直线压缩机电声转换特性的实验

李林玉, 吴张华, 余国瑶, 戴 巍, 罗二仓

(1. 中国科学院 低温工程学重点实验室, 北京 100190; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)



直线压缩机电声转换特性的实验

李林玉1,2, 吴张华1, 余国瑶1, 戴 巍1, 罗二仓1

(1. 中国科学院 低温工程学重点实验室, 北京 100190; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

针对声学RC负载法研究直线压缩机电声转换特性时存在的阻抗调节范围小、阻抗调节困难等问题,提出电机负载的方法.该方法是采用一台直线电机作为被测压缩机的负载,通过改变该直线电机的外接电阻和等效电感实现不同的负载阻抗,可以方便地对直线压缩机的电声转换特性进行研究.结果表明,在平均压力为6 MPa,工作频率为60 Hz,压缩机阻抗幅值为2.06×107Pa·s/m3,阻抗相角为-17°时,压缩机效率可达84.5 %.结果还表明,改变膨胀电机的外接电阻或等效电感时,压缩机不仅都能达到较广的阻抗范围,而且电声转换效率都能在某一阻抗幅值和相角值时达到最佳.

直线压缩机；电声转换；电机负载；阻抗特性

直线压缩机是回热式低温制冷机中的关键部件,可以将电功转化为声功、驱动制冷机工作.直线压缩机采用板簧或气体轴承支撑和间隙密封技术实现无磨损、无油润滑的往复运动,具有可靠性好、效率高的优点.目前,直线压缩机驱动的低温制冷机可以实现从室温[1]到极低温[2-3]的各种温度.国内外对低温区的制冷机研究都作了大量深入的研究,如美国的NIST[4]、TRW公司[5]、Sunpower公司[6-7]、Praxiar公司[8],欧洲的Thales公司[9-10],以色列的Ricor公司[11-12],浙江大学[2,13],中科院上海技物所[14],中科院理化所[15]等.这些研究都表明,在努力提高制冷机性能的同时,如何实现直线压缩机与低温制冷机间的最佳阻抗匹配是提高直线压缩机的性能以及整机性能的关键.因此,研究直线压缩机对不同负载阻抗时的电声转换特性是一项非常重要的工作.

目前,评价直线压缩机电声转换特性通常采用声学RC负载法.RC负载法多用来测量回热式热机的声功,比如热声发动机的输出声功[16-20].具体方法是通过在直线压缩机出口连接提供阻力的针阀(R)和提供容抗的气库(C)来模拟阻抗特性,通过调节阀门的开度和气库的容积来分别改变R和C的大小,从而获得不同的阻抗值.甘智华等[21]采用RC负载法研究了直线压缩机上电声转换特性.分析来看,RC负载法仍存在一些不足,具体表现在：阻抗相角变化范围较为局限,仅为第4象限；在气库较大、阻抗虚部较小时,调节针阀很难实现所需阻抗；流量计算时忽略了针阀处空容积带来的流量变化,导致流量计算可能不准确等.为解决这些不足,本文提出了采用电机负载法研究直线压缩机的电声转换特性.实验中研究了膨胀电机的外接电负载,包括外接电阻和等效电感对压缩机电声转换特性的影响,进行了部分理论计算与实验的对比；还观察了不同频率下压缩机性能的变化情况.

1 实验装置

图1 直线压缩机性能研究的实验装置图Fig.1 Experimental apparatus of investigation onperformance of linear compressor

