對置活塞壓縮機技術(shù)及發(fā)展

1、<p>　　對置活塞壓縮機技術(shù)及發(fā)展</p><p>　　摘要：介紹了對置壓縮機的結(jié)構(gòu)類型和工作原理，歸納和總結(jié)了對置壓縮機的結(jié)構(gòu)、特點、控制等方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；分析了對置壓縮機在我國的發(fā)展前景，并提出了研究及開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直線壓縮機；對置壓縮機；創(chuàng)新特色</p><p>　　An Review of Opposed

2、 Piston Compressor</p><p>　　Technology and Development</p><p>　　Wang Liyan1</p><p>　　(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083)<

3、/p><p>　　Abstract: The principle and structure type of opposed piston compressor was introduced in this paper. And the researching status and developing trend of opposed piston compressor were reviewed on const

4、ruct, characteristics and control. Based on opposed piston compressor future development and market in china, the key technology and scheme were put forward.</p><p>　　Key words: linear compressor; opposed pi

5、ston compressor; Characteristics and innovation</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　壓縮機是壓縮式制冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，被稱作制冷系統(tǒng)地心臟，也是空調(diào)、冰箱等制冷系統(tǒng)的主要耗能部件，其性能的好壞決定了制冷系統(tǒng)的優(yōu)劣。目前國內(nèi)外研究和開發(fā)的絕大部分活塞式壓縮機都是采用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，通過曲柄連桿

6、機構(gòu)等機械傳動系統(tǒng)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)直線運動。這類壓縮機技術(shù)成熟、性能可靠、工作壽命長，但其活塞行程較短、總體體積龐大、傳動效率低、噪聲大、磨損厲害、壽命短，特別是能量傳遞環(huán)節(jié)多，振動和噪聲大，致使整機難于控制，機械效率很低(一般為30%~40%)。由于進一步提高該類壓縮機的效率很難取得突破，而采用新的壓縮機驅(qū)動方式是一條很好的途徑。</p><p>　　線性壓縮機作為一種新型高效的制冷壓縮機，具有

7、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等顯著優(yōu)勢，是降低電冰箱等小型制冷裝置能耗的重要手段[1-2]。早在19世紀末20世紀初就有人從事直線電機的研究，但未獲得成功。20世紀50年代中期以來，控制與材料科學技術(shù)的飛速發(fā)展和新型控制元器件的不斷出現(xiàn)使得直線電機的理論和應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展，在國民經(jīng)濟的許多部門中，凡需要用直線運動的場合均可用直線電機來完成[3]。與旋轉(zhuǎn)電機不同,直線壓縮機是一種由直線電機驅(qū)動活塞作往復(fù)運動的新型壓縮機，省去了將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?/p>

8、往復(fù)運動的曲柄連桿機構(gòu)，而且可以實現(xiàn)無油潤滑、迷宮密封。直線壓縮機活塞的行程及外止點的位置都可以通過輸入電壓來調(diào)整，從而實現(xiàn)壓縮機流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，使得直線壓縮機在整個工作范圍內(nèi)都保持較高的效率，逐步成為國內(nèi)外的研究熱點。</p><p><b>　　1 國內(nèi)外發(fā)展概況</b></p><p>　　1.1國外研究發(fā)展概況</p><p>　　惠斯

9、登（Wheatstone）在1840年提出和制作了略具雛形的直線電機[4]，開啟了直線電機發(fā)展的時代。從那時起至上世紀70年代的130多年期間，直線電機從設(shè)想到實驗到部分實驗性應(yīng)用，經(jīng)歷了一個不斷探索的過程。1901年，Le Potois獲得了動圈型驅(qū)動器的發(fā)明專利，并建議將此作為驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)用于壓縮機和泵上[5]。20世紀50年代后，直線壓縮機得到了較快的發(fā)展，期間有不少壓縮機專利，比較有代表性的壓縮機有Doelz壓縮機和Chausso

