制冷線性壓縮機關鍵技術及發(fā)展現狀

曹廣亮，陳　曦（上海理工大學能源與動力工程學院，上海　200093）

制冷線性壓縮機關鍵技術及發(fā)展現狀

曹廣亮，陳曦
（上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093）

隨著技術的發(fā)展，線性壓縮機技術的應用逐漸從軍工、航天、生物醫(yī)藥領域轉向民用領域，應用范圍擴大，技術研發(fā)增強。為了使科研人員對線性壓縮機關鍵技術和發(fā)展現狀有所了解，介紹了線性壓縮機直線電機技術、線性壓縮機潤滑技術、線性壓縮機控制技術和線性壓縮機活塞及閥門布局四大技術，詳細分析比較了線性壓縮機直線電機的三種結構、線性壓縮機有油潤滑和無油潤滑的優(yōu)缺點、線性壓縮機各種控制技術的特點、線性壓縮機活塞單雙側布局和閥門三種布局的結構方式，并對線性壓縮機的性能、發(fā)展現狀進行了簡要論述。

直線電機；控制技術；潤滑技術；發(fā)展現狀；閥門和活塞布局

0　引言

對于線性壓縮機的研究開發(fā)國內外已有幾十年的歷史，最初研究的線性壓縮機是針對應用于航天或軍事領域的小型低溫制冷循環(huán)系統(tǒng)如：斯特林型制冷機和脈管型低溫制冷機。隨著社會的發(fā)展，能源不斷地被消耗，建筑業(yè)能耗占能源總消耗的20%～30%，而空調采暖和制冷系統(tǒng)的能耗占建筑業(yè)能耗的50%～60%［1］，其中壓縮機能耗占大部分。線性壓縮機以沒有曲柄連桿機構、摩擦降低、不使用潤滑油、排出氣體沒有油污染、低溫下不會產生潤滑油凝固的不良影響、不會有油污沉積在熱交換器管壁上、結構簡單、效率高等優(yōu)勢被科研人員關注，并逐步實現民用化［28］。針對線性壓縮機的直線電機技術、電機控制技術、無油潤滑技術、結構及閥門布局技術進行論述，并對線性壓縮機技術發(fā)展趨提出展望。

1　線性壓縮機技術

1.1直線電機分類

直線電機按結構分三種類型：動圈式直線電機、動鐵式直線電機和動磁式直線電機。動磁式直線電機中有一種特殊的類型為動磁鐵式直線電機。各種型式直線電機的比較如表1所列。

表1　各種型式直線電機的比較

動圈式直線電機結構原理簡單、便于分析、啟動電流小、動子質量輕、慣性小、振蕩頻率高、反應靈敏，并且絕大部分有效磁通對活塞產生軸向推力，產生側向推力的磁通少，因此徑向力和扭矩較小，磁場能提供穩(wěn)定的磁通，不存在磁滯損耗和禍流損失，能量損失少，有利于提高效率。但是動圈式直線電機產生的推力小，效率一般，引線裝置復雜，制約了其發(fā)展。2012年，浙江大學的趙鵬［2］在前人的基礎上采用數值模擬和實驗測試相結合對動圈式直線壓縮機結構進行了設計與改進。

動鐵式直線電機結構和控制系統(tǒng)相對簡單，在同體積的壓縮機中，能產生相對較大的驅動力，壓比較大，制造成本較低，但是動鐵式直線壓縮機一般質量比較大，動子在氣隙中的運動不穩(wěn)定，容易偏離氣隙中心軸線，在活塞上產生很大的徑向力，導致振動和噪聲較大，同時隨著永磁材料技術的發(fā)展，此類壓縮機在制冷系統(tǒng)中將逐漸被淘汰。2010年，英國Ibrahim等［3］研發(fā)了1臺新型動鐵式直線電機，在前人的基礎上對動子結構、定子槽結構、鐵心和永磁材料進行了改進。

動磁式直線電機結構緊湊、動子質量較輕、比推力較大、效率較高，但是動磁式線性壓縮機的磁路結構比較復雜，需考慮非線性磁導、邊端效應、電渦流損失等，使設計和開發(fā)的難度增加。2012年，華中科技大學的趙星磊［4］對動磁式直線壓縮機的結構進行了系統(tǒng)的設計。2014年，浙江大學趙科［5］設計了冰箱用動磁鐵式線性壓縮機，并對其仿真模擬、結構優(yōu)化和實驗測試。

