與慣性管型脈沖管冷指最優匹配的直線壓縮機的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及制冷與低溫工程領域，特別涉及一種與慣性管型脈沖管冷指最優匹配 的直線壓縮機的設計方法。
【背景技術】
[0002] 脈沖管制冷機是回熱式低溫制冷機的一次重大革新，它取消了廣泛應用于常規回 熱式低溫制冷機(如斯特林和G-Μ制冷機）中的冷端排出器，實現了冷端的低振動、低干擾和 無磨損;而經過結構優化和調相方式上的重要改進，在典型溫區，其實際效率也已達到回熱 式低溫制冷機的最高值。這些顯著優點使得脈沖管制冷機成為近30年來低溫制冷機研究的 一大熱門，在航空航天、低溫電子學、超導工業和低溫醫療業等方面都獲得了廣泛的應用。
[0003] 根據驅動源的不同，又將脈沖管制冷機分為由直線壓縮機驅動的高頻脈沖管制冷 機和由G-Μ型壓縮機驅動的低頻脈沖管制冷機兩種。航天及軍事等領域應用的脈沖管制冷 機，因為對重量和體積有著非常嚴格的限制，一般都采用輕量化高頻運轉的直線壓縮機，壓 縮機的工作頻率通常都在30Hz以上。由直線壓縮機驅動的高頻脈沖管制冷機由于結構緊 湊、重量輕、體積小、效率高、運轉可靠、預期壽命長等突出優點，已逐漸成為航天紅外器件 冷卻的最熱門機型之一。
[0004] 壓力波和質量流之間的相位差是回熱式低溫制冷機產生制冷效應的關鍵參數。在 脈沖管制冷機中，實現壓力波和質量流之間的相位差的相位調節方式有多種，如小孔、氣 庫、雙向進氣、多路旁通、對稱噴嘴和非對稱噴嘴等等，而20世紀90年代中期發展起來的慣 性管則因為調相范圍寬、效率高、潛力大、性能穩定可靠等突出優點，在強調性能穩定可靠 的航空航天及軍事領域，成為脈沖管制冷機相位調節方式的主流形式。
[0005] 高頻脈沖管制冷機的結構可以粗略地劃分為兩大部分:一、作為驅動源的直線壓 縮機，二、除壓縮機之外的其余部分統稱為脈沖管冷指。兩者之間的匹配在優化壓縮機效率 以及提高制冷機整機制冷性能方面均有非常重要的意義。而與慣性管型脈沖管冷指最優匹 配的直線壓縮機的設計方法，目前尚未見系統深入的探討。
【發明內容】
[0006] 鑒于現有技術的不足，本發明提出一種與慣性管型脈沖管冷指最優匹配的直線壓 縮機的設計方法。
[0007] 本發明的目的在于，提供了一種與慣性管型高頻脈沖管冷指最優匹配的直線壓縮 機設計方法。通過該方法能夠合理設計直線壓縮機，實現與已有慣性管型脈沖管冷指的最 優匹配，從而大幅度提高脈沖管制冷機整機的制冷性能，促進高效慣性管型高頻脈沖管制 冷機的實用化發展。
[0008] 該設計方法包括以下步驟：
[0009] 步驟一:慣性管型高頻脈沖管制冷機的脈沖管冷指1包括部件連管2,級后冷卻器 3,蓄冷器4,冷端換熱器5,脈沖管6,熱端換熱器7,慣性管8,氣庫9;根據電路類比模型，脈沖 管冷指1中的壓力被等效為電動勢，體積流率被等效為電流，流阻，流容以及慣性被分別等 效為電路中的電阻，電容和電感，整個脈沖管冷指1可以等效成為交流電路；
[0010] 步驟二:對于給定的脈沖管冷指1，其各個部件包括連管2的橫截面面積與長度，級 后冷卻器3的橫截面面積、長度及孔隙率，蓄冷器4的橫截面面積、長度、絲網直徑及孔隙率， 冷端換熱器5的橫截面面積、長度及孔隙率，脈沖管6的橫截面面積與長度，熱端換熱器7的 橫截面面積、長度及孔隙率，慣性管8的橫截面面積與長度，以及氣庫9的體積均為已知值；
[0011] 步驟三:賦予充氣壓力，運行頻率以及氣庫9入口處的體積流率仏初始值；
[0012] 步驟四：利用電路類比模型，逐步對脈沖管冷指1中的各個部件入口處的動態壓 力、體積流率以及阻抗值進行計算，最終得到連管2入口處的動態壓力、體積流率以及阻抗， 以及冷端換熱器5處的制冷量和制冷效率；
[0013] 步驟五:調整步驟三中包括充氣壓力，運行頻率以及氣庫9入口處的體積流率:?初 始值，重復步驟四和步驟五，得到能獲取實際目標所需制冷量和制冷效率的最優運行工況， 并得到在該運行工況下連管2入口的阻抗，體積流率、聲功以及運行頻率；
[0014] 步驟六:所設計的直線壓縮機主要包括板彈簧10,線圈11，磁體12,輒鐵13,活塞軸 14,氣體密封間隙15以及活塞16;根據實際情況，選取能夠提供最大磁場強度的材料作為直 線壓縮機中磁體12的材料；
[0015] 步驟七:利用以下經驗關系確定該運行工況下直線壓縮機中氣體密封間隙15的尺 寸；
[0016]
[0017 ]并給定直線壓縮機中活塞16表面積的初始值，根據連管2入口處的體積流率以及 運行頻率，可得到活塞16的行程;并估算出該狀況下直線壓縮機的機械阻尼大小；
[0018] 步驟八:利用表達式（1)和表達式(2)得到該運行工況下的最優板彈簧軸向剛度以 及動子質量：
[0019]
[0020]
