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π型聲學(xué)匹配組件及制冷機(jī)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可望真正成為低成本、低振動(dòng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)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(duì)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(lái)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(lái)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(gè)空體積。2010年，德國(guó)吉森大學(xué)在研究中通過(guò)在壓縮機(jī)出口與制冷機(jī)冷頭之間連接空管子來(lái)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(guò)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7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8為采用空體積匹配方法時(shí)，空體積對(duì)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7和圖8以及上述分析可知，然而空體積匹配方法只能沿特定線路改變阻抗，無(wú)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(wú)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)明提供了一種用于線性壓縮機(jī)與低溫制冷機(jī)耦合的π型聲學(xué)匹配組件，通過(guò)引入無(wú)功耗的純聲抗部件(如純聲容氣庫(kù)、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(gè)系統(tǒng)獲得最高效率。

本發(fā)明還提供了一種含有上述π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π型聲學(xué)匹配組件，其中所述壓縮機(jī)和制冷機(jī)冷頭之間通過(guò)干路連接，所述π型聲學(xué)匹配組件包括三個(gè)聲抗，其中一個(gè)聲抗串聯(lián)于干路上，位于該聲抗兩側(cè)的干路部分各設(shè)有一條并聯(lián)支路，兩條支路上分別設(shè)有另外兩個(gè)聲抗；利用所述π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)明包含呈π型連接的三個(gè)純聲抗元件，其中第一個(gè)聲抗并聯(lián)于支路，第二個(gè)聲抗串聯(lián)于干路，另外第三個(gè)聲抗并聯(lián)于支路，第二個(gè)聲抗串聯(lián)于第一個(gè)聲抗與第三個(gè)聲抗所在支路之間的干路部分。最終實(shí)現(xiàn)，第一聲抗與制冷機(jī)冷頭呈并聯(lián)連接，第二聲抗與制冷機(jī)冷頭串聯(lián)連接，第三聲感與壓縮機(jī)出口并聯(lián)連接。

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

作為優(yōu)選，靠近所述制冷機(jī)冷頭設(shè)置的支路為第一支路，靠近所述壓縮機(jī)設(shè)置的支路的為第二支路；

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(shí)獲得高效。對(duì)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。

作為優(yōu)選，聲抗X₁、X₂與X₃滿足如下關(guān)系式：

若第一支路上聲抗X₁已知，位于干路上聲抗的聲抗X₂與位于第二支路上聲抗的聲抗X₃分別為：

其中：

若第二支路上聲抗的聲感X₃已知，第一支路上聲抗的聲抗X₁與干路上聲抗的聲抗X₂分別為：

其中：

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。

由于聲學(xué)中不存在串聯(lián)聲容，故第二串聯(lián)聲抗只能是聲感。則根據(jù)π型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)支路中所使用聲容或聲感的不同，其可分為四種：

第一種方案包含并聯(lián)于支路的聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后支路的聲容；即，所述第一支路上的聲抗為聲容，位于干路上的聲抗為聲感，所述第二支路上的聲抗為聲容。

第二種方案包含并聯(lián)于支路的依次相連的聲感和聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后支路的依次相連的聲感和聲容。這里連接于支路的聲容等效于電路中的接地。即，所述第一支路上的聲抗為聲感，該支路一端與干路相連，另一端連接一聲容；所述干路上的聲抗為聲感；所述第二支路上的聲抗為聲感，該支路一端與干路相連，另一端連接另一聲容。

第三種方案包含并聯(lián)于支路的聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后支路的依次相連的聲感和聲容。這里連接于支路的聲容等效于電路中的接地；即，所述第一支路上的聲抗為聲容；所述干路上的聲抗為聲感；所述第二支路上的聲抗為聲感，該支路一端與干路相連，另一端連接聲容。

第四種方案包含并聯(lián)于支路的依次相連的聲感和聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后支路聲容。這里連接于支路的聲容等效于電路中的接地。即，所述第一支路上的聲抗為聲感，該支路一端與干路相連，另一端連接一聲容；所述干路上的聲抗為聲感；所述第二支路上的聲抗為聲容。