1.2線性壓縮機的性能

2004年，LG公司用R410A制冷劑的分體式熱泵開發(fā)了一種高效節(jié)能的線性壓縮機，在ASHRAE-T條件下，LG空調線性壓縮機的等熵壓縮的電效率高于82%。隨著輸入電壓的變化，該壓縮機的容量可以調制得到更好的系統(tǒng)效率。線性壓縮機的閥門系統(tǒng)可以減小流動阻力、過壓縮損失和對吸入氣體的加熱，并且線性壓縮機由活塞和缸體組成，沒有曲柄連桿機構，摩擦損失和高壓制冷劑氣體的泄漏量比傳統(tǒng)壓縮機小很多，潤滑可靠性比傳統(tǒng)壓縮機提高了很多。在負載條件下，開發(fā)的線性壓縮機的機械效率超過了95%，電動機效率超過了92%［6］。

2008年，LG公司研發(fā)了1臺家用冰箱線性壓縮機，制冷工質為R600a，在改進的閥門系統(tǒng)后，比傳統(tǒng)R600a壓縮機的能效比高25%～30%，電動機效率超過90%，能量效率可達73%［7-8］。2008年，劉曉輝［9］對動磁式線性空氣壓縮機進行了研發(fā)，設計的背壓為0.7 MPa，功率為220 W，頻率為50 Hz，但由于實驗條件的限制，樣機實際的共振頻率為56 Hz，實測比推力較設計值偏小，電流較大，導致了壓縮機鐵損與銅損的增加。另外系統(tǒng)的摩擦損耗占輸入電功率的14.3%，則整臺壓縮機的損耗占到了電功率的53.6%較大，而排氣量卻只有0.68 m3/h，導致壓縮機的比功率很大、效率很低、與設計值偏差較大。2008年，浙江大學的葉曉平等［10］設計了一種動磁式線性壓縮機，當壓縮機穩(wěn)定工作時，受活塞平衡位置漂移的影響，設計的實驗未能測得準確的氣缸余隙，實驗僅以實際氣體狀態(tài)方程保守估算了在壓縮機工作狀態(tài)下最大壓比時的余隙容積，壓縮機的摩擦損耗、鐵損及其他損耗總和只有8.6 W，壓縮機的電機效率為81.4%。2008年，Embraco公司的Possamai等［11］設計了1臺動磁式線性壓縮機，其制冷工質為R600a，較高的操作頻率，其直線電機的效率為71%，等熵絕熱壓縮的電效率為42%。

2010年，釜山國立大學學院的Ku等［12］設計的線性壓縮機通過改善軸承和閥門系統(tǒng)等組件，以提高整個壓縮機的效率，包括驅動損耗在內，線性壓縮機的效率約為75%。2014年，Liang等［13］研發(fā)了一種新型的線性壓縮機采用間隙密封技術和柔性彈簧技術等無油潤滑技術，并且采用R134a作為制冷劑，最大電機效率約為86%。

2　線性壓縮機潤滑技術

傳統(tǒng)的有油潤滑壓縮機大多使用油潤滑，使排出氣體有油污染，低溫下會產生潤滑油凝固的不良影響，油污沉積在熱交換器管壁上影響換熱，壓力容器中因油污染沉淀將減少氣體存儲容積。同時，有油潤滑壓縮機包含注油器、油分離器等設備，增加了系統(tǒng)阻力，使結構復雜、加工困難、氣缸接觸面摩擦系數較高、壽命較短、噪聲較大、維護要求較高、成本增加。無油潤滑壓縮機可以有效的緩解上述情況的發(fā)生，增強了科研人員對無油潤滑技術的研究。通常無油潤滑方式有固體潤滑技術、直線軸承、氣體軸承、板彈簧、間隙密封、納米涂層。潤滑技術之間的區(qū)別如表2所列。

表2　有油潤滑技術與各種無油潤滑技術的比較

固體潤滑劑使用固體聚合物材料組成自潤滑活塞環(huán)，固體潤滑劑表面摩擦系數小，可以降低氣缸接觸面摩擦。納米顆粒涂層可以在材料表面形成潤滑涂層，有效降低材料表面摩擦系數。直線軸承運動時，軸承內的負荷滾珠循環(huán)滾動，使軸能在直線方向上做直線運動。軸承內滾珠與軸之間為滾動摩擦，摩擦系數小。2004年，松下冷機株式會社的山本秀夫等［14］發(fā)明的一種直線電動機和線性壓縮機應用的就是直線軸承技術。間隙密封技術作為一種非接觸式密封，是利用流體通過微小間隙時因流道阻力而達到降壓密封的效果。間隙的寬度很小，一般控制在20μm以內，泄漏量降低、密封性能好、可靠性高、壽命長。氣體軸承分為動壓軸承和靜壓軸承，經MTI公司試驗發(fā)現動壓氣體軸承容易導致系統(tǒng)的振動及摩擦損失，并且動態(tài)承載性能和耗氣量易受壓力波動影響，附加的旋轉激勵裝置增加了系統(tǒng)的復雜性，使整機的可靠性較低［15-17］。

