CN111336088B - 一种直线型臂板弹簧线性压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线型臂板弹簧线性压缩机。现有线性压缩机由于板弹簧径向刚度较低，压缩机活塞位置容易发生径向位移，导致压缩机效率降低。本发明包括压缩机组件、磁场组件、交流电机组件、板弹簧组件；压缩机组件包括箱体、机架和气缸；磁场组件包括永磁体和轭铁；交流电机组件包括交流线圈和支撑架；板弹簧组件包括板弹簧底座和板弹簧组。板弹簧组包括2～5片直线型板弹簧，相邻的直线型板弹簧通过垫圈隔开，直线型板弹簧为圆片形，对称开有三个或四个橄榄形的通孔，相邻两个通孔之间为弹性梁。本发明采用简单的直线臂板弹簧结构，弹簧质量减少，弹性系数不变，增加弹簧和系统的谐振频率，使压气机在更高频率下工作，提高了压缩机的效率。

Description

一种直线型臂板弹簧线性压缩机

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，涉及一种动圈式线性压缩机，具体是一种直线型臂板弹簧线性压缩机。

背景技术

线性压缩机在低温工程中为制冷机提供动态压力波，为整个制冷循环提供动力。其主要利用直线电机驱动活塞在气缸中作往复直线运动，根据电磁场相关理论，直线电机对活塞施加的是一个与活塞轴向绝对平行的线性力，因而在理论上，正确设计的线性压缩机完全消除了对活塞的径向作用力。因此，线性压缩机在需要长寿命、高可靠性和高效率工作的航天及军事等特殊领域有着非常重要的应用。现有线性压缩机中的板弹簧采用涡旋式板弹簧。虽然增加了活塞的横向拉伸，但对活塞的纵向刚度有一定影响，甚至破坏整个压缩机系统。

现有线性压缩机包括同轴设置的内定子、外定子以及线圈，其中线圈可置于内定子中。压缩组件可包括永磁体、压缩弹簧、气缸、气缸盖和活塞等。而常用的板弹簧有涡旋臂板弹簧和直线臂板弹簧两种，涡旋臂板弹簧的涡旋臂数量从2臂到9臂不等，采用同心型或是偏心型分布方式。为消除涡旋臂板弹簧的涡旋臂末端的应力集中现象，涡旋臂必须被设计的足够长，甚至旋转超过一周。但过长的涡旋臂不但会大幅度降低板弹簧的径向刚度，也会在一定程度上降低其轴向刚度。而直线臂板弹簧则采用直线臂，在降低直线臂末端应力集中的同时，还缩短了长度，并提升了宽度。这使得在相同尺寸下，直线臂板弹簧的径向刚度远大于涡旋臂板弹簧，径轴刚度比也大于涡旋臂板弹簧。因此，直线臂板弹簧在保证使用寿命的同时，相比涡旋臂板弹簧具有更佳的使用效果。

在现有的线性压缩机的工作过程中，当交流线圈在磁场中往复运动时，带动活塞运动，活塞位置容易发生位移，引起气体从间隙中泄漏和活塞头与压缩机的磨损，降低板弹簧横向与径向刚度，降低压缩机的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种直线型臂板弹簧线性压缩机。

本发明包括压缩机组件、磁场组件、交流电机组件、板弹簧组件。

所述的压缩机组件包括箱体、机架和气缸，箱体固定安装在机架上，气缸设置在箱体内，并固定设置在机架上，箱体内侧壁固定铺有绝缘层；气缸内腔通过通气管与箱体外相通，活塞杆的一端与气缸内的活塞头固定连接。

所述的磁场组件包括永磁体和轭铁；多个永磁体固定设置在箱体的内侧壁，并沿同一圆周均匀分布形成圆环；轭铁为圆柱形电工纯铁，中心开有穿孔，轭铁设置在永磁体围合的内环内，活塞杆穿过轭铁的中心穿孔。

所述的交流电机组件包括交流线圈和支撑架，支撑架的中心固定在活塞杆的另一端，交流线圈固定设置在支撑架悬臂的端部；交流线圈与永磁体和轭铁同轴设置，并设置在永磁体与轭铁之间的间隙处。

所述的板弹簧组件为结构相同的两个，两个板弹簧组件与活塞杆同轴设置，一个固定安装在活塞杆的另一端，另一个安装在机架与轭铁之间，每个板弹簧组件包括板弹簧底座和板弹簧组。

所述的板弹簧底座为台阶圆柱形，中心开有底座安装孔，底部开有板弹簧组件安装孔；板弹簧组包括2～5片直线型板弹簧，相邻的直线型板弹簧通过垫圈隔开。

所述的直线型板弹簧为圆片形，圆片形本体中心开有圆形的板弹簧安装孔，以圆片形本体中心点为中心对称开有三个或四个橄榄形的通孔，橄榄形的通孔开孔线由两段圆弧线组成；相邻两个通孔之间为弹性梁；圆片形本体靠近边沿位置沿同一圆周均匀开有多个外垫圈固定安装孔，圆片形本体上在板弹簧安装孔与通孔之间位置沿同一圆周均匀开有多个内垫圈固定安装孔。

每一层垫圈包括位于同一平面同心设置的外垫圈和内垫圈；外垫圈为圆环片，对应外垫圈固定安装孔位置开设外垫圈通孔；内垫圈为圆环片，对应内垫圈固定安装孔位置开设内垫圈通孔。

螺栓穿过叠放的直线型板弹簧和垫圈的安装孔以及板弹簧底座的板弹簧组件安装孔，将板弹簧组与板弹簧底座固定连接。

进一步，所述的交流线圈的外沿距离永磁体的内沿1～2mm，内沿距离轭铁的外沿1～2mm。

进一步，所述的直线型板弹簧整体为三幅方向盘形状，三个弹性梁成Y字形分布；或者整体为四幅方向盘形状，四个弹性梁成十字形分布。

更进一步，橄榄形的通孔开孔线的两段圆弧线中，一段圆弧线与圆片形本体同心，半径r＝m×R，m＝0.85～0.90；另一段圆弧线的半径h＝n×R，n＝0.60～0.65；R为圆片形本体的半径。

更进一步，所述的外垫圈的外圆半径为R，内圆半径为r，r＝m×R，m＝0.85～0.90。

再进一步，所述的内垫圈的外圆直径为D，内圆直径为d，d＝k×R，k＝0.45～0.50，D＝g×r，g＝1.5～1.8。

再进一步，所述的板弹簧安装孔与圆片形本体同心，板弹簧安装孔直径与内垫圈的内圆直径d相同。

本发明的线性压缩机采用简单的直线臂板弹簧结构，使得弹簧的质量减少，弹性系数不变。增加弹簧和系统的谐振频率，使压气机在更高频率下工作，显著提高了压缩机的效率；提高板弹簧径向刚度，保证活塞居中，不产生偏差，减少活塞头与压缩机的损失；使得压缩机容易加工制造，装配简单。本发明避免了当交流线圈在磁场中往复运动时，带动活塞运动，活塞位置容易发生位移，引起气体从间隙中泄漏与活塞头与压缩机的磨损，降低板弹簧横向与径向刚度，降低压缩机的效率的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中板弹簧组件的结构示意图；

图3为图2中板弹簧底座的结构示意图；

图4为板弹簧组中三直线臂板弹簧的结构示意图；

图5为板弹簧组中四直线臂板弹簧的结构示意图；

图6为板弹簧组中垫圈的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，一种直线型臂板弹簧线性压缩机，包括压缩机组件、磁场组件、交流电机组件、板弹簧组件。

压缩机组件包括箱体1、机架2和气缸3，箱体1固定安装在机架2上，气缸3设置在箱体1内，并固定设置在机架2上，箱体1内侧壁固定铺有绝缘层4。气缸3内腔通过通气管5与箱体外相通，活塞杆6的一端与气缸内的活塞头7固定连接。

磁场组件包括永磁体8和轭铁9。多个永磁体8固定设置在箱体1内侧壁，并沿同一圆周均匀分布形成圆环。轭铁9为圆柱形电工纯铁，中心开有穿孔，轭铁9设置在永磁体8围合的内环内，活塞杆6穿过轭铁9的中心穿孔。

交流电机组件包括交流线圈10和支撑架11，支撑架11的中心固定在活塞杆6的另一端，交流线圈10固定设置在支撑架11悬臂的端部。交流线圈10与永磁体8和轭铁9同轴设置，并设置在永磁体8与轭铁9之间的间隙处，交流线圈10的外沿距离永磁体8的内沿1～2mm，交流线圈10的内沿距离轭铁9的外沿1～2mm。交流线圈10可在永磁体8与轭铁9之间直线运动。

板弹簧组件为结构相同的两个，两个板弹簧组件与活塞杆6同轴设置，一个固定安装在活塞杆6的另一端，另一个安装在机架2与轭铁9之间，每个板弹簧组件包括板弹簧底座和板弹簧组。

如图2和3所示，板弹簧底座12为台阶圆柱形，中心开有底座安装孔12-1，底部开有板弹簧组件安装孔12-2。板弹簧组包括2～5片直线型板弹簧13，本实施例中直线型板弹簧13数量为3片。相邻的直线型板弹簧13通过垫圈14隔开。

