压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件及制冷机.pdf

本发明公开了一种压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，包括呈T型连接的三个纯声抗元件；根据T型声学匹配组件中并联支路所连接声容或声感类型的不同，其可分为两种结构。本发明还公开了一种包含T型声学匹配组件的制冷机，包括线性压缩机、以及与压缩机出口依次连接的T型声学匹配组件、低温制冷机冷头。本发明通过引入由纯声抗组成的无功耗T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。

1.一种压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其中压缩机与制冷机冷头通过
主干路相连，其特征在于，所述T型声学匹配组件包括三个声抗，所述主干路上设有第一声
抗和第二声抗，第一声抗和第二声抗之间的主干路上设有并联支路，该并联支路上设有第
三声抗，利用所述T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所需声阻
抗。
2.根据权利要求1所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其特征在于，
所述第一声抗和第二声抗均为声感，分别为第一声感和第二声感，第三声抗为声容。
3.根据权利要求2所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其特征在于，
第一声抗的声感L1已知，所述声容的声容C与第二声感的声感L2分别为：
$C=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\frac{X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1\±\sqrt{R_{in}/R_{out}\[R_{in}^2+{(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)}^2\]-R_{in}^2}}{R_{in}^2+{(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)}^2}$
$L_2=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\[\frac{1}{\mathrm{\ω}C}-\frac{R_{out}\[1-\mathrm{\ω}C(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)\]}{\mathrm{\ω}C(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)}+X_{out}\]$
上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声阻抗虚
部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。
4.根据权利要求2所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其特征在于，
第二声感的声感L2已知，第一声感的声感L1与所述声容的声容C分别为：
$C=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\{\frac{(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)}{\[R_{in}^2+{(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)}^2\]}-\frac{X_{out}+{\mathrm{\ωL}}_2}{\[R_{out}^2+{(X_{out}+{\mathrm{\ωL}}_2)}^2\]}\}$
$L_1=\frac{-X_{in}\±\sqrt{1/R_{out}{R}_{in}\[R_{out}^2+{(X_{out}-{\mathrm{\ωL}}_2)}^2\]-R_{in}^2}}{\mathrm{\ω}}$
上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声阻抗虚
部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。
5.根据权利要求2所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其特征在于，
第一声抗、第二声抗和第三声抗均为声感，分别为第一声感、第二声感和第三声感；所述支
路的一端与主干路相连，另一端连接有一电容。
6.根据权利要求5所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其特征在于，
第一声感的声感L1已知，第二声感的声感L2与第三声感的声感L3分别为：

$L_2=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\[-{\mathrm{\ωL}}_1+\frac{{\mathrm{\ωL}}_1{R}_{out}\[1+1/{\mathrm{\ωL}}_1(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1)\]}{X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_1}+X_{out}\]$
上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声阻抗虚
部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。
7.根据权利要求5所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件，其特征在于，
第二声感的声感L2已知，第一声感的声感L1与第三声感的声感L3分别为：
$L_1=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\{\frac{(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_3)}{\[R_{in}^2+{(X_{in}+{\mathrm{\ωL}}_3)}^2\]}-\frac{X_{out}-{\mathrm{\ωL}}_2}{\[R_{out}^2+{(X_{out}-{\mathrm{\ωL}}_2)}^2\]}\}$

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声阻抗虚
部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。
8.一种制冷机，包括压缩机以及通过主干路与压缩机相连的制冷机冷头，其特征在于，
所述压缩机与制冷机冷头之间设有权利要求1～7任一项所述的压缩机与制冷机冷头耦合
用T型声学匹配组件。

压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组件及制冷机

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T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5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6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Zin为制冷机自身阻抗，X为空容积等效容抗，Zout为压缩机出口连接处阻抗。由
图5和图6以及上述分析可知，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

本发明提供了一系列用于线性压缩机与低温制冷机耦合的T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(Rin+jXin)调节至压缩机出口声阻抗(Rout+jXout)，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带有上述T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T型声学匹配组件，其中压缩机与制冷机冷头通
过主干路相连，所述T型声学匹配组件包括三个声抗，所述主干路上设有第一声抗和第二声
抗，第一声抗和第二声抗之间的主干路上设有并联支路，该并联支路上设有第三声抗，利用
所述T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。

