CN115638559A - 一种斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林制冷机，包括：质量相等的压缩机构和膨胀机构，压缩机构包括压缩连杆组件，其转动时，压缩机构进行活塞运动，膨胀机构包括膨胀连杆组件，其转动时，膨胀机构进行活塞运动；凸轮转轴，由电机驱动转动，压缩连杆组件和膨胀连杆组件均套设凸轮转轴且在凸轮转轴的轴向投影角度保持90°；凸轮转轴包括朝向压缩机构轴线和膨胀机构轴线的角平分线延伸方向设置的凹陷区。本发明通过将压缩机构和膨胀机构设计为质量相等的结构，以使压缩机构和膨胀机构在工作过程中惯性力合力方向保持不变，同时在凸轮转轴上设置凹陷区，以减小凸轮转轴转动过程中的离心力，进而平衡上述惯性力合力，以实现斯特林制冷机的动平衡工作状态。

Description

一种斯特林制冷机

技术领域

本发明涉及制冷设备技术领域，特别涉及一种斯特林制冷机。

背景技术

斯特林制冷机用于实现超低温环境，并以其高效制冷、尺寸小、重量轻和功耗低的优点，广泛应用于红外探测领域和高温超导领域。

斯特林制冷机利用旋转电机作为动力源，并利用凸轮连杆结构驱动压缩气缸和膨胀缸体做活塞运动以进行制冷动作，但斯特林制冷机在动力学方面有一个关键性问题，即由凸轮转轴和压缩连杆组件及膨胀连杆组件组成的运动系统，在凸轮转轴的旋转过程，压缩连杆组件和膨胀连杆组件会受到不平衡惯性力的作用，且由于压缩连杆组件和膨胀连杆组件中部分结构持续转动运动，因此其各自的惯性力的大小和方向是时刻改变的，在这种情况下，旋转电机转子处于动不平衡状态，其表现在斯特林制冷机上具体为：1)电机出现振动现象，进而降低电机性能甚至出现电机死机；2)动不平衡状态会加速轴承及膨胀活塞等部件的磨损，进而降低制冷机寿命。

现有技术为了减弱动不平衡状态对制冷机的影响，通常采用增加配重块的设计方式，以通过配重块的重力作用减弱制冷机动不平衡力，但配重块的设置不仅需要与轴粘结固化，加工难度大且会降低作业效率，并且配重块在装配过程中的同心度无法标准化，导致不同制冷机对不平衡力的平衡效果有差异。

因此，如何提供一种斯特林制冷机，以在制冷机的运行过程中处于动平衡状态，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种斯特林制冷机，以使得制冷机在动平衡状态下运行。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种斯特林制冷机，包括：

质量相等的压缩机构和膨胀机构，所述压缩机构包括压缩连杆组件，所述压缩连杆组件转动时，所述压缩机构与压缩缸体配合进行活塞运动，所述膨胀机构包括膨胀连杆组件，所述膨胀连杆组件转动时，所述膨胀机构与膨胀缸体配合进行活塞运动；

凸轮转轴，由电机驱动转动，所述压缩连杆组件和所述膨胀连杆组件套设所述凸轮转轴并与所述凸轮转轴传动连接，且所述压缩连杆组件和所述膨胀连杆组件在所述凸轮转轴的轴向投影角度保持90°；

所述凸轮转轴包括凹陷区，所述凹陷区朝向所述压缩机构轴线和所述膨胀机构轴线的角平分线延伸方向设置。

优选地，在上述斯特林制冷机中，所述凸轮转轴包括轴体和套设于所述轴体外周的套筒，所述凹陷区为从所述套筒的第一端面开始，朝向所述套筒的第二端面延伸的弧形凹陷，所述套筒为由所述第一端面和所述第二端面为两端面形成的规则圆筒挖除所述凹陷区制成。

优选地，在上述斯特林制冷机中，所述套筒由所述规则圆筒挖除等同于所述膨胀机构质量的区域制成。

优选地，在上述斯特林制冷机中，所述凹陷区包括两个凹陷部，两个所述凹陷部对称设置于所述套筒的两端面。

优选地，在上述斯特林制冷机中，所述压缩连杆组件和所述膨胀连杆组件套设于所述套筒外周，且所述压缩连杆组件距离所述第一端面的距离与所述膨胀连杆组件距离所述第二端面的距离相等。

