CN110594125A - 一种线性压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种线性压缩机，包括气缸、活塞、直线电机和电机轴承；气缸的两端设有敞口，中间设有气缸套环，电机轴承与直线电机固定连接，设置在气缸的一敞口端；活塞设置于气缸另一敞口端并套设在气缸套环内，活塞的小径端与电机轴承柔性连接；活塞及电机轴承沿气缸的轴向可活动的设置，在气缸内形成两个密封空腔，以在气缸套环和电机轴承之间形成第一气弹簧空腔，并在气缸套环与活塞之间形成第二气弹簧空腔。本发明采用两个密封空腔作为线性压缩机的气体谐振弹簧，以及使活塞悬浮于气缸内部的气体轴承，通过调节气弹簧充气压力，实现线性压缩机固有频率的大范围调节，有效避免因提高频运行导致的螺旋弹簧材料应力偏大而发生断裂问题。
Description
技术领域
本发明涉及压缩机领域，特别涉及一种线性压缩机。
背景技术
采用直线电机驱动的线性压缩机，减少了运动转换装置，大大提高了压缩机的效率，具有结构紧凑、重量轻、无油或少润滑油、变容量特性优异等优点，正得到越来越广泛的应用，已成为小型制冷装置用高效压缩机的一个主要发展方向。
1992年美国的Beale和Redlich等人提出了Redlich型结构的动磁式直线振荡电机，这种结构的动磁直线振荡电机是在励磁线圈的圆周上安装导磁材料，形成与励磁线圈同心的圆筒形气隙的磁路结构，由圆筒形的内、外定子组成气隙，径向充磁的圆筒形永磁体在气隙中做往复运动。Redlich型结构直线电机具有磁路结构设计较优，磁路损失小的优点。现有的技术应用主要以Redlich结构的圆筒形直线振荡电机作为驱动器，并在气缸与活塞之间设置谐振螺旋弹簧，采用油润滑方式，实现活塞在气缸内部的往复运动。该结构受制于接触式滑动摩擦的问题，使得线性压缩机高频率运行时摩擦偏大，同时润滑油的使用会恶化制冷系统换热效率，压缩机报废后，润滑油的后处理也会带来严重的环保问题。
为克服以上缺点，现有技术中的线性压缩机，将活塞采用气体轴承或磁悬浮轴承悬浮于气缸内部，实现活塞与气缸的非接触式往复运动，由于气缸与活塞之间仍然设置有螺旋弹簧作为谐振单元。受制于谐振弹簧的材料应力、弹簧扭转等问题，谐振弹簧容易出现断裂，弹簧噪音大，压缩机固有频率不可调节，导致运行频率可调节范围偏窄，进而影响压缩效率、可靠性、冷量调节范围及压缩机小型化。因此，针对以上不足，需要提供一种压缩效率高、容量调节范围大、可靠性高、噪音低的无油环保线性压缩机。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术缺陷和应用需求，本申请提出一种线性压缩机，旨在避免因提高频运行，导致的螺旋弹簧材料应力偏大而发生断裂问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种线性压缩机，包括：气缸、活塞、直线电机和电机轴承；所述气缸的两端设有敞口，中间设有气缸套环，所述电机轴承与所述直线电机固定连接，设置在所述气缸的一敞口端；所述活塞设置于所述气缸另一敞口端并套设在所述气缸套环内，所述活塞的小径端与所述电机轴承柔性连接；所述活塞及所述电机轴承沿所述气缸的轴向可活动的设置，在所述气缸内形成两个密封空腔，以在所述气缸套环和所述电机轴承之间形成第一气弹簧空腔，并在所述气缸套环与所述活塞之间形成第二气弹簧空腔。
进一步地，所述活塞包括：依次连接的第一圆柱、第二圆柱、第三圆柱和第四圆柱；所述第二圆柱和所述第四圆柱的直径大于所述第一圆柱和所述第三圆柱的直径；所述第二圆柱和所述第四圆柱的直径相等，均套设在所述气缸内，所述第一圆柱与所述电机轴承柔性连接，所述第四圆柱与所述气缸之间形成压缩空腔，所述第二圆柱、所述第三圆柱和所述第四圆柱配合所述气缸形成气体空腔，所述气体空腔与所述压缩空腔连通。
进一步地，所述活塞第四圆柱面一端设有吸气装置，所述气缸上设有排气装置，所述压缩空腔通过所述吸气装置与所述压缩空腔连通，所述压缩空腔通过所述排气装置与出口管道连通。
