CN114508472A - 自由活塞式膨胀压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自由活塞式膨胀压缩机，包括：同轴设置的压缩气缸、膨胀气缸、压缩活塞、膨胀活塞、动子部件、谐振弹簧和活塞轴；压缩气缸的两端设有敞口，压缩气缸的第一端与排气装置连接，压缩活塞套设在压缩气缸的第二端内；膨胀气缸的两端设有敞口，膨胀气缸的第一端与进排气装置连接；膨胀活塞套设在膨胀气缸的第二端内；压缩活塞通过活塞轴与膨胀活塞连接；谐振弹簧设置于活塞轴处；动子部件驱动压缩活塞、膨胀活塞和活塞轴沿轴向活动设置。本发明通过活塞轴将膨胀腔产生的机械功直接驱动压缩机，谐振弹簧作为储能元件，能够起到较好的谐振作用，改善膨胀压缩机的动力学特性，提高膨胀功回收效率，进而提升大压差系统热力循环性能。

Description

自由活塞式膨胀压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种自由活塞式膨胀压缩机。

背景技术

对于CO₂跨临界循环制冷系统，其系统运行压力高，节流过程损失大，导致存在系统循环性能不足的问题。大量研究工作表明：利用膨胀机构替代节流装置可以有效回收节流损失功，进而提高系统循环效率。进一步利用膨胀压缩机装置，将膨胀功产生的机械功直接驱动压缩机，能最大程度减少节流损失，是提升CO₂制冷系统性能的关键技术。

目前，应用于CO₂工质的膨胀压缩机主要有以下几种形式：活塞式、涡旋式、滚动转子式、滑片式和螺杆式等。活塞式压缩机因其耐高压，密封环可有效减小压缩过程的泄露的特点，在CO₂系统中得到广泛的应用，自由活塞式-膨胀压缩机也成为膨胀压缩机的一种重要结构形式。现有的自由活塞式-膨胀压缩机存在运动部件间隙难以控制、润滑困难，被动式驱动结构形式回收功有限等问题。因此，针对以上不足，需要提供一种泄露小、润滑好、运行效率高的CO₂型自由活塞式-膨胀压缩机。

发明内容

本发明提供一种自由活塞式膨胀压缩机，用以解决现有技术中膨胀功回收效率低的缺陷。

本发明提供一种自由活塞式膨胀压缩机，包括：同轴设置的压缩气缸、膨胀气缸、压缩活塞、膨胀活塞、动子部件、谐振弹簧和活塞轴；其中，

所述压缩气缸的两端设有敞口，所述压缩气缸的第一端与排气装置连接，所述压缩活塞套设在所述压缩气缸的第二端内；

所述膨胀气缸的两端设有敞口，所述膨胀气缸的第一端与进排气装置连接；所述膨胀活塞套设在所述膨胀气缸的第二端内；

所述压缩活塞通过所述活塞轴与所述膨胀活塞连接；

所述谐振弹簧设置于活塞轴处；

所述动子部件驱动所述压缩活塞、所述膨胀活塞和所述活塞轴沿轴向活动设置。

其中，还包括定子部件，所述定子部件包括同轴设置的内定子和外定子，所述内定子与所述外定子之间形成圆筒状气隙，所述动子部件套设于所述圆筒状气隙内；

所述动子部件包括同轴连接的动子骨架与环形永磁体，所述内定子的外侧设置励磁线圈，所述外定子包覆在所述励磁线圈的外圆周上。

其中，所述压缩活塞同轴位于所述动子部件的内侧，且所述压缩活塞的第一端连接所述动子骨架远离所述环形永磁体的一端；和/或，

还包括同轴安装在所述定子部件两端的第一连接件和第二连接件，所述压缩气缸安装于所述第一连接件上。

其中，所述膨胀活塞同轴位于所述膨胀气缸的内侧，且所述膨胀活塞的第一端连接所述活塞轴远离所述动子部件的一端；和/或，

还包括同轴安装在所述膨胀气缸两端的第三连接件和第四连接件。

其中，所述谐振弹簧包括至少一个自由端，所述谐振弹簧的各个自由端连接相应连接件的相应端；或，

所述谐振弹簧的至少一个自由端连接于所述活塞轴，所述谐振弹簧的其它自由端连接于相应连接件的相应端；

其中，所述谐振弹簧包括用于连接各个自由端的弹性过渡部。

其中，所述弹性过渡部为多个直线段或曲线段首尾依次连接而成的第一组合形状，所述第一组合形状的两端分别设置所述自由端；或，

所述弹性过渡部为将多个直线段或曲线段的一端连接为一体而成的第二组合形状，所述第二组合形状中相应的直线段或曲线段的另一端分别设置所述自由端。

其中，所述压缩活塞内设有沿其轴向贯穿的吸气通道；所述吸气通道中设有吸气消音器，所述吸气通道的出口位于所述压缩活塞的第二端，所述吸气通道的出口处设有吸气装置；所述排气装置设于所述压缩气缸远离所述动子部件的一端。

其中，还包括多孔质气体轴承，所述多孔质气体轴承包括压缩活塞多孔质气体轴承和膨胀活塞多孔质气体轴承；

所述压缩活塞多孔质气体轴承设置于所述第一连接件或所述压缩气缸处，且同轴位于所述压缩气缸靠近所述动子部件的一端或嵌装于所述压缩气缸的内侧壁上；

所述膨胀活塞多孔质气体轴承设置于所述第四连接件或所述膨胀气缸处，且同轴位于所述膨胀气缸靠近所述活塞轴的一端或嵌装于所述膨胀气缸的内侧壁上；

所述压缩气缸和膨胀气缸的侧壁内设有用于连通所述多孔质气体轴承与所述排气装置的供气通道；或，

所述压缩气缸的侧壁内设有用于连通所述多孔质气体轴承与所述排气装置的供气通道，所述膨胀气缸的侧壁内设有用于连通所述多孔质气体轴承与所述进排气装置的供气通道。

其中，还包括油泵装置和注油通道；其中，

位于压缩气缸一侧：所述油泵装置安装于所述第一连接件或第二连接件上，所述注油通道的一端连通所述油泵装置，另一端依次贯穿相应的所述第一连接件或所述第二连接件与所述压缩气缸的侧壁，并与所述压缩气缸的内腔相连通；

位于膨胀气缸一侧：所述油泵装置安装于所述第三连接件或第四连接件上，所述注油通道的一端连通所述油泵装置，另一端依次贯穿相应的所述第三连接件或所述第四连接件与所述膨胀气缸的侧壁，并与所述膨胀气缸的内腔相连通。

其中，所述压缩活塞和所述膨胀活塞的表面以及所述压缩气缸和所述膨胀气缸的内表面涂覆一层耐磨自润滑涂层；

所述耐磨自润滑涂层包括类石墨涂层、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、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、石墨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层、氧化铝陶瓷涂层及磷化涂层其中的任意一种或至少两种的组合。

本发明提供的一种自由活塞式膨胀压缩机，通过活塞轴将膨胀腔产生的机械功直接驱动压缩机，设置在活塞轴处的谐振弹簧作为储能元件，能够起到较好的谐振作用，改善膨胀压缩机的动力学特性，有效提高膨胀功回收效率，进而提升大压差系统热力循环性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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1的自由活塞式膨胀压缩机的内部结构示意图；

图2是本发明实施例2的自由活塞式膨胀压缩机的结构示意图；

图3是本发明实施例所示的第一种形式的谐振弹簧的结构示意图；

图4为本发明实施例所示的第二种形式的谐振弹簧的结构示意图；

图5为本发明实施例所示的第三种形式的谐振弹簧的结构示意图；

图6为本发明实施例所示的第四种形式的谐振弹簧的结构示意图；

图7为本发明实施例所示的第五种形式的谐振弹簧的结构示意图。

附图标记：

1：吸气口； 2：第三连接件； 3：吸气背压腔；

41：第一供气通道； 42：第二供气通道； 5：第四连接件；

6：膨胀气缸； 7：进排气装置； 8：膨胀腔；

9：膨胀活塞； 101：第一多孔质气体轴承； 102：第二多孔质气体轴承；

11：活塞轴； 12：谐振弹簧； 13：第二连接件；

14：压缩活塞； 15：动子部件； 16：第一连接件；

17：排气装置； 18：排气阀； 19：排气弹簧；

20：压缩腔； 21：排气通道； 22：压缩气缸；

23：内定子； 24：励磁线圈； 25：外定子；

26：隔热连接装置； 271：第一油泵装置； 272：第二油泵装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

下面结合图1-图7描述本发明的一种自由活塞式膨胀压缩机，包括：同轴设置的压缩气缸22、膨胀气缸6、压缩活塞14、膨胀活塞9、动子部件15、谐振弹簧12和活塞轴11；其中，

压缩气缸22的两端设有敞口，压缩气缸22的第一端与排气装置17连接，压缩活塞14套设在压缩气缸22的第二端内；

膨胀气缸6的两端设有敞口，膨胀气缸6的第一端与进排气装置7连接；膨胀活塞9套设在膨胀气缸6的第二端内；

压缩活塞14通过活塞轴11与膨胀活塞9连接；

谐振弹簧12设置于活塞轴11处；

动子部件15驱动压缩活塞14、膨胀活塞9和活塞轴11沿轴向活动设置。

该自由活塞式膨胀压缩机的外壳设置有与其内部连通的吸气口1。膨胀活塞9与膨胀气缸6之间形成膨胀腔8，压缩活塞14与压缩气缸22之间形成压缩腔20。

具体地，本实施例所示的自由活塞式膨胀压缩机，通过活塞轴11将膨胀腔8产生的机械功直接驱动压缩机，设置在活塞轴11处的谐振弹簧12作为储能元件，能够起到较好的谐振作用，改善膨胀压缩机的动力学特性，有效提高膨胀功回收效率，进而提升大压差系统热力循环性能。

同时，本实施例中的动子部件15采用直线电机的驱动方式，有效解决压缩机和膨胀机之间的匹配问题，对于系统变工况和变容量运行具有更好的适应性。

应当理解的是，在本实施例中谐振弹簧12分别设置在两个活塞轴11上，且谐振弹簧12为同轴布置。进排气装置7可采用舌簧阀结构形式的进排气装置7，也可采用高速电磁阀结构形式的进排气装置7，主要目的是方便对膨胀腔8内的气体进行调节，因而，在此对进排气装置7的结构形式不做具体限制。

在其中一个实施例中，自由活塞式膨胀压缩机还包括定子部件，定子部件包括同轴设置的内定子23和外定子25，内定子23与外定子25之间形成圆筒状气隙，动子部件15套设于圆筒状气隙内。

进一步地，动子部件15包括同轴连接的动子骨架与环形永磁体，内定子23的外侧设置励磁线圈24，外定子25包覆在励磁线圈24的外圆周上。

可选地，除了在活塞轴11设置谐振弹簧12外，也可在定子部件的两端同时设置谐振弹簧12，可通过相应的谐振弹簧12将定子部件的相应端与压缩活塞14对应连接，保证压缩活塞14的同轴度，可进一步减小少油润滑工作模式下压缩活塞14和压缩气缸22运动副之间的摩擦耗功。

在其中一个实施例中，压缩活塞14同轴位于动子部件15的内侧，且压缩活塞14的第一端连接动子骨架远离环形永磁体的一端；和/或，还包括同轴安装在定子部件两端的第一连接件16和第二连接件13，压缩气缸22安装于第一连接件16上。

在其中一个实施例中，膨胀活塞9同轴位于膨胀气缸6的内侧，且膨胀活塞9的第一端连接活塞轴11远离动子部件15的一端；和/或，还包括同轴安装在膨胀气缸6两端的第三连接件2和第四连接件5。

在其中一个实施例中，谐振弹簧12包括至少一个自由端，谐振弹簧12的各个自由端连接相应连接件(即第二连接件13和第三连接件2)的相应端；或，谐振弹簧12的至少一个自由端连接于活塞轴11，谐振弹簧12的其它自由端连接于相应连接件(即第二连接件13和第三连接件2)的相应端。其中，谐振弹簧12为分布在同一平面内或同一平面附近的弹性构件，谐振弹簧12包括用于连接各个自由端的弹性过渡部。优选地，连接件相应端的谐振弹簧12设置数量为N(N≥1)个，多个谐振弹簧12沿轴向安装构成谐振弹簧12组。

进一步地，弹性过渡部为多个直线段或曲线段首尾依次连接而成的第一组合形状，第一组合形状的两端分别设置自由端；或，弹性过渡部为将多个直线段或曲线段的一端连接为一体而成的第二组合形状，第二组合形状中相应的直线段或曲线段的另一端分别设置自由端。具体地，第一组合形状可采用弹簧线材在同一个平面内经多次弯折加工而成，显然，第一组合形状的每个弯折段的形状包括直线段、曲线段及其组合，弹簧线材截面可为圆形、椭圆形、方形或三角形，在此不作具体限制。由此，弯折得到的组合形状可为“S”型、“C”型、“Z”型、“L”型、“ㄥ”型、“V”型、“U”型、“∠”型、“┓”型、“く”型、“へ”型、“J”型等。

如图3所示，在本实施例中的谐振弹簧12采用截面为圆形的弹簧线材经至少6次弯折加工而成；其形状包含5段直线、4段连接过渡弧线(曲线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端；由此，可将该谐振弹簧12首、尾两端相应的自由端连接在第二连接件13和第三连接件2一侧的端部，并将该谐振弹簧12的中心位置连接活塞轴11相应侧的紧固座，用以支撑活塞在气缸内实现往复运动。

如图4所示，在本实施例中的谐振弹簧12采用截面为圆形的弹簧线材经至少4次弯折加工而成；其形状包含3段直线(直线段)、2段连接过渡弧线(曲线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端。

如图5所示，在本实施例中的谐振弹簧12采用截面为圆形的弹簧线材经至少22次弯折加工而成；其形状包含21段直线(直线段)、20段连接过渡弧线(曲线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端。

如图6所示，在本实施例中的谐振弹簧12采用截面为圆形的弹簧线材经至少12次弯折加工而成；其形状包含10段圆弧段(曲线段)、1段中心连接段(直线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端。

当然，谐振弹簧12还可以为其它结构形式，不再赘述。

可选地，弹性过渡部还可为将多个直线段或曲线段的一端连接为一体而成的第二组合形状，第二组合形状中相应的直线段或曲线段的另一端分别设置自由端。此种形式的谐振弹簧12呈辐射状布置，显然包含多个自由端。如图7所示，在本实施例中，谐振弹簧12为三个曲线段呈中心对称的布置结构，其中，每个曲线段的截面呈矩形，并且，三个曲线段的一端通过环形结构相连接，而三个曲线段的另一端设置为相应的自由端，该自由端为扇环形结构，在扇环形结构上开设有多个固定孔。由此，可将该谐振弹簧12中心位置的环形结构与活塞轴11相连接，而将该谐振弹簧12每个辐射端对应的扇环形结构与第二连接件13和第三连接件22相应侧的端部相连接，用以支撑活塞在气缸内实现往复运动。

在其中一个实施例中，压缩活塞14内设有沿其轴向贯穿的吸气通道；吸气通道中设有吸气消音器，吸气通道的出口位于压缩活塞14的第二端，吸气通道的出口处设有吸气装置；排气装置17设于压缩气缸22远离动子部件15的一端。

在其中一个实施例中，还包括多孔质气体轴承，多孔质气体轴承包括压缩活塞14多孔质气体轴承和膨胀活塞9多孔质气体轴承；

压缩活塞14多孔质气体轴承设置于第一连接件16或压缩气缸22处，且同轴位于压缩气缸22靠近动子部件15的一端或嵌装于压缩气缸22的内侧壁上；

膨胀活塞9多孔质气体轴承设置于第四连接件5或膨胀气缸6处，且同轴位于膨胀气缸6靠近活塞轴11的一端或嵌装于膨胀气缸6的内侧壁上；

压缩气缸22和膨胀气缸6的侧壁内设有用于连通多孔质气体轴承与排气装置17的供气通道；或，压缩气缸22的侧壁内设有用于连通第二多孔质气体轴承102与排气装置17的第二供气通道42，膨胀气缸6的侧壁内设有用于连通第一多孔质气体轴承101与进排气装置7的第一供气通道41。

进一步地，多孔质气体轴承采用多孔质材料制作，多孔质材料的孔径为0.1微米至1000微米，可采用铁、铝、铜等金属粉末或铁、铝、铜等金属丝网或碳粉、石墨粉、二氧化硅粉末、工程塑料粉末等非金属粉末加工而成的透气多孔透气材料。

在其中一个实施例中，还包括油泵装置和注油通道；其中，

位于压缩气缸22一侧：油泵装置安装于第一连接件16或第二连接件13上，注油通道的一端连通油泵装置，另一端依次贯穿相应的第一连接件16或第二连接件13与压缩气缸22的侧壁，并与压缩气缸22的内腔相连通；

位于膨胀气缸6一侧：油泵装置安装于第三连接件2或第四连接件5上，注油通道的一端连通油泵装置，另一端依次贯穿相应的第三连接件2或第四连接件5与膨胀气缸6的侧壁，并与膨胀气缸6的内腔相连通。

在其中一个实施例中，压缩活塞14和膨胀活塞9的表面以及压缩气缸22和膨胀气缸6的内表面涂覆一层耐磨自润滑涂层；

耐磨自润滑涂层包括类石墨涂层、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、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、石墨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层、氧化铝陶瓷涂层及磷化涂层其中的任意一种或至少两种的组合。

下面基于上述实施例所示的方案，对自由活塞式膨胀压缩机具体的结构形式进行如下介绍。

实施例1：

如图1所示，本实施例中提供一种自由活塞式膨胀压缩机，其包括：压缩气缸22、膨胀气缸6、压缩活塞14、膨胀活塞9、直线电机、活塞轴11、谐振弹簧12、第一多孔质气体轴承101和第二多孔质气体轴承102。压缩气缸22的两端设有敞口，排气装置17设置于压缩气缸22的一敞口端，压缩活塞14设置于压缩气缸22另一敞口端并套设在第二多孔质气体轴承102和压缩气缸22内。压缩活塞14和直线电机的动子部件15及活塞轴11一端连接。膨胀气缸6的两端设有敞口，进排气装置7设置于膨胀气缸6的一敞口端，膨胀活塞9设置于膨胀气缸6另一敞口端并套设在第一多孔质气体轴承101和膨胀气缸6内。膨胀活塞9和活塞轴11另一端连接。谐振弹簧12同轴向设置于活塞轴11两端，作为谐振元件。动子部件15驱动压缩活塞14、膨胀活塞9、直线电机和活塞轴11沿压缩气缸22及膨胀气缸6的轴向可活动的设置，进而在压缩气缸22和膨胀气缸6内形成两个封闭空腔。

自由活塞式膨胀压缩机运行过程中，先开启直线电机，直线电机的动子部件15带动压缩活塞14沿压缩气缸22的轴向运行，压缩腔20产生高压排气，通过进排气装置7进入膨胀腔8的高压气体推动膨胀活塞9，通过活塞轴11将膨胀功转换的机械功直接传递给压缩机。通过第一多孔质气体轴承101和第二多孔质气体轴承102实现膨胀-压缩机的压缩活塞14、膨胀活塞9与压缩气缸22、膨胀气缸6的非接触式往复运动，可大幅降低压缩机摩擦功耗的同时实现无油润滑。谐振弹簧12能改善膨胀-压缩机的动力学特性，有效提高膨胀功回收效率，进而提升大压差系统热力循环性能。

根据上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1所示，压缩活塞和膨胀活塞可采用截面为“凸”形的活塞，截面为“凸”形活塞由三个直径不等的中空圆柱构成。

具体的，压缩活塞包括：依次连接的三个直径不等的圆柱。第一圆柱套设在压缩气缸22和第二多孔质气体轴承102形成的配合面内，第三圆柱与动子部件15连接；第一圆柱与压缩气缸22之间形成压缩腔20，吸气背压腔3通过中空的压缩活塞14形成的吸气通道与压缩腔20连通。

为了便于调节压缩腔20内的气体，第一圆柱面一端设有吸气装置，吸气控制阀为舌簧阀，压缩气缸22顶部设有排气装置17。压缩活塞14第一圆柱设有进气孔，与吸气装置连通。压缩腔20通过吸气装置与吸气背压腔3连通，压缩腔20通过排气装置17与排气通道21连通。当压缩活塞14运行的过程中，吸气装置和排气装置17配合压缩活塞14的运行方向，对压缩腔20进行吸气或排气。排气装置17设置于压缩气缸22的缸头，排气装置17内部设有排气弹簧19及排气阀18。排气阀18与压缩气缸22配合，并与压缩活塞14的第一圆柱端面对应。该压缩气缸22由两个内孔直径不等的空心圆柱构成。内孔直径较大的空心圆柱为第二多孔质气体轴承102的配合面，构成截面为“凹”形气缸。

吸气通道中设有吸气消音器，吸气消音器可由泡沫金属制成，吸气消音器为带有中心轴孔的柱状体，其外侧壁由凸起部和下凹部依次交错布置而成，在吸气消音器的侧壁上还设有多组沿轴向间隔排布的通气孔，每组中的各个通气孔呈周向排布，由此可通过吸气消音器有效消除膨胀压缩机在吸气过程中所产生的噪音。

排气阀18为端部为平面的菌状阀或碟状阀，并安装在压缩气缸22远离动子部件15的一端的端口处；排气通道21中设有排气消音器，排气消音器呈喇叭状结构，排气消音器远离排气弹簧19的一端为其喇叭口端，该喇叭口端抵触在排气腔的侧壁上，且该排气消音器也可由泡沫金属制成。

同理，膨胀活塞9包括：依次连接的三个直径不等的圆柱。第一圆柱套设在膨胀气缸6和第一多孔气体轴承101形成的配合面内，第三圆柱与第三连接件2连接，第一圆柱与膨胀气缸6之间形成膨胀腔8。

为了便于调节膨胀腔8内的气体，膨胀气缸6上设有进排气装置7，膨胀腔8通过进气装置与高压排气连通，同时通过排气装置与出口管道连通。当膨胀活塞9运行的过程中，进排气装置7配合膨胀活塞9的运行方向，对膨胀腔8进行吸气或排气。进排气装置7设置于膨胀气缸6的缸头。该膨胀气缸6由两个内孔直径不等的空心圆柱构成。内孔直径较大的空心圆柱为第一多孔质气体轴承101的配合面，构成截面为“凹”形气缸。

第一多孔质气体轴承101和第二多孔质气体轴承102通过第一供气通道41和第二供气通道42主动消耗部分高压排气实现压缩活塞14、膨胀活塞9与压缩气缸22、膨胀气缸6的非接触式往复运动。多孔质气体轴承可采用了微孔多孔介质，孔径一般小于200um。多孔介质材料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。

活塞轴11一端与直线电机的动子部件15及压缩活塞14连接，另一端与膨胀活塞9连接，活塞轴11中间部分采用隔热连接装置26，减少压缩腔20的高温气体通过活塞轴11向膨胀腔8的气体导热。

此外，该自由活塞式膨胀压缩机还包括：第一连接件16、第二连接件13、第三连接件2和第四连接件5。第一连接件16和第四连接件5有四个内孔直径不等的空心圆柱构成，并设置有为第一多孔质气体轴承101补气的第一供气通道41和第二多孔质气体轴承102补气的第二供气通道42。第一连接件16和第二连接件13分别位于直线电机的两侧，直线电机的外定子25分别通过第一连接件16和第二连接件13固定。膨胀气缸6通过第三连接件2和第四连接件5固定。谐振弹簧12分别通过第二连接件13和第三连接件2固定。

本实施例中，直线电机包括：内定子23、外定子25、励磁线圈24和动子部件15。内定子23和外定子25均为空心圆柱状且同轴设置，内定子23的外侧设置励磁线圈24，外定子25包覆在励磁线圈24的圆周上，动子部件15位于内定子23和外定子25之间的气隙中。动子部件15呈底部部分中空的杯状圆筒形。动子部件15包括多个瓦片型磁体以及定型材料，动子部件15的杯底部设有螺纹孔且与压缩活塞14以及活塞轴11的一端相连。当励磁线圈24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，进而可带动压缩活塞14、活塞轴11和膨胀活塞9运行。同时，膨胀活塞9的膨胀运动通过活塞轴11推动压缩活塞14，将膨胀功产生的机械功传递给压缩机。

实施例2：

如图2所示，本实施例的自由活塞式膨胀压缩机中无需设置实施例1中的第一多孔质气体轴承101和第二多孔质气体轴承102。通过在活塞轴11两端设置谐振弹簧12(板弹簧结构形式)，对膨胀活塞9在膨胀气缸6内作往复运动的过程中以及压缩活塞14在压缩气缸22内作往复运动的过程中提供较好的径向支撑，从而大幅度缩小了各运动副之间的接触式滑动摩擦。本实施例采用油润滑的方式以进一步减小各运动副之间的接触式摩擦，确保该自由活塞式膨胀压缩机运行的高效性和可靠性。

由此，在具体方案设计上，可设置第一油泵装置271、第二油泵装置272与注油通道，将第一油泵装置271和第二油泵装置272分别安装在第一连接件16和第四连接件5上，注油通道的一端连通第一油泵装置271和第二油泵装置272的输油端，另一端分别依次贯穿相应的第一连接件16和压缩气缸22、第四连接件5和膨胀气缸6的侧壁，并分别与压缩气缸22和膨胀气缸6的内腔相连通。由此，可通过第一油泵装置271、第二油泵装置272及相应的注油通道向压缩气缸22和膨胀气缸6内注入润滑油，用于活塞和气缸配合间隙的润滑和密封。

综上，自由活塞式膨胀压缩机运行过程中，先开启直线电机，直线电机带动压缩活塞14沿压缩汽缸22的轴向运行。当压缩活塞14向压缩气缸22顶部运行时，压缩腔20内气体被压缩，达到排气压力，排气装置17打开，压缩腔20内的高压气体通过排气通道21排出。此时，高压排气引流一部分通过第一供气通道41和第二供气通道42给第一多孔质气体轴承101和第二多孔质气体轴承102补气，通过主动耗气的方式使得膨胀-压缩机的压缩活塞14、膨胀活塞9与压缩气缸22、膨胀气缸6的非接触式往复运动，进行有效密封的同时实现无油润滑。大部分高压排气经过外部气冷器冷却后，通过膨胀气缸6的进排气装置7的吸气管路进入膨胀腔8，推动膨胀活塞9运动，将膨胀功所产生的机械功通过活塞轴11传递给压缩机，实现膨胀功的有效回收。当压缩活塞14远离压缩气缸22顶部时，压缩腔20内压力低于吸气压力时，吸气装置打开，压缩腔20开始充气。同时，膨胀活塞9向膨胀气缸6顶部运动，膨胀腔8内的低温低压流体通过膨胀气缸6顶部的进排气装置7排出。也可不采用气悬浮支撑结构，利用油泵装置采用少油润滑的方式，即利用第一油泵装置271、第二油泵装置272以及相应的注油通道向压缩气缸22、膨胀气缸6内注入润滑油，用于活塞和气缸配合间隙的润滑和密封。

本实施例提供的自由活塞式膨胀压缩机。可通过气体轴承，实现膨胀-压缩机的压缩活塞、膨胀活塞与气缸的非接触式往复运动，大幅降低压缩机摩擦功耗的同时实现无油润滑。也可选择油泵装置进行有油润滑，实现工作模式的多种选择。一方面，利用弹簧谐振结构改善膨胀压缩机的动力学特性，通过活塞轴将膨胀腔产生的机械功直接驱动压缩机，有效提高膨胀功回收效率，进而提升大压差系统热力循环性能。另一方面，采用直线电机的驱动方式，有效解决压缩机和膨胀机之间的匹配问题，对于系统变工况和变容量运行具有更好的适应性。

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)

1.一种自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，包括：同轴设置的压缩气缸、膨胀气缸、压缩活塞、膨胀活塞、动子部件、谐振弹簧和活塞轴；其中，

所述压缩气缸的两端设有敞口，所述压缩气缸的第一端与排气装置连接，所述压缩活塞套设在所述压缩气缸的第二端内；

所述膨胀气缸的两端设有敞口，所述膨胀气缸的第一端与进排气装置连接；所述膨胀活塞套设在所述膨胀气缸的第二端内；

所述压缩活塞通过所述活塞轴与所述膨胀活塞连接；

所述谐振弹簧设置于活塞轴处；

所述动子部件驱动所述压缩活塞、所述膨胀活塞和所述活塞轴沿轴向活动设置。

2.根据权利要求1所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，还包括定子部件，所述定子部件包括同轴设置的内定子和外定子，所述内定子与所述外定子之间形成圆筒状气隙，所述动子部件套设于所述圆筒状气隙内；

所述动子部件包括同轴连接的动子骨架与环形永磁体，所述内定子的外侧设置励磁线圈，所述外定子包覆在所述励磁线圈的外圆周上。

3.根据权利要求2所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，所述压缩活塞同轴位于所述动子部件的内侧，且所述压缩活塞的第一端连接所述动子骨架远离所述环形永磁体的一端；和/或，

还包括同轴安装在所述定子部件两端的第一连接件和第二连接件，所述压缩气缸安装于所述第一连接件上。

4.根据权利要求3所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，所述膨胀活塞同轴位于所述膨胀气缸的内侧，且所述膨胀活塞的第一端连接所述活塞轴远离所述动子部件的一端；和/或，

还包括同轴安装在所述膨胀气缸两端的第三连接件和第四连接件。

5.根据权利要求4所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，所述谐振弹簧包括至少一个自由端，所述谐振弹簧的各个自由端连接相应连接件的相应端；或，

所述谐振弹簧的至少一个自由端连接于所述活塞轴，所述谐振弹簧的其它自由端连接于相应连接件的相应端；

其中，所述谐振弹簧包括用于连接各个自由端的弹性过渡部。

6.根据权利要求5所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，所述弹性过渡部为多个直线段或曲线段首尾依次连接而成的第一组合形状，所述第一组合形状的两端分别设置所述自由端；或，

所述弹性过渡部为将多个直线段或曲线段的一端连接为一体而成的第二组合形状，所述第二组合形状中相应的直线段或曲线段的另一端分别设置所述自由端。

7.根据权利要求3所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，所述压缩活塞内设有沿其轴向贯穿的吸气通道；所述吸气通道中设有吸气消音器，所述吸气通道的出口位于所述压缩活塞的第二端，所述吸气通道的出口处设有吸气装置；所述排气装置设于所述压缩气缸远离所述动子部件的一端。

8.根据权利要求4所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，还包括多孔质气体轴承，所述多孔质气体轴承包括压缩活塞多孔质气体轴承和膨胀活塞多孔质气体轴承；

所述压缩活塞多孔质气体轴承设置于所述第一连接件或所述压缩气缸处，且同轴位于所述压缩气缸靠近所述动子部件的一端或嵌装于所述压缩气缸的内侧壁上；

所述膨胀活塞多孔质气体轴承设置于所述第四连接件或所述膨胀气缸处，且同轴位于所述膨胀气缸靠近所述活塞轴的一端或嵌装于所述膨胀气缸的内侧壁上；

所述压缩气缸和膨胀气缸的侧壁内设有用于连通所述多孔质气体轴承与所述排气装置的供气通道；或，

所述压缩气缸的侧壁内设有用于连通所述多孔质气体轴承与所述排气装置的供气通道，所述膨胀气缸的侧壁内设有用于连通所述多孔质气体轴承与所述进排气装置的供气通道。

9.根据权利要求4所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，还包括油泵装置和注油通道；其中，

位于压缩气缸一侧：所述油泵装置安装于所述第一连接件或第二连接件上，所述注油通道的一端连通所述油泵装置，另一端依次贯穿相应的所述第一连接件或所述第二连接件与所述压缩气缸的侧壁，并与所述压缩气缸的内腔相连通；

位于膨胀气缸一侧：所述油泵装置安装于所述第三连接件或第四连接件上，所述注油通道的一端连通所述油泵装置，另一端依次贯穿相应的所述第三连接件或所述第四连接件与所述膨胀气缸的侧壁，并与所述膨胀气缸的内腔相连通。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的自由活塞式膨胀压缩机，其特征在于，所述压缩活塞和所述膨胀活塞的表面以及所述压缩气缸和所述膨胀气缸的内表面涂覆一层耐磨自润滑涂层；

所述耐磨自润滑涂层包括类石墨涂层、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、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、石墨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层、氧化铝陶瓷涂层及磷化涂层其中的任意一种或至少两种的组合。

Images