专利名称：一种油润滑的压力波发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于制冷与低温技术领域，具体地说是涉及一种可用于驱动各类回热式制冷机(包括斯特林制冷机、脉冲管制冷机和热声制冷机)的油润滑的压力波发生器。
背景技术：
诸如斯特林制冷机、脉冲管制冷机和热声制冷机之类的电驱动的回热式制冷机都需要使用一个无阀的压缩机来驱动制冷。通过压缩机的活塞在汽缸内高速往复运动，可以产生一定频率(10～100Hz，或更高)的压力波来驱动制冷机，所以无阀的压缩机也称为压力波发生器。现有的用于驱动各类回热式制冷机的压力波发生器一般都不能采用润滑油进行工作。这是由于如果使用了润滑油，很难避免润滑油进入制冷机；而进入制冷机的润滑油会由于增加了流动阻力和降低了传热性能，使得这些制冷机的性能下降，特别是工作在低温下的制冷机还会因为润滑油冻结堵塞流道而不能工作。
目前，典型的应用在回热式低温制冷机上的无油润滑的压力波发生器如图1所示由直线电动机驱动的压力波发生器，主要包括直线电动机1、轴2、活塞3、活塞环4、和气缸5；以及图2所示的由旋转电动机驱动的压力波发生器，主要包括曲轴箱10、曲轮11、活塞3、活塞环4、汽缸5。这两类无油润滑的压力波发生器由于汽缸-活塞之间无油润滑，将导致如下问题(1)由于汽缸-活塞之间的干摩擦，导致其可靠性极差。目前，常见的通过旋转电机带动曲柄-连杆产生往复运动而产生压力波的压力波发生器的平均寿命仅在数千小时的量级；(2)或者，为了减少因无油润滑带来的干摩擦从而降低系统效率的问题，通常其气缸、活塞需要采用特殊的材料，精密的加工等，由此导致其制作成本相对很高。由此最终导致了尽管回热式制冷机有很多优点，但目前仍然没有得到大规模的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的用于驱动各类回热式制冷机的压力波发生器如果使用了润滑油，很难避免润滑油进入制冷机；而不采用润滑油将导致其可靠性差、压缩机的平均寿命短、制作成本高的缺陷，从而提供一种可靠性高、压缩机的平均寿命长、制作成本低的油润滑的压力波发生器。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的油润滑的压力波发生器，包括一个电动机，一个气缸，及由电动机驱动在气缸内做往复运动的活塞，活塞-汽缸间隙处采用活塞环密封，还包括一个位于汽缸-活塞前方的弹性膜；和一个油润滑系统，该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞-汽缸间隙的输油管，和安装在输油管道中的油泵。
所述的弹性膜为高弹性的有机材料或金属材料制得的膜片，所述的有机材料为氟橡胶、乳胶、天然橡胶等，所述的金属材料则为铍青铜、磷青铜、弹性不锈钢材料等，它们的厚度和直径的大小根据所在截面的体积流量和弹性材料的疲劳极限加以设计。通常，弹性膜的材料厚度在0.2～5mm之间，而其直径则根据其弹性膜的许用位移大于该截面处的气体运动位移。
所述的电动机为旋转式电动机和往复直线电动机。
所述的旋转式电动机的曲柄连杆机构可以是单作用式，或是菱形结构的双作用式。
所述的往复直线电动机可以是单个压缩机，或是对置式布置的双压缩机。
所述的往复直线电动机可以为动圈式、动磁式、或动铁式。
与现有的技术相比，本发明提供的油润滑的压力波发生器的关键在于使用了一种高弹性膜，它既可以有效地将压缩机的机械功以声波的形式传递到制冷系统，又可以阻止压缩机中的润滑油进入到制冷系统，因此，该技术将使现有的回热式制冷技术在保持原有的高效环保的同时，使其可靠性得到大幅度提高，且制作成本得到很大的降低。
本发明使用的高弹性膜可以有效地将压缩机的机械功以声波的形式传递到制冷系统，其原理在于假设弹性膜片两侧的压力为p1和p2，弹性膜片的质量为m，弹性系数为K，弹性膜片的横截面积为A，则有(p1-p2)A＝Kx+mx″(1)其中x为弹性膜片的位移量，x″为位移对时间的二阶导数即加速度。
将p1、p2、x以简谐形式p1＝P1·ejωtp2＝P2·ejωtx＝X·ejωtx″＝-ω2·X·ejωt其中P1、P2、X分别为各简谐量的幅值，ω为角频率，代入(1)式可以进一步写成如下形式(P1-P2)A＝(K-mω2)X (2)从上式可以看出，如果弹性膜的弹性很好，则意味着弹性膜的刚度系数K趋于0；此外，若膜片的质量很轻，则质量m也趋于0，这样，极限的情况下就可得出膜片两侧的压力P1、P2完全相同。实际上，与膜两侧的气体压力相比，由膜片的弹性和质量所引起的贡献很小(两个量级以下)，所以可认为膜片传递声波的能力与气体完全相同。