进一步地，还包括：吸气消音器和排气消音器；所述吸气消音器和所述排气消音器分别设置在所述气缸的两侧；所述吸气消音器与所述吸气装置连通，所述排气消音器与所述排气装置连通。
进一步地，所述电机轴承、所述活塞和所述气缸均设有节流孔，且所述节流孔与所述第一气弹簧空腔和/或第二气弹簧空腔连通。
进一步地，所述活塞沿轴向设有将各所述节流孔连通的中心孔，所述中心孔与各所述节流孔连通的孔隙内设有多孔介质材料。
进一步地，所述电机轴承和所述气缸对应设置的节流孔中设置有多孔介质材料。
进一步地，所述气缸包括多个相互套设的空心圆柱；内径最小的所述空心圆柱套设在其它所述空心圆柱中间位置形成所述气缸套环。
进一步地，所述直线电机包括：内定子部件、外定子部件、励磁线圈和动子部件；所述内定子部件和所述外定子部件均为空心圆柱状且同轴设置，所述内定子部件的外侧设置所述励磁线圈，所述外定子部件包覆在所述励磁线圈的圆周上，所述动子部件位于所述内定子部件和所述外定子部件之间的气隙中。
进一步地，所述活塞与所述电机轴承的表面设有石墨涂层、聚醚醚铜涂层、聚酰亚胺树脂涂层、类金刚石涂层、特氟龙涂层、类石墨碳涂层、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层或氧化铝陶瓷涂层中的一种或多种。
(三)有益效果
本发明提供一种线性压缩机，采用两个密封空腔作为线性压缩机的气体谐振弹簧，以及使活塞悬浮于气缸内部的气体轴承，通过调节气弹簧充气压力，实现线性压缩机固有频率的大范围调节，有效避免因提高频运行导致的螺旋弹簧材料应力偏大而发生断裂问题，同时可有效降低谐振弹簧噪音。通过气体轴承，实现线性压缩机的活塞、电机轴承与气缸的非接触式往复运动，可大幅降低压缩机摩擦功耗，保证压缩机高频运行的可靠性，实现线性压缩机的小型化。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1是本发明实施例提供的线性压缩机的剖视面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的线性压缩机的另一剖视面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的线性压缩机的左视图；
图4是本发明另一实施例提供的线性压缩机的剖视面结构示意图；
其中，1、第一连接件；2、内定子部件；3、励磁线圈；4、外定子部件；5、动子部件；6、第二连接件；7、垫片；8、电机轴承连接件；9、电机轴承；9-a、轴承节流孔；10、活塞；11、排气消音器；12、气缸；12-a、气缸节流孔；13、吸气装置；13-a、活塞第一节流孔；13-b、活塞第二节流孔；14、排气装置；15、排气弹簧；16、排气阀；17、吸气消音器；18、第二进气孔；19、第一进气孔；20、多孔介质材料；21、柔性连接接头；91、第一气弹簧空腔；92、第二气弹簧空腔。
具体实施方式
为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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种线性压缩机，如图1、图2和图3所示，该线性压缩机包括：气缸12、活塞10、直线电机和电机轴承9。气缸12的两端设有敞口，中间设有气缸套环，电机轴承9与直线电机固定连接，电机轴承9设置在气缸12的一敞口端。活塞10设置于气缸12另一敞口端并套设在气缸套环内，活塞10的小径端与电机轴承9柔性连接，可采用活塞销连接。活塞10及电机轴承沿气缸12的轴向可活动的设置，进而在气缸12内形成两个密封空腔，以在气缸套环和电机轴承9之间形成第一气弹簧空腔，并在气缸套环与活塞10之间形成第二气弹簧空腔。
本实施例中，气缸12可采用多个结构拼接或整体成型的工艺，气缸12包括多个相互套设的空心圆柱。内径最小的空心圆柱布置在其它空心圆柱中间位置形成气缸套环。活塞10的小径端穿过气缸套环与电机轴承9柔性连接，以在气缸套环和电机轴承9之间形成第一气弹簧空腔，并在气缸套环与活塞10之间形成第二气弹簧空腔。第一气弹簧空腔91及第二气弹簧空腔92等大部分压缩部件均设置在结构的内部，可充分利用线性压缩机的内部空间，大大减少线性压缩机所占用的空间，降低了线性压缩机外形的尺寸。
