制冷线性压缩机关键技术及发展现状

曹广亮，陈　曦（上海理工大学能源与动力工程学院，上海　200093）

制冷线性压缩机关键技术及发展现状

曹广亮，陈曦
（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）

随着技术的发展，线性压缩机技术的应用逐渐从军工、航天、生物医药领域转向民用领域，应用范围扩大，技术研发增强。为了使科研人员对线性压缩机关键技术和发展现状有所了解，介绍了线性压缩机直线电机技术、线性压缩机润滑技术、线性压缩机控制技术和线性压缩机活塞及阀门布局四大技术，详细分析比较了线性压缩机直线电机的三种结构、线性压缩机有油润滑和无油润滑的优缺点、线性压缩机各种控制技术的特点、线性压缩机活塞单双侧布局和阀门三种布局的结构方式，并对线性压缩机的性能、发展现状进行了简要论述。

直线电机；控制技术；润滑技术；发展现状；阀门和活塞布局

0　引言

对于线性压缩机的研究开发国内外已有几十年的历史，最初研究的线性压缩机是针对应用于航天或军事领域的小型低温制冷循环系统如：斯特林型制冷机和脉管型低温制冷机。随着社会的发展，能源不断地被消耗，建筑业能耗占能源总消耗的20%～30%，而空调采暖和制冷系统的能耗占建筑业能耗的50%～60%［1］，其中压缩机能耗占大部分。线性压缩机以没有曲柄连杆机构、摩擦降低、不使用润滑油、排出气体没有油污染、低温下不会产生润滑油凝固的不良影响、不会有油污沉积在热交换器管壁上、结构简单、效率高等优势被科研人员关注，并逐步实现民用化［28］。针对线性压缩机的直线电机技术、电机控制技术、无油润滑技术、结构及阀门布局技术进行论述，并对线性压缩机技术发展趋提出展望。

1　线性压缩机技术

1.1直线电机分类

直线电机按结构分三种类型：动圈式直线电机、动铁式直线电机和动磁式直线电机。动磁式直线电机中有一种特殊的类型为动磁铁式直线电机。各种型式直线电机的比较如表1所列。

表1　各种型式直线电机的比较

动圈式直线电机结构原理简单、便于分析、启动电流小、动子质量轻、惯性小、振荡频率高、反应灵敏，并且绝大部分有效磁通对活塞产生轴向推力，产生侧向推力的磁通少，因此径向力和扭矩较小，磁场能提供稳定的磁通，不存在磁滞损耗和祸流损失，能量损失少，有利于提高效率。但是动圈式直线电机产生的推力小，效率一般，引线装置复杂，制约了其发展。2012年，浙江大学的赵鹏［2］在前人的基础上采用数值模拟和实验测试相结合对动圈式直线压缩机结构进行了设计与改进。

动铁式直线电机结构和控制系统相对简单，在同体积的压缩机中，能产生相对较大的驱动力，压比较大，制造成本较低，但是动铁式直线压缩机一般质量比较大，动子在气隙中的运动不稳定，容易偏离气隙中心轴线，在活塞上产生很大的径向力，导致振动和噪声较大，同时随着永磁材料技术的发展，此类压缩机在制冷系统中将逐渐被淘汰。2010年，英国Ibrahim等［3］研发了1台新型动铁式直线电机，在前人的基础上对动子结构、定子槽结构、铁心和永磁材料进行了改进。

动磁式直线电机结构紧凑、动子质量较轻、比推力较大、效率较高，但是动磁式线性压缩机的磁路结构比较复杂，需考虑非线性磁导、边端效应、电涡流损失等，使设计和开发的难度增加。2012年，华中科技大学的赵星磊［4］对动磁式直线压缩机的结构进行了系统的设计。2014年，浙江大学赵科［5］设计了冰箱用动磁铁式线性压缩机，并对其仿真模拟、结构优化和实验测试。

