直線壓縮機電聲轉換特性的實驗

李林玉, 吳張華, 余國瑤, 戴 巍, 羅二倉

(1. 中國科學院 低溫工程學重點實驗室, 北京 100190; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

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直線壓縮機電聲轉換特性的實驗

李林玉1,2, 吳張華1, 余國瑤1, 戴 巍1, 羅二倉1

(1. 中國科學院 低溫工程學重點實驗室, 北京 100190; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

針對聲學RC負載法研究直線壓縮機電聲轉換特性時存在的阻抗調節范圍小、阻抗調節困難等問題,提出電機負載的方法.該方法是采用一臺直線電機作為被測壓縮機的負載,通過改變該直線電機的外接電阻和等效電感實現不同的負載阻抗,可以方便地對直線壓縮機的電聲轉換特性進行研究.結果表明,在平均壓力為6 MPa,工作頻率為60 Hz,壓縮機阻抗幅值為2.06×107Pa·s/m3,阻抗相角為-17°時,壓縮機效率可達84.5 %.結果還表明,改變膨脹電機的外接電阻或等效電感時,壓縮機不僅都能達到較廣的阻抗范圍,而且電聲轉換效率都能在某一阻抗幅值和相角值時達到最佳.

直線壓縮機；電聲轉換；電機負載；阻抗特性

直線壓縮機是回熱式低溫制冷機中的關鍵部件,可以將電功轉化為聲功、驅動制冷機工作.直線壓縮機采用板簧或氣體軸承支撐和間隙密封技術實現無磨損、無油潤滑的往復運動,具有可靠性好、效率高的優點.目前,直線壓縮機驅動的低溫制冷機可以實現從室溫[1]到極低溫[2-3]的各種溫度.國內外對低溫區的制冷機研究都作了大量深入的研究,如美國的NIST[4]、TRW公司[5]、Sunpower公司[6-7]、Praxiar公司[8],歐洲的Thales公司[9-10],以色列的Ricor公司[11-12],浙江大學[2,13],中科院上海技物所[14],中科院理化所[15]等.這些研究都表明,在努力提高制冷機性能的同時,如何實現直線壓縮機與低溫制冷機間的最佳阻抗匹配是提高直線壓縮機的性能以及整機性能的關鍵.因此,研究直線壓縮機對不同負載阻抗時的電聲轉換特性是一項非常重要的工作.

目前,評價直線壓縮機電聲轉換特性通常采用聲學RC負載法.RC負載法多用來測量回熱式熱機的聲功,比如熱聲發動機的輸出聲功[16-20].具體方法是通過在直線壓縮機出口連接提供阻力的針閥(R)和提供容抗的氣庫(C)來模擬阻抗特性,通過調節閥門的開度和氣庫的容積來分別改變R和C的大小,從而獲得不同的阻抗值.甘智華等[21]采用RC負載法研究了直線壓縮機上電聲轉換特性.分析來看,RC負載法仍存在一些不足,具體表現在：阻抗相角變化范圍較為局限,僅為第4象限；在氣庫較大、阻抗虛部較小時,調節針閥很難實現所需阻抗；流量計算時忽略了針閥處空容積帶來的流量變化,導致流量計算可能不準確等.為解決這些不足,本文提出了采用電機負載法研究直線壓縮機的電聲轉換特性.實驗中研究了膨脹電機的外接電負載,包括外接電阻和等效電感對壓縮機電聲轉換特性的影響,進行了部分理論計算與實驗的對比；還觀察了不同頻率下壓縮機性能的變化情況.

1 實驗裝置

圖1 直線壓縮機性能研究的實驗裝置圖Fig.1 Experimental apparatus of investigation onperformance of linear compressor

