CN110715812A - 一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置及方法。装置中的线性压缩机和调相斯特林冷指通过连管连接；压力传感器安装在连管上，用于测量线性压缩机出口的压力波；位移传感器用于测量压缩机和冷指内活塞的位移波；控制系统通过调节压缩机和膨胀机驱动电机的输入电压幅值及相位，控制和调节压缩机和斯特林冷指内活塞的位移及相位关系，得到斯特林冷指最优性能下的最优相位关系；去除驱动电机，测试压缩机和气动冷指内活塞的位移及相位关系，评价气动斯特林制冷机是否达到最优相位关系。本发明的优点在于能够简单、快速地获得斯特林制冷机的最优相位关系，评价气动斯特林是否达到最优相位，提高斯特林制冷机设计优化效率。
Description
技术领域
本发明是涉及一种回热式低温制冷机，具体说，是涉及一种评价斯特林制冷机最优相位匹配的装置和方法。
背景技术
随着高温超导材料、红外线探测技术低温技术越来越广泛的应用于能量、医疗、航空航天等领域，低温制冷机的应用领域越来越广。
斯特林制冷机是回热式低温制冷机中典型的一类，可分为整体式和分置式。分置式斯特林制冷机是将压缩机与冷指通过细管连接，将两者完全独立分开安置。相较于整体式，分置式可以有效地削弱压缩机振动、噪声对冷指性能的影响。分置式斯特林制冷机属于由两个分离的气缸组成往复运动的活塞-排出器型制冷机，膨胀活塞在气缸中自由移动。因而，膨胀活塞如何维持在气缸中的正确行程，并且如何保持与压缩机活塞的运动具有合适的相位关系是分置式斯特林制冷机的主要问题。膨胀活塞可以通过独立的电机驱动，同时采用复杂的电控系统来精确控制压缩机活塞和膨胀活塞之间运动的相位差。
气动型分置式斯特林制冷机的膨胀活塞不用电机驱动，整个制冷机只有压缩机一个电机，因而整机重量和体积会减小，且能耗较低，在红外和超导电子学等领域具有诱人的应用前景。在这种情况下，排出器由压缩机产生周期性压力波驱动，排出器及支撑弹簧组成一个受迫振动系统，产生的阻尼力能产生合适的相位差，使排出器的运动超前压缩活塞一个相位角从而产生制冷，如何评价相位角一直是气动型制冷机设计的难点。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置及方法，这种方法可靠性高、操作简单，可以有效地提高制冷机设计优化效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，包括线性压缩机、连管、调相斯特林冷指、数据采集与控制系统、压力传感器、驱动电机、真空杜瓦、制冷量测试系统、驱动电源、压缩机第一位移传感器、压缩机第二位移传感器、斯特林冷指位移传感器和待评价斯特林冷指，所述调相斯特林冷指包括冷头、膨胀活塞、气缸和弹簧。
所述线性压缩机与调相斯特林冷指通过连管连接，连管上装有压力传感器；所述线性压缩机采用对置式线性压缩机，压缩机第一位移传感器和压缩机第二位移传感器分别安装在线性压缩机的两侧；所述冷头安装制冷量测试系统，测量制冷温度和制冷量；所述气缸外部通过法兰结构安装真空杜瓦，保证测试时高真空度；调相斯特林冷指与驱动电机连接，通过弹簧支撑膨胀活塞；驱动电机侧装有斯特林冷指位移传感器；压力传感器、压缩机第一位移传感器、压缩机第二位移传感器、斯特林冷指位移传感器、制冷量测试系统与数据采集与控制系统连接，用于调节和监控各个测点的数据。
所述连管采用螺纹连接线性压缩机和调相斯特林冷指，方便拆装，提高工作效率。
所述压力传感器通过螺纹连接到连管上。
所述驱动电机采用直线电机驱动。
待评价斯特林冷指为气动斯特林冷指，通过弹簧支撑膨胀活塞进行往复运动。
在一种可能的实施方式中，所述位移传感器采用激光位移传感器，其中，所述线性压缩机的机壳底部安装有透镜，机壳与透镜通过法兰结构连接，压缩机第一位移传感器和压缩机第二位移传感器通过透镜测量线性压缩机活塞的位移波；
所述透镜采用蓝宝石玻璃材料制得；
所述斯特林冷指位移传感器采用同样方法测量冷指侧的位移波。
在另一种可能的实施方式中，所述位移传感器采用金属感应线性位移传感器。
一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的方法，包括以下步骤：
1)通过数据采集系统对压缩机第一位移传感器、压缩机第二位移传感器、压力传感器、斯特林冷指位移传感器、制冷量测试系统进行实时监控；
2)通过控制系统调节线性压缩机和驱动电机输入电压幅值和相位，调节活塞位移Xc、膨胀活塞位移Xd；
3)通过压力传感器实时测量线性压缩机与调相斯特林冷指之间的压力波P；
4)根据热力学计算得到线性压缩机输出的PV功:Ac为线性压缩机活塞截面积，ΔPc为连管处最大压力Pmax与最小压力Pmin的差值，θ表示连管处压力波超前于活塞位移的相位角。
5)通过制冷量测试系统采集冷头处温度Tc和制冷量Q；
6)得到调相斯特林冷指制冷性能：
该性能是评价斯特林制冷机制冷性能的重要指标；
7)通过驱动电机调节膨胀活塞相位角，当COP为最优值时，此时的膨胀活塞位移相位与线性压缩机的活塞位移相位差为
