CN107407508B - 具有柔性的回热器驱动的斯特林制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以斯特林循环运行的制冷器(10)，这种类型的制冷器包括：压缩器，其具有在压缩缸(20)中移动的压缩活塞(50)；回热器，其具有在回热缸(26)中移动的回热活塞(56)；驱动曲轴(36)，其包括曲柄销(40)，曲柄销能够相对于压缩缸和/或回热缸旋转；以及压缩连杆(42)，其包括安装在前述销上的头部(44)和铰接在压缩活塞上的脚部(48)。回热活塞通过联接元件(54)连接到曲轴，联接元件包括由至少两个弹簧式联接部(76，78)连接的至少三个刚性的相邻部分(70，72，74)。

Description

具有柔性的回热器驱动的斯特林制冷器

技术领域

本发明涉及一种根据斯特林循环运行的制冷器，这种类型的制冷器包括：压缩器，其具有能够在压缩缸内沿着第一轴线移动的可动的压缩活塞；回热器，其具有能够在回热缸内沿着第二轴线移动的可动的回热活塞，第二轴线与第一轴线形成角度；驱动曲轴，其包括可旋转的曲柄销，曲柄销能够相对于压缩缸和/或回热缸绕第三轴线旋转，第三轴线基本上与第一轴线共面并且基本上垂直于第一轴线和第二轴线；以及压缩连杆，其包括连杆头部和连杆脚部，连杆头部安装在曲轴的曲柄销上，连杆脚部铰接在压缩活塞上。

背景技术

这种制冷器具体地在文献US4365982中进行了描述。

以已知的方式，斯特林循环包括以下四个阶段：

-通过压缩活塞在压缩缸中的位移获得的在热温下的流体的等温压缩；

-通过流体穿过回热活塞获得的流体从热温到冷温的等容冷却，所述活塞在回热缸内运动并用于热交换器的目的；

-通过压缩活塞在压缩缸中返回获得的在冷温下的流体的等温膨胀；以及

-通过回热活塞在回热缸中返回获得的流体从冷温到热温的等容加热。

以常规的方式，回热活塞通过曲轴借助小的连杆而被驱动，所述连杆一方面铰接在压缩连杆上，另一方面铰接在回热活塞上。

该装置需要通过小连杆的铰接部中的非常小的间隙被安装，特别是为了减小活塞每次反向移动时的振动冲击。因此，对于零件而言，生产的制约因素和成本是很高的。

发明内容

本发明的目的是提供一种确保回热缸的机械驱动的装置，同时减小与其相关的约束和成本。

为此，本发明的目的涉及一种前述类型的制冷器，其中，所述回热活塞通过联接元件被连接到所述曲轴，所述联接元件包括由至少两个弹簧式联接部连接的至少三个相邻的刚性部分，所述联接元件的第一端部以固定方式被安装在所述回热活塞上，所述联接元件的第二端部以固定方式安装在所述压缩连杆的头部上。

术语“弹簧式联接部”用于指代具有柔性且没有间隙的联接部。如下面的描述中将详细描述的，除弹簧之外的联接部呈现出这些特征。

根据本发明的其它有利方面，制冷器包括单独地或根据所有可能的技术组合考虑的以下特征中的一个或多个：

-所述联接元件的第一端部和第二端部被设置在由所述压缩活塞的第一轴线和所述曲轴的第三轴线形成的平面的两侧；

-所述回热活塞的第二轴线位于距所述曲轴的第三轴线非零距离处；

-所述第三轴线被设置在所述第二轴线与所述压缩缸之间；

-所述至少三个部分基本上是直线的；

-所述联接元件的最靠近于所述回热活塞的至少两个部分被设置成基本上平行于所述第二轴线；以及所述联接元件的最靠近于所述连杆的头部的至少所述部分被设置成基本上平行于所述第一轴线；

-所述联接部由螺旋扭转弹簧形成；

-所述螺旋线圈弹簧沿着彼此平行的轴线设置；

-所述螺旋线圈弹簧沿着彼此垂直的轴线设置。

附图说明

通过阅读下面纯粹作为示例的描述并参考附图，本发明将被更好地理解，在附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的制冷器的横截面视图；

-图2是图1所示制冷器的一个元件的视图；以及

-图3至图6是图2所示元件的实施例的变型的视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施例的装置的横截面视图。装置为根据斯特林循环运行的制冷器。装置包括外壳12。所述外壳12具体地包括本体14和恒冷箱16，本体和恒冷箱彼此组装并且限定出外壳内的内部容积。内部容积优选地填充有高纯度气体比如氦。

在说明书的以下部分中，考虑正交基(X，Y，Z)。

外壳的本体14具体地限定了具有圆柱形形状的第一内壁20，第一内壁沿着平行于Z的第一轴线22设置。所述内壁20被称为压缩缸。外壳12还包括组装在本体14上的凸缘24。凸缘24封闭位于压缩缸20的第一轴向端部处的孔口。

恒冷箱16限定出具有圆柱形形状的第二内壁26，第二内壁沿着相对于第一轴线22倾斜的第二轴线28设置。在图1所示的示例中，第二轴线28平行于X，也就是说，垂直于第一轴线22。第二轴线28基本上与第一轴线22共面。

第二内壁26被称为回热缸。回热缸26的被称为冷端的第一轴向端部30是封闭的。以常规的方式，通过装置冷端30与待冷却的元件31例如电子部件接触。

压缩缸20和回热缸26的第二轴向端部与外壳12的中心空间32连通。中心区域32基本上为圆柱形，设置为与Y平行。

中心空间32容纳连接到马达(未示出)的曲轴系统36。曲轴36包括沿着平行于Y的第三轴线34设置的马达轴。第三轴线34基本上与第一轴线22共面。优选地，如图1所示，第三轴线34设置在第二轴线28和压缩缸20之间，距离第二轴线28为非零距离38。

以固定方式安装在曲轴36的马达轴上的是偏心曲柄销40。曲柄销40连接到基本上设置在包含第一轴线22和第二细线28的平面(X，Z)中的连杆42。

连杆42是刚性件，其包括头部44，头部通过轴承46安装在曲柄销40上。连杆42还包括脚部48，脚部以铰接方式附接到称为压缩活塞的第一活塞50。压缩活塞50可以在压缩缸20内沿着第一轴线22平移运动，压缩缸在活塞50运动期间引导该活塞。

压缩活塞50限定压缩缸20内的位于凸缘24和所述压缩活塞50之间的压缩室52。压缩室52具有根据活塞50的运动而变化的可变容积。

通过下面将要描述的联接元件54，偏心曲柄销40还连接到称为回热活塞的第二活塞56。回热活塞56可沿第二轴线28在回热缸26中平移运动，回热缸在活塞56运动期间引导该活塞。

回热活塞56包括基部58以及管60，该管在回热缸26中从基部58沿着朝向冷端30的方向延伸。通常，管60的内部装填有多孔材料(未示出)，多孔材料能够与容纳在回热缸26中的流体进行热交换。多孔材料例如由金属网的堆叠形成。

回热活塞56限定回热缸26内的位于冷端30和所述回热活塞56之间的回热室62。回热室62具有根据活塞56的运动而变化的可变容积。

压缩室52和回热室62之间的气动连接例如通过导管确保，该导管的第一部分64穿过外壳12并且该导管的第二部分66穿过回热活塞56的基部58。

图2示出了将曲柄销40连接到第二活塞56的联接元件54的详细视图。

联接元件54包括三个相邻部分70、72、74，这些部分是刚性的并且基本上是直线的。第一部分70的第一端75以固定的方式安装在回热活塞56的基部58上。第一部分70基本上与活塞56的平行于X的运动轴线28对准。

第一部分70的第二端对应于将第一部分70连接到第二部分72的第一弹簧式联接部76。与第一部分70类似，第二部分72基本上平行于X。

第二部分72的与第一联接部76相反的一端对应于第二弹簧式联接部78。第二联接部78将第二部分72连接到第三部分74。第三部分74被设置成基本平行于Z，也就是说，垂直于第二部分72。

第三部分74的与第二联接部78相反的一端80以固定的方式安装在连杆42的头部44上。如图1所示，联接元件54的端部75和80设置在由压缩活塞的第一轴线22和曲轴的第三轴线34形成的平面的两侧。换句话说，联接元件54以与现有技术的装置中的回热活塞的连杆的通常附接区域大致相反的方式被附接到连杆42。

在图1和图2所示的示例中，联接元件54由金属销形成，该金属销在联接部76、78的区域围绕自身缠绕，以便在所述联接部的区域形成扭转弹簧。所述弹簧76、78中的每一个是沿着平行于Y的轴线布置的螺旋形的。

图3示出了图1和图2所示的元件54的变型154。除了形成沿平行于Z的轴线布置的螺旋线圈弹簧的第一联接部176以外，元件154类似于本文上面描述的元件54。第二联接部78设置成平行于Y，如图2所示的元件54。

图4、图5和图6示出了图1、图2和图3所示的联接元件54和154的变型254、354和454。如前述示例，元件254、354和454包括三个相邻部分70、72、74，这三个相邻部分是刚性的并且基本上是直线的。两个第一部分70、72基本上平行于X，并且第三部分74基本上平行于Z。

相邻部分70、72以及72、74分别通过弹簧式联接部连接。在图4所示的示例254中，联接部276、278是枢轴和/或滚子式磁轴承。在图5所示的示例354中，联接部376、378是弯曲枢轴(flex pivots)。在图6所示的示例454中，联接部476、478是柔性轴承。

为了进行类似的运行，上文描述的元件154、254、354和454能够代替图1所示的装置中的联接元件54。

现在将根据已知的斯特林循环的步骤来描述装置的运行的运行方法。

偏心曲柄销40被曲轴36的马达轴驱动而绕轴线34旋转。通过连杆42，曲柄销40的旋转被转换为压缩活塞50沿着第一轴线22的往复直线运动。

此外，通过联接元件54，曲柄销40的旋转被转换成回热活塞56沿着第二轴线28的往复直线运动。

弹簧联接部76、78通过柔性确保了联接元件54能够将连杆头部44的运动转变成活塞56的被回热缸26引导的直线运动。弹簧式联接部76、78消除了与常规的连杆驱动的驱动系统有关的问题，特别是由机械间隙产生的振动冲击。

活塞50、56的运动是准正弦的。活塞50、56的运动彼此有大约90°的相位差，也就是说，当两个活塞50、56中的一个处于其行程的一端时，所述两个活塞中的另一个处于行程的中点。

例如，考虑压缩活塞50沿朝向凸缘24的方向沿着第一轴线22移动。在图1所示的构造中，压缩室52几乎达到其最小体积。容纳在所述室中的氦达到最大压力范围并通过导管64、66被驱动到回热活塞56中。因此，所述回热活塞基本上处于回热缸26中的行程的中点并且沿远离冷端30的方向移动。

氦穿过活塞56的管60，并在与所述管中所容纳的热交换器接触时被冷却。回热活塞56继续其在回热缸26中的行程直到回热室62的最大膨胀点。此外，压缩活塞50在压缩缸20内移动，以便增大压缩室52的体积，同时降低氦的压力。回热活塞56的返回与压缩室52的体积的继续扩大相结合，导致氦沿相反方向穿过管60。然后，氦在通过导管64、66返回压缩室52之前，回收热量并升高温度。压缩活塞50继续其行程直到压缩室52的最大膨胀点，随后头部沿相反方向返回，以便再次压缩流体并完成循环。

第二轴线28和第三轴线34之间的距离38允许活塞56借助元件54在回热缸26中的移动而不会使曲轴36产生任何障碍。因此，可以在恒冷箱16沿着第二轴线28的更大的紧凑性方面获得增益。

优选地，用于安装装置的安装方法使得当驱动曲柄销40的马达不运行时，弹簧联接部76、78基本上没有安装应力。因此，在运行过程中，联接部76、78中的应力仅由装置的元件的运动引起。

根据未示出的实施例的一个变型，压缩室52和回热室62之间的气动连接由设置在中心空间32内的包括可变形管的导管提供。例如，管的端部被连接到活塞50和56中的入口。管是柔性的或由刚性部分形成，所述刚性部分通过柔性区域连接，以便根据活塞50和56的运动而变形。

Claims (9)

1.根据斯特林循环运行的制冷器，包括：

-压缩器，所述压缩器具有能够在压缩缸(20)内沿着第一轴线(22)移动的可动的压缩活塞(50)；

-回热器，所述回热器具有能够在回热缸(26)内沿着第二轴线(28)移动的可动的回热活塞(56)，所述第二轴线与所述第一轴线形成角度；

-驱动曲轴(36)，所述驱动曲轴包括可旋转的曲柄销(40)，所述曲柄销能够相对于所述压缩缸和/或所述回热缸绕第三轴线(34)旋转，所述第三轴线基本上与所述第一轴线共面并且基本上垂直于所述第一轴线和所述第二轴线；以及

-压缩连杆(42)，所述压缩连杆包括连杆头部(44)和连杆脚部(48)，所述连杆头部安装在所述驱动曲轴的曲柄销上，所述连杆脚部铰接在所述压缩活塞上；

其特征在于，所述回热活塞通过联接元件(54)被连接到所述驱动曲轴，所述联接元件包括由至少两个弹簧式联接部(76，78)连接的至少三个相邻的刚性部分(70，72，74)，所述联接元件的第一端部(75)以固定方式被安装在所述回热活塞上，所述联接元件的第二端部(80)以固定方式安装在所述压缩连杆的头部上。

2.根据权利要求1所述的制冷器，其中，所述联接元件(54)的第一端部(75)和第二端部(80)被设置在由所述压缩活塞的第一轴线(22)和所述驱动曲轴的第三轴线(34)形成的平面的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的制冷器，其中，所述回热活塞的第二轴线(28)位于距所述驱动曲轴的第三轴线(34)非零距离(38)处。

4.根据权利要求3所述的制冷器，其中，所述第三轴线(34)被设置在所述第二轴线(28)与所述压缩缸(20)之间。

5.根据权利要求1或2所述的制冷器，其中，所述至少三个相邻的刚性部分(70，72，74)基本上是直线的。

6.根据权利要求5所述的制冷器，其中：

-所述联接元件(54)的至少三个相邻的刚性部分中的最靠近于所述回热活塞(56)的至少两个部分(70，72)被设置成基本上平行于所述第二轴线(28)；以及

-所述至少三个相邻的刚性部分中的最靠近于所述连杆头部(44)的至少一个部分(74)被设置成基本上平行于所述第一轴线(22)。

7.根据权利要求1或2所述的制冷器，其中，所述联接部(76，78)由螺旋扭转弹簧形成。

8.根据权利要求7所述的制冷器，其中，所述螺旋扭转弹簧沿着彼此平行的轴线设置。

9.根据权利要求7所述的制冷器，其中，所述螺旋扭转弹簧沿着彼此垂直的轴线设置。