劉莉，張華，丁磊，向振之，湯逸豪，蔣珍華，劉少帥

（1-上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2-中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

0 引言

航天科技的蓬勃發(fā)展為人類探索宇宙提供了極大的助力，而探測(cè)器及其附屬的光學(xué)設(shè)備和電子設(shè)備往往需要工作在深低溫的環(huán)境中[1-3]。常見(jiàn)的硅基和鍺基紅外探測(cè)器需要工作在(1～10) K的溫區(qū)，而用于X射線觀測(cè)的半導(dǎo)體輻射熱計(jì)則需要更低的mK級(jí)溫區(qū)[4-6]。在(0～10) K的低溫范圍內(nèi)，采用大壓比線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的J-T節(jié)流制冷機(jī)具有質(zhì)量輕、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[7-11]。

有閥線性壓縮機(jī)是J-T節(jié)流制冷的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用對(duì)置直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)緊湊。由于直線電機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)力與活塞的運(yùn)動(dòng)方向保持在同一直線上，且運(yùn)動(dòng)部件由徑向剛度較大的板彈簧支撐，因此活塞和氣缸之間可以形成間隙密封，降低了氣缸與活塞之間的磨損和噪音，無(wú)需使用油潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器長(zhǎng)壽命和高可靠性。再者直線電機(jī)動(dòng)子直接驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞的行程與輸入電壓成正比，使壓縮機(jī)可以在變工況下高效地運(yùn)行[12-16]。線性壓縮機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，使其成為低溫制冷領(lǐng)域一個(gè)常用的壓縮機(jī)方式和極為重要的研究方向。相比交流線性壓縮機(jī)，為使工質(zhì)由交變運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直流流動(dòng)，有閥線性壓縮機(jī)在線性壓縮機(jī)原有基礎(chǔ)上增加單向簧片閥，使得壓縮機(jī)達(dá)到一個(gè)較高的壓比，以滿足J-T制冷機(jī)的工作循環(huán)的壓比需求。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)有閥線性壓縮機(jī)進(jìn)行了諸多研究。日本住友重工公司的大壓比線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的液氦溫區(qū)JT節(jié)流制冷機(jī)[17]，由兩級(jí)動(dòng)圈式線性有閥壓縮機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，排量約為6 mg/s時(shí)，壓比為16。在日本Astro-H項(xiàng)目中，采用的4K級(jí)J-T制冷機(jī)采用了進(jìn)排氣閥內(nèi)置的直線壓縮機(jī)，排量為8.66 mg/s時(shí)，獲得了16.5的壓比[18]。在Astro-H項(xiàng)目的1K級(jí)J-T制冷機(jī)中[19]，壓縮機(jī)排量為2.65 mg/s時(shí)，壓比為12.4。美國(guó)NGAS公司與Ball公司的線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的預(yù)冷型制冷機(jī)采用兩級(jí)壓縮，流量未報(bào)道，壓比達(dá)到約10∶1[20]。2014年，中科院理化所報(bào)道了一臺(tái)空間應(yīng)用的制冷機(jī)，獲得了約18.6的壓比，循環(huán)流量為9.3 mg/s。

在國(guó)外，大壓比線性壓縮機(jī)在空間項(xiàng)目中已得到成功應(yīng)用，但是相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)報(bào)道較少。而國(guó)內(nèi)對(duì)于JT用線性有閥壓縮機(jī)的研究尚處于入門(mén)階段，有閥線性壓縮機(jī)在驅(qū)動(dòng)JT制冷機(jī)負(fù)載時(shí)，負(fù)載的變化對(duì)線性壓縮機(jī)的輸出效率和損失特性均產(chǎn)生影響，整機(jī)運(yùn)行效率較低。為了提高壓縮機(jī)效率及整機(jī)效率，本文針對(duì)有閥線性壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率、活塞行程、充氣壓力等輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)壓比、流量和電機(jī)效率的影響。

1 有閥線性壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

1.1 有閥線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)采用由中科院上海物理技術(shù)研究所自主研發(fā)的Φ18動(dòng)圈式線性壓縮機(jī)，此壓縮機(jī)的最大行程為9 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。單向閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

有閥線性壓縮機(jī)是在無(wú)閥線性壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)了一組閥門(mén)，包括吸氣閥和排氣閥。線性壓縮機(jī)需配合氣閥共同作用，將閥前的交流輸出變成閥后的直流輸出，并且實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的壓比。

單向閥工作原理為：當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓縮腔內(nèi)體積增大，壓力減小，進(jìn)氣閥片在壓力差的作用下打開(kāi)，排氣閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程。當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓縮腔內(nèi)體積減小，壓力增大，排氣閥在壓力差的作用下打開(kāi)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的排氣過(guò)程。

圖1 動(dòng)圈式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 進(jìn)排氣單向閥閥結(jié)構(gòu)圖

1.2 有閥線性壓縮機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)J-T負(fù)載需求，單臺(tái)線性壓縮機(jī)需滿足3-4的壓比。根據(jù)負(fù)載端的需求，搭建了單級(jí)有閥線性壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其基本流程圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

氣體工質(zhì)循環(huán)過(guò)程如試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖所示，低壓氣體從進(jìn)氣閥進(jìn)入壓縮機(jī)，在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮，當(dāng)壓縮腔內(nèi)氣體達(dá)到一定壓強(qiáng)時(shí)，排氣閥片被打開(kāi)，高壓氣體由排氣閥排出。通過(guò)計(jì)量閥調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的流量和壓比。通過(guò)流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中的質(zhì)量流量。進(jìn)氣端和排氣端裝有壓力傳感器，分別用來(lái)測(cè)量進(jìn)口壓力和出口壓力。傳感器前緩沖罐可以穩(wěn)定壓力波動(dòng)，削弱管道中的壓力脈動(dòng)。壓縮機(jī)兩端裝有位移傳感器，通過(guò)示波器讀取壓縮機(jī)的活塞行程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究開(kāi)機(jī)參數(shù)對(duì)流量、壓比及電機(jī)效率的影響，對(duì)運(yùn)行頻率、充氣壓力、活塞行程等開(kāi)機(jī)參數(shù)進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)。

2.1 壓縮機(jī)頻率影響的分析對(duì)比

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定壓縮機(jī)的充氣壓力為0.172 MPa，改變運(yùn)行頻率時(shí)始終保證活塞滿行程9 mm運(yùn)行，通過(guò)增加直流電流分量使得壓縮腔內(nèi)無(wú)空體積，在不同的壓縮機(jī)頻率下，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥控制進(jìn)出口的壓比和流量，以此探究不同的壓縮機(jī)頻率對(duì)于系統(tǒng)流量、壓比和電機(jī)效率之間的影響。

圖4為不同頻率下壓比和質(zhì)量流量的關(guān)系圖。在不同頻率下均可發(fā)現(xiàn)流量隨壓比增加而減小。通過(guò)計(jì)量閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的壓比，當(dāng)計(jì)量閥開(kāi)度減小時(shí)，流體受到的阻力增大，流量減小，流體產(chǎn)生的壓降增加，因此壓比增大。當(dāng)壓比一定時(shí)，隨著運(yùn)行頻率的增加，流量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。質(zhì)量流量的計(jì)算公式：qm=ρVthf=ρπR2…S…f 可知，當(dāng)壓比一樣，原始充氣壓力一定時(shí)，流體密度ρ始終不變，當(dāng)活塞行程S為定值時(shí)，質(zhì)量流量與運(yùn)行頻率f成正比，即頻率增加，質(zhì)量流量增加。