优选地，在上述斯特林制冷机中，在所述压缩机构中，所述压缩连杆组件通过第一连接销与压缩柱塞传动连接，所述压缩柱塞伸入所述压缩缸体；

在所述膨胀机构中，所述膨胀连杆组件通过第二连接销与膨胀柱塞传动连接，所述膨胀柱塞伸入所述膨胀缸体。

优选地，在上述斯特林制冷机中，所述压缩连杆组件和所述膨胀连杆组件通过轴承套设于所述凸轮转轴外周。

本发明提供的斯特林制冷机，包括压缩机构、膨胀机构和凸轮转轴，其中，压缩机构包括压缩连杆组件，压缩连杆组件用于通过转动运动带动压缩机构中其他部件与压缩气缸配合以进行活塞运动，同样的，膨胀机构包括膨胀连杆组件，膨胀连杆组件用于通过转动运动带动膨胀机构中其他部件与膨胀气缸配合以进行活塞运动，进而实现制冷，特别地，压缩机构和膨胀机构的设计质量相等，以使得压缩机构和膨胀机构在运动过程中惯性力大小均衡；凸轮转轴由电机驱动而进行转动，同时压缩连杆组件和膨胀连杆组件套设于凸轮转轴外周，以在凸轮转轴的转动下被带动转动，压缩连杆组件和膨胀连杆组件在凸轮转轴上的设置方式为，压缩连杆组件和膨胀连杆组件在凸轮转轴的轴向投影保持90°，需要说明的是，压缩机构与膨胀机构的活塞运动方式为与现有技术相同的交替运动，即当压缩机构在活塞运动过程中运动至其上死点位置或下死点位置时，膨胀机构运动至活塞冲程的中点位置，而当膨胀机构在活塞运动过程中运动至其上死点位置或下死点位置时，压缩机构运动至活塞冲程的中点位置，进而使得质量相同且位置关系成90°的压缩机构与膨胀机构在运动过程中的惯性力合力方向始终保持一致，即沿着压缩机构轴线和膨胀机构轴线的角平分线方向；进一步，凸轮转轴包括凹陷区，凹陷区朝向压缩机构轴线和膨胀机构轴线的角平分线延伸方向设置，以减小凸轮转轴在转动过程中朝向压缩机构轴线和膨胀机构轴线的角平分线延伸方向的离心力，通过减小离心力的方式对压缩机构和膨胀机构的惯性力合力进行抵消平衡，以减弱制冷机运行过程中的动不平衡状态。

本发明提供的斯特林制冷机，将交替进行活塞运动的压缩机构和膨胀机构设计为质量相等的结构，并呈90°设置，以使得压缩机构和膨胀机构在运动过程或中惯性力合力方向保持不变，同时在凸轮转轴上设置凹陷区，使得本发明提供的凸轮转轴相对于现有技术中的凸轮转轴重量减小，进而减小凸轮转轴在运动过程中的离心力，且其设计方式为凹陷区朝向压缩机构轴线和膨胀机构轴线的角平分线延伸方向设置，以平衡压缩机构和膨胀机构在运动过程或中惯性力，从而减弱本发明提供的斯特林制冷机在运行过程中的动不平衡状态。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的压缩机构及膨胀机构结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明实施例提供的压缩机构运动分析示意图；

图4为本发明实施例提供的压缩机构与膨胀机构惯性力合力状态示意图；

图5为本发明实施例提供的凸轮转轴结构示意图。

其中，10为压缩机构，110为压缩连杆组件，120为第一连接销，130为压缩柱塞，20为膨胀机构，210为膨胀连杆组件，220为第二连接销，230为膨胀柱塞，30为凸轮转轴，310为凹陷区，3110为凹陷部，320为轴体，330为套筒。

具体实施方式

本发明的核心在于公开一种斯特林制冷机，以使得制冷机在动平衡状态下运行。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

