壓縮機與制冷機冷頭耦合用π型聲學匹配組件及制冷機的製作方法

2023-05-12 13:06:56

本發明屬於低溫制冷機技術領域，具體是涉及一種用於線性壓縮機與低溫制冷機冷頭耦合的π型聲學匹配組件及制冷機。

背景技術：

近年來，線性壓縮機驅動的回熱式低溫制冷機，特別是脈管制冷機，由於其冷端無運動部件，可望真正成為低成本、低振動、運行穩定可靠的長壽命低溫制冷機。隨著脈管制冷機結構的不斷改進，其製冷溫度不斷降低，製冷量和製冷效率也大幅提高，已在超導器件和紅外設備的冷卻，以及氣體液化等方面得到廣泛應用。

線性壓縮機與制冷機之間的阻抗匹配對於提高整機效率至關重要，目前大多研究集中於如何調節壓縮機或制冷機內部參數來實現二者之間的匹配，較少有人關注在兩者之間加入額外的匹配結構來實現。

2002年，J.L.Martin提出了空容積匹配法，即在壓縮機與制冷機冷頭之間串聯(或並聯)一個空體積。2010年，德國吉森大學在研究中通過在壓縮機出口與制冷機冷頭之間連接空管子來實現壓縮機運行頻率的降低，其實質就是利用了管子中的空容積解決壓縮機與制冷機冷頭之間的匹配關係。2013年，中科院理化所研究了大功率脈管制冷機冷頭與線性壓縮機之間空體積匹配的影響，發現存在最優空體積使得壓縮機效率最高。浙江大學則通過Sage模型計算了壓縮機與脈管制冷機冷頭之間空體積的影響。

如圖7所示，為現有的採用空體積匹配方法的制冷機的結構示意圖及其等效電路圖；圖8為採用空體積匹配方法時，空體積對阻抗的影響。採用空體積匹配方法的制冷機滿足如下方程：

其中Zin為制冷機自身阻抗，X為空容積等效容抗，Zout為壓縮機出口連接處阻抗。由圖7和圖8以及上述分析可知，然而空體積匹配方法只能沿特定線路改變阻抗，無法實現從初始阻抗點到其他任意一阻抗點的調節，即無法實現面上的調整，這也限制了壓縮機效率的進一步提高。

技術實現要素：

本發明提供了一種用於線性壓縮機與低溫制冷機耦合的π型聲學匹配組件，通過引入無功耗的純聲抗部件(如純聲容氣庫、純聲感慣性管)，在不增加系統功耗的前提下，可將制冷機冷頭入口聲阻抗(Rin+jXin)調節至壓縮機出口聲阻抗(Rout+jXout)，實現制冷機冷頭與壓縮機二者各自的高效運行，從而使整個系統獲得最高效率。

本發明還提供了一種含有上述π型聲學匹配組件的制冷機。

一種壓縮機與制冷機冷頭耦合用π型聲學匹配組件，其中所述壓縮機和制冷機冷頭之間通過幹路連接，所述π型聲學匹配組件包括三個聲抗，其中一個聲抗串聯於幹路上，位於該聲抗兩側的幹路部分各設有一條並聯支路，兩條支路上分別設有另外兩個聲抗；利用所述π型聲學匹配組件將制冷機冷頭入口聲阻抗調節至壓縮機出口聲阻抗。

本發明包含呈π型連接的三個純聲抗元件，其中第一個聲抗並聯於支路，第二個聲抗串聯於幹路，另外第三個聲抗並聯於支路，第二個聲抗串聯於第一個聲抗與第三個聲抗所在支路之間的幹路部分。最終實現，第一聲抗與制冷機冷頭呈並聯連接，第二聲抗與制冷機冷頭串聯連接，第三聲感與壓縮機出口並聯連接。

本發明的π型聲學匹配組件尤其適用於由線性壓縮機驅動的低溫制冷機系統。

作為優選，靠近所述制冷機冷頭設置的支路為第一支路，靠近所述壓縮機設置的支路的為第二支路；

聲學匹配網絡需實現壓縮機和低溫制冷機冷頭同時獲得高效。對於壓縮機和低溫制冷機冷頭，二者分別存在最優運行阻抗，其中壓縮機出口聲阻抗為Zout＝Rout+jXout，制冷機冷頭聲阻抗為Zin＝Rin+jXin。

作為優選，聲抗X1、X2與X3滿足如下關係式：

若第一支路上聲抗X1已知，位於幹路上聲抗的聲抗X2與位於第二支路上聲抗的聲抗X3分別為：

其中：

若第二支路上聲抗的聲感X3已知，第一支路上聲抗的聲抗X1與幹路上聲抗的聲抗X2分別為：

其中：

上式中：ω為角頻率，Rin為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，Xin為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，Rout為壓縮機出口聲阻抗實部，Xout為壓縮機出口聲阻抗虛部。

