CN109140814B - 压缩机与制冷机冷头耦合用π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π型声学匹配组件和制冷机，其中所述压缩机和制冷机冷头之间通过干路连接，所述π型声学匹配组件包括三个声抗，其中一个声抗串联于干路上，位于该声抗两侧的干路部分各设有一条并联支路，两条支路上分别设有另外两个声抗；利用所述π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π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π型声学匹配组件及制冷机

本发明为申请号为2016110324472，发明名称为：压缩机与制冷机冷头耦合用π型声学匹配组件及制冷机，申请日为2016/11/16的母案的分案申请。

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π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。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，然而空体积匹配方法只能沿特定线路改变阻抗，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

本发明提供了一种用于线性压缩机与低温制冷机耦合的π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。

本发明还提供了一种含有上述π型声学匹配组件的制冷机。

一种压缩机与制冷机冷头耦合用π型声学匹配组件，其中所述压缩机和制冷机冷头之间通过干路连接，所述π型声学匹配组件包括三个声抗，其中一个声抗串联于干路上，位于该声抗两侧的干路部分各设有一条并联支路，两条支路上分别设有另外两个声抗；利用所述π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。

本发明包含呈π型连接的三个纯声抗元件，其中第一个声抗并联于支路，第二个声抗串联于干路，另外第三个声抗并联于支路，第二个声抗串联于第一个声抗与第三个声抗所在支路之间的干路部分。最终实现，第一声抗与制冷机冷头呈并联连接，第二声抗与制冷机冷头串联连接，第三声感与压缩机出口并联连接。

本发明的π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。

作为优选，靠近所述制冷机冷头设置的支路为第一支路，靠近所述压缩机设置的支路的为第二支路；

声学匹配网络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。

作为优选，声抗X₁、X₂与X₃满足如下关系式：

若第一支路上声抗X₁已知，位于干路上声抗的声抗X₂与位于第二支路上声抗的声抗X₃分别为：

其中：

若第二支路上声抗的声抗X₃已知，第一支路上声抗的声抗X₁与干路上声抗的声抗X₂分别为：

其中：

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。

由于声学中不存在串联声容，故第二串联声抗只能是声感。则根据π型声学匹配网络中并联支路中所使用声容或声感的不同，其可分为四种：

第一种方案包含并联于支路的声容、串联于之后干路的声感、并联于之后支路的声容；即，所述第一支路上的声抗为声容，位于干路上的声抗为声感，所述第二支路上的声抗为声容。

第二种方案包含并联于支路的依次相连的声感和声容、串联于之后干路的声感、并联于之后支路的依次相连的声感和声容。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地。即，所述第一支路上的声抗为声感，该支路一端与干路相连，另一端连接一声容；所述干路上的声抗为声感；所述第二支路上的声抗为声感，该支路一端与干路相连，另一端连接另一声容。

第三种方案包含并联于支路的声容、串联于之后干路的声感、并联于之后支路的依次相连的声感和声容。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地；即，所述第一支路上的声抗为声容；所述干路上的声抗为声感；所述第二支路上的声抗为声感，该支路一端与干路相连，另一端连接声容。

第四种方案包含并联于支路的依次相连的声感和声容、串联于之后干路的声感、并联于之后支路声容。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地。即，所述第一支路上的声抗为声感，该支路一端与干路相连，另一端连接一声容；所述干路上的声抗为声感；所述第二支路上的声抗为声容。

对于上述四种方案中连接的声容或声感，其声容C与声感L按照下式计算得到：

X＝jωL

上式中，ω为角频率，X为对应的声抗。一种制冷机，包括压缩机以及制冷机冷头所述压缩机与制冷机冷头之间设有π型声学匹配组件。

一种包含π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π型声学匹配组件、低温制冷机冷头。

上述π型声学匹配组件的结构可采用上述任一方案所述的结构。

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π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，π型声学匹配网络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π型声学匹配组件的线性压缩机驱动低温制冷机；

图1a是图1所示制冷机中π型声学匹配组件的结构示意图；

图2是本发明中第二种π型声学匹配组件的结构示意图；

图3是本发明中第三种π型声学匹配组件的结构示意图；

图4是本发明中第四种π型声学匹配组件的结构示意图；

图5是图1a所示的第一种π型声学匹配组件的等效电路图；

图6是π型声学匹配网络对压缩机效率的影响，即某线性压缩机运行频率60Hz，系统平均压力2.0MPa时的阻抗-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为并联声容、2为串联声感、3为并联声容、4为压缩机、5为π型声学匹配组件、6为低温制冷机冷头、7为并联声感、8为并联声感。

具体实施方式

如图1所示，一种包含π型声学匹配组件的线性压缩机驱动低温制冷机，包含线性压缩机4、以及与压缩机4出口依次连接的π型声学匹配网络5、低温制冷机冷头6，π型声学匹配组件5由呈π型连接的三个声抗组成。其中两个声抗分别并联于压缩机与制冷机冷头之间两个支路上，剩余的声抗串联于两支路之间的干路上。

