斯特林型压缩机偏置现象的影响因素分析

符鸣，蒋珍华，孟祥麒，祁影霞

（1-上海理工大学，上海　200093；2-中国科学院上海技术物理研究所，上海　200083）

斯特林型压缩机偏置现象的影响因素分析

符鸣*1，2，蒋珍华2，孟祥麒1，祁影霞1

（1-上海理工大学，上海200093；2-中国科学院上海技术物理研究所，上海200083）

斯特林型制冷机在实际运行中，压缩机会出现活塞偏移的现象。通过四组在不同条件下的对比实验，得到了造成压缩机偏置的影响因素。当压缩机内部处于真空状态时，不会出现活塞偏移现象。然而，一旦压缩机充入气体后运行，活塞会发生偏移。同时，随着充气压力的不同，活塞偏置量不同。制冷过程也会影响压缩机偏置。

斯特林制冷机；压缩机偏置；影响因素

0　引言

1816年苏格兰人STIRLING R提出了一种由两个等温压缩和膨胀过程和两个等容回热过程组成的闭式热力循环，称为斯特林循环。1834年HERSHEL J试图采用逆向斯特林循环用于制冰，1862年KRI K利用逆向斯特林循环用于制冷并获得成功［1-2］。斯特林制冷机广泛应用于红外遥感、高温超导，并在商业、军事及航天等领域广泛使用。现阶段广泛使用的斯特林制冷机主要采用了对置压缩机、直线电机驱动、板弹簧支撑和间隙密封等技术［3-5］。制冷机装配时，压缩机中的压缩限位与膨胀限位相等。对于该类型的制冷机而言，当制冷机未工作时，压缩机活塞所处的位置称为活塞的静态平衡位置。然而，当压缩机输入纯正弦交流电，制冷机处于正常工作状态时，压缩机的活塞往复运动的动态平衡位置偏离其静态平衡位置。该现象定义为压缩机偏置，压缩机活塞动态平衡位置偏离其静态平衡位置的量称为偏置量。

压缩机偏置会导致活塞的有效行程减小，从而影响制冷机的性能。美国Sunpower公司的VANDERWALT N R等［6］研究模拟了无摩擦的线性压缩机型制冷机，提出了当压缩机活塞受到冲力的作用，活塞的平衡位置会发生偏移。国外研究人员在研究线性压缩机时考虑了流经密封间隙的质量流，提出了压缩机中的气体弹簧损失［7-9］。为了确定引起压缩机偏置的影响因素，通过搭建斯特林型压缩机偏置影响因素的探索实验台，进行可能的影响因素的实验对比，通过改变充气压力、更换不同负载等实验，监测压缩机活塞的动态运行情况，研究并确定压缩机偏置的影响因素。

1　实验概述

1.1测试实验台

图1为斯特林制冷机的压缩机偏置实验台流程图。系统包含两大部分，分别为制冷机充放气系统及数据采集系统。图中虚线部分为气体管道线，实线为数据采集系统设备的导线。充放气系统能够实现压缩机整套设备内部处于真空环境及不同充气压力的环境。数据采集系统主要采集压缩机活塞的运动情况，该运动状态由示波器显示。其中，对于压缩机接有负载的实验，加装了压力波数据采集系统，以便观测压缩机中压缩腔的压力变化情况。整套实验设备包括自由活塞斯特林型压缩机、气库、脉管冷指、真空泵、排气扇、NF电源、功率计、差动式位移传感器、示波器、压力传感放大器、铂电阻和电阻加热片。

实验的测量必定存在误差，尽管在测量过程采取了相应的措施尽可能减小测量误差，但仍旧不可避免。其中实验中主要的误差有：1）压缩机中压缩腔与背压腔的动态压力测量采用的是压力传感器并经放大器放大后测得的，其最大相对误差为1%；2）压缩机中活塞的位移采用差动变压器式位移传感器（LVDT）获得，其最大相对误差为1%。

1.2实验仪器

实验研究的测试项目、所用仪器及实验表示量等参数见表1。测试变量中的位移行程及限位值的示数由示波器显示，示波器显示的是转换后的电信号，实验所用的压缩机活塞行程为9 mm（±4.5 mm）。

