對置式動圈型線性壓縮機局部縮放方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對置式動圈型線性壓縮機的局部縮放方法，該方法基于線性壓縮機的結(jié)構(gòu)方程和性能方程提出。通過本發(fā)明，一旦知曉了某一性能優(yōu)良的動圈型壓縮機結(jié)構(gòu)設計的具體尺寸，以本發(fā)明給出的局部縮放方法為指導，在保證壓縮機的能量轉(zhuǎn)換效率基本不變的前提下，通過選取盡量少的部分結(jié)構(gòu)尺寸進行縮放調(diào)整，就能在較短的時間周期內(nèi)設計出較大或者較小輸出功率能力以及尺寸比例的新款對置式動圈型線性壓縮機。本發(fā)明中被縮放的參數(shù)為僅包括活塞、線圈、磁體、軛鐵、板彈簧和間隙密封等關鍵零部件的一部分。局部縮放方法對于大幅縮短對置式動圈型線性壓縮機的研發(fā)周期和成本具有非常積極的意義。
【專利說明】對置式動圈型線性壓縮機局部縮放方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及制冷與低溫工程領域，特別涉及一種對置式動圈型線性壓縮機的局部 縮放方法。該局部縮放方法適用于對置式動圈型線性壓縮機的所有四種典型形式，即：采用 長線圈軸向充磁的對置式動圈型線性壓縮機、采用短線圈軸向充磁的對置式動圈型線性壓 縮機、采用長線圈徑向充磁的對置式動圈型線性壓縮機、采用短線圈徑向充磁的對置式動 圈型線性壓縮機。

【背景技術(shù)】
[0002] 線性壓縮機（或稱直線壓縮機）是往復式活塞壓縮機的一種，也是具有革新意義 的一種往復式活塞壓縮機。傳統(tǒng)的往復式活塞壓縮機大多屬于旋轉(zhuǎn)壓縮機，即采用旋轉(zhuǎn)電 機驅(qū)動、通過曲柄連桿機構(gòu)等的機械傳動來實現(xiàn)往復運動。旋轉(zhuǎn)壓縮機的缺點非常明顯， 其主要表現(xiàn)在能量傳遞環(huán)節(jié)多、振動和噪聲大、整機控制復雜、能量轉(zhuǎn)化效率低，特別是因 結(jié)構(gòu)特點而對活塞施加的徑向作用力，是產(chǎn)生無用功、機械磨損、系統(tǒng)污染等的主要來源之 一，因而嚴重限制了其工作壽命。例如，設計優(yōu)秀的旋轉(zhuǎn)壓縮機的連續(xù)工作壽命也往往低于 1萬小時，因此，對于一些要求長壽命工作的特殊領域，旋轉(zhuǎn)壓縮機已遠遠不能滿足要求。線 性壓縮機則利用直線電機驅(qū)動活塞在氣缸中作往復直線運動，根據(jù)電磁場相關理論，直線 電機對活塞施加的是一個與活塞軸向絕對平行的線性力，因而在理論上，正確設計的線性 壓縮機完全消除了對活塞的徑向作用力，因而消除了活塞和氣缸壁之間的機械磨損以及由 此產(chǎn)生的無用功，也杜絕了為減輕磨損而使用的潤滑油帶來的系統(tǒng)污染，因而工作壽命、穩(wěn) 定性和能量轉(zhuǎn)化效率都得到了顯著提高，從而在需要長壽命、高可靠和高效率工作的航天 及軍事等特殊領域有著非常重要的應用。
