與慣性管型脈沖管冷指最優(yōu)匹配的直線壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制冷與低溫工程領(lǐng)域，特別涉及一種與慣性管型脈沖管冷指最優(yōu)匹配 的直線壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖管制冷機(jī)是回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的一次重大革新，它取消了廣泛應(yīng)用于常規(guī)回 熱式低溫制冷機(jī)(如斯特林和G-Μ制冷機(jī)）中的冷端排出器，實(shí)現(xiàn)了冷端的低振動(dòng)、低干擾和 無(wú)磨損;而經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)相方式上的重要改進(jìn)，在典型溫區(qū)，其實(shí)際效率也已達(dá)到回?zé)?式低溫制冷機(jī)的最高值。這些顯著優(yōu)點(diǎn)使得脈沖管制冷機(jī)成為近30年來(lái)低溫制冷機(jī)研究的 一大熱門(mén)，在航空航天、低溫電子學(xué)、超導(dǎo)工業(yè)和低溫醫(yī)療業(yè)等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，又將脈沖管制冷機(jī)分為由直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的高頻脈沖管制冷 機(jī)和由G-Μ型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的低頻脈沖管制冷機(jī)兩種。航天及軍事等領(lǐng)域應(yīng)用的脈沖管制冷 機(jī)，因?yàn)閷?duì)重量和體積有著非常嚴(yán)格的限制，一般都采用輕量化高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的直線壓縮機(jī)，壓 縮機(jī)的工作頻率通常都在30Hz以上。由直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的高頻脈沖管制冷機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊 湊、重量輕、體積小、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、預(yù)期壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為航天紅外器件 冷卻的最熱門(mén)機(jī)型之一。
[0004] 壓力波和質(zhì)量流之間的相位差是回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)產(chǎn)生制冷效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。在 脈沖管制冷機(jī)中，實(shí)現(xiàn)壓力波和質(zhì)量流之間的相位差的相位調(diào)節(jié)方式有多種，如小孔、氣 庫(kù)、雙向進(jìn)氣、多路旁通、對(duì)稱(chēng)噴嘴和非對(duì)稱(chēng)噴嘴等等，而20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來(lái)的慣 性管則因?yàn)檎{(diào)相范圍寬、效率高、潛力大、性能穩(wěn)定可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)調(diào)性能穩(wěn)定可靠 的航空航天及軍事領(lǐng)域，成為脈沖管制冷機(jī)相位調(diào)節(jié)方式的主流形式。
[0005] 高頻脈沖管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)可以粗略地劃分為兩大部分:一、作為驅(qū)動(dòng)源的直線壓 縮機(jī)，二、除壓縮機(jī)之外的其余部分統(tǒng)稱(chēng)為脈沖管冷指。兩者之間的匹配在優(yōu)化壓縮機(jī)效率 以及提高制冷機(jī)整機(jī)制冷性能方面均有非常重要的意義。而與慣性管型脈沖管冷指最優(yōu)匹 配的直線壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)方法，目前尚未見(jiàn)系統(tǒng)深入的探討。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種與慣性管型脈沖管冷指最優(yōu)匹配的直線壓 縮機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
[0007] 本發(fā)明的目的在于，提供了一種與慣性管型高頻脈沖管冷指最優(yōu)匹配的直線壓縮 機(jī)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)該方法能夠合理設(shè)計(jì)直線壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)與已有慣性管型脈沖管冷指的最 優(yōu)匹配，從而大幅度提高脈沖管制冷機(jī)整機(jī)的制冷性能，促進(jìn)高效慣性管型高頻脈沖管制 冷機(jī)的實(shí)用化發(fā)展。