压缩机4出口与低温制冷机冷头6之间通过干路连接，干路上连接有声感，在声感与压缩机4出口之间的干路以及在声感与低温制冷机冷头6之间的干路上分别设有一条并联支路，分别为第一条支路和第二条支路。两个并联支路上分别设有一个声抗。第一条支路靠近制冷机冷头入口设置，第二条支路靠近压缩机出口设置。

其中并联的两个声抗可以是声容或者声感，由于声学中不存在串联声容，故串联的声抗只能是声感。声容可由空体积气库来实现，声抗可由惯性管来实现。则根据π型声学匹配组件中并联支路中所使用声容或声感的不同，其可分为四种：

方案(一)：包含并联于第一条支路的声容、串联于之后干路的声感、并联于之后第二条支路的声容，声感位于两个支路之间；

方案(二)：包含并联于第一条支路的依次相连的声感和声容、串联于之后干路的声感、并联于之后第二条支路的依次相连的声感和声容。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地；

方案(三)：包含并联于第一条支路的声容、串联于之后干路的声感、并联于之后第二条支路的依次相连的声感和声容。这里连接于第二支路的声容等效于电路中的接地；没有实际的调节作用；

方案(四)：包含并联于第一条支路的依次相连的声感和声容、串联于之后干路的声感、并联于之后第二条支路声容。这里连接于第一条支路的声容等效于电路中的接地。

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。

三个声抗的声抗分别为X₁、X₂与X₃，其中X₁为位于第一条支路上的声抗的声抗值；X₂为位于干路上的声抗的声抗值；X₃为位于第二条支路上的声抗的声抗值；X₁、X₂与X₃满足如下关系式：

已知第一支路上的声抗的声抗X₁，位于干路上的声抗的声抗X₂与位于第二条支路上的声抗的声抗X₃为：

其中

上式中：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。

或已知位于第二条支路上的声抗的声抗X₃，第一支路上的声抗的声抗X₁与位于干路上的声抗的声抗X₂：

其中

如图1a所示，方案(一)中，第一条支路的声抗为声容1，声容1的声容为C₁；串联在干路上的声抗为声感2，声感2的声感为L；并联于第二条支路上的声抗为声容3，声容3的声容为C₂；

如图2所示，方案(二)中，第一条支路的声抗为声感7，声感7的声感为L₁；串联在干路上的声抗为声感2，声感2的声感为L₂；并联于第二条支路上的声抗为声感8，声感8的声感为L₃；

如图3所示，方案(三)中，第一条支路的声抗为声容1，声容1的声容为C₁；串联在干路上的声抗为声感2，声感2的声感为L₂；并联于第二条支路上的声抗为声感7，声感7的声感为L₁；

如图4所示，方案(三)中，第一条支路的声抗为声感7，声感7的声感为L₁；串联在干路上的声抗为声感2，声感2的声感为L₂；并联于第二条支路上的声抗为声容3，声容3的声容为C₂；

对于方案(一)至方案(四)中连接的声容或声感，其声容C与声感L按照下式计算得到：

X＝jωL

上式中，ω为角频率；X为对应的声抗。

如图1和图1a所示，以方案(一)为例，作进一步说明：

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π型声学匹配组件等效电路图，声容C₁和声感L、声容C₂对应的声抗X₁、X₂与X₃满足如下关系式：

复数的实部和虚部分别相等，可求得声容C₁和声感L：

其中

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。

以图6为例，图6所示为某线性压缩机运行频率60Hz，系统平均压力2.0MPa时的阻抗-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＝(2.5×10⁸-2.7×10⁸j)Pa·s/m³]，而压缩机高效率所对于的声阻抗为B点[Z_out＝(4.8×10⁷-8.9×10⁷j)Pa·s/m³]，此时π型声学匹配组件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。

对于方案(一)，假设已知声容3的声抗为X₃＝-5×10⁸Pa·s/m³(对应气库空体积约为17.7cm³)，代入上述公式可得声容1的声容C₁与声感2的声感L分别为：

C₁＝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，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，则可计算得到声感(2)所需管长约为2.13m。

从图6中看出，加入π型声学匹配组件之前，A点压缩机效率为59％，加入适当的π型声学匹配组件之后，B点压缩机效率高达78％。

方案(二)、(三)、(四)的实施方式与方案(一)类似，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种压缩机与制冷机冷头耦合用π型声学匹配组件，其中所述压缩机和制冷机冷头之间通过干路连接，其特征在于，所述π型声学匹配组件包括三个声抗，其中一个声抗串联于干路上，位于该声抗两侧的干路部分各设有一条并联支路，两条支路上分别设有另外两个声抗；利用所述π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；

靠近所述制冷机冷头设置的支路为第一支路，靠近所述压缩机设置的支路的为第二支路；

第二支路上声抗的声抗X₃已知，第一支路上声抗的声抗X₁与干路上声抗的声抗X₂分别为：

其中：

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；

所述第一支路上的声抗为声感，该支路一端与干路相连，另一端连接一声容；所述干路上的声抗为声感；所述第二支路上的声抗为声感，该支路一端与干路相连，另一端连接另一声容。

2.一种制冷机，包括压缩机以及制冷机冷头，其特征在于，所述压缩机与制冷机冷头之间设有权利要求1所述π型声学匹配组件。