8)去除驱动电机，采用气动调相代替电机驱动主动调相，通过数据采集系统测试压缩机内活塞和待评价气动斯特林冷指内膨胀活塞的位移和相位关系，此时的膨胀活塞位移相位与压缩机的活塞位移相位差为α，比较相位差
和α的关系，若两相位差数值相等则气动斯特林制冷机达到最优相位关系，否则未达到最优相位关系。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过电机驱动主动调节相位，能够简单、快速地获得斯特林制冷机最优相位关系；去除驱动电机，测试压缩机和气动冷指内活塞相位关系，评价气动斯特林是否达到最优相位，这种方法有利于提高斯特林冷指设计优化效率。
附图说明
图1为本发明实施提供的一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的系统示意图；
图2为本发明实施提供的一种待评价气动斯特林制冷机系统示意图；
图3为本发明实施提供的激光位移传感器测试活塞位移示意图。
图中标号示意如下：1、线性压缩机；101、活塞；102、机壳；103、透镜；104、法兰结构；2、连管；3、调相斯特林冷指；301、冷头；302、膨胀活塞；303、气缸；304、弹簧；4、数据采集与控制系统；5、压力传感器；6、驱动电机；7、真空杜瓦；8、制冷量测试系统；9、驱动电源；10、压缩机第一位移传感器；11、压缩机第二位移传感器；12、斯特林冷指位移传感器；13、待评价气动斯特林冷指。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
结合图1所示，本实施例提供一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，包括线性压缩机1、连管2、调相斯特林冷指3、数据采集与控制系统4、压力传感器5、驱动电机6、真空杜瓦7、制冷量测试系统8、驱动电源9、压缩机第一位移传感器10、压缩机第二位移传感器11、斯特林冷指位移传感器12、待评价气动斯特林冷指13，调相斯特林冷指3包括斯特林包括冷头301、膨胀活塞302、气缸303和弹簧304。
本实施例中，线性压缩机1与调相斯特林冷指3通过连管2连接，连管2上装有压力传感器5；线性压缩机1采用对置式线性压缩机1，压缩机第一位移传感器10和压缩机第二位移传感器11分别安装在线性压缩机1的两侧；冷头301安装制冷量测试系统8，测量制冷温度和制冷量；气缸303外部通过法兰结构104安装真空杜瓦7，保证测试时高真空度；调相斯特林冷指3与驱动电机6连接，通过弹簧304支撑膨胀活塞302；驱动电机6侧装有斯特林冷指位移传感器12；压缩机第一位移传感器10、压缩机第二位移传感器11、压力传感器5、斯特林冷指位移传感器12、制冷量测试系统8与数据采集与控制系统4连接，用于调节和监控各个测点的数据。
为了方便拆装，提高工作效率，连管2采用螺纹连接线性压缩机1和调相斯特林冷指3。
考虑到测量方便，压力传感器5通过螺纹连接到连管2上。
本实施例中，压力传感器5采用电压传感器类型，其型号为Kistler 5015A1000
本实施例中，驱动电机6采用直线电机驱动。
本实施例中，待评价斯特林冷指13为气动斯特林冷指，通过弹簧支撑膨胀活塞进行往复运动。
下面，通过具体实施例对位移传感器测试方法进行详细说明。
在一种可能的实施方式中，位移传感器采用激光位移传感器，其中，
结合图2所示，线性压缩机1的机壳102底部安装有透镜103，机壳102与透镜103通过法兰结构104连接，压缩机第一位移传感器10和压缩机第二位移传感器11通过透镜103测量线性压缩机1的活塞101的位移波；
斯特林冷指位移传感器采用同样方法测量冷指侧的位移波；
透镜103采用蓝宝石玻璃材料制得。
本实施例中，激光位移传感器采用Ometron Type 83038。
在另一种可能的实施方式中，位移传感器采用金属感应线性位移传感器。
下面，结合图1所示，对上述装置具体实施方法进行详细说明。
1)通过数据采集与控制系统4对压缩机第一位移传感器10、压缩机第二位移传感器11、压力传感器5、斯特林冷指位移传感器12、制冷量测试系统8进行实时监控；
2)通过控制系统调节线性压缩机1和驱动电机6输入电压幅值和相位，调节活塞101位移Xc、膨胀活塞302位移Xd；
3)通过压力传感器5实时测量线性压缩机1与调相斯特林冷指3之间的压力波P；
4)根据热力学计算得到线性压缩机1输出的PV功:
Ac为线性压缩机1活塞101截面积，ΔPc为连管2处最大压力Pmax与最小压力Pmin的差值，θ表示连管2处压力波超前于活塞101位移的相位角。
5)通过制冷量测试系统8采集冷头301处温度Tc和制冷量Q；
6)得到调相斯特林冷指3制冷性能：
该性能是评价斯特林制冷机制冷性能的重要指标；
7)通过驱动电机6调节膨胀活塞302相位角，当COP为最优值时，此时的膨胀活塞302位移相位与线性压缩机1的活塞101位移相位差为
8)去除驱动电机6，采用气动调相代替电机驱动主动调相，通过数据采集系统测试压缩机内活塞101和待评价气动斯特林冷指13内膨胀活塞302的位移和相位关系，此时的膨胀活塞302位移相位与压缩机的活塞101位移相位差为α，比较相位差
