CN117739543A - 一种膨胀机组件和斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀机组件和斯特林制冷机，属于斯特林制冷机领域。包括冷指气缸，内置于所述冷指气缸内的蓄冷器，设置于所述冷指气缸一侧的膨胀气缸，可沿所述膨胀气缸滑动的膨胀活塞，以及设置在所述膨胀气缸和/或冷指气缸内、连接所述蓄冷器和膨胀活塞、且使得其与蓄冷器的组合体的运动质心保持在膨胀活塞和/或冷指气缸中轴线上或其附近的固定块。本发明利用金属固定块代替原有球节结构，避免了球节结构在运动方向上有松紧变量，使得蓄冷器行程固定，使得蓄冷器冷端到气缸的距离可以控制在很小的范围内，而且避免了球节结构中润滑油脂的使用，避免了这部分油脂逸散对制冷机寿命的影响。

Description

一种膨胀机组件和斯特林制冷机

技术领域

本发明属于斯特林制冷机领域，尤其是一种膨胀机组件和斯特林制冷机。

背景技术

目前在深低温冷光学系统中，一般需要将温度降至77K以下，一般采用制冷机进行制冷，在采用整体式斯特林制冷机进行制冷的过程中，面临制冷机膨胀部分运动行程难以精确确定、膨胀部分运动质量调节复杂，以及制冷机寿命较低等问题。

经检索，中国发明专利(公布号为CN106196686B)，公开了一种整体式斯特林制冷机，其中，所述蓄冷器与所述膨胀活塞之间采用球节连接，所述球节包括设置于所述蓄冷器靠近所述膨胀活塞端部位置的球窝以及连接所述球窝与所述膨胀活塞的球钉，所述球窝与所述球钉连接处之间为球面接触，且在接触位置设置有O型密封圈。通过这种结构的球节可以减小蓄冷器与冷指之间的摩擦阻力，提高制冷机的可靠性。

但是，球节结构在运动方向上存在松紧变量，无法精确确定制冷机膨胀部分蓄冷器的运动行程，而且球节结构需要使用一定量的润滑油脂，逸散的润滑油脂会对制冷机寿命产生影响。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种膨胀机组件和斯特林制冷机，以解决背景技术所涉及的问题。

本发明提供一种膨胀机组件，包括：冷指气缸，内置于所述冷指气缸内的蓄冷器，设置于所述冷指气缸一侧的膨胀气缸，可沿所述膨胀气缸滑动的膨胀活塞，以及设置在所述膨胀气缸和/或冷指气缸内、连接所述蓄冷器和膨胀活塞、且使得其与蓄冷器的组合体的运动质心保持在膨胀活塞和/或冷指气缸中轴线上或其附近的固定块。

优选地或可选地，所述固定块的周向上分布有多个槽口，并以预定角度与所述蓄冷器固定连接。

优选地或可选地，所述固定块为非均质金属块，并以预定角度与所述蓄冷器固定连接。

优选地或可选地，所述固定块的表面设置有一层类金刚石涂层。

优选地或可选地，所述固定块的内部开设有中空孔道，所述固定块一端插接于所述膨胀活塞的一端，所述固定块的另一端插接于所述蓄冷器的一端。

优选地或可选地，所述固定块与所述蓄冷器之间设置有密封圈。

优选地或可选地，所述膨胀活塞与所述膨胀气缸之间形成膨胀腔，所述膨胀腔通过中空管道与所述蓄冷器相连通。

优选地或可选地，所述膨胀活塞的另一端通过膨胀连杆与偏心转轴的偏心块连接，所述偏心转轴与驱动电机转动连接。

优选地或可选地，所述蓄冷器壳内填充有蓄能材料。

本发明还提供一种斯特林制冷机，包括上述的膨胀机组件。

本发明涉及一种膨胀机组件和斯特林制冷机，相较于现有技术，具有如下有益效果：本发明利用金属固定块代替原有球节结构，避免了球节结构在运动方向上有松紧变量，使得蓄冷器行程固定，使得蓄冷器冷端到气缸的距离可以控制在很小的范围内，而且避免了球节结构中润滑油脂的使用，避免了这部分油脂逸散对制冷机寿命的影响。同时通过调整固定块的形状、材质密度等来调整蓄冷器部分的运动质量，使得运动质心保持在膨胀部分的活塞和气缸之间，减小固定块和蓄冷器与膨胀气缸和/或冷指气缸之间的摩擦力，提高制冷机的可靠性。