1.2线性压缩机的性能

2004年，LG公司用R410A制冷剂的分体式热泵开发了一种高效节能的线性压缩机，在ASHRAE-T条件下，LG空调线性压缩机的等熵压缩的电效率高于82%。随着输入电压的变化，该压缩机的容量可以调制得到更好的系统效率。线性压缩机的阀门系统可以减小流动阻力、过压缩损失和对吸入气体的加热，并且线性压缩机由活塞和缸体组成，没有曲柄连杆机构，摩擦损失和高压制冷剂气体的泄漏量比传统压缩机小很多，润滑可靠性比传统压缩机提高了很多。在负载条件下，开发的线性压缩机的机械效率超过了95%，电动机效率超过了92%［6］。

2008年，LG公司研发了1台家用冰箱线性压缩机，制冷工质为R600a，在改进的阀门系统后，比传统R600a压缩机的能效比高25%～30%，电动机效率超过90%，能量效率可达73%［7-8］。2008年，刘晓辉［9］对动磁式线性空气压缩机进行了研发，设计的背压为0.7 MPa，功率为220 W，频率为50 Hz，但由于实验条件的限制，样机实际的共振频率为56 Hz，实测比推力较设计值偏小，电流较大，导致了压缩机铁损与铜损的增加。另外系统的摩擦损耗占输入电功率的14.3%，则整台压缩机的损耗占到了电功率的53.6%较大，而排气量却只有0.68 m3/h，导致压缩机的比功率很大、效率很低、与设计值偏差较大。2008年，浙江大学的叶晓平等［10］设计了一种动磁式线性压缩机，当压缩机稳定工作时，受活塞平衡位置漂移的影响，设计的实验未能测得准确的气缸余隙，实验仅以实际气体状态方程保守估算了在压缩机工作状态下最大压比时的余隙容积，压缩机的摩擦损耗、铁损及其他损耗总和只有8.6 W，压缩机的电机效率为81.4%。2008年，Embraco公司的Possamai等［11］设计了1台动磁式线性压缩机，其制冷工质为R600a，较高的操作频率，其直线电机的效率为71%，等熵绝热压缩的电效率为42%。

2010年，釜山国立大学学院的Ku等［12］设计的线性压缩机通过改善轴承和阀门系统等组件，以提高整个压缩机的效率，包括驱动损耗在内，线性压缩机的效率约为75%。2014年，Liang等［13］研发了一种新型的线性压缩机采用间隙密封技术和柔性弹簧技术等无油润滑技术，并且采用R134a作为制冷剂，最大电机效率约为86%。

2　线性压缩机润滑技术

传统的有油润滑压缩机大多使用油润滑，使排出气体有油污染，低温下会产生润滑油凝固的不良影响，油污沉积在热交换器管壁上影响换热，压力容器中因油污染沉淀将减少气体存储容积。同时，有油润滑压缩机包含注油器、油分离器等设备，增加了系统阻力，使结构复杂、加工困难、气缸接触面摩擦系数较高、寿命较短、噪声较大、维护要求较高、成本增加。无油润滑压缩机可以有效的缓解上述情况的发生，增强了科研人员对无油润滑技术的研究。通常无油润滑方式有固体润滑技术、直线轴承、气体轴承、板弹簧、间隙密封、纳米涂层。润滑技术之间的区别如表2所列。

表2　有油润滑技术与各种无油润滑技术的比较

固体润滑剂使用固体聚合物材料组成自润滑活塞环，固体润滑剂表面摩擦系数小，可以降低气缸接触面摩擦。纳米颗粒涂层可以在材料表面形成润滑涂层，有效降低材料表面摩擦系数。直线轴承运动时，轴承内的负荷滚珠循环滚动，使轴能在直线方向上做直线运动。轴承内滚珠与轴之间为滚动摩擦，摩擦系数小。2004年，松下冷机株式会社的山本秀夫等［14］发明的一种直线电动机和线性压缩机应用的就是直线轴承技术。间隙密封技术作为一种非接触式密封，是利用流体通过微小间隙时因流道阻力而达到降压密封的效果。间隙的宽度很小，一般控制在20μm以内，泄漏量降低、密封性能好、可靠性高、寿命长。气体轴承分为动压轴承和静压轴承，经MTI公司试验发现动压气体轴承容易导致系统的振动及摩擦损失，并且动态承载性能和耗气量易受压力波动影响，附加的旋转激励装置增加了系统的复杂性，使整机的可靠性较低［15-17］。

