CN111379689A - 具有单体式支撑件的斯特林循环式冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实施逆向斯特林类型的热力学循环的冷却装置。所述装置(10)包括具有往复活塞(16)的压缩机(12)，所述往复活塞借助于曲轴(46)由围绕轴线(24)旋转的旋转式发动机(14)驱动。所述装置(10)还包括形成缸体(18)的单体式支撑件(32)，所述压缩机(12)的活塞(16)在所述缸体中移动。所述曲轴(46)由单个轴承(40)支撑。所述轴承(40)无中间零件地布置在所述单体式支撑件(32)的容置部(38)中。

Description

具有单体式支撑件的斯特林循环式冷却装置
技术领域
本发明涉及一种实施逆向斯特林类型的热力学循环的冷却装置。例如在专利US4365982中描述了这种装置。冷却借助于在回路中流通的制冷流体来实施，所述回路主要包括压缩机以及用作热交换器的回热器(régénérateur)。
本发明发现了在需要冷却到低温的传感器和电子组成部件的领域中的特殊用途。通过这种冷却装置获得的温度通常处在在40K与250K之间的温度范围中。
所述压缩机包括可在缸体中平移运动的压缩活塞。所述回热器包括同样可在第二缸体中运动的回热活塞。所述两个活塞中的每个由连杆/曲柄系统驱动，所述连杆/曲柄系统由(可具有一个或多个曲柄销的)曲轴以及一个或多个连杆组成。所述曲轴由旋转式发动机驱动旋转。所述两个活塞的移动轴线分别限定在通常平行、不同或重合的两个平面中。这些平面通常与所述曲轴的旋转轴线垂直。
通常，所述回热活塞借助于连杆由所述曲轴驱动，所述连杆一方面铰接在所述曲柄销上以及另一方面铰接在所述回热活塞上。
背景技术
已知，逆向斯特林循环包括以下四个阶段：
·流体在高温下的等温压缩，所述等温压缩通过压缩活塞在压缩缸体中的移动来获得；
·流体从高温到低温的等容冷却，所述等容冷却通过使所述流体穿过回热活塞经过来获得，同时，所述活塞在回热缸体中移动，并且起到热交换器的作用；
·流体在低温下的等温膨胀，所述等温膨胀通过使所述压缩活塞返回到所述压缩缸体中来获得，以及
·流体从低温到高温的等容加热，所述等容加热通过使所述回热活塞返回到所述回热缸体中来获得。
具有三个运动轴线(即，两个用于活塞的平移轴线以及一个用于曲轴的旋转轴线)的机构通常是超静定的。超静定是达成调和所述机构的运动学链的不同组成部件的制造约束和定位约束以及由目标应用(尤其是光电子学器件)要求的声学离散(discrétion)约束和振动离散约束所需的折衷结果。
此外，一些运动学连接通常需要使用润滑剂，尤其是在活塞与其缸体之间或者在连杆/曲柄系统中。然而，这些润滑剂可污染制冷流体。在冷却装置中，如果其中一种污染物达到其固化温度，这种污染物可导致堵塞。事实上，在目标低温应用中，冷却需求经常需要达到远低于润滑剂和污染物的状态变化温度的低温。
在活塞与其缸体之间的连接位置处，可通过减小在活塞与缸体之间的径向功能间隙来省去润滑剂。间隙的这种减小限制了连杆系统自动对齐(auto alignement)的可能性。如果期望限制在曲轴与连杆之间的连接位置处的超静定程度，需要在一个或多个曲柄销位置处设置功能间隙。然而，由于施加到活塞上的往复作用力，这种间隙每转被赶上(serattrapent)两次并且生成冲击。这些冲击引起在冷却器中以及在所述冷却器所安装在的系统中的不良的振动和噪声。
因此，对于静定(isostatisme)的追求看起来与对于振动限制的追求相矛盾。考虑了两种类型的解决方案来改善对于这两个要求的遵循，一方面，实施具有非常严格的公差的机械零件，以及另一方面，实施包括用于赶上间隙的经一体化系统的连接。这两个解决方案并不完美，并且对于用于赶上间隙的连接，导致增加了实施成本、机构质量以及摩擦损失。
另外，在当前解决方案中，为了实施如上文描述的具有三个运动轴线的机构，需要组装大量的机械零件。大量的这些组装使尺寸链复杂化，并且需要对于归属于尺寸链的每个零件规定更严格的制造公差。为了限制过于严格的公差，可使不同的零件配对或者可在靠模(gabarits)上实施装配。这使装配流程复杂化。
发明内容
本发明旨在通过提供一种朝向静音且不太振动的静定机构趋向的装置来克服上文指出的问题中的全部或部分。
为此，本发明的目的在于提供一种斯特林循环式冷却装置，所述斯特林循环式冷却装置包括具有往复活塞的压缩机，所述往复活塞借助于曲轴由围绕轴线旋转的旋转式发动机驱动。所述装置还包括形成缸体的单体式(monobloc)支撑件，所述压缩机的活塞在所述缸体中移动。所述曲轴由单个轴承(palier)支撑，所述单个轴承无中间零件地布置在所述单体式支撑件的容置部中。
