线性压缩机研究进展

余文辉，张安阔，韩一楠，谢 晶

（上海海洋大学 食品学院，上海 201306）

0 引言

线性压缩机在低温制冷领域尤其在斯特林/脉管制冷机的空间应用方面具有重要地位。自1955年早期太空计划实施以来，长寿命低温制冷机一直被人们所追求［1］，压缩机作为低温制冷机压力波发生器，其工作寿命的提高是解决制冷机寿命短问题的关键。

早期低温制冷机用压缩机主要为旋转式压缩机，由曲柄连杆机构驱动活塞运动，活塞与气缸间存在较大摩擦力和径向力，磨损大、振动强烈，长时间运转，制冷机性能易恶化。20世纪80年代以前，线性压缩机研究长期还处于基础结构设计和理论探索阶段，直至80年代初，英国牛津大学［2］采用板弹簧支撑、间隙密封等技术研制成长寿命线性斯特林制冷机，自此线性压缩机在低温制冷领域才得以正式应用并展现出巨大潜力。1991年，当牛津大学80 K线性斯特林制冷机被用于冷却NASA上层大气研究卫星（UARS）的改进的平流层和中层测深仪（ISAMS）时，标志着长寿命低温制冷机在空间任务中的首次成功应用［3］。

线性压缩机发展初期大都采用单活塞压缩结构，振动大，后发展为双活塞对置结构，通过压缩机动子动量平衡技术，使其振动降低，制冷机可靠性得到大幅提高［4］。此后，人们就如何提升压缩机效率进行了重点研究，并取得了丰硕成果，如：Sunpower公司的Redich结构直线电机、富士电机集团运用动磁系统技术研制的高效线性压缩机等［5-6］。线性压缩机研究的深入是人们追求低温制冷机长寿命、高可靠性、高效率动力驱动设备的必然结果，有助于推动航天红外探测技术的长足稳定进步，其进展需时刻得到关注。本文在线性压缩机国内外主要研究单位发展的基础上对压缩机最新研究现状进行了论述，并重点介绍了线性压缩机关键技术的研究发展，最后展望了线性压缩机的发展趋势并指出了其现有研究的不足。

1 线性压缩机研究进展

1.1 国内研究

在国内，线性压缩机被广泛用以斯特林/脉管制冷机的驱动，其发展与制冷机息息相关。在20世纪60年代，国内就开展了线性压缩机研究，主要研究单位有中科院上海技术物理研究所（技物所）、中科院理化技术研究所（理化所）、中国电科十六所以及浙江大学等。

1966年，中科院上海技术物理研究所制造了我国首台微型旋转式斯特林制冷机［7］。得益于牛津型线性压缩机的发展，后完成系列线性斯特林制冷机研究［8］。脉管制冷机振动低、结构简单、电磁干扰小，是技物所的研究重点。为驱动不同温区脉管制冷机，该所制成多种动圈式、动磁式压缩机，经深入研究［9］，压缩机效率得以稳步提高，技物所不同温区脉管制冷机用线性压缩机［10］见表1。2018年，针对空间线性推扫式电荷耦合器件摄像机，技物所发展了大功率动磁式压缩机，重9.5 kg，最大输入功率500 W，频率为60 Hz时，电机效率达92%，此时制冷机可提供50 W/170 K制冷量［11］。该制冷机性能如图 1（a）所示，当压缩机输入不同电功时，制冷机冷头冷却至相同温度所需时间不同，输入功率越大，冷却时间越短，这说明增大压缩机输入功率有助于制冷机快速制冷，从图2（a）中可看到，随着制冷温度下降，为获取同等制冷量，制冷机对压缩机输入功率要求逐渐提高，就某种程度而言，线性压缩机的最大输入功率能够限制大冷量制冷机朝更低温区发展，因此技物所大功率线性压缩机的发展不可或缺。