圖5為不同頻率下壓比和電機(jī)效率之間的關(guān)系圖，由圖可知，在不同頻率下，隨著壓比的增加，電機(jī)效率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)壓比增大時(shí)，活塞面所受的氣力增大，因此保持活塞受力平衡所需要的電機(jī)力也相應(yīng)增加。由銅損公式：PCu=(Fe/Bl)2R可知，當(dāng)電機(jī)力Fe增加，銅損增大。由電機(jī)效率的計(jì)算公式：η=(Pe-PCu)/Pe可知，隨著壓比的增大，銅損增加，電機(jī)效率隨之降低。在壓比為定值時(shí)，當(dāng)頻率為30 Hz的時(shí)候電機(jī)效率較低，隨著頻率的增加，電機(jī)效率呈現(xiàn)提高趨勢(shì)，在40 Hz時(shí)達(dá)到最高，當(dāng)電機(jī)效率大于40 Hz時(shí)，隨著運(yùn)行頻率的增大，電機(jī)效率降低。因?yàn)榘寤膳c活塞組成的諧振子具有一定的諧振頻率，當(dāng)開(kāi)機(jī)頻率越接近諧振頻率時(shí)，電機(jī)效率越高。由此可知，本次實(shí)驗(yàn)采用的有閥壓縮機(jī)在直流負(fù)載下的諧振頻率在40 Hz左右。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在一定的運(yùn)行工況下，壓比一定時(shí)，提高壓縮機(jī)的輸入頻率，質(zhì)量流量增加。壓縮機(jī)的電機(jī)效率與電機(jī)是否發(fā)生諧振相關(guān)，當(dāng)開(kāi)機(jī)頻率越接近諧振頻率時(shí)，壓縮機(jī)的電機(jī)效率越高。因此，為了滿足負(fù)載端壓比、流量需求的同時(shí)可以獲得相對(duì)更高的電機(jī)效率，在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)該將諧振頻率向高頻設(shè)計(jì)。同時(shí)開(kāi)機(jī)頻率應(yīng)該避開(kāi)板彈簧的自振頻率。

圖4 不同運(yùn)行頻率下壓比與質(zhì)量流量圖

圖5 不同運(yùn)行頻率下壓比與電機(jī)效率圖

2.2 壓縮機(jī)活塞行程影響的分析對(duì)比

由2.1節(jié)可知，當(dāng)設(shè)定壓縮機(jī)的充氣壓力為0.172 MPa時(shí)，一定壓比的情況下，40 Hz的時(shí)候電機(jī)效率最高，56 Hz的時(shí)候測(cè)得流量最大。因此下述實(shí)驗(yàn)分別選取在40 Hz和56 Hz的壓縮機(jī)的頻率下，改變壓縮機(jī)的活塞行程，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥控制進(jìn)出口的壓比和流量，以此探究不同的活塞行程對(duì)于系統(tǒng)流量、壓比和電機(jī)效率之間的影響。

圖6為不同活塞行程下壓比和質(zhì)量流量的關(guān)系圖。當(dāng)頻率為56 Hz在不同活塞行程下均可發(fā)現(xiàn)流量隨壓比增加而減小，原因同2.1節(jié)，此處不再贅述。當(dāng)壓比一定時(shí)，隨著活塞行程的增加，流量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，根據(jù)2.1節(jié)質(zhì)量流量公式可知，當(dāng)活塞行程活塞行程S增加時(shí)，質(zhì)量流量mg增加。

圖7為不同活塞行程下壓比與電機(jī)效率的關(guān)系，由圖可知，在壓縮機(jī)輸入頻率為40 Hz時(shí)在不同行程下，隨著壓比的增加，電機(jī)效率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，原因同2.1節(jié)，此處不再贅述。在頻率為40 Hz時(shí)，當(dāng)行程為5.6 mm的時(shí)候電機(jī)效率較低，隨著行程的增加，電機(jī)效率呈現(xiàn)提高趨勢(shì)，在行程為7.4 mm，電機(jī)效率最大值為0.89。當(dāng)活塞行程大于7.4 mm時(shí)，隨著行程的增大，電機(jī)效率又不斷減小。原因是隨著活塞行程的改變，活塞所受負(fù)載隨之改變，壓縮機(jī)的諧振頻率隨之改變，當(dāng)諧振頻率與開(kāi)機(jī)頻率越接近時(shí)，電機(jī)效率越高。

