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对置活塞压缩机技术及发展

摘要：

介绍了对置压缩机的结构类型和工作原理，归纳和总结了对置压缩机的结构、特点、控制等方面的研究现状和发展趋势；分析了对置压缩机在我国的发展前景，并提出了研究及开发的关键技术。

关键词：

直线压缩机；对置压缩机；创新特色

AnReviewofOpposedPistonCompressor

TechnologyandDevelopment

WangLiyan1

（SchoolofEnergyScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083）

Abstract:

Theprincipleandstructuretypeofopposedpistoncompressorwasintroducedinthispaper.Andtheresearchingstatusanddevelopingtrendofopposedpistoncompressorwerereviewedonconstruct,characteristicsandcontrol.Basedonopposedpistoncompressorfuturedevelopmentandmarketinchina,thekeytechnologyandschemewereputforward.

Keywords:

linearcompressor;opposedpistoncompressor;Characteristicsandinnovation

0引言

压缩机是压缩式制冷系统中的关键设备，被称作制冷系统地心脏，也是空调、冰箱等制冷系统的主要耗能部件，其性能的好坏决定了制冷系统的优劣。

目前国内外研究和开发的绝大部分活塞式压缩机都是采用旋转电机驱动，通过曲柄连杆机构等机械传动系统将电机的旋转运动转化为活塞的往复直线运动。

这类压缩机技术成熟、性能可靠、工作寿命长，但其活塞行程较短、总体体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损厉害、寿命短，特别是能量传递环节多，振动和噪声大，致使整机难于控制，机械效率很低（一般为30%~40%）。

由于进一步提高该类压缩机的效率很难取得突破，而采用新的压缩机驱动方式是一条很好的途径。

线性压缩机作为一种新型高效的制冷压缩机，具有结构紧凑、效率高等显著优势，是降低电冰箱等小型制冷装置能耗的重要手段[1-2]。

早在19世纪末20世纪初就有人从事直线电机的研究，但未获得成功。

20世纪50年代中期以来，控制与材料科学技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现使得直线电机的理论和应用获得了迅速的发展，在国民经济的许多部门中，凡需要用直线运动的场合均可用直线电机来完成[3]。

与旋转电机不同,直线压缩机是一种由直线电机驱动活塞作往复运动的新型压缩机，省去了将旋转运动转变为活塞往复运动的曲柄连杆机构，而且可以实现无油润滑、迷宫密封。

直线压缩机活塞的行程及外止点的位置都可以通过输入电压来调整，从而实现压缩机流量的连续调节，使得直线压缩机在整个工作范围内都保持较高的效率，逐步成为国内外的研究热点。

1国内外发展概况

1.1国外研究发展概况

惠斯登（Wheatstone）在1840年提出和制作了略具雏形的直线电机[4]，开启了直线电机发展的时代。

从那时起至上世纪70年代的130多年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索的过程。

1901年，LePotois获得了动圈型驱动器的发明专利，并建议将此作为驱动机构应用于压缩机和泵上[5]。

20世纪50年代后，直线压缩机得到了较快的发展，期间有不少压缩机专利，比较有代表性的压缩机有Doelz压缩机和Chausson压缩机[6]。

Doelz压缩机采用的是动圈式结构，是一种单作用双气缸的直线压缩机。

Chausson压缩机采用的是动磁式结构，气隙小，性能较好。

20世纪70年代，直线压缩机主要应用于航天或军事微型低温制冷机中作为压力波驱动器，比较有代表性的是荷兰飞利浦公司开发的为斯特林制冷机提供驱动的动圈式直线振动压缩机，如图1.1所示，以及美国SunPower公司开发的一种用于脉管型低温制冷器的磁铁可动型直线压缩机，如图1.2所示。

SunPower的动磁型压缩机，采用新型永磁材料，具有结构紧凑，振动小、效率高的优点。

20世纪90年代，直线压缩机有了较大发展。

牛津大学（AOPP）低温实验室在航天斯特林制冷机中采用了动圈式往复直线电机作为驱动器，如图1.3所示。

特别是该研究机构的研究人员Guy，首先提出将柔性板弹簧，如图1.4所示。

应用于斯特林制冷机以及其驱动器作为弹性支撑部件，具有结构简单、性能稳定可靠的优点，被各国低温制冷机研究机构认可和采用。

当今直线压缩机技术由军工和航天技术向民用制冷压缩机技术的转化正方兴未艾。

国外多家具有雄厚实力的企业和科研机构都相继展开直线压缩机的研发，例如美国的泰康、SunPower、韩国的LG、三星、现代、日本的三菱、三洋、松下、日立等均有直线压缩机的项目和产品。

其中SunPower公司得到了美国环保署的支持，从80年代初开始研制直线电机的民用产品，到目前，己成功开发了冰箱用直线压缩机、斯特林制冷机、直线电机和直线发电机等一系列产品，并开始在市场推广，其研制和开发的直线压缩机COP可达2.0以上（标准工况）[7]。

图1.5为SunPower开发的用于无氟冰箱的动磁式压缩机。

LG公司投入了60位研究人员及400亿韩国货币用8年的时间开发了商业化应用的直线压缩机，在此过程中获得了500多项专利。

图1.6为LG商用冰箱中的直线压缩机。

日本松下、神钢、瑞典Electrolux、巴西Embraco等海外白色家电和压缩机生产企业对直线压缩机的开发也都已经处在开发阶段。

1.2国内研究发展概况

国内对直线压缩机的研究始于20世纪60年代。

华中理工大学和原电子工业部十六研究所、昆明物理所等多家研究单位进行的斯特林制冷机研制中采用动圈式直线电机作为驱动，获得了良好的实验性能[8]。

1989年华中科技大学王月兰曾在硕士论文中提出了用于斯特林制冷机的动圈式直线电机的设计程序[9]。

90年代末期兰州物理研究所与华中理工大学联合研制的一台用于星载斯特林制冷机中的动圈式直线压缩机试验样机，并对其进行了详细的实验研究[10]。

1998年，华中科技大学张宇[11]进行了自由活塞式斯特林制冷机的压缩机设计、优化，她所设计的直线电机采用了双磁路结构。

2007年华中科技大学的何明顺，在对直线压缩机的运行特性和磁路结构的分析的基础上，提出了应用于回热式制冷系统的动圈式直线压缩机设计方案，并对电磁特性进行了有限元模拟[12]。

1991年，西安交通大学的顾兆林等人[13]开发了一台电磁线性驱动高压空气压缩机,能够连续提供高压纯净空气,可以代替钢瓶直接联入制冷系统。

中科院上海技术物理研究所纪国林、吴亦农也对斯特林机中的膜片弹簧支撑的音圈电动机进行了研究[14]。

重庆大学王建生[15,16]等研究了复合次极直线电机驱动的活塞式压缩机，如图1.7所示，探讨了其工作原理、设计方案、结构组成及其可行性，并进行了样机的试验。

天津大学的马一太[17]等人总结了直线压缩机的特点，对不同类型的直线压缩机进行了比较，建立了没有考虑气体力的动圈型直线压缩机数学模型，同时对压缩机容量调节特性和系统控制进行了简单阐述。

浙江大学化工机械研究所致力于冰箱用直线压缩机的研究，并对动圈式和动磁式直线压缩机的设计和开发进行了探索[18-20]。

2004年制造出的一台永磁动圈型直线压缩机的原理型样机，见图1.8，样机活塞直径26mm，动子质量0.6kg。

中科院上海技术物理研究所[21,22]开发的动磁式直线压缩机如图1.9，样机中应用圆渐开线涡旋弹簧作为柔性支撑。

西安交通大学李连生，何志龙等[23]设计了一种采用直线磁阻电机（LRM）驱动的直线压缩机，如图所示1.10所示。

目前国内对直线压缩机的研究，尚处在理论研究和实验探索阶段，样机性能参数等普遍尚未达到产品化的要求，然而其应用前景随着研究工作的深入一定会越来越开阔明朗。

2直线压缩机分类及特点

直线压缩机，从本质上来说就是由直线电磁驱动系统作为驱动源驱动压缩机活塞做往复运动借以提高气体压力的机械。

因此按驱动用直线电磁驱动系统的不同直线压缩机可分为许多不同的种类。

2.1动圈型直线压缩机

当电流通过线圈时，由于磁场的作用会在线圈上产生推动力。

如果电流是交变的，则线圈上所产生的力也是交变的。

动圈型（MovingCoil）直线压缩机正是利用了这一原理。

如图2.1所示是该种压缩机的一种结构示意图。

当交变的电流通过动圈时，使得动圈带动活塞产生往复振动，完成压缩气体的工作。

动圈型直线压缩机的特点是：

1．原理简单，易于分析设计；

2．动圈上不存在径向力和扭矩，也没有空载时的轴向力存在，这些都可以改善压缩机的性能；

3．驱动力相对较小，但磁路的气隙小，行程可取得较长。

当行程短时，驱动力则增大，易于机器启动。

由于磁场提供稳定的磁通，因而不存在磁滞损耗；

该种压缩机的缺点是磁通的产生采用永磁材料，这使得它的制造成本跟其它种类压缩机相比相对较高，但随着永磁材料价格的大量下降，这个问题也逐步得到解决。

2.2动铁型直线压缩机

利用动铁型（MovingIron）直线电磁驱动系统作为直线压缩机的驱动源，是在以前永磁材料价格昂贵时出于减少成本的考虑被提出来的。

动铁型直线压缩机的磁场由励磁线圈产生，通过在励磁线圈通入交变的电流产生交变的磁场来吸引铁芯做往复运动，从而压缩气体。

这种压缩机的最大特点是由于电磁驱动系统的驱动力大，与相同体积的其它压缩机相比压缩比可以达到较大的值，而且制造成本较低。

但据研究表明[24]，这种压缩机的电枢在气隙中的运动是不稳定的，当它的中心线偏离气隙的中轴线的位置时，它不仅无法回到原来的位置而且偏离量会越来越大，这必将在活塞上产生很大的径向力。

因此虽然这种压缩机在一些资料上有介绍[25]，而且确有一些实际应用[26]，但它的性能无法与其它种类的压缩机相比，将逐渐被淘汰。

2.3动磁铁型直线压缩机

如图2.2，它是动磁铁型压缩机的典型结构。

其工作磁场由两部分组成，一部分是励磁线圈励磁产生的交变磁场，一部分是永久磁铁产生的恒定磁场。

图2.3是该压缩机电磁驱动系统的工作原理图，在某个时刻通入的励磁电流产生如图所示的磁场，从中可以看出,磁极下端的气隙中由于磁通极性与永久磁铁的磁场极性相同，磁通得到了增加，有很强的吸引力作用着；而上端气隙中两者的磁性刚好相反，相互抵消,吸引力大大减少，因此磁铁总体表现为受到向上的牵引力作用。

该种压缩机与动圈型直线压缩机相比，原理更复杂。

因为此系统需考虑非线性磁导、磁场的边端效应、电涡流损失等因素的影响，大大增加了分析设计的难度[27]。

但是经过合理的设计，该种压缩机能达到与动圈型压缩机类似的性能，而且效率高，驱动力大，是目前被广泛研究和开发的机型。

2.4其它类型直线压缩机

直线压缩机除了上述介绍的三种典型的类型外，还有直线步进电机驱动的活塞式压缩机、复合次级感应型直线电机驱动的活塞式压缩机[17-18]等。

2.4.1直线步进电机驱动的活塞式压缩机

上述三种压缩机的一个共同特点，活塞的行程都不受机械系统的结构限制，这一方面是压缩机具有了排气量可连续在线调节的优点，但另一方面，由于实际系统的非线性特点需要设计一个专门反馈控制系统来控制和调节压缩机的行程。

