符鳴，蔣珍華，孟祥麒，祁影霞

（1-上海理工大學(xué)，上海　200093；2-中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上?！?00083）

斯特林型壓縮機偏置現(xiàn)象的影響因素分析

符鳴*1，2，蔣珍華2，孟祥麒1，祁影霞1

（1-上海理工大學(xué)，上海200093；2-中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083）

斯特林型制冷機在實際運行中，壓縮機會出現(xiàn)活塞偏移的現(xiàn)象。通過四組在不同條件下的對比實驗，得到了造成壓縮機偏置的影響因素。當(dāng)壓縮機內(nèi)部處于真空狀態(tài)時，不會出現(xiàn)活塞偏移現(xiàn)象。然而，一旦壓縮機充入氣體后運行，活塞會發(fā)生偏移。同時，隨著充氣壓力的不同，活塞偏置量不同。制冷過程也會影響壓縮機偏置。

斯特林制冷機；壓縮機偏置；影響因素

0　引言

1816年蘇格蘭人STIRLING R提出了一種由兩個等溫壓縮和膨脹過程和兩個等容回?zé)徇^程組成的閉式熱力循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)。1834年HERSHEL J試圖采用逆向斯特林循環(huán)用于制冰，1862年KRI K利用逆向斯特林循環(huán)用于制冷并獲得成功［1-2］。斯特林制冷機廣泛應(yīng)用于紅外遙感、高溫超導(dǎo)，并在商業(yè)、軍事及航天等領(lǐng)域廣泛使用?，F(xiàn)階段廣泛使用的斯特林制冷機主要采用了對置壓縮機、直線電機驅(qū)動、板彈簧支撐和間隙密封等技術(shù)［3-5］。制冷機裝配時，壓縮機中的壓縮限位與膨脹限位相等。對于該類型的制冷機而言，當(dāng)制冷機未工作時，壓縮機活塞所處的位置稱為活塞的靜態(tài)平衡位置。然而，當(dāng)壓縮機輸入純正弦交流電，制冷機處于正常工作狀態(tài)時，壓縮機的活塞往復(fù)運動的動態(tài)平衡位置偏離其靜態(tài)平衡位置。該現(xiàn)象定義為壓縮機偏置，壓縮機活塞動態(tài)平衡位置偏離其靜態(tài)平衡位置的量稱為偏置量。

壓縮機偏置會導(dǎo)致活塞的有效行程減小，從而影響制冷機的性能。美國Sunpower公司的VANDERWALT N R等［6］研究模擬了無摩擦的線性壓縮機型制冷機，提出了當(dāng)壓縮機活塞受到?jīng)_力的作用，活塞的平衡位置會發(fā)生偏移。國外研究人員在研究線性壓縮機時考慮了流經(jīng)密封間隙的質(zhì)量流，提出了壓縮機中的氣體彈簧損失［7-9］。為了確定引起壓縮機偏置的影響因素，通過搭建斯特林型壓縮機偏置影響因素的探索實驗臺，進行可能的影響因素的實驗對比，通過改變充氣壓力、更換不同負(fù)載等實驗，監(jiān)測壓縮機活塞的動態(tài)運行情況，研究并確定壓縮機偏置的影響因素。

1　實驗概述

1.1測試實驗臺

圖1為斯特林制冷機的壓縮機偏置實驗臺流程圖。系統(tǒng)包含兩大部分，分別為制冷機充放氣系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖中虛線部分為氣體管道線，實線為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備的導(dǎo)線。充放氣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機整套設(shè)備內(nèi)部處于真空環(huán)境及不同充氣壓力的環(huán)境。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集壓縮機活塞的運動情況，該運動狀態(tài)由示波器顯示。其中，對于壓縮機接有負(fù)載的實驗，加裝了壓力波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便觀測壓縮機中壓縮腔的壓力變化情況。整套實驗設(shè)備包括自由活塞斯特林型壓縮機、氣庫、脈管冷指、真空泵、排氣扇、NF電源、功率計、差動式位移傳感器、示波器、壓力傳感放大器、鉑電阻和電阻加熱片。

實驗的測量必定存在誤差，盡管在測量過程采取了相應(yīng)的措施盡可能減小測量誤差，但仍舊不可避免。其中實驗中主要的誤差有：1）壓縮機中壓縮腔與背壓腔的動態(tài)壓力測量采用的是壓力傳感器并經(jīng)放大器放大后測得的，其最大相對誤差為1%；2）壓縮機中活塞的位移采用差動變壓器式位移傳感器（LVDT）獲得，其最大相對誤差為1%。

