CN1217111C - 线性压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种线性压缩机，它包括一缸体部件和一活塞部件。一弹簧将该缸体部件和活塞部件相连，并且沿着活塞部件相对于缸体部件往复运动的方向工作。该活塞部件包括一径向柔性但轴向刚性的连接件和一活塞。所述缸体部件包括一缸体和一位于该缸体中的缸体衬垫。一孔道穿过该缸体衬垫且所述活塞在该孔道内往复运动。在所述缸体和缸体衬垫之间形成有气体轴承通道，并通向贯穿所述缸体衬垫的壁而到达所述孔道的多个开口。一气体轴承管道接收压缩气体并将该压缩气体供给至所述气体轴承通道。该气体轴承通道沿着一曲折路径通向所述开口。

Description

线性压缩机
技术领域
本发明涉及一种线性压缩机，其特别地但不仅仅用于冰箱中。
背景技术
压缩机(尤其是冰箱压缩机)通常是由回转电机驱动的。但是，即使在它们最有效的形式中，在将旋转运动转换成线性往复运动的曲柄系统方面也存在显著的损耗。或者，可以采用不需要曲柄的回转式压缩机，但是向心负载又太高，从而导致相当大的摩擦损耗。由线性电机驱动的线性压缩机不会有这些损耗，并且可以被设计成其轴承负载足够低，从而允许使用如美国专利No.5,525,845中所披露的空气静力气体轴承，其中适于侧向移动的连杆允许低的轴承负载。
在1970年由机械出版社(伦敦)出版的、J W Powell的题为“空气静力轴承”的文献中，包含有空气静力气体轴承的说明。但是，在正常的制造公差和设备的情况下，难以生产出有效的气体轴承。
普通的压缩机安装在气密密封的壳体内，所述壳体在使用中用作制冷气的容器。制冷气从该容器中被抽进压缩机并且通过从压缩机中导出的排气导管通过壳体排出。
压缩机的操作涉及导致压缩机装置振动的运动部件沿着所有三个轴线的往复运动。为了降低该振动的外部噪音影响，该压缩机安装在密封壳体内的隔离弹簧上。
在线性压缩机中，活塞相对于缸体只沿着一个轴线振动，并且因此在任何一个固定的部件上施加反作用力。针对该问题所提出的一个解决方案是以平衡且相对的方式使一对压缩机同步地运行。但是，该布置方案对于应用在日用物品(例如家用冰箱)中来说太复杂且昂贵。另一个解决方案是增加共振配重以减小振动。但是，该方案限制了压缩机的运行，因为配重是负回馈装置，并且限于基本的不平衡力。在1990年的第六届国际低温技术会议论文集中(会议在马萨诸塞州的普利茅斯举行)，Gully和Hanes在题为“用于IR系统的小型回转和线性低温冷却机的振动特征”的文章中还提出了一种解决方案。该解决方案涉及在壳体内单独地支承压缩机的活塞部件和缸体部件，这样“定子便作为配重”。但是，在将该设计应用在家用冰箱中时，在活塞质量较低时会出现问题。在这种压缩机中，由于排放压力增加，所以压缩气体的力起着弹簧力(“气体弹簧”)的作用，这在排放压力增加时提高了运行速度。因为“第三”振动模式(其中活塞和缸体彼此同相地振动但是与压缩机外壳不同相)的频率只是稍稍高于理想的“第二模式”(其中外壳不振动并且活塞和缸体不同相)的频率，所以这是一个问题。因此，当“气体弹簧”开始工作并且有效地使“第二”模式频率升高并最终高于“第三”模式频率时，该外壳开始令人难以忍受地振动。
发明概述
本发明的目的在于提供一种小型线性压缩机，该压缩机可以克服上述缺陷。
根据本发明的一个方面，提供一线性压缩机，它包括：
缸体部件，其包括一缸体盖、一缸体和一位于所述缸体内的缸体衬垫，所述缸体衬垫具有一从中穿过的孔道和从所述缸体衬垫的一外表面通向所述孔道而贯穿所述缸体衬垫的多个开口；