另外，本发明提供油润滑的压力波发生器还具有如下的优点(1)由于润滑的效果，使压缩机的寿命大大提高；(2)可以降低压缩机的机械加工难度，降低成本；(3)减小了摩擦损失，可提高压缩机的机电效率。因此，本发明将为回热式低温制冷机(包括斯特林制冷机、脉冲管制冷机以及热声制冷机等)提供高一种可靠、低成本的高效压力波发生器。
图1为直线电动机驱动的无油润滑的压力波发生器的示意图；图2为旋转电动机驱动的无油润滑的压力波发生器的示意图；图3是实施例1的旋转电动机驱动的油润滑的压力波发生器的示意图；图4是实施例2的双旋转电动机驱动的油润滑的压力波发生器的示意图；图5是实施例3的往复直线电动机驱动的油润滑的压力波发生器的示意图；图6是实施例4的双往复直线电动机驱动的油润滑的压力波发生器的示意图；其中，1电动机，2轴，3活塞，4活塞环，5气缸，6弹性膜，7输油管，8油泵，10曲轴箱，11曲轮，112曲轮，12连杆，122连杆，14连接杆。
具体实施例方式
实施例1、一种单个旋转电动机驱动的油润滑的压力波发生器一种本发明提供的油润滑的压力波发生器，如图3所示，其为使用单作用式的旋转电动机，通过曲轴箱10中的曲轮11转动，带动连杆12驱动活塞3在气缸5内做往复运动，产生压力波动，活塞-汽缸间隙处采用活塞环4密封，还包括一个位于汽缸-活塞前方的氟橡胶材料的弹性膜6，以形成使得活塞3可以在其间往复运动的压缩气缸。活塞往复运动产生的声波通过弹性膜6的作用将机械能以声波的形式输送到与之相连的制冷系统，由于该弹性膜6的作用，汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。
该油润滑的压力波发生器还包括一个油润滑系统，该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞-汽缸间隙的输油管7，和安装在输油管道中的齿轮泵8；齿轮泵8连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到活塞-汽缸间隙处的活塞环4处，使活塞环得到良好润滑，而活塞端面积累的润滑油则通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。由于活塞前面的弹性膜6的作用，润滑油将不会进入制冷系统内部。
该油润滑的压力波发生器采用氦气作为工质，工作压力为10～30bar，工作频率为10～60Hz。
实施例2、一种双旋转电动机驱动的油润滑的压力波发生器一种本发明提供的油润滑的压力波发生器，如图4所示，其为由两个旋转式电机带动活塞作往复直线运动，两个电机对置式放置，这样可以消除除活塞运动方向以外的其他力，同时也增大了带动活塞运动的力。通过曲轴箱10中的2个曲轮11和112转动，带动其上的连杆12和122，连杆12和122再通过与之相接的连接杆14驱动活塞3在气缸5内做往复运动，产生压力波动，活塞-汽缸间隙处采用活塞环4密封，还包括一个位于汽缸-活塞前方的铍青铜的弹性膜6，以形成使得活塞3可以在其间往复运动的压缩气缸。活塞往复运动产生的声波通过弹性膜6的作用将机械能以声波的形式输送到与之相连的制冷系统，由于该弹性膜6的作用，汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。
该油润滑的压力波发生器还包括一个油润滑系统，该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞-汽缸间隙的输油管7，和安装在输油管道中的齿轮泵8；齿轮泵8连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到活塞-汽缸间隙处的活塞环4处，使活塞环得到良好润滑，而活塞端面积累的润滑油则通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。由于活塞前面的弹性膜6的作用，润滑油将不会进入制冷系统内部。
该油润滑的压力波发生器采用氦气作为工质，工作压力为10～30bar，工作频率为50～60Hz。
实施例3、一种单个往复直线电动机驱动的油润滑的压力波发生器一种本发明提供的油润滑的压力波发生器，如图5所示，其为使用往复直线电动机(动圈式，动磁式，动铁式)，通过轴2驱动活塞3在气缸5内做往复运动，产生压力波动，活塞-汽缸间隙处采用活塞环4密封，还包括一个位于汽缸-活塞前方的天然橡胶制作的弹性膜6，以形成使得活塞3可以在其间往复运动的压缩气缸。活塞往复运动产生的声波通过弹性膜6的作用将机械能以声波的形式输送到与之相连的制冷系统，由于该弹性膜6的作用，汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。
