运行频率来减少所述线性电动马达的输入电功率以在温度维持模式下运行，从而减少在所述活塞之前的所述置换器的相位超前量；或者(c)通过减少所述交变电压和电流的所述运行频率来增加所述斯特林冷却器的热量冷却功率以在恢复模式下运行，从而增加在所述活塞之前的所述置换器的相位超前量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述伽马自由活塞斯特林冷却器连接在具有储存室的制冷装置中，所述储存室有通道门，所述斯特林冷却器配置为将热量从所述制冷装置的所述储存室移出，所述方法还包括：(a)感测所述储存室中的所述温度或者所述储存室中所述温度的改变时间速率或者所述通道门是否打开；以及(b)当感测到以下至少一项时，在所述温度维持模式下运行所述斯特林冷却器并且通过增加所述交变电压和电流的所述运行频率来减少所述线性电动马达的输入电功率，(1)感测到的所述温度比选取的冷极限更冷；或者(2)感测到的所述温度以小于选取的改变时间速率极限的改变时间速率减少；或者(c)当感测到以下至少一项时，在恢复模式下运行所述斯特林冷却器并且通过减少所述交变电压和电流的所述运行频率来增加所述斯特林冷却器的所述热量冷却功率，(1)感测到的所述温度比选取的暖温度极限更暖；或者(2)感测到的所述温度以超过选取的改变时间速率极限的改变时间速率增加，或者(3)所述通道门已打开。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：(a)当在所述温度维持模式下运行时，通过改变输入到所述电动马达的所述电压来调制活塞振幅以变化所述热量冷却功率，从而将所述储存室温度维持在设定点温度；以及(b)当在所述恢复模式下运行时，将所述活塞振幅维持在最大振幅处。4.根据权利要求3所述的方法，用于检测所述温度维持模式和所述恢复模式的最佳运行频率，所述方法还包括：(a)通过以下方式检测所述电动马达消耗最小电输入功率处的运行频率：(1)跨越选取的频率范围变化所述交变电压和电流的所述频率；(2)在所述频率范围内的多个驱动频率处感测传送到所述电动马达中的所述电功率；和(3)存储在输入到所述电动马达的最小感测电功率处感测到的所述运行频率；以及(b)通过以下方式检测所述斯特林冷却器运行在其最大热量冷却功率处的运行频率：(1)跨越选取的频率范围变化所述交变电压和电流的所述频率；(2)在所述选取的频率范围内的多个驱动频率处感测由所述斯特林冷却器传送的所述热量冷却功率；和(3)存储最大感测热量冷却功率的所述运行频率；以及
(c)当在所述温度维持模式下运行所述斯特林冷却器时，以输入到所述电动马达的所述最小感测电功率的所述运行频率驱动所述电动马达；以及(d)当在所述恢复模式下运行所述斯特林冷却器时，以所述最大感测热量冷却功率的所述运行频率驱动所述电动马达。5.根据权利要求4所述的方法，还包括：(a)以离散的频率增量变化施加给所述电动马达的所述电压和电流的所述运行频率，以跨越所述选取的频率范围提供多个采样频率；(b)有时在每个采样频率处感测输入到所述电动马达的电功率的样本，并且有时在每个采样频率处感测由所述斯特林冷却器传送的所述热量冷却功率的样本；以及(c)存储输入到所述电动马达的所述最小感测电功率的所述运行频率并且存储所述最大感测热量冷却功率的所述运行频率。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述选取的频率范围小于所述伽马自由活塞斯特林冷却器的机械标称频率附近
±
2hz，并且离散的所述增量小于0.2hz。7.根据权利要求6所述的方法，还包括(a)当检测所述电动马达消耗最小电输入功率处的运行频率时，维持恒定的往复运动的活塞振幅；以及(b)当检测所述斯特林冷却器运行在其最大热量冷却功率处的运行频率时，维持所述活塞的往复运动的所述振幅处于最大振幅。8.一种用于可控地变化伽马自由活塞斯特林冷却器的输入电功率的方法，所述伽马自由活塞斯特林冷却器具有置换器和至少两个活塞并由线性电动马达往复驱动，所述马达由运行频率处的交变电压和电流驱动，所述方法包括：(a)通过具有可控可变驱动频率的交变电压和电流来驱动所述线性电动马达；以及(b)通过增加所述交变电压和电流的所述运行频率来减少所述线性电动马达的输入电功率，从而减少在所述活塞之前的所述置换器的相位超前量。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述斯特林冷却器连接在具有储存室的制冷装置中并且配置为从所述储存室移动热量，所述方法还包括通过以下方式检测所述电动马达在稳态热量负载下消耗最小电输入功率处的运行频率：(a)跨越选取的频率范围变化所述交变电压和电流的所述频率；(b)在所述频率范围内的多个驱动频率处感测传送到所述电动马达中的所述电功率；和(c)以在稳态热量负载下感测到的输入到所述电动马达的最小感测电功率处的运行频率驱动所述电动马达。