线性压缩机运行过程中，先开启直线电机，直线电机带动活塞10沿气缸12的轴向运行，第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92时刻保持一定的充气压力。当活塞10向右运行时，第一气弹簧空腔91被拉伸，第二气弹簧空腔92被压缩，第一气弹簧空腔91内气体膨胀，第二气弹簧空腔92内气体被压缩，第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92整体对活塞10提供弹簧谐振作用。当活塞10向左运行时，第一气弹簧空腔91被压缩，第二气弹簧空腔92被拉伸，第一气弹簧空腔91内气体被压缩，第二气弹簧空腔92内气体膨胀，第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92整体对活塞10提供弹簧谐振作用。需要说明的是，第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92并不需要特意设置对应的排气通道，可以仅通过结构间的微小间隙即可进行排气。
本发明实施例提供的线性压缩机，采用两个密封空腔作为线性压缩机的气体谐振弹簧，以及使活塞悬浮于气缸内部的气体轴承，通过调节气弹簧充气压力，实现线性压缩机固有频率的大范围调节，有效避免因提高频运行导致的螺旋弹簧材料应力偏大而发生断裂问题，同时可有效降低谐振弹簧噪音。通过气体轴承，实现线性压缩机的活塞、电机轴承与气缸的非接触式往复运动，可大幅降低压缩机摩擦功耗，保证压缩机高频运行的可靠性，实现线性压缩机的小型化。
根据上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1、图2和图3所示，活塞10可采用截面为“土”形的活塞，截面为“土”形活塞10由四个直径不全相等的圆柱构成，两个大直径圆柱外径相等，且与两个小直径圆柱交替布置。
具体地，活塞10包括：依次连接的第一圆柱、第二圆柱、第三圆柱和第四圆柱。第二圆柱和第四圆柱的直径大于第一圆柱和第三圆柱的直径。第二圆柱和第四圆柱的直径相等均套设在气缸12内，第一圆柱与电机轴承9柔性连接，第四圆柱与气缸12之间形成压缩空腔，第二圆柱、第三圆柱和第四圆柱配合气缸12形成气体空腔，气体空腔与压缩空腔连通。压缩空气的过程中，气体先进入气体空腔后，再进入压缩空腔。
为便于调节压缩空腔内的气体，第四圆柱的一端设有吸气装置13，气缸12上设有排气装置14。活塞10第四圆柱设有进气孔，与吸气装置13连通。压缩空腔通过吸气装置13与压缩空腔连通，压缩空腔通过排气装置与出口管道连通。当活塞10运行的过程中，吸气装置13和排气装置14配合活塞10的运行方向，对压缩空腔进行吸气或排气。排气装置14设置于气缸12的缸头，排气装置14内部设有排气弹簧15及排气阀16。排气阀16与气缸12配合，并与活塞10的第四圆柱端对应。该气缸12由三个内孔直径不全相等的空心圆柱构成。内孔直径最小的空心圆柱布置在其他两个空心圆柱中间位置，构成截面为“工”形气缸12。
为防止吸气或排气的过程噪音过大还可设置吸气消音器17和排气消音器11，将吸气消音器17和排气消音器11分别设置在气缸12两侧。吸气消音器17与吸气装置13连通，排气消音器11与排气装置14连通。
为使活塞10和电机轴承9悬浮于气缸12内部，电机轴承9、活塞10和气缸12均设有节流孔，例如活塞的活塞第一节流孔13-a和活塞第二节流孔13-b。开设节流孔是为了实现气体轴承，根据实际需要可选择将节流孔与第一气弹簧空腔91和/或第二气弹簧空腔92连通。例如，气缸12内孔直径最小的空心圆柱径向开设气缸节流孔12-a，并且气缸节流孔12-a与第一气弹簧空腔91连通。电机轴承9呈空心圆筒状，电机轴承9的圆柱面径向设置轴承节流孔9-a。
