热泵干衣机用线性压缩机的设计优化与性能分析

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(1.北京航空航天大学， 北京　100196; 2.中国科学院理化技术研究所， 北京　100190)

引言

在空气相对湿度较大的阴雨地区,衣物的晾晒往往需要很长时间，干衣机应用越来越广泛。传统的干衣机利用PTC 发热元件, 通过电加热的方式, 把空气温度加热至一定温度(通常为60 ℃左右) ,在干风机作用下使热空气流经衣物表面, 通过热湿交换带走衣物的水分, 实现衣物的加速干燥[1,2]。由于这种方式一方面需要消耗大量的高品质电能，另一方面流过衣物的高温高湿的气流直接排出，造成了严重的能源浪费。

热泵技术由于具有能耗低，对环境空气影响小，干燥效果好等优点，是实现干衣机节能减排的一个重要发展途径。热泵干衣机的原理如图1所示，在整个热泵干燥系统中，热泵循环与空气循环在蒸发器与冷凝器处相联，进行热量交换。热泵通过压缩机做功，驱动制冷剂循环，使得制冷剂在蒸发器中吸收来自干燥箱的排气废热，使得湿空气降温除湿，吸收的热量合并压缩机的耗能，在冷凝器处加热将进入干燥箱的空气，以提高空气携带水分的能力。循环空气在风机的推动下，经过被干燥物料的湿热空气首先在蒸发器中放热，温度降低；低至露点温度以后，水蒸气冷凝析出，空气的含湿量降低。冷凝水由下部设置的接水盘引出。低温低含湿量的空气随后通过冷凝器被加热，温度升高，含湿量不变，但相对湿度降低，从而提高空气吸收水分的能力。最后高温低相对湿度的空气吹过衣物表面进行热湿交换，放出热量，带走水分，空气的温度降低、含湿量增加、相对湿度增加。由此，从干衣桶排出的空气又被重新送回到蒸发器处，形成一个完整的循环。相比于电热式干衣机，热泵式干衣机虽然干衣时间稍长，但除湿能耗显著低于电热能，干衣过程中能效范围为1.60～2.60，平均能效为2.27，2.5 kg的衣物大约可以实现节能30%[1]。

图1　热泵干衣机结构原理及空气处理过程图[3]

作为热泵循环系统的“心脏”，压缩机是保证热泵干衣机性能的核心部件，目前尚无热泵干衣机专用的压缩机，现有应用中通常采用回转式或涡旋式空调压缩机替代[4,5]。由于干衣机所需的制热量较小，而实际空调压缩机的功率相对较大，难免出现“大马拉小车”的情况，同时回转式或涡旋式压缩结构较高的泄漏率对于小容量制冷系统来说是不可忽略的效率影响因素，这使得原本高效的回转式或涡旋式空调压缩机在热泵干衣机中得不到较高的工作效率。相比而言，活塞压缩机较低泄漏率使其对于小型制冷装置来说具有很大的效率优势。而进一步，采用直线电机驱动的线性压缩机，由于省去了将旋转运动转换为往复运动的传动机构，直线电机的电磁驱动力方向始终与活塞的运动方向在同一直线上，极大地减少了活塞的摩擦功耗和磨损，可以延长压缩机的使用寿命，易于实现无油润滑和小型化。同时可以灵活调整的活塞行程也给压缩机的变容量调节提供了更大的自由度。因而线性压缩机在热泵干衣机应用中具有很好的发展前景[6]。

1　线性压缩机基础理论及设计流程

图2为本研究采用的线性压缩机结构方案示意图，活塞与直线电机动子直接连接，由直线电机在电磁场的作用下产生轴向驱动力，推动活塞克服气体压力往复直线运动；通过谐振弹簧的设置来平衡活塞往复运动所形成的惯性力；当活塞向左侧运动时，气缸内形成一定的负压，吸气阀打开，气体通过吸气阀进入气缸工作腔，被活塞压缩后，气体压力升高，当压力高于排气腔内的背压时，排气阀打开，气体由排气管排出压缩机外。活塞初始位置距排气阀距离为XS,压缩气体时，由于活塞两侧气体压力不同，在气体力的作用下发生一定的偏移，偏移量为ΔX,活塞在距离排气阀X0(X0=XS+ΔX)的位置作振幅为X的往复运动。

图2　线性压缩机结构原理图 [7]

根据线性压缩机的结构特点和工作原理，其理论模型主要分为两部分，一部分为直线电机的电磁场模型，控制直线电机的电磁转换过程。另一部分为机械动力学模型，控制直线电机往复运动驱动活塞压缩气体过程，进一步得到其理论控制方程为[7]：