如图1及图2所示，本发明实施例提供的斯特林制冷机，包括压缩机构10、膨胀机构20和凸轮转轴30，其中，压缩机构10包括压缩连杆组件110，压缩连杆组件110用于通过转动运动带动压缩机构10中其他部件与压缩气缸配合以进行活塞运动，同样的，膨胀机构20包括膨胀连杆组件210，膨胀连杆组件210用于通过转动运动带动膨胀机构20中其他部件与膨胀气缸配合以进行活塞运动，进而实现制冷，特别地，在本发明实施例提供的斯特林制冷机中，压缩机构10和膨胀机构20的设计质量相等，而由于运动物体的惯性力仅与重量有关，以使得压缩机构10和膨胀机构20在运动过程中惯性力大小均衡。

凸轮转轴30由电机驱动而进行转动，同时压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210套设于凸轮转轴30外周，以在凸轮转轴30的转动下被带动转动，压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210在凸轮转轴30上的设置方式为，压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210在凸轮转轴30的轴向投影保持90°，需要说明的是，压缩机构10与膨胀机构20的活塞运动方式为交替运动，此处需要说明的是，活塞运动包括上死点和下死点，进行活塞运动的机构在上死点和下死点之间，即一个活塞冲程的距离内往复直线运动，此处压缩机构10与膨胀机构20的交替运动具体指，当压缩机构10在活塞运动过程中运动至其上死点位置或下死点位置时，膨胀机构20运动至活塞冲程的中点位置，而当膨胀机构20在活塞运动过程中运动至其上死点位置或下死点位置时，压缩机构10运动至活塞冲程的中点位置，进而使得质量相同且位置关系成90°的压缩机构10与膨胀机构20在运动过程中的惯性力合力方向始终保持一致，即沿着压缩机构10轴线和膨胀机构20轴线的角平分线方向。

为了清楚表示本发明实施例提供的压缩机构10与膨胀机构20在运动过程中惯性力作用的合力状态，现以本发明一具体实施例进行说明，如图3及图4所示，在本实施例中，压缩机构10处于竖直状态，膨胀机构20位于水平状态，且压缩机构10运动至上死点位置和活塞冲程中点位置，并朝向活塞冲程中点位置运动，对应的，膨胀机构20运动至活塞冲程中点位置和上死点位置之间，并朝向上死点位置运动，由于机构位于上下死点位置时速度为0，位于活塞冲程中点位置时速度达到最大，而在加速度产生时，惯性力会使物体有保持原有运动状态的倾向，因此压缩机构10朝向活塞冲程中点位置做加速运动，那么压缩机构10受到的惯性力，即F_A的方向为竖直向上；同样的，膨胀机构20朝向上死点位置做减速运动，因此膨胀机构20受到的惯性力，即F_B的方向为水平向右。进一步地，关于F_A及F_B的大小分析如下，以压缩机构10为例进行说明，如图3及图4所示：

d₁＝OD-OA＝(L+r)-(rcosα+Lcosβ)

其中：

d₁为DA之间的距离，即压缩机构10活塞冲程的距离；

L为压缩连杆组件110的等效长度；

r为压缩连杆组件110的转动半径；

α和β为ΔOAB的两个内角。

在ΔEOB和ΔEAB中可知，

EB＝Lsinβ＝rsinα，

令

则有：

sinβ＝λsinα，

因此：

以此可求压缩机构10在活塞冲程运动过程中的加速度：

即

其中：

a_A为压缩机构10在活塞冲程运动过程中的加速度；

v为压缩机构10在活塞冲程运动过程中的运动速度；

w_A为压缩连杆组件110转动过程角速度；

因此：

由于λ及cos2α均为小于0的值，忽略二阶余弦可得：

a_A＝rw_A ²cosα，

同理可得与压缩机构10角度成90°垂直的膨胀机构20的加速度为：

a_B＝rw_B ²sinα，

其中：

a_B为压缩机构10在活塞冲程运动过程中的加速度；

w_B为压缩连杆组件110转动过程角速度；

由上述过程可得：

压缩机构10在该位置产生的惯性力F_A为：

F_A＝m_Aa_A＝m_Aw_A ²rcosα

其中：

m_A为压缩机构10的质量；

膨胀机构20在该位置产生的惯性力F_B为：

F_B＝m_Ba_B＝m_Bw_B ²rsinα

其中：

m_B为膨胀机构20的质量；

因此，在此状态下，压缩机构10和膨胀机构20的惯性力合力F_合为：

而由于在本发明实施例中，压缩机构10和膨胀机构20的设计质量相等，即：

m_A＝m_B，

且压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210转动在相同时段内转动的角度相同，即：

w_A＝w_B，

因此：

F_合＝m_Aw_A ²r＝m_Bw_B ²r,

而质量相同且位置关系成90°的压缩机构10与膨胀机构20在运动过程中的惯性力合力F_合的方向始终保持一致，即沿着压缩机构10轴线和膨胀机构20轴线的角平分线方向。

