无油直线压缩机动态特性实验研究

曾　勇，李建国，梁惊涛（.中国科学院理化技术研究所 空间功热转换技术重点实验室，北京　0090；2.中国科学院大学，北京　00049）

无油直线压缩机动态特性实验研究

曾勇1，2，李建国1，梁惊涛1
（1.中国科学院理化技术研究所 空间功热转换技术重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049）

成功研制了1台蒸气压缩制冷系统用的无油线性压缩机，基于无油线性压缩机在不同工况进行实验研究，分析不同压比和行程下吸排气压力对压缩机工作特性的影响。结果表明，压缩机的谐振频率受到活塞行程、吸排气压力的共同作用。随着排气压力的升高或吸气压力的降低以及行程的减小，谐振频率会逐渐增大。在排气压力不变，压缩比从2增加到4时，随着吸气压力的降低，压缩机的输入功率和流量、容积效率逐渐减小；在吸气压力不变，压缩比从2增加到4时，随着排气压力的升高，压缩机的输入功率逐渐增大，流量和容积效率随之减小。

无油直线压缩机；谐振频率；动态特性；效率

0　引言

无油直线压缩机是利用直线振荡电机驱动活塞对气体进行做功，与传统往复式压缩机相比，省去了曲柄连杆等传动机构，结构更加简单紧凑［1］。同时，由于动子由谐振弹簧支撑，活塞和气缸之间采取间隙密封，实现无油润滑，因此降低了活塞与气缸壁之间的摩擦，提高了压缩机的机械效率和运行寿命。另一方面，运用传统压缩机驱动时，针对不同的制冷剂均需使用特定的润滑油进行润滑，为了避免润滑油碳化失效，压缩机和系统的工作温度受到限制；此外，润滑油的存在也会降低换热器的换热性能，使压缩机无法适应微重力等复杂环境。直线压缩机的无油化可以有效的解决这些问题，满足更多领域和场合的应用需求。目前，国外对无油直线压缩机进行了大量的研究，已成功应用于液氦节流制冷机［2-3］、热泵系统［4］以及冰箱［5］之中；在国内对于蒸气压缩制冷在空间领域未来的应用进行了分析［6］，并指出了目前传统压缩机存在的问题，提出了压缩机无油化的重要意义［7］，但对于无油直线压缩机的研究尚停留在直线电机的研发阶段，对压缩机的动态特性主要通过建立数学模型进行理论分析［8-10］。

通过对无油直线压缩机进行实验研究，分析在不同行程下，吸排气压力对系统谐振频率的影响，研究在变工况下压缩机性能变化，为无油直线压缩机的设计和优化提供参考依据。

1　实验装置

基于无油直线压缩机，如图1所示，搭建了压缩机性能测试实验台，如图2所示，开展关于无油直线压缩机的动态特性实验研究。实验装置主要包括无油直线压缩机、高低压缓冲罐和流量调节阀。文中采用的无油直线压缩机是双缸对置式形式，两侧活塞各采用相同的动圈式直线电机进行驱动，利用板弹簧支撑动子，实现活塞在中心架两侧对称运动，以达到减小振动和噪声的目的。为了便于控制活塞的运动中心，将背压腔和吸气管路连接起来，在不同的运行工况时，通过调节流量调节阀的开度，使活塞的运动中心始终保持在同一位置。

图1　无油直线压缩机实物图

图2　无油直线压缩机实验系统图

实验以氮气为工质，通过调节节流阀的开度以实现吸排气压力的控制；通过改变压缩机的输入电压对活塞的行程进行控制。活塞的位移通过LVDT位移传感器进行测量，压缩机的排气量通过质量流量计进行测量。为了确定电流和位移的相位关系，利用电流传感器对工作电流进行测量并通过示波器进行采集。

2　实验结果与分析

无油直线压缩机作为典型的弹簧振子系统，其运行特性与驱动频率的关系紧密。在无油直线压缩机中，动子在板弹簧的支撑下，受到气体力和电磁力的作用在气缸中进行往复运动。由于没有传统的曲柄连杆机构对活塞的运动位置进行控制，其运动的上下止点会随外界条件变化而变化，这导致系统的谐振频率会随着运行工况的改变而波动。为了研究不同工况下无油直线压缩机的运行特性，分别在不同吸排气压力和行程下，改变压缩机的驱动频率，分析压缩机的性能变化。

2.1运行频率对无油直线压缩机性能的影响

无油直线压缩机工作时主要受到电磁力、弹簧力、气体力、惯性力及摩擦力的作用［11］。随着频率的改变，电流和活塞位移的相位差会改变，所需的电磁力也会随之改变。为了探讨工作频率对压缩机运行状态的影响，在行程为5.5 mm，吸气压力为0.4 MPa，排气压力为1.2 MPa时，调整频率并对压缩机的电流和质量流量以及输入功进行测量，计算并分析压缩机的电机效率和容积效率随频率的变化。

图3为电流和输入功率随驱动频率的变化曲线，图4为电流和位移之间的相位差随频率的变化关系。从图中可以看出，随着频率的增加，电流和位移的相位差会逐渐增大，当电流和位移的相位差为90°时，压缩机达到谐振状态，此时所需的工作电流和输入功率达到最小值。此后，随着频率的改变，输入功和电流会逐渐增加。

图3　无油直线压缩机工作电流和输入功随频率的变化图

图4　无油直线压缩机电流和位移相位差随频率的变化图

图5为质量流量随驱动频率的变化曲线，随着频率的增加，质量流量会逐渐增大，一方面原因是频率增加单位时间内压缩机工作周期增多；另一方面是由于频率增加气缸泄漏量减少所导致的。图6为压缩机容积和电机效率随运行频率的变化曲线。在频率较低时，由于系统流量较小、输入功较小、电流较大、电机效率较低；随着频率的增加，系统流量会逐渐增大，输入功和电流逐渐减小，电机效率逐渐增加。当达到谐振频率后，随着频率的增加，输入功和电流同时增大，电机效率趋于平稳。随着频率的增加，容积效率逐渐增大，主要原因是气缸间隙密封的泄漏量随频率的增大而减少。

图5　无油直线压缩机质量流量随驱动频率的变化曲线图

2.2吸气压力对无油直线压缩机性能的影响

固定排气压力为1.2 MPa，研究不同行程下吸气压力对压缩机性能的影响。在吸气压力为0.3、0.4、0.6 MPa时，分别测试不同行程下，压缩机的谐振频率以及在相应谐振频率时的输入功、质量流量并计算容积效率。

图6　无油直线压缩机容积和电机效率随频率的变化曲线图

图7为不同吸气压力下谐振频率随行程的变化曲线。从图可以看出，在定排气压力时，随着吸气压力的降低，气体弹簧刚度［12］逐渐增大，系统的谐振频率随之升高；随着行程的增大，谐振频率逐渐降低。

图7　不同吸气压力下谐振频率随行程的变化曲线

图8为不同吸气压力下输入功率随行程变化的曲线，图9为不同排气压力下质量流量随行程变化的曲线。随着吸气压力的降低，系统的输入功率和质量流量逐渐减小。究其原因，虽然吸气压力降低会使单位质量气体所需压缩功逐渐增大，但此时膨胀和压缩过程所占的容积比也随之增加，从而导致系统的吸气量减少，输入功率降低，压缩机的容积效率也会随着吸气压力的降低而降低，如图10所示。

2.3排气压力对无油直线压缩机性能的影响

固定吸气压力为0.4 MPa，研究不同行程下排气压力对压缩机性能的影响。在排气压力为0.8、1.2、1.6 MPa时，分别测试不同行程下，压缩机谐振频率以及在相应谐振频率时的输入功率、质量流量并计算压缩机的容积效率。

图8　不同吸气压力下谐振时输入功随行程的变化曲线

图9　不同排气压力下谐振时质量流量随行程的变化曲线

图10　不同排气压力下谐振时容积效率随行程的变化曲线

图11为不同排气压力下谐振频率随行程的变化，从图中可以看出，当吸气压力不变时，随着排气压力的升高，系统的谐振频率逐渐增大。但与排气压力不变时相比，当压比从2增大到4时，系统的谐振频率变化更大，这说明系统的谐振频率受排气压力的影响较大。

图11　不同排气压力下谐振频率随行程的变化曲线

图12为不同排气压力下输入功率随行程的变化曲线。可以看出，随着排气压力的升高，系统的输入功率逐渐增大，随着排气压力的增加，所需的输入功率随行程增加时的增速也急剧增加，这主要是因为排气压力的升高使气体所需的压缩功增大。图13为不同排气压力下质量流量随行程的变化曲线。随着排气压力的升高，在活塞行程相同余隙容积一致时，膨胀过程所占的气缸容积逐渐增大导致吸气量减少，质量流量降低。图14为不同排气压力下压缩机容积效率随行程的变化曲线。由于排气压力的升高，导致气缸的吸气量减少，因而系统的容积效率会随排气压力的升高而降低。

图12　不同排气压力下谐振时输入功随行程的变化曲线

图13　不同排气压力下质量流量随行程的变化曲线图

图14　不同排气压力下压缩机容积效率随行程的变化曲线图

3　结论

通过无油直线压缩机实验研究发现，压缩机的谐振频率受到吸排气压力和行程的影响，随着吸气压力的降低或者排气压力的升高或行程的减小，系统的谐振频率均会增大，但实验结果表明，谐振频率受排气压力的影响较大。当驱动电源的频率偏离谐振频率时，压缩机的输入功和工作电流会逐渐增大。在排气压力不变时，随着吸气压力的降低，会使气缸的容积效率迅速降低导致压缩机的输入功率会逐渐减小，因而吸气压力较低的应用场合，在设计压缩机时要尽量减小余隙容积以提高容积效率；在吸气压力不变时，随着排气压力的升高和行程的增大，压缩机的输入功率会急剧增加，因此在排气压力较高应该在满足流量的情况下尽量选取较小的活塞行程。

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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，硕士研究生，主要从事无油直线压缩机驱动热泵系统研究。E-mail：zengyong@mail.ipc.ac.cn。