如图1所示为直线压缩机性能研究的实验装置示意图和实物图.如图1(a)所示,将2台相同的直线电机通过一段管子连接在一起,左侧为被测压缩机,右侧为膨胀电机.压缩机将电功转换成声功,膨胀电机一方面提供不同的阻抗给压缩机,另一方面将声功转换为电功,并主要消耗在外接电阻上.如图1(b)所示,2台相同的2 kW级电机在实验中分别用作压缩机和膨胀电机,为了抵消振动,每台电机均采用对置式结构,各含2个电机芯,单个电机芯的参数如表1所示.其中,τ为机电常数,r为内阻,L为线圈电感,m为动质量,Rm为机械阻尼,D为活塞直径,Km为刚度.此外,电机采用了气体轴承的支撑技术,它通过单向阀将高压气体充入气缸壁与往复运动活塞之间的间隙中,以形成气膜压力,来支撑动子及活塞.较之板簧支撑技术寿命更长,可靠性更好.图中连接管长200 mm内径19 mm.电机前腔和背腔容积分别为0.526和2.4 L.在实验时,为降低输入电压,压缩机2台机芯并联并在电路接入一定电容值用以抵消电机线圈电感.膨胀电机2台机芯串联.为避免造成损坏,运行时单电机电流有效值要小于9 A、位移要小于8 mm.压缩机采用变频电源驱动,电压与电流采用电压电流探头监测,系统内平均压力采用压阻式压力变送器测量,波动压力采用压电式压力传感器测量.其中,p1和pb1分别为压缩机前腔和背腔的压力波动,p2和pb2分别为膨胀电机前腔和背腔的压力波动.

表1 单个电机芯机电参数Tab.1 Mechanical and electrical parameters of single motor

2 实验原理

根据直线压缩机控制方程[22]：

(1)

(2)

(3)

通常驱动电压给定,若再已知声阻抗阻抗Z1,即可通过求解方程获得p1、qV1、I1等值.

根据膨胀电机控制方程[23]：

(4)

(5)

(6)

根据传输矩阵可得与膨胀电机活塞表面压力波动p2、体积流量qV2与压缩电机活塞表面压力波动p1、体积流量qV1间的关系为

(7)

传输矩阵TM由连接管、压缩机与膨胀电机的前腔容积决定.由式(6)可知,除改变运行频率外,改变膨胀电机外阻和电容也可以改变膨胀电机阻抗,再由式(3)、(7)两式可知压缩机出口阻抗也将随之发生变化,由此可以考察不同阻抗下的压缩机电声转换特性.

对于压缩机,其输入电功、输出声功及电机电

声效率计算公式分别为

(8)

(9)

(10)

膨胀电机输入声功、输出电功计算公式分别为

(11)

(12)

式中：V2为膨胀电机的电压,θi,j为2个波动量的相位差.qV1和qV2可通过背腔压力波动计算获得

(13)

(14)

设压缩机和膨胀电机的活塞位移分别为x1和x2,则通过qV1和qV2计算可得

浮盘密封材质(皮囊等)的抗腐蚀性、耐温性、耐油性、抗老化性能够与储存介质相符，密封部位所配弹性元件能够经得住油气或水汽腐蚀，弹性伸缩良好，这在浮盘安装前必须进行认真核验，确保材质符合长周期运行。在储罐定期检查、检验时一并进行必要的查验，发现问题及时予以处理。

(15)

(16)

3 实验结果与分析

3.1 实验过程

当建成实验台后,以氦气为工质进行了一系列实验.充入6 MPa氦气,输入电压固定为100 V,工作频率为60 Hz,膨胀电机外接23.4 μF的电容,使其等效电感接近0.当外接电阻R分别为20、40、60 和80 Ω时,观察压缩机前腔压力波动及活塞表面体积流量波形图,如图2所示,其中体积流量由背腔压力波动按式(13)计算得到.由图2可以看出,随着外接电阻的增大,压力波动与体积流量相位差θp1,qV1从-53°逐渐增大到-11°.虽然压缩机固定了输入电压,但在声阻抗发生变化时压力波及体积流量幅值也会产生变化.

图2 当输入电压为100 V时,不同外接电阻下,压缩机前腔压力与体积流量波形图Fig.2 Pressure amplitude and volume flow rate of compressor related to different external resistance at 100 V

3.2 膨胀电机阻抗影响

由第2节实验原理分析可知,在平均压力、频率等运行参数不变的情况下,改变膨胀电机外部电路的电阻和电容,可以改变压缩机的阻抗.