[0008] 該設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：
[0009] 步驟一:慣性管型高頻脈沖管制冷機(jī)的脈沖管冷指1包括部件連管2,級(jí)后冷卻器 3,蓄冷器4,冷端換熱器5,脈沖管6,熱端換熱器7,慣性管8,氣庫(kù)9;根據(jù)電路類(lèi)比模型，脈沖 管冷指1中的壓力被等效為電動(dòng)勢(shì)，體積流率被等效為電流，流阻，流容以及慣性被分別等 效為電路中的電阻，電容和電感，整個(gè)脈沖管冷指1可以等效成為交流電路；
[0010] 步驟二:對(duì)于給定的脈沖管冷指1，其各個(gè)部件包括連管2的橫截面面積與長(zhǎng)度，級(jí) 后冷卻器3的橫截面面積、長(zhǎng)度及孔隙率，蓄冷器4的橫截面面積、長(zhǎng)度、絲網(wǎng)直徑及孔隙率， 冷端換熱器5的橫截面面積、長(zhǎng)度及孔隙率，脈沖管6的橫截面面積與長(zhǎng)度，熱端換熱器7的 橫截面面積、長(zhǎng)度及孔隙率，慣性管8的橫截面面積與長(zhǎng)度，以及氣庫(kù)9的體積均為已知值；
[0011] 步驟三:賦予充氣壓力，運(yùn)行頻率以及氣庫(kù)9入口處的體積流率仏初始值；
[0012] 步驟四：利用電路類(lèi)比模型，逐步對(duì)脈沖管冷指1中的各個(gè)部件入口處的動(dòng)態(tài)壓 力、體積流率以及阻抗值進(jìn)行計(jì)算，最終得到連管2入口處的動(dòng)態(tài)壓力、體積流率以及阻抗， 以及冷端換熱器5處的制冷量和制冷效率；
[0013] 步驟五:調(diào)整步驟三中包括充氣壓力，運(yùn)行頻率以及氣庫(kù)9入口處的體積流率:?初 始值，重復(fù)步驟四和步驟五，得到能獲取實(shí)際目標(biāo)所需制冷量和制冷效率的最優(yōu)運(yùn)行工況， 并得到在該運(yùn)行工況下連管2入口的阻抗，體積流率、聲功以及運(yùn)行頻率；
[0014] 步驟六:所設(shè)計(jì)的直線壓縮機(jī)主要包括板彈簧10,線圈11，磁體12,輒鐵13,活塞軸 14,氣體密封間隙15以及活塞16;根據(jù)實(shí)際情況，選取能夠提供最大磁場(chǎng)強(qiáng)度的材料作為直 線壓縮機(jī)中磁體12的材料；
[0015] 步驟七:利用以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定該運(yùn)行工況下直線壓縮機(jī)中氣體密封間隙15的尺 寸；
[0016]
[0017 ]并給定直線壓縮機(jī)中活塞16表面積的初始值，根據(jù)連管2入口處的體積流率以及 運(yùn)行頻率，可得到活塞16的行程;并估算出該狀況下直線壓縮機(jī)的機(jī)械阻尼大??；
[0018] 步驟八:利用表達(dá)式（1)和表達(dá)式(2)得到該運(yùn)行工況下的最優(yōu)板彈簧軸向剛度以 及動(dòng)子質(zhì)量：
[0019]
[0020]
[0021] 其中表達(dá)式(1)中的m為動(dòng)子質(zhì)量，包括了板彈簧10、線圈11、活塞軸14以及活塞16 的質(zhì)量，A P為活塞16的表面積，| Za |為連管2入口處阻抗的幅值，Θ為連管2入口處阻抗的相位 角，ω為角頻率，Cx為軸向彈簧力與慣性力的比值，表達(dá)式（2)中的k x為板彈簧10的軸向剛 度；
[0022] 步驟八:在不影響其他部件設(shè)計(jì)的前提下，直線壓縮機(jī)中線圈11的體積應(yīng)該設(shè)計(jì) 的盡可能的最大；
[0023] 步驟九:通過(guò)表達(dá)式(3)計(jì)算出在最優(yōu)運(yùn)行工況下直線壓縮機(jī)中線圈11的電流有 效值大小：
[0024]
[0025] 表達(dá)式(3)中的Irms為線圈11電流有效值，X為活塞16的行程，B為磁體12的磁感應(yīng) 強(qiáng)度，L為磁場(chǎng)中的線圈11長(zhǎng)度，k x為板彈簧10的軸向剛度，m為動(dòng)子質(zhì)量，包括了板彈簧10、 線圈11、活塞軸14以及活塞16的質(zhì)量，ω為角頻率，|Z a|為連管2入口處阻抗的幅值，AP為活 塞16表面積，Θ為連管2入口處阻抗的相位角，b為機(jī)械阻尼;在保證該電流值小于線圈11的 安全電流的情況下，選取直徑最小的繞線，此時(shí)線圈11的電阻也為已知值；
[0026] 擊驟+，誦忖耒伏忒MH+笪m晶優(yōu)活塞而葙：
[0027] (4)
[0028]表達(dá)式(4)中的Α〇Ρ為最優(yōu)活塞面積，b為機(jī)械阻尼，B為磁體12的磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為磁 場(chǎng)中的線圈11的長(zhǎng)度，Re為線圈11的電阻，1^為板彈簧10的軸向剛度，ω為角頻率，m為動(dòng)子 質(zhì)量，包括了板彈簧10、線圈11、活塞軸14以及活塞16的質(zhì)量，|Z a|為連管2入口處阻抗的幅 值;若步驟七中設(shè)定的活塞16表面積初始值與表達(dá)式(4)計(jì)算所得的最優(yōu)活塞面積值相等， 則進(jìn)行步驟十一，如不等，回到步驟七，調(diào)整活塞16表面積的初始值，重復(fù)步驟七至步驟十；
