余文輝，張安闊，韓一楠，謝 晶

（上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306）

0 引言

線性壓縮機在低溫制冷領(lǐng)域尤其在斯特林/脈管制冷機的空間應(yīng)用方面具有重要地位。自1955年早期太空計劃實施以來，長壽命低溫制冷機一直被人們所追求［1］，壓縮機作為低溫制冷機壓力波發(fā)生器，其工作壽命的提高是解決制冷機壽命短問題的關(guān)鍵。

早期低溫制冷機用壓縮機主要為旋轉(zhuǎn)式壓縮機，由曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動活塞運動，活塞與氣缸間存在較大摩擦力和徑向力，磨損大、振動強烈，長時間運轉(zhuǎn)，制冷機性能易惡化。20世紀(jì)80年代以前，線性壓縮機研究長期還處于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論探索階段，直至80年代初，英國牛津大學(xué)［2］采用板彈簧支撐、間隙密封等技術(shù)研制成長壽命線性斯特林制冷機，自此線性壓縮機在低溫制冷領(lǐng)域才得以正式應(yīng)用并展現(xiàn)出巨大潛力。1991年，當(dāng)牛津大學(xué)80 K線性斯特林制冷機被用于冷卻NASA上層大氣研究衛(wèi)星（UARS）的改進(jìn)的平流層和中層測深儀（ISAMS）時，標(biāo)志著長壽命低溫制冷機在空間任務(wù)中的首次成功應(yīng)用［3］。

線性壓縮機發(fā)展初期大都采用單活塞壓縮結(jié)構(gòu)，振動大，后發(fā)展為雙活塞對置結(jié)構(gòu)，通過壓縮機動子動量平衡技術(shù)，使其振動降低，制冷機可靠性得到大幅提高［4］。此后，人們就如何提升壓縮機效率進(jìn)行了重點研究，并取得了豐碩成果，如：Sunpower公司的Redich結(jié)構(gòu)直線電機、富士電機集團(tuán)運用動磁系統(tǒng)技術(shù)研制的高效線性壓縮機等［5-6］。線性壓縮機研究的深入是人們追求低溫制冷機長壽命、高可靠性、高效率動力驅(qū)動設(shè)備的必然結(jié)果，有助于推動航天紅外探測技術(shù)的長足穩(wěn)定進(jìn)步，其進(jìn)展需時刻得到關(guān)注。本文在線性壓縮機國內(nèi)外主要研究單位發(fā)展的基礎(chǔ)上對壓縮機最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，并重點介紹了線性壓縮機關(guān)鍵技術(shù)的研究發(fā)展，最后展望了線性壓縮機的發(fā)展趨勢并指出了其現(xiàn)有研究的不足。

1 線性壓縮機研究進(jìn)展

1.1 國內(nèi)研究

在國內(nèi)，線性壓縮機被廣泛用以斯特林/脈管制冷機的驅(qū)動，其發(fā)展與制冷機息息相關(guān)。在20世紀(jì)60年代，國內(nèi)就開展了線性壓縮機研究，主要研究單位有中科院上海技術(shù)物理研究所（技物所）、中科院理化技術(shù)研究所（理化所）、中國電科十六所以及浙江大學(xué)等。

1966年，中科院上海技術(shù)物理研究所制造了我國首臺微型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機［7］。得益于牛津型線性壓縮機的發(fā)展，后完成系列線性斯特林制冷機研究［8］。脈管制冷機振動低、結(jié)構(gòu)簡單、電磁干擾小，是技物所的研究重點。為驅(qū)動不同溫區(qū)脈管制冷機，該所制成多種動圈式、動磁式壓縮機，經(jīng)深入研究［9］，壓縮機效率得以穩(wěn)步提高，技物所不同溫區(qū)脈管制冷機用線性壓縮機［10］見表1。2018年，針對空間線性推掃式電荷耦合器件攝像機，技物所發(fā)展了大功率動磁式壓縮機，重9.5 kg，最大輸入功率500 W，頻率為60 Hz時，電機效率達(dá)92%，此時制冷機可提供50 W/170 K制冷量［11］。該制冷機性能如圖 1（a）所示，當(dāng)壓縮機輸入不同電功時，制冷機冷頭冷卻至相同溫度所需時間不同，輸入功率越大，冷卻時間越短，這說明增大壓縮機輸入功率有助于制冷機快速制冷，從圖2（a）中可看到，隨著制冷溫度下降，為獲取同等制冷量，制冷機對壓縮機輸入功率要求逐漸提高，就某種程度而言，線性壓縮機的最大輸入功率能夠限制大冷量制冷機朝更低溫區(qū)發(fā)展，因此技物所大功率線性壓縮機的發(fā)展不可或缺。

