CN107270571A - 一种基于rc负载的声压放大装置及制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RC负载的声压放大装置以及制冷机，使用于带有线性压缩机的制冷机中，其特征在于，所述声压放大装置设置在所述压缩机与负载之间，包括串联设置的惯性管和气库，其中惯性管端连接压缩机出口，气库端连接制冷机的负载部分。本发明根据电路串联谐振原理，将线性压缩机出口声压放大，提高输出压比。本发明装置结构简单，可操作性强，能较大克服传统线性压缩机输出压比不高的缺点。本发明使用在斯特林型脉管制冷机中，通过增加回热器热端压力幅值，减小体积流率，在不增加声功损失的同时，减小回热器损失，提高制冷机效率，提高能源使用效率。

Description

一种基于RC负载的声压放大装置及制冷机

技术领域

本发明属于低温交变流制冷机设计技术领域，具体是涉及一种基于RC负载的声压放大装置。

背景技术

自1970年代将无油线性压缩机引入斯特林制冷系统中，斯特林型低温制冷机拥有了较长使用寿命，使用柔性板弹簧支撑自由活塞及排出器后，线性压缩机寿命可达10年以上。由于线性压缩机驱动斯特林型制冷机拥有小体积、长寿高效的优势，目前其已广泛运用于红外探测器冷却、空间及其它商业应用。对于高频脉管制冷机而言，为达到70K以下制冷温区，通常需要更高的压比。与G-M制冷机不同的是，线性压缩机缺少旋转阀积累排气压力，导致制冷系统中交变流压比较小，这样就限制了斯特林型脉管制冷机制冷能力。因此提高线性压缩机出口压比，可以显著提高制冷机制冷效率，提高能源利用率。

为达到增大声波波动幅值、提高压比的目的，中科院理化所曾提出两种结构的声压放大装置。第一种“声学变压器”中，驱动声波作用在较大活塞端面，通过连杆将驱动力传递到较小活塞端面对制冷机做功，由于大、小活塞两端受力平衡，因此，当两活塞之间气体容积无限大时，放大系数即等于大、小活塞面积之比。驻波在管内沿管长存在波腹和波节，第二种“声学放大器”利用这一特点，将驱动声波至于波节处，使用波腹出声波输出，因此可以达到声压放大的作用。上述技术方案，操作较为复杂。

发明内容

本发明提供一种基于RC负载的声压放大装置以及带有该声压放大装置的制冷机，本发明的声压放大装置能够放大压缩机出口声压、提高压比，进而提高了制冷机效率。

一种基于RC负载的声压放大装置，使用于带有线性压缩机的制冷机中，所述声压放大装置设置在所述压缩机与其负载之间，包括串联设置的惯性管和气库，其中惯性管端连接压缩机出口，气库端连接制冷机的负载部分。

本发明中，压缩机出口压力经过串联的惯性管、气库，得到有效放大后即可对外做功。

本发明中，惯性管和气库利用电路中串联谐振原理放大声压，其中惯性管，同时包含流感、流阻，而将气库看作是纯容性原件。经过特殊计算和设计后的惯性管、气库组合则可达到串联谐振点，此时则能达到声压放大的作用，可以通过调节流抗与流阻之间比例关系，得到声压目标放大倍数。

作为优选，所述制冷机为斯特林型脉管制冷机，所述气库端连接制冷机的级后冷却器。

本发明还提供了一种制冷机，包括线性压缩机以及与线性压缩机连接的负载，所述线性压缩机与负载之间设有基于RC负载的声压放大装置，该装置包括串联设置的惯性管和气库，其中惯性管端连接压缩机出口，气库端连接制冷机的负载部分。

作为优选，所述制冷机为斯特林型脉管制冷机，所述气库端连接制冷机的级后冷却器。

本发明中提出的一种基于RC负载的声压放大装置，使用较短的圆管与气库配合即能达到声压放大的功能，实际使用中管路阻力损失较小，操作简便可行。

作为优选，所述声压放大装置中，所述惯性管的内径为5-30mm，长度为0.5-3.5m；所述气库的50-500mL。

本发明专利有益效果体现在：

本发明根据电路串联谐振原理，将线性压缩机出口声压放大，提高输出压比。本发明装置结构简单，可操作性强，能较大克服传统线性压缩机输出压比不高的缺点。

本发明使用在斯特林型脉管制冷机中，通过增加回热器热端压力幅值，减小体积流率，在不增加声功损失的同时，减小回热器损失，提高制冷机效率，提高能源使用效率。

附图说明

图1为本发明的一种带有基于RC负载的声压放大装置结构的斯特林型脉管制冷机的结构示意图。

图2为本发明的一种基于RC负载的声压放大装置的电路原理图。

图3为本发明的一种基于RC负载的声压放大装置的部分使用算例。

图4表示本发明的一种基于RC负载的声压放大装置中不同管径惯性管L内声功分布图。

具体实施方式

如图1所述，本发明的一种带有基于RC负载的声压放大装置结构的斯特林型脉管制冷机，其中基于RC负载的声压放大装置包括惯性管L和气库C。惯性管L一端入口与压缩机Com连接，另一端出口与气库C一端入口相连，气库C另一端出口与斯特林型脉管制冷机的负载相连。一般而言，气库C连接在惯性管L出口，气库C出口作为声压放大输出点。作为使用范例，将本发明装置接入斯特林型脉管制冷机中。其中惯性管L连接压缩机Com出口，级后冷却器HX1接气库C出口，回热器Reg、冷端换热器HX2、脉管PT、脉管热端换热器HX3、惯性管IT、气库Res依次相连。

