对置式动圈型线性压缩机局部缩放方法技术

本发明专利技术公开了一种对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方法，该方法基于线性压缩机的结构方程和性能方程提出。通过本发明专利技术，一旦知晓了某一性能优良的动圈型压缩机结构设计的具体尺寸，以本发明专利技术给出的局部缩放方法为指导，在保证压缩机的能量转换效率基本不变的前提下，通过选取尽量少的部分结构尺寸进行缩放调整，就能在较短的时间周期内设计出较大或者较小输出功率能力以及尺寸比例的新款对置式动圈型线性压缩机。本发明专利技术中被缩放的参数为仅包括活塞、线圈、磁体、轭铁、板弹簧和间隙密封等关键零部件的一部分。局部缩放方法对于大幅缩短对置式动圈型线性压缩机的研发周期和成本具有非常积极的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制冷与低温工程领域，特别涉及一种对置式动圈型线性压缩机的局部 缩放方法。该局部缩放方法适用于对置式动圈型线性压缩机的所有四种典型形式，即：采用 长线圈轴向充磁的对置式动圈型线性压缩机、采用短线圈轴向充磁的对置式动圈型线性压 缩机、采用长线圈径向充磁的对置式动圈型线性压缩机、采用短线圈径向充磁的对置式动 圈型线性压缩机。
技术介绍
线性压缩机（或称直线压缩机）是往复式活塞压缩机的一种，也是具有革新意义 的一种往复式活塞压缩机。传统的往复式活塞压缩机大多属于旋转压缩机，即采用旋转电 机驱动、通过曲柄连杆机构等的机械传动来实现往复运动。旋转压缩机的缺点非常明显， 其主要表现在能量传递环节多、振动和噪声大、整机控制复杂、能量转化效率低，特别是因 结构特点而对活塞施加的径向作用力，是产生无用功、机械磨损、系统污染等的主要来源之 一，因而严重限制了其工作寿命。例如，设计优秀的旋转压缩机的连续工作寿命也往往低于 1万小时，因此，对于一些要求长寿命工作的特殊领域，旋转压缩机已远远不能满足要求。线 性压缩机则利用直线电机驱动活塞在气缸中作往复直线运动，根据电磁场相关理论，直线 电机对活塞施加的是一个与活塞轴向绝对平行的线性力，因而在理论上，正确设计的线性 压缩机完全消除了对活塞的径向作用力，因而消除了活塞和气缸壁之间的机械磨损以及由 此产生的无用功，也杜绝了为减轻磨损而使用的润滑油带来的系统污染，因而工作寿命、稳 定性和能量转化效率都得到了显著提高，从而在需要长寿命、高可靠和高效率工作的航天 及军事等特殊领域有着非常重要的应用。 线性压缩机的核心部件是直线电机，直线电机根据工作中进行运动的关键部件大 体可分为三类：动铁型、动圈型和动磁型。动铁型线性压缩机不使用永磁体，因而价格较低 廉，但是性能相对不稳定，控制较困难，随着永磁体技术的进步和成本的降低，动铁型直线 电机的应用逐渐减少；动圈型和动磁型线性压缩机的电机都包括三个核心部件：永磁体、 轭铁和载流线圈，根据运动时是载流线圈还是永磁体运动而区分为动圈型和动磁型。其中， 动圈型线性压缩机因其结构上的特点实现了径向力的完全消除，而且在开路时在载流线圈 上不产生轴向力和扭矩，因而具有高效率、低噪声和高可靠的突出优点，因而成为近30年 来国际范围内空间回热式低温制冷机（以脉冲管制冷机和斯特林制冷机为代表）的首选动 力源。以美国为代表的西方发达国家为例，在近20年间发射升空的具有5年以上长寿命要 求的航天脉冲管制冷机中，绝大多数都采用了动圈型线性压缩机。 此外，研究者在实践当中发现，单台线性压缩机由于运动及结构上的不平衡，往往 会产生较大的振动输出，在航天及军事等特殊应用场合，这一振动量级往往不可接受。