表1 技物所不同溫區(qū)脈管制冷機用線性壓縮機［10］Tab.1 Linear compressors for pulse tube cryocoolers in different temperature zones of SITP［10］

圖1 脈管制冷機性能［11］Fig.1 Pulse tube refrigerator performance graph［11］

中科院理化技術(shù)研究所則主要研制脈管制冷機，為提高制冷機壽命，相繼研發(fā)成單活塞、雙活塞線性壓縮機［12］。隨著高頻脈管制冷機體積、質(zhì)量優(yōu)勢在空間應(yīng)用過程中的逐步顯現(xiàn)，為獲取高效高頻制冷機，他們嘗試過單活塞壓縮機，振動大、效率低下，為使制冷機實現(xiàn)低振動且便于頻率的調(diào)整，雙活塞線性壓縮機是其后續(xù)研究方向［13］。

由于空間及軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外探測器對線性壓縮機提出了小型化要求以滿足其有限空間布局和輕量化需要。壓縮機小型化一般可通過提高頻率和充氣壓力的方法實現(xiàn)，但是由于材料限制，充氣壓力的大幅提高是不被允許的，故而壓縮機小型化的主要途徑就是提高其頻率。2018年，理化所研制成更高頻率線性壓縮機，為118 Hz，通過減小壓縮機板彈簧的彈性系數(shù)以及增大活塞直徑之后，壓縮機質(zhì)量減至692 g且效率提升顯著，在同等功率輸入下，制冷機可獲得80 K/1.24 W的更大制冷量［14］。針對大冷量制冷機空間應(yīng)用趨勢的增加，理化所也發(fā)展了大功率線性壓縮機，效率達(dá)85%，輸入230 W電功，制冷機可提供15 W/80 K制冷量［15］。

中國電科十六所自1966年成立以來一直熱衷于小型制冷機的研發(fā)，前期大力發(fā)展小型旋轉(zhuǎn)集成式制冷機，后對不同溫區(qū)斯特林制冷機用線性壓縮機進(jìn)行了深入研究，成功制成單活塞、雙活塞線性壓縮機。2011年，該所使用單活塞氣體軸承線性壓縮機研發(fā)出了國內(nèi)首臺氣體軸承斯特林制冷機，整機質(zhì)量小于3.5 kg，制冷量為7.7 W/80 K，隨后便開展了對置式氣體軸承線性壓縮機研究。近年來，為冷卻高性能紅外探測器（60～80 K溫區(qū)工作），又開展了60 K和80 K斯特林制冷機研究，采用雙活塞線性壓縮機成功開發(fā)出 60 K 的 SFZC800、SFZC1600，80 K 的SFZC1600、SFZC2800，實現(xiàn)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 制冷量目標(biāo)。2017年，設(shè)計出一款輕量化高效線性壓縮機，質(zhì)量≤ 1.8 kg，壓縮機只考慮銅損時，效率達(dá) 82.6%［16］。2018年又設(shè)計了一款小型線性斯特林制冷機SFZ700，由單活塞線性壓縮機驅(qū)動，壓縮機電聲轉(zhuǎn)換效率75.4%，整機質(zhì)量目標(biāo)值在400 g以內(nèi)，優(yōu)化工作溫區(qū)為110 K，可拓展至80 K溫區(qū)，制冷量分別為 0.7 W/80 K，0.8 W/110 K［17］。

