CN106225289A - 气动分置式斯特林膨胀机及其制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动分置式斯特林膨胀机，其用于斯特林制冷机，包括基座、排出器组件和冷指；所述基座内两侧分别设有定位销和基座通气孔；所述排出器组件包括气动活塞、气动气缸、弹簧、球节和蓄冷器，球节一端与气动活塞连接，另一端与蓄冷器连接，弹簧一端与气动气缸连接，另一端与气动活塞连接，所述气动气缸两侧设有与定位销和基座通气孔相配合的定位孔和气缸通气孔；所述冷指与基座连接，并通过金属密封圈实现高压密封。本发明提高了制冷机可靠性和寿命，降低了对零件加工和装配精度的要求。

Description

气动分置式斯特林膨胀机及其制冷机

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种气动分置式斯特林膨胀机及其制冷机。

背景技术

分置式斯特林制冷机将压缩机和膨胀机分离开来，布置灵活，尤其适合空间要求较高的应用领域，同时分置式制冷机能有效减小压缩机对冷头的振动，因此得到越来越广泛的研究。分置式斯特林制冷机膨胀机按驱动方式分为电驱动型和气动型。气动型膨胀机不含电机，具有结构简单紧凑、体积小重量轻的优点，目前小型分置式斯特林制冷机多为气动式膨胀机结构。

气动型分置式斯特林制冷机的膨胀机排出器没有传统的曲柄连杆机构，仅由压缩机产生的周期性压力波驱动。排出器及其支撑弹簧组成一个受迫振动系统，通过弹簧、排出器与冷指气缸间隙、气动活塞与气动气缸间隙产生的阻尼力，使排出器的运动与压缩机产生的压力波形成合适的相位角，从而产生制冷效应。良好的热动力学性能要求排出器与冷指气缸之间为间隙密封，密封间隙一般在50um-100um之间，理论上排出器在运动过程中恒定在冷指气缸的中间，二者不存在接触。但是实际上由于零件加工和装配误差，排出器与冷指气缸很难做到同轴，排出器总是会偏向冷指气缸一边，在运动时就会导致机械摩擦阻尼增加，特别是在振动冲击条件下，机械摩擦阻尼增加更加明显。对气动式斯特林制冷机而言，排出器摩擦阻尼的增加会使膨胀机行程减小，相位角偏离最优值，从而使制冷机性能变差。同时阻尼增加也会使排出器磨损增加，可靠性和寿命大大降低。

发明内容

针对上述结构上的缺陷，本发明提供了一种新的技术方案，该技术方案使得排出器在运动过程中能自由找正，减小了摩擦阻尼，提高了制冷机性能和可靠性，同时能大幅度的提高膨胀机的使用寿命。

本发明所采用的技术方案为：

一种气动分置式斯特林膨胀机，包括基座、排出器组件和冷指；

所述基座内两侧分别设有定位销和基座通气孔；

所述排出器组件装配在基座的内部，其包括气动活塞、气动气缸、弹簧、球节和蓄冷器，球节一端与气动活塞连接，另一端与蓄冷器连接，弹簧一端与气动气缸连接，另一端与气动活塞连接，所述气动气缸两侧设有与定位销和基座通气孔相配合的定位孔和气缸通气孔；

所述冷指与基座连接，其包括定位槽、冷指通气孔和冷指气缸，所述定位槽、冷指通气孔分别与基座内的定位销和基座通气孔相配合，所述冷指气缸与蓄冷器相配合。

作为优选，所述气动活塞为活塞阶梯轴，活塞阶梯轴与气动气缸间隙将工质腔体分为工作腔和气动腔，弹簧置于气动腔内。

作为优选，所述气动活塞与气动气缸之间设有两道无油的间隙密封，密封间隙单边小于8μm。

作为优选，所述球节包括球窝、球钉，所述球钉可以在球窝内360°自由旋转，所述球钉与气动活塞连接，球窝与蓄冷器连接，所述球窝与球钉之间设有为球钉与球窝提供弹性支撑的O型圈。

作为优选，所述球钉与气动活塞、球窝与蓄冷器之间均采用胶水粘接。

作为优选，所述弹簧为一体式机械弹簧，弹簧与弹簧座为一个整体。

作为优选，所述基座内的定位销与基座通气孔布置成180°，基座定位销为冷指和排出器组件装配的定位基准。

作为优选，所述冷指与基座之间采用C型金属密封圈密封。

一种制冷机，包括压缩机，还包括所述的气动分置式斯特林膨胀机，所述压缩机与膨胀机之间通过连接管连接。

本方案与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明排出器组件的气动活塞采用阶梯轴活塞，弹簧置于阶梯轴活塞形成的气动腔内，减小了死容积，同时可以通过阶梯轴轴径来调节气动力大小和相位。

2、本发明通过球节机构，使得排出器与气动活塞之间实现了柔性连接，使得排出器在运行中即使发生偏摆也能自动矫正，减小了摩擦阻尼，提高了机器寿命和可靠性，降低了对零件加工和装配精度的要求。

3、本发明排出器组件内的弹簧及弹簧座加工成一体，通过CNC电火花技术切割出螺旋槽，形成机械弹簧，采用上述结构和加工方法后，弹簧装配时始终处于正中心，提高了气动活塞与气缸的同心度，同时排出器组件的可靠性和稳定性大大增加。

附图说明

图1是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机的剖面示意图；

图2是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机基座示意图；

图3是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机冷指示意图；

图4是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机气动活塞与气动气缸组件示意图；

图5是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机球节示意图；

图6是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机机械弹簧示意图；

图7是本发明提供的的分置式斯特林膨胀机排出器组件示意图。

图中所示：1、基座，101、定位销，102、基座通气孔，2、气动气缸，201、定位孔，202、气缸通气孔，203、第一间隙密封，204、第二间隙密封，3、气动活塞，4、弹簧，5、球节，501、球窝，502、球钉，503、O型圈，6、冷指，601、定位槽，602、冷指通气孔，603、冷指气缸，7、蓄冷器，8、T型圈，9、C型金属密封圈，10、第一密封圈,11、第二密封圈，12、紧固螺钉，13、弹簧座。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至6所示，本发明实施例提供一种分置式斯特林膨胀机。包括基座1、排出器组件和冷指6以及若干密封圈；所述基座1内两侧分别设有定位销101和基座通气孔102，所述排出器组件装配在基座1的内部，其包括气动活塞3、气动气缸2、弹簧4、球节5和蓄冷器7，球节5一端与气动活塞3连接，另一端与蓄冷器7连接，弹簧4一端与气动气缸2连接，另一端与气动活塞3连接，所述气动气缸两侧设有与定位销101和基座通气孔102相配合的定位孔201和气缸通气孔202；所述冷指6位于基座1的上部，通过连接机构与基座1固定，其包括定位槽601、冷指通气孔602和冷指气缸603，所述定位槽601、冷指通气孔603分别与基座1内的定位销101和基座通气孔102相配合，所述冷指气缸603与蓄冷器7相配合；所述冷指6与基座1之间密采用C型金属密封圈9密封。

如图2至6所示，在本较佳实施例中，所述基座1内两侧的定位销101与基座通气孔102布置成180°，基座定位销101为冷指6以及排出器组件装配时的定位基准，装配时，通过所述基座定位销101与基座通气孔102之间的定位关系来保证基座通气孔102、气缸通气孔202和冷指通气孔602装配在一起形成密封的进气通道。

如图3所示，所述气动活塞3为活塞阶梯轴，活塞阶梯轴与气动气缸2间隙将工质腔体分为工作腔和气动腔，弹簧4置于气动腔内。所述活塞杆轴径具有调节气动力大小和相位的功能位的功能，所述气动活塞杆轴径通过热动力学设计，保证轴径为最优值。所述气动气缸2相应的设计为阶梯孔型，气动气缸上开有定位孔201和气缸通气孔202，所述定位孔201和气缸通气孔202也布置成180°。装配时定位孔201套入基座1的定位销101内，用于保证气动气缸通气孔202与基座通气孔102对齐。气动活塞3与气动气缸2之间有两道无油的第一间隙密封203和第二间隙密封204，两所述密封间隙单边均小于8μm，有效减小了泄漏损失。

如图4所示，所述球节5包括球窝501、球钉502和O型圈503，所述球钉502可以在球窝501内360°自由旋转。球钉502与气动活塞3采用胶水粘接，球窝501与蓄冷器7内孔也采用胶水粘接。这样球节机构就实现了蓄冷器7和气动活塞3的万向连接，当蓄冷器7在运动过程中与冷指气缸603存在接触时，由于是柔性连接，可以自由找正，可以大大减小蓄冷器7与冷指气缸603之间的运动摩擦阻力，提高制冷机性能可靠性和寿命。所述球窝501与球钉502之间设有O型圈503，所述O型圈503既起到密封作用，也提供了球钉502与球窝501的弹性支撑。

如图5所示，所述排出器组件内的弹簧4为一体式机械弹簧，弹簧4与弹簧座13加工为一个整体。加工时选用弹簧钢棒材，首先精加工到所需精度，然后采用CNC电火花技术切割出螺旋型线，形成弹簧组件。由于弹簧4与弹簧座13为一体式结构，减少了传统钢丝绕制弹簧4与弹簧座13之间的装配环节，消除了弹簧4的装配误差。同时本实施例中所述的一体式机械弹簧能有效解决传统柱弹簧因装配精度差导致的气动活塞3与气动气缸2不同轴从而引起摩擦阻尼增加的问题。

如图6所示，所述冷指6上设有有定位槽601、冷指通气孔602以及冷指气缸603，所述定位槽601与冷指通气孔602之间的位置关系与所述定位孔201和气缸通气孔202之间，定位销101与基座通气孔102之间的位置关系相适应。(即定位槽601与冷指通气孔602也布置成180°)，装配时冷指定位槽601卡在基座1的定位销101上，使冷指通气孔602与基座通气孔102对齐。冷指法兰与基座1的配合面开有密封槽，用于装入C型金属密封圈9，冷指基座侧面开有径向密封槽，用于第二密封圈11的装入。为了减小导热损失，与蓄冷器7配合的冷指气缸603厚度小于0.2mm，冷指6采用Ti合金材料以提高薄壁件强度。同时冷指基座与冷指气缸为一体式加工，保证长冷指气缸与冷指基座内孔的同轴度要求。

如图1至7所示，本实施例所述的分置式斯特林膨胀机装配时，首先将气动活塞3、气动气缸2、弹簧4、球节5、T型圈8、蓄冷器7装配成排出器组件(如图7所示)。具体装配过程如下：首先将T型圈8套入球节5上，T型圈8起到密封作用，然后所述球节5的球钉502与气动活塞3通过胶水粘接连接，球节5的球窝501与蓄冷器7通过胶水粘接，然后将弹簧4一端与气动气,2通过胶水或激光焊接方式连接，最后将连接了蓄冷,7的气动活塞3置入气动气缸2中，并将气动活塞杆与弹簧4另一端通过胶水或激光焊接的方式连接，气动活塞3与气动气缸2的相对位置通过气动活塞3活塞杆端面与弹簧4下端面平齐来保证，这样就形成了排出器组件。

所述排出器组件装配好以后，先将第一密封圈10套入气动气缸2径向槽内，将排出器组件装入基座1内，通过气缸定位孔201与基座定位销101来定位，最后装冷指气缸603，将C型金属密封圈9和第二密封圈11分别置入冷指6相应的密封槽内，将冷指6插入基座1内，通过冷指定位槽601与基座定位销101来定位，通过螺钉10锁紧，完成膨胀机的装配。

本发明所述的分置式斯特林膨胀机工作原理为：

压缩机产生的压力波通过连管传递到膨胀机，驱动由气动活塞3、蓄冷器7和弹簧4组成的运动部件做往复运动，弹簧4、气动活塞3与气动气缸间间隙、蓄冷器7与冷指气缸603间隙产生的阻尼力使排出器位移与压力波之间形成合适的相位角，从而产生制冷效应。

本发明中，涉及一种制冷机，包括压缩机，还包括实施例中所述的气动分置式斯特林膨胀机，所述压缩机与膨胀机之间通过连接管连接。

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 (9)

1.一种气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：包括基座、排出器组件和冷指；

所述基座内两侧分别设有定位销和基座通气孔；

所述排出器组件装配在基座的内部，其包括气动活塞、气动气缸、弹簧、球节和蓄冷器，球节一端与气动活塞连接，另一端与蓄冷器连接，弹簧一端与气动气缸连接，另一端与气动活塞连接，所述气动气缸两侧设有与定位销和基座通气孔相配合的定位孔和气缸通气孔；

所述冷指与基座连接，其包括定位槽、冷指通气孔和冷指气缸，所述定位槽、冷指通气孔分别与基座内的定位销和基座通气孔相配合，所述冷指气缸与蓄冷器相配合。

2.根据权利要求1所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述气动活塞为活塞阶梯轴，活塞阶梯轴与气动气缸间隙将工质腔体分为工作腔和气动腔，弹簧置于气动腔内。

3.根据权利要求2所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述气动活塞与气动气缸之间设有两道无油的间隙密封，密封间隙单边小于8μm。

4.根据权利要求1所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述球节包括球窝、球钉，所述球钉可以在球窝内360°自由旋转，所述球钉与气动活塞连接，球窝与蓄冷器连接，所述球窝与球钉之间设有为球钉与球窝提供弹性支撑的O型圈。

5.根据权利要求4所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述球钉与气动活塞、球窝与蓄冷器之间均采用胶水粘接。

6.根据权利要求1所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述弹簧为一体式机械弹簧，弹簧与弹簧座为一个整体。

7.根据权利要求1所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述基座内的定位销与基座通气孔布置成180°，基座定位销为冷指和排出器组件装配的定位基准。

8.根据权利要求1所述的气动分置式斯特林膨胀机，其特征在于：所述冷指与基座之间采用C型金属密封圈密封。

9.一种制冷机，包括压缩机，其特征在于：还包括如权利要求1至8任一项所述的气动分置式斯特林膨胀机，所述压缩机与膨胀机之间通过连接管连接。