靜壓氣體軸承如圖1所示，高壓氣體從外部氣源設備供給，經過小孔進入潤滑間隙，當潤滑間隙充滿氣體時將形成具有一定壓力的氣膜，把支承件浮起。動壓氣體軸承如圖2所示，當兩個潤滑表面有相對運動且在運動方向存在楔形間隙時，由于氣體黏性作用及氣體所具有一定的速度，將氣體帶入楔形間隙，在軸承外表面產生氣膜壓力，形成動壓承載力，實現二者之間非接觸支撐。氣體軸承技術是利用結構壓差，使活塞與氣缸間形成高壓氣體膜，氣體膜的剛度起到氣體潤滑和支撐的作用，其結構如圖3所示。2013年，李海寧［15］對線性壓縮機用氣體軸承及間隙密封特性進行了數值模擬和實驗研究。目前直性壓縮機內的諧振件主要是柱彈簧和板彈簧兩種，柱彈簧在設計、計算、生產都要比板彈簧容易，且適用范圍比板彈簧廣，板彈簧尺寸小、軸向剛度、徑向剛度及對線性壓縮機的性能和穩(wěn)定性都優(yōu)于柱彈簧。對于氣體軸承技術，間隙密封技術和板彈簧支撐技術的綜合運用可以實現無油潤滑、無磨損從而降低能耗，提高效率。

圖1　靜壓氣體軸承示意圖

圖2　動壓氣體軸承示意圖

3　線性壓縮機控制技術

線性壓縮機控制系統(tǒng)為線性過程提供驅動電信號，同時為保證線性壓縮機活塞的止點位置得到有效的控制，避免余隙過大和撞缸的危害。早期的控制系統(tǒng)通過位置傳感器的檢測信號作為負反饋控制線圈上的沖程電壓來實現，但這種系統(tǒng)可靠性和靈敏度不能保證，成本較高?，F在線性壓縮機主要針對共振頻率和行程進行控制，通過對吸排氣壓力、溫度、電壓等的改變來控制行程和頻率?？刂葡到y(tǒng)的控制變量主要有活塞位移、活塞速度、活塞運動相位和氣缸內外溫度等，其中選擇活塞位移為控制變量的較為普遍［19］。Chun等［20］采用控制位移與電流乘積平均值的方法進行壓縮機效率的最大化控制，解決了電流過零點檢測帶來誤差的問題。Lin等［21］采用擾動和觀測的搜索方法，搜索一定電流幅值下行程和輸出功率最大時的共振頻率。于明湖等［22］采用模糊算法搜索一定行程下電流（功率）最小時的共振頻率。張金權等［23］采用模糊控制器控制活塞的上死點位置，根據動圈式或動磁式直線電機的線性電磁特性及其動力學特性，通過測量電機的電壓和電流計算得到活塞速度，再通過積分即可得到動子的位移［24］。Rodr’?guez等［25］采用了無電壓和電流傳感器的控制方法。LG公司提出的控制方案是利用兩個溫度傳感器測量壓縮機內外的溫度信號，將其輸入微處理器，產生一個控制驅動電路單元通斷的控制信號。sunpower公司針對永磁動圈型線性壓縮機，以活塞沖程作為控制變量，利用位置傳感器的檢測信號作為負反饋，控制施加到線性壓縮機活塞線圈上的沖程電壓來改變壓縮比，實現氣量調節(jié)。三星公司根據其自行設計的線圈勵磁線性壓縮機，通過控制通入勵磁線圈內的電流，改變磁場，從而改變活塞所受的電磁力，實現控制活塞行程和余隙調節(jié)的目的［26］。李曉宇［18］通過對輸入電壓波形的控制，產生不同的有效電壓和電壓直流分量，調節(jié)線性壓縮機進排氣量和余隙，避免啟動撞缸。

4　線性壓縮機活塞及閥門布局

線性壓縮機屬于往復振蕩壓縮機，在結構上可以實現單側壓縮和雙側壓縮，單側壓縮和雙側壓縮的優(yōu)缺點如表3所列，其受力圖如圖3、4所示。

表3　單側壓縮和雙側壓縮布局的比較

對于活塞布局的選擇要根據優(yōu)缺點和具體設計要求確定。對于動鐵式或動磁鐵式線性壓縮機存在實心軸，適合使用雙側布局；在尺寸和結構上有優(yōu)勢的動圈式或動磁式線性壓縮機，更適合使用單側布局。