如圖1所示為直線壓縮機性能研究的實驗裝置示意圖和實物圖.如圖1(a)所示,將2臺相同的直線電機通過一段管子連接在一起,左側為被測壓縮機,右側為膨脹電機.壓縮機將電功轉換成聲功,膨脹電機一方面提供不同的阻抗給壓縮機,另一方面將聲功轉換為電功,并主要消耗在外接電阻上.如圖1(b)所示,2臺相同的2 kW級電機在實驗中分別用作壓縮機和膨脹電機,為了抵消振動,每臺電機均采用對置式結構,各含2個電機芯,單個電機芯的參數如表1所示.其中,τ為機電常數,r為內阻,L為線圈電感,m為動質量,Rm為機械阻尼,D為活塞直徑,Km為剛度.此外,電機采用了氣體軸承的支撐技術,它通過單向閥將高壓氣體充入氣缸壁與往復運動活塞之間的間隙中,以形成氣膜壓力,來支撐動子及活塞.較之板簧支撐技術壽命更長,可靠性更好.圖中連接管長200 mm內徑19 mm.電機前腔和背腔容積分別為0.526和2.4 L.在實驗時,為降低輸入電壓,壓縮機2臺機芯并聯并在電路接入一定電容值用以抵消電機線圈電感.膨脹電機2臺機芯串聯.為避免造成損壞,運行時單電機電流有效值要小于9 A、位移要小于8 mm.壓縮機采用變頻電源驅動,電壓與電流采用電壓電流探頭監測,系統內平均壓力采用壓阻式壓力變送器測量,波動壓力采用壓電式壓力傳感器測量.其中,p1和pb1分別為壓縮機前腔和背腔的壓力波動,p2和pb2分別為膨脹電機前腔和背腔的壓力波動.

表1 單個電機芯機電參數Tab.1 Mechanical and electrical parameters of single motor

2 實驗原理

根據直線壓縮機控制方程[22]：

(1)

(2)

(3)

通常驅動電壓給定,若再已知聲阻抗阻抗Z1,即可通過求解方程獲得p1、qV1、I1等值.

根據膨脹電機控制方程[23]：

(4)

(5)

(6)

根據傳輸矩陣可得與膨脹電機活塞表面壓力波動p2、體積流量qV2與壓縮電機活塞表面壓力波動p1、體積流量qV1間的關系為

(7)

傳輸矩陣TM由連接管、壓縮機與膨脹電機的前腔容積決定.由式(6)可知,除改變運行頻率外,改變膨脹電機外阻和電容也可以改變膨脹電機阻抗,再由式(3)、(7)兩式可知壓縮機出口阻抗也將隨之發生變化,由此可以考察不同阻抗下的壓縮機電聲轉換特性.

對于壓縮機,其輸入電功、輸出聲功及電機電

聲效率計算公式分別為

(8)

(9)

(10)

膨脹電機輸入聲功、輸出電功計算公式分別為

(11)

(12)

式中：V2為膨脹電機的電壓,θi,j為2個波動量的相位差.qV1和qV2可通過背腔壓力波動計算獲得

(13)

(14)

設壓縮機和膨脹電機的活塞位移分別為x1和x2,則通過qV1和qV2計算可得

浮盤密封材質(皮囊等)的抗腐蝕性、耐溫性、耐油性、抗老化性能夠與儲存介質相符，密封部位所配彈性元件能夠經得住油氣或水汽腐蝕，彈性伸縮良好，這在浮盤安裝前必須進行認真核驗，確保材質符合長周期運行。在儲罐定期檢查、檢驗時一并進行必要的查驗，發現問題及時予以處理。

(15)

(16)

3 實驗結果與分析

3.1 實驗過程

當建成實驗臺后,以氦氣為工質進行了一系列實驗.充入6 MPa氦氣,輸入電壓固定為100 V,工作頻率為60 Hz,膨脹電機外接23.4 μF的電容,使其等效電感接近0.當外接電阻R分別為20、40、60 和80 Ω時,觀察壓縮機前腔壓力波動及活塞表面體積流量波形圖,如圖2所示,其中體積流量由背腔壓力波動按式(13)計算得到.由圖2可以看出,隨著外接電阻的增大,壓力波動與體積流量相位差θp1,qV1從-53°逐漸增大到-11°.雖然壓縮機固定了輸入電壓,但在聲阻抗發生變化時壓力波及體積流量幅值也會產生變化.

圖2 當輸入電壓為100 V時,不同外接電阻下,壓縮機前腔壓力與體積流量波形圖Fig.2 Pressure amplitude and volume flow rate of compressor related to different external resistance at 100 V

3.2 膨脹電機阻抗影響

由第2節實驗原理分析可知,在平均壓力、頻率等運行參數不變的情況下,改變膨脹電機外部電路的電阻和電容,可以改變壓縮機的阻抗.