浙江大學(xué)也研制了許多動圈式、動磁式線性壓縮機，近年來則主要致力于提高制冷機中線性壓縮機的適用性。2016年，為使壓縮機與脈管制冷機冷指進(jìn)行最佳匹配，基于制冷機整體電路、機械和聲阻抗的向量分析，提出一種脈管制冷機整機聲-力-電（AcME）耦合匹配方法［18］。2018年，發(fā)現(xiàn)線性壓縮機輸出聲功率對制冷機性能會產(chǎn)生直接作用，確定其輸出聲功率既有助于提高壓縮機適用性，又可揭示其性能［19］。通過對線性壓縮機電、力、聲特性的分析，提出一種測算壓縮機活塞表面輸出聲功率的方法，解決了只在改變壓縮機單一參數(shù)情況下如何獲得其最大輸出聲功的問題［20］。此外，還提出一種基于分析壓縮機活塞力的相量三角形模型，通過該模型可以更加快捷直觀地了解壓縮機與冷指的匹配機制，簡化了匹配過程［21］。

1.2 國外研究

國外關(guān)于線性壓縮機研究的開展要早于并領(lǐng)先國內(nèi)，主要研究單位有Lockheed Martin先進(jìn)技術(shù)研究中心、NGAS公司、LG電子公司、牛津大學(xué)等。

Lockheed Martin先進(jìn)技術(shù)研究中心（LMATC）前期工作圍繞于動圈式壓縮機展開［22］。1994年計劃研發(fā)空間用脈管制冷機，動力支持依舊由動圈式壓縮機提供［23］。為提高壓縮機效率，開發(fā)了諸多有效方法，例如：1998年，通過改進(jìn)壓縮機磁體材料和優(yōu)化磁路使直線電機效率由53%升至65%，壓縮機效率提高至76%［24］。后來，為確保脈管制冷機可靠性、簡單性等優(yōu)先理念，研發(fā)出動磁式壓縮機并將動圈式取代［25］。圖2為LM-ATC動磁式線性壓縮機［26］，從圖中可以看出，LM-ATC線性壓縮機發(fā)展較為完善，囊括了多種尺寸類型，可滿足不同空間應(yīng)用冷卻需求。

圖2 LM-ATC動磁式線性壓縮機［26］Fig.2 LM-ATC moving-magnet linear compressor［26］

近幾年，LM-ATC大力發(fā)展小型線性壓縮機。2016年，在美國下一代戰(zhàn)術(shù)冷卻/非冷卻紅外傳感器和搜索器項目支持下，研發(fā)出一種小型脈管制冷機（FC-PTM），用于冷卻大型、高溫（105～150 K）紅外焦平面陣列傳感器，壓縮機采用圖4中的超小型，其發(fā)展始于2012年，整體長90 mm，直徑32 mm，首代壓縮機未包含電連接器時質(zhì)量僅190 g，該壓縮機驅(qū)動下，制冷機可獲得300 mW/125 K制冷量［27］。同年，由美國空軍資助，LM-ATC優(yōu)化改造了TRL6脈管制冷機用小型線性壓縮機，重210 g，改造為JT壓縮機后質(zhì)量減至200 g，在2：1到5：1的壓力比范圍內(nèi)，可實現(xiàn)20%～30%的理想壓縮效率［28］。

1991年，諾斯羅普格魯門空間技術(shù)（NGAS）進(jìn)行了脈管制冷機的初步研制，研發(fā)出眾多動圈式線性壓縮機，服務(wù)于空間與軍事應(yīng)用。2000年以后，NGAS公司將目光轉(zhuǎn)向高頻脈管制冷機并完成高頻線性壓縮機研制［29］。圖3示出NGAS系列低溫制冷機，目前，其液氮溫區(qū)小型脈管制冷機正處于世界最好水平。

