有阀线性压缩机输出特性关键影响因素研究

刘莉，张华，丁磊，向振之，汤逸豪，蒋珍华，刘少帅

（1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2-中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083）

0 引言

航天科技的蓬勃发展为人类探索宇宙提供了极大的助力，而探测器及其附属的光学设备和电子设备往往需要工作在深低温的环境中[1-3]。常见的硅基和锗基红外探测器需要工作在(1～10) K的温区，而用于X射线观测的半导体辐射热计则需要更低的mK级温区[4-6]。在(0～10) K的低温范围内，采用大压比线性压缩机驱动的J-T节流制冷机具有质量轻、运行寿命长、效率高等诸多优点，因此获得了广泛的关注和应用[7-11]。

有阀线性压缩机是J-T节流制冷的关键技术之一，采用对置直线电机直接驱动，整体结构紧凑。由于直线电机的电磁驱动力与活塞的运动方向保持在同一直线上，且运动部件由径向刚度较大的板弹簧支撑，因此活塞和气缸之间可以形成间隙密封，降低了气缸与活塞之间的磨损和噪音，无需使用油润滑，实现了机器长寿命和高可靠性。再者直线电机动子直接驱动活塞运动，活塞的行程与输入电压成正比，使压缩机可以在变工况下高效地运行[12-16]。线性压缩机的上述优点，使其成为低温制冷领域一个常用的压缩机方式和极为重要的研究方向。相比交流线性压缩机，为使工质由交变运动转换为直流流动，有阀线性压缩机在线性压缩机原有基础上增加单向簧片阀，使得压缩机达到一个较高的压比，以满足J-T制冷机的工作循环的压比需求。

国内外已对有阀线性压缩机进行了诸多研究。日本住友重工公司的大压比线性压缩机驱动的液氦温区JT节流制冷机[17]，由两级动圈式线性有阀压缩机串联驱动，排量约为6 mg/s时，压比为16。在日本Astro-H项目中，采用的4K级J-T制冷机采用了进排气阀内置的直线压缩机，排量为8.66 mg/s时，获得了16.5的压比[18]。在Astro-H项目的1K级J-T制冷机中[19]，压缩机排量为2.65 mg/s时，压比为12.4。美国NGAS公司与Ball公司的线性压缩机驱动的预冷型制冷机采用两级压缩，流量未报道，压比达到约10∶1[20]。2014年，中科院理化所报道了一台空间应用的制冷机，获得了约18.6的压比，循环流量为9.3 mg/s。

在国外，大压比线性压缩机在空间项目中已得到成功应用，但是相关技术细节报道较少。而国内对于JT用线性有阀压缩机的研究尚处于入门阶段，有阀线性压缩机在驱动JT制冷机负载时，负载的变化对线性压缩机的输出效率和损失特性均产生影响，整机运行效率较低。为了提高压缩机效率及整机效率，本文针对有阀线性压缩机的运行频率、活塞行程、充气压力等输入参数进行控制变量实验，研究其对压比、流量和电机效率的影响。

1 有阀线性压缩机试验台

1.1 有阀线性压缩机结构

实验采用由中科院上海物理技术研究所自主研发的Φ18动圈式线性压缩机，此压缩机的最大行程为9 mm，其结构如图1所示。单向阀结构如图2所示。

有阀线性压缩机是在无阀线性压缩机的基础上增设了一组阀门，包括吸气阀和排气阀。线性压缩机需配合气阀共同作用，将阀前的交流输出变成阀后的直流输出，并且实现一个较高的压比。

单向阀工作原理为：当活塞向左运动时，压缩腔内体积增大，压力减小，进气阀片在压力差的作用下打开，排气阀关闭，实现压缩机的进气过程。当活塞向右运动时，压缩腔内体积减小，压力增大，排气阀在压力差的作用下打开，进气阀关闭，从而实现压缩机的排气过程。