圖3 外接電阻對壓縮機和膨脹電機的阻抗影響Fig.3 Influence of external resistance on impedance of compressor and expansion motor

圖4 外接電阻對壓縮機和膨脹電機的電流和位移的影響Fig.4 Influence of external resistance on current and displacement of compressor and expansion motor

3.2.1 膨脹電機外電阻的影響 實驗保持氦氣充氣壓力6 MPa,工作頻率60 Hz,膨脹電機等效電感固定為0,輸入電壓為150 V.如圖3～5所示分別給出了壓縮機和膨脹電機活塞表面阻抗、電流與活塞位移以及前腔壓力波動隨外接電阻的變化情況.由圖3可知,隨外接電阻的增加,膨脹電機的阻抗幅值|Z2|逐漸減小,阻抗相角θZ1逐漸增加.膨脹電機的阻抗變化帶來壓縮機阻抗的變化,且兩者變化趨勢基本相同,從圖3中可以看出,隨著外接電阻的變化,壓縮機阻抗幅值|Z1|位于2.00×107～2.42×107Pa·s/m3之間,阻抗相角θZ2位于-52°～24°之間.圖4中壓縮機2個電機芯并聯,所示的電流值為經過2個電機芯之和.以下壓縮機電流也均指并聯后總電流.由圖4可知,隨外接電阻的升高,壓縮機電流逐漸升高,但膨脹電機的電流逐漸降低.圖中壓縮機的活塞位移隨外接電阻的升高增加幅度不大,但膨脹電機的活塞位移隨外接電阻的增加顯著增大.由圖5可知,壓縮機和膨脹電機的前腔壓力波動值不盡相同.

圖5 外接電阻對壓縮機和膨脹電機的前腔壓力波動影響Fig.5 Influence of external resistance on pressure amplitude of compressor and expansion motor

圖6 壓縮機阻抗對壓縮機和膨脹電機聲功的計算與實驗結果對比Fig.6 Comparisons between experimental and computational acoustic work related to the compressor impedance

圖7 壓縮機阻抗對其效率的計算與實驗結果對比Fig.7 Comparisons between experimental and computational efficiency related to compressor impedance

如圖6和7所示分別給出了計算與實驗中聲功及壓縮機效率隨壓縮機活塞表面阻抗的變化情況,圖中的數字表示聲功線和效率線上各點的壓縮機阻抗相角值.由圖6中可知,從計算結果來看,當阻抗相角θZ1位于-60°～0°之間時,在同一阻抗幅值下,聲功隨著阻抗相角的增大而迅速增大；在同一阻抗相角下,聲功隨著阻抗幅值的減小而緩慢減小.故綜合來看,隨著阻抗幅值的減小和阻抗相角的增大,聲功更傾向于逐漸增大,實驗結果顯示壓縮機聲功逐漸升高,與計算值吻合.當阻抗相角位于0°～30°之間時,隨著阻抗幅值和阻抗相角的同時增加,聲功的計算值變化不大,而實驗得到的聲功逐漸升高,偏差的原因可能是壓縮機各機電參數在電流較大時不是一個恒定的值,采用傳統測量方法獲得的電機參數(表1)與電機工作狀態時參數存在著較大的誤差,導致計算得到的聲功無法準確模擬實驗工況.此外,膨脹電機的聲功與壓縮機聲功十分接近,驗證了實驗方法的正確性.

由圖7中計算結果來看,當阻抗相角位于-60°～-30°之間時,隨阻抗幅值的減小和阻抗相角的增加,壓縮機效率逐漸升高；當阻抗相角位于-30°～0°之間時,隨阻抗幅值的減小和阻抗相角的增加,壓縮機效率緩慢降低；當阻抗相角位于0°～30°之間時,隨阻抗幅值和阻抗相角的同時增加,壓縮機效率顯著降低.實驗值與計算值的變化趨勢基本一致,但實驗值明顯低于計算值,原因可能是計算中未考慮渦流損失,氣浮漏氣損失等.從圖7中可看出,理論上壓縮機效率最高可達88.2 %,實驗中最高效率為84.5 %,較為接近.實驗中最高效率對應的阻抗幅值為2.06×107Pa·s/m3、阻抗相角為-17°。綜合圖6和7,當發現在大電流時,計算與實驗得到的聲功變化趨勢不同,但兩者的效率變化趨勢是一致的,產生差異的具體原因有待進一步的研究.