直线型板弹簧13为圆片形，具体可以采用以下两种方式。

如图4所示，直线型板弹簧13整体为三幅方向盘形状。圆片形本体13-1中心开有圆形的板弹簧安装孔13-2，以圆片形本体中心点为中心对称开有三个橄榄形的通孔13-3，相邻两个通孔13-3之间为弹性梁13-4，三个弹性梁13-4成Y字形分布。圆片形本体13-1靠近边沿位置沿同一圆周均匀开有多个外垫圈固定安装孔13-5，圆片形本体13-1上在板弹簧安装孔13-2与通孔13-3之间位置沿同一圆周均匀开有多个内垫圈固定安装孔13-6。

板弹簧安装孔13-2与圆片形本体13-1同心，板弹簧安装孔13-2直径d＝k×R，k＝0.45～0.50，R为圆片形本体13-1的半径。

橄榄形的通孔13-3开孔线由两段圆弧线组成：一段圆弧线与圆片形本体13-1同心，半径r＝m×R，m＝0.85～0.90；另一段圆弧线的半径h＝n×R，n＝0.60～0.65。

本实施例中圆片形本体13-1半径R为66mm，板弹簧安装孔13-2直径d为31mm。橄榄形的通孔13-3的一条圆弧线半径r为58mm，另一条圆弧线半径h为41mm。外垫圈固定安装孔13-5采用12个，开孔半径为2.5mm；内垫圈固定安装孔13-6采用6个，开孔半径为1.6mm。

如图5所示，直线型板弹簧13整体也可以为四幅方向盘形状。圆片形本体13-1中心开有圆形的板弹簧安装孔13-2，以圆片形本体中心点为中心对称开有四个橄榄形的通孔13-3，橄榄形的通孔13-3开孔线由两段圆弧线组成。相邻两个通孔13-3之间为弹性梁13-4，四个弹性梁13-4成十字形分布。圆片形本体13-1靠近边沿位置沿同一圆周均匀开有多个外垫圈固定安装孔13-5，圆片形本体13-1上在板弹簧安装孔13-2与通孔13-3之间位置沿同一圆周均匀开有多个内垫圈固定安装孔13-6。

直线型板弹簧13的谐振频率

其中K为弹性系数，M为弹簧质量。

如图6所示，每一层垫圈14包括位于同一平面同心设置的外垫圈14-1和内垫圈14-2。外垫圈14-1为圆环片，外圆半径为R，内圆半径为r，外垫圈14-1对应外垫圈固定安装孔13-5位置开设外垫圈通孔14-3；内垫圈14-2为圆环片，外圆直径为D，内圆直径为d，D＝g×r，g＝1.5～1.8，本实施例内垫圈外圆直径D为31mm，内垫圈14-2对应内垫圈固定安装孔13-6位置开设内垫圈通孔14-4。

螺栓穿过叠放的直线型板弹簧13和垫圈14的安装孔以及板弹簧底座的板弹簧组件安装孔12-2将板弹簧组与板弹簧底座固定连接。

该直线型臂板弹簧线性压缩机工作过程如下：永磁体产生的恒定磁场的磁力线从永磁体通过轭铁的引导，穿过交流电线圈、活塞杆，回到下方永磁体。交流电线圈通入交变电流后，可在永磁体产生的磁场的作用下沿轴向带动做往复运动，通过支撑架带动活塞杆和活塞往复运动，简单的直线臂板弹簧可以减少弹簧质量，增加弹簧和系统的谐振频率，使压气机在更高频率下工作，显著提高了压缩机的效率；提高板弹簧径向刚度，保证活塞居中，不产生偏差，减少活塞头与压缩机的损失；使得压缩机容易加工制造，装配简单。在板弹簧的支撑下驱动活塞在气缸内压缩气体，从通气管排出，提高了压缩机的效率。

永磁体沿其轴向的长度大于交流电线圈沿其轴向的长度，以保证交流电线圈高效地利用永磁体产生的磁场，提高了压缩机的效率。

在活塞两端分别放置板弹簧作为支撑系统，克服了由于侧向力及重力对活塞的影响，避免了引起活塞与气缸的侧向磨损，涡旋渐开线槽增大了活塞的位移。采用简单三直线臂板弹簧结构的线性压缩机，避免了当交流线圈在磁场中往复运动时，带动活塞运动，活塞位置容易发生位移，引起气体从间隙中泄漏与活塞头与压缩机的磨损，降低板弹簧横向与径向刚度，降低压缩机的效率的问题。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直线型臂板弹簧线性压缩机，包括压缩机组件、磁场组件、交流电机组件、板弹簧组件；其特征在于：