附图说明

图1是本发明中斯特林制冷机的安装示意图。

图2是本发明实施例1中斯特林制冷机的竖直面的截面示意图。

图3是本发明实施例1中斯特林制冷机的水平面的截面示意图。

图4是本发明中固定块的结构示意图。

图5是本发明实施例2中斯特林制冷机的竖直面的截面示意图。

附图标记为：100、底座；200、电机组件；300、压缩机组件；400、膨胀机组件；410、冷指气缸；420、蓄冷器；430、膨胀气缸；440、膨胀活塞；450、固定块；460、膨胀腔；480、基座；441、膨胀活塞内的中空孔道；442、环形槽；451、槽口；452、中空孔道；453、密封圈；471、转接叉；472、叉口；473、销轴；474、连接杆；475、弹性件。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

发明构思

现有技术中膨胀活塞440与蓄冷器420之间一般采用球节结构连接，由于球节结构为柔性连接，在膨胀活塞440与蓄冷器420运动方向上存在松紧变量，无法精确确定制冷机膨胀机部分蓄冷器420的运动行程，而且球节结构需要使用一定量的润滑油脂，逸散的润滑油脂会对制冷机寿命产生影响。

本发明利用金属固定块450代替原有球节结构，避免了球节结构在运动方向上有松紧变量，使得蓄冷器420行程固定，使得蓄冷器420冷端到气缸的距离可以控制在很小的范围内，而且避免了球节结构中润滑油脂的使用，避免了这部分油脂逸散对制冷机寿命的影响。但同时由于膨胀活塞440与蓄冷器420之间为固定连接，当蓄冷器420与固定块450的组合体在往复运动的过程中发生偏移时，则会大大增加蓄冷器420与冷指气缸410之间的运动摩擦阻力，影响制冷机性能可靠性和寿命，因此，本发明通过调整固定块450的形状、材质密度等来调整固定块450和蓄冷器420整体的运动质量，使得运动质心保持在膨胀部分的活塞和气缸之间，减小固定块450和蓄冷器420与膨胀气缸430和/或冷指气缸410之间的摩擦力，提高制冷机的可靠性。

下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参阅附图1至4，一种斯特林制冷机，包括：底座100、电机组件200、压缩机组件300和膨胀机组件400；其中，所述膨胀机组件400包括：冷指气缸410，内置于所述冷指气缸410内的蓄冷器420，密封设置于所述冷指气缸410一侧、适于安装在底座100上的基座480，套装于所述基座480内部膨胀气缸430，可沿所述膨胀气缸430滑动的膨胀活塞440，以及设置在所述膨胀气缸430和/或冷指气缸410内、连接所述蓄冷器420和膨胀活塞440、且使得其与蓄冷器420的组合体的运动质心保持在膨胀活塞440和/或冷指气缸410中轴线上或其附近的固定块450。

在本实施例中，利用金属固定块450代替原有球节结构，避免了球节结构在运动方向上有松紧变量，使得蓄冷器420行程固定，使得蓄冷器420冷端到气缸的距离可以控制在很小的范围内，而且避免了球节结构中润滑油脂的使用，避免了这部分油脂逸散对制冷机寿命的影响。同时通过调整固定块450的形状、材质密度等来调整蓄冷器420部分的运动质量，使得运动质心保持在膨胀部分的活塞和气缸之间，优选为，保持在冷指气缸410的中轴线上，减小固定块450和蓄冷器420与膨胀气缸430和/或冷指气缸410之间的摩擦力，提高制冷机的可靠性。

在进一步实施例中，所述固定块450的周向上分布有多个槽口451，并以预定角度与所述蓄冷器420固定连接。所述槽口451的设置位置、与所述蓄冷器420之间安装角度需要根据蓄冷器420的形状和运动质量确定，以保证固定块450与蓄冷器420的组合体的运动质心保持在膨胀活塞440和/或冷指气缸410中轴线上或其附近的固定块450，减小固定块450和蓄冷器420与膨胀气缸430和/或冷指气缸410之间的摩擦力，提高制冷机的可靠性。

