壓縮機(jī)與冷頭匹配裝置、脈管制冷機(jī)和匹配方法與流程

本發(fā)明屬于脈管制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及壓縮機(jī)與冷頭匹配裝置、脈管制冷機(jī)和匹配方法。

背景技術(shù)：

脈管制冷機(jī)作為低溫制冷機(jī)的一種，其冷端無運(yùn)動(dòng)部件，低溫下具有高效與高可靠性的特點(diǎn)以及在抗電磁干擾、降低振動(dòng)和長壽命方面具有的明顯優(yōu)勢(shì)使得其應(yīng)用越來越廣泛。壓縮機(jī)作為脈管制冷機(jī)能量輸入的源頭，尤其是線性壓縮機(jī)的對(duì)外聲功輸出不僅與自身輸入的電功率有關(guān)也取決于負(fù)載的阻抗特性。如果壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭之間未達(dá)到最佳的匹配，壓縮機(jī)輸出的聲功會(huì)大大降低，從而導(dǎo)致整機(jī)性能惡化。

壓縮機(jī)1與脈管制冷機(jī)冷頭5的匹配主要通過傳輸管實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。通過改變傳輸管2長度或直徑進(jìn)而改變脈管制冷機(jī)冷頭5與壓縮機(jī)1之間連接段的空體積可以改變壓縮機(jī)1與脈管制冷機(jī)冷頭5的匹配狀態(tài)。由于壓縮機(jī)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直直徑相比更易于操作。當(dāng)脈管制冷機(jī)冷頭5的設(shè)計(jì)參數(shù)與壓縮機(jī)1不能很好匹配時(shí)需要較長的傳輸管2。浙江大學(xué)制冷與低溫研究所在設(shè)計(jì)大功率脈管制冷機(jī)的過程中曾使用長度超過1m的傳輸管，整機(jī)高度達(dá)到2m以上。傳輸管長度的增加使得脈管制冷機(jī)的整體高度變高，占用空間增大，安裝調(diào)試?yán)щy，同時(shí)重心升高使得整機(jī)的安全性下降。

為了解決上述問題，申請(qǐng)?zhí)枮?01610054685.7的專利文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)整機(jī)的阻抗匹配。但波紋管氣庫更多的是通過影響脈管制冷機(jī)冷頭的相位特性，降低回?zé)崞鞯膿p失來達(dá)到提升整機(jī)性能的目的。波紋管氣庫并不能有效改善壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭匹配特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種壓縮機(jī)與冷頭匹配裝置，體積小，方便調(diào)節(jié)，使壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。

一種壓縮機(jī)與冷頭匹配裝置，包括連接壓縮機(jī)與冷頭的傳輸管，還包括安裝在傳輸管側(cè)壁上控制壓縮機(jī)工作狀態(tài)的并聯(lián)氣庫。

通過設(shè)置安裝在傳輸管側(cè)壁上的并聯(lián)氣庫，來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)匹配，有效提高調(diào)節(jié)范圍，使脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊。

優(yōu)選的，所述并聯(lián)氣庫為活塞型、固定體積型、環(huán)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(diào)體積型，在脈管制冷機(jī)設(shè)計(jì)研究階段，所述并聯(lián)氣庫以活塞式的可調(diào)體積型為優(yōu)選，通過活塞的前后移動(dòng)可以改變壓縮機(jī)與冷頭之間的空體積，進(jìn)而改變壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭之間的匹配狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的高效輸出以及整機(jī)效率的提升。在脈管制冷機(jī)產(chǎn)品化階段，并聯(lián)氣庫以固定體積型為優(yōu)選，并聯(lián)氣庫的體積可依據(jù)活塞式可調(diào)體積型的最佳體積設(shè)計(jì)。所述固定體積型并聯(lián)氣庫不局限于圓柱形，可以采用環(huán)形即使用環(huán)形圓管盤繞在傳輸管側(cè)面以減小整機(jī)體積。

