壓縮機與冷頭匹配裝置、脈管制冷機和匹配方法與流程
2023-05-16 06:00:06 1
本發明屬於脈管制冷機技術領域，特別涉及壓縮機與冷頭匹配裝置、脈管制冷機和匹配方法。
背景技術：
脈管制冷機作為低溫制冷機的一種，其冷端無運動部件，低溫下具有高效與高可靠性的特點以及在抗電磁幹擾、降低振動和長壽命方面具有的明顯優勢使得其應用越來越廣泛。壓縮機作為脈管制冷機能量輸入的源頭，尤其是線性壓縮機的對外聲功輸出不僅與自身輸入的電功率有關也取決於負載的阻抗特性。如果壓縮機與脈管制冷機冷頭之間未達到最佳的匹配，壓縮機輸出的聲功會大大降低，從而導致整機性能惡化。
壓縮機1與脈管制冷機冷頭5的匹配主要通過傳輸管實現，如圖1所示。通過改變傳輸管2長度或直徑進而改變脈管制冷機冷頭5與壓縮機1之間連接段的空體積可以改變壓縮機1與脈管制冷機冷頭5的匹配狀態。由於壓縮機1的出口直徑是固定的，改變傳輸管2長度與改變傳輸管2直直徑相比更易於操作。當脈管制冷機冷頭5的設計參數與壓縮機1不能很好匹配時需要較長的傳輸管2。浙江大學製冷與低溫研究所在設計大功率脈管制冷機的過程中曾使用長度超過1m的傳輸管，整機高度達到2m以上。傳輸管長度的增加使得脈管制冷機的整體高度變高，佔用空間增大，安裝調試困難，同時重心升高使得整機的安全性下降。
為了解決上述問題，申請號為201610054685.7的專利文獻公開了通過改變與慣性管相連的波紋管型氣庫的體積來實現整機的阻抗匹配。但波紋管氣庫更多的是通過影響脈管制冷機冷頭的相位特性，降低回熱器的損失來達到提升整機性能的目的。波紋管氣庫並不能有效改善壓縮機與脈管制冷機冷頭匹配特性。
技術實現要素：
本發明提出了一種壓縮機與冷頭匹配裝置，體積小，方便調節，使壓縮機與脈管制冷機冷頭達到最佳匹配狀態。
一種壓縮機與冷頭匹配裝置，包括連接壓縮機與冷頭的傳輸管，還包括安裝在傳輸管側壁上控制壓縮機工作狀態的並聯氣庫。
通過設置安裝在傳輸管側壁上的並聯氣庫，來實現壓縮機的調節匹配，有效提高調節範圍，使脈管制冷機結構更緊湊。
優選的，所述並聯氣庫為活塞型、固定體積型、環形、組合體積型或波紋管型。其中，活塞型、組合體積型和波紋管型為可調體積型，在脈管制冷機設計研究階段，所述並聯氣庫以活塞式的可調體積型為優選，通過活塞的前後移動可以改變壓縮機與冷頭之間的空體積，進而改變壓縮機與脈管制冷機冷頭之間的匹配狀態，從而實現壓縮機的高效輸出以及整機效率的提升。在脈管制冷機產品化階段，並聯氣庫以固定體積型為優選，並聯氣庫的體積可依據活塞式可調體積型的最佳體積設計。所述固定體積型並聯氣庫不局限於圓柱形，可以採用環形即使用環形圓管盤繞在傳輸管側面以減小整機體積。
為了使結構更緊湊，優選的，所述並聯氣庫設有多個，沿所述傳輸管的周向均勻分布。
為了使結構更緊湊，優選的，所述並聯氣庫為環形結構，盤繞在所述傳輸管的外周。進一步優選的，氣庫採用為環形圓管結構。
優選的，所述並聯氣庫通過連接管與所述傳輸管的側壁連通。所述的連接管用於連接並聯氣庫和傳輸管。連接管與傳輸管通過焊接、螺紋、法蘭等形式相連接。優選的，連接管的有效過流面積以大於並聯氣庫截面積的1/4，連接管的長度應儘可能短，以減小連接管帶來的損失。所述並聯氣庫與連接管通過焊接、螺紋、法蘭等形式相連接。
本發明還提供了包括壓縮機、傳輸管和冷頭，還包括安裝在傳輸管側壁上的並聯氣庫。所述並聯氣庫與傳輸管連通以起到調節作用。
本發明還提供了一種壓縮機與脈管制冷機冷頭匹配方法，使用上述的壓縮機與脈管制冷機冷頭匹配裝置，包括以下步驟：
(1)測量壓縮機的活塞振幅、壓縮機運行頻率、壓縮機的壓縮腔壓力以及壓縮腔、傳輸管並聯氣庫的整體和級後冷卻器的溫度；
(2)設定所需的壓縮機的活塞表面相角和回熱器熱端相角；