在进一步实施例中，所述固定块450的内部开设有中空孔道452，所述固定块450一端插接于所述膨胀活塞440的一端，所述固定块450的另一端插接于所述蓄冷器420的一端；所述固定块450与所述蓄冷器420之间设置有密封圈453；所述膨胀活塞440与所述膨胀气缸430之间形成膨胀腔460，所述膨胀腔460通过中空管道与所述蓄冷器420相连通。所述膨胀腔460与压缩机组件300内的压缩腔配合，实现制冷机的制冷。

在进一步实施例中，所述膨胀活塞440的另一端通过膨胀连杆与偏心转轴的偏心块连接，所述偏心转轴与驱动电机转动连接。具体地，所述膨胀连杆包括：一端与所述膨胀活塞440固定连接的转接叉471，竖直设置在所述转接叉471的叉口472内的销轴473，以及一端套装在所述偏心块外部、另一端转动安装在所述销轴473上的连接杆474。其中，所述偏心转轴为本领域常规零件，故不对其结构做具体描述，在本实施例中，通过驱动电机带动偏心转轴转动，实现通过偏心转轴驱使膨胀连杆和膨胀活塞440的往复运动。

另外，所述膨胀连杆两侧对称设置有弹性件475；所述弹性件475的一端与所述连接杆474相连接，另一端与所述转接叉471相连接，如此设置保证所述膨胀连杆运动的稳定，避免出现沿着两侧晃动的情况，提高整个膨胀机组件400的运行稳定性。

在进一步实施例中，所述蓄冷器420壳内填充有蓄能材料，所述蓄能材料为现有技术中斯特林制冷机的蓄能材料，但是为了保证运动质量的稳定，所述蓄能材料具有固定形状，且在所述蓄能材料的外部设置有外壳或其他固定件，使得所述蓄能材料在运动过程中，保证质心和运动质量的稳定。

为了方便理解膨胀机组件400和斯特林制冷机的技术方案，对其工作原理做出简要说明：需要说明的是，所述膨胀机组件400需要压缩机组件300配合使用才能使用，下面仅以膨胀机组件400为对象进行说明，通过驱动电机带动偏心转轴转动，实现通过偏心转轴驱使膨胀连杆和膨胀活塞440的往复运动，膨胀气缸430与膨胀活塞440之间形成有膨胀腔460，且与压缩机组件300内的压缩腔连通，压缩腔内压缩后的气体工质可经由流路进入膨胀腔460和蓄冷器420内，当膨胀活塞440和蓄冷器420做往复移动时，压缩后的气体工质可由膨胀腔460进入蓄冷器420内，进而在蓄冷器420内蓄能材料换热制冷，使得气体工质温度降低，实现制冷机的制冷。

实施例2

在实施例1中，为了配合膨胀活塞440的往复运动，且保证膨胀部分的密封性，膨胀部分一般会单独设置有一侧封闭的膨胀气缸430，膨胀活塞440轴穿过膨胀气缸430后端盖，使得膨胀活塞440在膨胀气缸430内部做往复运动，为了保证膨胀气缸430、冷指气缸410与基座480之间的连接密封性，一般会在膨胀气缸430前后两侧的周向上设置多道密封圈453，以保证膨胀气缸430的密封性和膨胀活塞440的运行稳定性，但是密封圈453在运动方向上存在松紧变量和老化失效的问题，无法精确确定制冷机膨胀部分蓄冷器420的运动行程，影响制冷机的可靠性。

本实施例通过将现有的膨胀气缸430、冷指气缸410与基座480设计为一体式结构，参阅附图5，用统一直径的膨胀活塞440代替大小直径的活塞轴及活塞气缸，直径大的膨胀气缸430代替直径小的多个气缸，具体地，所述膨胀气缸430由安装孔延伸至冷指气缸，膨胀活塞440间隙密封设置在所述膨胀气缸430内，且其长度等于或大于所述膨胀气缸430长度，所述膨胀气缸430与膨胀活塞440之间为间隙密封，所述固定块450与所述膨胀活塞440和/或冷指气缸410之间为间隙密封，以减小膨胀活塞440和膨胀气缸430之间摩擦，延长制冷机整体的寿命。具体地，所述膨胀活塞440和膨胀气缸430的圆柱度保持在5um内，两者之间的同心度保持在8um内，两者之间的间隙厚度保持在6-10um内，膨胀活塞440冲程2mm；所述固定块450与所述膨胀活塞440和/或冷指气缸410之间间隙配与之类似。另外，所述固定块450的表面设置有一层类金刚石涂层，不仅可以提高固定块450的结构强度，而且可以提高表面的光滑程度，降低摩擦系数。