圖3 NGAS系列低溫制冷機［28］Fig.3 Northrop Grumman family of cryocoolers［28］

2018年，按照空中客車防務(wù)和航空有限公司要求，NGAS研制成新型HEC脈管制冷機，適用于空間和非空間應(yīng)用，采用HEC動圈式壓縮機，最大輸入功率180 W，重4 kg，在45～125 K范圍內(nèi)具有1.8～19 W制冷量，基于HEC壓縮機，依照美國機械技術(shù)公司（MTI）需要，通過縮放原理，完成改進(jìn)型小型壓縮機研制，重2 kg，相比之前小型線性壓縮機，改進(jìn)型輸入功率更大，為150 W，此時制冷機可提供1.5 W/47 K制冷量［30］。

2001年，LG電子公司生產(chǎn)出了世界首臺商用線性壓縮機。2002年，推出冰箱用線性壓縮機，后隨即對空調(diào)用線性壓縮機進(jìn)行了研發(fā)［31］。2004年，制成使用R410A制冷劑的空調(diào)用線性壓縮機。從R134a線性壓縮機到R600a冰箱用壓縮機以及R410A空調(diào)用壓縮機，壓縮機效能提升穩(wěn)定。由于空調(diào)冷負(fù)荷遠(yuǎn)高于冰箱，因此LG空調(diào)用線性壓縮機對螺旋彈簧和氣體彈簧剛度要求更高，壓縮機外形尺寸增大，同時由于較高功率輸出的壓縮機效率可能較低，從而限制了空調(diào)用線性壓縮機的發(fā)展［32］。冰箱用線性壓縮機是LG電子的主要發(fā)展方向，一般為單活塞動磁式，特點是采用有油設(shè)計、無氣體軸承且使用硬質(zhì)螺旋彈簧來控制壓縮機共振和活塞漂移，尺寸較大。

LG線性壓縮機制冷量涵蓋150～370 W，電機效率均已超過90%，成本高是制約其發(fā)展的關(guān)鍵［33］。為提高線性壓縮機可靠性，2017年LG電子解決了常規(guī)線性壓縮機CFD分析未考慮影響活塞性能的負(fù)載條件而使得設(shè)計出的壓縮機易發(fā)生機械碰撞的問題［34］。現(xiàn)階段，為降低壓縮機成本，LG電子正嘗試研發(fā)商業(yè)制冷用氣體軸承線性壓縮機，已具備一定的專利技術(shù)，與油潤滑線性壓縮機相比，氣體潤滑壓縮機尺寸更小、成本可能更低且可靠性更高。

英國牛津大學(xué)率先采用板彈簧支撐、間隙密封等技術(shù)實現(xiàn)了線性壓縮機的壽命突破，后接連完成如：第一代［35］、第二代［36］動圈式壓縮機的研制，效率和功率提升明顯。如今，牛津大學(xué)將注意力轉(zhuǎn)向商業(yè)制冷領(lǐng)域。2016年，基于自行研制的低成本動磁式壓縮機，開發(fā)了一種新型控制系統(tǒng)，通過電磁閥來達(dá)到壓縮機直流偏移和軸向間隙控制目標(biāo)，試驗結(jié)果顯示當(dāng)壓縮機活塞行程減小時，零直流偏移電機性能更為優(yōu)越，并指出具有容量控制的制冷系統(tǒng)其活塞控制應(yīng)使用泄流實現(xiàn)零直流偏移［37］。為降低壓縮機成本，在新型控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，牛津大學(xué)又提出一種使用用于行程和偏移控制的搜索線圈來檢測線性壓縮機活塞位置的方法，該控制技術(shù)擯棄傳統(tǒng)位置傳感器，采用檢測基準(zhǔn)位置的接近傳感器，活塞偏移量的改變由電磁閥控制泄漏流量實現(xiàn)，試驗結(jié)果證明其可行性良好［38］。國內(nèi)外線性壓縮機的研究現(xiàn)狀見表2。

表2 國內(nèi)外線性壓縮機的研究現(xiàn)狀Tab.2 Research status of linear compressors at home and abroad

2 線性壓縮機關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

從上述各研究機構(gòu)線性壓縮機研究現(xiàn)狀來看，大功率及小型線性壓縮機是目前的主要研究方向。從表2可知，在小型線性壓縮機研制方面，國內(nèi)外差距較為顯著，具體表現(xiàn)在壓縮機質(zhì)量及運行頻率上。壓縮機運行頻率的提高是實現(xiàn)其小型化的主要途徑，然而高頻的實現(xiàn)卻需依賴支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)等的發(fā)展進(jìn)步?？v觀線性壓縮機的發(fā)展歷程，支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)的運用均具有重要意義，使得壓縮機擺脫了壽命限制，其技術(shù)水平的發(fā)展對壓縮機壽命、可靠性、效率以及小型化進(jìn)程等方面具有直接影響。

2.1 支撐技術(shù)研究

線性壓縮機早期活塞支撐采用螺旋線彈簧，無法避免活塞與氣缸間的直接接觸。為減少磨損，在活塞與氣缸間可形成氣膜，也就是氣體軸承，利用高壓氣體剛度特點來承載活塞并將二者分離。根據(jù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)及原理的不同，氣體軸承分為靜壓和動壓兩類，動壓氣體軸承的支撐能力易受氣體壓力波動影響，可靠性差。針對活塞與氣缸間隙內(nèi)氣膜壓力的分布，ZHANG等［39］便提出了一種可進(jìn)行預(yù)測的一維氣體軸承模型。氣體軸承支撐技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工和裝配難度高，因此壓縮機活塞常用結(jié)構(gòu)簡單的柱彈簧或板彈簧支撐。與柱彈簧相比，板彈簧徑軸向剛度比大，在可靠性、壽命方面表現(xiàn)出色，空間應(yīng)用潛力大。在MTTF達(dá)10 000 h以上的低溫制冷機中，板彈簧已是主流［40］。

板彈簧支撐技術(shù)的引入保證了壓縮機活塞與氣缸間徑向間隙的穩(wěn)定，避免了二者接觸，極大降低了磨損。一般而言，板彈簧分為渦旋臂和直線臂板彈簧，疲勞強度、軸向剛度、徑向剛度以及自振頻率是其主要性能指標(biāo)。相較于渦旋臂板彈簧，直線臂板彈簧自身一階自振頻率高，更適合于高頻應(yīng)用。針對渦旋臂板彈簧，JOMDE等［41］通過有限元方法，分析了渦旋臂寬度、板厚等參數(shù)對其應(yīng)力和剛度的影響，結(jié)果顯示螺旋角和板厚對板彈簧應(yīng)力及剛度影響顯著（成正比）。RAJESH等［42］對渦旋臂板彈簧3種常見材料SS304、鈹青銅和彈簧鋼性能進(jìn)行了分析，給出了不同設(shè)計參數(shù)和疲勞損傷系數(shù)下的板彈簧應(yīng)力變化規(guī)律。周偉楠等［43］基于有限元方法并通過實驗研究，分析比較了3種常用不同型線板彈簧后發(fā)現(xiàn)，圓漸開線型更利于線性壓縮機高頻工作。KHOT等［44］通過對渦旋臂和直線臂板彈簧理論及實驗結(jié)果比較得出，相同厚度和直徑下，直線臂板彈簧應(yīng)力、軸向和徑向剛度均高于渦旋臂板彈簧，并指出直線臂板彈簧更適用于緊湊尺寸和長壽命應(yīng)用。

2.2 間隙密封技術(shù)研究

間隙密封技術(shù)是利用間隙內(nèi)流體因阻力等原因?qū)е聣毫ο陆档脑韥磉_(dá)到降壓密封目的，避免了類似旋轉(zhuǎn)式壓縮機油潤滑及活塞環(huán)密封的使用所帶來的問題，如：冰堵、制冷工質(zhì)的污染等，同時為線性壓縮機壓縮腔和背壓腔氣體的分離提供了保障，其應(yīng)用進(jìn)一步提高了壓縮機可靠性和壽命。