如圖8～10所示分別給出了壓縮機和膨脹電機活塞表面阻抗、電流與活塞位移以及前腔壓力波動隨等效電感的變化情況.由圖8可知,變化等效電感,壓縮機和膨脹電機的阻抗幅值和相角均發生較大的變化.隨著等效電感的變化,壓縮機阻抗幅值位于6.24×106～3.98×107Pa·s/m3之間,阻抗相角位于-19°～64°之間.由圖9可知,隨著等效電感的減小,壓縮機電流逐漸升高,而膨脹電機的電流隨等效電感的降低變化較小.圖中壓縮機的位移變化較小,而膨脹電機的位移隨等效電感的降低顯著升高.由圖10可知,壓縮機和膨脹電機的前腔壓力波動值均隨等效電感的降低而逐漸上升后趨于穩定.

圖8 等效電感對壓縮機和膨脹電機的阻抗影響Fig.8 Influence of equivalent inductance on impedance of compressor and expansion motor

圖9 等效電感對壓縮機和膨脹電機的電流和位移影響Fig.9 Influence of equivalent inductance on current and displacement of compressor and expansion motor

圖10 等效電感對壓縮機和膨脹電機前腔壓力波動的影響Fig.10 Influence of equivalent inductance on pressure amplitude of compressor and expansion motor

如圖11所示給出了壓縮機和膨脹電機的聲功及壓縮機效率隨壓縮機活塞表面阻抗的變化情況.由圖11可知,與外接電阻情況類似,壓縮機的輸出聲功與膨脹電機的輸入聲功十分接近.隨著阻抗幅值的降低及相角的減小,壓縮機效率逐漸升高后略有降低,最大效率為83.2 %.在高阻抗幅值處,由于相角增加過大,壓縮機效率較低.由圖9可知,高阻抗幅值對應的低等效電感時電機電流很大,故也可能是大電流引起電機內導磁材料渦流損失等大幅升高,導致效率降低.

圖11 壓縮機阻抗對壓縮機和膨脹電機聲功及壓縮機效率的影響Fig.11 Influence of compressor impedance on acoustic power and compressor efficiency

3.3 工作頻率的影響

由第2節實驗原理分析可知,頻率的改變也會影響到壓縮機的阻抗.因此考察了不同頻率下壓縮機性能的變化.實驗輸入電壓為150 V,頻率分別設為50、60和70 Hz,分別接入32.3、23.4和16.4 uF電容使得膨脹電機等效電感接近0,調節膨脹電機的外接電阻來獲得壓縮機的不同阻抗值.

如圖12、13所示分別給出了3種頻率下壓縮機活塞表面阻抗、電流和活塞位移隨外接電阻的變化情況.圖12展示了頻率對壓縮機阻抗的重要影響,隨著外接電阻的增加,在f=50 Hz的阻抗幅值逐漸降低,f=60 Hz的阻抗幅值先降低后稍有升高,而f=70 Hz的阻抗幅值逐漸升高.3種頻率下的阻抗相角均隨外接電阻的增加而增加,但f=60和70 Hz的相角較為接近且上升較快.由圖13可知,頻率對壓縮機電流的影響較為顯著,隨著外接電阻的增加,f=50 Hz下壓縮機電流逐漸降低,而f=60和70 Hz下壓縮機電流逐漸升高,且f=70 Hz上升速度更快.3種頻率下的活塞位移隨外接電阻的增加變化幅度較小,且相同阻值下,頻率越高,壓縮機活塞位移越小.

圖12 不同頻率下外接電阻對壓縮機阻抗影響Fig.12 Influence of external resistance on compressor impedance with different frequencies

圖13不同頻率下外接電阻對壓縮機電流和位移的影響Fig.13 Influence of external resistance on current and displacement of compressor with different frequencies

圖14 不同頻率下外接電阻對壓縮機效率的影響Fig.14 Influence of external resistance on compressor efficiency with different frequencies

如圖14所示給出了3種頻率下壓縮機效率隨外接電阻的變化情況.由圖14可知,隨著外接電阻的增加,f=50 Hz下壓縮機效率逐漸升高,f=60 Hz下壓縮機效率變化不大,而f=70 Hz下壓縮機效率逐漸降低,可看出3種頻率下的效率變化趨勢有很大差異.這是由于效率的大小受壓縮機活塞表面阻抗的影響,由圖12可知,同一外接電阻下,3種頻率得到的壓縮機阻抗幅值和阻抗相角不盡相同.圖14中,由于阻抗和頻率均存在較大差異,導致效率不同.此外,頻率的升高還會帶來壓縮機磁滯損失、渦流損失等增加,對效率也會產生影響.