為了使結(jié)構(gòu)更緊湊，優(yōu)選的，所述并聯(lián)氣庫設(shè)有多個(gè)，沿所述傳輸管的周向均勻分布。

為了使結(jié)構(gòu)更緊湊，優(yōu)選的，所述并聯(lián)氣庫為環(huán)形結(jié)構(gòu)，盤繞在所述傳輸管的外周。進(jìn)一步優(yōu)選的，氣庫采用為環(huán)形圓管結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述并聯(lián)氣庫通過連接管與所述傳輸管的側(cè)壁連通。所述的連接管用于連接并聯(lián)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(yōu)選的，連接管的有效過流面積以大于并聯(lián)氣庫截面積的1/4，連接管的長度應(yīng)盡可能短，以減小連接管帶來的損失。所述并聯(lián)氣庫與連接管通過焊接、螺紋、法蘭等形式相連接。

本發(fā)明還提供了包括壓縮機(jī)、傳輸管和冷頭，還包括安裝在傳輸管側(cè)壁上的并聯(lián)氣庫。所述并聯(lián)氣庫與傳輸管連通以起到調(diào)節(jié)作用。

本發(fā)明還提供了一種壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭匹配方法，使用上述的壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭匹配裝置，包括以下步驟：

(1)測(cè)量壓縮機(jī)的活塞振幅、壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、壓縮機(jī)的壓縮腔壓力以及壓縮腔、傳輸管并聯(lián)氣庫的整體和級(jí)后冷卻器的溫度；

(2)設(shè)定所需的壓縮機(jī)的活塞表面相角和回?zé)崞鳠岫讼嘟牵?/p>

(3)根據(jù)步驟(1)和(2)的參數(shù)，計(jì)算得到所需的傳輸管與并聯(lián)氣庫的總體積；

(4)根據(jù)步驟(3)的計(jì)算結(jié)果調(diào)整并聯(lián)氣庫到所需值。

根據(jù)j.l.martin和c.m.martin提出在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)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(duì)質(zhì)量流量、壓力振幅、壓縮機(jī)活塞行程和共振頻率的要求。這個(gè)空體積相當(dāng)于一個(gè)阻抗匹配元件可以使得壓縮機(jī)工作在最優(yōu)狀態(tài)。

壓縮機(jī)活塞表面質(zhì)量流量的計(jì)算公式如下：

其中：p0為充氣壓力，r為氣體常數(shù)，tco為壓縮腔氣體平均溫度，為瞬時(shí)壓縮氣體體積。

使用向量法對(duì)脈管制冷機(jī)中的質(zhì)量流進(jìn)行分析，對(duì)于一定的空體積v，其產(chǎn)生的質(zhì)量流在壓力波垂直方向增量的計(jì)算公式如下：

其中：為壓力的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，t為空體積內(nèi)部平均溫度。

對(duì)于脈管制冷機(jī)，可通過脈管熱端的調(diào)相機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)使回?zé)崞鳠岫速|(zhì)量流量與壓力波處于較優(yōu)的相角傳輸管與可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫的總體積為vtr，此時(shí)：

其中，vco為壓縮腔體積，ttr為傳輸管與可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫內(nèi)的平均溫度，va為級(jí)后冷卻器有效空體積，ta為級(jí)后冷卻器平均溫度，θ為壓縮機(jī)活塞表面質(zhì)量流與壓力波相角。vcp為壓縮機(jī)最大壓氣體積。

vcp＝2πfxaa(4)

其中：f為壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，xa為壓縮機(jī)活塞運(yùn)行振幅，a為壓縮機(jī)活塞面積。

對(duì)于脈管制冷機(jī)在不同的并聯(lián)氣庫體積下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，tco、ttr、ta變化可忽略，則由上式可知：

θ＝f(vtr)(5)

即壓縮機(jī)活塞表面相角是傳輸管與并聯(lián)氣庫總體積的單值函數(shù)。因此可通過改變并聯(lián)氣庫的體積改變壓縮機(jī)活塞表面質(zhì)量流量與壓力波相角，從而使壓縮機(jī)工作在一個(gè)高效的狀態(tài)。

