无油线性压缩机变容量制冷性能实验研究

曾 勇 李建国 胡和敏 梁惊涛

(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)

无油线性压缩机变容量制冷性能实验研究

曾 勇1,2李建国1胡和敏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)

无油线性压缩机具有结构简单紧凑、效率高和寿命长等优点,在航空航天热控领域具有巨大的发展潜力。针对实验室研制的无油线性压缩机进行变容量制冷性能研究，分析行程和余隙容积变化对压缩机的制冷性能受的影响。实验结果表明，在冷凝温度为48 ℃，蒸发温度为10 ℃，热沉温度维持15 ℃，行程从6.5 mm增加到8.9 mm时，压缩机的制冷量会随行程的增大而增大。在行程为8.9 mm时，最大制冷量为180 W；系统的COP和压缩效率会随着行程的增大先增大后减小，在行程为7.9 mm时，具有最高COP和压缩效率，分别为1.78%和30.6%。在冷凝温度为55 ℃，蒸发温度为10 ℃，热沉温度稳定在15 ℃，系统的余隙长度从0.1 mm增加到1.1 mm时，随着余隙长度的增加，压缩机的制冷量、COP和压缩效率会逐渐降低。电机效率会随着余隙容积的增加先升高后降低,在余隙长度为0.9 mm时，电机效率为78.4%。

无油线性压缩机 变容量 制冷性能 行程 余隙容积

1 引 言

在航空航天领域，电子技术的快速发展使电子设备集成度不断升高，零件表面的热流密度不断增大，由此带来的散热问题逐渐凸显[1]。蒸汽压缩式制冷系统由于具有控温能力强、效率高等优点在电子排热场合具有良好的应用前景，但在微重力等恶劣环境下，如何实现压缩机高效稳定的运行成为亟待解决的问题之一[2]。无油线性压缩机采取直线电机直接驱动活塞，省去曲柄连杆等传动机构，与传统往复式压缩机相比具有更高的电机效率，结构更加简单紧凑。同时，由于采取间隙密封实现无油润滑，可以有效解决在微重力环境下的回油和积炭问题，提高压缩机的运行寿命。另外，无油润滑也可以扩大蒸汽压缩制冷系统的温度适用范围和工质选择，结合微型换热器的应用，可以有效地实现制冷系统的小型化[3]。

无油线性压缩机由直线电机直接驱动活塞，与传统往复式压缩机相比，活塞的上下止点可以通过驱动电压进行调节，因而在不同的热负荷下可以实现压缩机的变容量调节。同时，由于运行过程中，由于气体力的非线性会使活塞的运动中心发生偏移从而使余隙容积发生变化。随着活塞行程和运动中心的变化，无油线性压缩机的制冷性能也会受到相应的影响。

本文通过对实验室研制的无油线性压缩机样机进行变容量调节实验，分析不同行程和余隙长度下，压缩机制冷性能和工作效率的变化趋势，以便于在不同热负荷下实现对压缩机运行状态的调节。

2 实验系统介绍

图1为无油线性压缩机结构简图，该无油线性压缩机为对置式形式，吸排气阀均布置在气缸顶部，两侧活塞采用相同的动圈式直线电机进行驱动，线圈和活塞由板弹簧支撑，保证活塞和气缸之间的间隙，活塞和气缸表面均采用自润滑材料涂层以实现无油润滑，压缩机整机重约8 kg，长278 mm，最大直径130 mm。图2为搭建的无油线性压缩机驱动的小型蒸汽压缩制冷系统，制冷剂为R134a。蒸发器采用微通道相变热沉，材料为紫铜。通过调压器控制加热棒的加热量来模拟热负荷。冷凝器为平流式微通道换热器，采取风冷进行冷却。为了便于调节蒸发压力和冷凝压力，采用节流阀作为节流元件，系统管道由内径4 mm，外径6 mm的紫铜管和不锈钢管组成。在节流阀和冷凝器之间，布置干燥过滤器去除制冷剂中的水分，防止节流时因为温降而造成冰堵。在蒸发器出口管路布置视液镜便于观察制冷剂进入压缩机的状态，防止制冷剂因为未完全气化而造成液击，影响压缩机的运行寿命。除了冷凝器和压缩机外，系统其他部件均采用内层脱脂纯棉外层黑色保温棉进行包裹以减小漏热。为了便于调节活塞的运动中心，控制气缸的余隙容积，将压缩机背压腔与吸气管路相连，并通过阀门控制两端的压力。