圖6 不同活塞行程下壓比與質(zhì)量流量圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在一定的運(yùn)行工況下，壓比一定時(shí)，提高壓縮機(jī)的活塞行程，質(zhì)量流量增加?；钊男谐虝?huì)對(duì)壓縮機(jī)的固有頻率造成影響，為了在滿足負(fù)載端壓比和流量需求的情況下獲得較高的電機(jī)效率，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)機(jī)頻率，使其更加接近壓縮機(jī)大行程下的諧振頻率。但是增大壓縮機(jī)的活塞行程同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些不良影響。當(dāng)行程增大時(shí)，板彈簧上受的應(yīng)力相對(duì)增大，使板彈簧的壽命縮短。同時(shí)，行程的增大也會(huì)導(dǎo)致偏置的增加?；钊脝?wèn)題造成壓縮行程變短，壓縮腔減小。因此，為了滿足較大行程需求，需要對(duì)板簧進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 壓縮機(jī)充氣壓力影響的分析對(duì)比

在不同的壓縮充氣壓力下，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥控制進(jìn)出口的壓比和流量，以此探究不同的充氣壓力對(duì)于系統(tǒng)流量、壓比和電機(jī)效率之間的影響。

圖8為不同充氣壓力下壓比與質(zhì)量流量關(guān)系圖。當(dāng)頻率為56 Hz時(shí)，在不同充氣壓力下均可發(fā)現(xiàn)流量隨壓比增加而減小，原因同2.1節(jié)，此處不再贅述。當(dāng)壓比一定時(shí)，隨著充氣壓力的增加，流量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，根據(jù)2.1節(jié)質(zhì)量流量公式，當(dāng)充氣壓力越大時(shí)，氣體密度增加，質(zhì)量流量增加。

圖9為不同充氣壓力下壓比和電機(jī)效率關(guān)系圖。當(dāng)頻率為40 Hz時(shí)，在不同充氣壓力下，隨著壓比的增加，電機(jī)效率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，原因同2.1節(jié)，此處不再贅述。當(dāng)充氣壓力為0.051 MPa時(shí)電機(jī)效率最低，隨著行程的增加，電機(jī)效率呈現(xiàn)提高趨勢(shì)，充氣壓力為0.102 MPa時(shí)，電機(jī)效率最大為0.89。當(dāng)充氣壓力大于0.102 MPa時(shí)，隨著壓力的增加，充氣壓力減小。原因是隨著充氣壓力的改變，活塞所受負(fù)載隨之改變，壓縮機(jī)的諧振頻率隨之改變，當(dāng)諧振頻率與開(kāi)機(jī)頻率越接近時(shí)，電機(jī)效率越高。

圖8 不同充氣壓力下壓比與質(zhì)量流量圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在一定的運(yùn)行工況下，提高壓縮機(jī)的充氣對(duì)于在一定壓比下取得較大流量是有利的。但是在提高充氣壓力的同時(shí)，低壓側(cè)壓力也在不斷上升，不能滿足負(fù)載端對(duì)于低壓的需求。因此需要在保證低壓的情況下，盡量提高壓縮機(jī)的充氣壓力。充氣壓力會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的固有頻率造成影響，為了在滿足負(fù)載端壓比和流量需求的情況下獲得較高的電機(jī)效率，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)機(jī)頻率，使其更加接近設(shè)定充氣壓下的諧振頻率。

圖9 不同充氣壓力下壓比與電機(jī)效率圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)壓縮機(jī)參數(shù)對(duì)有閥線性壓縮機(jī)輸出特性的影響進(jìn)行研究，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

1）有閥線性壓縮機(jī)在滿足低壓需求的情況下在0.202 MPa、56 Hz時(shí)取得滿足負(fù)載端需求的最優(yōu)工況，流量為6.1 mg/s時(shí)壓比達(dá)到4.24，此時(shí)壓縮機(jī)效率約為12.3%；

2）增加壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，可以在壓比一定時(shí)提高流量，40 Hz時(shí)有閥線性壓縮機(jī)效率最高；

3）增加壓縮機(jī)活塞行程，可以在壓比一定時(shí)提高流量；在定頻率和定充氣壓的情況下，行程為7.4 mm時(shí)電機(jī)效率最高；

4）增加壓縮機(jī)充氣壓力，可以在壓比一定時(shí)提高流量；在定頻率、定行程的情況下，充氣壓為0.102 MPa時(shí)電機(jī)效率最高。