压缩机背腔作为脉冲管制冷机气库的研究

　　0引言

　　相对于G一M型脉冲管制冷机,高频斯特林脉冲管制冷机具有更紧凑的结构"但与斯特林制冷机相比,其体积仍然过大,而减小脉冲管制冷机的尺寸对于制冷机的实际应用具有重要的意义"高频斯特林型脉冲管制冷机,通常其调相机构为惯性管加气库的方式"而气库体积一般为脉冲管制冷机体积的十倍以上,如此大的体积造成脉冲管制冷机使用的不方便"对于直线压缩机,其背腔体积通常也为脉冲管制冷机的十几倍,如果能够将惯性管直接连接到压缩机背腔,将极大地减小系统的尺寸"

　　1993年,王超等人从理论上分析了无气库型小孔脉管制冷机的可行性,并进行了实验验证,其结果显示背腔作为气库对性能影响不大[-l"但其压缩机为曲柄连杆结构,其结论并不适合于直线压缩机,基于这样的考虑,本文进行了使用直线压缩机背腔作为气库的研究工作,并通过详细的理论分析,优化了惯性管尺寸"

　　1整机计算理论

　　图1显示了直线型压缩机驱动的脉冲管制冷机

　　装置示意图,其中图1(a)为使用单独气库的示意图,图1(b)为采用压缩机背腔作为气库的装置示意图"由图可知,当取消末端气库时,将大大提高整个系统的紧凑性"

　　模型建立时采用了经典热声理论进行分析圆,该理论是对流体力学方程进行一阶小量近似而得到的"

　　制冷机各部件物理参数根据下列热声学方程计算得

　　其中,H为总能流,尸为一阶压力波动,U为体积流率"Rl!R:!R3为与运行参数和几何结构参数相关的系数,R:!RZ!R3!"1!c:等参数意义可参考文献!21"

　　离散上述三个方程可以得到下列传输矩阵[s]

　　l)独立气库的情况

　　气库内认为是绝热压缩,惯性管末端氏,认"之间关系为:

　　式中P0!磷e!守!!为为平均压力气库体积!绝热压缩系数以及角频率"根据传输矩阵(4),给定制冷机入口压力波动Pl,可计算制冷机入口体积流率Ul为:

　　据此可计算压力波动及体积流率的沿程分布,求解能量方程(5),校核温度分布,直至收敛队4]"

　　假设前腔为绝热压缩,活塞处的体积流率可以根据Pl,Ul及前腔体积Vfront计算"其传输矩阵为:

　　根据上面计算得到的体积流率及压力波动值,会同直线电机的力平衡和电压平衡方程可以计算得到压缩机性能参数

　　2)背腔作为气库的情况

　　当使用压缩机背腔作为气库时,整机构成一个环路"背腔除接受惯性管内过来的体积流率外,活塞体积流率也占一部分比例,这相当于改变了惯性管末端的阻抗"同样背腔为绝热压缩,活塞处体积流率可以根据背腔压力波动Pn!体积流率Un及背腔体积砚ack计算: