一種分置式斯特林制冷機的製作方法

2023-05-05 18:49:11 1

專利名稱：一種分置式斯特林制冷機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種分置式斯特林制冷機，屬於製冷與低溫技術領域，具體 是指一種用於紅外系統中，為紅外器件提供低溫冷源的體積小、重量輕、壽命長、 可靠性高的分置式斯特林制冷機。
背景技術：
斯特林制冷機是按逆向斯特林循環工作的氣體回熱式閉循環制冷機，自 1954年荷蘭Philips實驗室研製成實用的斯特林制冷機以來，斯特林制冷機經 歷了半個世紀的發展，結構形式從整體式發展到分置式；驅動方式從旋轉電機驅 動發展到直線電機驅動。分置式斯特林制冷機的研究從二十世紀七十年代後真正 開始。
分置式斯特林制冷機是—種高度精密的機電一體化產品，它的發展方向是微 型化和長壽命。分置式斯特林制冷機內部存在高頻高速相對運動的活塞與氣缸運 動副，活塞與氣缸之間採用間隙密封，密封間隙很小，通常在7 U)um之間， 而且不能使用潤滑油，內部又有高壓高純度易洩漏的製冷工質氦氣，肉此其壽命 -直是研製的關鍵和難點技術。長壽命與微型化是斯特林制冷機研究中的一對矛 盾，要達到微型化，就不容易實現長壽命；要達到長壽命，就很難實現微型化。 目前體積小、重量輕的輕量型分置式斯特林制冷機壽命通常在加~500小時， 最高不超過IOO小時;而現有的長壽命斯特林制冷機—'般具有體積大、重量重、 結構複雜的缺點，重量一般在5 15&。
現有的體積小、重量輕的輕量型分置式斯特林制冷機所採用的技術方案通常 是壓縮機採用動圈式直線電機驅動、圓柱彈簧支撐膨脹機採用氣動驅動、圓 柱彈簧支撐。這種方案的缺點是活塞無徑向支撐，活塞與氣缸之間存在摩擦，活 塞表面不可避免存在磨損，制冷機工作幾千小時後，磨損量累積至不能保證動態 密封效果時，間隙密封失效，導致制冷機製冷能力下降甚至失效；動圈式直線電 機線圈散熱難，線圈繞組非金屬材料受熱揮發放氣會汙染制冷機工質，降低制冷機性能甚至使制冷機失效；電機存在高頻振動的引線，而高頻振動引線的疲勞斷 裂會導致制冷機失效壓縮機端蓋存在玻璃燒結引線絕緣端子，玻璃燒結引線絕 緣端子是引起制冷機工質洩漏的薄弱環節，工質的洩漏會導致制冷機失效。輕量 型分置式斯特林制冷機在可靠性設計方面存在的這些不足決定了其可靠性通常 在3000 5000小時，最高不超過10000小時，大大限制了它的應用領域。

實用新型內容
針對現有輕量型分置式斯特林制冷機的結構方案在壽命和可靠性方面存在 的不足，本實用新型提供了一種新的技術方案，按照該技術方案生產的分置式斯 特林制冷機在保留體積小、重量輕、結構簡單優點的同時大幅度提高制冷機的壽 命和可靠性。
本實用新型的技術方案本實用新型由壓縮機和膨脹機組成，兩者之間通過 連接管連接；壓縮機包括氣缸、直線電機和壓縮活塞；兩臺直線電機成180°對 稱布置，驅動同一軸線的雙壓縮活塞；壓縮活塞由膜片彈簧支撐；所述直線電機 為動磁式直線電機，雙音圈結構，所述壓縮活塞由膜片彈簧支撐。。
所述動磁式直線電機定子的線圈支架組件包括線圈支架和線圈擋圈；線圈擋 圏採用電絕緣酚醛布棒或其它絕緣材料，線圈支架材質為無磁不鏽鋼，線圈擋圈 固定在線圈支架上。
所述動磁式直線電機的動子組件包括兩組磁鋼、內磁極和動子支架，兩組磁 鋼的極性相反，每組由不少於12片瓦片形磁鋼組成，磁鋼固定在內磁極上；內 磁極套裝在動子支架外面並用銷釘固定；動子支架為鈦合金薄壁件。
所述壓縮活塞由兩組膜片彈簧支撐， 一組為小內徑膜片彈簧，另一組為大內 徑膜片彈簧，實現徑向精密定位；使所述壓縮活塞與氣缸之間成為無接觸間隙密 封結構。
膨脹機採用小質量排出器結構，圓柱彈簧支撐，氣動驅動；膨脹機氣缸由通 孔的不鏽鋼薄壁氣缸體與不鏽鋼氣缸堵頭雷射焊接構成。這種方案在保留輕量型 分置式斯特林制冷機體積小、重量輕、結構簡單優點的同時，採用動磁式直線電 機和膜片彈簧支撐兩項技術方夷，使其壽命大幅度提高，可達到20000小時以上， 重量不大於2kK。傳統的輕量型分置式斯特林制冷機通f.釆用動圈式直線電機，動圈式直線電 機具有工質易汙染和洩漏、電機引線高頻振動易折斷、電機線圈散熱難等影響壽 命和可靠性的問題。本實用新型採用的動磁式直線電機的優點是電機的線圈繞 組靜止不動，可以隔離線圈和工質，電機中沒有了高頻振動的引線，壓縮機端蓋 沒有了玻璃燒結引線絕緣端子，解決了工質的汙染、洩漏、電機引線折斷和線圈 散熱難等技術問題。
本實用新型採用的膜片彈簧具有很好的徑向定位能力，通過精密裝配，可實 現活塞與氣缸之間的無接觸間隙密封，活塞與氣缸之間沒有接觸和磨損。
本實用新型的有益效果分置式斯特林制冷機在保留體積小、重量輕、結構 簡單優點的同時，使其壽命和可靠性有本質的提高，達到20000小時以上，重量 不大於2kg。


圖1為本實用新型的分置式斯特林制冷機結構示意圖； 圖2為本實用新型的膨脹機氣缸結構圖； 圖3為本實用新型的直線電機定子線圈支架組件結構圖 圖4為本實用新型的直線電機動子糹且件結構圖。
具體實施方式
為更好地理解本實用新型的技術方案，
以下結合附圖對木實用新型的具體實 施方式作詳細說明-
如圖l，以金屬軟管連接管26為分隔，下面部分為壓縮機，上面部分為膨 脹機。
壓縮機包括動磁式直線電機、膜片彈簧、壓縮活塞、壓縮氣缸、壓縮機端蓋 等零部件，壓縮機為雙電機直線對稱布置，雙活塞雙向對動結構。
動磁式直線電機包括磁鋼1'3、內磁極9、動子支架8、外磁極14、線圈支架 6、線圈12。磁鋼13是兩組極性相反的磁鋼組件，每組磁鋼組件由12片瓦片形 的磁鋼組成，磁鋼13用膠固定在內磁極9外表面，內磁極9套裝在動子支架8 外面並用銷釘10固定。兩組線圈12繞在線圈支架6上，兩組線圈之間用線圈擋圈11隔開。外磁極14套裝在線圈12及線圈支架6外面，並在外磁極14與線圈 支架6的側向接觸面雷射焊接密封。小內徑膜片彈簧1外圓通過螺釘2固定在線 圈支架6的一端，每片小內徑膜片彈簧外圓之間用小內徑外墊圈3隔開；小內徑 膜片彈簧1內圓通過螺釘4與彈簧座7連接，每片小內徑膜片彈簧內圓之間用小 內徑內墊圈5隔開；彈簧座7通過螺紋與動子支架8及壓縮活塞16固定連接。 大內徑膜片彈簧18外圓通過螺釘17固定在線圈支架6的另一端，每片大內徑膜 片彈簧外圓之間用大內徑外墊圈19隔開；大內徑膜片彈簧18內圓通過螺釘21 與動子支架8連接，每片大內徑膜片彈簧內圓之間用大內徑內墊圈20隔開。外 殼34與外磁14之間焊接密封，壓縮機端蓋22及23與外殼34都用焊接密封， 密封螺釘24用來密封製冷工質。壓縮機出氣嘴25與中心法蘭15用焊接密封。 兩個壓縮活塞16從壓縮氣缸35兩端對稱裝入壓縮氣缸，中心法蘭15與線圈支 架6焊接密封。
膨脹機包括後座28、排出器組件33、膨脹氣缸32、彈簧座29、配氣座30、 彈簧31等零部件。後座用紫銅或不鏽鋼製作，後座28與膨脹氣缸32用螺釘 27連接，接觸面用金屬密封。壓縮腔.％內的氦氣通過連接管26進入膨脹機後 座28，經過配氣座3進入排出器組件33，經過排出器組件33內部的回熱器金 屬網片換熱後進入膨脹腔37，達到膨脹製冷效果。排出器組件33由回熱器外殼 組件、金屬網片、冷端堵頭、熱端堵頭組成，在氦氣的交變壓力波和彈簧的作用 下，排出器組件33在膨脹氣缸32內往復運動。為了減小軸嚮導熱損失，回熱器 外殼採用酚醛布棒。
閣2為膨脹機氣缸結構圖，膨脹機氣缸32由氣缸體38和氣缸堵頭39通過 A雷射焊接構成。氣缸體38是 一個通孔的薄壁件，採用不鏽鋼製作，氣缸堵頭 39用不鏽鋼製作。
圖3為直線電機定子的線圈支架組件結構圖,線圈支架組件包括線圈支架6、 線圈擋圈11、線圈擋圈W。線圈擋圈11和線圈擋圈40由電絕緣的酚醛布棒或 其它絕緣材料製成，線圈支架6由無磁不鏽鋼製成，線圈擋圈用膠固定在線圈支 架h。
圖4為直線電機的動子組件結構圖，磁鋼13是兩組極性相反的磁鋼組件， 每組由12片瓦片形磁鋼組成，磁鋼n用膠固定在內磁極9上；內磁極9套裝在
7動子支架8外面並用銷釘10固定；動子支架8是一個鈦合金薄壁件。
權利要求1、一種分置式斯特林制冷機，由壓縮機和膨脹機組成，兩者之間通過連接管連接；壓縮機包括氣缸、直線電機和壓縮活塞；兩臺直線電機成180°對稱布置，驅動同一軸線的雙壓縮活塞；其特徵在於所述直線電機為動磁式直線電機，雙音圈結構，所述壓縮活塞由膜片彈簧支撐。
2、 根據權利要求1所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述動磁式直 線電機由外磁極、定子線圈支架組件和動子組件構成；定子線圏支架組件包括線 圈支架、兩組線圈和線圈擋圈；動子組件包括兩組磁鋼、內磁極和動子支架，兩 組磁鋼的極性相反。
3、 根據權利要求2所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述線圈擋圈 為絕緣擋圈，固定在所述線圈支架上，所述線圈支架的材質為不鏽鋼。
4、 根據權利要求3所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述線圈擋圈 採用電絕緣酚醛布棒，線圈支架材質為無磁不鏽鋼，兩者之間採用膠連接。
5、 根據權利要求2所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述磁鋼每組 由不少於12片瓦片形磁鋼組成，磁鋼與內磁極固定連接；內磁極套裝在動子支 架外。
6、 根據權利要求5所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述磁鋼與內 磁極通過膠固定連接，動子支架為鈦合金薄壁件，內磁極與動子支架用銷釘固定。
7、 根據權利要求1~6任--項所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述 壓縮活塞由兩組膜片彈簧支撐， 一組為小內徑膜片彈簧，另一組為大內徑膜片彈 簧；所述壓縮活塞與氣缸之間為無接觸間隙密封結構。
8、 根據權利要求7所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述小內徑膜 片彈簧外圓固定在線圈支架一端，小內徑膜片彈簧內圓與彈簧座連接，彈簧座與 動子支架及壓縮活塞固定連接；所述大內徑膜片彈簧外圓固定在線圈支架另一 端，大內徑膜片彈簧內圓與動子支架固定連接。
9、 根據權利要求7所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述膨脹機的 氣缸由通孔的不鏽鋼薄壁氣缸體和不鏽鋼氣缸堵頭通過雷射焊接構成。
10、 根據權利要求8所述的分置式斯特林制冷機，其特徵在於所述膨脹機的氣缸由通孔的不鏽鋼薄壁氣缸體和不鏽鋼氣缸堵頭通過雷射焊接構成。
專利摘要本實用新型公開了一種分置式斯特林制冷機，主要解決現有技術中該機在使用壽命和可靠性方面存在的不足的問題。本實用新型的壓縮機由雙直線電機驅動同一軸線的雙壓縮活塞，兩臺直線電機180°對稱布置，雙活塞對動；直線電機採用動磁式直線電機，雙音圈結構；壓縮活塞由兩組小質量長壽命膜片彈簧支撐，活塞與氣缸之間採用無接觸間隙密封結構；膨脹機採用小質量排出器結構，圓柱彈簧支撐，氣動驅動；膨脹機氣缸由通孔的不鏽鋼薄壁氣缸體與不鏽鋼氣缸堵頭雷射焊接構成。本實用新型主要用於紅外系統中，為紅外器件提供低溫冷源，在保留體積小、重量輕、結構簡單優點的同時，其壽命和可靠性有本質的提高，達到20000小時以上，重量不大於2kg。
文檔編號F25B9/14GK201363951SQ20092014325
公開日2009年12月16日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者雲 彭, 朱魁章, 陸永達 申請人:中國電子科技集團公司第十六研究所