为了 最大限度地降低这一振动量，实用的线性压缩机往往设计成将两台完全对等的压缩机对置 布置，其目的是使二者的振动在运动中彼此抵消，该技术对于发展低振动线性压缩机的重 要意义已为实践所充分证实。 由上述背景知识可知，对置式动圈型线性压缩机已成为长寿命星载线性压缩机的 主流和骨干品种，其独特优势已为近20来回热式低温制冷机（特别是以脉冲管制冷机为代 表的新一代回热式低温制冷机）的航天实践所充分验证。 根据载流线圈的长短和永磁体的充磁方向，还可以将动圈型线性压缩机分为四种 形式，即：采用长线圈轴向充磁的动圈型线性压缩机、采用短线圈轴向充磁的动圈型线性压 缩机、采用长线圈径向充磁的动圈型线性压缩机、采用短线圈径向充磁的动圈型线性压缩 机。图1给出了一种采用短线圈径向充磁的对置式动圈型线性压缩机的示意图，其主要组 成结构为：压缩机外壳1、板弹簧2、板弹簧7、线圈支架3、轭铁5、磁体6、活塞8、间隙密封 结构9、汽缸10。 根据制冷机的冷却对象、工作温区、制冷量、工作环境的不同，对线性压缩机的尺 寸也有着相应的不同要求，因而就对线性压缩机的柔性设计提出了日益迫切的要求。传统 上，在线性压缩机的设计过程中，各个部件的精确尺寸可以借助有限元分析求得，此种方法 精度较高，但是设计过程中必须进行大量的误差分析，尤其是，假如每台线性压缩机都使用 上述方法从零开始设计，将是十分耗时费力的工作。 因而在对置式动圈型线性压缩机的研发和实践中，人们迫切需要一种方便、快捷 而有实用的快速高效的压缩机设计方法，遗憾的是，因为该类压缩机在国内的发展才刚刚 起步，该类快速高效设计方法还很少见。
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本专利技术提出一种对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方 法。 本专利技术的目的在于，基于对置式动圈型线性压缩机的结构方程和性能方程提出一 种局部缩放方法，通过本专利技术，一旦知晓了某一性能优良的对置式动圈型线性压缩机结构 设计的具体尺寸，以本专利技术给出的局部缩放方法为指导，在保证压缩机的能量转换效率基 本不变的前提下，通过选取尽量少的部分结构尺寸进行缩放调整，就能在较短的时间周期 内设计出较大或者较小输出功率能力以及尺寸比例的新款对置式动圈型线性压缩机，从而 大幅度缩短研发周期和研发成本。 所专利技术的对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方法基于对置式动圈型线性压缩 机的结构方程和性能方程提出，仅选取部分必要的结构尺寸进行缩放调整，在保证压缩机 效率不变的前提下，实现对压缩机性能的缩放。 本专利技术定义一个用于计算所选结构参数缩放系数的缩放因子K，所选结构初始设 计对应K = 1，尺寸放大对应K>1，尺寸缩小对应K〈l。 在使用时，需遵循如下前提：压缩机系统内的电流密度、磁感应强度、板弹簧弹性 模量、工质气体的压强振幅、工质气体的粘性系数、充气压力、导线12的电阻率在缩放过程 中不发生改变；满足上述前提之后，即可进行尺寸参数的选取及尺寸参数的缩放系数的确 定；然后再通过设计方程确定下列性能参数的缩放系数：板弹簧轴向刚度、气体弹簧刚度、 压缩机的共振频率、压缩机的运行频率、扫气体积、电机推力、惯性力、气体弹簧作用力、板 弹簧作用力、活塞运行速度、电机输入功、电机热损、PV功、间隙密封功损。 局部缩放方法从活塞直径16、活塞长度15、板弹簧直径13、板弹簧厚度14、上板弹 簧2的数量、下板弹簧7的数量、汽缸10的尺寸、轭铁5的尺寸、磁体内径17、磁体外径18、 磁体宽度19、线圈支架3的尺寸、导线直径20、导线12的长度、压缩机外壳1的尺寸中选取 部分必要结构尺寸进行缩放，剩余结构尺寸不做改变。 