[0021] 其中表達式(1)中的m為動子質量，包括了板彈簧10、線圈11、活塞軸14以及活塞16 的質量，A P為活塞16的表面積，| Za |為連管2入口處阻抗的幅值，Θ為連管2入口處阻抗的相位 角，ω為角頻率，Cx為軸向彈簧力與慣性力的比值，表達式（2)中的k x為板彈簧10的軸向剛 度；
[0022] 步驟八:在不影響其他部件設計的前提下，直線壓縮機中線圈11的體積應該設計 的盡可能的最大；
[0023] 步驟九:通過表達式(3)計算出在最優運行工況下直線壓縮機中線圈11的電流有 效值大小：
[0024]
[0025] 表達式(3)中的Irms為線圈11電流有效值，X為活塞16的行程，B為磁體12的磁感應 強度，L為磁場中的線圈11長度，k x為板彈簧10的軸向剛度，m為動子質量，包括了板彈簧10、 線圈11、活塞軸14以及活塞16的質量，ω為角頻率，|Z a|為連管2入口處阻抗的幅值，AP為活 塞16表面積，Θ為連管2入口處阻抗的相位角，b為機械阻尼;在保證該電流值小于線圈11的 安全電流的情況下，選取直徑最小的繞線，此時線圈11的電阻也為已知值；
[0026] 擊驟+，誦忖耒伏忒MH+笪m晶優活塞而葙：
[0027] (4)
[0028]表達式(4)中的Α〇Ρ為最優活塞面積，b為機械阻尼，B為磁體12的磁感應強度，L為磁 場中的線圈11的長度，Re為線圈11的電阻，1^為板彈簧10的軸向剛度，ω為角頻率，m為動子 質量，包括了板彈簧10、線圈11、活塞軸14以及活塞16的質量，|Z a|為連管2入口處阻抗的幅 值;若步驟七中設定的活塞16表面積初始值與表達式(4)計算所得的最優活塞面積值相等， 則進行步驟十一，如不等，回到步驟七，調整活塞16表面積的初始值，重復步驟七至步驟十；
[0029] 步驟十一:通過表達式(5)得到最優線圈電感：
[0030]
(5)
[0031 ]表達式(5)中的Le為線圈11的最優電感，B為磁體12的磁感應強度，L為磁場中的線 圈11的長度，kx為板彈簧10的軸向剛度，m為動子質量，包括了板彈簧10、線圈11、活塞軸14 以及活塞16的質量，ω為角頻率，|Z a|為連管2入口處阻抗的幅值，AP為活塞16表面積，Θ為連 管2入口處阻抗的相位角，b為機械阻尼;通過空心繞線線圈電感的計算方法，得到獲取該最 優電感值的線圈11的繞線方式，完成設計。
[0032] 本發明的優點在于：
[0033] 1)通過直線壓縮機與脈沖管冷指之間的相互作用關系，得到了脈沖管冷指對直線 壓縮機電機效率的影響關系；
[0034] 2)提出了一種設計方法，可設計直線壓縮機實現與慣性管型高頻脈管冷指的最優 匹配。
[0035] 上述優點使得該設計方法設計出的直線壓縮機能夠實現與慣性管型脈沖管冷指 的最優匹配，同時保證壓縮機的高電機效率以及脈沖管冷指的高制冷效率，對于高效率的 慣性管型高頻脈管制冷機的實用化發展具有非常積極的意義。
【附圖說明】
[0036] 圖1為所發明的能實現與慣性管型高頻脈沖管冷指最優匹配的直線壓縮機設計方 法流程圖；
[0037] 圖2為慣性管型高頻脈沖管制冷機結構示意圖；
[0038] 圖3為直線壓縮機結構示意圖，直線壓縮機沿水平中心線中心對稱；
[0039] 其中：1為脈沖管冷指;2為連管;3為級后冷卻器;4為蓄冷器;5為冷端換熱器;6為 脈沖管;7為熱端換熱器;8為慣性管;9為氣庫；10為板彈簧;11為線圈；12為磁體;13為輒鐵； 14為活塞軸;15為氣體密封間隙；16為活塞。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖及實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明：
[0041] 圖1為所發明的能實現與慣性管型高頻脈沖管冷指最優匹配的直線壓縮機設計方 法流程圖；
[0042] 圖2為慣性管型高頻脈沖管制冷機結構示意圖；
[0043]圖3為直線壓縮機結構示意圖。
[0044]該設計方法包括以下步驟：
[0045] 步驟一:慣性管型高頻脈沖管制冷機的脈沖管冷指1包括部件連管2,級后冷卻器 3,蓄冷器4,冷端換熱器5,脈沖管6,熱端換熱器7,慣性管8,氣庫9;根據電路類比模型，脈沖 管冷指1中的壓力被等效為電動勢，體積流率被等效為電流，流阻，流容以及慣性被分別等 效為電路中的電阻，電容和電感，整個脈沖管冷指1可以等效成為交流電路；
[0046] 步驟二:對于給定的脈沖管冷指1，其各個部件包括連管2的橫截面面積與長度，級 后冷卻器3的橫截面面積、長度及孔隙率，蓄冷器4的橫截面面積、長度、絲網直徑及孔隙率， 冷端換熱器5的橫截面面積、長度及孔隙率，脈沖管6的橫截面面積與長度，熱端換熱器7的 橫截面面積、長度及孔隙率，慣性管8的橫截面面積與長度，以及氣庫9的體積均為已知值；