该油润滑的压力波发生器还包括一个油润滑系统，该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞-汽缸间隙的输油管7，和安装在输油管道中的齿轮泵8；齿轮泵8连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到活塞-汽缸间隙处的活塞环4处，使活塞环得到良好润滑，而活塞端面积累的润滑油则通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。由于活塞前面的弹性膜6的作用，润滑油将不会进入制冷系统内部。
该油润滑的压力波发生器采用氦气作为工质，工作压力为10～30bar，工作频率为10～100Hz。
实施例4、一种对称布置的双往复直线电动机驱动的油润滑的压力波发生器一种本发明提供的油润滑的压力波发生器，如图6所示，其为使用2个对置式布置的往复直线电动机(动圈式，动磁式，动铁式)分别直接带动活塞作往复直线运动，即通过轴2驱动活塞3在气缸5内做往复运动，产生压力波动，活塞-汽缸间隙处采用活塞环4密封，还包括一个位于汽缸-活塞前方的成波浪形状的铍青铜弹性膜6，以形成使得活塞3可以在其间往复运动的压缩气缸。活塞往复运动产生的声波通过弹性膜6的作用将机械能以声波的形式输送到与之相连的制冷系统，由于该弹性膜6的作用，汽缸-活塞之间的润滑油将不会进入到制冷系统。
该油润滑的压力波发生器还包括一个油润滑系统，该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞-汽缸间隙的输油管7，和安装在输油管道中的齿轮泵8；齿轮泵8连续不断地将压缩机腔体底部的润滑油泵送到活塞-汽缸间隙处的活塞环4处，使活塞环得到良好润滑，而活塞端面积累的润滑油则通过重力和气体的作用返回到压缩机腔体底部，重新进行循环。由于活塞前面的弹性膜6的作用，润滑油将不会进入制冷系统内部。
该油润滑的压力波发生器采用氦气作为工质，工作压力为10～30bar，工作频率为10～100Hz。
对置式放置的直线电机可以加大产生压力波的能力，根据输出压力波的要求，可以对称放置两个直线电机。
权利要求
1.一种油润滑的压力波发生器，包括一个电动机，一个气缸，及由电动机驱动在气缸内做往复运动的活塞，活塞—汽缸间隙处采用活塞环密封，其特征在于还包括一个位于汽缸-活塞前方的弹性膜；和一个油润滑系统，该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞—汽缸间隙的输油管，和安装在输油管道中的油泵。
2.如权利要求1所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的弹性膜为高弹性的有机材料或金属材料制得的膜片。
3.如权利要求1或2所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的弹性膜为氟橡胶、乳胶、或天然橡胶制得的膜片。
4.如权利要求1或2所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的弹性膜为铍青铜、磷青铜、或不锈钢材料制得的膜片。
5.如权利要求1所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的电动机为旋转式电动机和往复直线电动机。
6.如权利要求5所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的旋转式电动机的曲柄连杆机构是单作用式，或是菱形结构的双作用式。
7.如权利要求5所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的往复直线电动机是单个压缩机，或是对置式布置的双压缩机。
8.如权利要求5所述的油润滑的压力波发生器，其特征在于所述的往复直线电动机为动圈式、动磁式、或动铁式。
全文摘要
本发明涉及一种可用于驱动各类回热式制冷机的油润滑的压力波发生器，包括电动机，气缸，及由电动机驱动在气缸内做往复运动的活塞，活塞－汽缸间隙处采用活塞环密封，位于汽缸－活塞前方的弹性膜；和油润滑系统。该油润滑系统包括盛装在压缩机腔体底部的润滑油，连通压缩机腔体底部与活塞－汽缸间隙的输油管，和安装在输油管道中的油泵。与现有技术相比，本发明的关键在于使用了一种高弹性膜，它既可以有效地将压缩机的机械功以声波的形式传递到制冷系统，又可以阻止压缩机中的润滑油进入到制冷系统，因此，该技术将使现有的回热式制冷技术在保持原有的高效环保的同时，使其可靠性得到大幅度提高，且制作成本得到很大的降低。
文档编号F04B39/04GK1676928SQ200510011628
公开日2005年10月5日 申请日期2005年4月25日 优先权日2005年4月25日
发明者罗二仓, 戴巍, 余国瑶, 吴剑峰 申请人:中国科学院理化技术研究所