(3)根據步驟(1)和(2)的參數，計算得到所需的傳輸管與並聯氣庫的總體積；
(4)根據步驟(3)的計算結果調整並聯氣庫到所需值。
根據j.l.martin和c.m.martin提出在壓縮機和膨脹機之間增加一段空體積，通過合理選擇空體積的大小可以滿足對質量流量、壓力振幅、壓縮機活塞行程和共振頻率的要求。這個空體積相當於一個阻抗匹配元件可以使得壓縮機工作在最優狀態。
壓縮機活塞表面質量流量的計算公式如下：
其中：p0為充氣壓力，r為氣體常數，tco為壓縮腔氣體平均溫度，為瞬時壓縮氣體體積。
使用向量法對脈管制冷機中的質量流進行分析，對於一定的空體積v，其產生的質量流在壓力波垂直方向增量的計算公式如下：
其中：為壓力的時間導數，t為空體積內部平均溫度。
對於脈管制冷機，可通過脈管熱端的調相機構調節使回熱器熱端質量流量與壓力波處於較優的相角傳輸管與可調體積型並聯氣庫的總體積為vtr，此時：
其中，vco為壓縮腔體積，ttr為傳輸管與可調體積型並聯氣庫內的平均溫度，va為級後冷卻器有效空體積，ta為級後冷卻器平均溫度，θ為壓縮機活塞表面質量流與壓力波相角。vcp為壓縮機最大壓氣體積。
vcp＝2πfxaa(4)
其中：f為壓縮機運行頻率，xa為壓縮機活塞運行振幅，a為壓縮機活塞面積。
對於脈管制冷機在不同的並聯氣庫體積下穩定運行時，tco、ttr、ta變化可忽略，則由上式可知：
θ＝f(vtr)(5)
即壓縮機活塞表面相角是傳輸管與並聯氣庫總體積的單值函數。因此可通過改變並聯氣庫的體積改變壓縮機活塞表面質量流量與壓力波相角，從而使壓縮機工作在一個高效的狀態。
在具體計算並聯氣庫體積時，通過布置傳感器測量活塞振幅，壓縮機運行頻率，壓縮腔壓力，壓縮腔、傳輸管與並聯氣庫的整體、級後冷卻器的溫度，相角的值可通過sage，deltaec等模擬軟體得到。
最後由公式(5)算出最佳並聯氣庫的體積。
然而由於在脈管制冷機開機後的降溫過程中，壓縮腔壓力以及上述幾個部件的溫度都處於變化過程中，因此最佳並聯氣庫體積也在發生變化，通過在降溫過程中動態調節並聯氣庫體積可以使得壓縮機與冷頭始終處於最佳的匹配狀態。同時當進行冷頭參數設計及調試的過程中，回熱器熱端相角可能發生變化。此時可以通過公式(3)調節並聯氣庫體積使得壓縮機與冷頭處於最佳匹配。
本發明的有益效果：
(1)並聯氣庫安裝在傳輸管的側面，整體結構更加緊湊，減少脈管制冷機空間佔用。
(2)並聯氣庫安裝在傳輸管的側面，減少了傳輸管的長度，降低了整機安裝高度和重心，方便脈管制冷機冷頭的安裝，同時降低了因整機重心過高而發生側翻的可能性，提高了整機的安全性。
附圖說明
圖1為現有技術的脈管制冷機的結構示意圖。
圖2為實施例1的脈管制冷機的結構示意圖。
圖3為實施例2的脈管制冷機的結構示意圖。
圖4為實施例2與現有技術的脈管制冷機製冷效果的對比圖。
圖5為實施例3的環形並聯氣庫結構示意圖。
圖6為實施例3的環形並聯氣庫結構示意圖的俯視圖。
標號說明：1、壓縮機，2、傳輸管，3、可調體積型並聯氣庫，4、連接管，5、脈管制冷機冷頭，6、固定體積型並聯氣庫，7、環型並聯氣庫。
具體實施方式
結合附圖，以下對本發明的結構原理進一步詳細描述。
實施例1
如圖2所示，本實施例的壓縮機與脈管制冷機冷頭匹配裝置包括連接壓縮機1和冷頭5的傳輸管2，安裝在傳輸管2側邊的可調體積型並聯氣庫3以及連接傳輸管2和可調體積型並聯氣庫3的連接管4。
可調體積型並聯氣庫3採用活塞型，連接管4用於連接傳輸管2和可調體積型並聯氣庫3。連接管4與傳輸管2通過焊接、螺紋、法蘭等形式相連。連接管4與可調體積型並聯氣庫3側面通過焊接、螺紋、法蘭等形式相連。連接管4的有效過流面積以大於並聯氣庫截面積的1/4，連接管4的長度應儘可能短，以減小連接管4帶來的損失。
