無油線性壓縮機變?nèi)萘恐评湫阅軐嶒炑芯?/h1>
2016-06-01 11:35:39李建國胡和敏梁驚濤
低溫工程 2016年3期
曾 勇 李建國 胡和敏 梁驚濤
(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)重點實驗室 北京 100190)(2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
無油線性壓縮機變?nèi)萘恐评湫阅軐嶒炑芯?/p>
曾 勇1,2李建國1胡和敏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)重點實驗室 北京 100190)(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
無油線性壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、效率高和壽命長等優(yōu)點,在航空航天熱控領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。針對實驗室研制的無油線性壓縮機進行變?nèi)萘恐评湫阅苎芯?，分析行程和余隙容積變化對壓縮機的制冷性能受的影響。實驗結(jié)果表明，在冷凝溫度為48 ℃，蒸發(fā)溫度為10 ℃，熱沉溫度維持15 ℃，行程從6.5 mm增加到8.9 mm時，壓縮機的制冷量會隨行程的增大而增大。在行程為8.9 mm時，最大制冷量為180 W；系統(tǒng)的COP和壓縮效率會隨著行程的增大先增大后減小，在行程為7.9 mm時，具有最高COP和壓縮效率，分別為1.78%和30.6%。在冷凝溫度為55 ℃，蒸發(fā)溫度為10 ℃，熱沉溫度穩(wěn)定在15 ℃，系統(tǒng)的余隙長度從0.1 mm增加到1.1 mm時，隨著余隙長度的增加，壓縮機的制冷量、COP和壓縮效率會逐漸降低。電機效率會隨著余隙容積的增加先升高后降低,在余隙長度為0.9 mm時，電機效率為78.4%。
無油線性壓縮機 變?nèi)萘?制冷性能 行程 余隙容積
1 引 言
在航空航天領(lǐng)域，電子技術(shù)的快速發(fā)展使電子設(shè)備集成度不斷升高，零件表面的熱流密度不斷增大，由此帶來的散熱問題逐漸凸顯[1]。蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由于具有控溫能力強、效率高等優(yōu)點在電子排熱場合具有良好的應(yīng)用前景，但在微重力等惡劣環(huán)境下，如何實現(xiàn)壓縮機高效穩(wěn)定的運行成為亟待解決的問題之一[2]。無油線性壓縮機采取直線電機直接驅(qū)動活塞，省去曲柄連桿等傳動機構(gòu)，與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機相比具有更高的電機效率，結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊。同時，由于采取間隙密封實現(xiàn)無油潤滑，可以有效解決在微重力環(huán)境下的回油和積炭問題，提高壓縮機的運行壽命。另外，無油潤滑也可以擴大蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的溫度適用范圍和工質(zhì)選擇，結(jié)合微型換熱器的應(yīng)用，可以有效地實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的小型化[3]。
無油線性壓縮機由直線電機直接驅(qū)動活塞，與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機相比，活塞的上下止點可以通過驅(qū)動電壓進行調(diào)節(jié)，因而在不同的熱負(fù)荷下可以實現(xiàn)壓縮機的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)。同時，由于運行過程中，由于氣體力的非線性會使活塞的運動中心發(fā)生偏移從而使余隙容積發(fā)生變化。隨著活塞行程和運動中心的變化，無油線性壓縮機的制冷性能也會受到相應(yīng)的影響。
本文通過對實驗室研制的無油線性壓縮機樣機進行變?nèi)萘空{(diào)節(jié)實驗，分析不同行程和余隙長度下，壓縮機制冷性能和工作效率的變化趨勢，以便于在不同熱負(fù)荷下實現(xiàn)對壓縮機運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
2 實驗系統(tǒng)介紹
