CN109140813A - 压缩机与制冷机冷头耦合用l型声学匹配组件及制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件以及带有该组件的制冷机，其中压缩机与制冷机冷头之间通过干路连接，所述干路上设有支路；所述L型声学匹配组件包括两个声抗，其中一个声抗串联于干路，另一个声抗并联于支路，利用所述L型声学匹配组件将制冷机冷头入口声阻抗调节至压缩机出口声阻抗。本发明通过引入由纯声抗组成的无功耗L型声学匹配网络，可以实现低温制冷机中压缩机和制冷机冷头同时获得高效的目的，在保证制冷机高可靠性的同时，可大大提高整机制冷效率。

Description

压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件及制冷机

本申请为申请号为“2016110221283”，发明名称为“压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件及制冷机”的分案申请。

技术领域

本发明属于低温制冷机技术领域，具体是涉及一种用于线性压缩机与低温制冷机冷头耦合的L型声学匹配组件及制冷机。

背景技术

近年来，线性压缩机驱动的回热式低温制冷机，特别是脉管制冷机，由于其冷端无运动部件，可望真正成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。随着脉管制冷机结构的不断改进，其制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已在超导器件和红外设备的冷却，以及气体液化等方面得到广泛应用。

线性压缩机与制冷机之间的阻抗匹配对于提高整机效率至关重要，目前大多研究集中于如何调节压缩机或制冷机内部参数来实现二者之间的匹配，较少有人关注在两者之间加入额外的匹配结构来实现。

2002年，J.L.Martin提出了空容积匹配法，即在压缩机与制冷机冷头之间串联(或并联)一个空体积。2010年，德国吉森大学在研究中通过在压缩机出口与制冷机冷头之间连接空管子来实现压缩机运行频率的降低，其实质就是利用了管子中的空容积解决压缩机与制冷机冷头之间的匹配关系。2013年，中科院理化所研究了大功率脉管制冷机冷头与线性压缩机之间空体积匹配的影响，发现存在最优空体积使得压缩机效率最高。浙江大学则通过Sage模型计算了压缩机与脉管制冷机冷头之间空体积的影响。

如图7所示，为现有的采用空体积匹配方法的制冷机的结构示意图及其等效电路图；图8为采用空体积匹配方法时，空体积对阻抗的影响示意图。采用空体积匹配方法的制冷机满足如下方程：

其中Z_in为制冷机自身阻抗，X为空容积等效容抗，Z_out为压缩机出口连接处阻抗。由图7和图8以及上述分析可知，空体积匹配方法只能沿特定线路改变阻抗，即仅能实现线上的调整，无法实现从初始阻抗点到其他任意一阻抗点的调节，即无法实现面上的调整，这也限制了压缩机效率的进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件，通过引入无功耗的纯声抗部件(如纯声容气库、纯声感惯性管)，在不增加系统功耗的前提下，可将制冷机冷头入口声阻抗(R_in+jX_in)调节至压缩机出口声阻抗(R_out+jX_out)，实现制冷机冷头与压缩机二者各自的高效运行，从而使整个系统获得最高效率。

本发明还提供一种带有上述L型声学匹配组件的制冷机。

一种用于压缩机与低温制冷机冷头耦合的L型声学匹配组件，其中压缩机与制冷机冷头之间通过干路连接，所述干路上设有支路；所述L型声学匹配组件包含呈L型连接的两个声抗，其中一个声抗串联于干路，另一个声抗并联于支路，利用所述L型声学匹配组件将制冷机冷头入口声阻抗调节至压缩机出口声阻抗。

本发明的L型声学匹配组件尤其适用于由线性压缩机驱动的低温制冷机系统。

本发明中，呈L型连接的声抗可以是声容或声感，声容和(或)声感其中声容与制冷机冷头呈并联连接，声感则与制冷机冷头呈并联(连接于支路)或串联(连接于干路)连接。

根据L型声学匹配组件中声容与声感连接位置的不同，其可分为四种：

方案(一)：连接于制冷机冷头入口支路的声容以及其后连接于压缩机出口干路的声感；

方案(二)：连接于制冷机冷头入口干路的声感以及其后连接于压缩机出口支路的声容；

方案(三)：连接于制冷机冷头入口支路的依次连接的声感、声容以及其后连接于压缩机出口干路的声感。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地，用于构建并联支路；

