線性壓縮機(jī)研究進(jìn)展

余文輝，張安闊，韓一楠，謝 晶

（上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306）

0 引言

線性壓縮機(jī)在低溫制冷領(lǐng)域尤其在斯特林/脈管制冷機(jī)的空間應(yīng)用方面具有重要地位。自1955年早期太空計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，長(zhǎng)壽命低溫制冷機(jī)一直被人們所追求［1］，壓縮機(jī)作為低溫制冷機(jī)壓力波發(fā)生器，其工作壽命的提高是解決制冷機(jī)壽命短問(wèn)題的關(guān)鍵。

早期低溫制冷機(jī)用壓縮機(jī)主要為旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，由曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞與氣缸間存在較大摩擦力和徑向力，磨損大、振動(dòng)強(qiáng)烈，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷機(jī)性能易惡化。20世紀(jì)80年代以前，線性壓縮機(jī)研究長(zhǎng)期還處于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論探索階段，直至80年代初，英國(guó)牛津大學(xué)［2］采用板彈簧支撐、間隙密封等技術(shù)研制成長(zhǎng)壽命線性斯特林制冷機(jī)，自此線性壓縮機(jī)在低溫制冷領(lǐng)域才得以正式應(yīng)用并展現(xiàn)出巨大潛力。1991年，當(dāng)牛津大學(xué)80 K線性斯特林制冷機(jī)被用于冷卻NASA上層大氣研究衛(wèi)星（UARS）的改進(jìn)的平流層和中層測(cè)深儀（ISAMS）時(shí)，標(biāo)志著長(zhǎng)壽命低溫制冷機(jī)在空間任務(wù)中的首次成功應(yīng)用［3］。

線性壓縮機(jī)發(fā)展初期大都采用單活塞壓縮結(jié)構(gòu)，振動(dòng)大，后發(fā)展為雙活塞對(duì)置結(jié)構(gòu)，通過(guò)壓縮機(jī)動(dòng)子動(dòng)量平衡技術(shù)，使其振動(dòng)降低，制冷機(jī)可靠性得到大幅提高［4］。此后，人們就如何提升壓縮機(jī)效率進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并取得了豐碩成果，如：Sunpower公司的Redich結(jié)構(gòu)直線電機(jī)、富士電機(jī)集團(tuán)運(yùn)用動(dòng)磁系統(tǒng)技術(shù)研制的高效線性壓縮機(jī)等［5-6］。線性壓縮機(jī)研究的深入是人們追求低溫制冷機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性、高效率動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備的必然結(jié)果，有助于推動(dòng)航天紅外探測(cè)技術(shù)的長(zhǎng)足穩(wěn)定進(jìn)步，其進(jìn)展需時(shí)刻得到關(guān)注。本文在線性壓縮機(jī)國(guó)內(nèi)外主要研究單位發(fā)展的基礎(chǔ)上對(duì)壓縮機(jī)最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，并重點(diǎn)介紹了線性壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究發(fā)展，最后展望了線性壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)并指出了其現(xiàn)有研究的不足。

1 線性壓縮機(jī)研究進(jìn)展

1.1 國(guó)內(nèi)研究

在國(guó)內(nèi)，線性壓縮機(jī)被廣泛用以斯特林/脈管制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其發(fā)展與制冷機(jī)息息相關(guān)。在20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)就開(kāi)展了線性壓縮機(jī)研究，主要研究單位有中科院上海技術(shù)物理研究所（技物所）、中科院理化技術(shù)研究所（理化所）、中國(guó)電科十六所以及浙江大學(xué)等。

1966年，中科院上海技術(shù)物理研究所制造了我國(guó)首臺(tái)微型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)［7］。得益于牛津型線性壓縮機(jī)的發(fā)展，后完成系列線性斯特林制冷機(jī)研究［8］。脈管制冷機(jī)振動(dòng)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電磁干擾小，是技物所的研究重點(diǎn)。為驅(qū)動(dòng)不同溫區(qū)脈管制冷機(jī)，該所制成多種動(dòng)圈式、動(dòng)磁式壓縮機(jī)，經(jīng)深入研究［9］，壓縮機(jī)效率得以穩(wěn)步提高，技物所不同溫區(qū)脈管制冷機(jī)用線性壓縮機(jī)［10］見(jiàn)表1。2018年，針對(duì)空間線性推掃式電荷耦合器件攝像機(jī)，技物所發(fā)展了大功率動(dòng)磁式壓縮機(jī)，重9.5 kg，最大輸入功率500 W，頻率為60 Hz時(shí)，電機(jī)效率達(dá)92%，此時(shí)制冷機(jī)可提供50 W/170 K制冷量［11］。該制冷機(jī)性能如圖 1（a）所示，當(dāng)壓縮機(jī)輸入不同電功時(shí)，制冷機(jī)冷頭冷卻至相同溫度所需時(shí)間不同，輸入功率越大，冷卻時(shí)間越短，這說(shuō)明增大壓縮機(jī)輸入功率有助于制冷機(jī)快速制冷，從圖2（a）中可看到，隨著制冷溫度下降，為獲取同等制冷量，制冷機(jī)對(duì)壓縮機(jī)輸入功率要求逐漸提高，就某種程度而言，線性壓縮機(jī)的最大輸入功率能夠限制大冷量制冷機(jī)朝更低溫區(qū)發(fā)展，因此技物所大功率線性壓縮機(jī)的發(fā)展不可或缺。

表1 技物所不同溫區(qū)脈管制冷機(jī)用線性壓縮機(jī)［10］Tab.1 Linear compressors for pulse tube cryocoolers in different temperature zones of SITP［10］

圖1 脈管制冷機(jī)性能［11］Fig.1 Pulse tube refrigerator performance graph［11］

中科院理化技術(shù)研究所則主要研制脈管制冷機(jī)，為提高制冷機(jī)壽命，相繼研發(fā)成單活塞、雙活塞線性壓縮機(jī)［12］。隨著高頻脈管制冷機(jī)體積、質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)在空間應(yīng)用過(guò)程中的逐步顯現(xiàn)，為獲取高效高頻制冷機(jī)，他們嘗試過(guò)單活塞壓縮機(jī)，振動(dòng)大、效率低下，為使制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)且便于頻率的調(diào)整，雙活塞線性壓縮機(jī)是其后續(xù)研究方向［13］。

由于空間及軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外探測(cè)器對(duì)線性壓縮機(jī)提出了小型化要求以滿(mǎn)足其有限空間布局和輕量化需要。壓縮機(jī)小型化一般可通過(guò)提高頻率和充氣壓力的方法實(shí)現(xiàn)，但是由于材料限制，充氣壓力的大幅提高是不被允許的，故而壓縮機(jī)小型化的主要途徑就是提高其頻率。2018年，理化所研制成更高頻率線性壓縮機(jī)，為118 Hz，通過(guò)減小壓縮機(jī)板彈簧的彈性系數(shù)以及增大活塞直徑之后，壓縮機(jī)質(zhì)量減至692 g且效率提升顯著，在同等功率輸入下，制冷機(jī)可獲得80 K/1.24 W的更大制冷量［14］。針對(duì)大冷量制冷機(jī)空間應(yīng)用趨勢(shì)的增加，理化所也發(fā)展了大功率線性壓縮機(jī)，效率達(dá)85%，輸入230 W電功，制冷機(jī)可提供15 W/80 K制冷量［15］。

中國(guó)電科十六所自1966年成立以來(lái)一直熱衷于小型制冷機(jī)的研發(fā)，前期大力發(fā)展小型旋轉(zhuǎn)集成式制冷機(jī)，后對(duì)不同溫區(qū)斯特林制冷機(jī)用線性壓縮機(jī)進(jìn)行了深入研究，成功制成單活塞、雙活塞線性壓縮機(jī)。2011年，該所使用單活塞氣體軸承線性壓縮機(jī)研發(fā)出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)氣體軸承斯特林制冷機(jī)，整機(jī)質(zhì)量小于3.5 kg，制冷量為7.7 W/80 K，隨后便開(kāi)展了對(duì)置式氣體軸承線性壓縮機(jī)研究。近年來(lái)，為冷卻高性能紅外探測(cè)器（60～80 K溫區(qū)工作），又開(kāi)展了60 K和80 K斯特林制冷機(jī)研究，采用雙活塞線性壓縮機(jī)成功開(kāi)發(fā)出 60 K 的 SFZC800、SFZC1600，80 K 的SFZC1600、SFZC2800，實(shí)現(xiàn)了 1.9 kg下 0.8 W/60 K，1.6 W/60 K，1.6 W/80 K，2.8 W/80 K 制冷量目標(biāo)。2017年，設(shè)計(jì)出一款輕量化高效線性壓縮機(jī)，質(zhì)量≤ 1.8 kg，壓縮機(jī)只考慮銅損時(shí)，效率達(dá) 82.6%［16］。2018年又設(shè)計(jì)了一款小型線性斯特林制冷機(jī)SFZ700，由單活塞線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)電聲轉(zhuǎn)換效率75.4%，整機(jī)質(zhì)量目標(biāo)值在400 g以?xún)?nèi)，優(yōu)化工作溫區(qū)為110 K，可拓展至80 K溫區(qū)，制冷量分別為 0.7 W/80 K，0.8 W/110 K［17］。

浙江大學(xué)也研制了許多動(dòng)圈式、動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)，近年來(lái)則主要致力于提高制冷機(jī)中線性壓縮機(jī)的適用性。2016年，為使壓縮機(jī)與脈管制冷機(jī)冷指進(jìn)行最佳匹配，基于制冷機(jī)整體電路、機(jī)械和聲阻抗的向量分析，提出一種脈管制冷機(jī)整機(jī)聲-力-電（AcME）耦合匹配方法［18］。2018年，發(fā)現(xiàn)線性壓縮機(jī)輸出聲功率對(duì)制冷機(jī)性能會(huì)產(chǎn)生直接作用，確定其輸出聲功率既有助于提高壓縮機(jī)適用性，又可揭示其性能［19］。通過(guò)對(duì)線性壓縮機(jī)電、力、聲特性的分析，提出一種測(cè)算壓縮機(jī)活塞表面輸出聲功率的方法，解決了只在改變壓縮機(jī)單一參數(shù)情況下如何獲得其最大輸出聲功的問(wèn)題［20］。此外，還提出一種基于分析壓縮機(jī)活塞力的相量三角形模型，通過(guò)該模型可以更加快捷直觀地了解壓縮機(jī)與冷指的匹配機(jī)制，簡(jiǎn)化了匹配過(guò)程［21］。

1.2 國(guó)外研究

國(guó)外關(guān)于線性壓縮機(jī)研究的開(kāi)展要早于并領(lǐng)先國(guó)內(nèi)，主要研究單位有Lockheed Martin先進(jìn)技術(shù)研究中心、NGAS公司、LG電子公司、牛津大學(xué)等。

Lockheed Martin先進(jìn)技術(shù)研究中心（LMATC）前期工作圍繞于動(dòng)圈式壓縮機(jī)展開(kāi)［22］。1994年計(jì)劃研發(fā)空間用脈管制冷機(jī)，動(dòng)力支持依舊由動(dòng)圈式壓縮機(jī)提供［23］。為提高壓縮機(jī)效率，開(kāi)發(fā)了諸多有效方法，例如：1998年，通過(guò)改進(jìn)壓縮機(jī)磁體材料和優(yōu)化磁路使直線電機(jī)效率由53%升至65%，壓縮機(jī)效率提高至76%［24］。后來(lái)，為確保脈管制冷機(jī)可靠性、簡(jiǎn)單性等優(yōu)先理念，研發(fā)出動(dòng)磁式壓縮機(jī)并將動(dòng)圈式取代［25］。圖2為L(zhǎng)M-ATC動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)［26］，從圖中可以看出，LM-ATC線性壓縮機(jī)發(fā)展較為完善，囊括了多種尺寸類(lèi)型，可滿(mǎn)足不同空間應(yīng)用冷卻需求。

圖2 LM-ATC動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)［26］Fig.2 LM-ATC moving-magnet linear compressor［26］

近幾年，LM-ATC大力發(fā)展小型線性壓縮機(jī)。2016年，在美國(guó)下一代戰(zhàn)術(shù)冷卻/非冷卻紅外傳感器和搜索器項(xiàng)目支持下，研發(fā)出一種小型脈管制冷機(jī)（FC-PTM），用于冷卻大型、高溫（105～150 K）紅外焦平面陣列傳感器，壓縮機(jī)采用圖4中的超小型，其發(fā)展始于2012年，整體長(zhǎng)90 mm，直徑32 mm，首代壓縮機(jī)未包含電連接器時(shí)質(zhì)量?jī)H190 g，該壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)下，制冷機(jī)可獲得300 mW/125 K制冷量［27］。同年，由美國(guó)空軍資助，LM-ATC優(yōu)化改造了TRL6脈管制冷機(jī)用小型線性壓縮機(jī)，重210 g，改造為JT壓縮機(jī)后質(zhì)量減至200 g，在2：1到5：1的壓力比范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)20%～30%的理想壓縮效率［28］。

1991年，諾斯羅普格魯門(mén)空間技術(shù)（NGAS）進(jìn)行了脈管制冷機(jī)的初步研制，研發(fā)出眾多動(dòng)圈式線性壓縮機(jī)，服務(wù)于空間與軍事應(yīng)用。2000年以后，NGAS公司將目光轉(zhuǎn)向高頻脈管制冷機(jī)并完成高頻線性壓縮機(jī)研制［29］。圖3示出NGAS系列低溫制冷機(jī)，目前，其液氮溫區(qū)小型脈管制冷機(jī)正處于世界最好水平。

圖3 NGAS系列低溫制冷機(jī)［28］Fig.3 Northrop Grumman family of cryocoolers［28］

2018年，按照空中客車(chē)防務(wù)和航空有限公司要求，NGAS研制成新型HEC脈管制冷機(jī)，適用于空間和非空間應(yīng)用，采用HEC動(dòng)圈式壓縮機(jī)，最大輸入功率180 W，重4 kg，在45～125 K范圍內(nèi)具有1.8～19 W制冷量，基于HEC壓縮機(jī)，依照美國(guó)機(jī)械技術(shù)公司（MTI）需要，通過(guò)縮放原理，完成改進(jìn)型小型壓縮機(jī)研制，重2 kg，相比之前小型線性壓縮機(jī)，改進(jìn)型輸入功率更大，為150 W，此時(shí)制冷機(jī)可提供1.5 W/47 K制冷量［30］。

2001年，LG電子公司生產(chǎn)出了世界首臺(tái)商用線性壓縮機(jī)。2002年，推出冰箱用線性壓縮機(jī)，后隨即對(duì)空調(diào)用線性壓縮機(jī)進(jìn)行了研發(fā)［31］。2004年，制成使用R410A制冷劑的空調(diào)用線性壓縮機(jī)。從R134a線性壓縮機(jī)到R600a冰箱用壓縮機(jī)以及R410A空調(diào)用壓縮機(jī)，壓縮機(jī)效能提升穩(wěn)定。由于空調(diào)冷負(fù)荷遠(yuǎn)高于冰箱，因此LG空調(diào)用線性壓縮機(jī)對(duì)螺旋彈簧和氣體彈簧剛度要求更高，壓縮機(jī)外形尺寸增大，同時(shí)由于較高功率輸出的壓縮機(jī)效率可能較低，從而限制了空調(diào)用線性壓縮機(jī)的發(fā)展［32］。冰箱用線性壓縮機(jī)是LG電子的主要發(fā)展方向，一般為單活塞動(dòng)磁式，特點(diǎn)是采用有油設(shè)計(jì)、無(wú)氣體軸承且使用硬質(zhì)螺旋彈簧來(lái)控制壓縮機(jī)共振和活塞漂移，尺寸較大。