10、n壓縮機[6]。Doelz壓縮機采用的是動圈式結(jié)構(gòu)，是一種單作用雙氣缸的直線壓縮機。Chausson壓縮機采用的是動磁式結(jié)構(gòu)，氣隙小，性能較好。畢業(yè)設(shè)計論文代做平臺 《580畢業(yè)設(shè)計網(wǎng)》 是專業(yè)代做團隊 也有大量畢業(yè)設(shè)計成品提供參考 www.bysj580.com QQ3449649974</p><p>　　20世紀70年代，直線壓縮機主要應(yīng)用于航天或軍事微型低溫制冷機中作為壓力波驅(qū)動器，比較有代表性的

11、是荷蘭飛利浦公司開發(fā)的為斯特林制冷機提供驅(qū)動的動圈式直線振動壓縮機，如圖1.1所示，以及美國SunPower公司開發(fā)的一種用于脈管型低溫制冷器的磁鐵可動型直線壓縮機，如圖1.2所示。SunPower的動磁型壓縮機，采用新型永磁材料，具有結(jié)構(gòu)緊湊，振動小、效率高的優(yōu)點。</p><p>　　20世紀90年代，直線壓縮機有了較大發(fā)展。牛津大學（AOPP）低溫實驗室在航天斯特林制冷機中采用了動圈式往復(fù)直線電機作為驅(qū)動器

12、，如圖1.3所示。特別是該研究機構(gòu)的研究人員Guy，首先提出將柔性板彈簧，如圖1.4所示。應(yīng)用于斯特林制冷機以及其驅(qū)動器作為彈性支撐部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，被各國低溫制冷機研究機構(gòu)認可和采用。</p><p>　　當今直線壓縮機技術(shù)由軍工和航天技術(shù)向民用制冷壓縮機技術(shù)的轉(zhuǎn)化正方興未艾。國外多家具有雄厚實力的企業(yè)和科研機構(gòu)都相繼展開直線壓縮機的研發(fā)，例如美國的泰康、SunPower、韓國的LG、三星

13、、現(xiàn)代、日本的三菱、三洋、松下、日立等均有直線壓縮機的項目和產(chǎn)品。其中 SunPower公司得到了美國環(huán)保署的支持，從80年代初開始研制直線電機的民用產(chǎn)品，到目前，己成功開發(fā)了冰箱用直線壓縮機、斯特林制冷機、直線電機和直線發(fā)電機等一系列產(chǎn)品，并開始在市場推廣，其研制和開發(fā)的直線壓縮機COP可達2.0以上（標準工況）[7]。圖1.5為SunPower開發(fā)的用于無氟冰箱的動磁式壓縮機。LG公司投入了60位研究人員及400億韓國貨幣用8年的時

14、間開發(fā)了商業(yè)化應(yīng)用的直線壓縮機，在此過程中獲得了500多項專利。圖1.6為LG商用冰箱中的直線壓縮機。日本松下、神鋼、瑞典Electrolux、巴西Embraco等海外白色家電和壓縮機生產(chǎn)企業(yè)對直線壓縮機的開發(fā)也都已經(jīng)處在開發(fā)階段。</p><p>　　1.2國內(nèi)研究發(fā)展概況</p><p>　　國內(nèi)對直線壓縮機的研究始于20世紀60年代。華中理工大學和原電子工業(yè)部十六研究所、昆明物理所等

15、多家研究單位進行的斯特林制冷機研制中采用動圈式直線電機作為驅(qū)動，獲得了良好的實驗性能[8]。1989 年華中科技大學王月蘭曾在碩士論文中提出了用于斯特林制冷機的動圈式直線電機的設(shè)計程序[9]。90 年代末期蘭州物理研究所與華中理工大學聯(lián)合研制的一臺用于星載斯特林制冷機中的動圈式直線壓縮機試驗樣機，并對其進行了詳細的實驗研究[10]。1998 年，華中科技大學張宇[11]進行了自由活塞式斯特林制冷機的壓縮機設(shè)計、優(yōu)化，她所設(shè)計的直線電機采