由於聲學中不存在串聯聲容，故第二串聯聲抗只能是聲感。則根據π型聲學匹配網絡中並聯支路中所使用聲容或聲感的不同，其可分為四種：

第一種方案包含並聯於支路的聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後支路的聲容；即，所述第一支路上的聲抗為聲容，位於幹路上的聲抗為聲感，所述第二支路上的聲抗為聲容。

第二種方案包含並聯於支路的依次相連的聲感和聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後支路的依次相連的聲感和聲容。這裡連接於支路的聲容等效於電路中的接地。即，所述第一支路上的聲抗為聲感，該支路一端與幹路相連，另一端連接一聲容；所述幹路上的聲抗為聲感；所述第二支路上的聲抗為聲感，該支路一端與幹路相連，另一端連接另一聲容。

第三種方案包含並聯於支路的聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後支路的依次相連的聲感和聲容。這裡連接於支路的聲容等效於電路中的接地；即，所述第一支路上的聲抗為聲容；所述幹路上的聲抗為聲感；所述第二支路上的聲抗為聲感，該支路一端與幹路相連，另一端連接聲容。

第四種方案包含並聯於支路的依次相連的聲感和聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後支路聲容。這裡連接於支路的聲容等效於電路中的接地。即，所述第一支路上的聲抗為聲感，該支路一端與幹路相連，另一端連接一聲容；所述幹路上的聲抗為聲感；所述第二支路上的聲抗為聲容。

對於上述四種方案中連接的聲容或聲感，其聲容C與聲感L按照下式計算得到：

X＝jωL

上式中，ω為角頻率，X為對應的聲抗。一種制冷機，包括壓縮機以及制冷機冷頭所述壓縮機與制冷機冷頭之間設有π型聲學匹配組件。

一種包含π型聲學匹配網絡的線性壓縮機驅動低溫制冷機，包含線性壓縮機、以及與壓縮機出口依次連接的π型聲學匹配組件、低溫制冷機冷頭。

上述π型聲學匹配組件的結構可採用上述任一方案所述的結構。

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：

本發明通過引入由純聲抗組成的無功耗π型聲學匹配組件，可以實現低溫制冷機中壓縮機和制冷機冷頭同時獲得高效的目的，在保證制冷機高可靠性的同時，可大大提高整機製冷效率。相比於現有空容積匹配方法，π型聲學匹配網絡對阻抗的調節範圍更廣(由線路調節擴展至面調節)，大大提高了制冷機設計的靈活性。

附圖說明

圖1是本發明的包含π型聲學匹配組件的線性壓縮機驅動低溫制冷機；

圖1a是圖1所示制冷機中π型聲學匹配組件的結構示意圖；

圖2是本發明中第二種π型聲學匹配組件的結構示意圖；

圖3是本發明中第三種π型聲學匹配組件的結構示意圖；

圖4是本發明中第四種π型聲學匹配組件的結構示意圖；

圖5是第一種π型聲學匹配組件的等效電路圖；

圖6是π型聲學匹配網絡對壓縮機效率的影響，即某線性壓縮機運行頻率60Hz，系統平均壓力2.0MPa時的阻抗-效率雲圖；

圖7是現有的採用空體積匹配方法的制冷機的結構示意圖及其等效電路圖；

圖8是採用空體積匹配方法時，空體積對阻抗的影響的示意圖。

其中：1為並聯聲容、2為串聯聲感、3為並聯聲容、4為壓縮機、5為π型聲學匹配組件、6為低溫制冷機冷頭、7為並聯聲感、8為並聯聲感。

具體實施方式

如圖1所示，一種包含π型聲學匹配組件的線性壓縮機驅動低溫制冷機，包含線性壓縮機4、以及與壓縮機4出口依次連接的π型聲學匹配網絡5、低溫制冷機冷頭6，π型聲學匹配組件5由呈π型連接的三個聲抗組成。其中兩個聲抗分別並聯於壓縮機與制冷機冷頭之間兩個支路上，剩餘的聲抗串聯於兩支路之間的幹路上。

壓縮機4出口與低溫制冷機冷頭6之間通過幹路連接，幹路上連接有聲感，在聲感與壓縮機4出口之間的幹路以及在聲感與低溫制冷機冷頭6之間的幹路上分別設有一條並聯支路，分別為第一條支路和第二條支路。兩個並聯支路上分別設有一個聲抗。第一條支路靠近制冷機冷頭入口設置，第二條支路靠近壓縮機出口設置。

其中並聯的兩個聲抗可以是聲容或者聲抗，由於聲學中不存在串聯聲容，故串聯的聲抗只能是聲感。聲容可由空體積氣庫來實現，聲抗可由慣性管來實現。則根據π型聲學匹配組件中並聯支路中所使用聲容或聲感的不同，其可分為四種：

方案(一)：包含並聯於第一條支路的聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後第二條支路的聲容，聲感位於兩個支路之間；

方案(二)：包含並聯於第一條支路的依次相連的聲感和聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後第二條支路的依次相連的聲感和聲容。這裡連接於支路的聲容等效於電路中的接地；

