CN113606810A - 一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机 - Google Patents

一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，由主动减振器、电机、同轴式压缩膨胀活塞、压缩活塞柱弹簧、膨胀活塞柱弹簧、热端散热器、气缸壁、壳体、冷指构成，同轴式压缩膨胀活塞由压缩活塞和膨胀活塞组成，膨胀活塞嵌套在压缩活塞里，压缩活塞和膨胀活塞共用一个热端散热器，压缩活塞由双线圈直线电机驱动，膨胀活塞由气体力驱动，无电机驱动。压缩活塞和膨胀活塞均采用柱弹簧支撑，柱弹簧为同轴式压缩膨胀活塞提供轴向回复力，确保达到轴向较大的运动行程，实现制冷机的大制冷量。主动减振器安装在壳体尾部，与压缩活塞、膨胀活塞同轴安装。本发明优点是：大行程、大冷量、结构紧凑，振动小。

Description

一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机
技术领域
本发明涉及制冷机领域，尤其涉及一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式 斯特林气动制冷机。
背景技术
目前空间用回热式制冷机主要采用板弹簧支撑，由于板弹簧受疲劳应力极 限约束，其轴向行程一般较小，现有制冷机一般采用大活塞直径实现大制冷量， 造成制冷机重量重、体积大。此外现有星载低温斯特林制冷机大多是分置式布 置，由于存在径向气体力不对称，其径向振动较大。一体式低温制冷机由于同 轴布局，其气体力可以实现径向对称，但一体式制冷机大都采用了结构紧凑高 效率的动磁式直线电机，如Ball公司对sunpower的GT制冷机进行的颤振力 测试表明，被动减振的振动输出为28N，即便采用了主动减振，其振动输出仍 然达到19N，是由于动磁式直线电机的运动部件为永磁体，运动永磁体轴向偏置力较大造成其径向颤振较大。本发明采用柱弹簧连接同轴式压缩活塞膨胀活 塞实现轴向回复力，可以实现小活塞大行程运动，在较小的制冷机体积下实现 大冷量制冷，采用气浮轴承进行主要的径向支撑实现长寿命无磨损运行，压缩 活塞采用动圈式电机驱动，其振动远小于动磁式。本发明可以实现大冷量、小 尺寸、低振动、长寿命的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，斯特林制冷机的集成度低、高振动，小冷量， 小行程，针对该技术问题，本发明提出一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式 斯特林气动制冷机。
本发明提供的技术方案如下：一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特 林气动制冷机，其特征在于包括主动减振器1、电机2、同轴式压缩活塞膨胀活 塞3、热端换热器6、冷指8、壳体7、气缸壁9、压缩活塞柱弹簧4、膨胀活塞柱 弹簧5。
所述主动减振器1与壳体7尾部连接，压缩活塞3-1与膨胀活塞3-2同轴布置， 共用同一个热端换热器6，电机2包裹在气缸壁9周围，电机2通过线圈连接块2-1 与压缩活塞3-1相连。
所述动圈式布置的电机2其特征在于包括线圈连接块2-1，磁极2-2，磁钢 2-3，动圈2-4，线圈连接块2-1与动圈2-4连接；磁钢2-3与磁极2-2连接。动 圈式线圈动子不受磁吸力影响，因此轴向偏置力很小。
所述同轴式压缩活塞膨胀活塞3其特征在于包括压缩活塞3-1和膨胀活塞 3-2。其特征在于所述同轴式压缩活塞膨胀活塞3的压缩活塞3-1和膨胀活塞 3-2集成布置，膨胀活塞3-2嵌套在压缩活塞3-1内部，最大限度减小径向力。
所述压缩活塞3-1其特征在于由气浮轴承支撑，包括压缩活塞体3-1-1，压 缩活塞气路3-1-2，压缩活塞节流孔3-1-3，压缩活塞单向阀3-1-4。
所述膨胀活塞3-2其特征在于由气浮轴承支撑，包括膨胀活塞体3-2-1，膨 胀活塞节流孔3-2-2，膨胀活塞气路3-2-3，膨胀活塞单向阀3-2-4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
膨胀活塞3-2嵌套在压缩活塞3-1内，实现膨胀活塞3-2与压缩活塞3-1 集成布置。主动减振器1安装在壳体7尾部，与压缩活塞3-1、膨胀活塞3-2 同轴安装，对制冷机的振动输出进行高阶主动减振。动圈式直线电机具有质量 小低振动的优势，附加气浮轴承提供主要的径向承载力实现无磨损长寿命运行。 压缩活塞3-1采用压缩活塞柱弹簧4支撑，膨胀活塞3-2采用膨胀活塞柱弹簧 5支撑，柱弹簧为同轴式压缩活塞膨胀活塞3提供轴向回复力，确保压缩活塞 3-1和膨胀活塞3-2的轴向大运动行程，实现制冷机的大制冷量。本发明所述基于大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，具有高集程度，低 振动，大行程，大冷量的优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为主动减振器结构示意图；