静压气体轴承如图1所示，高压气体从外部气源设备供给，经过小孔进入润滑间隙，当润滑间隙充满气体时将形成具有一定压力的气膜，把支承件浮起。动压气体轴承如图2所示，当两个润滑表面有相对运动且在运动方向存在楔形间隙时，由于气体黏性作用及气体所具有一定的速度，将气体带入楔形间隙，在轴承外表面产生气膜压力，形成动压承载力，实现二者之间非接触支撑。气体轴承技术是利用结构压差，使活塞与气缸间形成高压气体膜，气体膜的刚度起到气体润滑和支撑的作用，其结构如图3所示。2013年，李海宁［15］对线性压缩机用气体轴承及间隙密封特性进行了数值模拟和实验研究。目前直性压缩机内的谐振件主要是柱弹簧和板弹簧两种，柱弹簧在设计、计算、生产都要比板弹簧容易，且适用范围比板弹簧广，板弹簧尺寸小、轴向刚度、径向刚度及对线性压缩机的性能和稳定性都优于柱弹簧。对于气体轴承技术，间隙密封技术和板弹簧支撑技术的综合运用可以实现无油润滑、无磨损从而降低能耗，提高效率。

图1　静压气体轴承示意图

图2　动压气体轴承示意图

3　线性压缩机控制技术

线性压缩机控制系统为线性过程提供驱动电信号，同时为保证线性压缩机活塞的止点位置得到有效的控制，避免余隙过大和撞缸的危害。早期的控制系统通过位置传感器的检测信号作为负反馈控制线圈上的冲程电压来实现，但这种系统可靠性和灵敏度不能保证，成本较高。现在线性压缩机主要针对共振频率和行程进行控制，通过对吸排气压力、温度、电压等的改变来控制行程和频率。控制系统的控制变量主要有活塞位移、活塞速度、活塞运动相位和气缸内外温度等，其中选择活塞位移为控制变量的较为普遍［19］。Chun等［20］采用控制位移与电流乘积平均值的方法进行压缩机效率的最大化控制，解决了电流过零点检测带来误差的问题。Lin等［21］采用扰动和观测的搜索方法，搜索一定电流幅值下行程和输出功率最大时的共振频率。于明湖等［22］采用模糊算法搜索一定行程下电流（功率）最小时的共振频率。张金权等［23］采用模糊控制器控制活塞的上死点位置，根据动圈式或动磁式直线电机的线性电磁特性及其动力学特性，通过测量电机的电压和电流计算得到活塞速度，再通过积分即可得到动子的位移［24］。Rodr’ıguez等［25］采用了无电压和电流传感器的控制方法。LG公司提出的控制方案是利用两个温度传感器测量压缩机内外的温度信号，将其输入微处理器，产生一个控制驱动电路单元通断的控制信号。sunpower公司针对永磁动圈型线性压缩机，以活塞冲程作为控制变量，利用位置传感器的检测信号作为负反馈，控制施加到线性压缩机活塞线圈上的冲程电压来改变压缩比，实现气量调节。三星公司根据其自行设计的线圈励磁线性压缩机，通过控制通入励磁线圈内的电流，改变磁场，从而改变活塞所受的电磁力，实现控制活塞行程和余隙调节的目的［26］。李晓宇［18］通过对输入电压波形的控制，产生不同的有效电压和电压直流分量，调节线性压缩机进排气量和余隙，避免启动撞缸。