所述的压缩机组件包括箱体(1)、机架(2)和气缸(3)，箱体(1)固定安装在机架(2)上，气缸(3)设置在箱体(1)内，固定设置在机架(2)上，箱体(1)内侧壁固定铺有绝缘层(4)；气缸(3)内腔通过通气管(5)与箱体外相通，活塞杆(6)的一端与气缸内的活塞头(7)固定连接；

所述的磁场组件包括永磁体(8)和轭铁(9)；多个永磁体(8)固定设置在箱体(1)内侧壁，并沿同一圆周均匀分布形成圆环；轭铁(9)为圆柱形电工纯铁，中心开有穿孔，轭铁(9)设置在永磁体(8)围合的内环内，活塞杆(6)穿过轭铁(9)的中心穿孔；

所述的交流电机组件包括交流线圈(10)和支撑架(11)，支撑架(11)的中心固定在活塞杆(6)的另一端，交流线圈(10)固定设置在支撑架(11)悬臂的端部；交流线圈(10)与永磁体(8)和轭铁(9)同轴设置，并设置在永磁体(8)与轭铁(9)之间的间隙处；

所述的板弹簧组件为结构相同的两个，两个板弹簧组件与活塞杆(6)同轴设置，一个固定安装在活塞杆(6)的另一端，另一个安装在机架(2)与轭铁(9)之间，每个板弹簧组件包括板弹簧底座和板弹簧组；

所述的板弹簧底座(12)为台阶圆柱形，中心开有底座安装孔(12-1)，底部开有板弹簧组件安装孔(12-2)；板弹簧组包括2～5片直线型板弹簧(13)，相邻的直线型板弹簧(13)通过垫圈(14)隔开；

所述的直线型板弹簧(13)为圆片形，圆片形本体(13-1)中心开有圆形的板弹簧安装孔(13-2)，以圆片形本体中心点为中心对称开有三个或四个橄榄形的通孔(13-3)，橄榄形的通孔(13-3)开孔线由两段圆弧线组成；相邻两个通孔(13-3)之间为弹性梁(13-4)；圆片形本体(13-1)靠近边沿位置沿同一圆周均匀开有多个外垫圈固定安装孔(13-5)，圆片形本体(13-1)上在板弹簧安装孔(13-2)与通孔(13-3)之间位置沿同一圆周均匀开有多个内垫圈固定安装孔(13-6)；

每一层垫圈(14)包括位于同一平面同心设置的外垫圈(14-1)和内垫圈(14-2)；外垫圈(14-1)为圆环片，对应外垫圈固定安装孔(13-5)位置开设外垫圈通孔(14-3)；内垫圈(14-2)为圆环片，对应内垫圈固定安装孔(13-6)位置开设内垫圈通孔(14-4)；

螺栓穿过叠放的直线型板弹簧(13)和垫圈(14)的安装孔以及板弹簧底座的板弹簧组件安装孔(12-2)，将板弹簧组与板弹簧底座固定连接。

2.如权利要求1所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：所述的交流线圈(10)的外沿距离永磁体(8)的内沿1～2mm，内沿距离轭铁(9)的外沿1～2mm。

3.如权利要求1所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：所述的直线型板弹簧(13)整体为三幅方向盘形状，三个弹性梁(13-4)成Y字形分布。

4.如权利要求1所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：所述的直线型板弹簧(13)整体为四幅方向盘形状，四个弹性梁(13-4)成十字形分布。

5.如权利要求3所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：橄榄形的通孔(13-3)开孔线的两段圆弧线中，一段圆弧线与圆片形本体(13-1)同心，半径r＝m×R，m＝0.85～0.90；另一段圆弧线的半径h＝n×R，n＝0.60～0.65；R为圆片形本体(13-1)的半径。

6.如权利要求3所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：所述的外垫圈(14-1)外圆半径为R，内圆半径为r，r＝m×R，m＝0.85～0.90，R为圆片形本体(13-1)的半径。

7.如权利要求6所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：所述的内垫圈(14-2)的外圆直径为D，内圆直径为d，d＝k×R，k＝0.45～0.50，D＝g×r，g＝1.5～1.8；R为圆片形本体(13-1)的半径。

8.如权利要求3、4、5、6或7所述的一种直线型臂板弹簧线性压缩机，其特征在于：所述的板弹簧安装孔(13-2)与圆片形本体(13-1)同心，板弹簧安装孔(13-2)直径与内垫圈(14-2)的内圆直径d相同。

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