图3 外接电阻对压缩机和膨胀电机的阻抗影响Fig.3 Influence of external resistance on impedance of compressor and expansion motor

图4 外接电阻对压缩机和膨胀电机的电流和位移的影响Fig.4 Influence of external resistance on current and displacement of compressor and expansion motor

3.2.1 膨胀电机外电阻的影响 实验保持氦气充气压力6 MPa,工作频率60 Hz,膨胀电机等效电感固定为0,输入电压为150 V.如图3～5所示分别给出了压缩机和膨胀电机活塞表面阻抗、电流与活塞位移以及前腔压力波动随外接电阻的变化情况.由图3可知,随外接电阻的增加,膨胀电机的阻抗幅值|Z2|逐渐减小,阻抗相角θZ1逐渐增加.膨胀电机的阻抗变化带来压缩机阻抗的变化,且两者变化趋势基本相同,从图3中可以看出,随着外接电阻的变化,压缩机阻抗幅值|Z1|位于2.00×107～2.42×107Pa·s/m3之间,阻抗相角θZ2位于-52°～24°之间.图4中压缩机2个电机芯并联,所示的电流值为经过2个电机芯之和.以下压缩机电流也均指并联后总电流.由图4可知,随外接电阻的升高,压缩机电流逐渐升高,但膨胀电机的电流逐渐降低.图中压缩机的活塞位移随外接电阻的升高增加幅度不大,但膨胀电机的活塞位移随外接电阻的增加显著增大.由图5可知,压缩机和膨胀电机的前腔压力波动值不尽相同.

图5 外接电阻对压缩机和膨胀电机的前腔压力波动影响Fig.5 Influence of external resistance on pressure amplitude of compressor and expansion motor

图6 压缩机阻抗对压缩机和膨胀电机声功的计算与实验结果对比Fig.6 Comparisons between experimental and computational acoustic work related to the compressor impedance

图7 压缩机阻抗对其效率的计算与实验结果对比Fig.7 Comparisons between experimental and computational efficiency related to compressor impedance

如图6和7所示分别给出了计算与实验中声功及压缩机效率随压缩机活塞表面阻抗的变化情况,图中的数字表示声功线和效率线上各点的压缩机阻抗相角值.由图6中可知,从计算结果来看,当阻抗相角θZ1位于-60°～0°之间时,在同一阻抗幅值下,声功随着阻抗相角的增大而迅速增大；在同一阻抗相角下,声功随着阻抗幅值的减小而缓慢减小.故综合来看,随着阻抗幅值的减小和阻抗相角的增大,声功更倾向于逐渐增大,实验结果显示压缩机声功逐渐升高,与计算值吻合.当阻抗相角位于0°～30°之间时,随着阻抗幅值和阻抗相角的同时增加,声功的计算值变化不大,而实验得到的声功逐渐升高,偏差的原因可能是压缩机各机电参数在电流较大时不是一个恒定的值,采用传统测量方法获得的电机参数(表1)与电机工作状态时参数存在着较大的误差,导致计算得到的声功无法准确模拟实验工况.此外,膨胀电机的声功与压缩机声功十分接近,验证了实验方法的正确性.

由图7中计算结果来看,当阻抗相角位于-60°～-30°之间时,随阻抗幅值的减小和阻抗相角的增加,压缩机效率逐渐升高；当阻抗相角位于-30°～0°之间时,随阻抗幅值的减小和阻抗相角的增加,压缩机效率缓慢降低；当阻抗相角位于0°～30°之间时,随阻抗幅值和阻抗相角的同时增加,压缩机效率显著降低.实验值与计算值的变化趋势基本一致,但实验值明显低于计算值,原因可能是计算中未考虑涡流损失,气浮漏气损失等.从图7中可看出,理论上压缩机效率最高可达88.2 %,实验中最高效率为84.5 %,较为接近.实验中最高效率对应的阻抗幅值为2.06×107Pa·s/m3、阻抗相角为-17°。综合图6和7,当发现在大电流时,计算与实验得到的声功变化趋势不同,但两者的效率变化趋势是一致的,产生差异的具体原因有待进一步的研究.

