本發(fā)明屬于低溫制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種用于線性壓縮機(jī)與低溫制冷機(jī)冷頭耦合的T型聲學(xué)匹配組件及制冷機(jī)。

背景技術(shù)：

近年來，線性壓縮機(jī)驅(qū)動的回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，特別是脈管制冷機(jī)，由于其冷端無運(yùn)動部件，可望真正成為低成本、低振動、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的長壽命低溫制冷機(jī)。隨著脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，其制冷溫度不斷降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已在超導(dǎo)器件和紅外設(shè)備的冷卻，以及氣體液化等方面得到廣泛應(yīng)用。

線性壓縮機(jī)與制冷機(jī)之間的阻抗匹配對于提高整機(jī)效率至關(guān)重要，目前大多研究集中于如何調(diào)節(jié)壓縮機(jī)或制冷機(jī)內(nèi)部參數(shù)來實(shí)現(xiàn)二者之間的匹配，較少有人關(guān)注在兩者之間加入額外的匹配結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

2002年，J.L.Martin提出了空容積匹配法，即在壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭之間串聯(lián)(或并聯(lián))一個空體積。2010年，德國吉森大學(xué)在研究中通過在壓縮機(jī)出口與制冷機(jī)冷頭之間連接空管子來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的降低，其實(shí)質(zhì)就是利用了管子中的空容積解決壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭之間的匹配關(guān)系。2013年，中科院理化所研究了大功率脈管制冷機(jī)冷頭與線性壓縮機(jī)之間空體積匹配的影響，發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)空體積使得壓縮機(jī)效率最高。浙江大學(xué)則通過Sage模型計(jì)算了壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷頭之間空體積的影響。

如圖5所示，為現(xiàn)有的采用空體積匹配方法的制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路圖；圖6為采用空體積匹配方法時，空體積對阻抗的影響。采用空體積匹配方法的制冷機(jī)滿足如下方程：

其中Z_in為制冷機(jī)自身阻抗，X為空容積等效容抗，Z_out為壓縮機(jī)出口連接處阻抗。由圖5和圖6以及上述分析可知，空體積匹配方法只能沿特定線路改變阻抗，無法實(shí)現(xiàn)從初始阻抗點(diǎn)到其他任意一阻抗點(diǎn)的調(diào)節(jié)，即無法實(shí)現(xiàn)面上的調(diào)整，這也限制了壓縮機(jī)效率的進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一系列用于線性壓縮機(jī)與低溫制冷機(jī)耦合的T型聲學(xué)匹配組件，通過引入無功耗的純聲抗部件(如純聲容氣庫、純聲感慣性管)，在不增加系統(tǒng)功耗的前提下，可將制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗(R_in+jX_in)調(diào)節(jié)至壓縮機(jī)出口聲阻抗(R_out+jX_out)，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)冷頭與壓縮機(jī)二者各自的高效運(yùn)行，從而使整個系統(tǒng)獲得最高效率。

本發(fā)明還提供了一種帶有上述T型聲學(xué)匹配組件的制冷機(jī)。

一種壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭耦合用T型聲學(xué)匹配組件，其中壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭通過主干路相連，所述T型聲學(xué)匹配組件包括三個聲抗，所述主干路上設(shè)有第一聲抗和第二聲抗，第一聲抗和第二聲抗之間的主干路上設(shè)有并聯(lián)支路，該并聯(lián)支路上設(shè)有第三聲抗，利用所述T型聲學(xué)匹配組件將制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗調(diào)節(jié)至壓縮機(jī)出口聲阻抗。

本發(fā)明的T型聲學(xué)匹配組件尤其適用于由線性壓縮機(jī)驅(qū)動的低溫制冷機(jī)系統(tǒng)。

本發(fā)明的聲學(xué)匹配組件包含呈T型連接的三個純聲抗元件，其中第一聲感串聯(lián)于主干路，聲容(或聲感)并聯(lián)于支路，第二聲感串聯(lián)于主干路。采用這種方式，從整體上提高系統(tǒng)的效率。本發(fā)明中，聲容與制冷機(jī)冷頭呈并聯(lián)連接，聲感則與制冷機(jī)冷頭呈并聯(lián)(連接于支路)或串聯(lián)(連接于干路)連接。

根據(jù)T型聲學(xué)匹配組件中并聯(lián)支路中所使用聲容或聲感的不同，其可分為兩種：

方案一：所述第一聲抗和第二聲抗均為聲感，分別為第一聲感和第二聲感，第三聲抗為聲容；即該方案包含串聯(lián)于制冷機(jī)冷頭入口主干路的聲感、并聯(lián)于其后支路的聲容、其后串聯(lián)于壓縮機(jī)出口主干路的聲感；