需要说明的是，压缩机构10和膨胀机构20在其他位置的惯性力合力方向按上述过程进行推导即可，本文在此不再赘述。

上述实施例中对压缩机构10与膨胀机构20的惯性力合力大小及方向已进行说明，而压缩机构10与膨胀机构20的惯性力合力正是斯特林制冷机在运行过程中产生动不平衡问题的原因，因此在本实施例的基础上，凸轮转轴30包括凹陷区310，凹陷区310朝向压缩机构10轴线和膨胀机构20轴线的角平分线延伸方向设置，凹陷区310的设置本质上是将现有技术中完整构型的转轴进行挖除，同时凹陷区310的设置能够减小本发明实施例中凸轮转轴30在转动过程中朝向压缩机构10轴线和膨胀机构20轴线的角平分线延伸方向的离心力，通过减小离心力的方式对压缩机构10和膨胀机构20的惯性力合力进行部分抵消平衡，以减弱制冷机运行过程中的动不平衡状态。

本发明实施例提供的斯特林制冷机，将交替进行活塞运动的压缩机构10和膨胀机构20设计为质量相等的结构，并呈90°设置，以使得压缩机构10和膨胀机构20在运动过程或中惯性力合力方向保持不变，同时在凸轮转轴30上设置凹陷区310，使得本发明提供的凸轮转轴30相对于现有技术中的凸轮转轴30重量减小，进而减小凸轮转轴30在运动过程中的离心力，且其设计方式为凹陷区310朝向压缩机构10轴线和膨胀机构20轴线的角平分线延伸方向设置，以平衡压缩机构10和膨胀机构20在运动过程或中惯性力，从而减弱本发明提供的斯特林制冷机在运行过程中的动不平衡状态，且通过减料的方式提升斯特林制冷机的动平衡性能，也节省了生产成本及安装便捷性。

进一步地，在本发明一具体实施例中，凸轮转轴30包括圆柱状的轴体320，和套设于轴体320外周的套筒330，凹陷区310为从套筒330的第一端面开始，朝向套筒330的第二端面延伸的弧形凹陷，弧形凹陷能够使得凹陷区310朝向压缩机构10轴线和膨胀机构20轴线的角平分线延伸方向，进而保证离心力的减少能够顺利抵消压缩机构10和膨胀机构20的惯性力合力，同时，套筒330为由第一端面和第二端面为两端面形成的规则圆筒挖除凹陷区310制成，即现有技术中轮轴的套筒330为规则的圆筒构型，本发明实施例提供的凸轮转轴30，是相较于现有技术中轮轴的套筒330进行凹陷区310的挖除，以降低凸轮转轴30的质量，达到减小凸轮转轴30转动过程离心力的目的。

为了进一步优化上述技术方案，将压缩机构10轴线和膨胀机构20运动过程产生的惯性力合力完全抵消，以使得斯特林制冷机处于动平衡状态，在本发明一具体实施例中，对凹陷区310减料质量Δm进行精确计算，通过上述实施例可知，压缩机构10和膨胀机构20的惯性力合力F_合为：

F_合＝m_Aw_A ²r＝m_Bw_B ²r,

减料质量Δm在转动过程中的离心力为：

F_离＝Δmw²r，

其中：

w为凸轮转轴30转动过程角速度；

由于凸轮转轴30与压缩机构10和膨胀机构20的转动过程为同步带动运动，因此其转动过程转动角度关系相等，即：

w＝w_A，

因此当Δm的值与m_A或m_B相等时，即可实现F_离＝F_合，此时挖除的凹陷区310减小的离心力与压缩机构10轴线和膨胀机构20运动过程产生的惯性力合力抵消，斯特林制冷机处于动平衡状态。