图1 无油线性压缩机结构简图Fig.1 Schematic diagram of oil-free linear compressor

图2 无油线性压缩机制冷性能测试系统Fig.2 Geometry structure of experimental refrigeration system of oil-free linear compressor

在实验过程中，压缩机的吸排气压力通过压力变送器进行测量，各主要部件的进出口温度以及热沉温度则通过经标定的贴片式铂电阻温度计进行测量，压缩机的工作电流、工作电压、功率因数和输入功通过功率计进行测量。活塞的位移和运动中心通过LVDT位移传感器进行测量并通过示波器进行采集。制冷剂的充注量则通过电子天平进行测量。

3 实验条件

实验主要通过改变活塞的行程和活塞平衡位置来实现压缩机的容量控制。实验过程中，压缩机的驱动频率为50 Hz。实验条件具体为：

(1)改变行程时，制冷剂充注量为160 g，余隙长度为0.1 mm，通过调节节流阀的开度，保持吸气压力0.42 MPa，排气压力为1.26 MPa，压比为3，对应的蒸发温度为10 ℃，冷凝温度为48 ℃。测试不同行程下压缩机的输入功和热沉的加热量，其中行程变化为6.5 mm到8.9 mm。

(2)调整余隙长度时，制冷剂充注量为170 g，保持活塞行程为8 mm，吸气压力为0.42 MPa，排气压力为1.48 MPa，其对应的蒸发温度为10 ℃，冷凝温度为55 ℃，压比为3.5时，测试不同余隙长度下压缩机的输入功和加热量，余隙长度的调整范围为0.1 mm到1.1 mm，间隔为0.2 mm。

实验过程中，环境温度为25 ℃，热沉温度控制在15 ℃。

4 实验结果与分析

4.1 行程变化对无油线性压缩机制冷性能的影响

图3 制冷量、输入功率和COP随行程的变化曲线Fig.3 Refrigeration capacity, input power and COP change curve with stroke

图3为系统在吸气压力为0.42 MPa，排气压力为1.26 MPa时，制冷量、输入功率和COP随行程的变化；图4为系统的压缩效率和电机效率随行程的变化。随着行程的增加，制冷量和输入功率会逐渐增大。在行程为6.5 mm时，系统的制冷量为50.6 W；当行程为8.9 mm时，系统的制冷量为180 W。压缩机的输入功率随行程的增加而缓慢增加，当行程为6.5 mm时，压缩机的输入功率为41.2 W，在行程为8.9 mm时，压缩机的输入功率则增加到110 W。系统压缩机的实际指示功率为[4]：

(1)

式中：Wi为压缩机指示功率,W;ηi为压缩机指示效率;qm为工质质量流量,kg/s;κ为工质绝热指数;Ps为压缩机吸气压力,Pa;A为活塞面积,m2;X0为活塞运动中心距离排气阀的距离,m;X为活塞位移幅值,m。

式中，X0-X为压缩机的余隙长度。当余隙长度一定，系统的吸排气压力相同时，随着活塞行程增大，系统工质的质量流量增大，压缩机的输入功率增加，在热沉维持相同的温度时，系统的制冷量也会增大。从图4可以看出，当行程大于7.9mm时，随着行程的增大，制冷量和输入功率的增速明显减缓，这是因为，压缩机的谐振频率为：

(2)