圖1為無油線性壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖，該無油線性壓縮機為對置式形式，吸排氣閥均布置在氣缸頂部，兩側(cè)活塞采用相同的動圈式直線電機進行驅(qū)動，線圈和活塞由板彈簧支撐，保證活塞和氣缸之間的間隙，活塞和氣缸表面均采用自潤滑材料涂層以實現(xiàn)無油潤滑，壓縮機整機重約8 kg，長278 mm，最大直徑130 mm。圖2為搭建的無油線性壓縮機驅(qū)動的小型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，制冷劑為R134a。蒸發(fā)器采用微通道相變熱沉，材料為紫銅。通過調(diào)壓器控制加熱棒的加熱量來模擬熱負(fù)荷。冷凝器為平流式微通道換熱器，采取風(fēng)冷進行冷卻。為了便于調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力和冷凝壓力，采用節(jié)流閥作為節(jié)流元件，系統(tǒng)管道由內(nèi)徑4 mm，外徑6 mm的紫銅管和不銹鋼管組成。在節(jié)流閥和冷凝器之間，布置干燥過濾器去除制冷劑中的水分，防止節(jié)流時因為溫降而造成冰堵。在蒸發(fā)器出口管路布置視液鏡便于觀察制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)，防止制冷劑因為未完全氣化而造成液擊，影響壓縮機的運行壽命。除了冷凝器和壓縮機外，系統(tǒng)其他部件均采用內(nèi)層脫脂純棉外層黑色保溫棉進行包裹以減小漏熱。為了便于調(diào)節(jié)活塞的運動中心，控制氣缸的余隙容積，將壓縮機背壓腔與吸氣管路相連，并通過閥門控制兩端的壓力。
圖1 無油線性壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of oil-free linear compressor
圖2 無油線性壓縮機制冷性能測試系統(tǒng)Fig.2 Geometry structure of experimental refrigeration system of oil-free linear compressor
在實驗過程中，壓縮機的吸排氣壓力通過壓力變送器進行測量，各主要部件的進出口溫度以及熱沉溫度則通過經(jīng)標(biāo)定的貼片式鉑電阻溫度計進行測量，壓縮機的工作電流、工作電壓、功率因數(shù)和輸入功通過功率計進行測量?；钊奈灰坪瓦\動中心通過LVDT位移傳感器進行測量并通過示波器進行采集。制冷劑的充注量則通過電子天平進行測量。
3 實驗條件
實驗主要通過改變活塞的行程和活塞平衡位置來實現(xiàn)壓縮機的容量控制。實驗過程中，壓縮機的驅(qū)動頻率為50 Hz。實驗條件具體為：
(1)改變行程時，制冷劑充注量為160 g，余隙長度為0.1 mm，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，保持吸氣壓力0.42 MPa，排氣壓力為1.26 MPa，壓比為3，對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為10 ℃，冷凝溫度為48 ℃。測試不同行程下壓縮機的輸入功和熱沉的加熱量，其中行程變化為6.5 mm到8.9 mm。
(2)調(diào)整余隙長度時，制冷劑充注量為170 g，保持活塞行程為8 mm，吸氣壓力為0.42 MPa，排氣壓力為1.48 MPa，其對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為10 ℃，冷凝溫度為55 ℃，壓比為3.5時，測試不同余隙長度下壓縮機的輸入功和加熱量，余隙長度的調(diào)整范圍為0.1 mm到1.1 mm，間隔為0.2 mm。
實驗過程中，環(huán)境溫度為25 ℃，熱沉溫度控制在15 ℃。
4 實驗結(jié)果與分析
4.1 行程變化對無油線性壓縮機制冷性能的影響
圖3 制冷量、輸入功率和COP隨行程的變化曲線Fig.3 Refrigeration capacity, input power and COP change curve with stroke
圖3為系統(tǒng)在吸氣壓力為0.42 MPa，排氣壓力為1.26 MPa時，制冷量、輸入功率和COP隨行程的變化；圖4為系統(tǒng)的壓縮效率和電機效率隨行程的變化。隨著行程的增加，制冷量和輸入功率會逐漸增大。在行程為6.5 mm時，系統(tǒng)的制冷量為50.6 W；當(dāng)行程為8.9 mm時，系統(tǒng)的制冷量為180 W。壓縮機的輸入功率隨行程的增加而緩慢增加，當(dāng)行程為6.5 mm時，壓縮機的輸入功率為41.2 W，在行程為8.9 mm時，壓縮機的輸入功率則增加到110 W。系統(tǒng)壓縮機的實際指示功率為[4]：
(1)
式中：Wi為壓縮機指示功率,W;ηi為壓縮機指示效率;qm為工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;κ為工質(zhì)絕熱指數(shù);Ps為壓縮機吸氣壓力,Pa;A為活塞面積,m2;X0為活塞運動中心距離排氣閥的距離,m;X為活塞位移幅值,m。