方案二：所述第一聲抗、第二聲抗和第三聲抗均為聲感，分別為第一聲感、第二聲感和第三聲感；所述支路的一端與主干路相連，另一端連接有一電容。也就是，該方案包含串聯(lián)于制冷機(jī)入口主干路的聲感、并聯(lián)于其后支路的依次連接的聲感和聲容、串聯(lián)于壓縮機(jī)出口主干路的聲感。這里連接于支路的聲容等效于電路中的接地。

作為優(yōu)選，聲學(xué)匹配組件需實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)和低溫制冷機(jī)冷頭同時獲得高效。對于壓縮機(jī)和低溫制冷機(jī)冷頭，二者分別存在最優(yōu)運(yùn)行阻抗，其中壓縮機(jī)出口聲阻抗為Z_out＝R_out+jX_out，制冷機(jī)冷頭聲阻抗為Z_in＝R_in+jX_in。

對于方案一：

若第一聲抗的聲感L₁已知，所述聲容的聲容C與第二聲感的聲感L₂分別為：

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部。

或者，第二聲感的聲感L₂已知，第一聲感的聲感L₁與所述聲容的聲容C分別為：

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部。

對于方案二：

若第一聲感的聲感L₁已知，第二聲感的聲感L₂與第三聲感的聲感L₃分別為：

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部。

或者，第二聲感的聲感L₂已知，第一聲感的聲感L₁與第三聲感的聲感L₃分別為：

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部。

一種制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)以及通過主干路與壓縮機(jī)相連的制冷機(jī)冷頭，所述壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭之間設(shè)有上述任一項(xiàng)所述的壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭耦合用T型聲學(xué)匹配組件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明通過引入由純聲抗組成的無功耗T型聲學(xué)匹配組件，可以實(shí)現(xiàn)低溫制冷機(jī)中壓縮機(jī)和制冷機(jī)冷頭同時獲得高效的目的，在保證制冷機(jī)高可靠性的同時，可大大提高整機(jī)制冷效率。相比于現(xiàn)有空容積匹配方法，T型聲學(xué)匹配組件對阻抗的調(diào)節(jié)范圍更廣(由線路調(diào)節(jié)擴(kuò)展至面調(diào)節(jié))，大大提高了制冷機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的包含T型聲學(xué)匹配組件的線性壓縮機(jī)驅(qū)動低溫制冷機(jī)；

圖1a是圖1所示制冷機(jī)中T型聲學(xué)匹配組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中第二種T型聲學(xué)匹配組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是第一種T型聲學(xué)匹配組件的等效電路圖；

圖4是T型聲學(xué)匹配組件對壓縮機(jī)效率的影響；

圖5是現(xiàn)有的采用空體積匹配方法的制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路圖；

圖6是采用空體積匹配方法時，空體積對阻抗的影響的示意圖。

其中：1為第一聲感、2為聲容、3為第二聲感、4為壓縮機(jī)、5為T型聲學(xué)匹配組件、6為低溫制冷機(jī)冷頭、7為第三聲感。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種包含T型聲學(xué)匹配組件的線性壓縮機(jī)驅(qū)動低溫制冷機(jī)，包含線性壓縮機(jī)4、以及與壓縮機(jī)4出口依次連接的T型聲學(xué)匹配組件5、低溫制冷機(jī)冷頭6，T型聲學(xué)匹配組件5有兩種方案，分別為由呈T型連接的第一聲感1、聲容2和第二聲感3組成的方案一或者由第一聲感1、第二聲感3和第三聲感7以及聲容2組成的方案二。

如圖1a和圖2，制冷機(jī)冷頭6與線性壓縮機(jī)4之間通過主干路連接，另外還包括一支路，該支路的一端與主干路相連，另一端與電容相連，與主干路形成并聯(lián)支路。主干路上連接有兩個聲感，位于兩個聲感之間的主干路部分與所述的支路相連。根據(jù)T型聲學(xué)匹配組件中并聯(lián)支路中所使用聲容或聲感的不同，其可分為兩種：

方案一：包含串聯(lián)于制冷機(jī)冷頭6入口主干路的第一聲感1、并聯(lián)于其后支路的聲容2、其后串聯(lián)于壓縮機(jī)4出口主干路的第二聲感2；

方案二：包含串聯(lián)于制冷機(jī)冷頭6入口主干路的第一聲感1、并聯(lián)于其后支路的依次連接的第三聲感7和聲容2、串聯(lián)于壓縮機(jī)出口主干路的第二聲感3。這里連接于支路的聲容2等效于電路中的接地，沒有實(shí)際的調(diào)節(jié)功能。