本发明的T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。

本发明的声学匹配组件包含呈T型连接的三个纯声抗元件，其中第一声感串联于
主干路，声容(或声感)并联于支路，第二声感串联于主干路。采用这种方式，从整体上提高
系统的效率。本发明中，声容与制冷机冷头呈并联连接，声感则与制冷机冷头呈并联(连接
于支路)或串联(连接于干路)连接。

根据T型声学匹配组件中并联支路中所使用声容或声感的不同，其可分为两种：

方案一：所述第一声抗和第二声抗均为声感，分别为第一声感和第二声感，第三声
抗为声容；即该方案包含串联于制冷机冷头入口主干路的声感、并联于其后支路的声容、其
后串联于压缩机出口主干路的声感；

方案二：所述第一声抗、第二声抗和第三声抗均为声感，分别为第一声感、第二声
感和第三声感；所述支路的一端与主干路相连，另一端连接有一电容。也就是，该方案包含
串联于制冷机入口主干路的声感、并联于其后支路的依次连接的声感和声容、串联于压缩
机出口主干路的声感。这里连接于支路的声容等效于电路中的接地。

作为优选，声学匹配组件需实现压缩机和低温制冷机冷头同时获得高效。对于压
缩机和低温制冷机冷头，二者分别存在最优运行阻抗，其中压缩机出口声阻抗为Zout＝Rout+
jXout，制冷机冷头声阻抗为Zin＝Rin+jXin。

对于方案一：

若第一声抗的声感L1已知，所述声容的声容C与第二声感的声感L2分别为：

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声
阻抗虚部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。

或者，第二声感的声感L2已知，第一声感的声感L1与所述声容的声容C分别为：

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声
阻抗虚部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。

对于方案二：

若第一声感的声感L1已知，第二声感的声感L2与第三声感的声感L3分别为：

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声
阻抗虚部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。

或者，第二声感的声感L2已知，第一声感的声感L1与第三声感的声感L3分别为：

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声
阻抗虚部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。

一种制冷机，包括压缩机以及通过主干路与压缩机相连的制冷机冷头，所述压缩
机与制冷机冷头之间设有上述任一项所述的压缩机与制冷机冷头耦合用T型声学匹配组
件。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明通过引入由纯声抗组成的无功耗T型声学匹配组件，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。相比于现有空容积匹配方法，T型声学匹配组件对阻抗的调节范围更广(由
线路调节扩展至面调节)，大大提高了制冷机设计的灵活性。

附图说明

图1是本发明的包含T型声学匹配组件的线性压缩机驱动低温制冷机；

图1a是图1所示制冷机中T型声学匹配组件的结构示意图；

图2是本发明中第二种T型声学匹配组件的结构示意图；

图3是第一种T型声学匹配组件的等效电路图；

图4是T型声学匹配组件对压缩机效率的影响；

图5是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6是采用空体积匹配方法时，空体积对阻抗的影响的示意图。

其中：1为第一声感、2为声容、3为第二声感、4为压缩机、5为T型声学匹配组件、6为
低温制冷机冷头、7为第三声感。

具体实施方式

如图1所示，一种包含T型声学匹配组件的线性压缩机驱动低温制冷机，包含线性
压缩机4、以及与压缩机4出口依次连接的T型声学匹配组件5、低温制冷机冷头6，T型声学匹
配组件5有两种方案，分别为由呈T型连接的第一声感1、声容2和第二声感3组成的方案一或
者由第一声感1、第二声感3和第三声感7以及声容2组成的方案二。

如图1a和图2，制冷机冷头6与线性压缩机4之间通过主干路连接，另外还包括一支
路，该支路的一端与主干路相连，另一端与电容相连，与主干路形成并联支路。主干路上连
接有两个声感，位于两个声感之间的主干路部分与所述的支路相连。根据T型声学匹配组件
中并联支路中所使用声容或声感的不同，其可分为两种：

