冰箱直线压缩机活塞间隙密封泄漏的特性研究

李廷宇，陈　曦，曹广亮（上海理工大学制冷技术研究所，上海　200093）

冰箱直线压缩机活塞间隙密封泄漏的特性研究

李廷宇，陈曦，曹广亮
（上海理工大学制冷技术研究所，上海200093）

直线压缩机采用间隙密封可以在完成密封的同时消除接触磨损，但不可避免会引起制冷工质的泄漏。采用数值模拟的方法，基于冰箱直线压缩机的实际情况，以R600a和R134a为制冷工质建立简化数学模型，模拟了间隙密封在不同工作参数，不同设计参数下的制冷工质泄漏特性。对于冰箱用无油润滑直线压缩机研究具有重要意义。

直线压缩机；间隙密封；泄漏量；数值模拟

0　引言

冰箱直线压缩机能够大幅度提高电动机效率和机械效率，从而提高冰箱的性能系数和能效比。其采用轴向直线驱动，无曲柄连杆机构，可以有效降低活塞与气缸之间的摩擦。间隙密封是利用密封零件之间的径向微小间隙及在轴向的一定长度来实现的一种密封形式。相比传统的环密封，间隙密封轴孔两零件采用间隙配合，利用板簧的径向刚度保证零件的定位装配，使气缸与活塞无直接接触。间隙密封减小了气缸活塞间的磨损、降低了磨损污染，提高了制冷机的寿命［1］。不需要润滑这一特性又进一步使工作介质的温度不受限制，同时也使机器部件的运转速度不受限制［2-3］。由于有密封间隙的存在，当密封两端压力不相等时会引起气体的泄漏，造成制冷量损失。对泄漏的分析，通常取活塞轴截面，将流动简化为库埃特流动进行计算。

陈曦等［4］推导了交变压力波和活塞运动同时存在的情况下，氦气在1个周期内的平均泄漏量的计算公式，指出氦气泄漏是由活塞交变运动和压差两部分原因引起。

卢明［5］应用Fluent模拟并分析了纯间隙密封、带矩形槽和带三角槽的三种间隙密封结构形式，比较了在纯剪切流和压力流作用下流场的压力分布和速度分布特点。从理论上分析了间隙宽度、同轴、偏心以及相对运动速度对泄漏量和黏性摩擦力的影响，并推导了近似计算方法。

何志龙等［6］以R134a和R600a作为制冷工质，对直线压缩机的性能参数做了理论计算，对压缩机的工作过程和阀片运动规律等进行了计算机数值模拟，得到了直线压缩机的性能参数以及阀片的运动规律、活塞受力等情况。

以冰箱用无油润滑直线压缩机的间隙密封为研究对象，通过简化的数值模型，模拟了间隙密封在不同制冷工质，不同工作参数和设计参数下的泄漏特性，并对模拟结果进行了比较分析，总结了密封间隙的泄漏规律，对于冰箱用无油润滑直线压缩机研究具有重要意义。

1　间隙密封的数学模型

图1为间隙密封的数学模型图，在数值模拟时其数学模型的物理假设：（1）忽略质量力的影响；（2）内外圆柱面是同心的，因此间隙高度在圆周方向处处相等。

图1　间隙密封的数学模型图

针对家用冰箱的实际工况，压缩机的工作过程分为吸气、压缩、排气、膨胀四个阶段，在考虑余隙容积情况下，压缩腔内的气体压力pin可以采用方程（1）来描述。

式中：p1为吸气压力；p2为排气压力；s为活塞行程；x0为压缩活塞余隙行程；x（t）为活塞位移；n为压缩过程中的多变指数，取1.1；m为膨胀过程中的多变指数，取1.05。

冰箱压缩机活塞的运动周期设定为0.02 s，蒸发温度为250 K，吸气温度为303 K，冷凝温度为326 K，排气温度379.8 K，则采用R600a制冷工质的吸气压力为62.5 kPa，排气压力为750 kPa，采用R134a作为制冷工质的吸气压力为120 kPa，排气压力为1 440 kPa，其压缩腔内压力变化如图2所示。

流体的运动状态可以根据雷诺数Re来判断。雷诺数定义如式（2）：

图2　压缩腔压力随时间的变化曲线图

模型的长宽比较大，采用double precision压力-速度耦合方程的求解算法SIMPLEC，对于简单的问题收敛非常快，不对压力进行修正，所以压力松弛因子可设置为1。梯度插值采用Green-gaussnodebased，以减小伪扩散，因为是结构网格，使用高阶格式，对流插值（动量方程）用second order upwind，压力插值用second order，并通过UDF指定参数。

（1）气体平均密度：

式中：pin为压缩腔的气体压力；pout为背压腔压力；T为平均温度。

（2）压缩腔的气体压力pin；

（3）活塞移动速度up：

式中：s为活塞行程；τ为活塞运动周期；t为活塞运动时间。只考虑容积效率，而忽略其他因素的影响，泄漏率可表示为式（5）［8］：

2　数值模拟结果及分析

2.1数值模拟与理论计算的比较

除了数值模拟以外，间隙密封的泄漏量可以通过简化的物理模型进行计算，文献［9］通过假设，获得了理论泄漏量的数学表达式（6）。

（1）流动膜的厚度与宽度、长度相比很小；

（2）孔隙在往复相对运动过程中没有旋转运动，间隙内气体可看作一维流动；

（3）沿流动膜厚度方向上不计压力变化；

（4）忽略质量力的影响；

（5）内外圆柱面是同心的，因此间隙高度在圆周方向处处相等；

（6）流体的惯性力与黏滞力相比可以忽略不计，即流动是准稳状态。

间隙密封的理论质量泄漏率G为［10］：

根据式（6）可得到制冷剂的泄漏量qm随时间的变化曲线，与数值模拟得到的曲线对比如图3所示。可见两种方法的分析结果趋势相同，具体数值略有差异，原因是在理论计算时忽略了惯性力对泄漏量的影响，简化了制冷剂在密封间隙内的流动状态，并且在理论分析时采用了近似计算。

图3　理论计算结果和数值模拟结果的比较曲线图

2.2不同制冷剂在其对应工况下的泄漏量

由于环保的要求，目前家用冰箱的主流制冷工质是R134a和R600a［11］，因此对上述两种制冷工质在间隙密封中的泄漏特性进行研究，在冰箱制冷工况下，这两种制冷工质的泄漏量qm随时间的变化情况如图4所示。发现R134a的泄漏量远大于R600a的泄漏量，主要是因为R600a做制冷工质时，活塞两端的压差较小，所以R134a更容易泄漏。

图4　不同制冷剂的泄漏量随时间的变化曲线图

2.3不同工况对R600a泄漏量的影响

由于不同制冷工质的泄漏规律相同，且数值模拟的结果与理论计算相近，以R600a为例进行数值模拟，研究不同工况对制冷工质质量泄漏量qm以及体积泄漏率η的影响。

2.3.1背压腔压力对泄漏量的影响

在实际工程中，通常以吸气压力或排气压力做背压，上述两种情况，以R600a为工质进行研究，如图5所示。发现若以实际排气量为标准，泄漏率η分别为-25.47%、4.94%，其中负表示向压缩腔吸气，正表示向背压腔漏气，所以吸气压力更适合作为背压。

图5　不同背压腔压力下泄漏量随时间的变化曲线图

2.3.2压比对泄漏量的影响

以R600a为工质，对不同压比下的泄漏量qm进行研究，结果如图6所示。其中ε分别为11、12、13，泄漏率η分别为4.18%、4.94%、5.82%，可见泄漏率随压比的增大而增大。其中排气阶段制冷工质排气速率差别较大，膨胀阶段制冷工质漏气速率略有不同，并且为了控制漏气率在5%以内，需要使得压比在12以内。