對(duì)于上述四種方案中連接的聲容或聲感，其聲容C與聲感L按照下式計(jì)算得到：

X＝j(luò)ωL

上式中，ω為角頻率，X為對(duì)應(yīng)的聲抗。一種制冷機(jī)，包括壓縮機(jī)以及制冷機(jī)冷頭所述壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭之間設(shè)有π型聲學(xué)匹配組件。

一種包含π型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)的線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)低溫制冷機(jī)，包含線性壓縮機(jī)、以及與壓縮機(jī)出口依次連接的π型聲學(xué)匹配組件、低溫制冷機(jī)冷頭。

上述π型聲學(xué)匹配組件的結(jié)構(gòu)可采用上述任一方案所述的結(jié)構(gòu)。

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(guò)引入由純聲抗組成的無(wú)功耗π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(shí)獲得高效的目的，在保證制冷機(jī)高可靠性的同時(shí)，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，π型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shuō)明

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

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

圖3是本發(fā)明中第三種π型聲學(xué)匹配組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中第四種π型聲學(xué)匹配組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是第一種π型聲學(xué)匹配組件的等效電路圖；

圖6是π型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓縮機(jī)效率的影響，即某線性壓縮機(jī)運(yùn)行頻率60Hz，系統(tǒng)平均壓力2.0MPa時(shí)的阻抗-效率云圖；

圖7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8是采用空體積匹配方法時(shí)，空體積對(duì)阻抗的影響的示意圖。

其中：1為并聯(lián)聲容、2為串聯(lián)聲感、3為并聯(lián)聲容、4為壓縮機(jī)、5為π型聲學(xué)匹配組件、6為低溫制冷機(jī)冷頭、7為并聯(lián)聲感、8為并聯(lián)聲感。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種包含π型聲學(xué)匹配組件的線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)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π型聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)5、低溫制冷機(jī)冷頭6，π型聲學(xué)匹配組件5由呈π型連接的三個(gè)聲抗組成。其中兩個(gè)聲抗分別并聯(lián)于壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭之間兩個(gè)支路上，剩余的聲抗串聯(lián)于兩支路之間的干路上。

壓縮機(jī)4出口與低溫制冷機(jī)冷頭6之間通過(guò)干路連接，干路上連接有聲感，在聲感與壓縮機(jī)4出口之間的干路以及在聲感與低溫制冷機(jī)冷頭6之間的干路上分別設(shè)有一條并聯(lián)支路，分別為第一條支路和第二條支路。兩個(gè)并聯(lián)支路上分別設(shè)有一個(gè)聲抗。第一條支路靠近制冷機(jī)冷頭入口設(shè)置，第二條支路靠近壓縮機(jī)出口設(shè)置。

其中并聯(lián)的兩個(gè)聲抗可以是聲容或者聲抗，由于聲學(xué)中不存在串聯(lián)聲容，故串聯(lián)的聲抗只能是聲感。聲容可由空體積氣庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，聲抗可由慣性管來(lái)實(shí)現(xiàn)。則根據(jù)π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，其可分為四種：

方案(一)：包含并聯(lián)于第一條支路的聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后第二條支路的聲容，聲感位于兩個(gè)支路之間；

方案(二)：包含并聯(lián)于第一條支路的依次相連的聲感和聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后第二條支路的依次相連的聲感和聲容。這里連接于支路的聲容等效于電路中的接地；

方案(三)：包含并聯(lián)于第一條支路的聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后第二條支路的依次相連的聲感和聲容。這里連接于第二支路的聲容等效于電路中的接地；沒(méi)有實(shí)際的調(diào)節(jié)作用；

方案(四)：包含并聯(lián)于第一條支路的依次相連的聲感和聲容、串聯(lián)于之后干路的聲感、并聯(lián)于之后第二條支路聲容。這里連接于第一條支路的聲容等效于電路中的接地。

