CN103122837B - 采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，包括支架、与支架相互固定的气缸、与气缸内壁间隙配合的两个活塞、以及驱动两个活塞同轴往复运动的两个直线电机，两个直线电机分别通过活塞轴与对应活塞传动；每个活塞轴两个端部分别通过涡旋臂板弹簧组件和直线臂板弹簧组件与所述支架固定，且涡旋臂板弹簧组件靠近活塞设置；每个活塞轴远离活塞的端部与所述支架之间分别设有用于提供轴向弹力的圆柱螺旋弹簧。本发明的线性压缩机采用三种弹簧共同支撑，在保证间隙密封和无油润滑技术的同时，可以有效的提高弹簧的轴向刚度，对于动子质量较大的线性压缩机，可以实现高频共振运行，提高运行效率，实现线性压缩机和低温制冷机冷头的特性匹配。

Description

采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机

技术领域

本发明涉及线性压缩机，尤其涉及一种采用三种弹簧共同支撑的用于驱动低温制冷机的无阀线性压缩机。

背景技术

在低温领域，用于驱动斯特林制冷机和脉管制冷机的压缩机主要是一种无阀的线性压缩机，根据运动部件不同，分为动圈式、动磁式和动铁式三种。这种线性压缩机采用直线电机直接驱动，消除了传统往复活塞式压缩机的曲柄连杆机构，同时耦合间隙密封和无油润滑技术，使其具有效率高、寿命长、体积小、振动低等特点，从而获得广泛的关注和应用。而采用柔性板弹簧（板簧）支撑正是间隙密封和无油润滑技术的保证。

一般来说线性压缩机主要是单独采用涡旋臂板簧或直线臂板簧进行支撑。涡旋臂板簧是应用最广泛的一种板簧，技术成熟，加工简单；而直线臂板簧相比涡旋臂板簧具有较大的径轴向刚度比，能有效的减小径向振动，但加工过程相对复杂一些。

申请号为CN201010248988.5的中国专利文献公开了一种采用两种不同型线板簧支撑系统的线性压缩机。该线性压缩机采用涡旋臂板簧和直线臂板簧共同支撑，这样可以综合利用两种板簧的优点，更好的实现压缩机的间隙密封和无油润滑；同时可以通过更换涡旋臂板簧和直线臂板簧的比例，以对线性压缩机的共振频率进行柔性调节。但是对于功率较大或者动子质量较大的线性压缩机，单独采用某一种板簧支撑或者采用两种板簧混合支撑，都难以提供较大的轴向刚度以实现压缩机的高频运行。这势必会降低线性压缩机的运行效率，甚至不能与低温制冷机的冷头进行匹配使用。

发明内容

本发明提供了一种采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，提高了线性压缩机的轴向刚度，能够实现具有较大动子质量的线性压缩机的高频高效运行。

为实现本发明的目的，将采用如下的技术方案：

一种采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，包括支架、与支架相互固定的气缸、与气缸内壁间隙配合的两个活塞、以及驱动两个活塞同轴往复运动的两个直线电机，两个直线电机分别通过活塞轴与对应活塞传动；每个活塞轴两个端部分别通过涡旋臂板弹簧组件和直线臂板弹簧组件与所述支架固定，且涡旋臂板弹簧组件靠近活塞设置；每个活塞轴远离活塞的端部与所述支架之间分别设有用于提供轴向弹力的圆柱螺旋弹簧。

涡旋臂板弹簧组件在轴向位移较大时，其最大应力集中值相对较小，在活塞端采用涡旋臂板弹簧组件，有利于保证压缩机工作时，不会由于板弹簧破裂而导致系统崩溃。直线臂板弹簧组件的轴向刚度、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密封要求。采用圆柱螺旋弹簧可以有效的提高弹簧的轴向刚度，对于动子质量较大的线性压缩机，可以实现高频共振运行，提高运行效率，实现线性压缩机和低温制冷机冷头的特性匹配。

为便于圆柱螺旋弹簧安装固定，同时进一步减小压缩机的整体体积，作为优选，所述活塞轴端部设有同轴设置的容纳槽；所述圆柱螺旋弹簧一端与支架相互固定，另一端内嵌于所述容纳槽内。容纳槽的设置，使得整个压缩机的结构更加紧凑，可满足多种特殊场合的要求。

为避免运行过程中圆柱螺旋弹簧产生径向晃动，同时保证圆柱螺旋弹簧的安装强度，作为优选，所述容纳槽的深度为活塞轴总长度的1/3～2/3。容纳槽的实际深度，可根据实际需要确定。

为保证圆柱螺旋弹簧具有足够大的安装空间，避免因安装空间狭窄限制圆柱螺旋弹簧的大小，作为优选，所述活塞轴远离活塞的一侧具有扩径段，所述容纳槽处在该扩径段内。扩径段的直径大小，需要根据实际需要安装的圆柱螺旋弹簧的型号大小确定。

所述圆柱螺旋弹簧可选择多种方式与支架相互固定，为便于实施，可选择在所述支架上固定安装板或者安装座，选择安装板时，可采用焊接或者螺纹固定方式将圆柱螺旋弹簧与支架固定；选择安装座时，可选择在所述支架上固定环形的安装座，所述圆柱螺旋弹簧一端卡接在该安装座上。

为便于涡旋臂板弹簧组件和直线臂板弹簧组件的固定，作为优选，所述活塞轴的外周均带有两个环形的限位台阶，与该活塞轴对应的涡旋臂板弹簧组件和直线臂板弹簧组件分别套装在其中一个限位台阶上。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）三种弹簧的共同使用，在保证间隙密封和无油润滑技术的同时，可以有效的提高弹簧的轴向刚度，对于动子质量较大的线性压缩机，可以实现高频共振运行，提高运行效率，实现线性压缩机和低温制冷机冷头的特性匹配。

（2）通过改变涡旋臂板弹簧组件和直线臂板弹簧组件使用比例，可以使得线性压缩机的共振频率在一定范围内柔性可调。

（3）圆柱螺旋弹簧采用内嵌于活塞轴的安装方式，可以有效的缩小尺寸、减轻重量，实现线性压缩机的紧凑化设计。

（4）对于单个的活塞轴，采用了双侧板簧支撑，这样有利于保证活塞与气缸的同轴度以及间隙密封，减小摩擦碰撞的风险。

附图说明

图1为本发明的三种弹簧共同支撑的动磁式线性压缩机结构示意图。

图2为涡旋臂板弹簧组件的平面示意图。

图3为直线臂板弹簧组件的平面示意图。

图4为圆柱螺旋弹簧的结构平面图。

图中：1为外壳，2为直线臂板弹簧组件，3为外垫圈，4为内垫圈，5为次支架，6为主支架，7为气缸，8为进排气孔，9为涡旋臂板弹簧组件，10为外垫圈，11为内垫圈，12为外轭铁，13为线圈，14为永磁体，15为气隙，16为安装座，17为圆柱螺旋弹簧，18为外固定环，19为内轭铁，20为扩径段，21为内固定环，22为压缩腔，23为活塞轴，24为背压腔，25为活塞，26为容纳槽。

具体实施方式

下面结合附图详细地说明本发明的具体实施方案。

如图1所示，本发明中采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机主要包括支架组件、气缸活塞组件、直线电机组件和弹簧组件。其中支架组件包括外壳1、外壳1内的支架，支架由主支架6和次支架5组成。外壳1用于密封机体，次支架5和主支架6用于固定弹簧组件、气缸活塞组件和直线电机组件。

气缸活塞组件包括气缸7、两个活塞25、活塞轴23。气缸7的侧壁上设有进排气孔8，气缸7两端断面上设有环形安装台，用于与外壳1相互固定。两个活塞25安装在气缸7中，与气缸7内壁间隙配合，两个活塞25之间的气缸工作腔形成压缩腔22。活塞轴23位于主支架6围成的圆柱形通道内。活塞轴23远离对应活塞25的一侧具有扩径段20，扩径段20端部设有同轴设置的容纳槽26，圆柱螺旋弹簧17一端与外壳1相互固定，另一端内嵌于该容纳槽26内。活塞轴23的外周均带有两个环形的限位台阶，与该活塞轴23对应的涡旋臂板弹簧组件9和直线臂板弹簧组件2分别套装在其中一个限位台阶上。

直线电机组件主要包括外轭铁12、内轭铁19、线圈13和永磁体14。外轭铁12和内轭铁19由片状的硅钢片堆叠而成，连成一个环，其中外轭铁12通过次支架5与主支架6固定，而内轭铁19套在主支架6上，两端分别由内固定环21和外固定环18定位。线圈13嵌套在外轭铁12中，当线圈13中通以交流电时，永磁体14将会受到交变的轴向力，在气隙15中作轴向往复运动。

弹簧组件主要包括涡旋臂板弹簧组件9（具体结构详见图2）、直线臂板弹簧组件2（具体结构详见图3）、圆柱螺旋弹簧17（具体结构详见图4）及其垫圈固定件等。靠近活塞25的一端为涡旋臂板弹簧组件9，涡旋臂板弹簧组件9之间为避免产生干摩擦，用涡旋臂板弹簧组件内垫圈11和外垫圈10隔开。其中涡旋臂板弹簧组件9的外垫圈10通过螺钉固定在主支架6上，内垫圈11通过螺钉与活塞轴23连接在一起。远离活塞25一端的板簧为直线臂板弹簧组件2，直线臂板弹簧组件2之间同样用直线臂板弹簧组件内垫圈4和外垫圈3隔开。其中外垫圈3通过螺钉固定在次支架5上，内垫圈4通过螺钉连接在活塞轴23上。圆柱螺旋弹簧17一端固定于安装座16上，一端与活塞轴23耦合，并内嵌于活塞轴23内的容纳槽26内，这样就可以使得压缩机结构紧凑的同时，又可以获得较大的轴向刚度。圆柱螺旋弹簧17与安装座16之间也可选择卡合固定方式固定。

实际安装过程中，为了保证间隙密封和无油润滑技术的实施，并且不能有过多的高压气体由压缩腔22进入背压腔24，活塞25与气缸7之间的间隙一般在10～30μm范围内，因此对气缸7与活塞25的加工和装配要求很高。活塞轴23通过与永磁体14直接耦合，获得驱动力，推动活塞25轴向往复运动，实现气体的压缩和膨胀过程，使得压缩腔22内的高压气体从进排气孔8排出，为低温制冷机提供气源。

以上实施案例仅是说明三种弹簧的布置方案，而不是对其使用范围进行限制。上述实施案例是针对动磁式线性压缩机展开的，而三种弹簧共同支撑的方案也同样适用于动圈式和动铁式线性压缩机。

如上所述，本发明提出对线性压缩机采用三种弹簧共同支撑，在保证间隙密封和无油润滑技术的同时，可以有效的提高弹簧的轴向刚度，对于动子质量较大的线性压缩机，可以实现高频共振运行，提高运行效率，实现线性压缩机和低温制冷机冷头的特性匹配。

Claims (4)

1.一种采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，包括支架、与支架相互固定的气缸（7）、与气缸（7）内壁间隙配合的两个活塞（25）、以及驱动两个活塞（25）同轴往复运动的两个直线电机，两个直线电机分别通过活塞轴（23）与对应活塞传动；

其特征在于，每个活塞轴两个端部分别通过涡旋臂板弹簧组件（9）和直线臂板弹簧组件（2）与所述支架固定，且涡旋臂板弹簧组件（9）靠近活塞（25）设置；每个活塞轴（23）远离活塞（25）的端部与所述支架之间分别设有用于提供轴向弹力的圆柱螺旋弹簧（17）；

所述活塞轴（23）远离活塞（25）的端部设有同轴设置的容纳槽（26）；所述圆柱螺旋弹簧（17）一端与支架相互固定，另一端内嵌于所述容纳槽（26）内；

所述容纳槽（26）的深度为活塞轴（23）总长度的1/3~2/3。

2.根据权利要求1所述的采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，其特征在于，所述活塞轴（23）远离活塞（25）的一侧具有扩径段（20），所述容纳槽（26）处在该扩径段内。

3.根据权利要求1所述的采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，其特征在于，所述支架上固定有环形的安装座（16），所述圆柱螺旋弹簧一端卡接在该安装座上。

4.根据权利要求1所述的采用三种弹簧共同支撑的线性压缩机，其特征在于，所述活塞轴（23）的外周均带有两个环形的限位台阶，与该活塞轴对应的涡旋臂板弹簧组件（9）和直线臂板弹簧组件（2）分别套装在其中一个限位台阶上。