有利地，所述旋转式发动机包括定子，所述定子与所述单体式支撑件直接固定。
该装置还有利地包括具有往复活塞的回热器，所述往复活塞借助于曲轴由所述旋转式发动机驱动。所述单体式支撑件由此形成缸体，所述回热器的活塞在所述缸体中移动。
所述压缩机的活塞和/或所述回热器的活塞有利地在所述单体式支撑件中无中间机械零件地(尤其是当在所述支撑件与相应的活塞之间不存在衬套的情况下)滑动。
所述轴承有利地布置在所述曲轴的曲柄销与所述旋转式发动机之间，并且，所述轴承支撑所述旋转式发动机的转子。
所述轴承可包括至少一个外环，所述至少一个外环有利地直接实施在所述一体式支撑件中。
所述轴承可包括两个滚动轴承(roulements)。所述滚动轴承的外环有利地实施在所述单体式支撑件中。
有利地，所述旋转式发动机包括内定子和外转子。
所述内定子有利地具有沿着所述轴线的经轴向开口的圆柱的形式。所述单体式支撑件包括沿着所述轴线延伸的管状承载部。所述定子固定在所述管状承载部外部。所述管状承载部的内部形成容置部。
附图说明
通过阅读作为示例给出的实施例的详细说明和附图，将更好地理解本发明，本发明的其它优点将更加清楚，在所述附图中：
·图1示出了根据本发明的冷却装置的第一实施例的第一变型的剖视图；
·图2示出了所述第一变型的另一视图；
·图3示出了所述第一实施例的第二变型的剖视图；
·图4示出了所述第一实施例的第三变型的剖视图；
·图5示出了根据本发明的冷却装置的第二实施例。
为了清楚起见，相同的元件在不同的附图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了一种实施逆向斯特林类型的热力学循环的冷却装置10的剖视图。该装置包括由旋转式发动机14驱动的压缩机12。压缩机12主要包括往复活塞16，所述往复活塞在缸体18中以来回运动的方式平移移动。活塞16借助于连杆22由曲柄销20驱动。曲柄销20由发动机14驱动围绕轴线24旋转。发动机14包括转子26，所述转子驱动与曲柄销20连成一体的发动机轴28。此处，由发动机轴28和曲柄销20形成的组件表示成曲轴46。转子26布置在定子30内部。
根据本发明，冷却装置10包括单体式支撑件32。换句话说，支撑件32实施成单个机械零件。支撑件32包括沿着与轴线24垂直的轴线34延伸的孔，所述孔形成缸体18，活塞16在所述缸体中移动，由支撑件32承载的衬套36插置在支撑件32与活塞16之间。
支撑件32还包括容置部38，用于支撑曲轴46的轴承40处在所述容置部中。轴承40布置在容置部38中，并且在所述轴承40与所述容置部38之间不存在中间零件。有利地，无需组装地实施单体式支撑件32。在支撑件32的制造方法中，如果形成缸体18的孔以及接收轴承40的容置部38在组装之后进行加工，则组装可被接受。在组装之后实施的该加工能够避免组装的公差与使缸体18与容置部38联接的组装的公差合并(cumuler)。换句话说，“单体式”理解成制造公差不受可在自身的制造方法过程中发生的任何组装影响的机械零件。以相同的方式，使轴承40无中间零件地布置在支撑件32中，这能够限制在缸体18与曲轴46之间的尺寸链。不存在任何(尺寸会延长尺寸链的)中间机械零件处在容置部38与轴承40之间。
轴线24限定成轴承40的旋转轴线。单个轴承40承载冷却装置10的转动部分，所述转动部分由转子26和曲轴46形成。该单个轴承40能够便于实施支撑件32。事实上，可借助于例如分别处在曲轴两侧的两个轴承来支撑转动部分。然而，为了使两个轴承沿着轴线24对齐，该布置要求严格的制造公差。单个轴承能够避免该对齐约束。
容置部38大体上具有沿着轴线24延伸的孔的形式。为了限制发动机轴的悬伸(porteàfaux)，容置部38处在发动机14与曲柄销20之间。可替代地，还可使容置部38和因此轴承40布置在发动机14的另一侧或者曲柄销20的另一侧。然而，轴承40在发动机14与曲柄销20之间的位置能够更好地分配由轴承40支撑的载荷，尤其是由压缩机12和发动机14施加的载荷。
轴承40例如由两个滚动轴承42和44形成，所述两个滚动轴承的外环与容置部38连成一体，并且所述两个滚动轴承的内环承载发动机轴28。滚动轴承42和44可并排联结成例如具有双排滚动元件且具有共同的一个外环和不同的两个内环的一个双排滚动轴承的形式，以便尽可能大地限制轴承40中的间隙。可替代地，还可由滑动轴承替换所述滚动轴承。滚动轴承42和44的外环或滑动轴承的外环可借助于过盈配合和/或布置在一个或多个外环与支撑件32之间的粘合剂来与支撑件32固定。该粘合剂不构成在支撑件32与轴承40之间的中间机械零件。为了限制在缸体18与曲轴46之间的尺寸链，滑动轴承的外环可直接实施在单体式支撑件32中。
