与惯性管型脉冲管冷指最优匹配的直线压缩机的设计方法

摘要

本发明公开了一种与惯性管型脉冲管冷指最优匹配的直线压缩机的设计方法，分为十一步：1)将冷指等效成交流电路；2)给定冷指各部件初始值；3)给定运行参数初始值；4)计算制冷量和制冷效率；5)调整运行参数获取最优运行工况及连管入口处阻抗；6)选取磁感应强度最大的材料为磁体；7)给定活塞面积初始值并确定间隙密封和机械阻尼；8)设计线圈体积；9)选取直径最小的绕线并保证电流值小于安全值；10)对比活塞面积初始值与最优值，若不等，调整活塞面积初始值重新设计，若相等，下一步；11)设计最优线圈电感，得到线圈绕线方式。本发明所提出的设计方法对于高效的惯性管型脉冲管制冷机的实用化发展具有非常积极的意义。

主权项

一种与惯性管型脉冲管冷指最优匹配的直线压缩机的设计方法，其特征在于，设计方法包括以下步骤：步骤一：惯性管型高频脉冲管制冷机的脉冲管冷指(1)包括部件连管(2)，级后冷却器(3)，蓄冷器(4)，冷端换热器(5)，脉冲管(6)，热端换热器(7)，惯性管(8)，气库(9)；根据电路类比模型，脉冲管冷指(1)中的压力被等效为电动势，体积流率被等效为电流，流阻，流容以及惯性被分别等效为电路中的电阻，电容和电感，整个脉冲管冷指(1)可以等效成为交流电路；步骤二：对于给定的脉冲管冷指(1)，其各个部件包括连管(2)的横截面面积与长度，级后冷却器(3)的横截面面积、长度及孔隙率，蓄冷器(4)的横截面面积、长度、丝网直径及孔隙率，冷端换热器(5)的横截面面积、长度及孔隙率，脉冲管(6)的横截面面积与长度，热端换热器(7)的横截面面积、长度及孔隙率，惯性管(8)的横截面面积与长度，以及气库(9)的体积均为已知值；步骤三：赋予充气压力，运行频率以及气库(9)入口处的体积流率初始值；步骤四：利用电路类比模型，逐步对脉冲管冷指(1)中的各个部件入口处的动态压力、体积流率以及阻抗值进行计算，最终得到连管(2)入口处的动态压力、体积流率以及阻抗，以及冷端换热器(5)处的制冷量和制冷效率；步骤五：调整步骤三中包括充气压力，运行频率以及气库(9)入口处的体积流率初始值，重复步骤四和步骤五，得到能获取实际目标所需制冷量和制冷效率的最优运行工况，并得到在该运行工况下连管(2)入口的阻抗，体积流率、声功以及运行频率；步骤六：所设计的直线压缩机主要包括板弹簧(10)，线圈(11)，磁体(12)，轭铁(13)，活塞轴(14)，气体密封间隙(15)以及活塞(16)；根据实际情况，选取能够提供最大磁场强度的材料作为直线压缩机中磁体(12)的材料；步骤七：利用以下经验关系确定该运行工况下直线压缩机中气体密封间隙(15)的尺寸；其中最大输入电功小于100W时，气体密封间隙为8‑10μm；最大输入电功100‑250W时，气体密封间隙为10‑12μm；最大输入电功250‑500W时，气体密封间隙为12‑15μm；给定直线压缩机中活塞(16)表面积的初始值，根据连管(2)入口处的体积流率以及运行频率，可得到活塞(16)的行程；并计算出该状况下直线压缩机的机械阻尼大小；步骤八：利用表达式(1)和表达式(2)得到该运行工况下的最优板弹簧轴向刚度以及动子质量：$m=\frac{A_p^2\left|Z_a\right|sin\theta }{\omega (C_x-1)}---\left(1\right)$$k_x=\frac{A_p^2\left|Z_a\right|C_x\omega sin\theta }{C_x-1}---\left(2\right)$其中表达式(1)中的m为动子质量，包括了板弹簧(10)、线圈(11)、活塞轴(14)以及活塞(16)的质量，A_p为活塞(16)的表面积，|Z_a|为连管(2)入口处阻抗的幅值，θ为连管(2)入口处阻抗的相位角，ω为角频率，C_x为轴向弹簧力与惯性力的比值，表达式(2)中的k_x为板弹簧(10)的轴向刚度；步骤八：在不影响其他部件设计的前提下，直线压缩机中线圈(11)的体积应该设计的尽可能的最大；步骤九：通过表达式(3)计算出在最优运行工况下直线压缩机中线圈(11)的电流有效值大小：$I_{RMS}=\frac{\sqrt{2}X}{2BL}\sqrt{{(k_x-{\mathrm{m\omega }}^2-|Z_a\left|{{\mathrm{\omega A}}_p}^{2}sin\theta \right)}^2+{(b\omega +|Z_a\left|{{\mathrm{\omega A}}_p}^{2}cos\theta \right)}^2}---\left(3\right)$表达式(3)中的I_RMS为线圈(11)电流有效值，X为活塞(16)的行程，B为磁体(12)的磁感应强度，L为磁场中的线圈(11)长度，k_x为板弹簧(10)的轴向刚度，m为动子质量，包括了板弹簧(10)、线圈(11)、活塞轴(14)以及活塞(16)的质量，ω为角频率，|Z_a|为连管(2)入口处阻抗的幅值，A_p为活塞(16)表面积，θ为连管(2)入口处阻抗的相位角，b为机械阻尼；在保证该电流值小于线圈(11)的安全电流的情况下，选取直径最小的绕线，此时线圈(11)的电阻也为已知值；步骤十：通过表达式(4)计算出最优活塞面积：$A_{op}=\sqrt[4]{\frac{{\mathrm{bB}}^2{L}^2+R_e(b^2+{\left(k_x/\omega -m\omega \right)}^2)}{R_e|Z_a{|}^2}}---\left(4\right)$表达式(4)中的A_op为最优活塞面积，b为机械阻尼，B为磁体(12)的磁感应强度，L为磁场中的线圈(11)的长度，R_e为线圈(11)的电阻，k_x为板弹簧(10)的轴向刚度，ω为角频率，m为动子质量，包括了板弹簧(10)、线圈(11)、活塞轴(14)以及活塞(16)的质量，|Z_a|为连管(2)入口处阻抗的幅值；若步骤七中设定的活塞(16)表面积初始值与表达式(4)计算所得的最优活塞面积值相等，则进行步骤十一，如不等，回到步骤七，调整活塞(16)表面积的初始值，重复步骤七至步骤十；步骤十一：通过表达式(5)得到最优线圈电感：$L_e=-\frac{B^2{L}^2(k_x-{\mathrm{m\omega }}^2-|Z_a\left|{{\mathrm{\omega A}}_p}^{2}sin\theta \right)}{{(k_x-{\mathrm{m\omega }}^2-|Z_a\left|{{\mathrm{\omega A}}_p}^{2}sin\theta \right)}^2+{(b\omega +|Z_a\left|{{\mathrm{\omega A}}_p}^{2}cos\theta \right)}^2}---\left(5\right)$表达式(5)中的L_e为线圈(11)的最优电感，B为磁体(12)的磁感应强度，L为磁场中的线圈(11)的长度，k_x为板弹簧(10)的轴向刚度，m为动子质量，包括了板弹簧(10)、线圈(11)、活塞轴(14)以及活塞(16)的质量，ω为角频率，|Z_a|为连管(2)入口处阻抗的幅值，A_p为活塞(16)表面积，θ为连管(2)入口处阻抗的相位角，b为机械阻尼；通过空心绕线线圈电感的计算方法，得到获取该最优电感值的线圈(11)的绕线方式，完成设计。