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(shí)獲得高效。對(duì)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。

三個(gè)聲抗的聲抗分別為X₁、X₂與X₃，其中X₁為位于第一條支路上的聲抗的聲抗值；X₂為位于干路上的聲抗的聲抗值；X₃為位于第二條支路上的聲抗的聲抗值；X₁、X₂與X₃滿足如下關(guān)系式：

已知第一支路上的聲抗的聲抗X₁，位于干路上的聲抗的聲抗X₂與位于第二條支路上的聲抗的聲抗X₃為：

其中

上式中：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。

或已知位于第二條支路上的聲抗的聲感X₃，第一支路上的聲抗的聲抗X₁與位于干路上的聲抗的聲抗X₂：

其中

如圖1a所示，方案(一)中，第一條支路的聲抗為聲容1，聲容1的聲容為C₁；串聯(lián)在干路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L(zhǎng)；并聯(lián)于第二條支路上的聲抗為聲容3，聲容3的聲容為C₂；

如圖2所示，方案(二)中，第一條支路的聲抗為聲感7，聲感7的聲感為L(zhǎng)₁；串聯(lián)在干路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L(zhǎng)₂；并聯(lián)于第二條支路上的聲抗為聲感8，聲感8的聲容為L(zhǎng)₃；

如圖3所示，方案(三)中，第一條支路的聲抗為聲容1，聲容1的聲容為C₁；串聯(lián)在干路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L(zhǎng)₂；并聯(lián)于第二條支路上的聲抗為聲感7，聲感7的聲感為L(zhǎng)₁；

如圖4所示，方案(三)中，第一條支路的聲抗為聲感7，聲感7的聲感為L(zhǎng)₁；串聯(lián)在干路上的聲抗為聲感2，聲感2的聲感為L(zhǎng)₂；并聯(lián)于第二條支路上的聲抗為聲容3，聲容3的聲容為C₂；

對(duì)于方案(一)至方案(四)中連接的聲容或聲感，其聲容C與聲感L按照下式計(jì)算得到：

X＝j(luò)ωL

上式中，ω為角頻率；X為對(duì)應(yīng)的聲抗。

如圖1和圖1a所示，以方案(一)為例，作進(jìn)一步說(shuō)明：

為滿足壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭同時(shí)獲得高效率，聲容1和聲感2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)冷頭聲阻抗為Z_in＝R_in+jX_in。根據(jù)圖5所示π型聲學(xué)匹配組件等效電路圖，聲容C₁和聲感L、聲容C₂對(duì)應(yīng)的聲抗X₁、X₂與X₃滿足如下關(guān)系式：

復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部分別相等，可求得聲容C₁和聲感L：

其中

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。

以圖6為例，圖6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(shí)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)高效率所對(duì)于的聲阻抗為B點(diǎn)[Z_out＝(4.8×10⁷-8.9×10⁷j)Pa·s/m³]，此時(shí)π型聲學(xué)匹配組件需將制冷機(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(shí)獲得高效率。

對(duì)于方案(一)，假設(shè)已知聲容3的聲抗為X₃＝-5×10⁸Pa·s/m³(對(duì)應(yīng)氣庫(kù)空體積約為17.7cm³)，代入上述公式可得聲容1的聲容C₁與聲感2的聲感L分別為：

C₁＝9.1×10^-12m³/Pa；

L＝9.7×10⁵kg/m⁴。

根據(jù)空體積氣庫(kù)的聲容公式：

其中V為氣庫(kù)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(kù)體積約為V＝30cm³。

根據(jù)慣性管聲感公式：

其中l(wèi)為管長(zhǎng)，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)算得到聲感(2)所需管長(zhǎng)約為2.13m。

從圖6中看出，加入π型聲學(xué)匹配組件之前，A點(diǎn)壓縮機(jī)效率為59％，加入適當(dāng)?shù)腡型聲學(xué)匹配組件之后，B點(diǎn)壓縮機(jī)效率高達(dá)78％。

方案(二)、(三)、(四)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。