[发明专利]极低温区氦气循环多级直流线性压缩系统及设计方法

权利要求书

1.一种极低温区氦气循环多级直流线性压缩系统，其特征在于，所述多级直流线性压缩系统的结构如下：

所述的多级直流线性压缩系统由4级直流线性直流压缩机串接而成，各级输入电压及输入功相互独立，分别由不同电源提供，压缩气体单向流动，逐级压缩，压力逐级升高，以得到最终所需高低压力及压缩比，所设计多级压缩系统各级压力及总体流量保持稳定，具体性能参数由结构设计值及运行参数决定；

所述多级直流线性压缩系统由一级直流线性压缩机(1)、二级直流线性压缩机(2)、三级直流线性压缩机(3)、四级直流线性压缩机(4)构成，气流方向由一级直流线性压缩机(1)流向二级直流线性压缩机(2)，最后通过四级直流线性压缩机(4)到达高压端，各级之间以球阀(5)进行连接，使得各级之间能够在关断球阀(5)的情况下保持独立；系统内设置热式质量流量计(6)进行流量监控，整体系统通过低压管路(7)、高压管路(8)及旋转式计量阀(9)构成完整回路，形成闭式循环；

所述多级直流线性压缩系统中所使用的单级压缩机为牛津型动圈式线性压缩机，主要包含板弹簧组一(10)、板弹簧组二(10′)、线圈一(11)、线圈二(11′)、永磁体一(12)、永磁体二(12′)、轭铁一(13)、轭铁二(13′)、活塞一(14)、活塞二(14′)、间隙密封结构一(15)、间隙密封结构二(15′)、进口单向阀组件(16)以及出口单向阀组件(17)；活塞在线圈带动作用下做直线型往复运动，对气缸内部气体进行反复压缩与膨胀；气缸利用间隙密封结构一(15)及间隙密封结构二(15′)形成密闭腔体，进口单向阀组件(16)及出口单向阀组件(17)对气缸内气体进行流向检测，保证直流输出，形成稳定高低压力。

2.一种如权利要求1所述的极低温区氦气循环多级直流线性压缩系统的结构参数的设计方法，其特征在于，设计方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际工况需求，确定多级线性压缩系统整体高压值P_H与低压值P_L及所需压缩机级数n； 对于本设计系统中所使用的单级牛津型动圈式线性压缩机而言，根据尺寸的不同，取4作为压缩比平均值，压缩机级数n由设计总压缩比R＝P_H/P_L确定，压缩机级数初步拟定值为：

步骤二：确定各级最佳压缩比R_i及各级中间压力理想值；多级线性压缩系统前后级压缩机由于质量的连续性原理导致前后级压缩机扫气容积需逐级减小，进而导致每级压缩比略有不同；利用表达式(2)可确定每级最佳压缩比设定值；

表达式(2)中，R为总压缩比，i为级数，δ_i为第i级进排气管路总压力损失，可通过查表寻得；T_i为第i级吸气温度，对于各级运行温度没有明显差异的应用场合而言，可认为T_i为定值；m为氦气的绝热系数，m＝1.67；

步骤三：确定各级压缩机之间最佳缸径比及每级气缸扫气容积，缸径比指的是相邻两级之间气缸当量直径的比值，为一个大于1的值，对于直线型活塞式压缩机而言即为活塞直径的比值，最佳缸径比与步骤二中最佳压缩比是统一的，在活塞行程、板簧刚度、进排气口气体阻力等外部因素保持一致的情况下，最佳缸径比设计下的多级压缩机必然能够达到最佳压缩比；根据步骤二中各级最佳压缩比R_i可利用表达式(3)确定第i级压缩机对第i-1级压缩机的最佳缸径比β_i-1；

表达式(3)中，R为总压缩比，i为级数，δ_i为第i级进排气管路总压力损失，可通过查表寻得；λ_i为第i级排气系数，T_i为第i级吸气温度，对于各级运行温度没有明显差异的应用场合而言，可认为T_i为定值；m为氦气的绝热系数，m＝1.67；