其中，活塞10沿轴向设有将各节流孔连通的中心孔，中心孔与各节流孔连通的孔隙内设有多孔介质材料20。电机轴承9和气缸12对应设置的节流孔中也设置有多孔介质材料20。多孔介质材料20可采用了微孔多孔介质，孔径一般小于200um。多孔介质材料20是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成，用于进一步实现气体轴承节流孔节流功能。多孔介质材料20仅需设置在中心孔与节流孔连通的小块区域内，具体设置范围可根据实际效果进行调整。
此外，该线性压缩机还包括：第一连接件1和第二连接件6。为保持第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92中的压力，第一连接件1设置有带止回阀的谐振气弹簧空腔的第一进气孔19和第二进气孔18，具有防止气弹簧空腔气体回流功能，分别用于实现第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92内部气体压力的调整。第一连接件1和第二连接件6分别位于直线电机的两侧，直线电机外定子部件4分别通过第一连接件1和第二连接件6固定。
活塞10与电机轴承9的表面设有石墨涂层、聚醚醚铜涂层、聚酰亚胺树脂涂层、类金刚石涂层、特氟龙涂层、类石墨碳涂层、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层或氧化铝陶瓷涂层中的一种或多种的组合。具体地，为使得其具有耐磨减磨性能的材料涂层，可采用类石墨(GLC)涂层,或采用聚醚醚铜(PEEK)涂层，或采用聚酰亚胺树脂(PI)涂层，或采用类金刚石(DLC)涂层，或采用特氟龙(Teflon)涂层，或类石墨碳(GLC)涂层，或采用二硫化钼(MoS2)涂层，或采用二硫化钨(WS2)涂层，或采用石墨(C)涂层，或采用氮化铬(CRN)涂层，或采用氮化钛铝硅(TiAlSiN)涂层，或采用氮化钛铝(AlTiN)涂层，或采用氮化钛(TiN)涂层，或采用氧化铝陶瓷(Al2O3)涂层，亦或者多种材料的组合。
本实施例中，直线电机包括：内定子部件2、外定子部件4、励磁线圈3和动子部件5。内定子部件2和外定子部件4均为空心圆柱状且同轴设置，内定子部件2的外侧设置励磁线圈3，外定子部件4包覆在励磁线圈3的圆周上，动子部件5位于内定子部件2和外定子部件4之间的气隙中。动子部件5呈杯状圆筒状，动子部件5包括多个瓦片型磁体以及定型材料，动子部件5的杯底设有开口且与电机轴承连接件8相连，电机轴承连接件8内设有垫片7。当励磁线圈3通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力，进而可带动活塞10运行。
综上所述，线性压缩机运行过程中，先开启直线电机，直线电机带动活塞10沿气缸12的轴向运行，第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92时刻保持一定的充气压力，即第一进气孔19和第二进气孔18时刻保持进气压力。当活塞10向左运行时，压缩空腔被压缩，排气装置14打开，吸气装置13关闭，压缩空腔内的气体受压后通过出口管道排出。第一气弹簧空腔91被压缩，第二气弹簧空腔92被拉伸。当活塞10向右运行时，压缩空腔被拉伸，排气装置14关闭，吸气装置13开启，压缩空腔内的开始充气。第一气弹簧空腔91被拉伸，第二气弹簧空腔92被压缩，第一气弹簧空腔91内气体膨胀，第二气弹簧空腔92内气体被压缩。需要说明的是，第一气弹簧空腔91和第二气弹簧空腔92并不需要特意设置对应的排气通道，可以仅通过结构间的微小间隙泄漏即可进行排气。因为第一进气孔19和第二进气孔18设有止回阀，气弹簧可能并不是在每一个运行周期内都充气，只有当气弹簧内部气体压力因泄漏造成小于设定的气弹簧压力时，通过第一进气孔19及第二进气孔18给气弹簧补充气体，以便维持气弹簧内部压力高于设定压力。
此外，如图4所示，在其它实施例中还可采用其他连接方式，通过柔性连接接头21来代替活塞销，例如柔性材料弹簧钢丝制作的螺杆或万向球轴等，利用柔性连接接头21的形变使得活塞10能沿气缸12的轴向运行。