方案(三)：包含並聯於第一條支路的聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後第二條支路的依次相連的聲感和聲容。這裡連接於第二支路的聲容等效於電路中的接地；沒有實際的調節作用；

方案(四)：包含並聯於第一條支路的依次相連的聲感和聲容、串聯於之後幹路的聲感、並聯於之後第二條支路聲容。這裡連接於第一條支路的聲容等效於電路中的接地。

聲學匹配組件需實現壓縮機和低溫制冷機冷頭同時獲得高效。對於壓縮機和低溫制冷機冷頭，二者分別存在最優運行阻抗，其中壓縮機出口聲阻抗為Zout＝Rout+jXout，制冷機冷頭聲阻抗為Zin＝Rin+jXin。

三個聲抗的聲抗分別為X1、X2與X3，其中X1為位於第一條支路上的聲抗的聲抗值；X2為位於幹路上的聲抗的聲抗值；X3為位於第二條支路上的聲抗的聲抗值；X1、X2與X3滿足如下關係式：

已知第一支路上的聲抗的聲抗X1，位於幹路上的聲抗的聲抗X2與位於第二條支路上的聲抗的聲抗X3為：

其中

上式中：Rin為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，Xin為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，Rout為壓縮機出口聲阻抗實部，Xout為壓縮機出口聲阻抗虛部。

或已知位於第二條支路上的聲抗的聲感X3，第一支路上的聲抗的聲抗X1與位於幹路上的聲抗的聲抗X2：

其中

如圖1a所示，方案(一)中，第一條支路的聲抗為聲容1，聲容1的聲容為C1；串聯在幹路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L；並聯於第二條支路上的聲抗為聲容3，聲容3的聲容為C2；

如圖2所示，方案(二)中，第一條支路的聲抗為聲感7，聲感7的聲感為L1；串聯在幹路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L2；並聯於第二條支路上的聲抗為聲感8，聲感8的聲容為L3；

如圖3所示，方案(三)中，第一條支路的聲抗為聲容1，聲容1的聲容為C1；串聯在幹路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L2；並聯於第二條支路上的聲抗為聲感7，聲感7的聲感為L1；

如圖4所示，方案(三)中，第一條支路的聲抗為聲感7，聲感7的聲感為L1；串聯在幹路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L2；並聯於第二條支路上的聲抗為聲容3，聲容3的聲容為C2；

對於方案(一)至方案(四)中連接的聲容或聲感，其聲容C與聲感L按照下式計算得到：

X＝jωL

上式中，ω為角頻率；X為對應的聲抗。

如圖1和圖1a所示，以方案(一)為例，作進一步說明：

為滿足壓縮機與制冷機冷頭同時獲得高效率，聲容1和聲感2需要適當選取。已知壓縮機出口聲阻抗為Zout＝Rout+jXout，制冷機冷頭聲阻抗為Zin＝Rin+jXin。根據圖5所示π型聲學匹配組件等效電路圖，聲容C1和聲感L、聲容C2對應的聲抗X1、X2與X3滿足如下關係式：

複數的實部和虛部分別相等，可求得聲容C1和聲感L：

其中

上式中：ω為角頻率，Rin為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，Xin為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，Rout為壓縮機出口聲阻抗實部，Xout為壓縮機出口聲阻抗虛部。

以圖6為例，圖6所示為某線性壓縮機運行頻率60Hz，系統平均壓力2.0MPa時的阻抗-效率雲圖，橫坐標為聲阻抗實部，縱坐標為聲阻抗虛部。假設某制冷機冷頭入口聲阻抗落在圖中所示A點[Zin＝(2.5×108-2.7×108j)Pa·s/m3]，而壓縮機高效率所對於的聲阻抗為B點[Zout＝(4.8×107-8.9×107j)Pa·s/m3]，此時π型聲學匹配組件需將制冷機冷頭位於A點的聲阻抗調節至B點，則壓縮機與制冷機冷頭可同時獲得高效率。

對於方案(一)，假設已知聲容3的聲抗為X3＝-5×108Pa·s/m3(對應氣庫空體積約為17.7cm3)，代入上述公式可得聲容1的聲容C1與聲感2的聲感L分別為：

C1＝9.1×10-12m3/Pa；

L＝9.7×105kg/m4。

根據空體積氣庫的聲容公式：

其中V為氣庫空體積，γ為工質絕熱指數，p0為系統平均壓力。這裡選取氦氣為工質，則γ＝1.667，平均壓力p0＝2.0MPa，則計算得到氣庫體積約為V＝30cm3。

根據慣性管聲感公式：

其中l為管長，R為工質氣體常數(氦氣R＝2078.5)，T為環境溫度(這裡取300K)，A為慣性管截面積。假設慣性管內徑選為3mm，則可計算得到聲感(2)所需管長約為2.13m。

從圖6中看出，加入π型聲學匹配組件之前，A點壓縮機效率為59％，加入適當的T型聲學匹配組件之後，B點壓縮機效率高達78％。

方案(二)、(三)、(四)的實施方式與方案(一)類似，均屬於本發明的保護範圍。