和α的关系，若两相位差数值相等则待评价气动斯特林冷指13达到最优相位关系，否则未达到最优相位关系。
最后有必要在此指出的是：以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，包括线性压缩机(1)、连管(2)、调相斯特林冷指(3)、数据采集与控制系统(4)、压力传感器(5)、驱动电机(6)、真空杜瓦(7)、制冷量测试系统(8)、驱动电源(9)、压缩机第一位移传感器(10)、压缩机第二位移传感器(11)、斯特林冷指位移传感器(12)和待评价气动斯特林冷指(13)，其特征在于：
所述调相斯特林冷指(3)包括冷头(301)、膨胀活塞(302)、气缸(303)和弹簧(304)；所述线性压缩机(1)与调相斯特林冷指(3)通过连管(2)连接，连管(2)上装有压力传感器(5)；所述压力传感器(5)采用螺纹连接方式连接到连管(2)上；所述连管(2)采用螺纹连接线性压缩机(1)和调相斯特林冷指(3)；所述线性压缩机(1)采用对置式线性压缩机，压缩机第一位移传感器(10)和压缩机第二位移传感器(11)分别安装在线性压缩机(1)的两侧；所述冷头(301)上安装制冷量测试系统(8)，用于测量制冷温度和制冷量；所述气缸(303)外部通过法兰结构安装真空杜瓦(7)；调相斯特林冷指(3)与驱动电机(6)连接，通过弹簧(304)支撑膨胀活塞(302)；所述驱动电机(6)侧装有斯特林冷指位移传感器(12)；所述压力传感器(5)、制冷量测试系统(8)压缩机第一位移传感器(10)、压缩机第二位移传感器(11)、斯特林冷指位移传感器(12)、与数据采集与控制系统(4)连接，用于调节和监控各个测点的数据。
2.根据权利要求1所述的一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，其特征在于：所述待评价斯特林冷指(13)为气动斯特林冷指，通过弹簧支撑膨胀活塞进行往复运动。
3.根据权利要求1所述的一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，其特征在于：所述压缩机第一位移传感器(10)和压缩机第二位移传感器(11)采用激光位移传感器，压缩机第一位移传感器(10)和压缩机第二位移传感器(11)通过安装在线性压缩机(1)的机壳(102)底部的透镜(103)测量线性压缩机(1)活塞的位移波。
4.根据权利要求1所述的一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，其特征在于：所述斯特林冷指位移传感器(12)采用激光位移传感器，采用与压缩机第一位移传感器(10)和压缩机第二位移传感器(11)同样方法测量冷指侧的位移波。
5.根据权利要求1所述的一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置，其特征在于：所述压缩机第一位移传感器(10)、压缩机第二位移传感器(11)、斯特林冷指位移传感器(12)也可采用金属感应线性位移传感器。
6.一种基于权利要求1所述的一种评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的装置的评价气动斯特林制冷机最优相位匹配的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过数据采集系统对压力传感器(5)、制冷量测试系统(8)压缩机第一位移传感器(10)、压缩机第二位移传感器(11)、斯特林冷指位移传感器(12)进行实时监控；
2)通过控制系统调节线性压缩机(1)和驱动电机(6)输入电压幅值及相位，调节活塞(101)位移Xc、膨胀活塞(302)位移Xd；
3)通过压力传感器(5)实时测量线性压缩机(1)与调相斯特林冷指(3)之间的压力波P；
4)根据热力学计算得到线性压缩机(1)输出的PV功:
Ac为线性压缩机(1)的活塞(101)截面积，ΔPc为连管(2)处最大压力Pmax与最小压力Pmin的差值，θ表示连管(2)处压力波超前于活塞(101)位移的相位角。
5)通过制冷量测试系统(8)采集冷头(301)处温度Tc和制冷量Q；
6)得到调相斯特林冷指(3)制冷性能：
该性能是评价斯特林制冷机制冷性能的重要指标；
7)通过驱动电机(6)调节膨胀活塞(302)相位角，当COP为最优值时，此时的膨胀活塞(302)位移相位与活塞(101)位移相位差为
8)去除驱动电机(6)，采用气动调相代替电机驱动主动调相，通过数据采集系统测试压缩机内活塞(101)和待评价气动斯特林冷指(13)内膨胀活塞(302)的位移和相位关系，评价气动斯特林制冷机是否达到最优相位关系。此时的膨胀活塞(302)位移相位与压缩机的活塞(101)位移相位差为α，比较相位差和α的关系，若两相位差数值相等则气动斯特林制冷机(11)达到最优相位关系，否则未达到最优相位关系。
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