1.2實驗儀器

實驗研究的測試項目、所用儀器及實驗表示量等參數(shù)見表1。測試變量中的位移行程及限位值的示數(shù)由示波器顯示，示波器顯示的是轉(zhuǎn)換后的電信號，實驗所用的壓縮機活塞行程為9 mm（±4.5 mm）。

表1　實驗測試參數(shù)

2　實驗與數(shù)據(jù)分析

2.1實驗方案

圖1為斯特林型壓縮機偏置實驗臺。為了確認(rèn)壓縮機偏置的影響因素，實驗共分為四組，便于對比。第一組為壓縮機接零氣庫；第二組為壓縮機負(fù)載接一個容積為12.7 ml氣庫；第三組為負(fù)載接一個容積為27 ml氣庫；第四組為負(fù)載接一個脈管冷指。其中各組實驗均進行壓縮機內(nèi)部為真空以及充氣壓力為1 MPa、2 MPa及3 MPa的實驗。在各組實驗的壓縮機上接入LVDT位移傳感器，以便采集活塞的運動情況。對于后三組實驗，在壓縮機與負(fù)載的連管上加裝壓力傳感器，采集壓縮腔中的壓力波變化情況。

圖1　斯特林型壓縮機偏置實驗臺

2.2實驗結(jié)果分析

2.2.1壓縮機內(nèi)部真空時的偏置情況

圖2為壓縮機內(nèi)部真空狀態(tài)時，四組實驗的活塞偏置量數(shù)據(jù)圖。其中，各數(shù)據(jù)考慮了活塞在不同運行頻率及不同行程下的偏置情況，其中運行頻率范圍為46 Hz ～54 Hz，活塞行程范圍為2.47 mm～5.92 mm。

圖2　壓縮機真空狀態(tài)下活塞的偏置量

表2為壓縮機運行頻率為48 Hz壓縮機內(nèi)部真空時的一組對照數(shù)據(jù)。由表2可知，當(dāng)不同負(fù)載下實驗活塞的行程到達(dá)6.91 mm（總行程的77%）附近時，各組實驗壓縮機的偏置量仍可忽略。

通過上述實驗可知，當(dāng)壓縮機處于真空狀態(tài)下，活塞的偏置量均在±0.0987 mm范圍，考慮到實驗設(shè)備中的一些干擾波動及實驗中不可避免的誤差，該偏置量可忽略。因此，對于壓縮機內(nèi)部為真空狀態(tài)時，認(rèn)為壓縮機不發(fā)生偏置現(xiàn)象，同時可以認(rèn)為壓縮機中電機結(jié)構(gòu)及機械結(jié)構(gòu)不造成偏置。

表2　四組實驗的偏置量

2.2.2壓縮機充氣狀態(tài)下的偏置情況

圖3分別是同一臺壓縮機不接負(fù)載、接容積為12.7 ml及接27 ml氣庫時，各自行程與活塞偏置量的曲線圖，其中壓縮機的充氣壓力分別為1 MPa、2 MPa和3 MPa。

在三組實驗中，負(fù)載一定時，隨著壓縮機活塞的行程增大，活塞的偏置量增大，且偏置量為正值。這說明壓縮機正弦運動時，活塞往壓縮方向偏離其靜態(tài)平衡位置。同時，在圖3中，負(fù)載一定時，當(dāng)活塞的運行行程相等時，充氣壓力越大，活塞偏置量越大，即活塞偏離靜態(tài)平衡位置越嚴(yán)重。

研究認(rèn)為，由于質(zhì)量流的不對稱泄漏最終導(dǎo)致活塞出現(xiàn)偏置的現(xiàn)象［7］。對于斯特林型壓縮機而言，由于其采用了間隙密封技術(shù)，活塞與汽缸壁存在幾微米的間隙，當(dāng)活塞運動時，流體勢必會在活塞與汽缸壁之間的間隙來回竄流，質(zhì)量流的來回竄流并非一致，最終達(dá)到動態(tài)平衡時，等效于壓縮腔往背壓腔流動的質(zhì)量流大，即壓縮腔往背壓腔泄漏，導(dǎo)致壓縮腔與背壓腔的時均壓力不一致，活塞兩面所受氣體作用力不一致，形成一個動態(tài)偏置，產(chǎn)生一個時均板簧力彌補活塞兩側(cè)不對等的氣體力。相同充氣壓力下，行程越大，壓縮腔往背壓腔泄漏的凈質(zhì)量流越大；相同行程下，充氣壓力越高，壓縮腔往背壓腔泄漏的凈質(zhì)量流越大，從而引起偏置量越大。