图2是一种基于RC负载的声压放大装置的电路原理图，惯性管中同时存在流阻、流感和流容，一般认为流感可以完全抵消流容部分，因此可以将惯性管等效为流阻Z_R＝R和感抗Z_L＝jωL,将气库完全等效为纯容抗Z_C＝1/jωC。系统总阻抗可以表示为：

Z＝R+jωL+1/jωC (1)

上式中，其中R为流阻；j表示复数虚部，ω表示角频率，L表示流感，C表示流容；

等效电路图中，流阻Z_R、感抗Z_L、容抗Z_C串联在一起，压缩机施加在系统的压力幅值等效为电路中输入电压，箭头上标表示向量。这样，系统中体积流率为：

假定R为定值，当且仅当Z_C+Z_L＝0时，流量达到最大，此时施加在容抗两端的声压为：

那么，当|Z_C|＞＞时，就会远大于即压缩机出口声压会被放大，且放大倍数

实际交变流系统中，气库可以等效为理想容抗，根据下面公式计算：

其中γ为绝热因子，P₀为系统均压，f为系统运行频率，V是气库体积。

但是管路中，流阻、流感和流抗是随体积流、压力波变化的，可以根据其中压力波和体积流率计算管路中总阻抗交变流中压力波和体积流率遵循下面简化热声湍流模型：

则管路中阻抗其中x表示管长，其中m_v是消除粘性耗散的修正因子，r_v表示单位管长粘性阻力损失，ω是系统运行角频率，m_l是消除压力惯性的修正因子，l表示单位管长感抗，c则表示单位管长气容，r_k是单位管长热驰豫损失。

回热式制冷机中声功定义为：

其中角度θ为压力波与体积流之间夹角。假如声功放大装置内无声功损失，即声功放大装置内入口声功和出口声功是相等的，且角度θ不变，维持在-30°左右，而则出口体积流幅值会较小相应倍数。回热式制冷机中，回热损失是主要损失，较小的体积流会减小回热损失，提高制冷机效率。因此，对于高频回热式制冷机而言，本发明的有益性体现在相同声功输出的条件下，通过提高压比，减小制冷机内部体积流率和回热损失，达到增加效率的作用。

以一台常规脉管制冷机为例进行优化，该制冷机模型运行频率为60Hz，充气压力2.5MPa，输入功率500W时其入口(回热器HX1热端)条件为： Z_out＝(3.37E07-j*1.95E07)Pa·s/m³，此时体积流领先压力波相位30°，符合脉管制冷机设计要求。我们可以将幅值较小的压力波通过本发明的声压放大装置放大，这样，较小的输入压力即能达到同样的入口条件，大大减小对压缩机压比要求。带有基于RC负载的声压放大装置结构的斯特林型脉管制冷机模型见图1，其等效电路见图2，假设气库C体积为300mL，则气库容抗Z_C＝-j*3.69E07Pa·s/m³，气库与制冷机并联等效阻抗Z_para＝1.06E07-j*1.91E07，系统内总体积流即为 将 作为边界条件代入控制方程(5、6)，可以计算出不同管径惯性管内压力幅值随长度分布情况(图3)。从图3中可知管径d＝10mm时，管长L＝0.7m时所需惯性管L入口压力 此时声压放大倍数为随着管径不断增加，最大声压放大倍数所需管长也会相应增加，且放大倍数越大。管长d＝25mm，管长L＝3m，时，声压放大倍数n＝4.12，此时惯性管L入口声压仅需要而前文背景中提到的第二种声压放大装置所需管长一般为四分之一声波波长，约4～5m左右，这种声压放大装置所需管长要大于惯性管L，相比较而言，管径越长，产生声功损失越大。图4中表示不同管径惯性管L中声功分布情况，需要指出的是，声压放大过程中，由于惯性管L中不可避免的流阻会消耗声功，这意味着以较小的声功损失为代价，可以大大减小压缩机出口压力负荷，这对于需要使用较高压比的场合具有重大意义。

Claims (4)

1.一种基于RC负载的声压放大装置，使用于带有线性压缩机的制冷机中，其特征在于，所述声压放大装置设置在所述压缩机与其负载之间，包括串联设置的惯性管和气库，其中惯性管端连接压缩机出口，气库端连接制冷机的负载部分。

2.根据权利要求1所述的基于RC负载的声压放大装置，其特征在于，所述制冷机为斯特林型脉管制冷机，所述气库端连接制冷机的级后冷却器。

3.一种制冷机，包括线性压缩机以及与线性压缩机连接的负载，其特征在于，所述线性压缩机与负载之间设有基于RC负载的声压放大装置，该装置包括串联设置的惯性管和气库，其中惯性管端连接压缩机出口，气库端连接制冷机的负载部分。

4.根据权利要求3所述的制冷机，其特征在于，所述制冷机为斯特林型脉管制冷机，所述气库端连接制冷机的级后冷却器。