压缩机与冷头匹配装置、脉管制冷机和匹配方法与流程

本发明属于脉管制冷机技术领域，特别涉及压缩机与冷头匹配装置、脉管制冷机和匹配方法。

背景技术：

脉管制冷机作为低温制冷机的一种，其冷端无运动部件，低温下具有高效与高可靠性的特点以及在抗电磁干扰、降低振动和长寿命方面具有的明显优势使得其应用越来越广泛。压缩机作为脉管制冷机能量输入的源头，尤其是线性压缩机的对外声功输出不仅与自身输入的电功率有关也取决于负载的阻抗特性。如果压缩机与脉管制冷机冷头之间未达到最佳的匹配，压缩机输出的声功会大大降低，从而导致整机性能恶化。

压缩机1与脉管制冷机冷头5的匹配主要通过传输管实现，如图1所示。通过改变传输管2长度或直径进而改变脉管制冷机冷头5与压缩机1之间连接段的空体积可以改变压缩机1与脉管制冷机冷头5的匹配状态。由于压缩机1的出口直径是固定的，改变传输管2长度与改变传输管2直直径相比更易于操作。当脉管制冷机冷头5的设计参数与压缩机1不能很好匹配时需要较长的传输管2。浙江大学制冷与低温研究所在设计大功率脉管制冷机的过程中曾使用长度超过1m的传输管，整机高度达到2m以上。传输管长度的增加使得脉管制冷机的整体高度变高，占用空间增大，安装调试困难，同时重心升高使得整机的安全性下降。

为了解决上述问题，申请号为201610054685.7的专利文献公开了通过改变与惯性管相连的波纹管型气库的体积来实现整机的阻抗匹配。但波纹管气库更多的是通过影响脉管制冷机冷头的相位特性，降低回热器的损失来达到提升整机性能的目的。波纹管气库并不能有效改善压缩机与脉管制冷机冷头匹配特性。

技术实现要素：

本发明提出了一种压缩机与冷头匹配装置，体积小，方便调节，使压缩机与脉管制冷机冷头达到最佳匹配状态。

一种压缩机与冷头匹配装置，包括连接压缩机与冷头的传输管，还包括安装在传输管侧壁上控制压缩机工作状态的并联气库。

通过设置安装在传输管侧壁上的并联气库，来实现压缩机的调节匹配，有效提高调节范围，使脉管制冷机结构更紧凑。

优选的，所述并联气库为活塞型、固定体积型、环形、组合体积型或波纹管型。其中，活塞型、组合体积型和波纹管型为可调体积型，在脉管制冷机设计研究阶段，所述并联气库以活塞式的可调体积型为优选，通过活塞的前后移动可以改变压缩机与冷头之间的空体积，进而改变压缩机与脉管制冷机冷头之间的匹配状态，从而实现压缩机的高效输出以及整机效率的提升。在脉管制冷机产品化阶段，并联气库以固定体积型为优选，并联气库的体积可依据活塞式可调体积型的最佳体积设计。所述固定体积型并联气库不局限于圆柱形，可以采用环形即使用环形圆管盘绕在传输管侧面以减小整机体积。

为了使结构更紧凑，优选的，所述并联气库设有多个，沿所述传输管的周向均匀分布。

为了使结构更紧凑，优选的，所述并联气库为环形结构，盘绕在所述传输管的外周。进一步优选的，气库采用为环形圆管结构。

优选的，所述并联气库通过连接管与所述传输管的侧壁连通。所述的连接管用于连接并联气库和传输管。连接管与传输管通过焊接、螺纹、法兰等形式相连接。优选的，连接管的有效过流面积以大于并联气库截面积的1/4，连接管的长度应尽可能短，以减小连接管带来的损失。所述并联气库与连接管通过焊接、螺纹、法兰等形式相连接。