LG線性壓縮機(jī)制冷量涵蓋150～370 W，電機(jī)效率均已超過(guò)90%，成本高是制約其發(fā)展的關(guān)鍵［33］。為提高線性壓縮機(jī)可靠性，2017年LG電子解決了常規(guī)線性壓縮機(jī)CFD分析未考慮影響活塞性能的負(fù)載條件而使得設(shè)計(jì)出的壓縮機(jī)易發(fā)生機(jī)械碰撞的問(wèn)題［34］?，F(xiàn)階段，為降低壓縮機(jī)成本，LG電子正嘗試研發(fā)商業(yè)制冷用氣體軸承線性壓縮機(jī)，已具備一定的專(zhuān)利技術(shù)，與油潤(rùn)滑線性壓縮機(jī)相比，氣體潤(rùn)滑壓縮機(jī)尺寸更小、成本可能更低且可靠性更高。

英國(guó)牛津大學(xué)率先采用板彈簧支撐、間隙密封等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了線性壓縮機(jī)的壽命突破，后接連完成如：第一代［35］、第二代［36］動(dòng)圈式壓縮機(jī)的研制，效率和功率提升明顯。如今，牛津大學(xué)將注意力轉(zhuǎn)向商業(yè)制冷領(lǐng)域。2016年，基于自行研制的低成本動(dòng)磁式壓縮機(jī)，開(kāi)發(fā)了一種新型控制系統(tǒng)，通過(guò)電磁閥來(lái)達(dá)到壓縮機(jī)直流偏移和軸向間隙控制目標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)壓縮機(jī)活塞行程減小時(shí)，零直流偏移電機(jī)性能更為優(yōu)越，并指出具有容量控制的制冷系統(tǒng)其活塞控制應(yīng)使用泄流實(shí)現(xiàn)零直流偏移［37］。為降低壓縮機(jī)成本，在新型控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，牛津大學(xué)又提出一種使用用于行程和偏移控制的搜索線圈來(lái)檢測(cè)線性壓縮機(jī)活塞位置的方法，該控制技術(shù)擯棄傳統(tǒng)位置傳感器，采用檢測(cè)基準(zhǔn)位置的接近傳感器，活塞偏移量的改變由電磁閥控制泄漏流量實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明其可行性良好［38］。國(guó)內(nèi)外線性壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外線性壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀Tab.2 Research status of linear compressors at home and abroad

2 線性壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

從上述各研究機(jī)構(gòu)線性壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀來(lái)看，大功率及小型線性壓縮機(jī)是目前的主要研究方向。從表2可知，在小型線性壓縮機(jī)研制方面，國(guó)內(nèi)外差距較為顯著，具體表現(xiàn)在壓縮機(jī)質(zhì)量及運(yùn)行頻率上。壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的提高是實(shí)現(xiàn)其小型化的主要途徑，然而高頻的實(shí)現(xiàn)卻需依賴(lài)支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)等的發(fā)展進(jìn)步?？v觀線性壓縮機(jī)的發(fā)展歷程，支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)的運(yùn)用均具有重要意義，使得壓縮機(jī)擺脫了壽命限制，其技術(shù)水平的發(fā)展對(duì)壓縮機(jī)壽命、可靠性、效率以及小型化進(jìn)程等方面具有直接影響。