由于在實驗中無法得到3種頻率下壓縮機阻抗均相同的情況,故通過計算來觀察.計算中3種頻率下的壓縮機阻抗幅值和阻抗相角均取實驗中f=60 Hz下得到的壓縮機阻抗值,包括阻抗幅值和相角,所得的壓縮機效率隨其阻抗的變化情況如圖15所示.圖中的數字表示效率線上各點的壓縮機阻抗相角值.由圖15可知,隨著阻抗幅值的減小和阻抗相角的增大,在3種頻率的壓縮機效率均先增大后減小；隨后阻抗幅值回升,壓縮機效率均顯著降低.3種頻率下的壓縮機效率大小由于偏離諧振狀態程度不同有一定的差別,但總體變化趨勢是一致的.

圖15 不同頻率下壓縮機阻抗對計算所得效率的影響Fig.15 Computational efficiency related to compressor impedance with different frequencies

4 結 語

本文提出了采用電機負載法來研究直線壓縮機的電聲轉換特性,與傳統的聲學RC負載法相比,它阻抗調節方便,且可調范圍廣.為了驗證該方法的有效性,搭建了實驗臺并開展了實驗,同時進行了部分理論計算與實驗的對比,發現兩者得到的壓縮機效率變化趨勢基本一致.實驗表明,在平均壓力為6 MPa,工作頻率60 Hz,壓縮機阻抗幅值變化范圍位于6.24×106～3.98×107Pa·s/m3之間,阻抗相角位于-52°～64°之間.且在壓縮機阻抗幅值為2.06×107Pa·s/m3,阻抗相角為-17°時,壓縮機效率可達84.5 %.實驗還表明,分別改變膨脹電機的外接電阻或等效電感時,壓縮機均能達到較廣的阻抗范圍,而且其電聲轉換效率都能在某一阻抗幅值和相角值時達到最佳.實驗還考察了頻率對壓縮機性能的影響,發現由于阻抗和頻率均存在較大差異,導致壓縮機效率不同.計算表明,相同阻抗下,3種頻率的壓縮機效率總體變化趨勢是一致的.此外,當電流較大時,由于電機導磁材料渦流等損失大幅升高,效率會大幅下降.通過本文研究,可以得到直線壓縮機在不同阻抗下的電聲轉換特性,為其與制冷機的匹配提供了重要指導,也為提高制冷機整機性能優化提供了依據.

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Experimental investigation on electroacoustic conversion characteristic of linear compressor

LI Lin-yu1,2, WU Zhang-hua1, YU Guo-yao1, DAI Wei1, LUO Er-cang1

(1.KeyLaboratoryofCryogenics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Motor load approach was proposed in order to solve the problems of limited impedance range and inconvenient impedance control in using RC load method to test the compressor performance. The method adopted an expansion motor as the load of the tested compressor. The electroacoustic conversion characteristic of the compressor under different load impedance was analyzed by changing the external resistance and equivalent inductance of the motor, The compressor can obtain an electroacoustic efficiency of 84.5 % at an impedance magnitude of 2.06×107Pa·s/m3and a phase angle of-17°. The operation conditions are 6 MPa helium and 60 Hz working frequency, respectively. The compressor can achieve a wide range of impedance range as well as an optimum efficiency at a certain impedance by changing the external resistance or equivalent inductance of the expansion motor．

linear compressor; electroacoustic conversion; motor load; impedance characteristic

2015-10-29.

國家自然科學基金資助項目(51476183)；北京市自然科學基金資助項目(3132034).

李林玉(1990—),女,研究生,從事熱聲低溫制冷機等研究.ORCID: 0000-0001-8680-0575. E-mail: li_linyu@qq.com

吳張華,男,副研究員.ORCID: 0000-0001-9142-7621. E-mail: zhhwoo@mail.ipc.ac.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.015

TK 123

A

1008-973X(2016)08-1529-08

浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng