丁 磊 張 華 沙鑫權(quán) 蔣珍華 劉少帥 吳亦農(nóng)

(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)

1 引 言

宇宙處于深低溫區(qū)環(huán)境,為有效探測(cè)天體輻射的微弱信號(hào),需要超導(dǎo)量子干涉器件、超導(dǎo)太赫茲探測(cè)器件、毫米亞毫米波探測(cè)器件等超高靈敏度的探測(cè)器件。為降低其背景熱噪聲、抑制環(huán)境干擾,液氦溫區(qū)深低溫制冷技術(shù)成為空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深空宇宙星際探測(cè)、基礎(chǔ)物理精密測(cè)量、量子科學(xué)的核心技術(shù)之一。

液氦溫區(qū)的主流制冷方式是采用焦耳-湯姆遜效應(yīng)(Joule Thomson,JT)進(jìn)行節(jié)流制冷,滿足2—10 K的制冷需求。兩級(jí)有閥線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的4 K 級(jí)JT節(jié)流制冷機(jī)已在多項(xiàng)空間項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。20世紀(jì)80 年代,盧瑟福實(shí)驗(yàn)室(Rutherford Appleton Laboratory,RAL)與歐洲宇航局(European Space Agency,ESA)合作進(jìn)行4 K 溫區(qū)JT 節(jié)流制冷機(jī)研究,于1995 年獲得11 mW@4.35 K 的最佳性能,兩級(jí)對(duì)置式單活塞線性壓縮機(jī)為其提供1.0 MPa/0.1 MPa 的高低壓,質(zhì)量流量為3 mg/s[1]。日本住友重工在日本宇航局的支持下,先后完成了4 K 級(jí)JT 節(jié)流制冷機(jī)樣機(jī)(1997 年)[2]、工程樣機(jī)(2001 年)[3]、飛行原理樣機(jī)(2004 年)[4]的研制。為了滿足制冷機(jī)的制冷需求,采用了兩級(jí)串聯(lián)壓縮為其提供約16 的壓比[4]。由日本宇航局和美國(guó)宇航局主導(dǎo)的Astro-H 衛(wèi)星項(xiàng)目,分別于2008 年[5]、2011 年[6]、2012 年[7]研制出了3 款工程樣機(jī),均采用兩級(jí)壓縮實(shí)現(xiàn)了4 K 溫區(qū)50 mW的制冷量。2014 年,中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所曾報(bào)道出一款由三級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)預(yù)冷的兩級(jí)壓縮JT 節(jié)流制冷機(jī)的研究情況。該制冷機(jī)能無負(fù)荷實(shí)現(xiàn)最低溫度4.41 K。在充壓為0.4 MPa,運(yùn)行頻率均為50 Hz,預(yù)冷溫度低于40 K 時(shí),獲得11.6 mW@4.54 K的制冷性能[8]。

兩級(jí)有閥線性壓縮機(jī)是JT 制冷機(jī)的核心部件,為循環(huán)提供了所需的大壓比和質(zhì)量流量。其使用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、板彈簧支撐、間隙密封等技術(shù),因此能夠具備震動(dòng)小、無油、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)。運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)選能極大發(fā)揮有閥線性壓縮機(jī)的輸出性能,為此,針對(duì)兩級(jí)有閥線性壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率、活塞行程、充氣壓力進(jìn)行各參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究,獲得其最佳的輸出性能。

2 有閥線性壓縮機(jī)的工作特性

2.1 活塞運(yùn)動(dòng)特性

有閥線性壓縮機(jī)采用雙活塞對(duì)置式結(jié)構(gòu),其幾何模型(單側(cè))如圖1 所示?；钊某跏计胶馕恢脼閤0,在線性電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,活塞始終在上止點(diǎn)(TDC)與下止點(diǎn)(BDC)之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 有閥線性壓縮機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖[9]Fig.1 Structure diagram of valved linear compressor

活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中,壓縮腔內(nèi)的體積V1一直處于變化的狀態(tài),其可以表示為:

式中:x(t)為活塞任意時(shí)刻位置;xTDC為上止點(diǎn)位置;xBDC為下止點(diǎn)位置;Ap為活塞截面積;xdead為死體積位置。

吸排氣體積Vsuc、Vdis可分別用活塞的位置表示:

式中:sTDC為活塞上止點(diǎn)行程;sBDC為活塞下止點(diǎn)行程。

活塞的截面積Ap是定值,則壓比可以表示為:

式中:Pdis為排氣壓力;Psuc為吸氣壓力;k為絕熱指數(shù)。

直流線性壓縮機(jī)的理論質(zhì)量流量可以表示為:

式中:ρ為密度;f為頻率。

2.2 有閥線性壓縮機(jī)效率

直線電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)存在銅損和鐵損,鐵損相對(duì)較小可忽略,則電機(jī)效率可表示為:

式中:Pin為輸入功率;Iac為電流;R為電阻;Uac為電壓。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

液氦溫區(qū)JT 節(jié)流制冷機(jī)一般由3 大部分組成:預(yù)冷系統(tǒng)(提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)化溫度)、大壓比直流壓縮機(jī)系統(tǒng)(提供相應(yīng)的流量及壓比)、JT 節(jié)流冷指(獲得液氦溫度)[10]。在整機(jī)運(yùn)行過程中,氦工質(zhì)達(dá)到其轉(zhuǎn)化溫度以下的周期、變參數(shù)運(yùn)行后冷頭溫度的穩(wěn)定周期均過長(zhǎng),且容易發(fā)生污染堵塞問題,因此采用負(fù)載替代的方法,用可調(diào)節(jié)開度的計(jì)量閥代替原有的節(jié)流小孔,建立常溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)兩級(jí)級(jí)聯(lián)有閥線性壓縮機(jī)輸出特性的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了研究?jī)杉?jí)壓縮的輸出特性及級(jí)間的耦合關(guān)系,搭建了如下圖2 所示的兩級(jí)級(jí)聯(lián)有閥線性壓縮機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)。兩臺(tái)不同活塞直徑的線性壓縮機(jī)均由本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā),兩臺(tái)線性壓縮機(jī)的最大活塞行程均為9 mm。在線性壓縮機(jī)外設(shè)置了一組進(jìn)排氣閥,通過閥片的作用,完成氦工質(zhì)的單向循環(huán),提供一定的壓比與流量[11]。通過加裝實(shí)驗(yàn)室研制的位移傳感器獲得有閥線性壓縮機(jī)的活塞位移,同時(shí)在兩臺(tái)壓縮機(jī)的壓縮腔內(nèi)安裝了動(dòng)態(tài)壓力傳感器(Pd)來監(jiān)測(cè)腔內(nèi)壓力的振蕩。這兩款傳感器均需要在實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定[12]。整個(gè)閉式循環(huán)中共設(shè)置了3 處?kù)o態(tài)壓力(Ps)監(jiān)測(cè)點(diǎn):高壓級(jí)出口管路、低壓級(jí)進(jìn)口管路以及級(jí)間管路,系統(tǒng)的質(zhì)量流量通過Bronkhorst 質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 兩級(jí)有閥線性壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of two-stage valved linear compressor

4 有閥線性壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)

研究運(yùn)行參數(shù)(運(yùn)行頻率、活塞行程、充氣壓力)對(duì)兩級(jí)級(jí)聯(lián)有閥線性壓縮機(jī)輸出特性的影響,是在如下表1 所示的特殊工況下進(jìn)行的。為能滿足壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,活塞的最大行程控制在8 mm(約占總行程的88%),且壓縮機(jī)的共振頻率已包含在研究范圍內(nèi)。系統(tǒng)的負(fù)載保持恒定值,計(jì)量針閥的開度為3。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

4.1 運(yùn)行頻率的影響

運(yùn)行頻率與活塞行程均是影響壓縮機(jī)掃氣量的重要運(yùn)行參數(shù)。從式(4)—(5)也體現(xiàn),運(yùn)行頻率及活塞行程會(huì)影響壓縮機(jī)的壓比與流量。如圖3—4 是不同運(yùn)行頻率下壓縮機(jī)的輸出特性變化情況。隨著低壓級(jí)頻率的增大,吸氣量增大,低壓壓力降低;高壓級(jí)頻率的增大,排氣量增大,高壓壓力升高,因此隨著兩級(jí)頻率的逐漸增大,總壓比增大。當(dāng)運(yùn)行頻率較小時(shí),壓縮機(jī)輸出的質(zhì)量流量很小,與式(5)所表述的趨勢(shì)一致。

圖3 壓比隨運(yùn)行頻率的變化Fig.3 Variation of pressure ratio with operating frequency

圖4 質(zhì)量流量隨運(yùn)行頻率的變化Fig.4 Variation of mass flow with operating frequency

壓縮機(jī)的電機(jī)效率反映電機(jī)的損耗,電機(jī)受到負(fù)載的影響越小,損耗越小,效率越高。從圖5 中可以看出,隨著高低壓級(jí)運(yùn)行頻率的變化,高低壓級(jí)的共振頻率分別穩(wěn)定在40 Hz/35 Hz。在前序的研究中[13],單臺(tái)有閥線性壓縮機(jī)的共振頻率在40 Hz,當(dāng)兩臺(tái)壓縮機(jī)級(jí)聯(lián)之后,共振頻率發(fā)生了偏移。這是因?yàn)橄嗤某跏脊r下,單級(jí)壓縮與級(jí)聯(lián)壓縮運(yùn)行時(shí)所受的氣體負(fù)載是不一致的。對(duì)于低壓級(jí)壓縮機(jī),所受的氣體負(fù)載變小,因此共振頻率降低。效率表征壓縮機(jī)輸入功耗的轉(zhuǎn)換程度。在圖6 中,隨著兩級(jí)頻率的增加,使得壓縮機(jī)的熱力學(xué)能減小,同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)壓縮機(jī)的掃氣量增加,耗功增大,故頻率越高,總的效率越低。

圖5 各級(jí)電機(jī)效率隨運(yùn)行頻率的變化Fig.5 Variation of motor efficiency with operating frequency

圖6 級(jí)聯(lián)壓縮總效率隨各級(jí)運(yùn)行頻率的變化Fig.6 Variation of total exergy efficiency with operating frequency of each stage

4.2 活塞行程的影響

活塞行程及壓縮腔內(nèi)余隙容積的大小直接影響壓縮機(jī)的吸排氣量。為了研究活塞行程的單因素影響,在各級(jí)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中,通過增加直流電壓分量,控制活塞的行程余隙,保證任一工況下余隙容積一致。在一定的工況條件下,活塞行程增大,壓比增大,可直接通過式(4)表征行程與壓比的關(guān)系。從圖7 中可以看出,低壓級(jí)(高壓級(jí))壓縮機(jī)活塞行程增大時(shí),其壓比增大,高壓級(jí)(低壓級(jí))所實(shí)現(xiàn)的壓比減小。圖8 所示為穩(wěn)定工況下級(jí)聯(lián)壓縮機(jī)輸出的質(zhì)量流量變化,當(dāng)壓縮機(jī)活塞行程增大,該級(jí)吸氣體積增大,所能提供的質(zhì)量流量增大。同時(shí),質(zhì)量流量增長(zhǎng)的幅度與高壓級(jí)行程的變化關(guān)聯(lián)程度更大,當(dāng)高壓級(jí)行程為8 mm 時(shí),質(zhì)量流量是行程為2 mm 時(shí)的2 倍;低壓級(jí)行程的增長(zhǎng),質(zhì)量流量的增長(zhǎng)程度較小。

圖7 壓比隨活塞行程的變化Fig.7 Variation of pressure ratio with piston stroke

圖8 質(zhì)量流量隨活塞行程的變化Fig.8 Variation of mass flow with piston stroke

從如圖9 可以發(fā)現(xiàn),各級(jí)的電機(jī)效率變化僅與該級(jí)行程的變化有關(guān),變化趨勢(shì)先增后減,在6 mm 行程時(shí)出現(xiàn)峰值,達(dá)到最高的電機(jī)效率(發(fā)生共振)。這是因?yàn)殡S著活塞行程的變化,活塞所受到的負(fù)載也在不斷地變化,導(dǎo)致直流線性壓縮機(jī)的諧振頻率不斷變化。如圖10 所示,在一定行程范圍內(nèi),各級(jí)壓縮機(jī)的效率均大于15%。當(dāng)各級(jí)行程發(fā)生變化時(shí),壓縮機(jī)的效率隨行程的增大先增大后減小。在圖中所示(下方為三維圖的投影圖)是一個(gè)特殊的狀態(tài)點(diǎn),此時(shí)總的壓縮機(jī)效率達(dá)到最大值22.3%,偏離(4 mm,4 mm)越遠(yuǎn),總的壓縮機(jī)效率越低。

圖9 各級(jí)電機(jī)效率隨行程的變化Fig.9 Variation of motor efficiency with piston stroke

圖10 壓縮機(jī)總效率隨高低壓級(jí)行程的變化Fig.10 Variation of the total exergy efficiency with piston stroke of each stage

4.3 充氣壓力的影響

無油線性壓縮機(jī)工質(zhì)的充注量對(duì)壓縮機(jī)的輸出特性及效率會(huì)產(chǎn)生影響。如圖11 所示,隨著充氣壓力的增大,各級(jí)壓比以及總壓比基本保持恒定值(低壓級(jí)壓比2,高壓級(jí)壓比3.5),這是因?yàn)樵趦杉?jí)有閥線性壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中,活塞行程以及運(yùn)行頻率均沒有發(fā)生變化,換言之,壓縮機(jī)的體積變化率沒有發(fā)生變化,維持了此工況下的壓縮能力。當(dāng)系統(tǒng)中氦工質(zhì)的充氣壓力增大時(shí),平均密度提高,通過式(5)可直觀地發(fā)現(xiàn),質(zhì)量流量與密度是正比例關(guān)系,與圖11的變化趨勢(shì)一致。充氣壓力對(duì)高低壓級(jí)電機(jī)效率的影響是不同的。如圖12 所示,隨著充氣壓力的增大,低壓級(jí)壓縮機(jī)的固有頻率逐漸靠近諧振頻率,電機(jī)效率持續(xù)增大;而高壓級(jí)壓縮機(jī)則隨著充氣壓力的增加逐漸偏離原諧振點(diǎn),電機(jī)效率逐漸減小。

圖11 不同充壓下,流量和壓比的變化Fig.11 Variation of mass flow and pressure ratio under different charging pressures

圖12 不同充壓下各級(jí)電機(jī)效率的變化Fig.12 Variation of motor efficiency under different charging pressures

圖13 不同充壓下效率的變化Fig.13 Variation of total exergy efficiency under different charging pressures

5 結(jié) 論

(1)級(jí)聯(lián)壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率及活塞行程影響壓縮機(jī)的掃氣量。掃氣量越大,級(jí)聯(lián)壓縮機(jī)輸出的流量、壓比越大;同時(shí)各級(jí)掃氣量會(huì)存在一定的耦合關(guān)系,不同的耦合狀態(tài)對(duì)壓縮機(jī)效率產(chǎn)生影響。

(2)低壓壓力與JT 制冷機(jī)的制冷溫度成正比例關(guān)系,為了獲得更低的低溫溫度,需要降低低壓壓力,在其他工況條件一定下,降低充氣壓力可實(shí)現(xiàn)所需的低壓壓力。

(3)壓縮機(jī)負(fù)載隨工況的變化而變化,因此為了獲得較高的電機(jī)效率,應(yīng)使壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率靠近固有頻率即諧振頻率,有助于實(shí)現(xiàn)更高的效率。