本發(fā)明屬于低溫制冷機技術領域，具體是涉及一種用于線性壓縮機與低溫制冷機冷頭耦合的T型聲學匹配組件及制冷機。

背景技術：

近年來，線性壓縮機驅(qū)動的回熱式低溫制冷機，特別是脈管制冷機，由于其冷端無運動部件，可望真正成為低成本、低振動、運行穩(wěn)定可靠的長壽命低溫制冷機。隨著脈管制冷機結構的不斷改進，其制冷溫度不斷降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已在超導器件和紅外設備的冷卻，以及氣體液化等方面得到廣泛應用。

線性壓縮機與制冷機之間的阻抗匹配對于提高整機效率至關重要，目前大多研究集中于如何調(diào)節(jié)壓縮機或制冷機內(nèi)部參數(shù)來實現(xiàn)二者之間的匹配，較少有人關注在兩者之間加入額外的匹配結構來實現(xiàn)。

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

其中Z_in為制冷機自身阻抗，X為空容積等效容抗，Z_out為壓縮機出口連接處阻抗。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，無法實現(xiàn)從初始阻抗點到其他任意一阻抗點的調(diào)節(jié)，即無法實現(xiàn)面上的調(diào)整，這也限制了壓縮機效率的進一步提高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一系列用于線性壓縮機與低溫制冷機耦合的T型聲學匹配組件，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，可將制冷機冷頭入口聲阻抗(R_in+jX_in)調(diào)節(jié)至壓縮機出口聲阻抗(R_out+jX_out)，實現(xiàn)制冷機冷頭與壓縮機二者各自的高效運行，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型聲學匹配組件的制冷機。

一種壓縮機與制冷機冷頭耦合用T型聲學匹配組件，其中壓縮機與制冷機冷頭通過主干路相連，所述T型聲學匹配組件包括三個聲抗，所述主干路上設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有并聯(lián)支路，該并聯(lián)支路上設有第三聲抗，利用所述T型聲學匹配組件將制冷機冷頭入口聲阻抗調(diào)節(jié)至壓縮機出口聲阻抗。

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

本發(fā)明的聲學匹配組件包含呈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，聲容與制冷機冷頭呈并聯(lián)連接，聲感則與制冷機冷頭呈并聯(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，聲學匹配組件需實現(xiàn)壓縮機和低溫制冷機冷頭同時獲得高效。對于壓縮機和低溫制冷機冷頭，二者分別存在最優(yōu)運行阻抗，其中壓縮機出口聲阻抗為Z_out＝R_out+jX_out，制冷機冷頭聲阻抗為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為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部。

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為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部。

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為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部。

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為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部。

一種制冷機，包括壓縮機以及通過主干路與壓縮機相連的制冷機冷頭，所述壓縮機與制冷機冷頭之間設有上述任一項所述的壓縮機與制冷機冷頭耦合用T型聲學匹配組件。

與現(xiàn)有技術相比，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型聲學匹配組件，可以實現(xiàn)低溫制冷機中壓縮機和制冷機冷頭同時獲得高效的目的，在保證制冷機高可靠性的同時，可大大提高整機制冷效率。相比于現(xiàn)有空容積匹配方法，T型聲學匹配組件對阻抗的調(diào)節(jié)范圍更廣(由線路調(diào)節(jié)擴展至面調(diào)節(jié))，大大提高了制冷機設計的靈活性。

附圖說明

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

圖1a是圖1所示制冷機中T型聲學匹配組件的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中第二種T型聲學匹配組件的結構示意圖；

圖3是第一種T型聲學匹配組件的等效電路圖；

圖4是T型聲學匹配組件對壓縮機效率的影響；

圖5是現(xiàn)有的采用空體積匹配方法的制冷機的結構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、5為T型聲學匹配組件、6為低溫制冷機冷頭、7為第三聲感。

具體實施方式

如圖1所示，一種包含T型聲學匹配組件的線性壓縮機驅(qū)動低溫制冷機，包含線性壓縮機4、以及與壓縮機4出口依次連接的T型聲學匹配組件5、低溫制冷機冷頭6，T型聲學匹配組件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，制冷機冷頭6與線性壓縮機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4出口主干路的第二聲感2；

方案二：包含串聯(lián)于制冷機冷頭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4與制冷機冷頭6之間干路上，聲容2并聯(lián)于制冷機冷頭6入口支路上。

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

聲學匹配網(wǎng)絡需實現(xiàn)壓縮機和低溫制冷機冷頭同時獲得高效。對于壓縮機和低溫制冷機冷頭，二者分別存在最優(yōu)運行阻抗，其中壓縮機出口聲阻抗為Z_out＝R_out+jX_out，制冷機冷頭入口聲阻抗為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(即壓縮機運行的角頻率，也是整個系統(tǒng)內(nèi)部振蕩的角頻率)，R_in為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部，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為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機冷頭入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部。

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，進行詳細說明：

為滿足壓縮機與制冷機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需要適當選取。已知壓縮機出口聲阻抗為Z_out＝R_out+jX_out，制冷機冷頭入口聲阻抗為Z_in＝R_in+jX_in。根據(jù)圖3所示T型聲學匹配網(wǎng)絡等效電路圖，其滿足如下關系式：

聲容2的聲容C與第二聲感3的聲感L₂按照下式選?。?/p>

上式中：ω為角頻率，R_in為制冷機冷頭入口聲阻抗實部，X_in為制冷機入口聲阻抗虛部，R_out為壓縮機出口聲阻抗實部，X_out為壓縮機出口聲阻抗虛部，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運行頻率60Hz，系統(tǒng)平均壓力2.0MPa時的阻抗-效率云圖，橫坐標為聲阻抗實部，縱坐標為聲阻抗虛部。假設某制冷機冷頭入口聲阻抗落在圖中所示A點[Z_in＝(2.5×10⁸-2.7×10⁸j)Pa·s/m³]，而壓縮機最高效率所對于的聲阻抗為B點[Z_out＝(7×10⁷-1×10⁸j)Pa·s/m³]，此時T型聲學匹配網(wǎng)絡需將制冷機冷頭位于A點的聲阻抗調(diào)節(jié)至B點，則壓縮機與制冷機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B點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。假設慣性管內(nèi)徑選為3mm，則可計算得到第一聲感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型聲學匹配網(wǎng)絡之前，A點壓縮機效率為59％，加入適當?shù)腡型聲學匹配網(wǎng)絡之后，B點壓縮機效率高達78％以上。

方案二的實施方式與方案一類似，均屬于本發(fā)明的保護范圍。