其中第一聲感1和第二聲感3串聯(lián)于壓縮機(jī)4與制冷機(jī)冷頭6之間干路上，聲容2并聯(lián)于制冷機(jī)冷頭6入口支路上。

其中第一聲感1和第一聲感3、第三聲感7可由慣性管來實(shí)現(xiàn)，聲容2可由空體積氣庫來實(shí)現(xiàn)。

聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)需實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)和低溫制冷機(jī)冷頭同時獲得高效。對于壓縮機(jī)和低溫制冷機(jī)冷頭，二者分別存在最優(yōu)運(yùn)行阻抗，其中壓縮機(jī)出口聲阻抗為Z_out＝R_out+jX_out，制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗為Z_in＝R_in+jX_in。

對于方案一，第一聲感1的聲感L₁、聲容2的聲容C與第二聲感3的聲感L₂滿足如下關(guān)系式：

求解得到第一聲感1的聲感L₁與聲容2的聲容C為：

上式中：ω為角頻率(即壓縮機(jī)運(yùn)行的角頻率，也是整個系統(tǒng)內(nèi)部振蕩的角頻率)，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部，L₂為第二聲感3的聲感，為已知值。

或者，已知第一聲感1的聲感L₁，聲容2的聲容C與第二聲感3的聲感L₂為：

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部。

對于方案二，第一聲感1的聲感L₁與第三聲感7的聲感L₃滿足如下關(guān)系式：

求解得到第一聲感1的聲感L₁與第三聲感7的聲感L₃為：

或者，已知第一聲感1的聲感L₁，第三聲感7的聲感L₃與第二聲感3的聲感L₂為：

我們以第一種方案為例，進(jìn)行詳細(xì)說明：

為滿足壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭同時獲得高效率，聲容2的聲容C與第一聲感1的第二聲感3的聲感L₂需要適當(dāng)選取。已知壓縮機(jī)出口聲阻抗為Z_out＝R_out+jX_out，制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗為Z_in＝R_in+jX_in。根據(jù)圖3所示T型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)等效電路圖，其滿足如下關(guān)系式：

聲容2的聲容C與第二聲感3的聲感L₂按照下式選取：

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗實(shí)部，X_in為制冷機(jī)入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗實(shí)部，X_out為壓縮機(jī)出口聲阻抗虛部，L₁為第一聲感的聲感，為已知值。

以圖4為例，圖4所示為某線性壓縮機(jī)運(yùn)行頻率60Hz，系統(tǒng)平均壓力2.0MPa時的阻抗-效率云圖，橫坐標(biāo)為聲阻抗實(shí)部，縱坐標(biāo)為聲阻抗虛部。假設(shè)某制冷機(jī)冷頭入口聲阻抗落在圖中所示A點(diǎn)[Z_in＝(2.5×10⁸-2.7×10⁸j)Pa·s/m³]，而壓縮機(jī)最高效率所對于的聲阻抗為B點(diǎn)[Z_out＝(7×10⁷-1×10⁸j)Pa·s/m³]，此時T型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)需將制冷機(jī)冷頭位于A點(diǎn)的聲阻抗調(diào)節(jié)至B點(diǎn)，則壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭可同時獲得高效率。給定第一聲感的聲感L₁＝1.86×10⁵kg/m⁴，將其與A點(diǎn)B點(diǎn)聲阻抗代入上述公式，可得：

C＝9.1×10^-12m³/Pa；

L₂＝9.7×10⁵kg/m⁴。

根據(jù)空體積氣庫的聲容公式：

其中V為氣庫空體積，γ為工質(zhì)絕熱指數(shù)，p₀為系統(tǒng)平均壓力。這里選取氦氣為工質(zhì)，則γ＝1.667，平均壓力p₀＝2.0MPa，則計(jì)算得到氣庫體積約為V＝30cm³。

根據(jù)慣性管聲感公式：

其中l(wèi)為管長，R為工質(zhì)氣體常數(shù)(氦氣R＝2078.5)，T為環(huán)境溫度(這里取300K)，A為慣性管截面積。假設(shè)慣性管內(nèi)徑選為3mm，則可計(jì)算得到第一聲感1所需管長約為0.41m，第二聲感3所需管長約為2.13m。

從圖4中看出，加入T型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)之前，A點(diǎn)壓縮機(jī)效率為59％，加入適當(dāng)?shù)腡型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)之后，B點(diǎn)壓縮機(jī)效率高達(dá)78％以上。

方案二的實(shí)施方式與方案一類似，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。