16、用了雙磁路結(jié)構(gòu)。2007 年華中科技大學的何明順，在對直線壓縮機的運行特性和磁路結(jié)構(gòu)的分析的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用于回熱式制冷系統(tǒng)的動圈式直線壓縮機設(shè)計方案，并對電磁特性進行了有限元模擬[12]。1991 年，西安交通大學的顧兆林等人[13]開發(fā)了一臺電磁線性驅(qū)動高壓空氣壓縮機,能夠連續(xù)提供高壓純凈空氣,可以代替鋼瓶直接聯(lián)入制冷系統(tǒng)。中科院上海技術(shù)物理研究所紀國林、吳亦農(nóng)也對斯特林機中的膜片彈簧支撐的音圈電動機進行了研究[14]。重慶大學王

17、建生[15,16]等研究了</p><p>　　2 直線壓縮機分類及特點</p><p>　　直線壓縮機，從本質(zhì)上來說就是由直線電磁驅(qū)動系統(tǒng)作為驅(qū)動源驅(qū)動壓縮機活塞做往復(fù)運動借以提高氣體壓力的機械。因此按驅(qū)動用直線電磁驅(qū)動系統(tǒng)的不同直線壓縮機可分為許多不同的種類。</p><p>　　2.1動圈型直線壓縮機</p><p>　　當電流通過線圈

18、時，由于磁場的作用會在線圈上產(chǎn)生推動力。如果電流是交變的，則線圈上所產(chǎn)生的力也是交變的。動圈型(MovingCoil)直線壓縮機正是利用了這一原理。如圖2.1所示是該種壓縮機的一種結(jié)構(gòu)示意圖。當交變的電流通過動圈時，使得動圈帶動活塞產(chǎn)生往復(fù)振動，完成壓縮氣體的工作。</p><p>　　動圈型直線壓縮機的特點是：</p><p>　　1．原理簡單，易于分析設(shè)計；</p>&l

19、t;p>　　2．動圈上不存在徑向力和扭矩，也沒有空載時的軸向力存在，這些都可以改善壓縮機的性能；</p><p>　　3．驅(qū)動力相對較小，但磁路的氣隙小，行程可取得較長。當行程短時，驅(qū)動力則增大，易于機器啟動。由于磁場提供穩(wěn)定的磁通，因而不存在磁滯損耗；</p><p>　　該種壓縮機的缺點是磁通的產(chǎn)生采用永磁材料，這使得它的制造成本跟其它種類壓縮機相比相對較高，但隨著永磁材料價格的

20、大量下降，這個問題也逐步得到解決。</p><p>　　2.2動鐵型直線壓縮機</p><p>　　利用動鐵型(Moving Iron)直線電磁驅(qū)動系統(tǒng)作為直線壓縮機的驅(qū)動源，是在以前永磁材料價格昂貴時出于減少成本的考慮被提出來的。動鐵型直線壓縮機的磁場由勵磁線圈產(chǎn)生，通過在勵磁線圈通入交變的電流產(chǎn)生交變的磁場來吸引鐵芯做往復(fù)運動，從而壓縮氣體。</p><p>　

21、　這種壓縮機的最大特點是由于電磁驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動力大，與相同體積的其它壓縮機相比壓縮比可以達到較大的值，而且制造成本較低。但據(jù)研究表明[24] ，這種壓縮機的電樞在氣隙中的運動是不穩(wěn)定的，當它的中心線偏離氣隙的中軸線的位置時，它不僅無法回到原來的位置而且偏離量會越來越大，這必將在活塞上產(chǎn)生很大的徑向力。因此雖然這種壓縮機在一些資料上有介紹[25]，而且確有一些實際應(yīng)用[26]，但它的性能無法與其它種類的壓縮機相比，將逐漸被淘汰。</