方案(四)：连接于制冷机冷头入口干路的声感以及其后连接于压缩机出口支路的依次连接的声感、声容。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地，用于构建并联支路。

作为优选，声学匹配组件需实现压缩机和低温制冷机冷头同时获得高效。对于压缩机和低温制冷机冷头，二者分别存在最优运行阻抗，其中压缩机出口声阻抗为Z_out＝R_out+jX_out，制冷机冷头声阻抗为Z_in＝R_in+jX_in。

对于方案(一)，作为优选，声容C与声感L满足如下关系式：

求解得到声容C与声感L为：

上式中：ω为角频率，R_in为制冷机冷头入口声阻抗实部，X_in为制冷机入口声阻抗虚部，R_out为压缩机出口声阻抗实部，X_out为压缩机出口声阻抗虚部。

对于方案(二)，作为优选，声容C与声感L满足如下关系式：

求解得到声容C与声感L为：

对于方案(三)，作为优选，声感L₁与声感L₂满足如下关系式：

求解得到声感L₁与声感L₂为：

对于方案(四)，作为优选，声感L₁声感L₂满足如下关系式：

求解得到声感L₁与声感L₂为：

一种包含L型声学匹配网络的线性压缩机驱动低温制冷机，包含线性压缩机、以及与压缩机出口依次连接的L型声学匹配组件、低温制冷机冷头，其中所述L型声学匹配组件为上述任一技术方案所述的结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明通过引入由纯声抗组成的无功耗L型声学匹配组件，可以实现低温制冷机中压缩机和制冷机冷头同时获得高效的目的，在保证制冷机高可靠性的同时，可大大提高整机制冷效率。相比于现有空容积匹配方法，L型声学匹配组件对阻抗的调节范围更广(由线路调节扩展至面调节)，大大提高了制冷机设计的灵活性。

附图说明

图1是本发明的包含L型声学匹配网络组件的线性压缩机驱动的低温制冷机结构示意图；

图1a是图1所示制冷机中L型声学匹配网络组件的结构示意图；

图2是本发明中第二种L型声学匹配网络组件的结构示意图；

图3是本发明中第三种L型声学匹配网络组件的结构示意图；

图4是本发明中第四种L型声学匹配网络组件的结构示意图；

图5是第一种L型声学匹配网络组件的等效电路图；

图6是L型声学匹配网络组件对压缩机效率的影响，即线性压缩机阻抗-效率云图；

图7是现有的采用空体积匹配方法的制冷机的结构示意图及其等效电路图；

图8是采用空体积匹配方法时，空体积对阻抗的影响的示意图。

其中：1为声容、2为声感、2a为第一声感、2b为第二声感、3为压缩机、4为L型声学匹配组件、5为低温制冷机冷头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种包含L型声学匹配网络组件的线性压缩机驱动的低温制冷机，包含线性压缩机3、以及与线性压缩机3出口依次连接的L型声学匹配网络组件4、低温制冷机冷头5，L型声学匹配网络组件4由呈L型连接的至少两个声抗组成，本发明中，声抗主要包括声容或声感等。

如图1a～图4所示，根据L型声学匹配网络组件中声容与声感连接位置的不同，其可分为四种：

如图1a所示，方案(一)：声容1连接于低温制冷机冷头5入口支路，构成并联支路；声感2连接于线性压缩机3出口干路，串联连接；

如图2所示，方案(二)：声感2连接于低温制冷机冷头5入口干路，形成串联模式；声容1连接于线性压缩机3出口支路，构成并联模式；

如图3所示，方案(三)：声容1以及第一声感2a连接于低温制冷机冷头5入口支路，构成并联连接；第二声感2b连接于线性压缩机3出口干路，构成串联连接。这里连接于支路的声容1等效于电路中的接地，为第一声感2a实现并联连接，没有实质的调节作用。

如图4所示，方案(四)：第一声感2a连接于低温制冷机冷头5入口干路，构成串联连接；声容1以及第二声感2b连接于线性压缩机3出口支路，形成并联支路。这里连接于支路的声容1等效于电路中的接地，为第二声感2b实现并联连接，没有实质的调节作用。

本发明中，声学匹配网络组件需实现压缩机和低温制冷机冷头同时获得高效。对于压缩机和低温制冷机冷头，二者分别存在最优运行阻抗，其中压缩机出口声阻抗为Z_out＝R_out+jX_out，制冷机冷头声阻抗为Z_in＝R_in+jX_in。