进一步地，凹陷区310可以整体或分部设置，为了保证转轴转动过程力偶矩的平衡，如图5所示，在本发明一具体实施例中，凹陷区310包括两个凹陷部3110，两个凹陷部3110对称设置于套筒330的两端面，对称设置的凹陷部3110能够使得凸轮转轴30在转动过程中轴向上受力的平衡性。

进一步地，压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210套设于套筒330外周，同时，压缩连杆组件110距离第一端面的距离与膨胀连杆组件210距离第二端面的距离相等，即压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210同样设置于套筒330外周上，关于套筒330侧壁平分面对称的两个位置上，进一步提升凸轮转轴30在转动过程中轴向上受力的平衡性。

在上述实施例的基础上，在压缩机构10中，压缩连杆组件110通过第一连接销120与压缩柱塞130传动连接，压缩柱塞130伸入压缩缸体，压缩连杆组件110通过第一连接销120连接压缩柱塞130，以将压缩连杆组件110的转动运动转化为压缩柱塞130的直线往复运动，进而使得压缩柱塞130在压缩缸体内进行压缩运动以进行斯特林制冷机的制冷工作。

对应的，在膨胀机构20中，膨胀连杆组件210通过第二连接销220与膨胀柱塞230传动连接，膨胀柱塞230伸入膨胀缸体，膨胀连杆组件210通过第二连接销220连接膨胀柱塞230，以将膨胀连杆组件210的转动运动转化为膨胀柱塞230的直线往复运动，进而使得膨胀柱塞230在膨胀缸体内进行膨胀运动以进行斯特林制冷机的制冷工作。

进一步地，压缩连杆组件110和膨胀连杆组件210通过轴承套设于凸轮转轴30外周，以实现与凸轮转轴30的传动连接。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“左侧”和“右侧”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种斯特林制冷机，其特征在于，包括：

质量相等的压缩机构(10)和膨胀机构(20)，所述压缩机构(10)包括压缩连杆组件(110)，所述压缩连杆组件(110)转动时，所述压缩机构(10)与压缩缸体配合进行活塞运动，所述膨胀机构(20)包括膨胀连杆组件(210)，所述膨胀连杆组件(210)转动时，所述膨胀机构(20)与膨胀缸体配合进行活塞运动；

凸轮转轴(30)，由电机驱动转动，所述压缩连杆组件(110)和所述膨胀连杆组件(210)套设所述凸轮转轴(30)并与所述凸轮转轴(30)传动连接，且所述压缩连杆组件(110)和所述膨胀连杆组件(210)在所述凸轮转轴(30)的轴向投影角度保持90°；

所述凸轮转轴(30)包括凹陷区(310)，所述凹陷区(310)朝向所述压缩机构(10)轴线和所述膨胀机构(20)轴线的角平分线延伸方向设置。

2.如权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述凸轮转轴(30)包括轴体(320)和套设于所述轴体(320)外周的套筒(330)，所述凹陷区(310)为从所述套筒(330)的第一端面开始，朝向所述套筒(330)的第二端面延伸的弧形凹陷，所述套筒(330)为由所述第一端面和所述第二端面为两端面形成的规则圆筒挖除所述凹陷区(310)制成。

3.如权利要求2所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述套筒(330)由所述规则圆筒挖除等同于所述膨胀机构(20)质量的区域制成。

4.如权利要求2所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述凹陷区(310)包括两个凹陷部(3110)，两个所述凹陷部(3110)对称设置于所述套筒(330)的两端面。

5.如权利要求4所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述压缩连杆组件(110)和所述膨胀连杆组件(210)套设于所述套筒(330)外周，且所述压缩连杆组件(110)距离所述第一端面的距离与所述膨胀连杆组件(210)距离所述第二端面的距离相等。

6.如权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，在所述压缩机构(10)中，所述压缩连杆组件(110)通过第一连接销(120)与压缩柱塞(130)传动连接，所述压缩柱塞(130)伸入所述压缩缸体；

在所述膨胀机构(20)中，所述膨胀连杆组件(210)通过第二连接销(220)与膨胀柱塞(230)传动连接，所述膨胀柱塞(230)伸入所述膨胀缸体。

7.如权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，所述压缩连杆组件(110)和所述膨胀连杆组件(210)通过轴承套设于所述凸轮转轴(30)外周。

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