使压缩机12的缸体以及单个轴承40的容置部38实施在同一个机械零件(在本文的示例中，支撑件32)中，这限制了复杂的尺寸链或者限制了使用定位工具的装配流程，如果容置部和缸体实施在不同的两个机械零件，则存在定位工具。
还可使发动机14的定子30直接固定在支撑件32上。这能够简化能够在定子30与转子26之间限定功能间隙的尺寸链。该尺寸链仅经过定子30、支撑件32、轴承40、发动机轴28和转子26。在该尺寸链中不出现属于支撑件32的等价类(classe d’équivalence)的任何其它机械零件。
图2示出了冷却装置10的沿着与图1中的剖视平面垂直(也就是说，与轴线24垂直)的平面的剖视图。冷却装置10还包括回热器70，所述回热器同样由发动机14(更确切地，由曲轴46)驱动旋转。在文献中，回热器有时称作置换器。回热器70主要包括往复活塞72，所述往复活塞在缸体74中沿着轴线76以来回运动的方式平移移动。在所示的示例中，回热器70的轴线76与轴线34垂直，压缩机12的活塞16沿着所述轴线34移动。还可根据本发明实施轴线76和34具有其它相对定向的冷却装置。活塞72借助于连杆78由曲柄销20驱动。可替代地，曲轴46可包括与曲柄销20不同的第二曲柄销，所述第二曲柄销驱动连杆78。缸体74有利地实施在单体式支撑件32中。换句话说，支撑件32包括形成缸体74的孔。如同对于压缩机12，回热器70的孔被加衬套。换句话说，由支撑件32承载的衬套80插置在支撑件32与活塞72之间。
图3示出了冷却装置10的变型沿着与图2中的平面类似的平面的剖视图。在图3上发现压缩机12和回热器70。在支撑件32中发现形成压缩机12的缸体18的孔以及形成回热器70的缸体74的孔。与图1和图2不同，支撑件32的缸体18和74未加衬套，并且活塞16和72没有中间机械零件地在支撑件32中滑动。更确切地，在活塞与其缸体之间的唯一中间物可为流体、流体润滑剂或固体润滑剂。可仅对于活塞中的一个(对于活塞16，或对于活塞72)保留衬套。通过消除两个衬套36或80中的至少一个，本发明已经是有利的。
图4示出了图1上所示的冷却装置10的另一变型。在图4上，发现压缩机12、回热器70和发动机14。在支撑件32中发现形成缸体18和74的孔以及布置有轴承40的容置部38。与图1不同，滚动轴承42和44的外环48直接实施在支撑件32中。容置部38实施起来更加复杂，然而在该变型中，不再存在要设置在滚动轴承的外环与支撑件32之间的配合。
在图4上，出现衬套36。当然，可如图3上所示地省去该衬套。对于衬套80同样如此，在图4的变型中可省去该衬套。
图5示出了一种实施逆向斯特林类型的热力学循环的第二冷却装置50。在图5上，发现压缩机12，所述压缩机的活塞16由曲轴20驱动。在图5上，衬套36用作在支撑件52的孔与活塞16之间的中间物。当然，可省去如上文借助于图2和图4描述的衬套36。
在冷却装置50中，曲轴65由外转子式电动机54驱动。在具有逆向斯特林类型的循环的冷却装置中，活塞在各自的相应缸体中的往复移动生成往复的且可能存在相位差(déphasés)的轴向作用力。由活塞施加的这些作用力通过冷却装置50中存在的连杆系统传送到曲柄销20，这些载荷的组合表现成在发动机轴64位置处的具有可变幅度的抵抗转矩。更确切地，该转矩具有在接近零的值与每转达到两次的最大化值之间的强烈幅度变化。可借助于添加到发动机轴上的惯性飞轮来限制在驱动装置位置处的这些抵抗转矩变化的影响。然而，该类型的可动零件的添加导致冷却装置50的体积、质量以及成本的增加。如图1至图4上所描述地，通过构造，外转子式发动机相较于内转子式发动机布置有更大的围绕自身旋转轴线的惯性矩。因此，实施外转子式发动机可使由转子和飞轮承载的功能组合到同一组成部件中。另外，对于给定的体积以及给定的效率，外转子式发动机可生成的转矩大于内转子式发动机可生成的转矩。同样地，对于给定的转矩，使用外转子式发动机因此能够便于冷却装置的小型化。
发动机54的定子56具有沿着发动机的旋转轴线24的经开口的圆柱的形式。定子56包括例如绕组，所述绕组能够在定子56周围生成相对于轴线24径向延伸的转动磁场。
发动机54包括转子58，所述转子实施成呈现具有回转轴线24的管状节段的形式。转子58围绕定子56径向地布置。转子58可包括绕组或永磁体，所述绕组或永磁体用于钩碰由定子绕组生成的磁场。使用永磁体能够避免实施给转子绕组供电所需的例如电刷或碳刷的转动接触。
如同支撑件32，支撑件52是单体式的，并且包括沿着轴线24延伸的管状承载部60。定子56固定在穿过定子56的管状承载部60外部。该管状承载部60的内部形成容置部62，用于支撑发动机轴64的轴承40处在所述容置部中。如上文所述，仅轴承40承载冷却装置50的转动部分，所述转动部分由转子58和曲轴65形成，所述曲轴此处由发动机轴64和一个或多个曲柄销20形成。在图5上，轴承40由两个滚动轴承42和44形成。如上文所述，滚动轴承42和44的外环可直接实施在支撑件52中，并且更确切地，实施在承载部60内部。另外，滚动轴承42和44可由其它机械组成部件(例如，滑动轴承)替换。如同在装置10中，装置50的两个滚动轴承42和44可例如组合成具有双排滚动元件且具有共同的一个外环和不同的两个内环的一个双排滚动轴承。
图5的实施例能够使滚动轴承42和44沿着轴线24分开，从而对于冷却装置50的转动部分确保了更好的机械稳定性。滚动轴承42和44可为滚珠式的或滚柱式的。滚动轴承的接触可为直的或倾斜的。
发动机轴64与腹板66连成一体，所述腹板布置成与轴线24垂直。腹板66与具有回转轴线24的管道节段68连成一体。转子58固定在该管道节段68内部。发动机54布置在支撑件52与腹板66之间。

Claims (9)

1.一种斯特林循环式冷却装置，所述斯特林循环式冷却装置包括具有往复活塞(16)的压缩机(12)，所述往复活塞借助于曲轴(46；65)由围绕轴线(24)旋转的旋转式发动机(14；54)驱动，其特征在于，所述斯特林循环式冷却装置还包括形成缸体(18)的单体式支撑件(32；52)，所述压缩机(12)的活塞(16)在所述缸体中移动，并且，所述曲轴(46；65)由单个轴承(40)支撑，并且，所述轴承(40)无中间零件地布置在所述单体式支撑件(32；52)的容置部(38；62)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转式发动机(14；54)包括定子(30；56)，所述定子与所述单体式支撑件(32；52)直接固定。
3.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括具有往复活塞(72)的回热器(70)，所述往复活塞借助于曲轴(46；65)由所述旋转式发动机(14；54)驱动，并且，所述单体式支撑件(32；52)形成缸体，所述回热器(70)的活塞(72)在所述缸体中移动。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述压缩机(12)的活塞(16)和/或所述回热器(70)的活塞(72)在所述单体式支撑件(32；52)中无中间机械零件地滑动。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述轴承(40)布置在所述曲轴(46；65)的曲柄销(20)与所述旋转式发动机(14；54)之间，并且，所述轴承(40)支撑所述旋转式发动机(14；54)的转子(26；58)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述轴承(40)包括至少一个外环(48)，所述至少一个外环直接实施在所述一体式支撑件(32；52)中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述轴承(40)包括两个滚动轴承(42，44)，并且，所述滚动轴承(42，44)的外环(48)实施在所述单体式支撑件(32；52)中。
8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述旋转式发动机(14；54)包括内定子(56)和外转子(58)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述内定子(56)具有沿着所述轴线(24)的经轴向开口的圆柱的形式，并且，所述单体式支撑件(52)包括沿着所述轴线(24)延伸的管状承载部(60)，并且，所述定子(56)固定在所述管状承载部(60)外部，并且，所述管状承载部(60)的内部形成容置部(62)。
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