[0003] 線性壓縮機的核心部件是直線電機，直線電機根據(jù)工作中進行運動的關鍵部件大 體可分為三類：動鐵型、動圈型和動磁型。動鐵型線性壓縮機不使用永磁體，因而價格較低 廉，但是性能相對不穩(wěn)定，控制較困難，隨著永磁體技術(shù)的進步和成本的降低，動鐵型直線 電機的應用逐漸減少；動圈型和動磁型線性壓縮機的電機都包括三個核心部件：永磁體、 軛鐵和載流線圈，根據(jù)運動時是載流線圈還是永磁體運動而區(qū)分為動圈型和動磁型。其中， 動圈型線性壓縮機因其結(jié)構(gòu)上的特點實現(xiàn)了徑向力的完全消除，而且在開路時在載流線圈 上不產(chǎn)生軸向力和扭矩，因而具有高效率、低噪聲和高可靠的突出優(yōu)點，因而成為近30年 來國際范圍內(nèi)空間回熱式低溫制冷機（以脈沖管制冷機和斯特林制冷機為代表）的首選動 力源。以美國為代表的西方發(fā)達國家為例，在近20年間發(fā)射升空的具有5年以上長壽命要 求的航天脈沖管制冷機中，絕大多數(shù)都采用了動圈型線性壓縮機。
[0004] 此外，研究者在實踐當中發(fā)現(xiàn)，單臺線性壓縮機由于運動及結(jié)構(gòu)上的不平衡，往往 會產(chǎn)生較大的振動輸出，在航天及軍事等特殊應用場合，這一振動量級往往不可接受。為了 最大限度地降低這一振動量，實用的線性壓縮機往往設計成將兩臺完全對等的壓縮機對置 布置，其目的是使二者的振動在運動中彼此抵消，該技術(shù)對于發(fā)展低振動線性壓縮機的重 要意義已為實踐所充分證實。
[0005] 由上述背景知識可知，對置式動圈型線性壓縮機已成為長壽命星載線性壓縮機的 主流和骨干品種，其獨特優(yōu)勢已為近20來回熱式低溫制冷機（特別是以脈沖管制冷機為代 表的新一代回熱式低溫制冷機）的航天實踐所充分驗證。
[0006] 根據(jù)載流線圈的長短和永磁體的充磁方向，還可以將動圈型線性壓縮機分為四種 形式，即：采用長線圈軸向充磁的動圈型線性壓縮機、采用短線圈軸向充磁的動圈型線性壓 縮機、采用長線圈徑向充磁的動圈型線性壓縮機、采用短線圈徑向充磁的動圈型線性壓縮 機。圖1給出了一種采用短線圈徑向充磁的對置式動圈型線性壓縮機的示意圖，其主要組 成結(jié)構(gòu)為：壓縮機外殼1、板彈簧2、板彈簧7、線圈支架3、軛鐵5、磁體6、活塞8、間隙密封 結(jié)構(gòu)9、汽缸10。
[0007] 根據(jù)制冷機的冷卻對象、工作溫區(qū)、制冷量、工作環(huán)境的不同，對線性壓縮機的尺 寸也有著相應的不同要求，因而就對線性壓縮機的柔性設計提出了日益迫切的要求。傳統(tǒng) 上，在線性壓縮機的設計過程中，各個部件的精確尺寸可以借助有限元分析求得，此種方法 精度較高，但是設計過程中必須進行大量的誤差分析，尤其是，假如每臺線性壓縮機都使用 上述方法從零開始設計，將是十分耗時費力的工作。
[0008] 因而在對置式動圈型線性壓縮機的研發(fā)和實踐中，人們迫切需要一種方便、快捷 而有實用的快速高效的壓縮機設計方法，遺憾的是，因為該類壓縮機在國內(nèi)的發(fā)展才剛剛 起步，該類快速高效設計方法還很少見。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種對置式動圈型線性壓縮機的局部縮放方 法。
[0010] 本發(fā)明的目的在于，基于對置式動圈型線性壓縮機的結(jié)構(gòu)方程和性能方程提出一 種局部縮放方法，通過本發(fā)明，一旦知曉了某一性能優(yōu)良的對置式動圈型線性壓縮機結(jié)構(gòu) 設計的具體尺寸，以本發(fā)明給出的局部縮放方法為指導，在保證壓縮機的能量轉(zhuǎn)換效率基 本不變的前提下，通過選取盡量少的部分結(jié)構(gòu)尺寸進行縮放調(diào)整，就能在較短的時間周期 內(nèi)設計出較大或者較小輸出功率能力以及尺寸比例的新款對置式動圈型線性壓縮機，從而 大幅度縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本。