活塞部件；
用来在所述活塞部件和所述缸体部件之间运行的线性电机；
连接在所述缸体部件和所述活塞部件之间并且沿着所述活塞部件相对于所述缸体部件的往复运动方向运行的主弹簧；
所述活塞部件包括有径向柔性但轴向刚性的连接件和活塞，所述连接件连接所述活塞和所述主弹簧，所述活塞在所述缸体衬垫的所述孔道内运动；
用来接收由所述压缩机压缩的气体的气体轴承供应管道，该气体轴承供应管道位于所述缸体和所述缸体衬垫的界面处；
其中所述缸体衬垫的外表面与所述缸体的内表面相配合；
所述表面中的一个具有一个或多个凹槽，该凹槽沿着一曲折路径从所述气体轴承供应管道延伸至每个贯穿所述缸体衬垫的开口，且该凹槽通过所述表面中的另一个封闭，以形成气体轴承通道。
根据本发明的另一方面，提出一种自由活塞压缩机，它具有：
缸体外部部件，
缸体内部部件，其位于所述缸体外部部件内，并具有一从中穿过的孔道，
可往复运动地位于所述孔道内的活塞，
从一外表面向着所述孔道贯穿所述缸体内部部件的多个开口，在使用过程中随着通过所述开口的气体流动，所述开口用于向所述活塞提供气体轴承支撑，
其改进包括：
一气体轴承供应管道位于所述缸体内部部件和所述缸体外部部件的界面处，
所述缸体外部部件的一内表面与所述缸体内部部件的所述外表面配合，以及
位于所述内表面和所述外表面中的至少一个上的凹槽，该凹槽沿着一曲折路径从所述气体轴承供应管道延伸至所述开口，且该凹槽通过所述表面中的另一个封闭，以形成封闭的通道。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离如在附属的权利要求中所限定的本发明范围的情况下，可以得出多种结变化和不同于本发明的实施例和应用。在这里所公开内容和说明仅仅是说明性的，其并不意味着要进行任何限制。
附图的简要说明
图1为根据本发明的线性压缩机的断面图；
图2为图1的线性压缩机的主弹簧的第一实施例的平面视图；
图3为图1的线性压缩机的主弹簧的一可选第二实施例的平面图；
图4为图1的压缩机的主弹簧的一优选第三实施例的透视图；
图5为从可选方向看的图4的主弹簧的透视图；
图6为根据本发明的一个优选方式的缸体衬垫的透视图；
图7为根据本发明的一个第二优选形式的缸体衬垫的透视图。
优选实施例的详细说明
图1中所示的本发明的实施例包括有与往复式自由活塞压缩机相连的永磁线性电机。缸体9在压缩机外壳30内由缸体弹簧14和排放管18支撑。通过由缸体孔道以及借助于弹簧固定件25安装的弹簧13所形成的轴承径向地支撑活塞11。主弹簧15连接在活塞部件11和缸体部件9之间。整个往复运动是活塞11和缸体9的运动的总和。
该往复运动通过吸气口26经由吸气消声器20经过吸气管12抽进气体并且通过阀板21中的吸入阀口24进入压缩空间28。然后压缩气体通过排气阀口23离开，在排气消声器19中被消声，并且通过排气管18排出。
缸体9由排气管18和缸体弹簧14支撑，它们沿着轴向方向具有组合的刚度k缸体。活塞11由将在下面所述的气体轴承径向地支撑。在活塞和缸体的共振过程中，主弹簧具有刚度k主，因此从下面关系式中可以估算出第二模式共振频率fn。
其中m缸体、m活塞是活塞和缸体弹簧的簧上质量，fn通常比所要求的运行频率小10-20Hz，从而允许由于压缩气体、有效缸体弹簧(弹簧14和排放管18的组合)以及活塞弹簧13的刚度而引起的频率增加。根据下面关系选择活塞弹簧的刚度k活塞。
Figure C0081466800092