[0029] 步驟十一:通過(guò)表達(dá)式(5)得到最優(yōu)線圈電感：
[0030]
(5)
[0031 ]表達(dá)式(5)中的Le為線圈11的最優(yōu)電感，B為磁體12的磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為磁場(chǎng)中的線 圈11的長(zhǎng)度，kx為板彈簧10的軸向剛度，m為動(dòng)子質(zhì)量，包括了板彈簧10、線圈11、活塞軸14 以及活塞16的質(zhì)量，ω為角頻率，|Z a|為連管2入口處阻抗的幅值，AP為活塞16表面積，Θ為連 管2入口處阻抗的相位角，b為機(jī)械阻尼;通過(guò)空心繞線線圈電感的計(jì)算方法，得到獲取該最 優(yōu)電感值的線圈11的繞線方式，完成設(shè)計(jì)。
[0032] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0033] 1)通過(guò)直線壓縮機(jī)與脈沖管冷指之間的相互作用關(guān)系，得到了脈沖管冷指對(duì)直線 壓縮機(jī)電機(jī)效率的影響關(guān)系；
[0034] 2)提出了一種設(shè)計(jì)方法，可設(shè)計(jì)直線壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)與慣性管型高頻脈管冷指的最優(yōu) 匹配。
[0035] 上述優(yōu)點(diǎn)使得該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的直線壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與慣性管型脈沖管冷指 的最優(yōu)匹配，同時(shí)保證壓縮機(jī)的高電機(jī)效率以及脈沖管冷指的高制冷效率，對(duì)于高效率的 慣性管型高頻脈管制冷機(jī)的實(shí)用化發(fā)展具有非常積極的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1為所發(fā)明的能實(shí)現(xiàn)與慣性管型高頻脈沖管冷指最優(yōu)匹配的直線壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方 法流程圖；
[0037] 圖2為慣性管型高頻脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖3為直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，直線壓縮機(jī)沿水平中心線中心對(duì)稱(chēng)；
[0039] 其中：1為脈沖管冷指;2為連管;3為級(jí)后冷卻器;4為蓄冷器;5為冷端換熱器;6為 脈沖管;7為熱端換熱器;8為慣性管;9為氣庫(kù)；10為板彈簧;11為線圈；12為磁體;13為輒鐵； 14為活塞軸;15為氣體密封間隙；16為活塞。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0041] 圖1為所發(fā)明的能實(shí)現(xiàn)與慣性管型高頻脈沖管冷指最優(yōu)匹配的直線壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方 法流程圖；
[0042] 圖2為慣性管型高頻脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖3為直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]該設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：
[0045] 步驟一:慣性管型高頻脈沖管制冷機(jī)的脈沖管冷指1包括部件連管2,級(jí)后冷卻器 3,蓄冷器4,冷端換熱器5,脈沖管6,熱端換熱器7,慣性管8,氣庫(kù)9;根據(jù)電路類(lèi)比模型，脈沖 管冷指1中的壓力被等效為電動(dòng)勢(shì)，體積流率被等效為電流，流阻，流容以及慣性被分別等 效為電路中的電阻，電容和電感，整個(gè)脈沖管冷指1可以等效成為交流電路；
[0046] 步驟二:對(duì)于給定的脈沖管冷指1，其各個(gè)部件包括連管2的橫截面面積與長(zhǎng)度，級(jí) 后冷卻器3的橫截面面積、長(zhǎng)度及孔隙率，蓄冷器4的橫截面面積、長(zhǎng)度、絲網(wǎng)直徑及孔隙率， 冷端換熱器5的橫截面面積、長(zhǎng)度及孔隙率，脈沖管6的橫截面面積與長(zhǎng)度，熱端換熱器7的 橫截面面積、長(zhǎng)度及孔隙率，慣性管8的橫截面面積與長(zhǎng)度，以及氣庫(kù)9的體積均為已知值；