表1　实验测试参数

2　实验与数据分析

2.1实验方案

图1为斯特林型压缩机偏置实验台。为了确认压缩机偏置的影响因素，实验共分为四组，便于对比。第一组为压缩机接零气库；第二组为压缩机负载接一个容积为12.7 ml气库；第三组为负载接一个容积为27 ml气库；第四组为负载接一个脉管冷指。其中各组实验均进行压缩机内部为真空以及充气压力为1 MPa、2 MPa及3 MPa的实验。在各组实验的压缩机上接入LVDT位移传感器，以便采集活塞的运动情况。对于后三组实验，在压缩机与负载的连管上加装压力传感器，采集压缩腔中的压力波变化情况。

图1　斯特林型压缩机偏置实验台

2.2实验结果分析

2.2.1压缩机内部真空时的偏置情况

图2为压缩机内部真空状态时，四组实验的活塞偏置量数据图。其中，各数据考虑了活塞在不同运行频率及不同行程下的偏置情况，其中运行频率范围为46 Hz ～54 Hz，活塞行程范围为2.47 mm～5.92 mm。

图2　压缩机真空状态下活塞的偏置量

表2为压缩机运行频率为48 Hz压缩机内部真空时的一组对照数据。由表2可知，当不同负载下实验活塞的行程到达6.91 mm（总行程的77%）附近时，各组实验压缩机的偏置量仍可忽略。

通过上述实验可知，当压缩机处于真空状态下，活塞的偏置量均在±0.0987 mm范围，考虑到实验设备中的一些干扰波动及实验中不可避免的误差，该偏置量可忽略。因此，对于压缩机内部为真空状态时，认为压缩机不发生偏置现象，同时可以认为压缩机中电机结构及机械结构不造成偏置。

表2　四组实验的偏置量

2.2.2压缩机充气状态下的偏置情况

图3分别是同一台压缩机不接负载、接容积为12.7 ml及接27 ml气库时，各自行程与活塞偏置量的曲线图，其中压缩机的充气压力分别为1 MPa、2 MPa和3 MPa。

在三组实验中，负载一定时，随着压缩机活塞的行程增大，活塞的偏置量增大，且偏置量为正值。这说明压缩机正弦运动时，活塞往压缩方向偏离其静态平衡位置。同时，在图3中，负载一定时，当活塞的运行行程相等时，充气压力越大，活塞偏置量越大，即活塞偏离静态平衡位置越严重。

研究认为，由于质量流的不对称泄漏最终导致活塞出现偏置的现象［7］。对于斯特林型压缩机而言，由于其采用了间隙密封技术，活塞与汽缸壁存在几微米的间隙，当活塞运动时，流体势必会在活塞与汽缸壁之间的间隙来回窜流，质量流的来回窜流并非一致，最终达到动态平衡时，等效于压缩腔往背压腔流动的质量流大，即压缩腔往背压腔泄漏，导致压缩腔与背压腔的时均压力不一致，活塞两面所受气体作用力不一致，形成一个动态偏置，产生一个时均板簧力弥补活塞两侧不对等的气体力。相同充气压力下，行程越大，压缩腔往背压腔泄漏的净质量流越大；相同行程下，充气压力越高，压缩腔往背压腔泄漏的净质量流越大，从而引起偏置量越大。

图3　行程与偏置量的关系

图4为同一台压缩机在接零气库、12.7 ml气库及27 ml气库，充气压力为3 MPa时，活塞的行程与偏置量的关系图。

图4　不同负载时行程与偏置量的关系

从图中可知，压缩机接零负载时，活塞行程相对较小时，活塞的偏置量已经很大了。随着接入负载气库的容积增大，相同行程时，活塞的偏置量却较小。这是因为压缩机接入气库负载后，其压缩腔死容积增大，当压缩机运行相同行程时，经由间隙泄漏到背压腔中的质量流减小，进而活塞的偏置量减小。

2.2.3制冷过程的偏置情况

图5是斯特林型压缩机接脉管负载不同制冷温度与活塞偏置量的关系曲线图，其中压缩机运行频率为44 Hz，制冷机充气压力为3 MPa。

从图中可知，活塞行程为5 mm与5.5 mm时，活塞的偏置量都随着制冷温度的降低而减小。这是因为制冷机冷指降温后，压缩腔的平均压力随着制冷温度的下降而减小，使活塞从压缩腔向背压腔的净泄漏减少，进而活塞的偏置量减小。