本发明还提供了包括压缩机、传输管和冷头，还包括安装在传输管侧壁上的并联气库。所述并联气库与传输管连通以起到调节作用。

本发明还提供了一种压缩机与脉管制冷机冷头匹配方法，使用上述的压缩机与脉管制冷机冷头匹配装置，包括以下步骤：

(1)测量压缩机的活塞振幅、压缩机运行频率、压缩机的压缩腔压力以及压缩腔、传输管并联气库的整体和级后冷却器的温度；

(2)设定所需的压缩机的活塞表面相角和回热器热端相角；

(3)根据步骤(1)和(2)的参数，计算得到所需的传输管与并联气库的总体积；

(4)根据步骤(3)的计算结果调整并联气库到所需值。

根据j.l.martin和c.m.martin提出在压缩机和膨胀机之间增加一段空体积，通过合理选择空体积的大小可以满足对质量流量、压力振幅、压缩机活塞行程和共振频率的要求。这个空体积相当于一个阻抗匹配元件可以使得压缩机工作在最优状态。

压缩机活塞表面质量流量的计算公式如下：

其中：p0为充气压力，r为气体常数，tco为压缩腔气体平均温度，为瞬时压缩气体体积。

使用向量法对脉管制冷机中的质量流进行分析，对于一定的空体积v，其产生的质量流在压力波垂直方向增量的计算公式如下：

其中：为压力的时间导数，t为空体积内部平均温度。

对于脉管制冷机，可通过脉管热端的调相机构调节使回热器热端质量流量与压力波处于较优的相角传输管与可调体积型并联气库的总体积为vtr，此时：

其中，vco为压缩腔体积，ttr为传输管与可调体积型并联气库内的平均温度，va为级后冷却器有效空体积，ta为级后冷却器平均温度，θ为压缩机活塞表面质量流与压力波相角。vcp为压缩机最大压气体积。

vcp＝2πfxaa(4)

其中：f为压缩机运行频率，xa为压缩机活塞运行振幅，a为压缩机活塞面积。

对于脉管制冷机在不同的并联气库体积下稳定运行时，tco、ttr、ta变化可忽略，则由上式可知：

θ＝f(vtr)(5)

即压缩机活塞表面相角是传输管与并联气库总体积的单值函数。因此可通过改变并联气库的体积改变压缩机活塞表面质量流量与压力波相角，从而使压缩机工作在一个高效的状态。

在具体计算并联气库体积时，通过布置传感器测量活塞振幅，压缩机运行频率，压缩腔压力，压缩腔、传输管与并联气库的整体、级后冷却器的温度，相角的值可通过sage，deltaec等模拟软件得到。

最后由公式(5)算出最佳并联气库的体积。

然而由于在脉管制冷机开机后的降温过程中，压缩腔压力以及上述几个部件的温度都处于变化过程中，因此最佳并联气库体积也在发生变化，通过在降温过程中动态调节并联气库体积可以使得压缩机与冷头始终处于最佳的匹配状态。同时当进行冷头参数设计及调试的过程中，回热器热端相角可能发生变化。此时可以通过公式(3)调节并联气库体积使得压缩机与冷头处于最佳匹配。

本发明的有益效果：

(1)并联气库安装在传输管的侧面，整体结构更加紧凑，减少脉管制冷机空间占用。

(2)并联气库安装在传输管的侧面，减少了传输管的长度，降低了整机安装高度和重心，方便脉管制冷机冷头的安装，同时降低了因整机重心过高而发生侧翻的可能性，提高了整机的安全性。

附图说明

图1为现有技术的脉管制冷机的结构示意图。

图2为实施例1的脉管制冷机的结构示意图。

图3为实施例2的脉管制冷机的结构示意图。

图4为实施例2与现有技术的脉管制冷机制冷效果的对比图。

图5为实施例3的环形并联气库结构示意图。

图6为实施例3的环形并联气库结构示意图的俯视图。

标号说明：1、压缩机，2、传输管，3、可调体积型并联气库，4、连接管，5、脉管制冷机冷头，6、固定体积型并联气库，7、环型并联气库。

具体实施方式

结合附图，以下对本发明的结构原理进一步详细描述。

实施例1

如图2所示，本实施例的压缩机与脉管制冷机冷头匹配装置包括连接压缩机1和冷头5的传输管2，安装在传输管2侧边的可调体积型并联气库3以及连接传输管2和可调体积型并联气库3的连接管4。

可调体积型并联气库3采用活塞型，连接管4用于连接传输管2和可调体积型并联气库3。连接管4与传输管2通过焊接、螺纹、法兰等形式相连。连接管4与可调体积型并联气库3侧面通过焊接、螺纹、法兰等形式相连。连接管4的有效过流面积以大于并联气库截面积的1/4，连接管4的长度应尽可能短，以减小连接管4带来的损失。