表1 技物所不同温区脉管制冷机用线性压缩机［10］Tab.1 Linear compressors for pulse tube cryocoolers in different temperature zones of SITP［10］

图1 脉管制冷机性能［11］Fig.1 Pulse tube refrigerator performance graph［11］

中科院理化技术研究所则主要研制脉管制冷机，为提高制冷机寿命，相继研发成单活塞、双活塞线性压缩机［12］。随着高频脉管制冷机体积、质量优势在空间应用过程中的逐步显现，为获取高效高频制冷机，他们尝试过单活塞压缩机，振动大、效率低下，为使制冷机实现低振动且便于频率的调整，双活塞线性压缩机是其后续研究方向［13］。

由于空间及军事技术的不断发展，红外探测器对线性压缩机提出了小型化要求以满足其有限空间布局和轻量化需要。压缩机小型化一般可通过提高频率和充气压力的方法实现，但是由于材料限制，充气压力的大幅提高是不被允许的，故而压缩机小型化的主要途径就是提高其频率。2018年，理化所研制成更高频率线性压缩机，为118 Hz，通过减小压缩机板弹簧的弹性系数以及增大活塞直径之后，压缩机质量减至692 g且效率提升显著，在同等功率输入下，制冷机可获得80 K/1.24 W的更大制冷量［14］。针对大冷量制冷机空间应用趋势的增加，理化所也发展了大功率线性压缩机，效率达85%，输入230 W电功，制冷机可提供15 W/80 K制冷量［15］。

中国电科十六所自1966年成立以来一直热衷于小型制冷机的研发，前期大力发展小型旋转集成式制冷机，后对不同温区斯特林制冷机用线性压缩机进行了深入研究，成功制成单活塞、双活塞线性压缩机。2011年，该所使用单活塞气体轴承线性压缩机研发出了国内首台气体轴承斯特林制冷机，整机质量小于3.5 kg，制冷量为7.7 W/80 K，随后便开展了对置式气体轴承线性压缩机研究。近年来，为冷却高性能红外探测器（60～80 K温区工作），又开展了60 K和80 K斯特林制冷机研究，采用双活塞线性压缩机成功开发出 60 K 的 SFZC800、SFZC1600，80 K 的SFZC1600、SFZC2800，实现了 1.9 kg下 0.8 W/60 K，1.6 W/60 K，1.6 W/80 K，2.8 W/80 K 制冷量目标。2017年，设计出一款轻量化高效线性压缩机，质量≤ 1.8 kg，压缩机只考虑铜损时，效率达 82.6%［16］。2018年又设计了一款小型线性斯特林制冷机SFZ700，由单活塞线性压缩机驱动，压缩机电声转换效率75.4%，整机质量目标值在400 g以内，优化工作温区为110 K，可拓展至80 K温区，制冷量分别为 0.7 W/80 K，0.8 W/110 K［17］。

浙江大学也研制了许多动圈式、动磁式线性压缩机，近年来则主要致力于提高制冷机中线性压缩机的适用性。2016年，为使压缩机与脉管制冷机冷指进行最佳匹配，基于制冷机整体电路、机械和声阻抗的向量分析，提出一种脉管制冷机整机声-力-电（AcME）耦合匹配方法［18］。2018年，发现线性压缩机输出声功率对制冷机性能会产生直接作用，确定其输出声功率既有助于提高压缩机适用性，又可揭示其性能［19］。通过对线性压缩机电、力、声特性的分析，提出一种测算压缩机活塞表面输出声功率的方法，解决了只在改变压缩机单一参数情况下如何获得其最大输出声功的问题［20］。此外，还提出一种基于分析压缩机活塞力的相量三角形模型，通过该模型可以更加快捷直观地了解压缩机与冷指的匹配机制，简化了匹配过程［21］。