[0011] 所發(fā)明的對置式動圈型線性壓縮機的局部縮放方法基于對置式動圈型線性壓縮 機的結(jié)構(gòu)方程和性能方程提出，僅選取部分必要的結(jié)構(gòu)尺寸進行縮放調(diào)整，在保證壓縮機 效率不變的前提下，實現(xiàn)對壓縮機性能的縮放。
[0012] 本發(fā)明定義一個用于計算所選結(jié)構(gòu)參數(shù)縮放系數(shù)的縮放因子K，所選結(jié)構(gòu)初始設 計對應K = 1，尺寸放大對應K>1，尺寸縮小對應K〈l。
[0013] 在使用時，需遵循如下前提：壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的電流密度、磁感應強度、板彈簧彈性 模量、工質(zhì)氣體的壓強振幅、工質(zhì)氣體的粘性系數(shù)、充氣壓力、導線12的電阻率在縮放過程 中不發(fā)生改變；滿足上述前提之后，即可進行尺寸參數(shù)的選取及尺寸參數(shù)的縮放系數(shù)的確 定；然后再通過設計方程確定下列性能參數(shù)的縮放系數(shù)：板彈簧軸向剛度、氣體彈簧剛度、 壓縮機的共振頻率、壓縮機的運行頻率、掃氣體積、電機推力、慣性力、氣體彈簧作用力、板 彈簧作用力、活塞運行速度、電機輸入功、電機熱損、PV功、間隙密封功損。
[0014] 局部縮放方法從活塞直徑16、活塞長度15、板彈簧直徑13、板彈簧厚度14、上板彈 簧2的數(shù)量、下板彈簧7的數(shù)量、汽缸10的尺寸、軛鐵5的尺寸、磁體內(nèi)徑17、磁體外徑18、 磁體寬度19、線圈支架3的尺寸、導線直徑20、導線12的長度、壓縮機外殼1的尺寸中選取 部分必要結(jié)構(gòu)尺寸進行縮放，剩余結(jié)構(gòu)尺寸不做改變。
[0015] 壓縮機性能參數(shù)的縮放系數(shù)的具體確定過程：
[0016] 步驟一：壓縮機的運行頻率設計；
[0017] 壓縮機在其共振頻率下運行時能獲得最高的效率，故一般都會將壓縮機的運行頻 率f設計成壓縮機的共振頻率fn。壓縮機的共振頻率由運動質(zhì)量m、板彈簧軸向剛度h和 氣體彈簧剛度kg所決定：

【權(quán)利要求】
1. 一種對置式動圈型線性壓縮機的局部縮放方法，其特征在于： 所述的局部縮放方法基于對置式動圈型線性壓縮機的結(jié)構(gòu)方程和性能方程提出，僅選 取部分必要的結(jié)構(gòu)尺寸進行縮放調(diào)整，在保證壓縮機效率不變的前提下，實現(xiàn)對壓縮機性 能的縮放； 定義一個用于計算所選結(jié)構(gòu)參數(shù)縮放系數(shù)的縮放因子K，所選結(jié)構(gòu)初始設計對應K= 1，尺寸放大對應K>1，尺寸縮小對應K〈1 ; 在使用時，需遵循如下前提：壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的電流密度、磁感應強度、板彈簧彈性模量、 工質(zhì)氣體的壓強振幅、工質(zhì)氣體的粘性系數(shù)、充氣壓力、導線（12)的電阻率在縮放過程中 不發(fā)生改變；滿足上述前提之后，即可進行尺寸參數(shù)的選取及尺寸參數(shù)的縮放系數(shù)的確定； 然后再通過設計方程確定下列性能參數(shù)的縮放系數(shù)：板彈簧軸向剛度、氣體彈簧剛度、壓縮 機的共振頻率、壓縮機的運行頻率、掃氣體積、電機推力、慣性力、氣體彈簧作用力、板彈簧 作用力、活塞運行速度、電機輸入功、電機熱損、PV功、間隙密封功損。