在带有本实施例的匹配装置的脉管制冷机运行过程中，根据充气压力，压缩机运行频率，压缩腔、传输管及并联气库、级后冷却器的平均温度变化，通过实时改变可调体积型并联气库3的体积，可使得压缩机一直处于最优的工作状态。

j.l.martin和c.m.martin提出在压缩机和膨胀机之间增加一段空体积，通过合理选择空体积的大小可以满足对质量流量、压力振幅、压缩机活塞行程和共振频率的要求。这个空体积相当于容抗元件可以使得压缩机工作在最优状态。最佳空体积的具体计算方式如下：

压缩机活塞表面瞬时质量流量

其中：p0为充气压力，r为气体常数，tco为压缩腔气体平均温度，为瞬时压缩气体体积。

使用向量法对脉管制冷机中的质量流进行分析，对于一定的空体积v，其产生的质量流在压力波垂直方向增量为：

其中：为压力的时间导数，t为空体积内部平均温度。

对于脉管制冷机，可通过脉管热端的调相机构调节使回热器热端质量流量与压力波处于较优的相角传输管与可调体积型并联气库的总体积为vtr，此时：

其中，vco为压缩腔体积，ttr为传输管与可调体积型并联气库内的平均温度，va为级后冷却器有效空体积，ta为级后冷却器平均温度，θ为压缩机活塞表面质量流与压力波相角。vcp为压缩机最大压气体积。

vcp＝2πfxaa(4)

其中：f为压缩机运行频率，xa为压缩机活塞运行振幅，a为压缩机活塞面积。

对于脉管制冷机在不同的并联气库体积下稳定运行时，tco、ttt、ta变化可忽略，则由上式可知：θ＝f(vtr)(5)。

综上所述，压缩机1的活塞表面相角是传输管2与可调体积型并联气库3总体积的单值函数。因此可通过改变可调体积型并联气库3的体积改变压缩机1的活塞表面质量流量与压力波相角，从而使压缩机1工作在一个高效的状态。在实际计算可调体积型并联气库3的体积时，通过布置传感器测量活塞振幅，压缩机运行频率，压缩腔压力，压缩腔、传输管及并联气库的整体、级后冷却器的温度，相角的值可通过sage，deltaec等模拟软件得到。

最后由公式(5)算出最佳的可调体积型并联气库3的体积并对应调节。

由于在脉管制冷机开机后的降温过程中，压缩腔压力以及上述几个部件的温度都处于变化过程中，因此最佳的并联气库体积也在发生变化，通过在降温过程中动态调节可调体积型并联气库3可以使得压缩机1与冷头5始终处于最佳的匹配状态。同时当进行冷头5参数设计及调试的过程中，回热器热端相角可能发生变化。此时可以通过公式(3)调节并联气库体积使得压缩机与冷头处于最佳匹配。

实施例2

本实施例中，除了并联气库为固定体积型并联气库6外，其余结构与实施例1相同。

使用如图3的固定体积型并联气库6，是对实施例1中可调体积型并联气库3的一种补充。可调体积型并联气库3用于脉管制冷机设计研究阶段。当得到最佳的并联气库体积后，可安装图3中的固定体积型并联气库6，用于脉管制冷机产品化阶段。

如图4所示，在脉管制冷机的充气压力、运行频率以及除传输管以外的其他结构部件不变的情况下，使用与传统方式的传输管具有相同体积的固定体积型并联气库6，进行不同功率下的脉管制冷机最低制冷温度实验。实验结果表明两者在不同功率下的最低温度差异最大仅为1.26％。可以说明并联气库的方式与通过改变传输管长度的现有技术相比，具有相同的改变压缩机与脉管制冷机冷头匹配的能力。

实施例3

本实施例中，除了并联气库为环型并联气库7外，其余结构与实施例2相同。

使用如图5和图6中的环型并联气库7是对实施例2中并联气库6的一种改进。当压缩机与脉管制冷机冷头达到最佳匹配状态时，所需的并联气库体积过大，实施例2中采用的并联气库6占用的空间过大。此时可采用环型并联气库7充分利用传输管外侧的空间，从而达到整机结构紧凑，减少脉管制冷机空间占用的目的。