关于线性压缩机的相关研究

关于线性压缩机的相关研究

吴庭光

广东美芝精密制造有限公司   528300

摘要：线性压缩机是一种常见的动力驱动设备，在制冷领域扮演着重要角色。线性压缩机已有几十年历史，最早应用至斯特林制冷机中，凭借着噪音小、寿命长、磨损小等优势受到认可。线性压缩机成功运用至制冷领域，让人们看到了广阔前景，其主要运用电磁力和弹簧力的共同作用，驱动活塞做往复运动，进而实现气体压缩。本文主要讲解线性压缩机的相关研究的情况，重点论述间隙密封技术以及线性压缩机支撑技术等，同时阐述线性压缩机的发展方向。

关键词：线性压缩机；间隙密封技术；支撑技术

从20世纪的太空计划实施后，长寿命的低温制冷机一直受到人们的广泛关注以及追求，线性压缩机在低温制冷机中可以作为压力波发生器，解决制冷机在应用过程中寿命较短的问题。随着科学技术的发展，线性压缩机的应用范围明显增大，发挥出自身的利用价值[1]。密封技术和支撑技术的不断发展，广泛应用于线性压缩机，可有效的延长压缩机的使用寿命和提升可靠性，使得线性压缩机的应用范围大幅扩展，特别是低温领域，可作为中层和平流层的探深仪器，发挥出自身的强大功能。

1  线性压缩机的研究进展

1.1国内研究

在20世纪60年代，我国开始研究线性压缩机[2]。通过研究线性压缩机，最先在低温领域中应用，其中脉管制冷机的结构简单，振动低，电磁干扰较少，是研究的重点。通过改变压缩机动圈式，深入研究动磁式方式，提高压缩机的功率。在研究中输入不同的电功率，功率的增加伴随着冷却时间降低，表示通过提高压缩机的功率，可提高制冷机的制冷量及效率。经过不断研究，相继出现单活塞、双活塞的线性压缩机。随着高频脉管制冷机的质量、体积的优势的增多，逐渐向空间方向发展。在研究中将双活塞线性压缩机作为研究方向，逐渐向高频、小型化、轻量化方向发展。小型化、轻量化的压缩机能在红外探测器中应用，扩张线性压缩机的应用领域，在空间、军事技术方向发展。由于材料限制无法通过大幅度提高充气压力的方法缩小体积，只能通过提高频率方法达到线性压缩机小型化目的。通过分析线性压缩机的声、力、电的特点，提出测算压缩机的输出声功率的方法，可改变最大输出声功率的问题，提出分析压缩机活塞力的相量三角形的模型，对匹配过程进行简化。通过深入研究线性压缩机，可提高线性压缩机与制冷机的匹配度，改善制冷机的整体电路、机械、声阻抗的向量，提高制冷机的应用效果。

1.2国外研究

在国外线性压缩机研究中开展时间比我国更早，在早期围绕动圈式压缩机进行研究[3]。通过优化磁路、改进压缩机的磁体材料的方法，提高直线电机效率，压缩机的效率。通过研究动磁式压缩机，可提高制冷机的可靠性，并简化结构。随着对线性压缩机的深入研究，降低压缩机的成本，出现低成本的动磁式压缩机。在线性压缩机中向新型的控制系统，小型化压缩机方向研究，国外研究中根据航空有限公司的要求，研究新型的线性压缩机，向高频线性压缩机的方向发展。

2  线性压缩机的关键技术研究

2.1支撑技术研究

在早期线性压缩机的活塞支撑中主要使用螺旋线弹簧，在运行中气缸与活塞间会直接接触，两者出现磨损[4]。为了降低磨损，可在气缸与活塞间形成气膜，制作气体轴承，可利用高压气体的刚性特点，分离活塞与气缸。根据气体轴承的进气的原理以及结构不同，可分为动压以及静压两种。在动压气体轴承中易受气体压力的影响，可靠性较差。有学者根据汽缸与活塞的间隙中气膜的压力分布，制作一种可预测一维气体的轴承模型，模型中气体轴承的支撑技术结构非常复杂，具有较高装配以及加工难度。在压缩机中常应用板弹簧支撑以及简单的柱弹簧结构。板弹簧的径轴向刚度超过柱弹簧，具有较强的可靠性，并且寿命较长，应用潜力较大。在压缩机中引入板弹簧支撑技术，可稳定气缸与活塞之间的径向间隙，避免直接接触，可减少两者磨损。板弹簧可分为直线臂板弹簧、涡旋臂板弹簧两种，主要性能指标包括轴向刚度、疲劳强度、自振频率、径向刚度。与涡旋臂板弹簧相比，直线臂板弹簧更适合在高频振动中应用，自身具有高自振频率。在涡旋臂板弹簧中，通过研究分析涡旋臂的板厚、宽度等参数，可影响刚度以及应力。