方案一：包含串联于制冷机冷头6入口主干路的第一声感1、并联于其后支路的声
容2、其后串联于压缩机4出口主干路的第二声感2；

方案二：包含串联于制冷机冷头6入口主干路的第一声感1、并联于其后支路的依
次连接的第三声感7和声容2、串联于压缩机出口主干路的第二声感3。这里连接于支路的声
容2等效于电路中的接地，没有实际的调节功能。

其中第一声感1和第二声感3串联于压缩机4与制冷机冷头6之间干路上，声容2并
联于制冷机冷头6入口支路上。

其中第一声感1和第一声感3、第三声感7可由惯性管来实现，声容2可由空体积气
库来实现。

声学匹配网络需实现压缩机和低温制冷机冷头同时获得高效。对于压缩机和低温
制冷机冷头，二者分别存在最优运行阻抗，其中压缩机出口声阻抗为Zout＝Rout+jXout，制冷
机冷头入口声阻抗为Zin＝Rin+jXin。

对于方案一，第一声感1的声感L1、声容2的声容C与第二声感3的声感L2满足如下关
系式：

求解得到第一声感1的声感L1与声容2的声容C为：

上式中：ω为角频率(即压缩机运行的角频率，也是整个系统内部振荡的角频率)，
Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声阻抗虚部，Rout为压缩机出口声
阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部，L2为第二声感3的声感，为已知值。

或者，已知第一声感1的声感L1，声容2的声容C与第二声感3的声感L2为：

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机冷头入口声
阻抗虚部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部。

对于方案二，第一声感1的声感L1与第三声感7的声感L3满足如下关系式：

求解得到第一声感1的声感L1与第三声感7的声感L3为：

或者，已知第一声感1的声感L1，第三声感7的声感L3与第二声感3的声感L2为：

我们以第一种方案为例，进行详细说明：

为满足压缩机与制冷机冷头同时获得高效率，声容2的声容C与第一声感1的第二
声感3的声感L2需要适当选取。已知压缩机出口声阻抗为Zout＝Rout+jXout，制冷机冷头入口
声阻抗为Zin＝Rin+jXin。根据图3所示T型声学匹配网络等效电路图，其满足如下关系式：

声容2的声容C与第二声感3的声感L2按照下式选取：

上式中：ω为角频率，Rin为制冷机冷头入口声阻抗实部，Xin为制冷机入口声阻抗
虚部，Rout为压缩机出口声阻抗实部，Xout为压缩机出口声阻抗虚部，L1为第一声感的声感，
为已知值。

以图4为例，图4所示为某线性压缩机运行频率60Hz，系统平均压力2.0MPa时的阻
抗-效率云图，横坐标为声阻抗实部，纵坐标为声阻抗虚部。假设某制冷机冷头入口声阻抗
落在图中所示A点[Zin＝(2.5×108-2.7×108j)Pa·s/m3]，而压缩机最高效率所对于的声阻
抗为B点[Zout＝(7×107-1×108j)Pa·s/m3]，此时T型声学匹配网络需将制冷机冷头位于A
点的声阻抗调节至B点，则压缩机与制冷机冷头可同时获得高效率。给定第一声感的声感L1
＝1.86×105kg/m4，将其与A点B点声阻抗代入上述公式，可得：

C＝9.1×10-12m3/Pa；

L2＝9.7×105kg/m4。

根据空体积气库的声容公式：

其中V为气库空体积，γ为工质绝热指数，p0为系统平均压力。这里选取氦气为工
质，则γ＝1.667，平均压力p0＝2.0MPa，则计算得到气库体积约为V＝30cm3。

根据惯性管声感公式：

其中l为管长，R为工质气体常数(氦气R＝2078.5)，T为环境温度(这里取300K)，A
为惯性管截面积。假设惯性管内径选为3mm，则可计算得到第一声感1所需管长约为0.41m，
第二声感3所需管长约为2.13m。

从图4中看出，加入T型声学匹配网络之前，A点压缩机效率为59％，加入适当的T型
声学匹配网络之后，B点压缩机效率高达78％以上。

方案二的实施方式与方案一类似，均属于本发明的保护范围。