2. 根據(jù)權(quán)利要1所述的一種對置式動圈型線性壓縮機的局部縮放方法，其特征在于： 所述的尺寸參數(shù)的選取及其縮放系數(shù)的確定方法如下： 從活塞直徑（16)、活塞長度（15)、板彈簧直徑（13)、板彈簧厚度（14)、上板彈簧（2)的 數(shù)量、下板彈簧（7)的數(shù)量、汽缸（10)的尺寸、軛鐵（5)的尺寸、磁體內(nèi)徑（17)、磁體外徑 (18)、磁體寬度（19)、線圈支架（3)的尺寸、導線直徑（20)、導線（12)的長度、壓縮機外殼 (1) 的尺寸中選取部分必要的結(jié)構(gòu)尺寸進行縮放，剩余的結(jié)構(gòu)尺寸不做改變。
3. 根據(jù)權(quán)利要1所述的一種對置式動圈型線性壓縮機的局部縮放方法，其特征在于： 所述的性能參數(shù)的縮放系數(shù)的具體確定過程如下： 步驟一：壓縮機的運行頻率設計； 壓縮機在其共振頻率下運行時能獲得最高的效率，故一般都會將壓縮機的運行頻率設 計成壓縮機的共振頻率：
式中：f為壓縮機的運行頻率；fn為壓縮機的共振頻率；km為板彈簧軸向剛度；kg為氣 體彈簧剛度；m為動子質(zhì)量； 縮放時，板彈簧型線（11)不做改變，已知板彈簧軸向剛度滿足：
式中：< 為板彈簧軸向剛度；DS為板彈簧直徑（13) ;ts為板彈簧厚度（14);上板彈簧 (2) 和下板彈簧（7)的數(shù)量均為Ns ; 氣體彈簧剛度kg往往要比板彈簧軸向剛度大上數(shù)倍：
式中：ap為活塞（8)的截面積；s為活塞行程；D為活塞直徑（16) ;AP為工質(zhì)氣體的壓 強振幅； 縮放時，可選取其中任意一個或多個參數(shù)進行縮放，實現(xiàn)對板彈簧軸向剛度km和氣體 彈簧剛度kg的縮放； 基于（1)式、（2)式和（3)式，通過縮放板彈簧軸向剛度km、氣體彈簧剛度1^和動子質(zhì) 量m可實現(xiàn)對壓縮機的運行頻率的縮放； 步驟二：活塞受力分析； 活塞（8)主要受四個力的作用，分別為電機推力F、慣性力Fp氣體彈簧作用力Fg以及 板彈簧作用力Fm:
式中：B為磁體（6)的磁感應強度；I為電流強度；L為導線（12)的長度；i為電流密度；D。為導線直徑（20); 通過調(diào)整部分結(jié)構(gòu)尺寸，可以實現(xiàn)對電機推力、慣性力、氣體彈簧作用力和板彈簧作用 力的縮放； 步驟三：壓縮機功率變化； 壓縮機的電機輸入功由電機推力和活塞運行速度丨決定：
因此，結(jié)合⑶式和（9)式，可以得到：
電機的主要損失為電機熱損Q。： Qc=I2Rc (11) I=iac (12) Rc =PcL/ac(13) 式中：a。為導線（12)的截面積；P。為導線（12)的電阻率； 將（12)式和（13)式代入到（11)中去： Qc=i2PcacL (14) 壓縮機的PV功滿足：
式中：〈士PV〉為pv功；AV為壓縮機掃氣容積； 電機輸入功、電機熱損和PV功的縮放系數(shù)由步驟一和步驟二中所選結(jié)構(gòu)參數(shù)的縮放 系數(shù)所決定； 確保電機輸入功、電機熱損和PV功的縮放系數(shù)相同，可在保證壓縮機效率不變的前提 下，實現(xiàn)對置式動圈型線性壓縮機性能的縮放。
【文檔編號】G06F19/00GK104408282SQ201410546462
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】黨海政, 張雷 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所