这样的反馈控制系统往往需要价格昂贵的传感器，这势必大大提高了压缩机的制造成本，限制了他们的推广应用。

直线步进电机驱动的活塞式压缩机主要是想利用步进电机自身在开环控制下优良的定位功能，简化压缩机的控制系统，降低成本，目前还处在研究开发阶段。

LPM是一种将电脉冲信号转换成微步直线运动的驱动装置。

只要输入一个较小的电脉冲它就能产生一个较大的推力和微步直线运动，而且无需位置传感器，在开环控制系统的条件下也能提供一定精度且可靠的位置和速度控制[28]。

图2.3所示是应用于直线压缩机的混合型LPM结构图。

当两个励磁线圈中通入极性相反的电脉冲时，便在磁极中产生磁通的变化，根据磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻增大磁导的本性，电机定、动子之间将产生一种使磁通通路磁阻尽量变小的倾向力，拉着电机动子到达该磁通对应的磁路磁阻最小的位置，使电机动子产生步进运动。

图2.4是这种压缩机的一种结构示意图。

这种结构设计充分利用了LPM的结构和运行特点，采用两个气缸在LPM两端对称布置的结构，这样，活塞往复一次，将同时完成两次压缩循环。

这类压缩机就可以设计成单级或双级压缩型，以满足不同排气压力，排气量的要求。

电机和气缸分离，这样，动子在气缸外的部分的结构设计更加灵活，同时气缸、活塞包括电机的散热效果都较好。

它的缺点是安装精度要求提高。

用两个支撑弹簧使活塞产生共振运动，以便最大限度的利用活塞的机械能。

同时又起到断电保护的功能。

2.4.2复合次级直线电机驱动的活塞式压缩机

王建生等[17-18]首先提出了一种该种压缩机的理论设计和实验原型机的试制，图2.5是这种压缩机的结构示意图。

从中可以看出,这种压缩机与上诉几种类型相比，有一个明显的特点是该压缩机的活塞没有弹簧的支撑，处于一种完全的自由振动状态。

3对置活塞压缩机工作原理

对置式线性压缩机可根据汽缸数的不同分为：

单缸、双缸和多缸。

双缸对置式线性压缩机结构原理如图3.1，在电机动子的两侧设置两个活塞分别安装于气缸中，活塞与直线电机动子直接连接，由直线电机在电磁场的作用下产生轴向驱动力，驱动活塞在气缸中作往复运动，通过谐振弹簧的设置来平衡活塞往复运动所形成的惯性力。

在其运行过程中，中间吸气，两侧排气，当运动部件向左侧运动时，左侧气缸处于压缩排气过程，气缸内气体压力升高，当压力高于排气腔内的背压时，排气阀打开，气体由排气管排出压缩机外，同时右侧气缸处于吸气过程，气缸工作腔内形成一定的负压，吸气阀打开，气体通过吸气阀进入气缸工作腔；当运动部件向右侧运动时，右侧气缸处于压缩排气过程，气缸内气体压力升高，当压力高于排气腔内的背压时，排气阀打开，气体由排气管排出压缩机外，同时左侧气缸处于吸气过程，气缸工作腔内形成一定的负压，吸气阀打开，气体通过吸气阀进入气缸工作腔，如此往复。

对于容量需求日益增大的电冰箱来说，双气缸的对称设置使得双缸对置式线性压缩机在同样紧凑的结构下可以有更大的排量，满足更高的制冷量需求；双缸对置式线性压缩机气体力对称分布，没有运动中点偏移，变工况条件下排气量不发生变化；控制系统省去偏移量检测和调节环节，且更易于实现精确的余隙控制；双缸对置式工作振动更小，稳定性更好。

4新型活塞式压缩机的特色和创新

（1）用复合次极直线电机代替电磁式活塞压缩机的电磁弹簧共振动力系统，使活塞式压缩机在性能上更加优越,结构上更加合理。

（2）直线电机效率高，传动效率高，机械损失为旋转电机驱动的活塞式压缩机机械损失的40%左右，复合次极直线电机效率略低于异步旋转电动机，整机效率比电磁振动式压缩机高得多，理论上比旋转电动机驱动的活塞式压缩机约高5%。

（3）活塞行程长，由于复合次级直线电机动子（次级）行程不受限制，因此，新型压缩机活塞的行程可为传统活塞式压缩机的7~14倍以上。

（4）活塞运行频率低，延长了进、排气阀的寿命，同时大大降低了压缩机的机体振动和噪声。

（5）结构简单，成本低。

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