式中，X0-X為壓縮機的余隙長度。當(dāng)余隙長度一定，系統(tǒng)的吸排氣壓力相同時，隨著活塞行程增大，系統(tǒng)工質(zhì)的質(zhì)量流量增大，壓縮機的輸入功率增加，在熱沉維持相同的溫度時，系統(tǒng)的制冷量也會增大。從圖4可以看出，當(dāng)行程大于7.9mm時，隨著行程的增大，制冷量和輸入功率的增速明顯減緩，這是因為，壓縮機的諧振頻率為：
(2)
式中:ks為諧振彈簧剛度,N/m;kg為氣體彈簧剛度,N/m;m為壓縮機的動質(zhì)量, 主要包括活塞組件、線圈和1/3的板彈簧質(zhì)量,kg。
在吸排氣壓力一定時，隨著行程的增大，氣體彈簧剛度逐漸減小，壓縮機的諧振頻率也會隨之降低[5]。在行程小于7.9 mm時，壓縮機的諧振頻率高于50 Hz，隨著行程增大，諧振頻率逐漸減小，在7.9 mm附近，諧振頻率降低到50 Hz，壓縮機達到諧振狀態(tài)，此時系統(tǒng)的COP會達到最大值，從圖3可以看出在7.9 mm附近，系統(tǒng)的COP最大值為1.78。隨著行程進一步增大，諧振頻率繼續(xù)降低，壓縮機偏離諧振狀態(tài)，隨著流量的增加，制冷量和輸入功率會進一步增大，但由于壓縮機壓縮效率降低，系統(tǒng)的COP會隨著行程的增大而減小，在行程增大到8.9 mm時，系統(tǒng)的COP為1.64。從圖4可以看出，在行程為7.9 mm時，壓縮機的壓縮效率和電機效率最高，分別為30.68%和81.33%。整體而言，壓縮機的電機效率隨行程的變化較小，在行程為8.9 mm時，電機效率最低，為78.8%。但是，壓縮機的壓縮效率變化較大，在行程為6.5 mm時，壓縮效率為16.8%，這是因為余隙容積固定，在活塞行程較小時，壓縮機的容積效率較低，壓縮機的實際排量較小，隨著行程的增大，受余隙容積的影響逐漸減小，容積效率逐漸升高，工質(zhì)實際排量增大，從而壓縮效率會逐漸增加。
4.2 余隙容積變化對無油線性壓縮機制冷性能的影響
圖5為壓縮機的輸入功率、制冷量和COP隨余隙容積的變化關(guān)系，圖6為壓縮機的壓縮效率和電機效率隨余隙容積的變化關(guān)系。從圖5可以看出，隨著余隙長度的增大，壓縮機的輸入功率、制冷量和COP隨著余隙長度的增加而降低；從圖6中可知，隨著余隙長度的增加，壓縮機的壓縮效率逐漸降低，壓縮機的電機效率會先升高后降低。壓縮機的實際排量為：
(3)
式中:λ為泄漏率，表示由于泄露等因素導(dǎo)致的實際排量小于吸氣容積。隨著余隙長度的增加，壓縮壓縮機的實際排量減少，工質(zhì)流量降低，壓縮機的容積效率降低，輸入功率和制冷量會逐漸減小。在余隙長度為0.1mm時，壓縮機的輸入功率為104.5W，制冷量為111.6W，COP為1.07；在余隙容積為1.1 mm時，壓縮機的輸入功率為62.2 W，制冷量為48.8 W，COP為0.785。
圖5 制冷量、輸入功率和COP隨余隙容積的變化曲線Fig.5 Refrigeration capacity, input power and COP change curve with clearance volume
圖6 壓縮效率和電機效率隨余隙容積的變化曲線Fig.6 Compression efficiency and motor efficiency change curve with clearance volume
壓縮機的電機效率為：
(4)
式中:Pin為壓縮機的輸入功率，W;I為壓縮機的工作電流,A;Re為電機的當(dāng)量電阻,Ω。隨著余隙容積的增大，壓縮機的流量減小，工作電流隨之減小。在余隙長度小于0.9mm時，由于電流較大，線圈消耗受電流的影響較大，隨著電流的降低，線圈損耗下降較快，因而電機效率會隨著余隙長度的增加而升高；當(dāng)余隙長度大于0.9mm時，壓縮機的質(zhì)量流量較小，電流比較小，此時線圈損耗受當(dāng)量電阻的影響較大，隨著余隙長度的增加，壓縮機的功率下降速度比線圈損耗下降要快，因而，隨著余隙容積的增加，壓縮機的電機效率會逐漸下降。從整體而言，壓縮機的電機效率波動較小。但是，壓縮機的壓縮效率變化較大，且隨著余隙容積的增加，逐漸降低。當(dāng)余隙長度為0.1mm時，壓縮機的壓縮效率為27.7%；當(dāng)余隙長度增加到1.1mm時，壓縮機的壓縮效率驟減到7.7%。這是因為在余隙容積的變化過程中，壓縮機的壓縮效率主要受到容積效率的影響，隨著余隙長度的逐漸增大，容積效率迅速降低，因而導(dǎo)致壓縮機的壓縮效率迅速降低。
4 結(jié) 論
基于實驗室研制的無油線性壓縮機樣機，搭建電子排熱用蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，通過實驗研究壓縮機在變?nèi)萘織l件下制冷性能和工作效率的變化，其中重點分析了活塞行程和余隙容積對無油直線壓縮機制冷性能和工作效率的影響，結(jié)果顯示如下：