弹簧力通过弹簧固定件25和径向柔性活塞杆124被传递给活塞。电磁力从双极磁铁22通过活塞凸缘7被传递给活塞。双极磁铁22相互结合并且连接在活塞凸缘7上。
压缩机电机包括一由两部分构成的定子以及一转子。该定子包括一内部定子6和一护铁5。该内部定子带有线圈1、2，该转子包括双极磁铁22。该定子与转子磁铁22的磁性相互作用在活塞11(通过凸缘7安装在转子上)上产生出往复力。
假设电流的振荡频率接近机械系统的自然共振频率，则线圈1和2中的振荡电流(不必是正弦曲线)将使活塞11相对于缸体进行运动。该振荡力在定子部件上产生作用力。因此定子6必须通过粘接剂、冷缩配合或夹具等刚性地连接在缸体9上。护铁5夹持在或连接在定子安装件17上。
定子安装件17还夹持着主弹簧15的外端，并且还使相对薄弱的护铁5保持为圆形且与内部定子6同心。整个压缩机组件在压缩机外壳30内部被气密地密封。
在本发明中提出，主弹簧15的刚度要比有效缸体弹簧以及活塞弹簧的刚度大得多。该“主弹簧”使“第二”模式频率上升至高于“第三”模式频率，从而“气体弹簧”仅进一步使这些模式频率差值更大。
实际的运行频率(“第二”模式频率)是由活塞和缸体质量的复杂关系以及活塞弹簧、缸体弹簧和主弹簧15的刚度来确定的。另外，当排气压力高于弹簧当量刚度时，压缩气体的刚度k气必须加在主弹簧的刚度上。但是，在缸体弹簧相当软(比如说为主弹簧刚度的1/100)的情况下，则运行频率由下式合理精确地表示：
Figure C0081466800101
通过减小振荡质量并且通过确保活塞和缸体弹簧相对较软，从而可以几乎消除由于在所希望的第二模式下活塞/缸体运动之外的原因所引起的外部振动。通过根本不需要缸体弹簧并仅仅留下排放管18的内在刚度(在1000N/m左右，或者在采用冷却管的情况下，结合了排放管和冷却管的刚度例如为2000N/m)，从而可以把有效缸体弹簧刚度降低到最小。在有效缸体弹簧刚度仅仅包括排放管的刚度(大约为1000N/m)的情况下，活塞弹簧的刚度应当为：
在缸体与活塞的质量比为10比1的情况下，这意味着给出一非常柔软的活塞弹簧(100N/m)。
对于在大约75Hz下共振的带有主弹簧的压缩机而言，如果活塞质量为100克左右并且缸体与活塞的质量比为10比1，则主弹簧刚度(K主)必须大约为20000N/m。通常气体弹簧的数值将低于但不是大大低于主弹簧的数值。在上述情况下，运行频率被预期为99Hz，其中气体弹簧(K气)大约为15000N/m。
活塞11在缸体内由空气静力气体轴承支撑。
压缩机的缸体部件包括具有从中穿过的孔道的缸体9和位于所述孔道内的缸体衬垫10。缸体衬垫10可以由适当的材料制成，以降低活塞磨损。例如，它可以由纤维增强塑料复合材料例如含有15％PTFE(优选)的碳纤维增强尼龙形成，或者可以是其中的石墨片具有自润滑效果的铸铁。另外参照图6和7，缸体衬垫10具有从中穿过的开口31，它从其外面的缸体表面70延伸到其内孔道71上。活塞11在内孔道71中运行，并且这些开口31形成气体轴承。压缩气体通过一系列气体轴承通道8被提供给开口31。气体轴承通道8在它们的其它端部处向气体轴承供应管道16打开，该供应管道在衬垫10和缸体9之间围绕着缸体衬垫10在其头端处形成为环形腔室。气体轴承供应管道16又通过压缩机缸体盖的压缩气体进气管即消声器19由小的供应通道73供给。供应通道73的小尺寸控制着轴承供应管道16中的压力，因此限制了气体轴承的气体消耗。