如图8～10所示分别给出了压缩机和膨胀电机活塞表面阻抗、电流与活塞位移以及前腔压力波动随等效电感的变化情况.由图8可知,变化等效电感,压缩机和膨胀电机的阻抗幅值和相角均发生较大的变化.随着等效电感的变化,压缩机阻抗幅值位于6.24×106～3.98×107Pa·s/m3之间,阻抗相角位于-19°～64°之间.由图9可知,随着等效电感的减小,压缩机电流逐渐升高,而膨胀电机的电流随等效电感的降低变化较小.图中压缩机的位移变化较小,而膨胀电机的位移随等效电感的降低显著升高.由图10可知,压缩机和膨胀电机的前腔压力波动值均随等效电感的降低而逐渐上升后趋于稳定.

图8 等效电感对压缩机和膨胀电机的阻抗影响Fig.8 Influence of equivalent inductance on impedance of compressor and expansion motor

图9 等效电感对压缩机和膨胀电机的电流和位移影响Fig.9 Influence of equivalent inductance on current and displacement of compressor and expansion motor

图10 等效电感对压缩机和膨胀电机前腔压力波动的影响Fig.10 Influence of equivalent inductance on pressure amplitude of compressor and expansion motor

如图11所示给出了压缩机和膨胀电机的声功及压缩机效率随压缩机活塞表面阻抗的变化情况.由图11可知,与外接电阻情况类似,压缩机的输出声功与膨胀电机的输入声功十分接近.随着阻抗幅值的降低及相角的减小,压缩机效率逐渐升高后略有降低,最大效率为83.2 %.在高阻抗幅值处,由于相角增加过大,压缩机效率较低.由图9可知,高阻抗幅值对应的低等效电感时电机电流很大,故也可能是大电流引起电机内导磁材料涡流损失等大幅升高,导致效率降低.

图11 压缩机阻抗对压缩机和膨胀电机声功及压缩机效率的影响Fig.11 Influence of compressor impedance on acoustic power and compressor efficiency

3.3 工作频率的影响

由第2节实验原理分析可知,频率的改变也会影响到压缩机的阻抗.因此考察了不同频率下压缩机性能的变化.实验输入电压为150 V,频率分别设为50、60和70 Hz,分别接入32.3、23.4和16.4 uF电容使得膨胀电机等效电感接近0,调节膨胀电机的外接电阻来获得压缩机的不同阻抗值.

如图12、13所示分别给出了3种频率下压缩机活塞表面阻抗、电流和活塞位移随外接电阻的变化情况.图12展示了频率对压缩机阻抗的重要影响,随着外接电阻的增加,在f=50 Hz的阻抗幅值逐渐降低,f=60 Hz的阻抗幅值先降低后稍有升高,而f=70 Hz的阻抗幅值逐渐升高.3种频率下的阻抗相角均随外接电阻的增加而增加,但f=60和70 Hz的相角较为接近且上升较快.由图13可知,频率对压缩机电流的影响较为显著,随着外接电阻的增加,f=50 Hz下压缩机电流逐渐降低,而f=60和70 Hz下压缩机电流逐渐升高,且f=70 Hz上升速度更快.3种频率下的活塞位移随外接电阻的增加变化幅度较小,且相同阻值下,频率越高,压缩机活塞位移越小.

图12 不同频率下外接电阻对压缩机阻抗影响Fig.12 Influence of external resistance on compressor impedance with different frequencies

图13不同频率下外接电阻对压缩机电流和位移的影响Fig.13 Influence of external resistance on current and displacement of compressor with different frequencies

图14 不同频率下外接电阻对压缩机效率的影响Fig.14 Influence of external resistance on compressor efficiency with different frequencies

如图14所示给出了3种频率下压缩机效率随外接电阻的变化情况.由图14可知,随着外接电阻的增加,f=50 Hz下压缩机效率逐渐升高,f=60 Hz下压缩机效率变化不大,而f=70 Hz下压缩机效率逐渐降低,可看出3种频率下的效率变化趋势有很大差异.这是由于效率的大小受压缩机活塞表面阻抗的影响,由图12可知,同一外接电阻下,3种频率得到的压缩机阻抗幅值和阻抗相角不尽相同.图14中,由于阻抗和频率均存在较大差异,导致效率不同.此外,频率的升高还会带来压缩机磁滞损失、涡流损失等增加,对效率也会产生影响.