对于方案(一)，声容1的声容C与声感2的声感L满足如下关系式：

对于复数等式，需要满足实部和虚部分别相等，由此求解得到声容1的声容C与声感2的声感L为：

对于方案(二)，声容1的声容C与声感2的声感L满足如下关系式：

同理，求解得到声容C与声感L为：

上述各中：ω为角频率(即压缩机运行的角频率，也是整个系统内部振荡的角频率)，R_in为制冷机冷头入口声阻抗实部，X_in为制冷机入口声阻抗虚部，R_out为压缩机出口声阻抗实部，X_out为压缩机出口声阻抗虚部，C为声容1的声容，L为声感2的声感。

对于方案(三)，第一声感2a的声感L₁与第二声感2b的声感L₂满足如下关系式：

求解得到声感L₁与声感L₂为：

对于方案(四)，第一声感2a的声感L₁与第二声感2b的声感L₂，满足如下关系式：

求解得到声感L₁与声感L₂为：

本发明中，声容1可由空体积气库来实现，声感2、第二声感2a、第二声感2b可由惯性管来实现。

以方案(一)为例进行进一步说明，为满足压缩机与制冷机冷头同时获得高效率，声容1和声感2需要适当选取。已知压缩机出口声阻抗为Z_out＝R_out+jX_out，制冷机冷头声阻抗为Z_in＝R_in+jX_in。根据图5所示L型声学匹配网络等效电路图，声容C与声感L满足如下关系式：

可求得，声容C与声感L按照下式选取：

上式中：ω为角频率，R_in为制冷机冷头入口声阻抗实部，X_in为制冷机入口声阻抗虚部，R_out为压缩机出口声阻抗实部，X_out为压缩机出口声阻抗虚部。

以图6为例，图6所示为某线性压缩机阻抗-效率云图，横坐标为声阻抗实部，纵坐标为声阻抗虚部。假设某制冷机冷头入口声阻抗落在图中所示A点[Z_in＝(2.5×10⁸-2×10⁸j)Pa·s/m³]，而压缩机最高效率所对于的声阻抗为B点[Z_out＝(7×10⁷-1×10⁸j)Pa·s/m³]，此时L型声学匹配网络需将制冷机冷头位于A点的声阻抗调节至B点，则压缩机与制冷机冷头可同时获得高效率。将A点与B点声阻抗代入上述公式，可得：

C＝9.1×10^-12m³/Pa；

L＝9.7×10⁵kg/m⁴。

根据空体积气库的声容公式：

其中V为气库空体积，γ为工质绝热指数，p₀为系统平均压力。这里选取氦气为工质，则γ＝1.667，选取平均压力p₀＝2.0MPa，则计算得到气库体积约为V＝30cm³。

根据惯性管声感公式：

其中l为管长，R为工质气体常数(氦气R＝2078.5)，T为环境温度(这里取300K)，A为惯性管截面积。假设惯性管内径选为3mm，则可计算得到所需管长l约为2.13m。

从图6中看出，加入L型声学匹配网络之前，A点压缩机效率为64％，加入适当的L型声学匹配网络之后，B点压缩机效率高达78％以上。

方案(二)、方案(三)、方案(四)的实施方式与方案一类似，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件，其中压缩机与制冷机冷头之间通过干路连接，其特征在于：所述干路上设有支路；所述L型声学匹配组件包括两个声抗，其中一个声抗串联于干路，另一个声抗并联于支路，利用所述L型声学匹配组件将制冷机冷头入口声阻抗调节至压缩机出口所需声阻抗；

所述两个声抗为两个声感，分别为第一声感和第二声感，还包括一个声容；所述第一声感连接于制冷机冷头入口干路，所述第二声感连接于压缩机出口支路，该支路一端与干路连接，另一端连接所述声容。

2.根据权利要求1所述的压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件，其特征在于：所述第一声感的声感L₁与第二声感的声感L₂分别为：

上式中：ω为角频率，R_in为制冷机冷头入口声阻抗实部，X_in为制冷机冷头入口声阻抗虚部，R_out为压缩机出口声阻抗实部，X_out为压缩机出口声阻抗虚部。

3.一种制冷机，包括压缩机和制冷机冷头，其特征在于，所述压缩机和制冷机冷头之间设有权利要求1～2任一项所述的压缩机与制冷机冷头耦合用L型声学匹配组件。