2.2间隙密封技术研究

间隙密封技术是一种降压密封技术，工作原理为阻力导致间隙内流体压力降低。

在应用中可预防压缩机在活塞环密封以及油润滑中的问题[5]，比如制冷、冰堵等污染，保证分离线性压缩机中背压腔以及压缩腔的气体，进一步提高压缩机的寿命以及可靠性。在间隙密封中可分为迷宫型以及直线型，直线型压缩机中可降低间隙尺寸，如果间隙尺寸过大会影响压缩机的输出功率，泄漏压缩腔气体，降低压缩机的效率，并将损失控制在合理的范围中。缩小间隙尺寸不能阻止间隙中气体泄漏，会降低压缩机效率。通过改变压缩机的活塞头型式，可降低损失。使用径向刚度较大的板弹簧，可合理控制间隙尺寸，预防活塞出现径向偏移，进而增加损失。通过安装柔性板弹簧组件，可减少间隙密封损失。

3  研究展望

针对于线性压缩机的研究工作，各方学者提出了自身观点，但是关于相关成果的展示，还需要经过适当总结加以呈现。在线性压缩机是一项复杂的动力驱动设备，可在多种领域中应用。线性压缩机发展水平，会直接影响制冷机的发展。（1）动磁式压缩机是大功率线性压缩机的研究方向，通过大冷量空间发展，可促进大功率的压缩机的发展。与动圈式压缩机相比，动磁式压缩机的结构更加紧凑、推动力更大、成本更低、具有相对较高的可靠性。（2）在未来发展中线性压缩机小型化是必然趋势，发射成本与飞行系统的质量、空间应用成正比。想要将线性压缩机应用在太空中，必须降低质量、体积，从而降低发射成本。在空间任务中应用小型卫星组网的探测，要求探测器尽可能小。（3）在民用线性压缩机中需尽可能降低成本，深入研究制造工艺、加工装配工艺，保证线性压缩机的效率以及寿命。压缩机的寿命以及成本限制了应用的广度以及深度。随着线性压缩机的市场规模扩大，人们对民用的线性压缩机的性价比要求不断提高，优化压缩机的性能、降低成本是线性压缩机的必然趋势。

4  结语

随着科学技术发展，线性压缩机的研究不断深入，实际的功能及优势明显，虽然其发挥出一定成效，但仍然存在一些不足之处，比如国内的小型线性压缩机的质量与国外具有明显的差别，主要差别在加工装配工艺以及材料上，在国内研究线性压缩机的柔性板弹簧较少，在线性压缩机的间隙密封损失的研究中还在理论阶段。应该重视上述提及到的相关问题，在实验阶段的研究还需完善，以便提高线性压缩机的性能。总之，在线性压缩机中逐渐向民用方向发展，在空调、冰箱等制冷设备中广泛应用，体现出广泛的市场前景。还要在未来的研究中充分考虑实际情况，在设计研究中详细分析经济性、工况条件以及用途、技术等情况，让线性压缩机在不同区域展示出强大功能。

参考文献：

[1] 余文辉,张安阔,韩一楠,等. 线性压缩机研究进展[J]. 流体机械,2022,50(2):75-82.

[2] 陈洪月,张站立,刘先阳,等. 线性压缩机盘簧及组件性能分析[J]. 中国机械工程,2022,33(8):908-914.

[3] 陈洪月,张站立,王鑫,等. 制冷线性压缩机盘簧研究[J]. 机械工程学报,2022,58(3):167-176.

[4] 李诚展,李建国,孙建,等. 无油线性压缩机的频率特性和活塞偏移特性研究[J]. 振动与冲击,2021,40(3):139-146.

[5] 曹海山,孟庆航,童欣,等. 线性压缩机驱动的混合工质微型节流制冷机[J]. 制冷学报,2022,43(1):74-80.