CN107024021B - 一种推移活塞系统及其在脉管制冷机中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推移活塞系统及其在脉管制冷机中的应用，该系统包括同轴装配的推移活塞体及推移活塞气缸体，推移活塞体包括同轴设置的推移活塞、推移活塞杆及推移活塞轴组件，推移活塞轴组件包括推移活塞轴、片弹簧固定隔板以及将推移活塞轴与片弹簧固定隔板相连接的片弹簧，片弹簧隔板上设有安装凸台，推移活塞、推移活塞杆、推移活塞轴与安装凸台同轴设置；推移活塞气缸体包括推移活塞气缸、与推移活塞气缸同轴设置的推移活塞杆孔及推移活塞气缸安装口。与现有技术相比，本发明结构简单，装配方便，可以保证同轴度，进而保证推移活塞与推移活塞气缸之间、推移活塞杆与推移活塞杆孔之间形成间隙密封。

Description

一种推移活塞系统及其在脉管制冷机中的应用

技术领域

本发明属于制冷机技术领域，涉及一种推移活塞系统及其在脉管制冷机中的应用。

背景技术

脉管制冷机是一种低温制冷机。而室温推移活塞脉管制冷机是脉管制冷机中理论效率最高的之一。在室温推移活塞脉管制冷机中，为了取得长寿命，一般采用间隙密封。在间隙密封式推移活塞系统中，因为结构是凹式的，推移活塞与推移活塞气缸间的间隙和推移活塞杆与推移活塞杆孔间的间隙很难保证。传统的制造方法是推移活塞杆穿过推移活塞杆孔插入气库里，推移活塞杆在气库里装在片弹簧上，片弹簧固定在气库上，推移活塞装于推移活塞杆上，推移活塞杆与推移活塞杆孔间的间隙可保证，但推移活塞与推移活塞气缸间的间隙就难以保证。因而，这种脉管制冷机虽然有和卡诺一样的理论效率，但至如今无法投入应用。

中国专利CN104654648A公开了一种多级阶梯活塞式脉管制冷机，包括压缩机、n级冷冻部及n级阶梯推移活塞系统，其中，n为大于1的整数，冷冻部包括冷却器、回热器、冷头及脉管，第n级冷冻部中的冷头作为第n级冷量输出端，压缩机的压缩腔与冷冻部中的冷却器连接，n级阶梯推移活塞系统的推移活塞工作腔分别与脉管连接，n级阶梯推移活塞系统的推移活塞背工作腔与压缩机的压缩腔连通，至少一级冷冻部中的脉管和与其相连的阶梯推移活塞工作腔之间连接有调整腔。该发明虽然可以通过调节调整腔的容积从而使脉管冷端的气体的流量与压力工作在最佳相位角，同时兼顾各级的输入功的分配，但是仍然没有解决上述间隙问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构紧凑，装配简单，能有效保证同轴度，推移活塞杆与推移活塞杆孔间隙及推移活塞与推移活塞气缸间隙均能得到保证的新型推移活塞系统。

本发明的另一个目的是将新型推移活塞系统应用在脉管制冷机中。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种推移活塞系统，该系统包括同轴装配的推移活塞体及推移活塞气缸体，

所述的推移活塞体包括同轴设置的推移活塞、推移活塞杆及推移活塞轴组件，所述的推移活塞轴组件包括推移活塞轴、片弹簧固定隔板以及将推移活塞轴与片弹簧固定隔板相连接的片弹簧，所述的片弹簧隔板上设有安装凸台，该安装凸台与推移活塞轴同轴安装，并且所述的推移活塞、推移活塞杆、推移活塞轴与安装凸台同轴设置；

所述的推移活塞气缸体包括推移活塞气缸、与推移活塞气缸同轴设置的推移活塞杆孔及推移活塞气缸安装口；

所述的推移活塞安装在推移活塞气缸内，推移活塞轴安装在推移活塞轴安装孔内，所述的推移活塞气缸安装口安装在安装凸台上。

所述的推移活塞轴与推移活塞轴安装孔之间采用无间隙或过盈配合。

所述的推移活塞与推移活塞气缸之间采用间隙配合，

所述的推移活塞杆与推移活塞杆孔之间采用间隙配合。

所述的推移活塞气缸安装口与片弹簧固定隔板的安装凸台之间采用无间隙或过盈配合。

所述的片弹簧的径向刚度很大，轴向刚度适中。这样，所述的片弹簧固定隔板与推移活塞轴在径向可看作一体，在轴向可相对做往复运动。装配要求是推移活塞轴与片弹簧固定隔板要保证足够的同轴度。

所述的推移活塞包括多级阶梯型推移活塞、反E型推移活塞或多级耙型推移活塞中的一种。

所述的推移活塞还可以为一级结构。

优选的，多级阶梯型推移活塞为内部具有中空结构的多级阶梯型推移活塞，该多级阶梯型推移活塞的各阶梯之间呈同轴设置，并开设有衡压孔，使得多级阶梯型推移活塞质量减轻的同时，亦可作为气库的容积。而在实际使用时，所述的多级阶梯型推移活塞系统具有外加气库。

所述的推移活塞气缸体还包括与推移活塞气缸同轴设置的推移活塞杆装配体，该推移活塞杆装配体与推移活塞气缸分离，所述的推移活塞杆孔开设在推移活塞杆装配体上，并与推移活塞杆装配体同轴设置。

所述的片弹簧固定隔板设有两个同轴的安装凸台，一个与推移活塞气缸安装口配合，另一个与推移活塞气缸体中的推移活塞杆体安装孔配合。

一种推移活塞系统在脉管制冷机中的应用，所述的推移活塞系统用于脉管制冷机，其中，所述的脉管制冷机包括

压缩机：包括由压缩气缸与压缩活塞形成压缩腔，

冷冻部：包括冷却器、回热器、冷头及脉管，所述的冷却器的一端分别与压缩机口、推移活塞系统的背腔口连接，所述的脉管的一端与推移活塞系统的前腔口连接。

优选的，当推移活塞为多级阶梯型推移活塞时，推移活塞气缸体也呈阶梯状结构，每一级推移活塞与活塞气缸都会形成一个前腔，在前腔上开设有前腔口，每一个前腔口都可以连接一个脉管，这样就可以应用在多级脉管制冷机和多冷冻部脉管制冷机中。

优选的，所述的压缩机中的压缩活塞可由直线电机驱动，冷冻部的各部件如回热器和脉管等两端还设有使气体均匀流入的气体均匀器。

优选的，所述的压缩气缸与推移活塞还可以采用一体式结构。

优选的，所述的脉管制冷机为多级脉管制冷机。

优选的，所述的脉管制冷机为多冷冻部脉管制冷机。

优选的，所述的推移活塞轴可以采用热涨系数小的材料如不锈钢材质制成，推移活塞气缸体可以采用热涨系数大的材料如铝质材料，这样在在安装时可将推移活塞气缸体加热，即可很容易进行安装。当然也可采用同样的材料制成。

本发明推移活塞系统采用非加工中心加工时，推移活塞气缸体可分部加工，易于保证推移活塞气缸与推移活塞杆孔的同轴度，采用片弹簧固定隔板结构，较易保证推移活塞系统中的同轴度，更易保证推移活塞与推移活塞气缸之间的间隙和推移活塞杆与推移活塞杆孔之间的间隙。

与现有技术相比，本发明采用新型推移活塞轴及推移活塞结构，在推移活塞上设置推移活塞杆，并在推移活塞杆开设推移活塞轴安装孔，推移活塞轴装于推移活塞轴安装孔内；推移活塞汽缸上开设有推移活塞杆孔，所述的推移活塞杆装于推移活塞杆孔内；同时，推移活塞轴与片弹簧固定隔板之间采用片弹簧支撑；推移活塞气缸体装于片弹簧固定隔板上。采用上述装配结构，使得推移活塞、推移活塞杆、推移活塞轴在制造上很容易保持同轴度，推移活塞汽缸、推移活塞杆孔也很容易保持同轴度；推移活塞轴与片弹簧固定隔板亦很容易保持同轴度；因此，在装配时，推移活塞轴与推移活塞轴安装孔、推移活塞气缸体与片弹簧固定隔板只要保证同轴度，就可以保证七者的同轴度。推移活塞轴和推移活塞轴安装孔、推移活塞气缸体与片弹簧固定隔板只要采用过盈配合即可保证同轴度。在安装时，可将推移活塞轴冷却，且将推移活塞气缸体加热或将片弹簧固定隔板冷却，即可很容易安装。

本发明推移活塞系统可供多级脉管制冷机和多冷冻部脉管制冷机使用，推移活塞可成对使用以减小振动，也可采用减振器来减小振动。本发明引入了推移活塞、推移活塞轴、推移活塞气缸以及片弹簧固定隔板之间保持同轴度的方法，进而保证了推移活塞与推移活塞气缸之间、推移活塞杆与推移活塞杆孔之间均为间隙配合，实现间隙密封，有效解决了现有技术存在的推移活塞与推移活塞气缸间的间隙难以保证的技术问题，有效延长了推移活塞系统的使用寿命，为推移活塞型脉管制冷机投入实际应用提供了技术支持和保障。

附图说明

图1为实施例1推移活塞结构示意图；

图2为实施例1推移活塞气缸体结构示意图；

图2-1为实施例1推移活塞气缸结构示意图；

图2-2为实施例1推移活塞杆装配体结构示意图；

图3为实施例1推移活塞与推移活塞气缸体装配结构示意图；

图4为实施例1推移活塞轴组件结构示意图；

图5为实施例1推移活塞体与推移活塞气缸体装配结构示意图；

图6为实施例1推移活塞系统结构示意图；

图7为实施例1推移活塞系统用于脉管制冷机的结构示意图；

图8为实施例2推移活塞结构示意图；

图9为实施例2推移活塞气缸体前端盖结构示意图；

图10为实施例2推移活塞系统结构示意图；

图11为实施例3推移活塞结构示意图；

图12为实施例3推移活塞气缸体前端盖结构示意图；

图13为实施例3推移活塞系统结构示意图；

图13-1为实施例3推移活塞系统用于多级脉管制冷机的结构示意图；

图13-2为实施例3推移活塞系统用于多冷冻部脉管制冷机的结构示意图；

图14为实施例4推移活塞结构示意图；

图15为实施例4推移活塞气缸体前端盖结构示意图；

图16为实施例4推移活塞系统结构示意图；

图17为实施例5推移活塞气缸结构示意图；

图18为实施例5推移活塞杆孔结构示意图；

图19为实施例5推移活塞轴组件结构示意图；

图20为实施例5推移活塞体与推移活塞气缸体装配结构示意图；

图21为实施例5推移活塞系统结构示意图；

图中，11—推移活塞体、111—推移活塞、112—推移活塞杆、113—衡压孔、121—推移活塞轴安装孔、12—推移活塞轴、13—片弹簧、14—片弹簧固定隔板、15—安装凸台、16—安装凸台、12a—过盈配合、14a—过盈配合、141—第一推移活塞、142—第二推移活塞、143—第三推移活塞、21—推移活塞气缸体、211—推移活塞气缸、212—推移活塞杆孔、211a—间隙密封、212a—间隙密封、213—推移活塞气缸安装口、214—推移活塞杆装配体、22—前端盖、221—推移活塞前腔、221a—第一推移活塞前腔、221b—第二推移活塞前腔、221c—第三推移活塞前腔、222—推移活塞背腔、223—气库、23—后端盖、231—背腔口、232—前腔口、232a—第一推移活塞前腔口、232b—第二推移活塞前腔口、232c—第三推移活塞前腔口、233—推移活塞杆孔体、234—推移活塞杆体安装孔、30—压缩机、31—直线电机、32—压缩活塞、33—压缩气缸、34—压缩腔、341—压缩机口、40—冷冻部、41—冷却器、42—回热器、43—冷头、44—脉管、42a—第一级回热器、43a—第一级冷头、44a—第一级脉管、42b—第二级回热器、43b—第二级冷头、44b—第二级脉管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

图1所示，推移活塞体11内有推移活塞111，推移活塞杆112，推移活塞轴安装孔121。推移活塞111，推移活塞杆112，推移活塞轴安装孔121要保证足够的同轴度。

图2所示，推移活塞气缸体21内有推移活塞气缸211，推移活塞杆孔212，推移活塞气缸安装口213和背腔口231。推移活塞气缸211，推移活塞杆孔212，推移活塞气缸安装口213要保证足够的同轴度。

由于在实际加工过程中，将推移活塞气缸体21进行一次加工，同时还要考虑到推移活塞气缸211，推移活塞杆孔212及推移活塞气缸安装口213的同轴度，难度较大。因此，可将推移活塞气缸体21进行分开加工，即将推移活塞杆装配体214与推移活塞气缸211进行分离设置，可分别对推移活塞气缸211(见图2-1)与推移活塞杆装配体214(见图2-2)进行单独加工，加工时应尽可能保证推移活塞气缸211与推移活塞杆装配体214有足够的同轴度，推移活塞杆孔212与推移活塞杆装配体214也要保证足够的同轴度。

图3所示，装配推移活塞气缸体21与推移活塞体11，推移活塞杆112插入推移活塞杆孔212中，其中，推移活塞体11与推移活塞气缸体21保证足够的同轴度。推移活塞111与推移活塞气缸211的配合采用间隙配合，该间隙即为间隙密封211a，推移活塞杆112与推移活塞杆孔212的配合采用间隙配合，该间隙即为间隙密封212a。推移活塞111与推移活塞气缸211形成了推移活塞背腔222。

图4所示，推移活塞轴组件有推移活塞轴12，片弹簧固定隔板14和片弹簧13。推移活塞轴12与片弹簧固定隔板14通过片弹簧13联结。片弹簧13的径向刚度很大，轴向刚度适中。这样，片弹簧固定隔板14和推移活塞轴12在径向可看作一体，在轴向可相对做往复运动。装配要求是推移活塞轴12与片弹簧固定隔板14的安装凸台15要保证足够的同轴度。

图5所示，装配推移活塞体与推移活塞气缸体，推移活塞轴12插入推移活塞轴安装孔121中，推移活塞轴12与推移活塞轴安装孔121可采用过盈配合12a，这样推移活塞轴12与推移活塞轴安装孔121可保证同轴度。片弹簧固定隔板14的安装凸台15与推移活塞气缸体21的推移活塞气缸安装口213可采用过盈配合14a，这样片弹簧固定隔板14与推移活塞气缸体21可保证同轴度。推移活塞气缸211与推移活塞杆孔212有足够的同轴度；推移活塞111，推移活塞杆112与推移活塞轴安装孔121有足够的同轴度；推移活塞轴12与片弹簧固定隔板14有足够的同轴度。因而，推移活塞气缸211和推移活塞111有足够的同轴度，推移活塞杆孔212和推移活塞杆112有足够的同轴度。

图6所示，推移活塞系统中形成了推移活塞前腔221、推移活塞背腔222及气库223。气库223的容积主要为后端盖23与推移活塞气缸体21形成的空容积。前腔有前腔口232，背腔有背腔口231。

图7所示为采用本实施例推移活塞系统的脉管制冷机。在压缩机30中，压缩气缸33与压缩活塞32形成压缩腔34，压缩活塞32由直线电机31驱动。冷冻部40包括冷却器41，回热器42，冷头43和脉管44。冷却器41，回热器42，冷头43和脉管44两端一般有气体均匀器使气体均匀流入。冷却器41的一端分别接于压缩机口341与推移活塞系统的背腔口231，脉管一端接于推移活塞系统的前腔口232。

这里，推移活塞轴12可与推移活塞杆112一体，这时，可在推移活塞111上设置推移活塞杆112安装孔，使推移活塞111与推移活塞杆112同轴。

实施例2：

图10为多级阶梯型推移活塞系统，其中，多级阶梯型推移活塞制成中空，并开有衡压孔113，使得多级阶梯推移活塞质量减轻的同时亦可作为气库的容积，如图8所示，多级阶梯型推移活塞具有第一推移活塞141，第二推移活塞142及第三推移活塞143，第二推移活塞142、第三推移活塞143与第一推移活塞141尽可能保持同轴度。图9中，推移活塞气缸体前端盖22与第二推移活塞142、第三推移活塞143之间分别设有第二推移活塞气缸212、第三推移活塞气缸213，两者应尽可能保持足够的同轴度。

其中，推移活塞气缸211(在本实施例中即可看作第一推移活塞气缸)与第一推移活塞141形成第一推移活塞前腔221a，第二推移活塞气缸212与第二推移活塞142形成第二推移活塞前腔221b，第三推移活塞气缸213与第三推移活塞143形成第三推移活塞前腔221c。第一推移活塞前腔221a有第一推移活塞前腔口232a，第二推移活塞前腔221b有第二推移活塞前腔口232b，第三推移活塞前腔221c有第三推移活塞前腔口232c。

其余结构与实施例1相同。

实施例3：

图13为反E型推移活塞系统，其中，推移活塞111为反E型活塞，如图11所示；图12所示为与反E型活塞相适配的推移活塞气缸体前端盖；如图13所示，反E型推移活塞系统中设有第一推移活塞前腔221a及第二推移活塞前腔221b，并且第一推移活塞前腔221a有第一推移活塞前腔口232a，第二推移活塞前腔221b有第二推移活塞前腔口232b。其余结构与实施例1相同。

图13-1为本实施例反E型推移活塞系统用于多级脉管制冷机的结构示意图，冷冻部40由冷却器41、第一级回热器42a、第一级冷头43a及第一级脉管44a组成；并且第一级回热器42a又与第二级回热器42b并联连接，再连接第二级冷头43b、第二级脉管44b。其中，第一推移活塞前腔口232a、第二推移活塞前腔口232b分别与第一级脉管44a和第二级脉管44b连接，冷却器41的一端分别与压缩机30的压缩机口341、推移活塞系统的背腔口231相连接，这样就可以应用在二级脉管制冷机中。由于各个脉管分别连接一个推移活塞前腔，从而没有DC气流。如果只有一个推移活塞前腔，气体会在两个脉管之间自由流动，产生DC气流，影响制冷效率。

图13-2为本实施例反E型推移活塞系统用于多冷冻部脉管制冷机的结构示意图，采用两并联设置的冷冻部40，每个冷冻部均由冷却器41、回热器42、冷头43及脉管44组成。由于各个脉管分别连接一个推移活塞前腔，从而不会产生DC气流。

实施例4：

图16为多级耙型推移活塞系统，其中，推移活塞111为多级耙型推移活塞，如图14所示；图15所示为与多级耙型推移活塞相适配的推移活塞气缸体前端盖；如图16所示，多级耙型推移活塞系统中设有第一推移活塞前腔221a、第二推移活塞前腔221b及第三推移活塞前腔221c，并且第一推移活塞前腔221a有第一推移活塞前腔口232a，第二推移活塞前腔221b有第二推移活塞前腔口232b，第三推移活塞前腔221c有第三推移活塞前腔口232c。其余结构与实施例1相同。

实施例5：

图21为多凸台隔板推移活塞系统，推移活塞气缸体21采用推移活塞气缸(见图17)与推移活塞杆孔(见图18)分开加工的方法，推移活塞杆孔体233设有推移活塞杆体安装孔234，加工时应尽可能保证推移活塞气缸211和推移活塞气缸安装口213有足够的同轴度，推移活塞杆孔212与推移活塞杆体安装孔234有足够的同轴度。

图19所示为本实施例中推移活塞轴组件，采用多凸台片弹簧固定隔板14，设有安装凸台15及安装凸台16，加工时应尽可能保证每个凸台的同轴度。图20中，推移活塞杆体安装孔234安装在多凸台片弹簧固定隔板14的安装凸台16上，并且推移活塞杆体安装孔234与安装凸台16只要过盈配合即可保证同轴度。在安装时可将推移活塞杆孔安装台233冷却或将多凸台片弹簧固定隔板14加热即可很容易安装。其余结构与实施例1相同。

具有多个推移活塞前腔的推移活塞应用于多级脉管制冷机或多冷冻部脉管制冷机，每个脉管的热端连接一个推移活塞前腔。

本发明中的过盈配合的安装可采用加热或冷却的方法，也可采用压力方法。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种推移活塞系统，其特征在于，该系统包括同轴装配的推移活塞体及推移活塞气缸体，

所述的推移活塞体包括同轴设置的推移活塞、推移活塞杆及推移活塞轴组件，所述的推移活塞轴组件包括推移活塞轴、片弹簧固定隔板以及将推移活塞轴与片弹簧固定隔板相连接的片弹簧，所述的片弹簧固定隔板上设有安装凸台，该安装凸台与推移活塞轴同轴安装，并且所述的推移活塞、推移活塞杆、推移活塞轴与安装凸台同轴设置；

所述的推移活塞气缸体包括推移活塞气缸、与推移活塞气缸同轴设置的推移活塞杆孔及推移活塞气缸安装口；

所述的推移活塞安装在推移活塞气缸内，推移活塞轴安装在推移活塞轴安装孔内，所述的推移活塞气缸安装口安装在安装凸台上。

2.根据权利要求1所述的一种推移活塞系统，其特征在于，所述的推移活塞轴与推移活塞轴安装孔之间采用无间隙或过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种推移活塞系统，其特征在于，

所述的推移活塞与推移活塞气缸之间采用间隙配合，

所述的推移活塞杆与推移活塞杆孔之间采用间隙配合。

4.根据权利要求1所述的一种推移活塞系统，其特征在于，所述的推移活塞气缸安装口与片弹簧固定隔板的安装凸台之间采用无间隙或过盈配合。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种推移活塞系统，其特征在于，所述的推移活塞包括多级阶梯型推移活塞、反E型推移活塞或多级耙型推移活塞中的一种。

6.根据权利要求1至4任一项所述的一种推移活塞系统，其特征在于，所述的推移活塞气缸体还包括与推移活塞气缸同轴设置的推移活塞杆装配体，该推移活塞杆装配体与推移活塞气缸分离，所述的推移活塞杆孔开设在推移活塞杆装配体上，并与推移活塞杆装配体同轴设置。

7.根据权利要求1至4任一项所述的一种推移活塞系统，其特征在于，所述的片弹簧固定隔板设有两个同轴的安装凸台，一个与推移活塞气缸安装口配合，另一个与推移活塞气缸体中的推移活塞杆体安装孔配合。

8.如权利要求1所述的一种推移活塞系统在脉管制冷机中的应用，其特征在于，所述的推移活塞系统用于脉管制冷机，其中，所述的脉管制冷机包括

压缩机：包括由压缩气缸与压缩活塞形成压缩腔，

冷冻部：包括冷却器、回热器、冷头及脉管，所述的冷却器的一端分别与压缩机口、推移活塞系统的背腔口连接，所述的脉管的一端与推移活塞系统的前腔口连接。

9.根据权利要求8所述的一种推移活塞系统在脉管制冷机中的应用，其特征在于，所述的脉管制冷机为多级脉管制冷机。

10.根据权利要求8所述的一种推移活塞系统在脉管制冷机中的应用，其特征在于，所述的脉管制冷机为多冷冻部脉管制冷机。