图5　制冷温度与偏置量的关系

3　活塞偏置特性分析

研究表明压缩机中间隙的存在会导致工质质量流的泄漏［7-8］。当压缩机泄漏达到稳定时，活塞两侧建立了一定的压力差，根据线性压缩机活塞中心位置的偏移主要决定于活塞两侧的气压及连接活塞的弹簧刚度。经由活塞间隙泄漏的质量流量表达式如下：

式中：

m——质量；

t——时间；

D——活塞直径；

ρm——气体平均密度；

μ——黏度；

r——间隙的有效半径；

L——间隙长度；

Δp——间隙两侧压力差。

为了获得活塞的偏置量，关键是推导出间隙两侧压力差的表达式。由公式（1）可知，需要求解质量流泄漏量的另一种表达式［10］。根据气压作用在活塞端面所产生的作用力转换为板弹簧的形变量，假定板弹簧的刚度为K，活塞端面面积为A，结合公式（1），得出活塞偏移中心位置的偏置量x0表达式：

4　结论

1）当压缩机内部处于真空状态运行时，不论压缩机接负载与否都不存在偏置的现象。

2）当压缩机充入气体正弦运行，活塞会偏离其静态平衡位置运动，且往压缩方向偏移。

3）充气压力一定时，随着行程的增大，活塞的偏置量增大。

4）在相同的行程下，充气压力越大，活塞偏离其静态平衡位置越严重，偏置量越大。

5）压缩机充气状态下运行，负载的接入会影响压缩机的偏置。若负载接入的是空容积的气库，随着气库容积的增大，活塞的偏置量将会减小；若接入的负载为冷指，随着制冷温度的降低，活塞的偏置量也会减小。

［1］陈国邦，严鹏达，李金寿.斯特林低温制冷机的研究与发展［J］.低温工程，2006，153（5）∶1-10.

［2］陈廷强.斯特林制冷机设计参数的优选方法探讨［J］.制冷技术，1986，6（3）∶9-13.

［3］胡白楠，陈晓屏，夏明.微型斯特林制冷机的进展［J］.红外技术，2006，28（12）∶730-733.

［4］陈曦，张华，吴亦农，等.200K/40W自由活塞斯特林制冷机的实验研究［J］.上海理工大学学报，2007，29（4）∶337-340.

［5］姜尔宁.世界制冷压缩机发展趋势（三）［J］.制冷技术，2010，12（1）∶49-56.

［6］VANDERWALT NR，UNGER R.The simulation and design of a high-efficiency，lubricant free，linear compressor for a domestic refrigerator［C］//Proceedings of the 1992 International Compressor Engineering Conference，Purdue，1992，（1-4）∶1-9.

［7］SPOOR P S，COREY J A.A novel method for controlling piston drift in devices with clearance seals［C］//Cryocoolers 13，USA∶Springer-Verlag New York Inc，2004∶215-223.

［8］BAILEY P B，DADD M W，REED J S，et al.Gas spring losses in linear clearance seal compressors［C］//Cryocoolers 14，USA∶Springer-Verlag New York Inc，2007∶345-352.

［9］陈曦，武卫东，周志刚，等.自由活塞斯特林制冷机间隙密封技术研究［J］.低温与超导，2008，36（5）∶5-8.

［10］王俊宝，闫文军，李玟萍.非接触密封泄漏量的计算［J］.流体机械，1995，23（4）∶26-29.

Analysis on Influencing Factors of Piston Drift Phenomena in Stirling Compressor

FU Ming*1，2，JIANG Zhen-hua2，MENG Xiang-qi1，QI Ying-xia1
（1-University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2-Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China）

In actual operation of the stirling cryocooler，the phenomenon of piston drift will appear in the compressor.Based on the four groups of comparative experiments under different conditions，the factors leading to piston drift were obtained.When the compressor operates in the condition of internal vacuum，the phenomenon of piston drift will not appear.However，once the compressor operates after working medium charged，the piston drift will happen.The piston drift is different when charged pressure changes.The refrigeration process also has effect on piston drift.

Stirling cryocooler；Piston drift；Influencing factor

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.106

*符鸣（1990-），男，硕士研究生。研究方向：低温制冷。联系方式：上海市军工路516号上海理工大学，邮编：200093。

联系电话：18817849128。E-mail：fuminghello@163.com。