在具體計(jì)算并聯(lián)氣庫體積時(shí)，通過布置傳感器測(cè)量活塞振幅，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，壓縮腔壓力，壓縮腔、傳輸管與并聯(lián)氣庫的整體、級(jí)后冷卻器的溫度，相角的值可通過sage，deltaec等模擬軟件得到。

最后由公式(5)算出最佳并聯(lián)氣庫的體積。

然而由于在脈管制冷機(jī)開機(jī)后的降溫過程中，壓縮腔壓力以及上述幾個(gè)部件的溫度都處于變化過程中，因此最佳并聯(lián)氣庫體積也在發(fā)生變化，通過在降溫過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并聯(lián)氣庫體積可以使得壓縮機(jī)與冷頭始終處于最佳的匹配狀態(tài)。同時(shí)當(dāng)進(jìn)行冷頭參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)試的過程中，回?zé)崞鳠岫讼嘟强赡馨l(fā)生變化。此時(shí)可以通過公式(3)調(diào)節(jié)并聯(lián)氣庫體積使得壓縮機(jī)與冷頭處于最佳匹配。

本發(fā)明的有益效果：

(1)并聯(lián)氣庫安裝在傳輸管的側(cè)面，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少脈管制冷機(jī)空間占用。

(2)并聯(lián)氣庫安裝在傳輸管的側(cè)面，減少了傳輸管的長度，降低了整機(jī)安裝高度和重心，方便脈管制冷機(jī)冷頭的安裝，同時(shí)降低了因整機(jī)重心過高而發(fā)生側(cè)翻的可能性，提高了整機(jī)的安全性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1的脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)施例2的脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)施例2與現(xiàn)有技術(shù)的脈管制冷機(jī)制冷效果的對(duì)比圖。

圖5為實(shí)施例3的環(huán)形并聯(lián)氣庫結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為實(shí)施例3的環(huán)形并聯(lián)氣庫結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。

標(biāo)號(hào)說明：1、壓縮機(jī)，2、傳輸管，3、可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫，4、連接管，5、脈管制冷機(jī)冷頭，6、固定體積型并聯(lián)氣庫，7、環(huán)型并聯(lián)氣庫。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖，以下對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

如圖2所示，本實(shí)施例的壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭匹配裝置包括連接壓縮機(jī)1和冷頭5的傳輸管2，安裝在傳輸管2側(cè)邊的可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3以及連接傳輸管2和可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3的連接管4。

可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3采用活塞型，連接管4用于連接傳輸管2和可調(diào)體積型并聯(lián)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(diào)體積型并聯(lián)氣庫3側(cè)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于并聯(lián)氣庫截面積的1/4，連接管4的長度應(yīng)盡可能短，以減小連接管4帶來的損失。

在帶有本實(shí)施例的匹配裝置的脈管制冷機(jī)運(yùn)行過程中，根據(jù)充氣壓力，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，壓縮腔、傳輸管及并聯(lián)氣庫、級(jí)后冷卻器的平均溫度變化，通過實(shí)時(shí)改變可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3的體積，可使得壓縮機(jī)一直處于最優(yōu)的工作狀態(tài)。

j.l.martin和c.m.martin提出在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)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(duì)質(zhì)量流量、壓力振幅、壓縮機(jī)活塞行程和共振頻率的要求。這個(gè)空體積相當(dāng)于容抗元件可以使得壓縮機(jī)工作在最優(yōu)狀態(tài)。最佳空體積的具體計(jì)算方式如下：

壓縮機(jī)活塞表面瞬時(shí)質(zhì)量流量

其中：p0為充氣壓力，r為氣體常數(shù)，tco為壓縮腔氣體平均溫度，為瞬時(shí)壓縮氣體體積。

使用向量法對(duì)脈管制冷機(jī)中的質(zhì)量流進(jìn)行分析，對(duì)于一定的空體積v，其產(chǎn)生的質(zhì)量流在壓力波垂直方向增量為：