1.2 国外研究

国外关于线性压缩机研究的开展要早于并领先国内，主要研究单位有Lockheed Martin先进技术研究中心、NGAS公司、LG电子公司、牛津大学等。

Lockheed Martin先进技术研究中心（LMATC）前期工作围绕于动圈式压缩机展开［22］。1994年计划研发空间用脉管制冷机，动力支持依旧由动圈式压缩机提供［23］。为提高压缩机效率，开发了诸多有效方法，例如：1998年，通过改进压缩机磁体材料和优化磁路使直线电机效率由53%升至65%，压缩机效率提高至76%［24］。后来，为确保脉管制冷机可靠性、简单性等优先理念，研发出动磁式压缩机并将动圈式取代［25］。图2为LM-ATC动磁式线性压缩机［26］，从图中可以看出，LM-ATC线性压缩机发展较为完善，囊括了多种尺寸类型，可满足不同空间应用冷却需求。

图2 LM-ATC动磁式线性压缩机［26］Fig.2 LM-ATC moving-magnet linear compressor［26］

近几年，LM-ATC大力发展小型线性压缩机。2016年，在美国下一代战术冷却/非冷却红外传感器和搜索器项目支持下，研发出一种小型脉管制冷机（FC-PTM），用于冷却大型、高温（105～150 K）红外焦平面阵列传感器，压缩机采用图4中的超小型，其发展始于2012年，整体长90 mm，直径32 mm，首代压缩机未包含电连接器时质量仅190 g，该压缩机驱动下，制冷机可获得300 mW/125 K制冷量［27］。同年，由美国空军资助，LM-ATC优化改造了TRL6脉管制冷机用小型线性压缩机，重210 g，改造为JT压缩机后质量减至200 g，在2：1到5：1的压力比范围内，可实现20%～30%的理想压缩效率［28］。

1991年，诺斯罗普格鲁门空间技术（NGAS）进行了脉管制冷机的初步研制，研发出众多动圈式线性压缩机，服务于空间与军事应用。2000年以后，NGAS公司将目光转向高频脉管制冷机并完成高频线性压缩机研制［29］。图3示出NGAS系列低温制冷机，目前，其液氮温区小型脉管制冷机正处于世界最好水平。

图3 NGAS系列低温制冷机［28］Fig.3 Northrop Grumman family of cryocoolers［28］

2018年，按照空中客车防务和航空有限公司要求，NGAS研制成新型HEC脉管制冷机，适用于空间和非空间应用，采用HEC动圈式压缩机，最大输入功率180 W，重4 kg，在45～125 K范围内具有1.8～19 W制冷量，基于HEC压缩机，依照美国机械技术公司（MTI）需要，通过缩放原理，完成改进型小型压缩机研制，重2 kg，相比之前小型线性压缩机，改进型输入功率更大，为150 W，此时制冷机可提供1.5 W/47 K制冷量［30］。

2001年，LG电子公司生产出了世界首台商用线性压缩机。2002年，推出冰箱用线性压缩机，后随即对空调用线性压缩机进行了研发［31］。2004年，制成使用R410A制冷剂的空调用线性压缩机。从R134a线性压缩机到R600a冰箱用压缩机以及R410A空调用压缩机，压缩机效能提升稳定。由于空调冷负荷远高于冰箱，因此LG空调用线性压缩机对螺旋弹簧和气体弹簧刚度要求更高，压缩机外形尺寸增大，同时由于较高功率输出的压缩机效率可能较低，从而限制了空调用线性压缩机的发展［32］。冰箱用线性压缩机是LG电子的主要发展方向，一般为单活塞动磁式，特点是采用有油设计、无气体轴承且使用硬质螺旋弹簧来控制压缩机共振和活塞漂移，尺寸较大。

LG线性压缩机制冷量涵盖150～370 W，电机效率均已超过90%，成本高是制约其发展的关键［33］。为提高线性压缩机可靠性，2017年LG电子解决了常规线性压缩机CFD分析未考虑影响活塞性能的负载条件而使得设计出的压缩机易发生机械碰撞的问题［34］。现阶段，为降低压缩机成本，LG电子正尝试研发商业制冷用气体轴承线性压缩机，已具备一定的专利技术，与油润滑线性压缩机相比，气体润滑压缩机尺寸更小、成本可能更低且可靠性更高。