本发明实施例提供的线性压缩机，采用两个密封空腔作为线性压缩机的气体谐振弹簧，以及使活塞悬浮于气缸内部的气体轴承，通过调节气弹簧充气压力，实现线性压缩机固有频率的大范围调节，有效避免因提高频运行导致的螺旋弹簧材料应力偏大而发生断裂问题，同时可有效降低谐振弹簧噪音。通过气体轴承，实现线性压缩机的活塞、电机轴承与气缸的非接触式往复运动，可大幅降低压缩机摩擦功耗，保证压缩机高频运行的可靠性，实现线性压缩机的小型化。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种线性压缩机，其特征在于，包括：
气缸、活塞、直线电机和电机轴承；所述气缸的两端设有敞口，中间设有气缸套环，所述电机轴承与所述直线电机固定连接，设置在所述气缸的一敞口端；所述活塞设置于所述气缸另一敞口端并套设在所述气缸套环内，所述活塞的小径端与所述电机轴承柔性连接；所述活塞及所述电机轴承沿所述气缸的轴向可活动的设置，在所述气缸内形成两个密封空腔，以在所述气缸套环和所述电机轴承之间形成第一气弹簧空腔，并在所述气缸套环与所述活塞之间形成第二气弹簧空腔。
2.根据权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，所述活塞包括：依次连接的第一圆柱、第二圆柱、第三圆柱和第四圆柱；所述第二圆柱和所述第四圆柱的直径大于所述第一圆柱和所述第三圆柱的直径；所述第二圆柱和所述第四圆柱的直径相等，均套设在所述气缸内，所述第一圆柱与所述电机轴承柔性连接，所述第四圆柱与所述气缸之间形成压缩空腔，所述第二圆柱、所述第三圆柱和所述第四圆柱配合所述气缸形成气体空腔，所述气体空腔与所述压缩空腔连通。
3.根据权利要求2所述的线性压缩机，其特征在于，所述第四圆柱的一端设有吸气装置，所述气缸上设有排气装置，所述压缩空腔通过所述吸气装置与所述压缩空腔连通，所述压缩空腔通过所述排气装置与出口管道连通。
4.根据权利要求3所述的线性压缩机，其特征在于，还包括：吸气消音器和排气消音器；所述吸气消音器和所述排气消音器分别设置在所述气缸的两侧；所述吸气消音器与所述吸气装置连通，所述排气消音器与所述排气装置连通。
5.根据权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，所述电机轴承、所述活塞和所述气缸均设有节流孔，且所述节流孔与所述第一气弹簧空腔和/或第二气弹簧空腔连通。
6.根据权利要求5所述的线性压缩机，其特征在于，所述活塞沿轴向设有将各所述节流孔连通的中心孔，所述中心孔与各所述节流孔连通的孔隙内设有多孔介质材料。
7.根据权利要求5所述的线性压缩机，其特征在于，所述电机轴承和所述气缸对应设置的节流孔中设置有多孔介质材料。
8.根据权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，所述气缸包括多个相互套设的空心圆柱；内径最小的所述空心圆柱套设在其它所述空心圆柱中间位置形成所述气缸套环。
9.根据权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，所述直线电机包括：内定子部件、外定子部件、励磁线圈和动子部件；所述内定子部件和所述外定子部件均为空心圆柱状且同轴设置，所述内定子部件的外侧设置所述励磁线圈，所述外定子部件包覆在所述励磁线圈的圆周上，所述动子部件位于所述内定子部件和所述外定子部件之间的气隙中。
10.根据权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，所述活塞与所述电机轴承的表面设有石墨涂层、聚醚醚铜涂层、聚酰亚胺树脂涂层、类金刚石涂层、特氟龙涂层、类石墨碳涂层、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层或氧化铝陶瓷涂层中的一种或多种。
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