(1)

(2)

其中，u为供电电压；i为电流；Re为直线电机当量电阻；Le为当量电感；K0为电磁力系数；x为活塞位移；m1为运动部件质量；m2为机身质量；cf为摩擦阻尼系数；ks为谐振弹簧刚度；cg为气体等效阻尼系数；kg为气体等效刚度。

在上述理论基础上进行线性压缩机的开发设计，主要设计开发步骤如图3所示，首先根据应用的设计工况与负荷要求，确定线性压缩机的吸排气压力，计算其设计排气量，在此基础上确定活塞截面积与行程，根据线性压缩机的吸排气压力计算其气体等效刚度kg与等效阻尼系数cg[8]；根据电压平衡方程，由设计的供电电压及设计电流确定直线电机的电磁力系数K0；再以直线电机的电磁场理论为基础，根据电磁力系数要求进行直线电机结构设计，确定直线电机的线圈匝数，永磁厚度以及硅钢片尺寸；最后根据动力学方程的频率特性进行谐振弹簧配置，使得线性压缩机处于高效的动力学和电学性能状态中。

图3　设计步骤简述

设计计算主要通过Ansoft 和MATLAB软件平台进行设计计算，通过不同参数的试算分析，进行线性压缩机结构参数的优化配置。

2　主要部件设计

2.1　设计工况

根据热泵干衣机的应用要求，初步设定干衣机内循环空气的温度变化过程为：从干衣桶流出温度为33 ℃空气进入蒸发器，经蒸发器降温除湿至16 ℃后，进入冷凝器，经冷凝器加热至56 ℃后进入干衣桶。热泵干衣机设计制热量Qh为2000 W(约3.1 kg衣物)，供电电压为220 V。

热泵工质采用R134a，制热额定工况为：冷凝温度63 ℃,过冷度0 ℃，蒸发温度7 ℃，过热度3 ℃。理论循环的制热量qc=144.561 kJ/kg,蒸发量qe=111.718 kJ/kg,输入功pc=32.8 W/kg, 制热COP=4.4，吸气比容v=0.05536 m3/kg，吸气压力ps=0.374 MPa,排气压力pd=1.804 MPa。

压缩机设计排量:

(3)

其中,ηv为排气效率；f为运行频率；s为设计放大系数。这里根据热泵系统工况和制热量需求，考虑90%的排气效率及1.2的设计放大系数，额定运行频率f为60 Hz，经计算，制冷剂质量流量为0.01384 kg/s,理论耗功454 W，线性压缩机设计每秒排气容积为0.000766 m3。

2.2　参数的设计匹配优化

紧凑结构、提高效率和降低成本是热泵干衣机用线性压缩机设计主要考虑因素。当线性压缩机的设计排量确定时，气缸直径与活塞行程的关系也就确定了，直径越大，活塞行程越小。当活塞行程确定时，气体力的等效刚度kg与等效阻尼系数cg也就确定了[8]。由动力学方程(2)，通常将在设计时使得线性压缩机的惯性力与弹性力相一致,实现速度共振从而达到最高电机效率状态，即:

(4)

此时，线性压缩机动力学方程(2)转化为:

(5)

同时由于实际应用中的供电电压通常是统一的,由电路平衡方程(1)可知,其中的感生电动势项受总供电电压的限制,总是要小于供电电压，即使考虑其中电阻项与电感项非常小的理想条件下：

(6)

因而，当供电电压值确定时，电磁力系数也就确定了，活塞行程越小，电磁力系数越大，为便于分析，在电机设计中电磁力系数通过改变永磁体的厚度来实现，保持励磁线圈的匝数等参数不变，从而使得直线电机的当量电阻保持不变。

当线性压缩机的活塞行程幅值X确定时，就可以确定其工作电流的有效值和输入、输出功及压缩效率：

(7)

(8)

(9)

η=po/pi

(10)

根据上述理论，初步设定动子质量m1为0.85 kg,机身质量m2为7.0 kg，在上述设计条件下则可以得到谐振弹簧刚度，图4显示了气体等效刚度与谐振弹簧刚度随气缸直径的变化曲线。由于气体等效刚度随气缸增加而增加，当质量与频率参数确定时，气缸直径越大需要配置的谐振弹簧刚度越小。