根据实际需求的流量以及多级线性压缩系统的低压压力可以确定低压级即第一级压缩机扫气容积，进而确定第一级压缩机活塞直径D的大小，根据上述计算出的各级最佳缸径比进而确定每级活塞直径；最后，根据各级活塞直径反算各级扫气容积，判断所设计各级扫气容积之反比是否接近步骤二中所设计的各级最佳压缩比，若两者误差不超过10％，则设计值满足要求，可以进行下一步设计，若不满足，则在最佳压缩比附近微调各级压缩比并重新计算此时的最佳缸径比，直至满足条件；

步骤四：根据步骤三确定的各级活塞直径尺寸设计每一级动圈式线性压缩机，核心设计参数包含板弹簧组(10)及(10′)的刚度K_m、线圈(11)及(11′)的绕制圈数n_coil及绕制方式、永磁体(12)及(12′)的磁通量T_mag以及运动部件动子质量m；设计依据为活塞振荡运动受力平衡分析，平衡关系式为：

F_m＝F_g+F_s+F_a (4)

|F_m|＝BIL (5)

|F_a|＝2π²f²sm (8)

表达式(4)～(8)中，F_m为线圈在磁场中受到的电机力，F_g为活塞运动受到的气弹簧阻力，F_s为板簧弹性力，F_a为惯性力，B为磁场强度，I为线圈中电流密度，L为总线圈长度，ΔP为气缸内气体与背压腔压力差，D为活塞直径，k_m为板弹簧刚度，s为活塞行程，f为运行频率，m为动子质量；

确定核心参数后，设计其他结构部件的尺寸，形成完整动圈式线性压缩机；活塞与气缸壁之间采用间隙密封原理进行处理，合理装配保证气缸内气体能够在活塞往复运动产生下产生正弦交变压力波，并且活塞与气缸壁之间摩擦损失达到可以忽略的量级；

步骤五：根据各级压缩机设计运行压力及流率确定各级检测阀结构的尺寸；核心尺寸为进排气口当量气隙直径Ds，及簧片厚度w，具体值可由表达式(9)～(11)确定，

表达式(9)～(11)中，为质量流率，ρ为氦气工况温度下密度，M为气流马赫数，取M＝0.2，K为氦气气体绝热系数，R为理想气体状态常数，T₀为工况温度，ω为推力系数，取0.8～0.9之间，K_i为材料弯曲刚度系数，P_H为压力波动峰值，P_L为压力波动谷值，K₀为弯曲刚度，μ_s为材料泊松比，h为升程，取0.4～0.6mm；根据弯曲刚度K₀查询材料性质可选择合适厚度材料作为簧片，各级由于工作压力不同，因而检测阀结构略有差异；

步骤六：完成各级线性压缩机的装配并进行性能调试，第一项调试为间隙密封结构的磨合调试，具体指活塞与气缸壁之间以过盈方式配合，通过一段时间的运行调试使得两者间隙密封结构达到最优值；第二项调试为运行频率的调试，通过扫频测试测试出最佳运行频率作为实际工况参考值，若最优频率远远偏离设计流率所需频率则可以适当修改板簧结构及动子质量使得最优频率向设定频率偏移；第三项调试为验证每一级压缩机是否能够达到设计压缩比R_i，若能达到则单级设计完成，若不能达到则需进一步调整线圈参数及检测阀尺寸，以增大压缩比，达到设计要求；

步骤七：将所设计单级线性压缩机以串联方式拼接成多级线性压缩系统，并以一个计量阀作为可调式流阻组成闭式环路；将计量阀开度调节至目标流阻，对多级线性压缩系统进行测试调控，监控每级压缩机前后压力，验证所设计多级压缩系统满输入条件下总压缩比能否达到设计值，若达到则设计完成，若不能达到，则根据级间压力值判断未达到设计要求的位置，并对该级压缩机活塞直径及压缩机结构参数进行进一步调整直至达到设计要求，完成整个设计。