(1) 無油線性壓縮機可用于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中，結(jié)合微通道換熱器，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行并使熱沉溫度維持恒定。實驗結(jié)果表明，在蒸發(fā)壓力為0.42 MPa，冷凝壓力為1.26 MPa，對應(yīng)的冷凝溫度為48 ℃，蒸發(fā)溫度為10 ℃，維持熱沉溫度為15 ℃時，系統(tǒng)最大的制冷量為180 W，最高COP為1.78。
(2) 無油線性壓縮機的制冷性能受活塞行程的影響較大。隨著活塞的行程的增大，制冷量和輸入功率會逐漸增大。系統(tǒng)的COP和壓縮效率會隨著行程的增加先增大后降低，這主要原因是壓縮機的諧振頻率會隨活塞行程變化。
(3) 對于無油線性壓縮機，余隙容積的增大會使無油線性壓縮機的制冷性能變差。隨著余隙容積的增加，制冷量、輸入功和COP會逐漸降低，壓縮機的壓縮效率會迅速降低。
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Experimental research on variable refrigerating volume performance of oil-free linear compressor
Zeng Yong1,2Li Jianguo1Hu Hemin1Liang1Jingtao
(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China)(2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
The oil-free linear compressor is an attractive proposition for electronics cooling application of aerospace thermal management with the advantages of simple and compact structure, high efficiency and long life. In this paper, the variable capacity refrigeration performance of the oil free linear compressor is studied, and the influence of stroke and clearance volume of compressor on the performance of the compressor is analyzed. The experiment results show that, when evaporation temperature and condensation temperature are 48 ℃, 10 ℃ respectively, and heat sink temperature is maintained at 15 ℃, the cooling capacity of the compressor will increase with stroke. As the stroke changes from 6.5 mm to 8.9 mm, the maximum cooling capacity of the system is 180 W;COPand compression efficiency increase first and then decrease with the increasing of stroke. The system has the highest cooling capacity andCOP, respectively 1.78 and 30.6% when stroke is 7.9 mm. While the evaporation temperature and condensation temperature are 55 ℃ and 10 ℃ respectively, heat sink temperature is kept stability at 15 ℃, compressor refrigerating capacity,COPand compression efficiency will reduce gradually with the increase of clearance length increases from 0.1 mm to 1.1 mm, and the motor efficiency will increase first and then decrease. When the clearance length is 0.9 mm, the motor efficiency reaches the highest value of 78.4%.