10.根据权利要求9所述的方法，还包括：(a)以离散的频率增量变化施加给所述电动马达的所述电压和电流的所述运行频率，以跨越所述选取的频率范围提供多个采样频率；(b)在每个采样频率处感测输入到所述电动马达的电功率的样本；以及(c)存储输入到所述电动马达的所述最小感测电功率的所述运行频率。11.根据权利要求10所述的方法，还包括当检测所述电动马达消耗最小电输入功率处的频率时维持恒定的往复运动的活塞振幅。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：(a)通过感测所述储存室中的所述温度并且计算感测到的所述温度是否高于选取的温度极限或者温度增加的改变时间速率是否超过选取的温度改变速率极限，来周期性地检测温度维持模式；以及(b)如果未超过所述极限，则通过变化输入到所述电动马达的所述电压以变化用于维持所述储存室的所述温度的热量冷却功率，来调制活塞振幅以将所述冷冻机温度维持在设定点温度。13.一种用于可控地变化伽马自由活塞斯特林冷却器的热量冷却功率的方法，所述伽马自由活塞斯特林冷却器具有置换器和至少两个活塞并由线性电动马达往复驱动，所述马达由运行频率处的交变电压和电流驱动，所述方法包括：(a)通过具有可控可变驱动频率的交变电压和电流来驱动所述线性电动马达；以及(b)通过减少所述交变电压和电流的所述运行频率来增加所述斯特林冷却器的所述热量冷却功率，从而增加在所述活塞之前的所述置换器的相位超前量。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述伽马自由活塞斯特林冷却器连接在具有储存室的制冷装置中并且配置为将热量从所述储存室移出，所述方法还包括通过以下方式检测所述斯特林冷却器运行在其最大热量冷却功率处的运行频率：(a)跨越选取的频率范围变化所述交变电压和电流的所述频率；(b)在所述选取的频率范围内的多个驱动频率处感测传送到所述斯特林机中的所述热量冷却功率；以及(c)以最大感测热量冷却功率的所述运行频率驱动所述电动马达。15.根据权利要求14所述的方法，还包括：(a)以离散的频率增量变化施加给所述电动马达的所述电压和电流的所述频率，以跨越所述选取的频率范围提供多个采样频率；(b)在每个采样频率处感测所述斯特林冷却器的热量冷却功率的样本；以及(c)存储最大感测热量冷却功率样本的所述运行频率。16.根据权利要求15所述的方法，还包括：(a)通过感测所述储存室中的所述温度并计算感测到的所述温度是否高于选取的温度极限或者温度增加的改变时间速率是否超过选取的温度改变速率极限，来周期性地检测恢复模式；和(b)如果未超过所述极限，则通过变化输入到所述电动马达的所述电压以变化用于维持所述储存室的所述温度的所述热量冷却功率，来调制活塞振幅以将所述冷冻机温度维持在设定点温度。17.一种改进的伽马自由活塞斯特林冷却器，具有置换器和至少两个活塞并配置为由线性电动马达往复驱动，所述马达由运行频率处的交变电压和电流驱动，所述改进包括：交变电压和电流的源，提供足够的功率、电压和电流并且连接在用于驱动所述电动马达的结构中，所述源具有可控可变频率。18.根据权利要求17所述的改进的伽马自由活塞斯特林冷却器，还包括：(a)冷冻机储存室，所述斯特林冷却器热连接到所述冷冻机储存室，并且所述冷冻机储存室配置为将热量从所述储存室移出；
(b)电功率感测电路，连接到所述线性电动马达，并且配置为感测输入到所述电动马达的所述电功率；(c)温度传感器，热连接到所述储存室，并且配置为感测所述储存室中的所述温度；以及(d)控制器，连接到所述温度传感器和所述电功率感测电路，并且配置为可控地变化施加给所述电动马达的所述交变电压的电压振幅和频率。

技术总结

在由线性电动马达驱动的伽马自由活塞斯特林冷却器中，检测消耗最小电功率的马达运行频率，并检测传送最大热量冷却功率的不同的马达运行频率。当感测(1)马达功率输入以维持稳定温度或(2)斯特林冷却器的热量冷却功率时，通过以小步长变化运行频率来检测频率。模式检测例程基于冷冻机中的当前热量状况检测适合的冷冻机运行是电功率最小化模式或者是热量冷却功率最大化模式。当冷冻机足够冷时，以最小电功率消耗频率驱动斯特林冷却器的活塞。当温度过暖或可能变得过暖时，以最大热量冷却功率频率驱动斯特林冷却器的活塞。率频率驱动斯特林冷却器的活塞。率频率驱动斯特林冷却器的活塞。