另外，由于所述固定块450与蓄冷器420的组合体的运动质心保持在膨胀活塞440和/或冷指气缸410中轴线上或其附近，因此膨胀气缸430和膨胀活塞440之间的气体近似为层流流动，因此，所述膨胀活塞440的长度为：

其中，L为膨胀活塞440的长度；δ为膨胀气缸430和膨胀活塞440之间的间隙厚度，所述间隙厚度需要保证膨胀活塞440相对于所述膨胀气缸430相对移动，一般为设计值加上加工误差；P₁、P₂分别为膨胀气缸430和膨胀活塞440之间的间隙两端的压力；μ为气体介质的运动粘度；q_m为膨胀机组件400允许的最大泄漏量；R_g为气体常数；T_m为当前温度；D为活塞外径，由于固定块450与蓄冷器420的组合体的运动质心保持在膨胀活塞440和/或冷指气缸410中轴线，因此，π(D+δ)近似为所述膨胀气缸430和膨胀活塞440之间环形间隙的平均周长，即间隙厚度的宽度。通过上述公式计算出的所述膨胀活塞440的长度为下限值，通过提高膨胀活塞440和膨胀气缸430之间间隙密封的长度，保证膨胀活塞440和膨胀气缸430之间的密封性，减少间隙密封的泄漏率，进一步提高制冷机的可靠性。

通过对膨胀活塞的长度和直径进行设计，不仅降低了密封工艺的难度，提高了制冷机整体的密封性，减少了该部分在制冷机中漏气的几率，从而提高了制冷机整体的可靠性，而且避免了两道非金属密封圈453的使用，使得制冷机避免了密封圈453老化带来的性能失效，进一步提高了制冷机整体的寿命和可靠性。

与之相适应的是，所述固定块450上内部开设有中空孔道452，并与膨胀活塞内的中空孔道441相连通；在所述膨胀活塞440的中部位置的周向设置有环形槽442，所述环形槽442与所述中空孔道452相连通。所述环形槽442与所述膨胀气缸430之间形成膨胀腔460，所述膨胀腔460通过中空管道与所述蓄冷器420相连通。所述膨胀腔460与压缩机组件300内的压缩腔配合，实现制冷机的制冷。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种膨胀机组件(400)，其特征在于，包括：冷指气缸(410)，内置于所述冷指气缸(410)内的蓄冷器(420)，设置于所述冷指气缸(410)一侧的膨胀气缸(430)，可沿所述膨胀气缸(430)滑动的膨胀活塞(440)，以及设置在所述膨胀气缸(430)和/或冷指气缸(410)内、连接所述蓄冷器(420)和膨胀活塞(440)、且使得其与蓄冷器(420)的组合体的运动质心保持在膨胀活塞(440)和/或冷指气缸(410)中轴线上或其附近的固定块(450)。

2.根据权利要求1所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述固定块(450)的周向上分布有多个槽口(451)，并以预定角度与所述蓄冷器(420)固定连接。

3.根据权利要求1所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述固定块(450)为非均质金属块，并以预定角度与所述蓄冷器(420)固定连接。

4.根据权利要求1所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述固定块(450)的表面设置有一层类金刚石涂层。

5.根据权利要求1所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述固定块(450)的内部开设有中空孔道(452)，所述固定块(450)一端插接于所述膨胀活塞(440)的一端，所述固定块(450)的另一端插接于所述蓄冷器(420)的一端。

6.根据权利要求3所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述固定块(450)与所述蓄冷器(420)之间设置有密封圈(453)。

7.根据权利要求3所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述膨胀活塞(440)与所述膨胀气缸(430)之间形成膨胀腔(460)，所述膨胀腔(460)通过中空管道与所述蓄冷器(420)相连通。

8.根据权利要求1所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述膨胀活塞(440)的另一端通过膨胀连杆与偏心转轴的偏心块连接，所述偏心转轴与驱动电机转动连接。

9.根据权利要求1所述的膨胀机组件(400)，其特征在于，所述蓄冷器(420)壳内填充有蓄能材料。

10.一种斯特林制冷机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的膨胀机组件(400)。