其中：為壓力的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，t為空體積內(nèi)部平均溫度。

對(duì)于脈管制冷機(jī)，可通過脈管熱端的調(diào)相機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)使回?zé)崞鳠岫速|(zhì)量流量與壓力波處于較優(yōu)的相角傳輸管與可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫的總體積為vtr，此時(shí)：

其中，vco為壓縮腔體積，ttr為傳輸管與可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫內(nèi)的平均溫度，va為級(jí)后冷卻器有效空體積，ta為級(jí)后冷卻器平均溫度，θ為壓縮機(jī)活塞表面質(zhì)量流與壓力波相角。vcp為壓縮機(jī)最大壓氣體積。

vcp＝2πfxaa(4)

其中：f為壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，xa為壓縮機(jī)活塞運(yùn)行振幅，a為壓縮機(jī)活塞面積。

對(duì)于脈管制冷機(jī)在不同的并聯(lián)氣庫體積下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(jī)1的活塞表面相角是傳輸管2與可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3總體積的單值函數(shù)。因此可通過改變可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3的體積改變壓縮機(jī)1的活塞表面質(zhì)量流量與壓力波相角，從而使壓縮機(jī)1工作在一個(gè)高效的狀態(tài)。在實(shí)際計(jì)算可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3的體積時(shí)，通過布置傳感器測(cè)量活塞振幅，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，壓縮腔壓力，壓縮腔、傳輸管及并聯(lián)氣庫的整體、級(jí)后冷卻器的溫度，相角的值可通過sage，deltaec等模擬軟件得到。

最后由公式(5)算出最佳的可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3的體積并對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)。

由于在脈管制冷機(jī)開機(jī)后的降溫過程中，壓縮腔壓力以及上述幾個(gè)部件的溫度都處于變化過程中，因此最佳的并聯(lián)氣庫體積也在發(fā)生變化，通過在降溫過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3可以使得壓縮機(jī)1與冷頭5始終處于最佳的匹配狀態(tài)。同時(shí)當(dāng)進(jìn)行冷頭5參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)試的過程中，回?zé)崞鳠岫讼嘟强赡馨l(fā)生變化。此時(shí)可以通過公式(3)調(diào)節(jié)并聯(lián)氣庫體積使得壓縮機(jī)與冷頭處于最佳匹配。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，除了并聯(lián)氣庫為固定體積型并聯(lián)氣庫6外，其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。

使用如圖3的固定體積型并聯(lián)氣庫6，是對(duì)實(shí)施例1中可調(diào)體積型并聯(lián)氣庫3的一種補(bǔ)充?？烧{(diào)體積型并聯(lián)氣庫3用于脈管制冷機(jī)設(shè)計(jì)研究階段。當(dāng)?shù)玫阶罴训牟⒙?lián)氣庫體積后，可安裝圖3中的固定體積型并聯(lián)氣庫6，用于脈管制冷機(jī)產(chǎn)品化階段。

如圖4所示，在脈管制冷機(jī)的充氣壓力、運(yùn)行頻率以及除傳輸管以外的其他結(jié)構(gòu)部件不變的情況下，使用與傳統(tǒng)方式的傳輸管具有相同體積的固定體積型并聯(lián)氣庫6，進(jìn)行不同功率下的脈管制冷機(jī)最低制冷溫度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者在不同功率下的最低溫度差異最大僅為1.26％?？梢哉f明并聯(lián)氣庫的方式與通過改變傳輸管長度的現(xiàn)有技術(shù)相比，具有相同的改變壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭匹配的能力。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，除了并聯(lián)氣庫為環(huán)型并聯(lián)氣庫7外，其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2相同。

使用如圖5和圖6中的環(huán)型并聯(lián)氣庫7是對(duì)實(shí)施例2中并聯(lián)氣庫6的一種改進(jìn)。當(dāng)壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭達(dá)到最佳匹配狀態(tài)時(shí)，所需的并聯(lián)氣庫體積過大，實(shí)施例2中采用的并聯(lián)氣庫6占用的空間過大。此時(shí)可采用環(huán)型并聯(lián)氣庫7充分利用傳輸管外側(cè)的空間，從而達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，減少脈管制冷機(jī)空間占用的目的。