图4　气体等效刚度与弹簧刚度变化曲线

图5和图6分别显示了在上述设计条件下，不同气缸直径条件下，电磁力系数设计值与压缩效率的变化曲线，可以看出，受供电电压调节的限制，电磁力系数随着气缸直径的增加而增加，直径越大电磁力系数增加率越大；压缩效率也随着气缸直径的增加而增加，但直径越大效率增加率越小。气缸直径36 mm与40 mm 相比，电磁力系数增加了24.4%,而效率仅增加了1.5%。由于电磁力系数与永磁片厚度成正比，也就意味着需要增加24.4%的永磁材料来实现，相比于增加的效率来说经济效益较低，因而选择气缸设计直径为36 mm，相应地活塞设计行程为16.8 mm，设计电磁力系数为98 N/A，设计电流为3.25 A,谐振弹簧刚度为54.85 N/mm。

图5　电磁力系数随气缸直线变化曲线

图6　压缩效率随气缸直线变化曲线

2.3　直线电机设计

在气缸直径，活塞行程，电磁力系数，设计电流等参数确定的基础上，进一步进行直线电机设计。本研究采用动磁式直线振荡电机作为热泵干衣机用线性压缩机的驱动电机，其断面磁路结构示意如图7所示。图中环绕着线圈外侧的为外定子，下面的梯形部分为内定子，内外定子之间为永磁体动子部件。内、外定子采用硅钢片导磁材料。磁路结构设计可以借助于电磁场有限元分析软件进行，其关键点主要包括两个方面，一是为了合理的引导磁路， 减少漏磁通而需进行的结构形状设计； 二是为了尽可能的减少铁磁损耗而进行的尺寸设计，这里不再赘述。

图7　动磁式直线振荡电机磁路结构

该结构直线电机的电磁力系数可表示为：

(11)

其中,N为励磁线圈匝数；Hc为永磁体的矫顽力；μr为磁导率；μ0为真空磁导率；z为充磁方向厚度；l为永磁体半长；g1，g2分别为气隙宽度。

当内、外定子与气隙尺寸确定时，电磁力系数与线圈匝数，永磁体矫顽力以及永磁体厚度成正比。根据电磁力系数与工作电流的设计值就可以确定励磁线圈的线径与匝数，进一步选择永磁材料并确定永磁体的厚度与长度等参数。

3　性能分析

根据上述设计结果，开发出热泵干衣机用线性压缩机，其主要参数如表1。

表1　线性压缩机样机的主要参数

在此基础上分析其在热泵系统中的运行性能。性能分析主要通过上面线性压缩机的理论模型公式(1)和(2)，在MATLAB平台上，分析线性压缩机在不同工况下的性能特点。图8为线性压缩机在蒸发温度为7 ℃不变时，冷凝温度从63 ℃下降到40 ℃的制热COP及压缩效率，可以看出随着冷凝温度的降低，线性压缩机的压缩效率略有下降，但是由于热泵循环制热能效COP受冷凝温度的影响较大使得其制热COP从3.06增加到了5.43。图9为冷凝温度为63 ℃不变时，蒸发温度从7 ℃下降到0.2 ℃的制热COP及压缩效率，可以看出随着蒸发温度的降低，线性压缩机的压缩效率略有增加，但是热泵循环制热能效COP随着蒸发温度的降低而大幅下降，使得线性压缩机的制热COP从3.06下降到了2.7。

图8　压缩机性能随冷凝温度变化曲线

图9　压缩机性能随蒸发温度变化曲线

性能分析结果显示，通过线性压缩机的设计优化，可以使其在不同工况下均保持较高的压缩性能，但在热泵系统中，由于系统性能受工况的影响较大而使得线性压缩机的制热COP值随工况变化较大。需要说明的是，这里计算的制热COP主要是线性压缩机在不同工况下的性能，不包括系统换热器等其他部件对系统性能影响，因此，热泵干衣机的系统实际制热COP比计算值要低一些。

5　结论

本研究针对热泵干衣机的应用特点，介绍了热泵干衣机用线性压缩机的设计优化方法，并进行了系统性能分析，采用线性压缩机作为热泵干衣机可以实现70%以上的压缩效率,并可以通过直线电机供电电压与电磁力系数的增加得到进一步提升，具有一定的发展前景。但考虑热泵干衣机运行过程中，通过热泵系统蒸发器和冷凝器的空气处于持续动态变化过程中，线性压缩机的运行也会受到工况变化的影响，因而在今后的工作中，有必要进一步开展线性压缩机的动态性能研究。另外， 活塞式压缩机的摩擦损耗和直线电机的成本，也是热泵干衣机用线性压缩机发展过程中需要考虑的重要问题。

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