CN101892971B - 采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机。其主要组件为四个部分：分别是压缩机组件，直线电机组件，活塞组件和支撑系统组件。压缩机包括机座，压缩机壳体，压缩机气缸，排气孔口和吸气孔口；直线电机包括内轭铁，外轭铁，永磁体，防撞垫圈和线圈骨架及其上面的线圈；活塞包括活塞主轴，活塞头；支撑系统包括两组不同型线结构的板弹簧组和连接架。此结构的特点是：在活塞头质量较轻一端采用蜗旋型式的板弹簧支撑活塞轴组件，在活塞头这端采用蜗旋臂板弹簧支撑活塞头在气缸中运动，保证间隙密封；活塞组件后端采用直线臂板弹簧为这端较大的质量运动提供较好的支撑，减少板弹簧的数量，节省压缩机的体积。

Description

采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机

技术领域

本发明涉及直线压缩机，尤其涉及一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机。

背景技术

直线压缩机在低温工程中为斯特林制冷机、脉管制冷机等提供动态压力波，为整个制冷循环提供动力。低温制冷机在航天、军事、低温电子学低温电子学、低温医学、气象、气体液化等诸多领域有着重要的应用，这些应用场合对低温制冷机的可靠性、低振动和长寿命提出越来越严格的要求。其中压缩机工作的稳定性、工作过程中的长寿命和压缩机的体积是制冷机发展中的主要瓶颈。对于传统曲柄连杆机构驱动的压缩机系统，由于活塞与气缸之间存在摩擦，产生了垂直于活塞运动方向的侧向力，长期工作在这种状态下的活塞和气缸容易产生较大的磨损，使得制冷机性能恶化，产生较大的振动，限制了其在空间和红外等领域的应用。线性压缩机采用直线电机驱动，将电磁力直接转化为活塞往复运动的驱动力，避免了由曲柄连杆机构转化所带来的损失，由于活塞运动方向和气缸平行，不存在活塞和气缸之间的侧向力，因此，可使压缩机工作寿命提高，振动减小，噪声相比旋转压缩机也有较大的降低。线性压缩机采用新型的板弹簧支撑技术和无油润滑技术，为压缩机稳定工作提供可靠的保障。柔性板弹簧为活塞提供径向支撑和轴向自由的往复运动，较大的径向刚度，使活塞运动中不会上下晃动而产生径向位移，避免了活塞和气缸之间的直接接触；板弹簧的轴向刚度远小于其径向刚度，可以使活塞在气缸中自由运动。间隙密封技术代替了传统的活塞环部件，活塞和气缸之间的无接触避免了磨损的发生，同时运动中可保证压缩腔和背压腔之间的密封，使系统工作稳定。因此，线性压缩机可满足高可靠性、低振动、低噪声和长寿命的应用要求。

直线压缩机多采用板弹簧板弹簧支撑系统为活塞提供支撑，保证活塞和气缸之间的间隙密封的要求，提高压缩机的效率。

板弹簧组件同样可以为压缩机活塞轴提供轴向刚度，保证压缩机在工作的过程中不会产生较大的震动。

采用无油润滑间隙密封方法可以有效防止压缩机在工作过程中不会有润滑油进入气缸，污染工质气体。

经文献搜索发现，中国发明专利申请公开号：1585857A.名称为直线压缩机，该发明自述为：本发明涉及的直线压缩机，由气缸、活塞、缸体端面、构成直线电动机部分的可动部分及固定部分、螺旋弹簧和端盖部分、支撑机构部分、密封容器等构成。缸体内形成有进行气体压缩的压缩室。弹簧机构构件的弹簧构件由具有一定弹簧刚性的螺旋弹簧构成。在螺旋弹簧被最大压缩时，通过确保活塞的端面和上述缸体端面之间的间隙，可以限制直线压缩机的活塞的振幅。该发明虽然利用螺旋弹簧作为压缩机活塞的支撑部件，但是螺旋弹簧作为支撑部件不能保证活塞在径向方向上不产生偏移，无法保证活塞和气缸之间不产生磨损。

公开号为1330223A，名称为“直线压缩机”的专利申请，其自述为：直线压缩机包括一个具有法兰和圆筒形部的气缸由一支撑机构支撑在气密容器内，一个沿着轴向可移动地支撑机构支撑在气密容器内，一个沿着轴向可移动地支撑在圆筒形部内的活塞，一个将轴向力施加给活塞的弹簧件，和一个直线电动机，其定子固定在气缸的法兰上并设置在圆筒形部外周的周围，其移动件与活塞连接。其时再定子和圆筒形部之间形成一个空间。该装置采用弹簧件支撑活塞组件，但只用到了一组板弹簧组件支撑压缩机活塞，这种结构类似于悬臂结构，这种结构很难克服由于侧向力及重力对活塞的影响，从而引起活塞与气缸的侧向磨损。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，提供一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机。

采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机包括压缩机组件、直线电机组件、活塞组件和支撑系统组件；压缩机组件包括压缩机壳体、机架、气缸、排气孔口和充气孔口，压缩机壳体通过螺钉连接在压缩机机架上，接触面之间采用橡皮圈密封，气缸通过螺钉固定在机架上，采用双气缸对称布置，排气孔口和充气孔口分别位于压缩机机架的两端，气缸与活塞之间形成10～30um的间隔，直线电机通过螺钉固定在压缩机机架上面；直线电机组件包括外轭铁，内轭铁，永磁铁和移动线圈，外轭铁和内轭铁之间通过胶水粘帖永磁铁，内轭铁上面布置有防撞垫圈；活塞组件包括相连接的活塞头和活塞主轴；支撑系统组件包括蜗旋臂板弹簧组件，直线臂板弹簧组件和板弹簧连接架通过螺钉连接。蜗旋臂板弹簧组件包括蜗旋板弹簧，蜗旋板弹簧外垫圈，蜗旋板弹簧内垫圈，蜗旋板弹簧支架通过螺钉轴向固定在一起，直线臂板弹簧组件包括直线臂板弹簧，直线臂板弹簧外垫圈，直线臂板弹簧内垫圈，直线臂板弹簧支架通过螺钉轴向固定在一起；支撑系统组件通过螺钉固定在压缩机组件的机架上，直线电机组件由外轭铁通过螺钉和压缩机组件的机架固定在一起。活塞组件由螺钉和直线电机组件的线圈支架相互连接。

所述的蜗旋板弹簧和直线板弹簧采用的材料为：匝片不锈钢301。所述的蜗旋板弹簧为2～4片，两片蜗旋板弹簧之间通过蜗旋板弹簧外垫圈和蜗旋板弹簧内垫圈隔开。所述的直线臂板弹簧为1～3片，两片直线臂板弹簧之间通过直线臂板弹簧外垫圈和直线臂板弹簧内垫圈隔开。所述的永磁体采用多块平行取向的扇形永磁体拼接成的准辐射永磁路结构。所述的永磁体的材料为钕铁硼磁体。所述的压缩机组件中的机座和气缸为分开的两个零件由螺钉固定在机座上面。所述的线圈骨架是采用整体式结构。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)采用直线臂板弹簧悬挂系统支撑活塞组件，可以为活塞的线圈支架提供较大的轴向刚度和径向刚度；

2)用直线臂板弹簧支撑活塞后端较重的质量，因为直线臂板弹簧拥有较大的径向刚度；

3)采用蜗旋臂板弹簧支撑活塞头端，可以使此处的板弹簧的应力值得到降低；

4)采用两种型式的板弹簧支撑活塞组件，使得压缩机结构紧凑。

5)采用直线臂板弹簧和蜗旋臂板弹簧组件联合使用的方式可以使得弹簧组件系统的谐振频率提高，尽量的避免了压缩机系统的固有频率值。

附图说明

图1是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机结构示意图；

图2是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机一个实施实例的结构图；

图3采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机蜗旋臂板弹簧结构分解示意图；

图4是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机直线臂板弹簧结构分解示意图；

图5(a)是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机蜗旋臂板弹簧的应力分析示意图；

图5(b)是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机直线臂板弹簧的应力分析示意图；

图6是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机两种型式的板弹簧轴向刚度对比图；

图7是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机两种型式的板弹簧径向刚度对比图；

图8是采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机两种型式的板弹簧径轴刚度比图。

具体实施方式

下面根据图1-图8给出本发明的一个较好的实例，并且予以详细的描述，以使能更好的说明本发明的结构特征和功能特点，而不是用限定本发明的保护范围。

参阅图1和图2，采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机包括压缩机组件1、直线电机组件2、活塞组件3和支撑系统组件4；压缩机组件1包括压缩机壳体10、机架11、气缸12、排气孔口13和充气孔口14，压缩机壳体10通过螺钉连接在压缩机机架11上，接触面之间采用橡皮圈密封，保证压缩机背压侧的压力；气缸12通过螺钉固定在机架11上，采用双气缸对称布置，排气孔口13和充气孔口14分别位于压缩机机架11的两端，气缸与活塞之间形成10～30um的间隔，直线电机通过螺钉固定在压缩机机架上面；直线电机组件2包括外轭铁20，内轭铁21，永磁铁22和移动线圈23，外轭铁20和内轭铁21之间通过胶水粘帖永磁铁22，内轭铁21上面布置有防撞垫圈24，其主要防止活塞头在气缸中运动时的撞击现象发生，外轭铁20通过螺钉固定在压缩机机座11上，永磁体22为8块辐射状充磁的钕铁硼材料瓦片状永磁体，用胶水粘合在一起，组成一个整体式套圈形的永磁体22。内轭铁21同样采用胶水粘合在永磁体22上面用来固定。永磁体22处于外轭铁20和内轭铁21构成的磁场中。运动线圈23通过螺钉固定在活塞主轴上面。通过有限元分析电磁场，计算得出电机的基本几何参数，线圈23与外轭铁20之间的距离为0.5mm，线圈23与内轭铁之间的距离也是0.5mm，再根据磁路计算出永磁体22的厚度和宽度。片状的永磁体22通过径向充磁后，分别粘贴在外轭铁20的内筒处，尺寸与外轭铁的相应凹槽对应，共同与内轭铁21形成完整的磁路。外轭铁20、内轭铁21、永磁体22、可动线圈23保持同心。；活塞组件3包括相连接的活塞头30和活塞主轴31，这两个组件同心连接在一起，活塞头30的外端面有螺纹，活塞主轴的内端面也有螺纹同活塞头相互配合，紧固在一起。；支撑系统组件4包括蜗旋臂板弹簧组件40，直线臂板弹簧组件41和板弹簧连接架42通过螺钉连接。蜗旋臂板弹簧组件40包括蜗旋板弹簧43，蜗旋板弹簧外垫圈44，蜗旋板弹簧内垫圈45，蜗旋板弹簧支架46通过螺钉轴向固定在一起，直线臂板弹簧组件41包括直线臂板弹簧47，直线臂板弹簧外垫圈48，直线臂板弹簧内垫圈49，直线臂板弹簧支架50通过螺钉轴向固定在一起，蜗旋板弹簧支架46通过螺钉与活塞杆31相连，外端通过螺钉与机架11相连，固定在机架上面。直线臂板弹簧支架50的内圈通过螺钉与线圈骨架23相连接，外圈通过螺钉固定在线圈连接架42上。蜗旋臂板弹簧43的蜗旋线形成如图3所示。首先根据设计需要的刚度决定所需要的渐开线型线的几何参数，包括渐开角、基圆半径、渐开线起始角，柔性弹簧片的厚度等。然后由得到的型线，利用电火花切割或化学蚀刻的方法在不锈钢或是其他金属平板上面加工出蜗旋槽，最后根据外轭铁20和板弹簧连接架42接口的尺寸加工出通孔用于螺栓固定。多片蜗旋臂板弹簧43、蜗旋臂板弹簧外垫圈44，蜗旋臂板弹簧内垫圈45通过螺钉固定在蜗旋臂板弹簧支架46上；多片直线臂板弹簧47、直线臂板弹簧外垫圈48，直线臂板弹簧内垫圈49通过螺钉固定在直线臂板弹簧支架50上。弹簧支架46或50的长度根据所需要的柔性弹簧43或47的片数放一定的余量，将加工得到的柔性弹簧43或者47中间加上外垫圈外垫圈44或48，内垫圈45或49通过长螺钉固定于弹簧支架46或50上，所用的内外垫圈的数量与厚度都应该一一对应，从而保证柔性弹簧43或47不发生形变引起活塞组件3平衡位置的改变。；支撑系统组件4通过螺钉固定在压缩机组件1)的机架11上，直线电机组件2由外轭铁20通过螺钉和压缩机组件1的机架11固定在一起。活塞组件3)由螺钉和直线电机组件2的线圈支架23相互连接。

所述的蜗旋板弹簧43和直线板弹簧47采用的材料为：匝片不锈钢301。所述的蜗旋板弹簧43为2～4片，两片蜗旋板弹簧43之间通过蜗旋板弹簧外垫圈44和蜗旋板弹簧内垫圈45隔开。所述的直线臂板弹簧47为1～3片，两片直线臂板弹簧47之间通过直线臂板弹簧外垫圈48和直线臂板弹簧内垫圈49隔开。所述的永磁体22采用多块平行取向的扇形永磁体拼接成的准辐射永磁路结构。所述的永磁体22的材料为钕铁硼磁体。所述的压缩机组件1中的机座11和气缸10为分开的两个零件由螺钉固定在机座上面。所述的线圈骨架23是采用整体式结构。

本发明中：1.板弹簧组件40采用蜗旋型线结构，这种型式的板弹簧在轴向位移较大的时候得到的最大应力集中值相比于直线臂型式的板弹簧小，由于其处于靠近活塞端，采用这种型式的板弹簧更加有利于压缩机工作的时候不会由于板弹簧破裂而导致系统崩溃。2.活塞外端采用直线臂型式的板弹簧组件，这种型线的板弹簧的轴向刚度、径向刚度以及径轴刚度比都较大，较大的轴向刚度可以使压缩机系统稳定工作，较大的径向刚度可以保证活塞和气缸之间的间隙密封的要求。3.采用这两种型式的板弹簧组件，有利于节省压缩机的体积。

Claims (8)

1.一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于包括压缩机组件(1)、直线电机组件(2)、活塞组件(3)和支撑系统组件(4)；压缩机组件(1)包括压缩机壳体(10)、机架(11)、气缸(12)、排气孔口(13)和充气孔口(14)，压缩机壳体(10)通过螺钉连接在压缩机机架(11)上，接触面之间采用橡皮圈密封，气缸(12)通过螺钉固定在机架(11)上，采用双气缸对称布置，排气孔口(13)和充气孔口(14)分别位于压缩机机架(11)的两端，气缸与活塞之间形成10～30um的间隔，直线电机通过螺钉固定在压缩机机架上面；直线电机组件(2)包括外轭铁(20)，内轭铁(21)，永磁铁(22)和移动线圈(23)，外轭铁(20)和内轭铁(21)之间通过胶水粘贴永磁铁(22)，内轭铁(21)上面布置有防撞垫圈(24)；活塞组件(3)包括相连接的活塞头(30)和活塞主轴(31)；支撑系统组件(4)包括蜗旋臂板弹簧组件(40)，直线臂板弹簧组件(41)和板弹簧连接架(42)，支撑系统组件(4)通过螺钉连接，蜗旋臂板弹簧组件(40)包括蜗旋板弹簧(43)、蜗旋板弹簧外垫圈(44)、蜗旋板弹簧内垫圈(45)和蜗旋板弹簧支架(46)，蜗旋臂板弹簧组件(40)通过螺钉轴向固定在一起，直线臂板弹簧组件(41)包括直线臂板弹簧(47)、直线臂板弹簧外垫圈(48)、直线臂板弹簧内垫圈(49)和直线臂板弹簧支架(50)，直线臂板弹簧组件(41)通过螺钉轴向固定在一起；支撑系统组件(4)通过螺钉固定在压缩机组件(1)的机架(11)上，直线电机组件(2)由外轭铁(20)通过螺钉和压缩机组件(1)的机架(11)固定在一起，活塞组件(3)由螺钉和直线电机组件(2)的线圈支架(23)相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的蜗旋板弹簧(43)和直线臂板弹簧(47)采用的材料为：匝片不锈钢301。

3.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的蜗旋板弹簧(43)为2～4片，两片蜗旋板弹簧(43)之间通过蜗旋板弹簧外垫圈(44)和蜗旋板弹簧内垫圈(45)隔开。

4.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的直线臂板弹簧(47)为1～3片，两片直线臂板弹簧(47)之间通过直线臂板弹簧外垫圈(48)和直线臂板弹簧内垫圈(49)隔开。

5.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的永磁铁(22)采用多块平行取向的扇形永磁体拼接成的准辐射永磁路结构。

6.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的永磁铁(22)的材料为钕铁硼磁体。

7.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的压缩机组件(1)中的机座(11)和气缸(12)为分开的两个零件由螺钉固定在机座上面。

8.根据权利要求1所述的一种采用两种不同型线板弹簧支撑系统的线性压缩机，其特征在于所述的移动线圈(23)是采用整体式结构。

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