4　线性压缩机活塞及阀门布局

线性压缩机属于往复振荡压缩机，在结构上可以实现单侧压缩和双侧压缩，单侧压缩和双侧压缩的优缺点如表3所列，其受力图如图3、4所示。

表3　单侧压缩和双侧压缩布局的比较

对于活塞布局的选择要根据优缺点和具体设计要求确定。对于动铁式或动磁铁式线性压缩机存在实心轴，适合使用双侧布局；在尺寸和结构上有优势的动圈式或动磁式线性压缩机，更适合使用单侧布局。

图3　单侧压缩受力图

图4　双侧压缩受力图

目前制冷用线性压缩机的气阀设计通常有三种形式，如图5所示［27］。第一种是由多层不同结构的阀板拼合在一起构成吸排气的通路，吸排气阀位于气缸的同侧，吸排气阀片隐藏在整个阀板内部，阀板本身不具有弹性，但这种设计对线性压缩机而言有一定的局限性，线性压缩机的活塞行程不像普通回转式压缩机活塞行程受传动机构的严格限制，因此一旦活塞运动超出预期行程，就会使阀板发生刚性碰撞，造成强烈的噪音，甚至导致零部件受损；第二种是在气缸顶部（TDC）设置阀板，吸、排气阀均安装在阀板上，采用舌簧阀型式，有机材料制成的排气阀体，使得整个排气阀部分具有弹性，从而避免发生刚性碰撞；第三种是吸气阀片安装在活塞顶部，吸气通道置于中空的活塞中，而排气阀采用盘状阀加锥形弹簧安装在气虹盖中。第三种气道布局方案具有一定优势，流通面积大、流动损失小、流动阻力和吸气加热损失能降到最低，同时盘状阀的设计针对线性压缩机自由活塞，设置限位器时可以有更小的余隙容积，锥形弹簧为变刚度弹簧，有利于阀门的快速开启，且降低阀片对升程限制器和阀座的撞击速度，但这种布局只在活塞结构非实心的情况下适用。

图5　线性压缩机的气阀的三种吸排气结构图

5　总结

对于斯特林制冷机、冰箱和空调等制冷设备用线性压缩机，需要结合其用途、工况条件、经济性和各技术之间的影响等因素进行设计。对于需要较大轴向刚度的线性压缩机应选择柱形弹簧支撑，但是柱形弹簧的径向刚度会有些不足，为了保证足够的径向刚度，线性压缩机可以选择气体轴承与之配合，以减小活塞与气缸壁的摩擦，而对于需要较小轴向刚度的线性压缩机则应选择板式弹簧作为支撑，板式弹簧可以同时满足轴向刚度和径向刚度需求量不是很高的情况，再结合间隙密封技术，可有效的减小活塞与气缸壁的摩擦。在线性压缩机直线电机技术、润滑技术、控制技术等优化设计得到良好性能的同时，还应考虑材料、加工方法和零件配合等因素，使其更加经济。

目前，线性压缩机技术的研究还有很多问题要突破，特别是民用制冷设备用线性压缩机的研究还处于初级阶段，与国外相比差距还很大。国内冰箱用线性压缩机在许多高校和研究所都有研究，但性能和经济性不太理想，同时高校和企业结合较少，高校的理论研究和企业的产品开发不能相互补充，无法以市场实际需求为目标，而在国外冰箱用线性压缩机已经实现商业化生产。对于空调用线性压缩机的研究我国更是一片空白，而在国外空调用线性压缩机就已经测试成功。对于线性压缩机，在理论研究的广度和深度上需要不断加深并逐步实现商业化。需要追赶上国际线性压缩机技术的先进水平，生产出节能高效的线性压缩机，从而创造出更多的经济利益和社会效益。

［1］张筱虹.空调节能研究与探索［J］.中国高新技术企业，2010 （2）：110-111.

［2］赵鹏.动圈式直线压缩机结构改进与实验研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［3］Ibrahim T，Wang J，HoweD，etal.Designand optimisationofa moving-iron linearpermanentmagnetmotor for reciprocating compressorsusingfiniteelementanalysis［J］.InternationalJournalofElectrical&ComputerSciences，2010，10（2）：84-90.

［4］赵星磊.冰箱用直线压缩机结构研究［D］.武汉：华中科技大学，2012.