图3为电机结构示意图；
图4为同轴式压缩活塞膨胀活塞结构示意图；
图5为压缩活塞结构示意图；
图6为膨胀活塞结构示意图；
图中：1、主动减振器；2、电机；2-1、线圈连接块；2-2、磁极；2-3、 磁钢；2-4、动圈；3、同轴式压缩活塞膨胀活塞；3-1、压缩活塞；3-1-1、压 缩活塞体；3-1-2、压缩活塞气路；3-1-3、压缩活塞节流孔；3-1-4、压缩活塞 单向阀；3-2、膨胀活塞；3-2-1、膨胀活塞体；3-2-2、膨胀活塞节流孔；3-2-3、 膨胀活塞气路；3-2-4、膨胀活塞单向阀；4、压缩活塞柱弹簧；5、膨胀活塞柱 弹簧；6、热端换热器；7、壳体；8、冷指；9、气缸壁。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书附图，介绍本发明的一种实施方式：
如图1-图6所示，本实施方式公开了一种30W@80K大行程柱弹簧支撑的大 冷量集成式斯特林气动制冷机，压缩机输入400W以上电功，包括主动减振器1、 电机2、同轴式压缩活塞膨胀活塞3、压缩活塞柱弹簧4、膨胀活塞柱弹簧5、热 端换热器6、壳体7、冷指8、气缸壁9。
所述主动减振器1与壳体7尾部连接，压缩活塞3-1与膨胀活塞3-2同轴布置， 共用同一个热端换热器6，制冷机整体同轴布置，气体轴向均匀分布，不存在径 向分量，径向力小。
所述压缩活塞3-1直径为φ24mm，连接柱弹簧，柱弹簧在应力允许范围内 单侧行程可达到15mm，膨胀活塞3-2直径为φ20mm，连接柱弹簧，柱弹簧在 应力允许范围内单侧行程可达到6mm。
所述电机2为动圈式布置，电机2包裹在气缸壁9周围，电机2通过线圈 连接块2-1与压缩活塞3-1相连，其中磁,2-2与磁钢2-3为环形固定在壳体7 内壁，产生恒定的磁场，动圈2-4与压缩活塞3-1连接，当动圈2-4中通入单 相交流电时，产生交变的电磁力，动圈2-4将会在磁场的作用下运动，从而驱 动压缩活塞3-1实现循环往复运动，从而使气体工质膨胀压缩。
所述同轴式压缩活塞膨胀活塞3的压缩活塞3-1和膨胀活塞3-2集成布置， 膨胀活塞3-2嵌套在压缩活塞3-1内部，最大限度减小径向力。
本行业从业人员应该要知道，本发明实施方式基于上述附图作了详细说明， 本发明并不限于以上实施方式，在不脱离本发明原理和精神的情况下，本发明 相应的变动改进优化都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，包括主动减振器(1)、电机(2)、同轴式压缩膨胀活塞(3)、压缩活塞柱弹簧(4)、膨胀活塞柱弹簧(5)、热端散热器(6)、壳体(7)、冷指(8)和气缸壁(9)，其特征在于：
所述主动减振器(1)与壳体(7)尾部连接；电机(2)的顶部与压缩活塞(3-1)连接，电机(2)内侧与气缸壁(9)连接，电机(2)外部与壳体(7)连接；压缩活塞柱弹簧(4)一端与壳体(7)连接，另一端与压缩活塞(3-1)连接；膨胀活塞柱弹簧(5)一端与膨胀活塞连接(3-2)，另一端与壳体(7)连接；热端散热器(6)的一端与壳体(7)及气缸壁(9)连接，另一端冷指(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，其特征在于所述主动减振器(1)由动圈式直线电机驱动。
3.根据权利要求1所述的一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，其特征在于：所述动圈式布置的电机(2)包括线圈连接块(2-1)，磁极(2-2)，磁钢(2-3)，动圈(2-4)，线圈连接块(2-1)一端与动圈(2-4)连接，另一端与压缩活塞(3-1)连接；磁钢(2-3)与磁极(2-2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，其特征在于：所述同轴式压缩活塞膨胀活塞(3)包括压缩活塞(3-1)和膨胀活塞(3-2)，同轴式压缩活塞膨胀活塞(3)中的压缩活塞(3-1)和膨胀活塞(3-2)集成布置，膨胀活塞(3-2)嵌套在压缩活塞(3-1)内部。
5.根据权利要求4所述的一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，其特征在于，所述压缩活塞(3-1)由气浮轴承支撑，包括压缩活塞体(3-1-1)，压缩活塞气路(3-1-2)，压缩活塞节流孔(3-1-3)，压缩活塞单向阀(3-1-4)。
6.根据权利要求4所述的一种大行程柱弹簧支撑的大冷量集成式斯特林气动制冷机，其特征在于：所述膨胀活塞(3-2)由气浮轴承支撑，包括膨胀活塞体(3-2-1)，膨胀活塞节流孔(3-2-2)，膨胀活塞气路(3-2-3)，膨胀活塞单向阀(3-1-4)。
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