[发明专利]压缩机与制冷机冷头耦合用π型声学匹配组件及制冷机

说明书

本发明公开了一种压缩机与制冷机冷头耦合用π型声学匹配组件和制冷机，其中所述压缩机和制冷机冷头之间通过干路连接，所述π型声学匹配组件包括三个声抗，其中一个声抗串联于干路上，位于该声抗两侧的干路部分各设有一条并联支路，两条支路上分别设有另外两个声抗；利用所述π型声学匹配组件将制冷机冷头入口声阻抗调节至压缩机出口声阻抗。本发明通过引入由纯声抗组成的无功耗π型声学匹配网络，可以实现低温制冷机中压缩机和制冷机冷头同时获得高效的目的，在保证制冷机高可靠性的同时，可大大提高整机制冷效率。

技术领域

本发明属于低温制冷机技术领域，具体是涉及一种用于线性压缩机与低温制冷机冷头耦合的π型声学匹配组件及制冷机。

背景技术

近年来，线性压缩机驱动的回热式低温制冷机，特别是脉管制冷机，由于其冷端无运动部件，可望真正成为低成本、低振动、运行稳定可靠的长寿命低温制冷机。随着脉管制冷机结构的不断改进，其制冷温度不断降低，制冷量和制冷效率也大幅提高，已在超导器件和红外设备的冷却，以及气体液化等方面得到广泛应用。

线性压缩机与制冷机之间的阻抗匹配对于提高整机效率至关重要，目前大多研究集中于如何调节压缩机或制冷机内部参数来实现二者之间的匹配，较少有人关注在两者之间加入额外的匹配结构来实现。

2002年，J.L.Martin提出了空容积匹配法，即在压缩机与制冷机冷头之间串联(或并联)一个空体积。2010年，德国吉森大学在研究中通过在压缩机出口与制冷机冷头之间连接空管子来实现压缩机运行频率的降低，其实质就是利用了管子中的空容积解决压缩机与制冷机冷头之间的匹配关系。2013年，中科院理化所研究了大功率脉管制冷机冷头与线性压缩机之间空体积匹配的影响，发现存在最优空体积使得压缩机效率最高。浙江大学则通过Sage模型计算了压缩机与脉管制冷机冷头之间空体积的影响。

如图7所示，为现有的采用空体积匹配方法的制冷机的结构示意图及其等效电路图；图8为采用空体积匹配方法时，空体积对阻抗的影响。采用空体积匹配方法的制冷机满足如下方程：

其中Z_in为制冷机自身阻抗，X为空容积等效容抗，Z_out为压缩机出口连接处阻抗。由图7和图8以及上述分析可知，然而空体积匹配方法只能沿特定线路改变阻抗，无法实现从初始阻抗点到其他任意一阻抗点的调节，即无法实现面上的调整，这也限制了压缩机效率的进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种用于线性压缩机与低温制冷机耦合的π型声学匹配组件，通过引入无功耗的纯声抗部件(如纯声容气库、纯声感惯性管)，在不增加系统功耗的前提下，可将制冷机冷头入口声阻抗(R_in+jX_in)调节至压缩机出口声阻抗(R_out+jX_out)，实现制冷机冷头与压缩机二者各自的高效运行，从而使整个系统获得最高效率。

本发明还提供了一种含有上述π型声学匹配组件的制冷机。

一种压缩机与制冷机冷头耦合用π型声学匹配组件，其中所述压缩机和制冷机冷头之间通过干路连接，所述π型声学匹配组件包括三个声抗，其中一个声抗串联于干路上，位于该声抗两侧的干路部分各设有一条并联支路，两条支路上分别设有另外两个声抗；利用所述π型声学匹配组件将制冷机冷头入口声阻抗调节至压缩机出口声阻抗。

本发明包含呈π型连接的三个纯声抗元件，其中第一个声抗并联于支路，第二个声抗串联于干路，另外第三个声抗并联于支路，第二个声抗串联于第一个声抗与第三个声抗所在支路之间的干路部分。最终实现，第一声抗与制冷机冷头呈并联连接，第二声抗与制冷机冷头串联连接，第三声感与压缩机出口并联连接。

本发明的π型声学匹配组件尤其适用于由线性压缩机驱动的低温制冷机系统。