式中:ks为谐振弹簧刚度,N/m;kg为气体弹簧刚度,N/m;m为压缩机的动质量, 主要包括活塞组件、线圈和1/3的板弹簧质量,kg。

在吸排气压力一定时，随着行程的增大，气体弹簧刚度逐渐减小，压缩机的谐振频率也会随之降低[5]。在行程小于7.9 mm时，压缩机的谐振频率高于50 Hz，随着行程增大，谐振频率逐渐减小，在7.9 mm附近，谐振频率降低到50 Hz，压缩机达到谐振状态，此时系统的COP会达到最大值，从图3可以看出在7.9 mm附近，系统的COP最大值为1.78。随着行程进一步增大，谐振频率继续降低，压缩机偏离谐振状态，随着流量的增加，制冷量和输入功率会进一步增大，但由于压缩机压缩效率降低，系统的COP会随着行程的增大而减小，在行程增大到8.9 mm时，系统的COP为1.64。从图4可以看出，在行程为7.9 mm时，压缩机的压缩效率和电机效率最高，分别为30.68%和81.33%。整体而言，压缩机的电机效率随行程的变化较小，在行程为8.9 mm时，电机效率最低，为78.8%。但是，压缩机的压缩效率变化较大，在行程为6.5 mm时，压缩效率为16.8%，这是因为余隙容积固定，在活塞行程较小时，压缩机的容积效率较低，压缩机的实际排量较小，随着行程的增大，受余隙容积的影响逐渐减小，容积效率逐渐升高，工质实际排量增大，从而压缩效率会逐渐增加。

4.2 余隙容积变化对无油线性压缩机制冷性能的影响

图5为压缩机的输入功率、制冷量和COP随余隙容积的变化关系，图6为压缩机的压缩效率和电机效率随余隙容积的变化关系。从图5可以看出，随着余隙长度的增大，压缩机的输入功率、制冷量和COP随着余隙长度的增加而降低；从图6中可知，随着余隙长度的增加，压缩机的压缩效率逐渐降低，压缩机的电机效率会先升高后降低。压缩机的实际排量为：

(3)

式中:λ为泄漏率，表示由于泄露等因素导致的实际排量小于吸气容积。随着余隙长度的增加，压缩压缩机的实际排量减少，工质流量降低，压缩机的容积效率降低，输入功率和制冷量会逐渐减小。在余隙长度为0.1mm时，压缩机的输入功率为104.5W，制冷量为111.6W，COP为1.07；在余隙容积为1.1 mm时，压缩机的输入功率为62.2 W，制冷量为48.8 W，COP为0.785。

图5 制冷量、输入功率和COP随余隙容积的变化曲线Fig.5 Refrigeration capacity, input power and COP change curve with clearance volume

图6 压缩效率和电机效率随余隙容积的变化曲线Fig.6 Compression efficiency and motor efficiency change curve with clearance volume

压缩机的电机效率为：

(4)

式中:Pin为压缩机的输入功率，W;I为压缩机的工作电流,A;Re为电机的当量电阻,Ω。随着余隙容积的增大，压缩机的流量减小，工作电流随之减小。在余隙长度小于0.9mm时，由于电流较大，线圈消耗受电流的影响较大，随着电流的降低，线圈损耗下降较快，因而电机效率会随着余隙长度的增加而升高；当余隙长度大于0.9mm时，压缩机的质量流量较小，电流比较小，此时线圈损耗受当量电阻的影响较大，随着余隙长度的增加，压缩机的功率下降速度比线圈损耗下降要快，因而，随着余隙容积的增加，压缩机的电机效率会逐渐下降。从整体而言，压缩机的电机效率波动较小。但是，压缩机的压缩效率变化较大，且随着余隙容积的增加，逐渐降低。当余隙长度为0.1mm时，压缩机的压缩效率为27.7%；当余隙长度增加到1.1mm时，压缩机的压缩效率骤减到7.7%。这是因为在余隙容积的变化过程中，压缩机的压缩效率主要受到容积效率的影响，随着余隙长度的逐渐增大，容积效率迅速降低，因而导致压缩机的压缩效率迅速降低。

4 结 论

基于实验室研制的无油线性压缩机样机，搭建电子排热用蒸汽压缩制冷系统，通过实验研究压缩机在变容量条件下制冷性能和工作效率的变化，其中重点分析了活塞行程和余隙容积对无油直线压缩机制冷性能和工作效率的影响，结果显示如下：