間隙密封分為直線型和迷宮型兩種，直線型能夠做到更小的間隙尺寸，間隙尺寸過大會損失壓縮機部分輸出功，并使得壓縮腔內(nèi)產(chǎn)生少量氣體泄漏，大幅降低壓縮機效率，需限制在合理范圍內(nèi)，一般小于 20 μm。JOSHI等［45］研究了 10，15，20 μm間隙尺寸對線性壓縮機制冷能力和效率的影響，發(fā)現(xiàn)壓縮機制冷能力和效率隨間隙的增加而降低，對于10，15 μm間隙卻無太大差異?？紤]間隙的減小會促使摩擦力和磨損的增加，要延長壓縮機壽命并提高性能，過小的間隙尺寸也是不可取的。SANTOS等［46］通過改變線性壓縮機壓力比、活塞與氣缸徑向間隙等從理論上詳細(xì)分析了壓縮機熱力學(xué)效率低下的原因，發(fā)現(xiàn)徑向間隙和壓力比是主要影響因素。

微小的間隙尺寸仍然無法阻止間隙內(nèi)氣體泄漏所造成的壓縮機效率下降，改變壓縮機活塞頭型式對于抑制損失是種有效方式，選擇徑向剛度大的柔性板彈簧以保持間隙尺寸的合理性，同樣能有效防止活塞出現(xiàn)徑向偏移從而加劇損失產(chǎn)生。還可通過改變?nèi)嵝园鍙椈山M件的安裝方式來降低間隙密封損失，曹廣亮等［47-48］對此進(jìn)行了研究。

3 結(jié)論與展望

線性壓縮機為空間低溫制冷機的核心部件，其發(fā)展好壞直接制約著斯特林/脈管制冷機的空間應(yīng)用。本文概述了低溫制冷機用線性壓縮機的發(fā)展歷史，基于國內(nèi)外線性壓縮機主要研究單位的發(fā)展演變對壓縮機最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并討論了壓縮機支撐技術(shù)、間隙密封技術(shù)的發(fā)展。從現(xiàn)有研究現(xiàn)狀分析來看，線性壓縮機的發(fā)展方向為：

（1）動磁式壓縮機是大功率線性壓縮機的研究方向。大冷量空間應(yīng)用的發(fā)展促進(jìn)了大功率壓縮機的研制，動磁式壓縮機相比動圈式壓縮機比推力大、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性更高、成本低，是大功率線性壓縮機的首要選擇。

（2）線性壓縮機小型化是未來的發(fā)展趨勢。空間應(yīng)用方面，飛行系統(tǒng)質(zhì)量與發(fā)射成本成正比，系統(tǒng)質(zhì)量的減少會降低發(fā)射成本，此外在如小型衛(wèi)星的組網(wǎng)探測等空間任務(wù)中，均要求探測器系統(tǒng)質(zhì)量盡可能的小，線性壓縮機朝小型化趨勢發(fā)展無可避免。

（3）降低民用線性壓縮機使用成本。民用線性壓縮機由于需要精湛的加工裝配工藝和特別的制造工藝等以保證壽命和效率，提高了壓縮機使用成本，限制了其應(yīng)用深度及廣度。隨著市場需求的不斷增長，人們對于民用線性壓縮機的性價比也提出了更高要求，因此在優(yōu)化壓縮機性能的同時，其成本的降低也是一重要方向。

目前，線性壓縮機研究雖已取得諸多成效，但依然存在一些不足并值得完善：（1）國內(nèi)外小型線性壓縮機質(zhì)量差距較明顯，表現(xiàn)在材料和加工裝配工藝等方面；（2）國內(nèi)線性壓縮機柔性板彈簧相關(guān)研究欠缺，如直線臂板彈簧研究等；（3）對于線性壓縮機間隙密封損失的認(rèn)識依舊停留于理論階段，需完善實驗研究。在線性壓縮機后續(xù)研究階段，上述問題均需得到關(guān)注。