圖3　單側壓縮受力圖

圖4　雙側壓縮受力圖

目前制冷用線性壓縮機的氣閥設計通常有三種形式，如圖5所示［27］。第一種是由多層不同結構的閥板拼合在一起構成吸排氣的通路，吸排氣閥位于氣缸的同側，吸排氣閥片隱藏在整個閥板內部，閥板本身不具有彈性，但這種設計對線性壓縮機而言有一定的局限性，線性壓縮機的活塞行程不像普通回轉式壓縮機活塞行程受傳動機構的嚴格限制，因此一旦活塞運動超出預期行程，就會使閥板發(fā)生剛性碰撞，造成強烈的噪音，甚至導致零部件受損；第二種是在氣缸頂部（TDC）設置閥板，吸、排氣閥均安裝在閥板上，采用舌簧閥型式，有機材料制成的排氣閥體，使得整個排氣閥部分具有彈性，從而避免發(fā)生剛性碰撞；第三種是吸氣閥片安裝在活塞頂部，吸氣通道置于中空的活塞中，而排氣閥采用盤狀閥加錐形彈簧安裝在氣虹蓋中。第三種氣道布局方案具有一定優(yōu)勢，流通面積大、流動損失小、流動阻力和吸氣加熱損失能降到最低，同時盤狀閥的設計針對線性壓縮機自由活塞，設置限位器時可以有更小的余隙容積，錐形彈簧為變剛度彈簧，有利于閥門的快速開啟，且降低閥片對升程限制器和閥座的撞擊速度，但這種布局只在活塞結構非實心的情況下適用。

圖5　線性壓縮機的氣閥的三種吸排氣結構圖

5　總結

對于斯特林制冷機、冰箱和空調等制冷設備用線性壓縮機，需要結合其用途、工況條件、經濟性和各技術之間的影響等因素進行設計。對于需要較大軸向剛度的線性壓縮機應選擇柱形彈簧支撐，但是柱形彈簧的徑向剛度會有些不足，為了保證足夠的徑向剛度，線性壓縮機可以選擇氣體軸承與之配合，以減小活塞與氣缸壁的摩擦，而對于需要較小軸向剛度的線性壓縮機則應選擇板式彈簧作為支撐，板式彈簧可以同時滿足軸向剛度和徑向剛度需求量不是很高的情況，再結合間隙密封技術，可有效的減小活塞與氣缸壁的摩擦。在線性壓縮機直線電機技術、潤滑技術、控制技術等優(yōu)化設計得到良好性能的同時，還應考慮材料、加工方法和零件配合等因素，使其更加經濟。

目前，線性壓縮機技術的研究還有很多問題要突破，特別是民用制冷設備用線性壓縮機的研究還處于初級階段，與國外相比差距還很大。國內冰箱用線性壓縮機在許多高校和研究所都有研究，但性能和經濟性不太理想，同時高校和企業(yè)結合較少，高校的理論研究和企業(yè)的產品開發(fā)不能相互補充，無法以市場實際需求為目標，而在國外冰箱用線性壓縮機已經實現商業(yè)化生產。對于空調用線性壓縮機的研究我國更是一片空白，而在國外空調用線性壓縮機就已經測試成功。對于線性壓縮機，在理論研究的廣度和深度上需要不斷加深并逐步實現商業(yè)化。需要追趕上國際線性壓縮機技術的先進水平，生產出節(jié)能高效的線性壓縮機，從而創(chuàng)造出更多的經濟利益和社會效益。

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THE KEY TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT STATUSOF LINEAR COMPRESSOR

CAO Guang-liang，CHEN Xi
（Schoolof Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Sciencesand Technology，Shanghai 200093，China）

With the developmentof technology，the application of the linear compressor technology shift from theareas ofm ilitary，aerospace and biomedical to civilian areas gradually，the scope of application has expanded，the linear compressor technology research has increased.In order tomake researchers understand the technology and developmentstatus of linear compressor，thispaper describes four technologiessuch as the linearmotor technology of linear compressor，lubrication technology of linear compressor，control technology of linear compressor and pistons and valves layout of linear compressor，analyzes and compares three kinds of linearmotors structure of linear compressor，advantages and disadvantagesof oil lubrication and oil-free for linear compressor，various characteristicsof control technology for linear compressor，the single-sided layoutof piston and three layoutmodes of valves for linear compressor in detail.At the same time，this paperdescribes the performance and developmentstatusof the linear compressorbriefly.

linearmotor；control technology；lubrication technology；developmentstatus；valuesand pistons layout

TB651

A

1006-7086（2016）04-0192-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.002

2016-01-18

曹廣亮（1991-），男，河南信陽人，碩士，從事低溫系統(tǒng)及低溫制冷機的研究。E-mail：1550367053@qq.com。