(1) 无油线性压缩机可用于蒸汽压缩制冷系统中，结合微通道换热器，系统可以稳定运行并使热沉温度维持恒定。实验结果表明，在蒸发压力为0.42 MPa，冷凝压力为1.26 MPa，对应的冷凝温度为48 ℃，蒸发温度为10 ℃，维持热沉温度为15 ℃时，系统最大的制冷量为180 W，最高COP为1.78。

(2) 无油线性压缩机的制冷性能受活塞行程的影响较大。随着活塞的行程的增大，制冷量和输入功率会逐渐增大。系统的COP和压缩效率会随着行程的增加先增大后降低，这主要原因是压缩机的谐振频率会随活塞行程变化。

(3) 对于无油线性压缩机，余隙容积的增大会使无油线性压缩机的制冷性能变差。随着余隙容积的增加，制冷量、输入功和COP会逐渐降低，压缩机的压缩效率会迅速降低。

1 季爱林, 钟剑锋, 帅立国. 大热流密度电子设备的散热方法[J]. 电子机械工程, 2013 (6):30-35.

Ji Aiilin，Zhong Jianifeing，Shuai Liguo. Cooling Measures of High Flux Electronic Equipment[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2013 (6):30-35.

2 王 晶, 袁卫星, 袁修干,等. 航天领域蒸汽压缩热泵技术研究进展[J]. 航空学报, 2005, 26(5):529-534.

Wang Jing, Yuan Weixing, Yuan Xiugan. Research on Vapor Compression Heat Pump for Space Use[J]. Acta Aeronauticaet Astronautica Sinica, 2005 (6): 529-534.

3 Liang K, Stone R, Dadd M, et al. A novel linear electromagnetic-drive oil-free refrigeration compressor using R134a[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 40(3):450-459.

4 邹慧明. 双缸对置式线性压缩机开发与研究[D]. 北京:中国科学院研究生院, 2010.

Zou Huiming. Development and investigation of dual-cylinder linear compressor[D]. Beijing:Chinese Academy of Sciences,2010.

5 邹慧明, 唐明生, 徐洪波,等. 线性压缩机变容量性能实验研究[J]. 压缩机技术, 2014(2):10-14.

Zou Huiming, Tang Mingsheng, Xu Hongbo. Investigation on variable capacity performance of linear compressor[J].Compressor Technology, 2014(2):10-14.

Experimental research on variable refrigerating volume performance of oil-free linear compressor

Zeng Yong1,2Li Jianguo1Hu Hemin1Liang1Jingtao

(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China)(2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The oil-free linear compressor is an attractive proposition for electronics cooling application of aerospace thermal management with the advantages of simple and compact structure, high efficiency and long life. In this paper, the variable capacity refrigeration performance of the oil free linear compressor is studied, and the influence of stroke and clearance volume of compressor on the performance of the compressor is analyzed. The experiment results show that, when evaporation temperature and condensation temperature are 48 ℃, 10 ℃ respectively, and heat sink temperature is maintained at 15 ℃, the cooling capacity of the compressor will increase with stroke. As the stroke changes from 6.5 mm to 8.9 mm, the maximum cooling capacity of the system is 180 W;COPand compression efficiency increase first and then decrease with the increasing of stroke. The system has the highest cooling capacity andCOP, respectively 1.78 and 30.6% when stroke is 7.9 mm. While the evaporation temperature and condensation temperature are 55 ℃ and 10 ℃ respectively, heat sink temperature is kept stability at 15 ℃, compressor refrigerating capacity,COPand compression efficiency will reduce gradually with the increase of clearance length increases from 0.1 mm to 1.1 mm, and the motor efficiency will increase first and then decrease. When the clearance length is 0.9 mm, the motor efficiency reaches the highest value of 78.4%.

oil-free linear compressor;variable volume; refrigerating performance; stroke; clearance volume

2016-03-14；

2016-06-07

曾 勇，男，27岁，硕士研究生。

TB652

A

1000-6516(2016)03-0046-05