气体轴承通道8在缸体的孔道74中或在缸体衬垫的外壁70中形成为凹槽80或81。这些凹槽80或81与其它缸体或缸体衬垫的壁结合形成导向开口31的封闭通道8。应当理解的是，虽然这些凹槽可以设在任一部分上，但是与形成在缸体部件中相比它们更容易形成在衬垫部件中，最好形成在外表面而不是内表面上。因为能够将凹槽机加工在一个或另一个部件的表面上，而不是必须钻出孔道，这是制造工艺的显著改进。
已经发现，发生在气体轴承通道中的压降必须与在活塞和缸体衬垫的孔道之间的排出流中的压降相似。由于活塞11和缸体衬垫孔道71之间的间隙(对于小型的压缩机来说)只有10-15微米，所以通道8的断面尺寸必须非常小，例如为120微米宽、40微米深。这些小尺寸使得轴承通道的制造非常困难。
但是，参照图6和7，在本发明的优选实施例中，可以通过增加通道8的长度来很容易地完成该压降的匹配，从而该通道的横断面面积也可以被增大。该较长但具有较大横断面的通道具有类似于窄短通道的流动阻力。就先前的实施例来说，这些尺寸可以变成200微米宽、70微米深。这样的优点在于，可以在衬垫部件10或缸体部件9的表面中形成任意合适形状的凹槽80或81，这些凹槽然后与其它部件结合形成通道8。这些凹槽可以形成为具有任意路径，并且如果选择一种曲折路径，则这些凹槽的长度可以显著大于在气体轴承供应管道和相应形成气体轴承的开口之间的直接路径。在图6和7中显示出两个可能的选择方案，分别为螺旋形路径和蛇形路径。根据通道的优选横断面积来选择便于制造的相应路径的长度(机加工或可以通过其它一些方法例如精确模制)。
运行频率越高则电机尺寸越小，但是要求更大的弹簧刚度，并且因此在弹簧中出现更高的应力。因此采用最高质量的弹簧材料对于压缩机寿命来说是重要的。在普通的线性压缩机中，通常采用由压制弹簧钢板制成的主弹簧。但是，在压制操作中冲切出的边缘需要进行仔细的抛光，以恢复该弹簧钢板的原始强度。
在本发明的优选实施例中，主弹簧由圆形断面琴用钢丝制成。如图2所示的第一实施例，该主弹簧可以被卷绕以形成一螺旋弹簧15。该螺旋弹簧15具有一对呈180度并不成一条直线(相互平行)的螺旋臂50、51，这样每个臂的路径在另一个臂的相邻匝之间。活塞安装点52在连接桥53的中心处，并且用于弹簧的每个臂的缸体安装点54在臂的外端处。
琴用钢丝的极高的疲劳强度得到有效的利用，并且无须随后的抛光操作。如果需要增加侧向刚性，则琴用钢丝可以变形10％，以得到椭圆截面。为了简化主弹簧的连接，可以使用方形截面的钢丝，或者弹簧的连接端可以压成扁平形状，如图所示。
但是，图3显示了主弹簧的一个可以替换和优选的第二实施例。该弹簧也可以由琴用钢丝形成，并利用了其高疲劳强度的优点。
图3中，弹簧59包括一对安装点60，61，用于安装其中的一个压缩机部件(缸体部件)，并具有一个中央安装点62，用于安装另一个压缩机部件(活塞部件)。弹簧59包括一对曲率半径基本恒定的曲线形部分63，64，它们中的每一个均以各自的缸体安装点60，61为中心。这些部分在活塞安装点62处相切。每一个部分在其端部65，66处平滑弯曲，以在缸体安装点67，68处沿径向对准。该位于端部65，66处的更陡的过渡弯曲部分是优选选择的，以保持沿着过渡区域的应力分布基本均匀。缸体安装端67，68优选与缸体安装点60，61之间的直线一致。为了使得被弹簧占据的整个空间具有最好的性能，弹簧59的恒定曲率部分63，64尽可能长。因此在分别向缸体安装点60、61更陡地弯曲之前，它们从活塞安装点62延伸大约325度。该结构使得弹簧的各部分能够避免相互干涉。整个弹簧呈现出一种8字形。