oil-free linear compressor;variable volume; refrigerating performance; stroke; clearance volume
2016-03-14；
2016-06-07
曾 勇，男，27歲，碩士研究生。
TB652
A
1000-6516(2016)03-0046-05
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無油線性壓縮機 變?nèi)萘?制冷性能 行程 余隙容積
1 引 言
在航空航天領(lǐng)域，電子技術(shù)的快速發(fā)展使電子設(shè)備集成度不斷升高，零件表面的熱流密度不斷增大，由此帶來的散熱問題逐漸凸顯[1]。蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由于具有控溫能力強、效率高等優(yōu)點在電子排熱場合具有良好的應(yīng)用前景，但在微重力等惡劣環(huán)境下，如何實現(xiàn)壓縮機高效穩(wěn)定的運行成為亟待解決的問題之一[2]。無油線性壓縮機采取直線電機直接驅(qū)動活塞，省去曲柄連桿等傳動機構(gòu)，與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機相比具有更高的電機效率，結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊。同時，由于采取間隙密封實現(xiàn)無油潤滑，可以有效解決在微重力環(huán)境下的回油和積炭問題，提高壓縮機的運行壽命。另外，無油潤滑也可以擴大蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的溫度適用范圍和工質(zhì)選擇，結(jié)合微型換熱器的應(yīng)用，可以有效地實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的小型化[3]。
無油線性壓縮機由直線電機直接驅(qū)動活塞，與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機相比，活塞的上下止點可以通過驅(qū)動電壓進行調(diào)節(jié)，因而在不同的熱負(fù)荷下可以實現(xiàn)壓縮機的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)。同時，由于運行過程中，由于氣體力的非線性會使活塞的運動中心發(fā)生偏移從而使余隙容積發(fā)生變化。隨著活塞行程和運動中心的變化，無油線性壓縮機的制冷性能也會受到相應(yīng)的影響。
本文通過對實驗室研制的無油線性壓縮機樣機進行變?nèi)萘空{(diào)節(jié)實驗，分析不同行程和余隙長度下，壓縮機制冷性能和工作效率的變化趨勢，以便于在不同熱負(fù)荷下實現(xiàn)對壓縮機運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
2 實驗系統(tǒng)介紹
圖1為無油線性壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖，該無油線性壓縮機為對置式形式，吸排氣閥均布置在氣缸頂部，兩側(cè)活塞采用相同的動圈式直線電機進行驅(qū)動，線圈和活塞由板彈簧支撐，保證活塞和氣缸之間的間隙，活塞和氣缸表面均采用自潤滑材料涂層以實現(xiàn)無油潤滑，壓縮機整機重約8 kg，長278 mm，最大直徑130 mm。圖2為搭建的無油線性壓縮機驅(qū)動的小型蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，制冷劑為R134a。蒸發(fā)器采用微通道相變熱沉，材料為紫銅。通過調(diào)壓器控制加熱棒的加熱量來模擬熱負(fù)荷。冷凝器為平流式微通道換熱器，采取風(fēng)冷進行冷卻。為了便于調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力和冷凝壓力，采用節(jié)流閥作為節(jié)流元件，系統(tǒng)管道由內(nèi)徑4 mm，外徑6 mm的紫銅管和不銹鋼管組成。在節(jié)流閥和冷凝器之間，布置干燥過濾器去除制冷劑中的水分，防止節(jié)流時因為溫降而造成冰堵。在蒸發(fā)器出口管路布置視液鏡便于觀察制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)，防止制冷劑因為未完全氣化而造成液擊，影響壓縮機的運行壽命。除了冷凝器和壓縮機外，系統(tǒng)其他部件均采用內(nèi)層脫脂純棉外層黑色保溫棉進行包裹以減小漏熱。為了便于調(diào)節(jié)活塞的運動中心，控制氣缸的余隙容積，將壓縮機背壓腔與吸氣管路相連，并通過閥門控制兩端的壓力。
