一种双气浮活塞结构的直线振荡压缩式制冷机

1.本实用新型涉及回热式低温制冷机技术领域，尤其是指一种双气浮活塞结构的直线振荡压缩式制冷机。


背景技术：

2.小型回热式低温制冷机结构紧凑，单位质量功率密度高，低温下制冷效率高，制冷工质环保并且制冷量容易调节，其中采用自由活塞直线电机驱动的低温制冷机消除了曲柄连杆这一运动部件，同时具有结构简单、运行噪声小，振动量级低寿命长以及可靠性高等优点，因此在航空航天、高温超导、红外探测、生物医药领域有着广泛的应用。
3.现有的小型斯特林循环制冷机普遍采用旋转式或曲柄连杆式压缩机驱动，压缩机活塞与气缸之间的径向力导致压缩机振动和噪声较大；另外制冷机膨胀机中的排出器与膨胀气缸之间的间隙密封在工艺精度发生微小偏差时存在磨损，导致制冷效率降低。
4.现有的旋转式或曲柄连杆式压缩机驱动的斯特林制冷机，振动噪声较大，运行寿命低。
5.此外，现有具备气浮活塞结构的直线驱动斯特林制冷机多为回热器与排出器一体化结构设计，增加了动子“质量
‑
弹簧
‑
阻尼”系统设计的难度，对于结构轻便紧凑的机型，当制冷量要求增大时，蓄冷器中回热填料的增加会导致排出活塞动子质量增大，无法是制冷机在高频下运行，使得功率密度受到较大的限制，这些都制约着紧凑型大冷量斯特林制冷机的应用于推广。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种双气浮活塞结构的直线振荡压缩式制冷机。
7.本实用新型所采用的技术方案如下：
8.一种双气浮活塞结构的直线振荡压缩式制冷机，包括法兰连接的膨胀机和线性压缩机；所述膨胀机包括回热器；所述回热器包括环形的蓄冷器外壳；所述蓄冷器外壳内安装膨胀气缸；所述膨胀气缸内设置同轴心的排出器活塞；所述排出器活塞和所述蓄冷器外壳间隙配合；所述排出器活塞的一端为空心结构的排出活塞密闭腔；所述排出活塞密闭腔通过密封块与排出活塞气浮储气腔隔断；所述排出活塞气浮储气腔和所述膨胀气缸之间间隙密封；
9.所述线性压缩机包括压缩气缸和动力机构；所述压缩气缸包括压缩活塞体；所述压缩活塞体和所述压缩气缸之间间隙密封接触；所述排出器活塞的另一端穿过所述压缩活塞体；所述压缩活塞体包括前气浮腔室和后气浮腔室；所述前气浮腔室通过压缩腔侧储气室堵头与所述压缩活塞体紧配形成第一储气腔；所述后气浮腔室通过背压腔侧储气室堵头与所述压缩活塞体紧配形成第二储气腔；
10.所述动力机构包括内磁极、永磁体、导线圈和外磁极；所述内磁极和所述外磁极沿
中轴线周向设置，且两者在所述永磁体内外形成磁通回路；所述导线圈固定于所述外磁极中；所述永磁体为运动部件，将所述永磁体与所述压缩活塞体相连形成整体动子部件，所述永磁体产生的磁场与所述导线圈产生的交变磁场相互耦合作用，产生轴向驱动力推动所述压缩活塞体在所述压缩气缸内做往复振荡直线运动。
11.其进一步的技术特征在于：所述蓄冷器外壳的一端插入狭缝冷头，且所述膨胀气缸的端面沿其周向开设多条通直槽，所述狭缝冷头和所述通直槽连通。
12.其进一步的技术特征在于：所述膨胀气缸通过胶粘连接膨胀气缸套筒；所述蓄冷器外壳和所述膨胀气缸套筒之间填充回热材料。
13.其进一步的技术特征在于：所述排出器活塞包括一体成型的第一段和第二段；所述第一段的外径大于所述第二段的外径；所述第一段通过胶粘连接排出活塞衬套；所述第二段穿过所述压缩活塞体的中心轴孔。
14.其进一步的技术特征在于：所述排出器活塞的一端通过紧固元件与膨胀活塞板弹簧固定连接。
15.其进一步的技术特征在于：所述排出活塞气浮储气腔内安装止回阀。
16.其进一步的技术特征在于：所述第一储气腔的内部和所述第二储气腔的内部分别沿各自的周向内表面设置开槽螺钉。
17.其进一步的技术特征在于：所述压缩活塞体的一端设置悬臂式板弹簧。
18.其进一步的技术特征在于：所述线性压缩机还包括压缩机外壳；所述压缩机外壳内安装所述压缩气缸和所述动力机构；所述压缩机外壳的一侧安装制冷机尾盖，且所述制冷机尾盖的内部和所述压缩机外壳连通；所述制冷机尾盖安装充气阀。
19.其进一步的技术特征在于：所述制冷机尾盖的一侧设置被动减振机构；所述被动减振机构包括在制冷机尾盖上固定减振板弹簧支架，减振板弹簧支架上安装减振部件；所述减振部件包括通过锁紧元件连接的多个减振板弹簧和配重块；所述减振部件通过减振紧固件与所述制冷机尾盖固定连接。
20.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
21.1、双气浮活塞结构。本实用新型的压缩活塞体和排出器活塞均采用静压气浮轴承结构，具有活塞动态运行下偏心的自适应调节的功能，可以提高制冷机的寿命和可靠性。
22.2、环形蓄冷器和排出活塞密闭储气腔结构。区别于现有的气浮活塞结构斯特林制冷机蓄冷器与排出活塞做成一体的结构形式，将热力设计与动力设计独立开来，提高了设计的便捷性和适应性；同时排出器活塞内部密闭腔用脂类挥发性胶水排出空气，消除了空气的对流导热造成的冷量损失。
23.3、双储气腔压缩活塞气浮结构。压缩活塞同时具有两个静压储气腔，使径向气体支撑力沿轴向分布更为均匀。
24.4、板弹簧组减振结构。采用悬臂板弹簧组件和环形配重块组合结构的被动减振系统，降低了制冷机轴向长度，使其体积更为紧凑。
附图说明
25.为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
26.图1是本实用新型的结构示意图。
27.图2是本实用新型的主视图。
28.图3是本实用新型的剖面图。
29.图4是本实用新型的工作原理示意图。
30.说明书附图标记说明：1、狭缝冷头；2、蓄冷器外壳；3、膨胀气缸套筒；4、排出活塞衬套；5、排出活塞密闭腔；6、密封块；7、排出活塞气浮储气腔；8、止回阀；9、真空室外接法兰；10、法兰连接块；11、导流筛；12、膨胀气缸；13、热端散热块；14、气缸基座；15、压缩气缸；16、排出器活塞；17、压缩活塞体；18、压缩腔侧储气室堵头；19、压缩活塞密封套管；20、背压腔侧储气室堵头；21、压缩活塞芯环；22、悬臂式板弹簧；23、板弹簧锁紧螺母；24、板弹簧垫圈；25、排出活塞板弹簧；26、内磁极；27、永磁体；28、永磁体托架；29、导线圈；30、外磁极；31、板弹簧支架；32、压缩机外壳；33、充气阀；34、制冷机尾盖；35、引线孔；36、减振紧固件；37、减振板弹簧支架；38、配重块；39、减振板弹簧；40、锁紧元件。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
32.关本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。
33.图1是本实用新型的结构示意图，图2是本实用新型的主视图，图3是本实用新型的剖面图。结合图1～图3，一种双气浮活塞结构的直线振荡压缩式制冷机，包括膨胀机、线性压缩机、被动减振机构和支撑机构。膨胀机和线性压缩机法兰连接。膨胀机包括回热器。回热器包括环形的蓄冷器外壳2，蓄冷器外壳2的外壁套设真空室外接法兰9。蓄冷器外壳2的材质为不锈钢。
34.支撑机构包括气缸基座14，真空室外接法兰9通过法兰连接块10和热端散热块13与气缸基座14连接，且真空室外接法兰9和气缸基座14之间设置导流筛11。导流筛11上开设多个第一通孔。
35.狭缝冷头1插入蓄冷器外壳2中并在外周进行钎焊密封，具体地，狭缝冷头1为紫铜材质，狭缝冷头1的内部通过线切割加工多条直槽，然后插入不锈钢材质的蓄冷器外壳2中，并在狭缝冷头1的外周进行钎焊密封。本实施例中，狭缝冷头1的内部通过线切割加工32条宽度0.35mm的直槽。
36.膨胀气缸12与膨胀气缸套筒3通过胶粘连接，膨胀气缸套筒3为不锈钢材质。本实施例中，膨胀气缸12与膨胀气缸套筒3通过清水样环氧树脂胶水进行胶粘连接。
37.蓄冷器外壳2和膨胀气缸套筒3之间填充体积热容较大的回热材料，回热材料为随机纤维填充，随机纤维为不锈钢丝绒或pc丝或丙纶纤维，大大降低了装配过程中的人力成本。本实施例中，蓄冷器外壳2和膨胀气缸套筒3之间采用孔隙率为0.65的不锈钢丝绒填充。
38.膨胀气缸12的一端沿周向加工有多条通直槽，膨胀气缸12的的材质为不锈钢。本实施例中，膨胀气缸12上的一端沿周向加工有96条宽度0.4mm的通直槽。
39.膨胀气缸12内设置同轴心的排出器活塞16。排出活塞16为铝合金材质，表面镀金刚石粉末以加强硬度和耐磨性。排出器活塞16和蓄冷器外壳2间隙配合。排出器活塞16的一端为空心结构的排出活塞密闭腔5。排出活塞密闭腔5通过密封块6与排出活塞气浮储气腔7隔断，且排出活塞密闭腔5中填充挥发性的脂类胶水以排出驻留空气。排出活塞气浮储气腔7和膨胀气缸12之间间隙密封，具体地，排出活塞气浮储气腔7与膨胀气缸12间隙密封之间通过具有微细通孔的螺钉作为小孔节流阀连通。排出活塞气浮储气腔7内安装止回阀8。
40.排出活塞气浮储气腔7里的气体和第一储气腔以及第二储气腔里面的气体可连通，且设置止回阀8。止回阀8在外界压力很高的时候，第一储气腔和第二储气腔里的气体就可以顶开止回阀8，此时向排出活塞气浮储气腔7里面充气；当排出活塞气浮储气腔7里面的气体的压力高于压缩腔内的压力的时候，止回阀8就会关闭，能保证排出活塞气浮储气腔7里面有足够的压力，然后从径向的小孔节流阀的中间仅通过截流，然后产生一个径向的气体支撑力，去维持压缩活塞体17从偏心回到中心。
41.排出器活塞16包括一体成型的第一段和第二段。第一段的外径大于第二段的外径。第一段通过胶粘连接排出活塞衬套4，排出活塞衬套4的材质为pvc工程塑料。第二段穿过压缩活塞体17的中心轴孔。
42.排出器活塞16的一端通过紧固元件与排出活塞板弹簧25固定连接。本实施例中，紧固元件为螺钉，排出活塞板弹簧25的厚度为1.5mm，且排出活塞板弹簧25镂空型线为阿基米德螺旋线型。
43.线性压缩机包括压缩气缸15和动力机构。压缩气缸15上设置多个第二通孔，第二通孔和导流筛11上的第一通孔一一对应。本实施例中，压缩气缸15上设置二十个周向均布第二通孔，对应地，导流筛11上开设二十个第一通孔。
44.压缩气缸15包括压缩活塞体17。压缩活塞体17和压缩气缸15之间间隙密封接触。排出器活塞16的另一端穿过压缩活塞体17。压缩活塞体17包括前气浮腔室和后气浮腔室。前气浮腔室通过压缩腔侧储气室堵头18与压缩活塞体17紧配形成第一储气腔。后气浮腔室通过背压腔侧储气室堵头20与压缩活塞体17紧配形成第二储气腔。第一储气腔的内部和第二储气腔的内部分别沿各自的周向内表面设置开槽螺钉。本实施例中，第一储气腔的内部和第二储气腔的内部分别沿各自的周向内表面设置四个均布的开槽螺钉结构的节流孔，开槽螺钉结构的节流孔分别为第一储气腔和第二储气腔的径向气浮支撑力，使压缩活塞体17的受力更为均匀。
45.压缩活塞体17的一端设置悬臂式板弹簧22。本实施例中，悬臂式板弹簧22的厚度为1mm。压缩活塞体17用悬臂式板弹簧22提供轴向往复振荡的回复力，压缩活塞体17和悬臂式板弹簧22通过压缩活塞芯环21和板弹簧锁紧螺母23螺栓固定连接。
46.悬臂式板弹簧22和排出活塞板弹簧25通过具有合适厚度的板弹簧垫圈24进行外周螺栓连接固定，板弹簧垫圈24的厚度根据悬臂式板弹簧22和排出活塞板弹簧25两种板弹簧轴向最大行程综合确定以保证在运行过程中不会发生碰撞干涉。本实施例中，板弹簧垫圈24的厚度为10mm。
47.动力机构包括内磁极26、永磁体27、导线圈29和外磁极30。内磁极26和外磁极30沿中轴线周向设置，且两者在永磁体27内外形成磁通回路。永磁体27通过永磁体托架28支承。导线圈29固定于外磁极30中。永磁体27为运动部件，将永磁体27与压缩活塞体17相连形成
整体动子部件，永磁体27产生的磁场与导线圈29产生的交变磁场相互耦合作用，产生轴向驱动力推动压缩活塞体17在压缩气缸15内做往复振荡直线运动。
48.线性压缩机采用直线振荡电机驱动，电机中有一个包含若干匝数的导线圈29，且为周向缠绕；再者，八组沿周向分布的瓦片状永磁体27采用内嵌式布置的结构，可以使永磁体27在圆筒状永磁体托架28中具有更好的机械强度，解决了传统电机永磁体组表贴式容易脱落的缺陷；并且采用沿中轴线周向布置的内磁极26和外磁极30在永磁体27内外形成磁通回路，使得永磁体27在往复直线振荡过程中切割磁感线产生周期交变的轴向电磁力，对于外磁极30采用硅钢片的情况，可以采用八组叠装工艺，依次与八组瓦片状永磁体27对应，大大减少了涡流损失。
49.线性压缩机还包括压缩机外壳32。压缩机外壳32内安装压缩气缸15和动力机构。压缩机外壳32的一侧安装制冷机尾盖34，且制冷机尾盖34的内部和压缩机外壳32连通。制冷机尾盖34安装充气阀33，可通过充气阀33向压缩机内部提供密闭的承压空间。
50.悬臂式板弹簧22和排出活塞板弹簧25通过板弹簧支架31与外磁极30进行连接，并通过周向均布长螺钉将板弹簧支架31固定在气缸基座14上，同时压紧外磁极30，保证电机的结构稳定性。
51.制冷机尾盖34的一侧设置被动减振机构。被动减振机构包括在制冷机尾盖34上固定减振板弹簧支架37，减振板弹簧支架37上安装减振部件。减振部件包括通过锁紧元件40连接的多个减振板弹簧39和配重块38，锁紧元件40可以为长螺钉。减振部件通过减振紧固件36与制冷机尾盖34固定连接。压缩机外壳32、制冷机尾盖34和气缸基座14通过激光焊接密封连接。制冷机尾盖34的底部开设引线孔35，引线孔35的设置便于制冷机的电路走线。当制冷机运行在60hz时，被动减振机构可以发挥最佳减振效果。
52.图4是本实用新型的工作原理示意图。本实用新型的工作原理如下：
53.1、等温压缩；初始状态下，排出器活塞16和压缩活塞体17相对静止。动力机构通电，永磁体27产生的磁场与导线圈29产生的交变磁场相互耦合作用，产生轴向驱动力推动压缩活塞体17在压缩气缸15内做向左移动，向左移动的过程中压缩腔内的气体就会受压，受压的同时，气体热量能及时的通过热端散热块13导出。高温气体沿蓄冷器外壳2和膨胀气缸套筒3之间的流道流动，由于蓄冷器外壳2和膨胀气缸套筒3之间填充回热材料，回热材料可以吸收高温气体的热量，降低高温气体的温度，以获得低温。通过导流筛11进入回热器内。
54.2、等容放热；压缩活塞体17在继续压缩的过程中，排出器活塞16受到线性压缩机内的压缩腔的压力增高也会移动，此时排出器活塞16和压缩活塞体17就会一起向左移动，回热器内的腔体和排出活塞密闭腔5就会维持一个整容状态，同时也会就是进行一个放热过程，即气体向回热填料的放热过程。
55.3、等温膨胀；此时压缩活塞体17向左运动至极限位置后，压缩活塞体17向右运动，排出器活塞16的相位较压缩活塞体17的相位落后，排出器活塞16继续向左运动，导致压缩腔内的气体压力较低。排出器活塞16的冷端的气体吸完热之后，气体就会向压缩腔流动，因为此时排出器活塞16的冷端的膨胀腔内的压力大，压缩腔的压力小，气体就从膨胀腔再重新返回到压缩腔中。
56.4、等容吸热；压缩活塞体17继续向右运动，此时排出器活塞16已经达到了左侧的
极限位置，排出器活塞16也要往右运动，此时排出器活塞16和压缩活塞体17的运动方向就同时向右，此时压缩腔内容积又不变了。双气浮活塞结构的直线振荡压缩式制冷机产生制冷之后的，回热材料吸收了外界的热量，温度变化，再从排出器活塞16的冷端开始，沿原来的流向再返回，气体经过回热器时，在回热器内吸收，原先回热器的回热材料吸收的热量就相当于气体向回热器的回热材料放热，那它这个气体回来的时候就变成气体，从回热材料吸热，实现了回热器里的回热材料往复吸热放热的过程，再重新回到压缩腔，完成一个循环。
57.5、当等容吸热过程结束的时候，线性压缩机的压缩活塞体17恰好又回到了一个周期之前，即最初平衡位置，排出器活塞体16也回到了平衡位置，此时已经完成的一个完整循环，然后气体就会重新沿着蓄冷器外壳2和膨胀气缸套筒3之间的流道再进行下一个循环。
58.在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
59.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。