通过活塞安装点62相对于缸体安装点60、61位移(指向纸平面外面)，从而使恒定曲率曲线部分63、64处于扭转中。由于半径恒定，所以沿着每个部分63、64的扭转应力也基本上恒定。由于缸体安装部分67、68的径向或基本径向方向，缸体安装件处的弹簧部分的任何扭转应力被最小化，并且改善了弹簧59在缸体部件上的安装。弹簧的中心安装点62具有高的扭转应力，但这不会显著地使安装复杂化，因为可以使安装件围绕着弹簧臂，并且具有弹性(如橡皮)保护罩，以允许弹簧臂在安装件内运动。弹簧臂在安装件内的运动将是循环的，并且由于弹簧的对称性(该弹簧通过180度回转地对称)和循环力，所以弹簧臂的运动不会引起安装件沿着弹簧臂爬行或行走。应该注意的是，该弹簧结构是结合钢丝形成方法而不是成型钢板方法特别研制的。但是(在下面一些更复杂的实施例中受到限制)，还可以采用成型钢板方法制造该几何形状的弹簧，但是可能不会实现某些优点(例如，均匀的应力特别适用于具有恒定横截面的钢丝)。
可以理解，只要不脱离本发明的范围，图3的弹簧也可以有变化。特别是，如果该弹簧被形成为使得弹簧臂在压缩机安装件处垂直于压缩机安装件之间的线，那么该臂可以连续，以形成一个等同的(尽管是镜像的)环，在一第一环之下或之上，返回至另一个压缩机安装件。该环当然可以在第一环之下或之上具有第二活塞连接位置。在另一个压缩机连接位置处，端部可以接合或该第二环可以连续通过该连接位置以形成第三个环，它在第二个环之下(如果需要可以在上面)，返回至第一压缩机安装点(或至少返回至恰在之上或之下的安装点)。环的这种链接可以继续下去，以包括所需要数量的环而获得所需要的弹簧常数。很明显，这是一种平面弹簧结构，它不能通过成型钢板方法构成。
但是，图4和5中显示了主弹簧的优选第三实施例。
在该优选第三实施例中，主弹簧采取了平面弹簧之外的形式。它保留了第二实施例的许多特征，因此在特征明显相似之处使用了相同的参照数字。
弹簧15包括一对用于安装在一个压缩机部件例如缸体部件上的自由端。该弹簧15还具有用于安装在活塞部件上的其它安装点。
弹簧15包括一对曲率半径基本上恒定的弯曲部分63、64，它们中的每一个都环绕着通过相应的安装端。这些弯曲部分中的每一个在大约360°范围的长度上延伸。每个部分在其两个端部处平滑地弯曲。在端部65、66处，它们弯曲成使它们在缸体安装端部处的长度部分67，68径向对准。在端部65、66处，选择更陡的过渡曲线，以沿着过渡部分保持基本上均匀的应力分布。图4和5的弹簧15相对于图3的弹簧59的改进之处在于，弹簧15的恒定曲率部分63、64可以具有任意程度的长度，包括超过360°。在所述的实施例中，它们中的每个都具有大约360°范围内的长度。
在图4和5中所述的方式中。弹簧15的安装点60、61处于其一上方。中心安装点62处于其一下方。恒定的弯曲部分63、64在它们的下面端部处平滑地弯曲，以在径向上对准，并且以安装点62处的弹簧的圆形直径连续延伸。该直径的直线基本上垂直于在缸体部件安装点60、61处的端部67、68的直线。
通过使活塞安装点62相对于安装点60、61移位，从而使恒定半径的曲线63、64处于扭转中。沿着每个部分63、64的扭应力也基本上恒定。由于缸体安装部分67、68和活塞安装点62的径向或基本径向方向，缸体安装端部处以及活塞安装点处的任何扭转应力被最小化，并且改进了弹簧15在缸体部件和活塞部件上的安装。

Claims (12)

1.一种线性压缩机，它包括：
缸体部件，其包括一缸体盖、一缸体和一位于所述缸体内的缸体衬垫，所述缸体衬垫具有一从中穿过的孔道和从所述缸体衬垫的一外表面通向所述孔道而贯穿所述缸体衬垫的多个开口；
活塞部件；
用来在所述活塞部件和所述缸体部件之间运行的线性电机；
连接在所述缸体部件和所述活塞部件之间并且沿着所述活塞部件相对于所述缸体部件的往复运动方向运行的主弹簧；
所述活塞部件包括有径向柔性但轴向刚性的连接件和活塞，所述连接件连接所述活塞和所述主弹簧，所述活塞在所述缸体衬垫的所述孔道内运动；
用来接收由所述压缩机压缩的气体的气体轴承供应管道，该气体轴承供应管道位于所述缸体和所述缸体衬垫的界面处；
其中所述缸体衬垫的外表面与所述缸体的内表面相配合；
所述表面中的一个具有一个或多个凹槽，该凹槽沿着一曲折路径从所述气体轴承供应管道延伸至每个贯穿所述缸体衬垫的开口，且该凹槽通过所述表面中的另一个封闭，以形成气体轴承通道。
2.如权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，每个所述凹槽沿着一螺旋形路径从所述缸体衬垫的一端向着一相应的所述开口延伸，所述螺旋形路径成角度地间隔开。
3.如权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，每个所述凹槽沿着一蛇形路径从所述缸体衬垫的一端向着所述开口延伸，每个所述蛇形路径占据所述缸体衬垫的一个扇形区域。
4.如权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于，所述凹槽位于所述缸体衬垫的所述外表面上。
5.如权利要求2所述的线性压缩机，其特征在于，所述凹槽位于所述缸体衬垫的所述外表面上。
6.如权利要求3所述的线性压缩机，其特征在于，所述凹槽位于所述缸体衬垫的所述外表面上。
7.一种自由活塞压缩机，它具有：
缸体外部部件，
缸体内部部件，其位于所述缸体外部部件内，并具有一从中穿过的孔道，
可往复运动地位于所述孔道内的活塞，
从一外表面向着所述孔道贯穿所述缸体内部部件的多个开口，在使用过程中随着通过所述开口的气体流动，所述开口用于向所述活塞提供气体轴承支撑，
其改进包括：
一气体轴承供应管道位于所述缸体内部部件和所述缸体外部部件的界面处，
所述缸体外部部件的一内表面与所述缸体内部部件的所述外表面配合，以及
位于所述内表面和所述外表面中的至少一个上的凹槽，该凹槽沿着一曲折路径从所述气体轴承供应管道延伸至所述开口，且该凹槽通过所述表面中的另一个封闭，以形成封闭的通道。
8.如权利要求7所述的自由活塞压缩机，其特征在于，所述气体轴承供应管道与所述缸体内部部件的一端相邻，每个所述凹槽沿着一螺旋形路径从所述缸体内部部件的一端向着一相应的所述开口延伸，所述螺旋形路径成角度地间隔开。
9.如权利要求7所述的自由活塞压缩机，其特征在于，所述气体轴承供应管道与所述缸体内部部件的一端相邻，每个所述凹槽沿着一蛇形路径从所述缸体内部部件的一端向着一相应的所述开口延伸，每个所述蛇形路径占据所述缸体内部部件的一个扇形区域。
10.如权利要求7所述的自由活塞压缩机，其特征在于，所述凹槽位于所述缸体内部部件的所述外表面上。
11.如权利要求8所述的自由活塞压缩机，其特征在于，所述凹槽位于所述缸体内部部件的所述外表面上。
12.如权利要求9所述的自由活塞压缩机，其特征在于，所述凹槽位于所述缸体内部部件的所述外表面上。
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