圖1 無油線性壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of oil-free linear compressor
圖2 無油線性壓縮機制冷性能測試系統(tǒng)Fig.2 Geometry structure of experimental refrigeration system of oil-free linear compressor
在實驗過程中，壓縮機的吸排氣壓力通過壓力變送器進行測量，各主要部件的進出口溫度以及熱沉溫度則通過經(jīng)標(biāo)定的貼片式鉑電阻溫度計進行測量，壓縮機的工作電流、工作電壓、功率因數(shù)和輸入功通過功率計進行測量?；钊奈灰坪瓦\動中心通過LVDT位移傳感器進行測量并通過示波器進行采集。制冷劑的充注量則通過電子天平進行測量。
3 實驗條件
實驗主要通過改變活塞的行程和活塞平衡位置來實現(xiàn)壓縮機的容量控制。實驗過程中，壓縮機的驅(qū)動頻率為50 Hz。實驗條件具體為：
(1)改變行程時，制冷劑充注量為160 g，余隙長度為0.1 mm，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，保持吸氣壓力0.42 MPa，排氣壓力為1.26 MPa，壓比為3，對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為10 ℃，冷凝溫度為48 ℃。測試不同行程下壓縮機的輸入功和熱沉的加熱量，其中行程變化為6.5 mm到8.9 mm。
(2)調(diào)整余隙長度時，制冷劑充注量為170 g，保持活塞行程為8 mm，吸氣壓力為0.42 MPa，排氣壓力為1.48 MPa，其對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為10 ℃，冷凝溫度為55 ℃，壓比為3.5時，測試不同余隙長度下壓縮機的輸入功和加熱量，余隙長度的調(diào)整范圍為0.1 mm到1.1 mm，間隔為0.2 mm。
實驗過程中，環(huán)境溫度為25 ℃，熱沉溫度控制在15 ℃。
4 實驗結(jié)果與分析
4.1 行程變化對無油線性壓縮機制冷性能的影響
圖3 制冷量、輸入功率和COP隨行程的變化曲線Fig.3 Refrigeration capacity, input power and COP change curve with stroke
圖3為系統(tǒng)在吸氣壓力為0.42 MPa，排氣壓力為1.26 MPa時，制冷量、輸入功率和COP隨行程的變化；圖4為系統(tǒng)的壓縮效率和電機效率隨行程的變化。隨著行程的增加，制冷量和輸入功率會逐漸增大。在行程為6.5 mm時，系統(tǒng)的制冷量為50.6 W；當(dāng)行程為8.9 mm時，系統(tǒng)的制冷量為180 W。壓縮機的輸入功率隨行程的增加而緩慢增加，當(dāng)行程為6.5 mm時，壓縮機的輸入功率為41.2 W，在行程為8.9 mm時，壓縮機的輸入功率則增加到110 W。系統(tǒng)壓縮機的實際指示功率為[4]：
(1)
式中：Wi為壓縮機指示功率,W;ηi為壓縮機指示效率;qm為工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;κ為工質(zhì)絕熱指數(shù);Ps為壓縮機吸氣壓力,Pa;A為活塞面積,m2;X0為活塞運動中心距離排氣閥的距離,m;X為活塞位移幅值,m。
式中，X0-X為壓縮機的余隙長度。當(dāng)余隙長度一定，系統(tǒng)的吸排氣壓力相同時，隨著活塞行程增大，系統(tǒng)工質(zhì)的質(zhì)量流量增大，壓縮機的輸入功率增加，在熱沉維持相同的溫度時，系統(tǒng)的制冷量也會增大。從圖4可以看出，當(dāng)行程大于7.9mm時，隨著行程的增大，制冷量和輸入功率的增速明顯減緩，這是因為，壓縮機的諧振頻率為：
(2)
式中:ks為諧振彈簧剛度,N/m;kg為氣體彈簧剛度,N/m;m為壓縮機的動質(zhì)量, 主要包括活塞組件、線圈和1/3的板彈簧質(zhì)量,kg。