英国牛津大学率先采用板弹簧支撑、间隙密封等技术实现了线性压缩机的寿命突破，后接连完成如：第一代［35］、第二代［36］动圈式压缩机的研制，效率和功率提升明显。如今，牛津大学将注意力转向商业制冷领域。2016年，基于自行研制的低成本动磁式压缩机，开发了一种新型控制系统，通过电磁阀来达到压缩机直流偏移和轴向间隙控制目标，试验结果显示当压缩机活塞行程减小时，零直流偏移电机性能更为优越，并指出具有容量控制的制冷系统其活塞控制应使用泄流实现零直流偏移［37］。为降低压缩机成本，在新型控制系统基础上，牛津大学又提出一种使用用于行程和偏移控制的搜索线圈来检测线性压缩机活塞位置的方法，该控制技术摈弃传统位置传感器，采用检测基准位置的接近传感器，活塞偏移量的改变由电磁阀控制泄漏流量实现，试验结果证明其可行性良好［38］。国内外线性压缩机的研究现状见表2。

表2 国内外线性压缩机的研究现状Tab.2 Research status of linear compressors at home and abroad

2 线性压缩机关键技术研究进展

从上述各研究机构线性压缩机研究现状来看，大功率及小型线性压缩机是目前的主要研究方向。从表2可知，在小型线性压缩机研制方面，国内外差距较为显著，具体表现在压缩机质量及运行频率上。压缩机运行频率的提高是实现其小型化的主要途径，然而高频的实现却需依赖支撑技术、间隙密封技术等的发展进步。纵观线性压缩机的发展历程，支撑技术、间隙密封技术的运用均具有重要意义，使得压缩机摆脱了寿命限制，其技术水平的发展对压缩机寿命、可靠性、效率以及小型化进程等方面具有直接影响。

2.1 支撑技术研究

线性压缩机早期活塞支撑采用螺旋线弹簧，无法避免活塞与气缸间的直接接触。为减少磨损，在活塞与气缸间可形成气膜，也就是气体轴承，利用高压气体刚度特点来承载活塞并将二者分离。根据进气结构及原理的不同，气体轴承分为静压和动压两类，动压气体轴承的支撑能力易受气体压力波动影响，可靠性差。针对活塞与气缸间隙内气膜压力的分布，ZHANG等［39］便提出了一种可进行预测的一维气体轴承模型。气体轴承支撑技术结构复杂、加工和装配难度高，因此压缩机活塞常用结构简单的柱弹簧或板弹簧支撑。与柱弹簧相比，板弹簧径轴向刚度比大，在可靠性、寿命方面表现出色，空间应用潜力大。在MTTF达10 000 h以上的低温制冷机中，板弹簧已是主流［40］。

板弹簧支撑技术的引入保证了压缩机活塞与气缸间径向间隙的稳定，避免了二者接触，极大降低了磨损。一般而言，板弹簧分为涡旋臂和直线臂板弹簧，疲劳强度、轴向刚度、径向刚度以及自振频率是其主要性能指标。相较于涡旋臂板弹簧，直线臂板弹簧自身一阶自振频率高，更适合于高频应用。针对涡旋臂板弹簧，JOMDE等［41］通过有限元方法，分析了涡旋臂宽度、板厚等参数对其应力和刚度的影响，结果显示螺旋角和板厚对板弹簧应力及刚度影响显著（成正比）。RAJESH等［42］对涡旋臂板弹簧3种常见材料SS304、铍青铜和弹簧钢性能进行了分析，给出了不同设计参数和疲劳损伤系数下的板弹簧应力变化规律。周伟楠等［43］基于有限元方法并通过实验研究，分析比较了3种常用不同型线板弹簧后发现，圆渐开线型更利于线性压缩机高频工作。KHOT等［44］通过对涡旋臂和直线臂板弹簧理论及实验结果比较得出，相同厚度和直径下，直线臂板弹簧应力、轴向和径向刚度均高于涡旋臂板弹簧，并指出直线臂板弹簧更适用于紧凑尺寸和长寿命应用。