22、p><p>　　2.3動磁鐵型直線壓縮機</p><p>　　如圖2.2，它是動磁鐵型壓縮機的典型結(jié)構(gòu)。其工作磁場由兩部分組成，一部分是勵磁線圈勵磁產(chǎn)生的交變磁場，一部分是永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場。圖2.3是該壓縮機電磁驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理圖，在某個時刻通入的勵磁電流產(chǎn)生如圖所示的磁場，從中可以看出,磁極下端的氣隙中由于磁通極性與永久磁鐵的磁場極性相同，磁通得到了增加，有很強的吸引力作用著；而上端

23、氣隙中兩者的磁性剛好相反，相互抵消,吸引力大大減少，因此磁鐵總體表現(xiàn)為受到向上的牽引力作用。</p><p>　　該種壓縮機與動圈型直線壓縮機相比，原理更復(fù)雜。因為此系統(tǒng)需考慮非線性磁導、磁場的邊端效應(yīng)、電渦流損失等因素的影響，大大增加了分析設(shè)計的難度[27]。但是經(jīng)過合理的設(shè)計，該種壓縮機能達到與動圈型壓縮機類似的性能，而且效率高，驅(qū)動力大，是目前被廣泛研究和開發(fā)的機型。</p><p>

24、;　　2.4其它類型直線壓縮機</p><p>　　直線壓縮機除了上述介紹的三種典型的類型外，還有直線步進電機驅(qū)動的活塞式壓縮機、復(fù)合次級感應(yīng)型直線電機驅(qū)動的活塞式壓縮機[17-18]等。</p><p>　　2.4.1直線步進電機驅(qū)動的活塞式壓縮機</p><p>　　上述三種壓縮機的一個共同特點，活塞的行程都不受機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，這一方面是壓縮機具有了排氣量可

25、連續(xù)在線調(diào)節(jié)的優(yōu)點，但另一方面，由于實際系統(tǒng)的非線性特點需要設(shè)計一個專門反饋控制系統(tǒng)來控制和調(diào)節(jié)壓縮機的行程。這樣的反饋控制系統(tǒng)往往需要價格昂貴的傳感器，這勢必大大提高了壓縮機的制造成本，限制了他們的推廣應(yīng)用。直線步進電機驅(qū)動的活塞式壓縮機主要是想利用步進電機自身在開環(huán)控制下優(yōu)良的定位功能，簡化壓縮機的控制系統(tǒng)，降低成本，目前還處在研究開發(fā)階段。</p><p>　　LPM是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成微步直線運動的驅(qū)

26、動裝置。只要輸入一個較小的電脈沖它就能產(chǎn)生一個較大的推力和微步直線運動，而且無需位置傳感器，在開環(huán)控制系統(tǒng)的條件下也能提供一定精度且可靠的位置和速度控制[28]。圖2.3所示是應(yīng)用于直線壓縮機的混合型LPM結(jié)構(gòu)圖。當兩個勵磁線圈中通入極性相反的電脈沖時，便在磁極中產(chǎn)生磁通的變化，根據(jù)磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減小磁阻增大磁導的本性，電機定、動子之間將產(chǎn)生一種使磁通通路磁阻盡量變小的傾向力，拉著電機動子到達該磁通對應(yīng)的磁路磁阻最小的位置

27、，使電機動子產(chǎn)生步進運動。圖2.4是這種壓縮機的一種結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計充分利用了LPM的結(jié)構(gòu)和運行特點，采用兩個氣缸在LPM兩端對稱布置的結(jié)構(gòu)，這樣，活塞往復(fù)一次，將同時完成兩次壓縮循環(huán)。這類壓縮機就可以設(shè)計成單級或雙級壓縮型，以滿足不同排氣壓力，排氣量的要求。電機和氣缸分離，這樣，動子在氣缸外的部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加靈活，同時氣缸、活塞包括電機的散熱效果都較好。它的缺點是安裝精度要求提高。用兩個支撐彈簧使活塞產(chǎn)生共振運動，以便最大限

28、度的利用活塞的機械能。同時又起到斷電保護的功能。</p><p>　　2.4.2復(fù)合次級直線電機驅(qū)動的活塞式壓縮機</p><p>　　王建生等[17-18]首先提出了一種該種壓縮機的理論設(shè)計和實驗原型機的試制，圖2.5是這種壓縮機的結(jié)構(gòu)示意圖。從中可以看出,這種壓縮機與上訴幾種類型相比，有一個明顯的特點是該壓縮機的活塞沒有彈簧的支撐，處于一種完全的自由振動狀態(tài)。</p>&