图6　不同压比下泄漏量随时间的变化曲线图

2.3.3活塞行程对泄漏量的影响

以R600a为工质，对不同活塞行程下的泄漏量qm进行计算，如图7所示。s分别为0.01 m、0.015 m、0.02 m，泄漏率η分别为7.67%、4.94%、3.62%，可见泄漏率随行程的增大而减小，并且为了控制漏气率在5%以内，活塞行程不能低于0.015 m。其中吸气与排气阶段的漏气速率相同，压缩与膨胀阶段的漏气速率略有不同，但是发现体积泄漏率η差别比较大，这是由于活塞行程的不同导致气缸实际排气量差别较大，泄漏的气体体积差别不大，从而导致泄漏率η变化比较明显，而质量泄漏量qm变化不明显。

图7　不同活塞行程下泄漏量随时间的变化曲线图

2.3.4密封间隙对泄漏量的影响

以R600a为工质，对不同密封间隙下的泄漏量qm进行计算，如图8所示。h分别为10μm、15μm、20μm，泄漏率η分别为4.94%，15.5%，32.3%，可见泄漏率随间隙的增大明显增大，并且为了控制漏气率在5%以内，需要控制密封间隙在10μm以内。

图8　不同密封间隙宽度下泄漏量随时间的变化曲线图

2.3.5相对余隙容积对泄漏量的影响

以R600a为工质，对不同相对余隙容积下的泄漏量qm进行研究，结果如图9所示。c分别为2%、3%、4%，泄漏率η分别为4.26%、4.94%、5.83%，可见泄漏率随相对余隙容积的增大而增大。其中吸气与排气阶段的漏气速率相同，压缩与膨胀阶段的漏气速率略有不同，并且为了控制漏气率在5%以内，需要控制相对余隙容积在3%以内。

图9　不同相对余隙容积下泄漏量随时间的变化曲线图

2.3.6工作频率对泄漏量的影响

以R600a为工质，对不同活塞运动频率的泄漏量qm进行计算，如图10所示。f分别为40 Hz、50 Hz、60 Hz，泄漏率η分别为6.28%，4.94%，4.08%，可见在1个运动周期内泄漏率随频率的增大而减小。但在相同的时间因为频率f的增加，活塞运动速度up变大，从而制冷工质的泄漏量也相应变大。

图10　不同活塞频率下泄漏量随时间的变化曲线图

3　结论

以冰箱用无油润滑直线压缩机的间隙密封为研究对象，建立简化数值模型，模拟间隙密封在不同制冷工质，不同工作参数和设计参数的泄漏特性，并与理论计算结果进行比较，模拟结果与理论公式基本符合。模拟结果显示，制冷工质R134a比R600a更容易泄漏；吸气压力比排气压力更适合作为背压；在1个运动周期内，制冷工质泄漏量随压比的增大而增大，随活塞行程的增大而减小，随密封间隙的增大而增大，随相对余隙容积的增大而增大，随频率的增大而减小。

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STUDY ON REFRIGERATOR LINEAR COMPRESSOR PISTON CLEARANCE SEAL LEAKAGE CHARACTERISTICS

LITing-yu，CHEN Xi，CAO Guang-liang
（Instituteof Refrigeration，University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai 200093，China）

Linear compressor refrigerator using clearance seal can elim inate contact wear，but the clearance seal would inevitably lead to leakagesof refrigerant.In this paper，based on the actualoperating conditionsof a linear compressor，a numerical simulation method was adopted.By a simplified numericalmodel，the leakage characteristics of R600a and R134a under differentparameterswere simulated in detail.The research resultswereof greatsignificance to the refrigeratorusing oil-free linear compressor.

linear compressor；clearance seal；leakage；numericalsimulation

TH457

A

1006-7086（2016）04-0205-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.005

2016-02-23

李廷宇，（1991-），男，山东胶州人，硕士研究生，主要从事斯特林机器研究。E-mail：chenxistudy@163.com。