［5］赵科.冰箱用动磁铁式直线压缩机动态优化设计的关键问题研究［D］.杭州：浙江大学，2014.

［6］Lee H，Jeong SS，Lee CW，etal.LinearCompressor for Air-Conditioner［J］.Proceedings of the InternationalCompressor EngineeringConferenceatPurdue，2004，47：12-15.

［7］Kim JW，Heo JT，Kim JD，etal.Linearcompressor fornatural refrigerant：International Conference Compressors and Their Systems［C］//London，2003.

［8］Kim JW，Heo JT，Kim JD，etal.Linearcompressor fornatural refrigerant［J］.ProfessionalEngineering Publishing，2003（4）：483-492.

［9］刘晓辉.动磁式直线空气压缩机的研发［D］.杭州：浙江大学，2008.

［10］叶晓平，马永涛，金涛.动磁式直线压缩机设计与试验研究［J］.浙江大学学报，2008，42（2）：229-233.

［11］PossamaiF，LilieDEB，Zimmermann A JP，etal.Miniature vapourcompression system［C］//Purdue，2008.

［12］Ku B，Park J，Hwang Y，etal.Performance evaluation of the energyefficiencyofcrank-driven compressorand linearcompressor for a household refrigerator［J］.Proceedings of International Compressor Engineering Conference，2010，1218：1-8.

［13］Liang K，Stone R，HancockW，etal.Comparison between a crank-drive reciprocating compressor and a novel oil-free linear compressor［J］.International journal of refrigeration. 2014（45）：25-34.

［14］山本秀夫，涉谷浩洋，浜冈孝二.直线电动机和直线压缩机：日本，99101780.3［P］.2004.

［15］李海宁.直线压缩机用气体轴承及间隙密封特性的数值研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.

［16］ZhouW，Gan Z，Zhang X，etal.Clearance Loss Analysis in LinearComressorwith CFDMethod［C］//ICCConfProc，Boulder，2011：353-359.

［17］Penswick LB，BealeW T.Free-Piston Stirling Engine Conceptual Design and Technologies for Space Power phase I Final Report［R］.Sunpower Athens，NASACR，1992.

［18］李晓宇.冰箱用直线压缩机电机与控制系统研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.

［19］谢英柏，徐周璇，俞准.吸排气压力对线性压缩机性能影响分析［J］.工程热物理学报，2009，30（3）：361-364.

［20］Chun TW，Ahn JR，Lee H H，etal.A novelstrategy ofefficiency control for a linear compressor system driven by a PWM inverter［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（1）：296-301.

［21］Lin Z，Wang J，HoweD.A resonant frequency tracking technique for linear vapor compressors［J］.International Electric Machines&DrivesConference，2007（1）：370-375.

［22］于明湖，张玉秋，叶云岳，等.直线振荡电机谐振频率跟踪策略研究［C］//第29界中国控制会议，北京：中国自动化学会控制理论专业委员会，2010：3348-3352.

［23］张金权，畅云峰，邢子文，等.直线冰箱压缩机活塞位移的模糊控制［J］.西安交通大学学报，2009，43（1）：38-42.

［24］Zhang JQ，ChangYF，Xing ZW.Studyon self-sensor of linear moving magnet compressor’s piston stroke［J］.IEEE Sensors Journal，2009，9（2）：154-158.

［25］Rodr’ıguez M C，Sanz C.A sensorless controller forakind of linear variable gap-reluctance resonant drive［C］//Spain：IEEE IndustrialElectronicsSociety，2007.

［26］崔丽娜.直线压缩机控制系统的开发［D］.杭州：浙江大学，2005.

［27］王良泽.制冷用直线压缩机的动力分析与气阀研究［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［28］邹丁立，李海英，黄伟，等.一种线性压缩机与不同膨胀机的匹配试验研究［J］.真空与低温，2011，17（z1）：172-175.

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

曹广亮（1991-），男，河南信阳人，硕士，从事低温系统及低温制冷机的研究。E-mail：1550367053@qq.com。