29、lt;p>　　3對置活塞壓縮機工作原理</p><p>　　對置式線性壓縮機可根據(jù)汽缸數(shù)的不同分為：單缸、雙缸和多缸。</p><p>　　雙缸對置式線性壓縮機結(jié)構(gòu)原理如圖3.1，在電機動子的兩側(cè)設(shè)置兩個活塞分別安裝于氣缸中，活塞與直線電機動子直接連接，由直線電機在電磁場的作用下產(chǎn)生軸向驅(qū)動力，驅(qū)動活塞在氣缸中作往復(fù)運動，通過諧振彈簧的設(shè)置來平衡活塞往復(fù)運動所形成的慣性力。在其運行過

30、程中，中間吸氣，兩側(cè)排氣，當運動部件向左側(cè)運動時，左側(cè)氣缸處于壓縮排氣過程，氣缸內(nèi)氣體壓力升高，當壓力高于排氣腔內(nèi)的背壓時，排氣閥打開，氣體由排氣管排出壓縮機外，同時右側(cè)氣缸處于吸氣過程，氣缸工作腔內(nèi)形成一定的負壓，吸氣閥打開，氣體通過吸氣閥進入氣缸工作腔；當運動部件向右側(cè)運動時，右側(cè)氣缸處于壓縮排氣過程，氣缸內(nèi)氣體壓力升高，當壓力高于排氣腔內(nèi)的背壓時，排氣閥打開，氣體由排氣管排出壓縮機外，同時左側(cè)氣缸處于吸氣過程，氣缸工作腔內(nèi)形成一定

31、的負壓，吸氣閥打開，氣體通過吸氣閥進入氣缸工作腔，如此往復(fù)。</p><p>　　對于容量需求日益增大的電冰箱來說，雙氣缸的對稱設(shè)置使得雙缸對置式線性壓縮機在同樣緊湊的結(jié)構(gòu)下可以有更大的排量，滿足更高的制冷量需求；雙缸對置式線性壓縮機氣體力對稱分布，沒有運動中點偏移，變工況條件下排氣量不發(fā)生變化；控制系統(tǒng)省去偏移量檢測和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，且更易于實現(xiàn)精確的余隙控制；雙缸對置式工作振動更小，穩(wěn)定性更好。</p>

32、<p>　　4 新型活塞式壓縮機的特色和創(chuàng)新</p><p>　　(1) 用復(fù)合次極直線電機代替電磁式活塞壓縮機的電磁彈簧共振動力系統(tǒng)，使活塞式壓縮機在性能上更加優(yōu)越,結(jié)構(gòu)上更加合理。畢業(yè)設(shè)計論文代做平臺 《580畢業(yè)設(shè)計網(wǎng)》 是專業(yè)代做團隊 也有大量畢業(yè)設(shè)計成品提供參考 www.bysj580.com QQ3449649974</p><p>　　(2) 直線電機效

33、率高，傳動效率高，機械損失為旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的活塞式壓縮機機械損失的40%左右，復(fù)合次極直線電機效率略低于異步旋轉(zhuǎn)電動機，整機效率比電磁振動式壓縮機高得多，理論上比旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動的活塞式壓縮機約高5%。</p><p>　　(3) 活塞行程長，由于復(fù)合次級直線電機動子(次級)行程不受限制，因此，新型壓縮機活塞的行程可為傳統(tǒng)活塞式壓縮機的7~14倍以上。</p><p>　　(4) 活塞運行頻率

34、低，延長了進、排氣閥的壽命，同時大大降低了壓縮機的機體振動和噪聲。</p><p>　　(5) 結(jié)構(gòu)簡單，成本低。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Redlich R, Unger R, van der Walt N . Linear compressor:moter configuration, mo

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