压缩机性能参数的缩放系数的具体确定过程： 步骤一：压缩机的运行频率设计； 压缩机在其共振频率下运行时能获得最高的效率，故一般都会将压缩机的运行频 率f设计成压缩机的共振频率fn。压缩机的共振频率由运动质量m、板弹簧轴向刚度h和 气体弹簧刚度kg所决定：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方法，其特征在于：所述的局部缩放方法基于对置式动圈型线性压缩机的结构方程和性能方程提出，仅选取部分必要的结构尺寸进行缩放调整，在保证压缩机效率不变的前提下，实现对压缩机性能的缩放；定义一个用于计算所选结构参数缩放系数的缩放因子K，所选结构初始设计对应K＝1，尺寸放大对应K>1，尺寸缩小对应K<1；在使用时，需遵循如下前提：压缩机系统内的电流密度、磁感应强度、板弹簧弹性模量、工质气体的压强振幅、工质气体的粘性系数、充气压力、导线(12)的电阻率在缩放过程中不发生改变；满足上述前提之后，即可进行尺寸参数的选取及尺寸参数的缩放系数的确定；然后再通过设计方程确定下列性能参数的缩放系数：板弹簧轴向刚度、气体弹簧刚度、压缩机的共振频率、压缩机的运行频率、扫气体积、电机推力、惯性力、气体弹簧作用力、板弹簧作用力、活塞运行速度、电机输入功、电机热损、PV功、间隙密封功损。

【技术特征摘要】
1. 一种对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方法，其特征在于： 所述的局部缩放方法基于对置式动圈型线性压缩机的结构方程和性能方程提出，仅选 取部分必要的结构尺寸进行缩放调整，在保证压缩机效率不变的前提下，实现对压缩机性 能的缩放； 定义一个用于计算所选结构参数缩放系数的缩放因子K，所选结构初始设计对应K= 1，尺寸放大对应K>1，尺寸缩小对应K〈1 ; 在使用时，需遵循如下前提：压缩机系统内的电流密度、磁感应强度、板弹簧弹性模量、 工质气体的压强振幅、工质气体的粘性系数、充气压力、导线（12)的电阻率在缩放过程中 不发生改变；满足上述前提之后，即可进行尺寸参数的选取及尺寸参数的缩放系数的确定； 然后再通过设计方程确定下列性能参数的缩放系数：板弹簧轴向刚度、气体弹簧刚度、压缩 机的共振频率、压缩机的运行频率、扫气体积、电机推力、惯性力、气体弹簧作用力、板弹簧 作用力、活塞运行速度、电机输入功、电机热损、PV功、间隙密封功损。2. 根据权利要1所述的一种对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方法，其特征在于： 所述的尺寸参数的选取及其缩放系数的确定方法如下： 从活塞直径（16)、活塞长度（15)、板弹簧直径（13)、板弹簧厚度（14)、上板弹簧（2)的 数量、下板弹簧（7)的数量、汽缸（10)的尺寸、轭铁（5)的尺寸、磁体内径（17)、磁体外径 (18)、磁体宽度（19)、线圈支架（3)的尺寸、导线直径（20)、导线（12)的长度、压缩机外壳 (1) 的尺寸中选取部分必要的结构尺寸进行缩放，剩余的结构尺寸不做改变。3. 根据权利要1所述的一种对置式动圈型线性压缩机的局部缩放方法，其特征在于： 所述的性能参数的缩放系数的具体确定过程如下： 步骤一：压缩机的运行频率设计； 压缩机在其共振频率下运行时能获得最高的效率，故一般都会将压缩机的运行频率设 计成压缩机的共振频率：式中：f为压缩机的运行频率；fn为压缩机的共振频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：党海政，张雷，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31