由于在实验中无法得到3种频率下压缩机阻抗均相同的情况,故通过计算来观察.计算中3种频率下的压缩机阻抗幅值和阻抗相角均取实验中f=60 Hz下得到的压缩机阻抗值,包括阻抗幅值和相角,所得的压缩机效率随其阻抗的变化情况如图15所示.图中的数字表示效率线上各点的压缩机阻抗相角值.由图15可知,随着阻抗幅值的减小和阻抗相角的增大,在3种频率的压缩机效率均先增大后减小；随后阻抗幅值回升,压缩机效率均显著降低.3种频率下的压缩机效率大小由于偏离谐振状态程度不同有一定的差别,但总体变化趋势是一致的.

图15 不同频率下压缩机阻抗对计算所得效率的影响Fig.15 Computational efficiency related to compressor impedance with different frequencies

4 结 语

本文提出了采用电机负载法来研究直线压缩机的电声转换特性,与传统的声学RC负载法相比,它阻抗调节方便,且可调范围广.为了验证该方法的有效性,搭建了实验台并开展了实验,同时进行了部分理论计算与实验的对比,发现两者得到的压缩机效率变化趋势基本一致.实验表明,在平均压力为6 MPa,工作频率60 Hz,压缩机阻抗幅值变化范围位于6.24×106～3.98×107Pa·s/m3之间,阻抗相角位于-52°～64°之间.且在压缩机阻抗幅值为2.06×107Pa·s/m3,阻抗相角为-17°时,压缩机效率可达84.5 %.实验还表明,分别改变膨胀电机的外接电阻或等效电感时,压缩机均能达到较广的阻抗范围,而且其电声转换效率都能在某一阻抗幅值和相角值时达到最佳.实验还考察了频率对压缩机性能的影响,发现由于阻抗和频率均存在较大差异,导致压缩机效率不同.计算表明,相同阻抗下,3种频率的压缩机效率总体变化趋势是一致的.此外,当电流较大时,由于电机导磁材料涡流等损失大幅升高,效率会大幅下降.通过本文研究,可以得到直线压缩机在不同阻抗下的电声转换特性,为其与制冷机的匹配提供了重要指导,也为提高制冷机整机性能优化提供了依据.

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Experimental investigation on electroacoustic conversion characteristic of linear compressor

LI Lin-yu1,2, WU Zhang-hua1, YU Guo-yao1, DAI Wei1, LUO Er-cang1

(1.KeyLaboratoryofCryogenics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Motor load approach was proposed in order to solve the problems of limited impedance range and inconvenient impedance control in using RC load method to test the compressor performance. The method adopted an expansion motor as the load of the tested compressor. The electroacoustic conversion characteristic of the compressor under different load impedance was analyzed by changing the external resistance and equivalent inductance of the motor, The compressor can obtain an electroacoustic efficiency of 84.5 % at an impedance magnitude of 2.06×107Pa·s/m3and a phase angle of-17°. The operation conditions are 6 MPa helium and 60 Hz working frequency, respectively. The compressor can achieve a wide range of impedance range as well as an optimum efficiency at a certain impedance by changing the external resistance or equivalent inductance of the expansion motor．

linear compressor; electroacoustic conversion; motor load; impedance characteristic

2015-10-29.

国家自然科学基金资助项目(51476183)；北京市自然科学基金资助项目(3132034).

李林玉(1990—),女,研究生,从事热声低温制冷机等研究.ORCID: 0000-0001-8680-0575. E-mail: li_linyu@qq.com

吴张华,男,副研究员.ORCID: 0000-0001-9142-7621. E-mail: zhhwoo@mail.ipc.ac.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.015

TK 123

A

1008-973X(2016)08-1529-08

浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng