CN216522474U - 一种微型集成式斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微型集成式斯特林制冷机，包括基座，在所述基座上集成设置有压力波发生器和膨胀制冷组件，所述压力波发生器包括对称设置在基座两侧的驱动源及由驱动源带动的压力活塞，两个所述驱动源运动相位相反带动两个所述压力活塞相向运动，在所述基座两侧向驱动源方向延伸设置有压力活塞通道，在所述基座向膨胀制冷组件方向延伸设置有用于连通两个压力活塞通道和膨胀制冷组件的气道，所述驱动源带动压力活塞在压力活塞通道中反复压缩气体通过气道进入到膨胀制冷组件中。本实用新型将可能产生振动和噪声的旋转电机曲柄连杆式压力波发生器换为对置驱动源结构的压力波发生器，大大降低了气缸磨损，且有较高的机械转化效率。

Description

一种微型集成式斯特林制冷机

技术领域

本实用新型涉及斯特林制冷机技术领域，尤其是指一种集成式斯特林制冷机。

背景技术

小型回热式低温制冷机结构紧凑，单位质量功率密度高，低温下制冷效率高，制冷工质环保并且制冷量容易调节，其中采用直线振荡压力波发生器的斯特林制冷机具有效率高、结构简单、运行噪声小，振动量级低寿命长以及可靠性高等优点，因此在航空航天、高温超导、红外探测、生物医药领域有着广泛的应用。

当下应用在红外勘测等军事战术领域，或者小型计算机、野外电子设备等散热的微型斯特林制冷机普遍为旋转电机驱动的曲柄连杆式斯特林制冷机作为制冷源，旋转电机振动和噪声较大，且曲柄连杆会导致活塞与气缸之间的相对运动受到随时间变化的径向力作用，干摩擦较大，可靠性低，活塞体表面涂层因摩擦脱落的涂层粉末会造成制冷工质污染和堵塞回热器材料。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中曲柄连杆式斯特林制冷机存在的缺陷，提供一种集成式斯特林制冷机，取消了曲柄连杆机构，大大降低了气缸磨损，且有较高的机械转化效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种集成式斯特林制冷机，包括基座，在所述基座上集成设置有压力波发生器和膨胀制冷组件，所述压力波发生器包括对称设置在基座两侧的驱动源及由驱动源带动的压力活塞，两个所述驱动源运动相位相反带动两个所述压力活塞相向运动，在所述基座两侧向驱动源方向延伸设置有压力活塞通道，在所述基座向膨胀制冷组件方向延伸设置有用于连通两个压力活塞通道和膨胀制冷组件的气道，所述驱动源带动压力活塞在压力活塞通道中反复压缩气体通过气道进入到膨胀制冷组件中。

在本实用新型的一个实施例中，所述驱动源包括壳体，在所述壳体内部设置有内磁极组件、外磁极组件和永磁体组件，所述内磁极组件、永磁体组件、外磁极组件依次套设在压力活塞通道的外周，所述外磁极组件内设置有通电螺旋圈。

在本实用新型的一个实施例中，所述内磁极组件为套设在压力活塞通道上的圆筒状内磁极或环形贴敷在压力活塞通道外周的片状内磁极；所述圆筒状内磁极的两端设置有向基座方向弯折的卡接部，在所述卡接部外套设有压紧固定的圆环；所述片状内磁极周向均匀贴敷在压力活塞通道外周。

在本实用新型的一个实施例中，所述永磁体组件包括套设在内磁极组件外周的永磁体拖和套设在永磁体拖上的圆筒状永磁体或环形贴敷在永磁体拖外周的片状永磁体；所述永磁体拖的两端翻边设置形成用于放置圆筒状永磁体的永磁体凹槽；所述片状永磁体周向均匀贴敷在永磁体拖外周。

在本实用新型的一个实施例中，所述通电螺旋圈包括线圈骨架和缠绕在线圈骨架上的线圈，所述线圈骨架套设在永磁体组件外周，所述外磁极组件为套设上的圆筒状外磁极或环形贴敷在线圈骨架外周的片状外磁极；所述圆筒状外磁极的一端安装在基座上，所述圆筒状外磁极的另一端安装在外磁极支架上；所述片状外磁极周向均匀贴敷在线圈骨架外周。

在本实用新型的一个实施例中，所述驱动源壳体内还设置有板弹簧支架，所述板弹簧支架包括套设在压力活塞端部的多片板弹簧，相邻两片板弹簧之间装配有板弹簧内垫片和板弹簧外垫片。

在本实用新型的一个实施例中，所述膨胀制冷组件包括膨胀机外壳、膨胀活塞和散热结构，所述膨胀机外壳包括筒体和连接部，所述膨胀活塞设置在筒体中，所述膨胀活塞与所述筒体之间形成膨胀腔，所述膨胀活塞的内部填充有纤维丝作为回热填料，所述膨胀活塞的一端通过散热结构与气道连通，所述膨胀活塞的另一端设置有膨胀小孔。

在本实用新型的一个实施例中，所述膨胀制冷组件内还包括调相结构，所述调相结构包括由上至下依次同轴连接的与膨胀活塞连接的进气接头、柱弹簧、和用于固定柱弹簧的弹簧座。

在本实用新型的一个实施例中，所述散热结构的两端分别与膨胀机外壳和基座密封连接，所述散热结构与膨胀机外壳和基座之间的接触面采用钎焊方式进行二次密封。

在本实用新型的一个实施例中，所述基座上还设置有向膨胀制冷组件内充装和排放制冷工质的充气阀芯和为通电螺旋圈供电的电源接头。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型所述的集成式斯特林制冷机，将可能产生振动和噪声的旋转电机曲柄连杆式压力波发生器换为对置驱动源结构的压力波发生器，压力波发生器采用一对结构形式完全相同的直线振荡驱动源呈镜面对置安装，其各自带动压力活塞运动相位相差180度，从而抵消轴向振动，运行噪声小、振动量级低；并且通过基座将膨胀制冷组件与压力波发生器设置为集成式“T”字结构，具有体积紧凑，装配工艺简单、无电磁干扰、寿命长以及可靠性高等优点，因此在航空航天、红外勘测、精密电子器件冷却等领域有着广泛的应用。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1是本实用新型集成式斯特林制冷机的整体结构示意图；

图2是本实用新型集成式斯特林制冷机的内部剖面结构示意图；

图3是本实用新型集成式斯特林制冷机的基座的结构示意图；

图4是本实用新型集成式斯特林制冷机的压力波发生器的结构示意图；

图5是本实用新型集成式斯特林制冷机的膨胀制冷组件的结构示意图。

说明书附图标记说明：1、基座；11、压力活塞通道；12、充气阀芯； 13、电源接头；2、压力波发生器；21、压力活塞；22、壳体；23、内磁极组件；24、外磁极组件；25、永磁极组件；26、通电螺旋圈；27、外磁极支架；28、板弹簧支架；3、膨胀制冷组件；31、膨胀机外壳；32、膨胀活塞；33、散热结构；34、进气接头；35、柱弹簧；36、弹簧座；4、气道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1所示，本实用新型的一种集成式斯特林制冷机，包括基座1，在所述基座1上集成设置有压力波发生器2和膨胀制冷组件3，所述压力波发生器2采用一对结构形式完全相同的直线振荡驱动源呈镜面对置安装，其各自带动压力活塞21运动相位相差180度，从而抵消轴向振动，运行噪声小、振动量级低，所述膨胀制冷组件与压力波发生器设置为集成式“T”字结构，具有体积紧凑，装配工艺简单、无电磁干扰、寿命长以及可靠性高等优点。

参照图2和图3所示，所述压力波发生器2包括对称设置在基座1两侧的驱动源及由驱动源带动的压力活塞21，两个所述驱动源运动相位相反带动两个所述压力活塞21相向运动，在所述基座1两侧向驱动源方向延伸设置有压力活塞通道11，在所述基座1向膨胀制冷组件3方向延伸设置有用于连通两个压力活塞通道11和膨胀制冷组件3的气道4，所述驱动源带动压力活塞21在压力活塞通道11中反复压缩气体通过气道4进入到膨胀制冷组件3中。

参照图2和图4所示，所述驱动源包括壳体22，在所述壳体22内部设置有内磁极组件23、外磁极组件24和永磁体组件25，所述内磁极组件23、永磁体组件25、外磁极组件24依次套设在压力活塞通道11的外周，所述外磁极组件24内设置有通电螺旋圈26，本实施例中的驱动源为直线电动机，利用电磁作用原理将电能转换成直线运动的动能，从而带动压力活塞21往复运动，将通电螺旋圈26通入三相电流后，在周围产生磁场，所述磁场与内磁极组件23、外磁极组件24相互作用便产生电磁推力。

具体地，所述内磁极组件23包括两种形式设置在压力活塞通道11的外周，所述内磁极组件23为套设在压力活塞通道11上的圆筒状内磁极或环形贴敷在压力活塞通道11外周的片状内磁极；

当采用圆筒状内磁极时，所述圆筒状内磁极采用含非导电绝缘粉末的烧结软磁材料，所述圆筒状内磁极的两端设置有向基座1方向弯折的卡接部，在所述卡接部外套设有压紧固定的圆环，并通过激光焊接将圆环与基座1固定连接；

当采用片状内磁极时，所述片状内磁极为厚度0.5mm的无取向硅钢片，所述片状内磁极周向均匀贴敷在压力活塞通道11外周，同样设置圆环套设在片状内磁极外，用于固定片状内磁极。

具体地，所述永磁体组件25包括两种形式设置在内磁极组件23的外周，所述永磁体组件25包括套设在内磁极组件23外周的永磁体拖和套设在永磁体拖上的圆筒状永磁体或环形贴敷在永磁体拖外周的片状永磁体；

当采用圆筒状永磁体时，所述永磁体拖的两端翻边设置形成用于放置圆筒状永磁体的永磁体凹槽，将永磁体嵌入到永磁体凹槽中，内嵌式永磁体组结构，有别于传统表贴式磁体结构，该内嵌式永磁体组具有防脱落优势，提高了电机的机械稳定性；

当采用片状永磁体时，所述片状永磁体周向均匀贴敷在永磁体拖外周，或将多片沿径向平行充磁(内S极+外N极)后的片状永磁体通过模具拼接成环形永磁体组并内嵌于不锈钢材质的永磁体托内部。

具体地，所述通电螺旋圈26包括线圈骨架和缠绕在线圈骨架上的线圈，所述线圈骨架套设在永磁体组件25外周，所述线圈骨架为工字型骨架，在线圈骨架内设置有用于缠绕线圈的凹槽，所述线圈为铜质漆包线；

具体地，所述外磁极组件24包括两种形式设置在永磁体组件25的外周，所述外磁极组件24为套设上的圆筒状外磁极或环形贴敷在线圈骨架外周的片状外磁极；

当外磁极组件24为圆筒状外磁极时，所述圆筒状外磁极采用含非导电绝缘粉末的烧结软磁材料，所述圆筒状外磁极的一端安装在基座1上，所述圆筒状外磁极的另一端安装在外磁极支架27上；

当外磁极组件24为片状外磁极时，所述片状外磁极为多块厚度0.5mm 的无取向硅钢片堆叠成一体的外磁极块，所述片状外磁极周向均匀贴敷在线圈骨架外周，在片状外磁极与线圈骨架接触面涂金属粘接剂进行固定，采用叠片磁极结构，具有降低交变磁场下涡流损耗，提高压缩机效率的作用。

具体地，所述驱动源的壳体22内还设置有板弹簧支架28，所述板弹簧支架28包括套设在压力活塞21端部的多片板弹簧，相邻两片板弹簧之间装配有板弹簧内垫片和板弹簧外垫片，采用锁紧螺母将板弹簧与压力活塞21 进行压紧螺接固定，同时通过周向螺钉将板弹簧外缘与板弹簧支架28进行螺结固定并上胶加固，所述板弹簧支架28提供径向支撑，以保证压力活塞 21与驱动源壳体22之间的间隙密封。

具体地，为减轻压力活塞21的质量和压力活塞21与压力活塞通道11 之间的摩擦，将同样采用钛合金材质的压力活塞加工为内部空心结构，并通过焊接端盖形成压力活塞21在压力活塞通道11中的压力面，同时在压力活塞21与压力活塞通道11间隙密封段接触的外表面上粘接耐磨衬套。

参照图5所示，所述膨胀制冷组件3包括膨胀机外壳31、膨胀活塞32 和散热结构33，所述膨胀机外壳31为杜瓦基座，所述膨胀机外壳31包括筒体和连接部，所述膨胀活塞32设置在筒体中，所述膨胀活塞32与所述筒体之间形成膨胀腔，所述膨胀活塞32的内部填充有纤维丝作为回热填料，所述膨胀活塞32的一端通过散热结构33与气道4连通，所述膨胀活塞32 的另一端设置有膨胀小孔，所述压力波发生器3作为动力源通过压力活塞 21推动机体内的制冷工质从膨胀小孔中流出，在膨胀活塞32与膨胀机外壳31内表面形成的膨胀腔里进行膨胀以实现制冷效应。

具体地，所述膨胀制冷组件3内还包括调相结构，由于膨胀活塞32质量较轻，本实施例的所述调相结构包括由上至下依次同轴连接的与膨胀活塞 32连接的进气接头34、柱弹簧35、和用于固定柱弹簧35的弹簧座36，采用柱弹簧35即可支撑膨胀活塞32。

具体地，为了保证连接处的气密性，所述散热结构33的两端分别与膨胀机外壳31和基座1密封连接，所述散热结构33与膨胀机外壳31和基座 1之间的接触面采用钎焊方式进行二次密封。

具体地，为降低进、出膨胀活塞32气体的紊流，在膨胀活塞32内部上端和下端分别设置一定厚度和目数的金属编织丝网进行层流化。

参照图3所示，所述基座1上还设置有向膨胀制冷组件3内充装和排放制冷工质的充气阀芯12和为通电螺旋圈26供电的电源接头13.

本实施例的集成式斯特林制冷机的工作过程为：

1、通过充气阀芯向基座内部填充制冷工质，通过电源接头为通电螺旋圈供电，压力波发生器开始工作；

2、两个对称设置的驱动源带动两个压力活塞在基座的压力活塞通道内 180°相位相向或相反运动，从而产生交变气体压力，挤压气流从气道中进入到膨胀制冷组件中或从膨胀制冷组件进入到气道中；

3、气流从气道中进入到膨胀活塞内，从膨胀活塞最上部的膨胀小孔流出，在膨胀活塞与膨胀机外壳内表面形成的膨胀腔里进行膨胀以实现制冷效应；

4、由于膨胀活塞只有一个膨胀小孔出气，阻力相对较大，高压气体会推动其拉伸下面的柱弹簧；反之，当膨胀活塞内气体压力较低时，膨胀腔的气体压力较高，则会压缩柱弹簧，压力波发生器产生的交变气体压力改变即引起膨胀活塞也受迫往复振动。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种集成式斯特林制冷机，其特征在于，包括基座，在所述基座上集成设置有压力波发生器和膨胀制冷组件，所述压力波发生器包括对称设置在基座两侧的驱动源及由驱动源带动的压力活塞，两个所述驱动源运动相位相反带动两个所述压力活塞相向运动，在所述基座两侧向驱动源方向延伸设置有压力活塞通道，在所述基座向膨胀制冷组件方向延伸设置有用于连通两个压力活塞通道和膨胀制冷组件的气道，所述驱动源带动压力活塞在压力活塞通道中反复压缩气体通过气道进入到膨胀制冷组件中。

2.根据权利要求1所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述驱动源包括壳体，在所述壳体内部设置有内磁极组件、外磁极组件和永磁体组件，所述内磁极组件、永磁体组件、外磁极组件依次套设在压力活塞通道的外周，所述外磁极组件内设置有通电螺旋圈。

3.根据权利要求2所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述内磁极组件为套设在压力活塞通道上的圆筒状内磁极或环形贴敷在压力活塞通道外周的片状内磁极；所述圆筒状内磁极的两端设置有向基座方向弯折的卡接部，在所述卡接部外套设有压紧固定的圆环；所述片状内磁极周向均匀贴敷在压力活塞通道外周。

4.根据权利要求2所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述永磁体组件包括套设在内磁极组件外周的永磁体拖和套设在永磁体拖上的圆筒状永磁体或环形贴敷在永磁体拖外周的片状永磁体；所述永磁体拖的两端翻边设置形成用于放置圆筒状永磁体的永磁体凹槽；所述片状永磁体周向均匀贴敷在永磁体拖外周。

5.根据权利要求2所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述通电螺旋圈包括线圈骨架和缠绕在线圈骨架上的线圈，所述线圈骨架套设在永磁体组件外周，所述外磁极组件为套设上的圆筒状外磁极或环形贴敷在线圈骨架外周的片状外磁极；所述圆筒状外磁极的一端安装在基座上，所述圆筒状外磁极的另一端安装在外磁极支架上；所述片状外磁极周向均匀贴敷在线圈骨架外周。

6.根据权利要求2所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述驱动源壳体内还设置有板弹簧支架，所述板弹簧支架包括套设在压力活塞端部的多片板弹簧，相邻两片板弹簧之间装配有板弹簧内垫片和板弹簧外垫片。

7.根据权利要求1所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述膨胀制冷组件包括膨胀机外壳、膨胀活塞和散热结构，所述膨胀机外壳包括筒体和连接部，所述膨胀活塞设置在筒体中，所述膨胀活塞与所述筒体之间形成膨胀腔，所述膨胀活塞的内部填充有纤维丝作为回热填料，所述膨胀活塞的一端通过散热结构与气道连通，所述膨胀活塞的另一端设置有膨胀小孔。

8.根据权利要求1所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述膨胀制冷组件内还包括调相结构，所述调相结构包括由上至下依次同轴连接的与膨胀活塞连接的进气接头、柱弹簧、和用于固定柱弹簧的弹簧座。

9.根据权利要求7所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述散热结构的两端分别与膨胀机外壳和基座密封连接，所述散热结构与膨胀机外壳和基座之间的接触面采用钎焊方式进行二次密封。

10.根据权利要求1所述的集成式斯特林制冷机，其特征在于：所述基座上还设置有向膨胀制冷组件内充装和排放制冷工质的充气阀芯和为通电螺旋圈供电的电源接头。

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