2.1 支撐技術(shù)研究

線性壓縮機(jī)早期活塞支撐采用螺旋線彈簧，無(wú)法避免活塞與氣缸間的直接接觸。為減少磨損，在活塞與氣缸間可形成氣膜，也就是氣體軸承，利用高壓氣體剛度特點(diǎn)來(lái)承載活塞并將二者分離。根據(jù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)及原理的不同，氣體軸承分為靜壓和動(dòng)壓兩類(lèi)，動(dòng)壓氣體軸承的支撐能力易受氣體壓力波動(dòng)影響，可靠性差。針對(duì)活塞與氣缸間隙內(nèi)氣膜壓力的分布，ZHANG等［39］便提出了一種可進(jìn)行預(yù)測(cè)的一維氣體軸承模型。氣體軸承支撐技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工和裝配難度高，因此壓縮機(jī)活塞常用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的柱彈簧或板彈簧支撐。與柱彈簧相比，板彈簧徑軸向剛度比大，在可靠性、壽命方面表現(xiàn)出色，空間應(yīng)用潛力大。在MTTF達(dá)10 000 h以上的低溫制冷機(jī)中，板彈簧已是主流［40］。

板彈簧支撐技術(shù)的引入保證了壓縮機(jī)活塞與氣缸間徑向間隙的穩(wěn)定，避免了二者接觸，極大降低了磨損。一般而言，板彈簧分為渦旋臂和直線臂板彈簧，疲勞強(qiáng)度、軸向剛度、徑向剛度以及自振頻率是其主要性能指標(biāo)。相較于渦旋臂板彈簧，直線臂板彈簧自身一階自振頻率高，更適合于高頻應(yīng)用。針對(duì)渦旋臂板彈簧，JOMDE等［41］通過(guò)有限元方法，分析了渦旋臂寬度、板厚等參數(shù)對(duì)其應(yīng)力和剛度的影響，結(jié)果顯示螺旋角和板厚對(duì)板彈簧應(yīng)力及剛度影響顯著（成正比）。RAJESH等［42］對(duì)渦旋臂板彈簧3種常見(jiàn)材料SS304、鈹青銅和彈簧鋼性能進(jìn)行了分析，給出了不同設(shè)計(jì)參數(shù)和疲勞損傷系數(shù)下的板彈簧應(yīng)力變化規(guī)律。周偉楠等［43］基于有限元方法并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析比較了3種常用不同型線板彈簧后發(fā)現(xiàn)，圓漸開(kāi)線型更利于線性壓縮機(jī)高頻工作。KHOT等［44］通過(guò)對(duì)渦旋臂和直線臂板彈簧理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較得出，相同厚度和直徑下，直線臂板彈簧應(yīng)力、軸向和徑向剛度均高于渦旋臂板彈簧，并指出直線臂板彈簧更適用于緊湊尺寸和長(zhǎng)壽命應(yīng)用。

2.2 間隙密封技術(shù)研究

間隙密封技術(shù)是利用間隙內(nèi)流體因阻力等原因?qū)е聣毫ο陆档脑韥?lái)達(dá)到降壓密封目的，避免了類(lèi)似旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)油潤(rùn)滑及活塞環(huán)密封的使用所帶來(lái)的問(wèn)題，如：冰堵、制冷工質(zhì)的污染等，同時(shí)為線性壓縮機(jī)壓縮腔和背壓腔氣體的分離提供了保障，其應(yīng)用進(jìn)一步提高了壓縮機(jī)可靠性和壽命。