圖3　行程與偏置量的關(guān)系

圖4為同一臺壓縮機在接零氣庫、12.7 ml氣庫及27 ml氣庫，充氣壓力為3 MPa時，活塞的行程與偏置量的關(guān)系圖。

圖4　不同負(fù)載時行程與偏置量的關(guān)系

從圖中可知，壓縮機接零負(fù)載時，活塞行程相對較小時，活塞的偏置量已經(jīng)很大了。隨著接入負(fù)載氣庫的容積增大，相同行程時，活塞的偏置量卻較小。這是因為壓縮機接入氣庫負(fù)載后，其壓縮腔死容積增大，當(dāng)壓縮機運行相同行程時，經(jīng)由間隙泄漏到背壓腔中的質(zhì)量流減小，進而活塞的偏置量減小。

2.2.3制冷過程的偏置情況

圖5是斯特林型壓縮機接脈管負(fù)載不同制冷溫度與活塞偏置量的關(guān)系曲線圖，其中壓縮機運行頻率為44 Hz，制冷機充氣壓力為3 MPa。

從圖中可知，活塞行程為5 mm與5.5 mm時，活塞的偏置量都隨著制冷溫度的降低而減小。這是因為制冷機冷指降溫后，壓縮腔的平均壓力隨著制冷溫度的下降而減小，使活塞從壓縮腔向背壓腔的凈泄漏減少，進而活塞的偏置量減小。

圖5　制冷溫度與偏置量的關(guān)系

3　活塞偏置特性分析

研究表明壓縮機中間隙的存在會導(dǎo)致工質(zhì)質(zhì)量流的泄漏［7-8］。當(dāng)壓縮機泄漏達(dá)到穩(wěn)定時，活塞兩側(cè)建立了一定的壓力差，根據(jù)線性壓縮機活塞中心位置的偏移主要決定于活塞兩側(cè)的氣壓及連接活塞的彈簧剛度。經(jīng)由活塞間隙泄漏的質(zhì)量流量表達(dá)式如下：

式中：

m——質(zhì)量；

t——時間；

D——活塞直徑；

ρm——氣體平均密度；

μ——黏度；

r——間隙的有效半徑；

L——間隙長度；

Δp——間隙兩側(cè)壓力差。

為了獲得活塞的偏置量，關(guān)鍵是推導(dǎo)出間隙兩側(cè)壓力差的表達(dá)式。由公式（1）可知，需要求解質(zhì)量流泄漏量的另一種表達(dá)式［10］。根據(jù)氣壓作用在活塞端面所產(chǎn)生的作用力轉(zhuǎn)換為板彈簧的形變量，假定板彈簧的剛度為K，活塞端面面積為A，結(jié)合公式（1），得出活塞偏移中心位置的偏置量x0表達(dá)式：

4　結(jié)論

1）當(dāng)壓縮機內(nèi)部處于真空狀態(tài)運行時，不論壓縮機接負(fù)載與否都不存在偏置的現(xiàn)象。

2）當(dāng)壓縮機充入氣體正弦運行，活塞會偏離其靜態(tài)平衡位置運動，且往壓縮方向偏移。

3）充氣壓力一定時，隨著行程的增大，活塞的偏置量增大。

4）在相同的行程下，充氣壓力越大，活塞偏離其靜態(tài)平衡位置越嚴(yán)重，偏置量越大。

5）壓縮機充氣狀態(tài)下運行，負(fù)載的接入會影響壓縮機的偏置。若負(fù)載接入的是空容積的氣庫，隨著氣庫容積的增大，活塞的偏置量將會減?。蝗艚尤氲呢?fù)載為冷指，隨著制冷溫度的降低，活塞的偏置量也會減小。

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Analysis on Influencing Factors of Piston Drift Phenomena in Stirling Compressor

FU Ming*1，2，JIANG Zhen-hua2，MENG Xiang-qi1，QI Ying-xia1
（1-University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2-Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China）

In actual operation of the stirling cryocooler，the phenomenon of piston drift will appear in the compressor.Based on the four groups of comparative experiments under different conditions，the factors leading to piston drift were obtained.When the compressor operates in the condition of internal vacuum，the phenomenon of piston drift will not appear.However，once the compressor operates after working medium charged，the piston drift will happen.The piston drift is different when charged pressure changes.The refrigeration process also has effect on piston drift.

Stirling cryocooler；Piston drift；Influencing factor

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.106

*符鳴（1990-），男，碩士研究生。研究方向：低溫制冷。聯(lián)系方式：上海市軍工路516號上海理工大學(xué)，郵編：200093。

聯(lián)系電話：18817849128。E-mail：fuminghello@163.com。