2.2 间隙密封技术研究

间隙密封技术是利用间隙内流体因阻力等原因导致压力下降的原理来达到降压密封目的，避免了类似旋转式压缩机油润滑及活塞环密封的使用所带来的问题，如：冰堵、制冷工质的污染等，同时为线性压缩机压缩腔和背压腔气体的分离提供了保障，其应用进一步提高了压缩机可靠性和寿命。

间隙密封分为直线型和迷宫型两种，直线型能够做到更小的间隙尺寸，间隙尺寸过大会损失压缩机部分输出功，并使得压缩腔内产生少量气体泄漏，大幅降低压缩机效率，需限制在合理范围内，一般小于 20 μm。JOSHI等［45］研究了 10，15，20 μm间隙尺寸对线性压缩机制冷能力和效率的影响，发现压缩机制冷能力和效率随间隙的增加而降低，对于10，15 μm间隙却无太大差异。考虑间隙的减小会促使摩擦力和磨损的增加，要延长压缩机寿命并提高性能，过小的间隙尺寸也是不可取的。SANTOS等［46］通过改变线性压缩机压力比、活塞与气缸径向间隙等从理论上详细分析了压缩机热力学效率低下的原因，发现径向间隙和压力比是主要影响因素。

微小的间隙尺寸仍然无法阻止间隙内气体泄漏所造成的压缩机效率下降，改变压缩机活塞头型式对于抑制损失是种有效方式，选择径向刚度大的柔性板弹簧以保持间隙尺寸的合理性，同样能有效防止活塞出现径向偏移从而加剧损失产生。还可通过改变柔性板弹簧组件的安装方式来降低间隙密封损失，曹广亮等［47-48］对此进行了研究。

3 结论与展望

线性压缩机为空间低温制冷机的核心部件，其发展好坏直接制约着斯特林/脉管制冷机的空间应用。本文概述了低温制冷机用线性压缩机的发展历史，基于国内外线性压缩机主要研究单位的发展演变对压缩机最新研究现状进行了综述，并讨论了压缩机支撑技术、间隙密封技术的发展。从现有研究现状分析来看，线性压缩机的发展方向为：

（1）动磁式压缩机是大功率线性压缩机的研究方向。大冷量空间应用的发展促进了大功率压缩机的研制，动磁式压缩机相比动圈式压缩机比推力大、结构紧凑、可靠性更高、成本低，是大功率线性压缩机的首要选择。

（2）线性压缩机小型化是未来的发展趋势。空间应用方面，飞行系统质量与发射成本成正比，系统质量的减少会降低发射成本，此外在如小型卫星的组网探测等空间任务中，均要求探测器系统质量尽可能的小，线性压缩机朝小型化趋势发展无可避免。

（3）降低民用线性压缩机使用成本。民用线性压缩机由于需要精湛的加工装配工艺和特别的制造工艺等以保证寿命和效率，提高了压缩机使用成本，限制了其应用深度及广度。随着市场需求的不断增长，人们对于民用线性压缩机的性价比也提出了更高要求，因此在优化压缩机性能的同时，其成本的降低也是一重要方向。

目前，线性压缩机研究虽已取得诸多成效，但依然存在一些不足并值得完善：（1）国内外小型线性压缩机质量差距较明显，表现在材料和加工装配工艺等方面；（2）国内线性压缩机柔性板弹簧相关研究欠缺，如直线臂板弹簧研究等；（3）对于线性压缩机间隙密封损失的认识依旧停留于理论阶段，需完善实验研究。在线性压缩机后续研究阶段，上述问题均需得到关注。