在帶有本實施例的匹配裝置的脈管制冷機運行過程中，根據充氣壓力，壓縮機運行頻率，壓縮腔、傳輸管及並聯氣庫、級後冷卻器的平均溫度變化，通過實時改變可調體積型並聯氣庫3的體積，可使得壓縮機一直處於最優的工作狀態。
j.l.martin和c.m.martin提出在壓縮機和膨脹機之間增加一段空體積，通過合理選擇空體積的大小可以滿足對質量流量、壓力振幅、壓縮機活塞行程和共振頻率的要求。這個空體積相當於容抗元件可以使得壓縮機工作在最優狀態。最佳空體積的具體計算方式如下：
壓縮機活塞表面瞬時質量流量
其中：p0為充氣壓力，r為氣體常數，tco為壓縮腔氣體平均溫度，為瞬時壓縮氣體體積。
使用向量法對脈管制冷機中的質量流進行分析，對於一定的空體積v，其產生的質量流在壓力波垂直方向增量為：
其中：為壓力的時間導數，t為空體積內部平均溫度。
對於脈管制冷機，可通過脈管熱端的調相機構調節使回熱器熱端質量流量與壓力波處於較優的相角傳輸管與可調體積型並聯氣庫的總體積為vtr，此時：
其中，vco為壓縮腔體積，ttr為傳輸管與可調體積型並聯氣庫內的平均溫度，va為級後冷卻器有效空體積，ta為級後冷卻器平均溫度，θ為壓縮機活塞表面質量流與壓力波相角。vcp為壓縮機最大壓氣體積。
vcp＝2πfxaa(4)
其中：f為壓縮機運行頻率，xa為壓縮機活塞運行振幅，a為壓縮機活塞面積。
對於脈管制冷機在不同的並聯氣庫體積下穩定運行時，tco、ttt、ta變化可忽略，則由上式可知：θ＝f(vtr)(5)。
綜上所述，壓縮機1的活塞表面相角是傳輸管2與可調體積型並聯氣庫3總體積的單值函數。因此可通過改變可調體積型並聯氣庫3的體積改變壓縮機1的活塞表面質量流量與壓力波相角，從而使壓縮機1工作在一個高效的狀態。在實際計算可調體積型並聯氣庫3的體積時，通過布置傳感器測量活塞振幅，壓縮機運行頻率，壓縮腔壓力，壓縮腔、傳輸管及並聯氣庫的整體、級後冷卻器的溫度，相角的值可通過sage，deltaec等模擬軟體得到。
最後由公式(5)算出最佳的可調體積型並聯氣庫3的體積並對應調節。
由於在脈管制冷機開機後的降溫過程中，壓縮腔壓力以及上述幾個部件的溫度都處於變化過程中，因此最佳的並聯氣庫體積也在發生變化，通過在降溫過程中動態調節可調體積型並聯氣庫3可以使得壓縮機1與冷頭5始終處於最佳的匹配狀態。同時當進行冷頭5參數設計及調試的過程中，回熱器熱端相角可能發生變化。此時可以通過公式(3)調節並聯氣庫體積使得壓縮機與冷頭處於最佳匹配。
實施例2
本實施例中，除了並聯氣庫為固定體積型並聯氣庫6外，其餘結構與實施例1相同。
使用如圖3的固定體積型並聯氣庫6，是對實施例1中可調體積型並聯氣庫3的一種補充。可調體積型並聯氣庫3用於脈管制冷機設計研究階段。當得到最佳的並聯氣庫體積後，可安裝圖3中的固定體積型並聯氣庫6，用於脈管制冷機產品化階段。
如圖4所示，在脈管制冷機的充氣壓力、運行頻率以及除傳輸管以外的其他結構部件不變的情況下，使用與傳統方式的傳輸管具有相同體積的固定體積型並聯氣庫6，進行不同功率下的脈管制冷機最低製冷溫度實驗。實驗結果表明兩者在不同功率下的最低溫度差異最大僅為1.26％。可以說明並聯氣庫的方式與通過改變傳輸管長度的現有技術相比，具有相同的改變壓縮機與脈管制冷機冷頭匹配的能力。
實施例3
本實施例中，除了並聯氣庫為環型並聯氣庫7外，其餘結構與實施例2相同。
使用如圖5和圖6中的環型並聯氣庫7是對實施例2中並聯氣庫6的一種改進。當壓縮機與脈管制冷機冷頭達到最佳匹配狀態時，所需的並聯氣庫體積過大，實施例2中採用的並聯氣庫6佔用的空間過大。此時可採用環型並聯氣庫7充分利用傳輸管外側的空間，從而達到整機結構緊湊，減少脈管制冷機空間佔用的目的。