图1 动圈式压缩机结构示意图

图2 进排气单向阀阀结构图

1.2 有阀线性压缩机测试系统

为了实现J-T负载需求，单台线性压缩机需满足3-4的压比。根据负载端的需求，搭建了单级有阀线性压缩机性能测试实验台，其基本流程图如图3所示。

图3 试验系统流程图

气体工质循环过程如试验系统流程图所示，低压气体从进气阀进入压缩机，在压缩腔内进行压缩，当压缩腔内气体达到一定压强时，排气阀片被打开，高压气体由排气阀排出。通过计量阀调节整个系统的流量和压比。通过流量计测量系统中的质量流量。进气端和排气端装有压力传感器，分别用来测量进口压力和出口压力。传感器前缓冲罐可以稳定压力波动，削弱管道中的压力脉动。压缩机两端装有位移传感器，通过示波器读取压缩机的活塞行程。

2 实验结果分析

为了研究开机参数对流量、压比及电机效率的影响，对运行频率、充气压力、活塞行程等开机参数进行控制变量实验。

2.1 压缩机频率影响的分析对比

实验时，设定压缩机的充气压力为0.172 MPa，改变运行频率时始终保证活塞满行程9 mm运行，通过增加直流电流分量使得压缩腔内无空体积，在不同的压缩机频率下，通过调节调压阀控制进出口的压比和流量，以此探究不同的压缩机频率对于系统流量、压比和电机效率之间的影响。

图4为不同频率下压比和质量流量的关系图。在不同频率下均可发现流量随压比增加而减小。通过计量阀调节系统中的压比，当计量阀开度减小时，流体受到的阻力增大，流量减小，流体产生的压降增加，因此压比增大。当压比一定时，随着运行频率的增加，流量呈现增大趋势。质量流量的计算公式：qm=ρVthf=ρπR2…S…f 可知，当压比一样，原始充气压力一定时，流体密度ρ始终不变，当活塞行程S为定值时，质量流量与运行频率f成正比，即频率增加，质量流量增加。

图5为不同频率下压比和电机效率之间的关系图，由图可知，在不同频率下，随着压比的增加，电机效率均呈现降低趋势。当压比增大时，活塞面所受的气力增大，因此保持活塞受力平衡所需要的电机力也相应增加。由铜损公式：PCu=(Fe/Bl)2R可知，当电机力Fe增加，铜损增大。由电机效率的计算公式：η=(Pe-PCu)/Pe可知，随着压比的增大，铜损增加，电机效率随之降低。在压比为定值时，当频率为30 Hz的时候电机效率较低，随着频率的增加，电机效率呈现提高趋势，在40 Hz时达到最高，当电机效率大于40 Hz时，随着运行频率的增大，电机效率降低。因为板簧与活塞组成的谐振子具有一定的谐振频率，当开机频率越接近谐振频率时，电机效率越高。由此可知，本次实验采用的有阀压缩机在直流负载下的谐振频率在40 Hz左右。

由实验结果可知，在一定的运行工况下，压比一定时，提高压缩机的输入频率，质量流量增加。压缩机的电机效率与电机是否发生谐振相关，当开机频率越接近谐振频率时，压缩机的电机效率越高。因此，为了满足负载端压比、流量需求的同时可以获得相对更高的电机效率，在设计压缩机时，应该将谐振频率向高频设计。同时开机频率应该避开板弹簧的自振频率。

图4 不同运行频率下压比与质量流量图

图5 不同运行频率下压比与电机效率图

2.2 压缩机活塞行程影响的分析对比

由2.1节可知，当设定压缩机的充气压力为0.172 MPa时，一定压比的情况下，40 Hz的时候电机效率最高，56 Hz的时候测得流量最大。因此下述实验分别选取在40 Hz和56 Hz的压缩机的频率下，改变压缩机的活塞行程，通过调节调压阀控制进出口的压比和流量，以此探究不同的活塞行程对于系统流量、压比和电机效率之间的影响。

图6为不同活塞行程下压比和质量流量的关系图。当频率为56 Hz在不同活塞行程下均可发现流量随压比增加而减小，原因同2.1节，此处不再赘述。当压比一定时，随着活塞行程的增加，流量呈现增大趋势，根据2.1节质量流量公式可知，当活塞行程活塞行程S增加时，质量流量mg增加。