在吸排氣壓力一定時，隨著行程的增大，氣體彈簧剛度逐漸減小，壓縮機的諧振頻率也會隨之降低[5]。在行程小于7.9 mm時，壓縮機的諧振頻率高于50 Hz，隨著行程增大，諧振頻率逐漸減小，在7.9 mm附近，諧振頻率降低到50 Hz，壓縮機達到諧振狀態(tài)，此時系統(tǒng)的COP會達到最大值，從圖3可以看出在7.9 mm附近，系統(tǒng)的COP最大值為1.78。隨著行程進一步增大，諧振頻率繼續(xù)降低，壓縮機偏離諧振狀態(tài)，隨著流量的增加，制冷量和輸入功率會進一步增大，但由于壓縮機壓縮效率降低，系統(tǒng)的COP會隨著行程的增大而減小，在行程增大到8.9 mm時，系統(tǒng)的COP為1.64。從圖4可以看出，在行程為7.9 mm時，壓縮機的壓縮效率和電機效率最高，分別為30.68%和81.33%。整體而言，壓縮機的電機效率隨行程的變化較小，在行程為8.9 mm時，電機效率最低，為78.8%。但是，壓縮機的壓縮效率變化較大，在行程為6.5 mm時，壓縮效率為16.8%，這是因為余隙容積固定，在活塞行程較小時，壓縮機的容積效率較低，壓縮機的實際排量較小，隨著行程的增大，受余隙容積的影響逐漸減小，容積效率逐漸升高，工質(zhì)實際排量增大，從而壓縮效率會逐漸增加。
4.2 余隙容積變化對無油線性壓縮機制冷性能的影響
圖5為壓縮機的輸入功率、制冷量和COP隨余隙容積的變化關(guān)系，圖6為壓縮機的壓縮效率和電機效率隨余隙容積的變化關(guān)系。從圖5可以看出，隨著余隙長度的增大，壓縮機的輸入功率、制冷量和COP隨著余隙長度的增加而降低；從圖6中可知，隨著余隙長度的增加，壓縮機的壓縮效率逐漸降低，壓縮機的電機效率會先升高后降低。壓縮機的實際排量為：
(3)
式中:λ為泄漏率，表示由于泄露等因素導(dǎo)致的實際排量小于吸氣容積。隨著余隙長度的增加，壓縮壓縮機的實際排量減少，工質(zhì)流量降低，壓縮機的容積效率降低，輸入功率和制冷量會逐漸減小。在余隙長度為0.1mm時，壓縮機的輸入功率為104.5W，制冷量為111.6W，COP為1.07；在余隙容積為1.1 mm時，壓縮機的輸入功率為62.2 W，制冷量為48.8 W，COP為0.785。
圖5 制冷量、輸入功率和COP隨余隙容積的變化曲線Fig.5 Refrigeration capacity, input power and COP change curve with clearance volume
圖6 壓縮效率和電機效率隨余隙容積的變化曲線Fig.6 Compression efficiency and motor efficiency change curve with clearance volume
壓縮機的電機效率為：
(4)
式中:Pin為壓縮機的輸入功率，W;I為壓縮機的工作電流,A;Re為電機的當(dāng)量電阻,Ω。隨著余隙容積的增大，壓縮機的流量減小，工作電流隨之減小。在余隙長度小于0.9mm時，由于電流較大，線圈消耗受電流的影響較大，隨著電流的降低，線圈損耗下降較快，因而電機效率會隨著余隙長度的增加而升高；當(dāng)余隙長度大于0.9mm時，壓縮機的質(zhì)量流量較小，電流比較小，此時線圈損耗受當(dāng)量電阻的影響較大，隨著余隙長度的增加，壓縮機的功率下降速度比線圈損耗下降要快，因而，隨著余隙容積的增加，壓縮機的電機效率會逐漸下降。從整體而言，壓縮機的電機效率波動較小。但是，壓縮機的壓縮效率變化較大，且隨著余隙容積的增加，逐漸降低。當(dāng)余隙長度為0.1mm時，壓縮機的壓縮效率為27.7%；當(dāng)余隙長度增加到1.1mm時，壓縮機的壓縮效率驟減到7.7%。這是因為在余隙容積的變化過程中，壓縮機的壓縮效率主要受到容積效率的影響，隨著余隙長度的逐漸增大，容積效率迅速降低，因而導(dǎo)致壓縮機的壓縮效率迅速降低。
4 結(jié) 論
基于實驗室研制的無油線性壓縮機樣機，搭建電子排熱用蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，通過實驗研究壓縮機在變?nèi)萘織l件下制冷性能和工作效率的變化，其中重點分析了活塞行程和余隙容積對無油直線壓縮機制冷性能和工作效率的影響，結(jié)果顯示如下：
(1) 無油線性壓縮機可用于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中，結(jié)合微通道換熱器，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行并使熱沉溫度維持恒定。實驗結(jié)果表明，在蒸發(fā)壓力為0.42 MPa，冷凝壓力為1.26 MPa，對應(yīng)的冷凝溫度為48 ℃，蒸發(fā)溫度為10 ℃，維持熱沉溫度為15 ℃時，系統(tǒng)最大的制冷量為180 W，最高COP為1.78。
(2) 無油線性壓縮機的制冷性能受活塞行程的影響較大。隨著活塞的行程的增大，制冷量和輸入功率會逐漸增大。系統(tǒng)的COP和壓縮效率會隨著行程的增加先增大后降低，這主要原因是壓縮機的諧振頻率會隨活塞行程變化。
