無油直線壓縮機(jī)動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究

曾　勇，李建國，梁驚濤（.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　0090；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　00049）

無油直線壓縮機(jī)動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究

曾勇1，2，李建國1，梁驚濤1
（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

成功研制了1臺蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)用的無油線性壓縮機(jī)，基于無油線性壓縮機(jī)在不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析不同壓比和行程下吸排氣壓力對壓縮機(jī)工作特性的影響。結(jié)果表明，壓縮機(jī)的諧振頻率受到活塞行程、吸排氣壓力的共同作用。隨著排氣壓力的升高或吸氣壓力的降低以及行程的減小，諧振頻率會逐漸增大。在排氣壓力不變，壓縮比從2增加到4時，隨著吸氣壓力的降低，壓縮機(jī)的輸入功率和流量、容積效率逐漸減小；在吸氣壓力不變，壓縮比從2增加到4時，隨著排氣壓力的升高，壓縮機(jī)的輸入功率逐漸增大，流量和容積效率隨之減小。

無油直線壓縮機(jī)；諧振頻率；動態(tài)特性；效率

0　引言

無油直線壓縮機(jī)是利用直線振蕩電機(jī)驅(qū)動活塞對氣體進(jìn)行做功，與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機(jī)相比，省去了曲柄連桿等傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊［1］。同時，由于動子由諧振彈簧支撐，活塞和氣缸之間采取間隙密封，實(shí)現(xiàn)無油潤滑，因此降低了活塞與氣缸壁之間的摩擦，提高了壓縮機(jī)的機(jī)械效率和運(yùn)行壽命。另一方面，運(yùn)用傳統(tǒng)壓縮機(jī)驅(qū)動時，針對不同的制冷劑均需使用特定的潤滑油進(jìn)行潤滑，為了避免潤滑油碳化失效，壓縮機(jī)和系統(tǒng)的工作溫度受到限制；此外，潤滑油的存在也會降低換熱器的換熱性能，使壓縮機(jī)無法適應(yīng)微重力等復(fù)雜環(huán)境。直線壓縮機(jī)的無油化可以有效的解決這些問題，滿足更多領(lǐng)域和場合的應(yīng)用需求。目前，國外對無油直線壓縮機(jī)進(jìn)行了大量的研究，已成功應(yīng)用于液氦節(jié)流制冷機(jī)［2-3］、熱泵系統(tǒng)［4］以及冰箱［5］之中；在國內(nèi)對于蒸氣壓縮制冷在空間領(lǐng)域未來的應(yīng)用進(jìn)行了分析［6］，并指出了目前傳統(tǒng)壓縮機(jī)存在的問題，提出了壓縮機(jī)無油化的重要意義［7］，但對于無油直線壓縮機(jī)的研究尚停留在直線電機(jī)的研發(fā)階段，對壓縮機(jī)的動態(tài)特性主要通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析［8-10］。

通過對無油直線壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析在不同行程下，吸排氣壓力對系統(tǒng)諧振頻率的影響，研究在變工況下壓縮機(jī)性能變化，為無油直線壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

基于無油直線壓縮機(jī)，如圖1所示，搭建了壓縮機(jī)性能測試實(shí)驗(yàn)臺，如圖2所示，開展關(guān)于無油直線壓縮機(jī)的動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括無油直線壓縮機(jī)、高低壓緩沖罐和流量調(diào)節(jié)閥。文中采用的無油直線壓縮機(jī)是雙缸對置式形式，兩側(cè)活塞各采用相同的動圈式直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，利用板彈簧支撐動子，實(shí)現(xiàn)活塞在中心架兩側(cè)對稱運(yùn)動，以達(dá)到減小振動和噪聲的目的。為了便于控制活塞的運(yùn)動中心，將背壓腔和吸氣管路連接起來，在不同的運(yùn)行工況時，通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥的開度，使活塞的運(yùn)動中心始終保持在同一位置。

圖1　無油直線壓縮機(jī)實(shí)物圖

圖2　無油直線壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度以實(shí)現(xiàn)吸排氣壓力的控制；通過改變壓縮機(jī)的輸入電壓對活塞的行程進(jìn)行控制。活塞的位移通過LVDT位移傳感器進(jìn)行測量，壓縮機(jī)的排氣量通過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量。為了確定電流和位移的相位關(guān)系，利用電流傳感器對工作電流進(jìn)行測量并通過示波器進(jìn)行采集。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

無油直線壓縮機(jī)作為典型的彈簧振子系統(tǒng)，其運(yùn)行特性與驅(qū)動頻率的關(guān)系緊密。在無油直線壓縮機(jī)中，動子在板彈簧的支撐下，受到氣體力和電磁力的作用在氣缸中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。由于沒有傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)對活塞的運(yùn)動位置進(jìn)行控制，其運(yùn)動的上下止點(diǎn)會隨外界條件變化而變化，這導(dǎo)致系統(tǒng)的諧振頻率會隨著運(yùn)行工況的改變而波動。為了研究不同工況下無油直線壓縮機(jī)的運(yùn)行特性，分別在不同吸排氣壓力和行程下，改變壓縮機(jī)的驅(qū)動頻率，分析壓縮機(jī)的性能變化。

2.1運(yùn)行頻率對無油直線壓縮機(jī)性能的影響

無油直線壓縮機(jī)工作時主要受到電磁力、彈簧力、氣體力、慣性力及摩擦力的作用［11］。隨著頻率的改變，電流和活塞位移的相位差會改變，所需的電磁力也會隨之改變。為了探討工作頻率對壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，在行程為5.5 mm，吸氣壓力為0.4 MPa，排氣壓力為1.2 MPa時，調(diào)整頻率并對壓縮機(jī)的電流和質(zhì)量流量以及輸入功進(jìn)行測量，計(jì)算并分析壓縮機(jī)的電機(jī)效率和容積效率隨頻率的變化。

圖3為電流和輸入功率隨驅(qū)動頻率的變化曲線，圖4為電流和位移之間的相位差隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，電流和位移的相位差會逐漸增大，當(dāng)電流和位移的相位差為90°時，壓縮機(jī)達(dá)到諧振狀態(tài)，此時所需的工作電流和輸入功率達(dá)到最小值。此后，隨著頻率的改變，輸入功和電流會逐漸增加。

圖3　無油直線壓縮機(jī)工作電流和輸入功隨頻率的變化圖

圖4　無油直線壓縮機(jī)電流和位移相位差隨頻率的變化圖

圖5為質(zhì)量流量隨驅(qū)動頻率的變化曲線，隨著頻率的增加，質(zhì)量流量會逐漸增大，一方面原因是頻率增加單位時間內(nèi)壓縮機(jī)工作周期增多；另一方面是由于頻率增加氣缸泄漏量減少所導(dǎo)致的。圖6為壓縮機(jī)容積和電機(jī)效率隨運(yùn)行頻率的變化曲線。在頻率較低時，由于系統(tǒng)流量較小、輸入功較小、電流較大、電機(jī)效率較低；隨著頻率的增加，系統(tǒng)流量會逐漸增大，輸入功和電流逐漸減小，電機(jī)效率逐漸增加。當(dāng)達(dá)到諧振頻率后，隨著頻率的增加，輸入功和電流同時增大，電機(jī)效率趨于平穩(wěn)。隨著頻率的增加，容積效率逐漸增大，主要原因是氣缸間隙密封的泄漏量隨頻率的增大而減少。

圖5　無油直線壓縮機(jī)質(zhì)量流量隨驅(qū)動頻率的變化曲線圖

2.2吸氣壓力對無油直線壓縮機(jī)性能的影響

固定排氣壓力為1.2 MPa，研究不同行程下吸氣壓力對壓縮機(jī)性能的影響。在吸氣壓力為0.3、0.4、0.6 MPa時，分別測試不同行程下，壓縮機(jī)的諧振頻率以及在相應(yīng)諧振頻率時的輸入功、質(zhì)量流量并計(jì)算容積效率。

圖6　無油直線壓縮機(jī)容積和電機(jī)效率隨頻率的變化曲線圖

圖7為不同吸氣壓力下諧振頻率隨行程的變化曲線。從圖可以看出，在定排氣壓力時，隨著吸氣壓力的降低，氣體彈簧剛度［12］逐漸增大，系統(tǒng)的諧振頻率隨之升高；隨著行程的增大，諧振頻率逐漸降低。

圖7　不同吸氣壓力下諧振頻率隨行程的變化曲線

圖8為不同吸氣壓力下輸入功率隨行程變化的曲線，圖9為不同排氣壓力下質(zhì)量流量隨行程變化的曲線。隨著吸氣壓力的降低，系統(tǒng)的輸入功率和質(zhì)量流量逐漸減小。究其原因，雖然吸氣壓力降低會使單位質(zhì)量氣體所需壓縮功逐漸增大，但此時膨脹和壓縮過程所占的容積比也隨之增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的吸氣量減少，輸入功率降低，壓縮機(jī)的容積效率也會隨著吸氣壓力的降低而降低，如圖10所示。

2.3排氣壓力對無油直線壓縮機(jī)性能的影響

固定吸氣壓力為0.4 MPa，研究不同行程下排氣壓力對壓縮機(jī)性能的影響。在排氣壓力為0.8、1.2、1.6 MPa時，分別測試不同行程下，壓縮機(jī)諧振頻率以及在相應(yīng)諧振頻率時的輸入功率、質(zhì)量流量并計(jì)算壓縮機(jī)的容積效率。

圖8　不同吸氣壓力下諧振時輸入功隨行程的變化曲線

圖9　不同排氣壓力下諧振時質(zhì)量流量隨行程的變化曲線

圖10　不同排氣壓力下諧振時容積效率隨行程的變化曲線

圖11為不同排氣壓力下諧振頻率隨行程的變化，從圖中可以看出，當(dāng)吸氣壓力不變時，隨著排氣壓力的升高，系統(tǒng)的諧振頻率逐漸增大。但與排氣壓力不變時相比，當(dāng)壓比從2增大到4時，系統(tǒng)的諧振頻率變化更大，這說明系統(tǒng)的諧振頻率受排氣壓力的影響較大。

圖11　不同排氣壓力下諧振頻率隨行程的變化曲線

圖12為不同排氣壓力下輸入功率隨行程的變化曲線。可以看出，隨著排氣壓力的升高，系統(tǒng)的輸入功率逐漸增大，隨著排氣壓力的增加，所需的輸入功率隨行程增加時的增速也急劇增加，這主要是因?yàn)榕艢鈮毫Φ纳呤箽怏w所需的壓縮功增大。圖13為不同排氣壓力下質(zhì)量流量隨行程的變化曲線。隨著排氣壓力的升高，在活塞行程相同余隙容積一致時，膨脹過程所占的氣缸容積逐漸增大導(dǎo)致吸氣量減少，質(zhì)量流量降低。圖14為不同排氣壓力下壓縮機(jī)容積效率隨行程的變化曲線。由于排氣壓力的升高，導(dǎo)致氣缸的吸氣量減少，因而系統(tǒng)的容積效率會隨排氣壓力的升高而降低。

圖12　不同排氣壓力下諧振時輸入功隨行程的變化曲線

圖13　不同排氣壓力下質(zhì)量流量隨行程的變化曲線圖

圖14　不同排氣壓力下壓縮機(jī)容積效率隨行程的變化曲線圖

3　結(jié)論

通過無油直線壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)的諧振頻率受到吸排氣壓力和行程的影響，隨著吸氣壓力的降低或者排氣壓力的升高或行程的減小，系統(tǒng)的諧振頻率均會增大，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，諧振頻率受排氣壓力的影響較大。當(dāng)驅(qū)動電源的頻率偏離諧振頻率時，壓縮機(jī)的輸入功和工作電流會逐漸增大。在排氣壓力不變時，隨著吸氣壓力的降低，會使氣缸的容積效率迅速降低導(dǎo)致壓縮機(jī)的輸入功率會逐漸減小，因而吸氣壓力較低的應(yīng)用場合，在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)時要盡量減小余隙容積以提高容積效率；在吸氣壓力不變時，隨著排氣壓力的升高和行程的增大，壓縮機(jī)的輸入功率會急劇增加，因此在排氣壓力較高應(yīng)該在滿足流量的情況下盡量選取較小的活塞行程。

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EXPERIMENTAL STUDY ON DYNAM IC CHARACTERISTICSOFOIL-FREE LINEAR COMPRESSOR

ZENG Yong1，2，LIJian-guo1，LIANG Jing-tao1
（1.Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies，Technical Institute of Physicsand Chem istry，CAS，Beijing100190，China；2.University of Chinese Academ y of Sciences，Beijing100049，China）

An oil-free linear compressor prototype built for a vapor compression refrigeration system is presented in thisarticle.To investigate the performance variation of the linear compressor，seriesof experimentsare conducted in differentoperation conditions.The experimental results show that the resonant frequency is subjected to stroke，induction pressureand exhaustpressure.With the incrementof exhaustpressureor the reduction of induction pressure and stroke，the resonant frequency w ill rise.As the exhaustpressure remains constant，inputpower，mass flow and volume efficiency are respond to induction pressure；when the induction pressure is fixed，inputpowerw ill increase and volume efficiency togetherw ithmass flow w illdecreasew ith increasing of exhaustpressure.

oil-free linear compressor；resonant frequency；dynamic characteristics；efficiency

TH457

A

1006-7086（2016）04-0214-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.007

2016-03-09

曾勇（1989-），男，湖北人，碩士研究生，主要從事無油直線壓縮機(jī)驅(qū)動熱泵系統(tǒng)研究。E-mail：zengyong@mail.ipc.ac.cn。