图7为不同活塞行程下压比与电机效率的关系，由图可知，在压缩机输入频率为40 Hz时在不同行程下，随着压比的增加，电机效率均呈现降低趋势，原因同2.1节，此处不再赘述。在频率为40 Hz时，当行程为5.6 mm的时候电机效率较低，随着行程的增加，电机效率呈现提高趋势，在行程为7.4 mm，电机效率最大值为0.89。当活塞行程大于7.4 mm时，随着行程的增大，电机效率又不断减小。原因是随着活塞行程的改变，活塞所受负载随之改变，压缩机的谐振频率随之改变，当谐振频率与开机频率越接近时，电机效率越高。

图6 不同活塞行程下压比与质量流量图

由实验结果可知，在一定的运行工况下，压比一定时，提高压缩机的活塞行程，质量流量增加。活塞的行程会对压缩机的固有频率造成影响，为了在满足负载端压比和流量需求的情况下获得较高的电机效率，应当选择适当的开机频率，使其更加接近压缩机大行程下的谐振频率。但是增大压缩机的活塞行程同时也会带来一些不良影响。当行程增大时，板弹簧上受的应力相对增大，使板弹簧的寿命缩短。同时，行程的增大也会导致偏置的增加。活塞偏置问题造成压缩行程变短，压缩腔减小。因此，为了满足较大行程需求，需要对板簧进行优化。

2.3 压缩机充气压力影响的分析对比

在不同的压缩充气压力下，通过调节调压阀控制进出口的压比和流量，以此探究不同的充气压力对于系统流量、压比和电机效率之间的影响。

图8为不同充气压力下压比与质量流量关系图。当频率为56 Hz时，在不同充气压力下均可发现流量随压比增加而减小，原因同2.1节，此处不再赘述。当压比一定时，随着充气压力的增加，流量呈现增大趋势，根据2.1节质量流量公式，当充气压力越大时，气体密度增加，质量流量增加。

图9为不同充气压力下压比和电机效率关系图。当频率为40 Hz时，在不同充气压力下，随着压比的增加，电机效率均呈现降低趋势，原因同2.1节，此处不再赘述。当充气压力为0.051 MPa时电机效率最低，随着行程的增加，电机效率呈现提高趋势，充气压力为0.102 MPa时，电机效率最大为0.89。当充气压力大于0.102 MPa时，随着压力的增加，充气压力减小。原因是随着充气压力的改变，活塞所受负载随之改变，压缩机的谐振频率随之改变，当谐振频率与开机频率越接近时，电机效率越高。

图8 不同充气压力下压比与质量流量图

由实验结果可知，在一定的运行工况下，提高压缩机的充气对于在一定压比下取得较大流量是有利的。但是在提高充气压力的同时，低压侧压力也在不断上升，不能满足负载端对于低压的需求。因此需要在保证低压的情况下，尽量提高压缩机的充气压力。充气压力会对压缩机的固有频率造成影响，为了在满足负载端压比和流量需求的情况下获得较高的电机效率，应当选择适当的开机频率，使其更加接近设定充气压下的谐振频率。

图9 不同充气压力下压比与电机效率图

3 结论

本文针对压缩机参数对有阀线性压缩机输出特性的影响进行研究，进行了一系列实验，由实验结果得到以下结论：

1）有阀线性压缩机在满足低压需求的情况下在0.202 MPa、56 Hz时取得满足负载端需求的最优工况，流量为6.1 mg/s时压比达到4.24，此时压缩机效率约为12.3%；

2）增加压缩机运行频率，可以在压比一定时提高流量，40 Hz时有阀线性压缩机效率最高；

3）增加压缩机活塞行程，可以在压比一定时提高流量；在定频率和定充气压的情况下，行程为7.4 mm时电机效率最高；

4）增加压缩机充气压力，可以在压比一定时提高流量；在定频率、定行程的情况下，充气压为0.102 MPa时电机效率最高。