無油直線壓縮機動態(tài)特性實驗研究

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)重點實驗室，北京　0090；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　00049）

無油直線壓縮機動態(tài)特性實驗研究

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)重點實驗室，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，基于無油線性壓縮機在不同工況進行實驗研究，分析不同壓比和行程下吸排氣壓力對壓縮機工作特性的影響。結(jié)果表明，壓縮機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，壓縮機的輸入功率和流量、容積效率逐漸減?。辉谖鼩鈮毫Σ蛔?，壓縮比從2增加到4時，隨著排氣壓力的升高，壓縮機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；諧振頻率；動態(tài)特性；效率

0　引言

無油直線壓縮機是利用直線振蕩電機驅(qū)動活塞對氣體進行做功，與傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機相比，省去了曲柄連桿等傳動機構(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，提高了壓縮機的機械效率和運行壽命。另一方面，運用傳統(tǒng)壓縮機驅(qū)動時，針對不同的制冷劑均需使用特定的潤滑油進行潤滑，為了避免潤滑油碳化失效，壓縮機和系統(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，使壓縮機無法適應(yīng)微重力等復(fù)雜環(huán)境。直線壓縮機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進行了大量的研究，已成功應(yīng)用于液氦節(jié)流制冷機［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)用進行了分析［6］，并指出了目前傳統(tǒng)壓縮機存在的問題，提出了壓縮機無油化的重要意義［7］，但對于無油直線壓縮機的研究尚停留在直線電機的研發(fā)階段，對壓縮機的動態(tài)特性主要通過建立數(shù)學(xué)模型進行理論分析［8-10］。

通過對無油直線壓縮機進行實驗研究，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性能變化，為無油直線壓縮機的設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1　實驗裝置

基于無油直線壓縮機，如圖1所示，搭建了壓縮機性能測試實驗臺，如圖2所示，開展關(guān)于無油直線壓縮機的動態(tài)特性實驗研究。實驗裝置主要包括無油直線壓縮機、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進行驅(qū)動，利用板彈簧支撐動子，實現(xiàn)活塞在中心架兩側(cè)對稱運動，以達到減小振動和噪聲的目的。為了便于控制活塞的運動中心，將背壓腔和吸氣管路連接起來，在不同的運行工況時，通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥的開度，使活塞的運動中心始終保持在同一位置。

圖1　無油直線壓縮機實物圖

圖2　無油直線壓縮機實驗系統(tǒng)圖

實驗以氮氣為工質(zhì)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度以實現(xiàn)吸排氣壓力的控制；通過改變壓縮機的輸入電壓對活塞的行程進行控制?；钊奈灰仆ㄟ^LVDT位移傳感器進行測量，壓縮機的排氣量通過質(zhì)量流量計進行測量。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行測量并通過示波器進行采集。

2　實驗結(jié)果與分析

無油直線壓縮機作為典型的彈簧振子系統(tǒng)，其運行特性與驅(qū)動頻率的關(guān)系緊密。在無油直線壓縮機中，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行往復(fù)運動。由于沒有傳統(tǒng)的曲柄連桿機構(gòu)對活塞的運動位置進行控制，其運動的上下止點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的運行特性，分別在不同吸排氣壓力和行程下，改變壓縮機的驅(qū)動頻率，分析壓縮機的性能變化。

2.1運行頻率對無油直線壓縮機性能的影響

無油直線壓縮機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運行狀態(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)整頻率并對壓縮機的電流和質(zhì)量流量以及輸入功進行測量，計算并分析壓縮機的電機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，當電流和位移的相位差為90°時，壓縮機達到諧振狀態(tài)，此時所需的工作電流和輸入功率達到最小值。此后，隨著頻率的改變，輸入功和電流會逐漸增加。

圖3　無油直線壓縮機工作電流和輸入功隨頻率的變化圖

圖4　無油直線壓縮機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為壓縮機容積和電機效率隨運行頻率的變化曲線。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，電機效率逐漸增加。當達到諧振頻率后，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)量流量并計算容積效率。

圖6　無油直線壓縮機容積和電機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)量流量并計算壓縮機的容積效率。

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?？梢钥闯?，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，這主要是因為排氣壓力的升高使氣體所需的壓縮功增大。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實驗研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機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，但實驗結(jié)果表明，諧振頻率受排氣壓力的影響較大。當驅(qū)動電源的頻率偏離諧振頻率時，壓縮機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)計壓縮機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驅(qū)動熱泵系統(tǒng)研究。E-mail：zengyong@mail.ipc.ac.cn。