間隙密封分為直線型和迷宮型兩種，直線型能夠做到更小的間隙尺寸，間隙尺寸過(guò)大會(huì)損失壓縮機(jī)部分輸出功，并使得壓縮腔內(nèi)產(chǎn)生少量氣體泄漏，大幅降低壓縮機(jī)效率，需限制在合理范圍內(nèi)，一般小于 20 μm。JOSHI等［45］研究了 10，15，20 μm間隙尺寸對(duì)線性壓縮機(jī)制冷能力和效率的影響，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)制冷能力和效率隨間隙的增加而降低，對(duì)于10，15 μm間隙卻無(wú)太大差異?？紤]間隙的減小會(huì)促使摩擦力和磨損的增加，要延長(zhǎng)壓縮機(jī)壽命并提高性能，過(guò)小的間隙尺寸也是不可取的。SANTOS等［46］通過(guò)改變線性壓縮機(jī)壓力比、活塞與氣缸徑向間隙等從理論上詳細(xì)分析了壓縮機(jī)熱力學(xué)效率低下的原因，發(fā)現(xiàn)徑向間隙和壓力比是主要影響因素。

微小的間隙尺寸仍然無(wú)法阻止間隙內(nèi)氣體泄漏所造成的壓縮機(jī)效率下降，改變壓縮機(jī)活塞頭型式對(duì)于抑制損失是種有效方式，選擇徑向剛度大的柔性板彈簧以保持間隙尺寸的合理性，同樣能有效防止活塞出現(xiàn)徑向偏移從而加劇損失產(chǎn)生。還可通過(guò)改變?nèi)嵝园鍙椈山M件的安裝方式來(lái)降低間隙密封損失，曹廣亮等［47-48］對(duì)此進(jìn)行了研究。

3 結(jié)論與展望

線性壓縮機(jī)為空間低溫制冷機(jī)的核心部件，其發(fā)展好壞直接制約著斯特林/脈管制冷機(jī)的空間應(yīng)用。本文概述了低溫制冷機(jī)用線性壓縮機(jī)的發(fā)展歷史，基于國(guó)內(nèi)外線性壓縮機(jī)主要研究單位的發(fā)展演變對(duì)壓縮機(jī)最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并討論了壓縮機(jī)支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)的發(fā)展。從現(xiàn)有研究現(xiàn)狀分析來(lái)看，線性壓縮機(jī)的發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

（1）動(dòng)磁式壓縮機(jī)是大功率線性壓縮機(jī)的研究方向。大冷量空間應(yīng)用的發(fā)展促進(jìn)了大功率壓縮機(jī)的研制，動(dòng)磁式壓縮機(jī)相比動(dòng)圈式壓縮機(jī)比推力大、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性更高、成本低，是大功率線性壓縮機(jī)的首要選擇。

（2）線性壓縮機(jī)小型化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。空間應(yīng)用方面，飛行系統(tǒng)質(zhì)量與發(fā)射成本成正比，系統(tǒng)質(zhì)量的減少會(huì)降低發(fā)射成本，此外在如小型衛(wèi)星的組網(wǎng)探測(cè)等空間任務(wù)中，均要求探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量盡可能的小，線性壓縮機(jī)朝小型化趨勢(shì)發(fā)展無(wú)可避免。

（3）降低民用線性壓縮機(jī)使用成本。民用線性壓縮機(jī)由于需要精湛的加工裝配工藝和特別的制造工藝等以保證壽命和效率，提高了壓縮機(jī)使用成本，限制了其應(yīng)用深度及廣度。隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)于民用線性壓縮機(jī)的性?xún)r(jià)比也提出了更高要求，因此在優(yōu)化壓縮機(jī)性能的同時(shí)，其成本的降低也是一重要方向。

目前，線性壓縮機(jī)研究雖已取得諸多成效，但依然存在一些不足并值得完善：（1）國(guó)內(nèi)外小型線性壓縮機(jī)質(zhì)量差距較明顯，表現(xiàn)在材料和加工裝配工藝等方面；（2）國(guó)內(nèi)線性壓縮機(jī)柔性板彈簧相關(guān)研究欠缺，如直線臂板彈簧研究等；（3）對(duì)于線性壓縮機(jī)間隙密封損失的認(rèn)識(shí)依舊停留于理論階段，需完善實(shí)驗(yàn)研究。在線性壓縮機(jī)后續(xù)研究階段，上述問(wèn)題均需得到關(guān)注。