CN106196686B - 整体式斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷机，提供一种整体式斯特林制冷机，包括底座、电机组件、压缩机组件以及膨胀机组件，电机组件、压缩机组件以及膨胀机组件分别通过三个安装孔安设于底座上，电机组件包括电机外壳以及偏心转轴，压缩机组件包括压缩气缸以及压缩活塞，压缩气缸与压缩活塞形成有压缩腔，膨胀机组件包括膨胀气缸、膨胀活塞以及冷指，膨胀气缸与膨胀活塞围合形成有空容积，压缩腔与空容积连通，且压缩活塞以及膨胀活塞均垂直于偏心转轴，压缩活塞与膨胀活塞相互垂直，于冷指内设置有蓄冷器，蓄冷器与空容积连通。本发明采用一个电机组件同时驱动膨胀活塞与压缩活塞往复移动，不但各部件之间的结构紧凑，工作时产生的振动较小，有效保证制冷机的可靠性。

Description

整体式斯特林制冷机

技术领域

本发明涉及制冷机，尤其涉及一种整体式斯特林制冷机。

背景技术

旋转整体式斯特林制冷机是采用逆斯特林循环的主动型制冷设备，制冷温度可以达到40K左右，旋转整体式斯特林制冷机作为低温电子器件、超导器件、红外探测器等的冷源，在红外热像仪、红外前视和夜视、导弹制导等民用和军事装备上得到广泛应用。

我国旋转整体式斯特林制冷机长期依赖于进口，对于国防安全十分不利，到21世纪初制冷机实现国产化之后，这种局面才略有改观。但从技术水平和生产能力来讲，国产旋转整体式斯特林制冷机由于研制时间较短，相比国外同类型制冷机，存在显著的差距，主要体现在寿命较短，大多制冷机的MTTF(平均故障时间)仅有4000小时。由于制冷机是部分军事装备必可少的核心部件，对于国防安全至关重要，因此实现旋转整体式斯特林制冷机的长寿命和高可靠性十分紧迫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种整体式斯特林制冷机，旨在用于解决现有的制冷机可靠性较低的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种整体式斯特林制冷机，包括底座、电机组件、压缩机组件以及膨胀机组件，于所述底座上开设有三个安装孔，所述电机组件、所述压缩机组件以及所述膨胀机组件分别通过三个所述安装孔安设于所述底座上，所述电机组件包括电机外壳以及位于所述电机外壳内的偏心转轴，所述偏心转轴的偏心部分伸入所述底座内，所述压缩机组件包括安设于所述底座上的压缩气缸以及可沿所述压缩气缸滑动的压缩活塞，所述压缩活塞伸入所述底座内与所述偏心转轴的偏心部分传动连接，所述压缩气缸与所述压缩活塞形成有压缩腔，所述膨胀机组件包括安设于所述底座上的膨胀气缸、可沿所述膨胀气缸滑动的膨胀活塞以及安设于所述底座上的冷指，所述膨胀活塞伸入所述底座内与所述偏心转轴的偏心部分传动连接，所述膨胀气缸与所述膨胀活塞围合形成有空容积，所述压缩腔与所述空容积连通，且所述压缩活塞以及所述膨胀活塞均垂直于所述偏心转轴，所述压缩活塞与所述膨胀活塞相互垂直，于所述冷指内设置有与所述膨胀活塞连接且可沿所述冷指滑动的蓄冷器，所述蓄冷器与所述空容积连通。

进一步地，所述压缩机组件还包括有压缩连杆，所述压缩连杆的两个端部均具有连接环，其中一所述连接环与所述压缩活塞可转动连接，另一所述连接环套接于所述偏心转轴的偏心部分上，且所述偏心部分远离所述偏心转轴的轴线一侧对所述连接环产生抵压力。

进一步地，所述压缩活塞内竖直设置有压缩销轴，其中一所述连接环与所述压缩销轴可转动连接，于所述压缩连杆上套设有稳压弹簧，所述稳压弹簧的其中一端抵接于所述压缩销轴上，另一端则抵接于所述压缩连杆远离所述压缩销轴一侧的抵挡部上。

进一步地，于所述底座内粘接有轴承座，所述偏心转轴的下端伸入所述轴承座内定位，所述压缩连杆对应所述偏心转轴的所述连接环内设置有深沟球轴承，所述连接环与所述偏心转轴的偏心部分之间通过所述深沟球轴承传动连接，且所述深沟球轴承支撑于所述轴承座上。

进一步地，所述膨胀活塞与所述偏心转轴的偏心部分采用膨胀连杆连接，所述膨胀连杆一端与所述偏心转轴的偏心部分套接，另一端与所述膨胀活塞可转动连接。

进一步地，所述膨胀机组件还包括有与所述膨胀活塞固定连接的转接叉，所述转接叉远离所述膨胀活塞一端的叉口内竖直设置有膨胀销轴，所述膨胀连杆与所述膨胀销轴之间可转动连接，且所述膨胀销轴与所述转接叉之间采用DP460环氧树脂胶水粘接。

进一步地，所述蓄冷器与所述膨胀活塞之间采用球节连接，所述球节包括设置于所述蓄冷器靠近所述膨胀活塞端部位置的球窝以及连接所述球窝与所述膨胀活塞的球钉，所述球窝与所述球钉连接处之间为球面接触，且在接触位置设置有O型密封圈。

进一步地，所述冷指与所述底座之间的连接面呈阶梯状，且于所述连接面处设置有C型密封圈。

进一步地，所述蓄冷器包括外壳以及设置于所述外壳内的若干丝网，所述丝网为100目或者500目，且所述外壳与所述冷指的内壁之间为间隙配合，间隙为0.15-0.2mm之间。

进一步地，所述压缩气缸与所述压缩活塞之间以及所述膨胀气缸与所述膨胀活塞之间均为间隙配合，且间隙小于0.01mm，于所述压缩活塞以及所述膨胀活塞的外表面喷涂有DLC硬质材料。

本发明具有以下有益效果：

本发明的制冷机中，在偏心转轴的旋转作用下，其可以控制压缩机组件中的压缩活塞沿压缩气缸以及膨胀机组件中的膨胀活塞沿膨胀气缸往复移动，且在该过程中压缩机组件的压缩腔内产生压力波，压力波通过流路进入空容积内，进而由空容积导入蓄冷器内进行换热制冷。在上述过程中，膨胀活塞与压缩活塞均垂直于偏心转轴，且两者之间也相互垂直，一个电机组件可以同时驱使膨胀活塞与压缩活塞往复移动，不但各部件之间的结构紧凑，工作时产生的振动较小，有效保证制冷机的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的整体式斯特林制冷机对应压缩机组件的剖视图；

图2为图1的整体式斯特林制冷机对应膨胀机组件的剖视图；

图3为图2中A处放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1以及图2，本发明实施例提供一种整体式斯特林制冷机，包括底座1、电机组件2、压缩机组件3以及膨胀机组件4，底座1为安装部件，电机组件2为动力部件，而压缩机组件3与膨胀机组件4配合使用形成工作部件，以达到制冷的目的，在底座1上开设有三个安装孔，三个安装孔分别与电机组件2、压缩机组件3以及膨胀机组件4一一对应，三者分别通过对应的安装孔部分伸入底座1内，进而将三者均固定安装于底座1上，细化各部分的结构，电机组件2包括电机外壳21以及位于电机外壳21内的偏心转轴22，其主要分为定子23与转子24两个部分，定子23与转子24均位于电机外壳21内，电机外壳21表面布置散热筋辅助电机散热，其内还设置有电源板231与电控板232，两者均使用卡环和O型密封圈固定在电机外壳21内，同时在电源板231与电机外壳21之间夹一块冷板233辅助散热，定子23也采用卡环和型密封圈固定在电机外壳21内，与转子24位置对应，使用螺钉将九芯接插件固定在电机外壳21侧面顶部，为电源板231和电控板232供电并实现控制功能，而在转子24结构部分，使用胶水将粘有磁钢的转子铁芯241固定在偏心转轴22上，通过转子铁芯241的旋转以带动偏心转轴22同步转动，偏心转轴22的偏心部分221伸入底座1内与压缩机组件3以及膨胀机组件4配合；压缩机组件3包括安设于底座1上的压缩气缸31以及可沿该压缩气缸31滑动的压缩活塞32，压缩活塞32伸入底座1内的结构可与偏心转轴22的偏心部分221传动连接，当偏心转轴22旋转时，其偏心部分221可以驱使推动压缩活塞32沿压缩气缸31滑动，且在偏心转轴22旋转一圈后，压缩活塞32往复移动一次，对于压缩气缸31部分的结构，其在远离压缩活塞32的一端具有压缩端盖33，该压缩端盖33、压缩气缸31以及压缩活塞32三部分结构围合形成压缩腔34，而在压缩气缸31与底座1之间还设置有O型密封圈以形成对压缩腔34的有效密封，而压缩端盖33与底座1之间则采用C型密封圈5密封，能够保证压缩腔34内的气体工质具有足够的压比，气体工质选用压力3.5MPa～4.5MPa、纯度99.999％的氦气；膨胀机组件4包括安设于底座1上的膨胀气缸41、可沿膨胀气缸41滑动的膨胀活塞42以及安设于底座1上的冷指43，膨胀活塞42伸入底座1内的部分也与偏心转轴22的偏心部分221传动连接，以使偏心转轴22旋转时，其偏心部分221可以驱使膨胀活塞42沿膨胀气缸41往复移动，膨胀气缸41与膨胀活塞42之间围合形成有空容积44，且该空容积44还与压缩腔34连通，压缩腔34内压缩后的气体工质可经由流路进入空容积44内，在冷指43内设置有一蓄冷器45，该蓄冷器45沿冷指43的长度方向设置且与膨胀活塞42的滑动方向相同，蓄冷器45一端与膨胀活塞42连接，而另一端则与冷指43围合形成膨胀腔，对此当膨胀活塞42做往复移动时，可以推动蓄冷器45沿冷指43做同步的往复移动，蓄冷器45与空容积44之间还保持连通，压缩后的气体工质可由空容积44进入蓄冷器45内，进而在蓄冷器45内逐渐换热制冷，然后进入膨胀腔内膨胀制冷。另外压缩活塞32与膨胀活塞42均垂直于偏心转轴22，且压缩活塞32与膨胀活塞42之间也相互垂直。本实施例中，在偏心转轴22的转动下，压缩活塞32与膨胀活塞42同时做往复移动，且由于两者相互垂直，则两者之间的往复移动具有90度的相位角，压缩腔34内的气体工质在获取一定的压比后进入空容积44内，进而由空容积44内进入蓄冷器45内，且沿蓄冷器45远离膨胀活塞42的方向气体工质在蓄冷器45内进行热交换，气体工质温度降低，且在换热结束后气体工质由蓄冷器45远离膨胀活塞42的端部进入冷指43与蓄冷器45围合形成的膨胀腔内进行膨胀制冷，且膨胀后的气体工质可以进入压缩腔内循环利用。在上述工作过程中，各部分结构均集成至底座1上，结构比较紧凑，制冷效果比较明显，而且一个电机组件2驱使压缩机组件3与膨胀机组件4同时工作，产生的振动较小，有效保证了制冷机工作时的可靠性，延长其使用寿命。

再次参见图1以及图2，优化上述实施例，压缩机组件3还包括有压缩连杆35，压缩连杆35沿长度方向的两个端部出均具有连接环351，其中一连接环351与压缩活塞32可转动连接，而另一连接环351套接于偏心转轴22的偏心部分221上，且偏心部分221远离偏心转轴22的轴线一侧对连接环351的内壁产生抵压力，进而可以推动连接环351沿抵压力的方向移动。本实施例中，压缩活塞32与偏心转轴22之间通过压缩连杆35传动连接，当偏心转轴22旋转时，其偏心部分221相对连接环351的内壁移动，且在该过程中偏心部分221远离偏心转轴22的轴线一侧对连接环351产生抵压力，进而可以推动压缩连杆35沿其长度方向做往复移动，再由压缩连杆35带动压缩活塞32沿压缩气缸31往复移动。由于在偏心转轴22旋转的过程中，偏心部分221会对连接环351产生垂直于其长度方向的作用力，对此压缩连杆35另一端与压缩活塞32之间为可转动连接，使得压缩连杆35可绕压缩活塞32小角度转动。继续优化上述实施例，在压缩活塞32内竖直设置有压缩销轴321，其中一连接环351与压缩销轴321之间可转动连接，即压缩连杆35可绕压缩销轴321做小角度的转动，在压缩连杆35上套设有稳压弹簧352，该稳压弹簧352的其中一端抵接于压缩销轴321上，而另一端则抵接于压缩连杆35远离压缩销轴321一侧的抵挡部上，抵挡部与压缩销轴321相对设置，对于该抵挡部可以为竖直设置于所述压缩连杆35上的开口销，通过开口销的这种开口结构可以缓冲稳压弹簧352对其产生的作用力，进而可以保证开口销在该处的使用寿命。稳压弹簧352夹设于压缩销轴321与压缩连杆35之间，可以产生一定的扭矩，能够避免在制冷机工作时，压缩活塞32产生径向的偏移，从而可以减少压缩活塞32与压缩气缸31之间的摩擦。一般地，压缩销轴321的径向尺寸远小于偏心转轴22的偏心部分221径向尺寸，对此两个连接环351的尺寸也不相同，具体为与压缩销轴321配套的连接环351为小环，而与偏心转轴22配套的连接环351为大环，通常在小环一侧，连接环351与压缩销轴321之间还通过滚针轴承连接，而在大环一侧，连接环351与偏心部分221之间则通过深沟球轴承连接。

进一步地，膨胀活塞42与偏心转轴22的偏心部分221采用膨胀连杆46连接，膨胀连杆46一端与偏心转轴22的偏心部分221套接，另一端则与膨胀活塞42可转动连接。本实施例中，膨胀活塞42与偏心转轴22之间通过膨胀连杆46传动连接，其结构与压缩活塞32与偏心转轴22之间的传动方式相同，通过偏心转轴22驱使膨胀连杆46往复运动，进而由膨胀连杆46带动膨胀活塞42往复运动。继续细化膨胀机组件4的结构，其还包括有转接叉47，该转接叉47一端与膨胀活塞42固定连接，而另一端为叉口结构，其内竖直设置有膨胀销轴471，膨胀连杆46与膨胀销轴471之间可转动连接，且膨胀销轴471与转接叉47之间则采用DP460环氧树脂胶水进行粘接，这种胶水适合在高低温下工作，强度高，无放气，使得粘接的部件之间结构稳定性非常高。在这种结构中，应保证膨胀活塞42与膨胀连杆46之间的同轴度，进而使得两者可以同步往复移动。进一步地，在底座1内水平粘接有一轴承座11，该轴承座11为深沟球轴承，且采用上述的DP460环氧树脂胶水粘接，偏心转轴22的下端伸入该轴承座11的内孔进行定位，压缩连杆35与偏心转轴22之间的深沟球轴承支撑于该轴承座11上。由于膨胀连杆46与压缩连杆35均连接至偏心转轴22上，对此两者沿偏心转轴22的长度方向错开设置，可将膨胀连杆46设置于压缩连杆35的上方，进而可将膨胀连杆46与偏心转轴22之间的深沟球轴承叠合于压缩连杆35与偏心转轴22之间的深沟球轴承上，且在偏心转轴22上还设置有配重块222，该配重块222下压膨胀连杆46对应的深沟球轴承上，即通过轴承座11与配重块222配合限制了压缩连杆35与膨胀连杆46沿偏心转轴22长度方向的窜动。

参见图2以及图3，进一步地，蓄冷器45与膨胀活塞42之间采用球节48连接，球节48包括设置于蓄冷器45靠近膨胀活塞42端部位置的球窝481以及连接球窝481与膨胀活塞42的球钉482，球窝481与球钉482的连接处之间为球面接触，且接触位置出设置有O型密封圈。本实施例中，膨胀活塞42需要穿过膨胀气缸41与蓄冷器45配合连接，对此在膨胀活塞42上设置有流道，该流道一侧与空容积44连通，另一端则与球节48连通，具体为球钉482与球窝481均为中空结构，球钉482贯穿球窝481，其中空一端与流道连通，另一端则连通蓄冷器45，对此当膨胀活塞42往复移动时，在球节48的传动作用下可以带动蓄冷器45沿冷指43往复移动，同时压缩后的气体工质可经球节48流至蓄冷器45内换热，而球窝481与球钉482之间的O型密封圈则可防止两者的接触位置产生泄漏，其能够承受1kg的压差。球钉482可以在球窝481内自由旋转，轴向摆动角度为5°，径向转动角度360°，球窝481与蓄冷器45之间采用上述DP460环氧树脂胶水粘接，通过这种结构的球节48可以减小蓄冷器45与冷指43之间的摩擦阻力，提高制冷机的可靠性。

细化蓄冷器45的结构，其包括外壳451以及设置于外壳451内的若干丝网452，丝网452选取100目与500目两种，各丝网452沿外壳451的长度方向依次放置，气体工质依次穿过各丝网452以形成热交换，进而可以达到制冷的目的，对于丝网452采用不锈钢制成，且具有750～800片，可以确保蓄冷器45的换热效率。外壳451采用PEEK材料制造，具有很强的耐磨性，其与冷指43的内壁之间为间隙配合，间隙控制在0.15-0.2mm之间，不但可以减小两者之间的磨损，同时能够形成与冷指43之间的密封效果，提高膨胀机组件4性能。冷指43与底座1之间的连接面采用阶梯状的结构，具有较大的接触面积，进而可以使得冷指43与底座1之间具有非常好的密封性能，通常还于冷指43与底座1的连接面处设置有C型密封圈5，可以进一步提高密封性能，具体地在制冷机处于外侧的部件中，相邻两个部件之间的接触面之间均设置有C型密封圈5，比如转子24与底座1的接触位置也设置有C型密封圈5，避免制冷机内的高压氦气由两部件的接触位置泄漏至外界，以保证制冷机整体的气体工质泄漏率小于7.6×10^-9Pa·m³/s，确保其内的氦气压力能够满足制冷机十五年以上的工作需求。

再次参见图1以及图2，针对上述的结构形式，压缩气缸31与压缩活塞32之间以及膨胀气缸41与膨胀活塞42之间也均采用间隙配合的形式，其间隙小于0.01mm，不但压缩活塞32与膨胀活塞42在进行往复移动时无需进行润滑处理，磨损较小，而且还能够保证两者与气缸之间的密封性能，减小漏气损失。上述的各活塞和各气缸均采用高硬度的合金钢制造，热处理硬度达到HRC68，磨损制作后的活塞外径与对应气缸内径之间的尺寸差值为0.015mm，然后在活塞的外表面上喷涂DLC硬质材料(镀膜类金刚石)，提高活塞的耐磨度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种整体式斯特林制冷机，包括底座、电机组件、压缩机组件以及膨胀机组件，于所述底座上开设有三个安装孔，所述电机组件、所述压缩机组件以及所述膨胀机组件分别通过三个所述安装孔安设于所述底座上，三个所述安装孔分别与所述电机组件、所述压缩机组件以及所述膨胀机组件一一对应，其特征在于：所述电机组件包括电机外壳以及位于所述电机外壳内的偏心转轴，所述偏心转轴的偏心部分伸入所述底座内，所述压缩机组件包括安设于所述底座上的压缩气缸以及可沿所述压缩气缸滑动的压缩活塞，所述压缩活塞伸入所述底座内与所述偏心转轴的偏心部分传动连接，所述压缩气缸与所述压缩活塞形成有压缩腔，所述膨胀机组件包括安设于所述底座上的膨胀气缸、可沿所述膨胀气缸滑动的膨胀活塞以及安设于所述底座上的冷指，所述膨胀活塞伸入所述底座内与所述偏心转轴的偏心部分传动连接，所述膨胀气缸与所述膨胀活塞围合形成有空容积，所述压缩腔与所述空容积连通，且所述压缩活塞以及所述膨胀活塞均垂直于所述偏心转轴，所述压缩活塞与所述膨胀活塞相互垂直，于所述冷指内设置有与所述膨胀活塞连接且可沿所述冷指滑动的蓄冷器，所述蓄冷器与所述空容积连通。

2.如权利要求1所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述压缩机组件还包括有压缩连杆，所述压缩连杆的两个端部均具有连接环，其中一所述连接环与所述压缩活塞可转动连接，另一所述连接环套接于所述偏心转轴的偏心部分上，且所述偏心部分远离所述偏心转轴的轴线一侧对所述连接环产生抵压力。

3.如权利要求2所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述压缩活塞内竖直设置有压缩销轴，其中一所述连接环与所述压缩销轴可转动连接，于所述压缩连杆上套设有稳压弹簧，所述稳压弹簧的其中一端抵接于所述压缩销轴上，另一端则抵接于所述压缩连杆远离所述压缩销轴一侧的抵挡部上。

4.如权利要求2所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：于所述底座内粘接有轴承座，所述偏心转轴的下端伸入所述轴承座内定位，所述压缩连杆对应所述偏心转轴的所述连接环内设置有深沟球轴承，所述连接环与所述偏心转轴的偏心部分之间通过所述深沟球轴承传动连接，且所述深沟球轴承支撑于所述轴承座上。

5.如权利要求1所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述膨胀活塞与所述偏心转轴的偏心部分采用膨胀连杆连接，所述膨胀连杆一端与所述偏心转轴的偏心部分套接，另一端与所述膨胀活塞可转动连接。

6.如权利要求5所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述膨胀机组件还包括有与所述膨胀活塞固定连接的转接叉，所述转接叉远离所述膨胀活塞一端的叉口内竖直设置有膨胀销轴，所述膨胀连杆与所述膨胀销轴之间可转动连接，且所述膨胀销轴与所述转接叉之间采用DP460环氧树脂胶水粘接。

7.如权利要求1所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述蓄冷器与所述膨胀活塞之间采用球节连接，所述球节包括设置于所述蓄冷器靠近所述膨胀活塞端部位置的球窝以及连接所述球窝与所述膨胀活塞的球钉，所述球窝与所述球钉连接处之间为球面接触，且在接触位置设置有O型密封圈。

8.如权利要求1所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述冷指与所述底座之间的连接面呈阶梯状，且于所述连接面处设置有C型密封圈。

9.如权利要求1所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述蓄冷器包括外壳以及设置于所述外壳内的若干丝网，所述丝网为100目或者500目，且所述外壳与所述冷指的内壁之间为间隙配合，间隙为0.15-0.2mm之间。

10.如权利要求1所述的整体式斯特林制冷机，其特征在于：所述压缩气缸与所述压缩活塞之间以及所述膨胀气缸与所述膨胀活塞之间均为间隙配合，且间隙小于0.01mm，于所述压缩活塞以及所述膨胀活塞的外表面喷涂有DLC硬质材料。