(3) 對于無油線性壓縮機，余隙容積的增大會使無油線性壓縮機的制冷性能變差。隨著余隙容積的增加，制冷量、輸入功和COP會逐漸降低，壓縮機的壓縮效率會迅速降低。
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Experimental research on variable refrigerating volume performance of oil-free linear compressor
Zeng Yong1,2Li Jianguo1Hu Hemin1Liang1Jingtao
(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China)(2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
The oil-free linear compressor is an attractive proposition for electronics cooling application of aerospace thermal management with the advantages of simple and compact structure, high efficiency and long life. In this paper, the variable capacity refrigeration performance of the oil free linear compressor is studied, and the influence of stroke and clearance volume of compressor on the performance of the compressor is analyzed. The experiment results show that, when evaporation temperature and condensation temperature are 48 ℃, 10 ℃ respectively, and heat sink temperature is maintained at 15 ℃, the cooling capacity of the compressor will increase with stroke. As the stroke changes from 6.5 mm to 8.9 mm, the maximum cooling capacity of the system is 180 W;COPand compression efficiency increase first and then decrease with the increasing of stroke. The system has the highest cooling capacity andCOP, respectively 1.78 and 30.6% when stroke is 7.9 mm. While the evaporation temperature and condensation temperature are 55 ℃ and 10 ℃ respectively, heat sink temperature is kept stability at 15 ℃, compressor refrigerating capacity,COPand compression efficiency will reduce gradually with the increase of clearance length increases from 0.1 mm to 1.1 mm, and the motor efficiency will increase first and then decrease. When the clearance length is 0.9 mm, the motor efficiency reaches the highest value of 78.4%.
oil-free linear compressor;variable volume; refrigerating performance; stroke; clearance volume
2016-03-14；
2016-06-07
曾 勇，男，27歲，碩士研究生。
TB652
A
1000-6516(2016)03-0046-05
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