阅读说明：本技术 一种热泵系统用无油线性压缩机 (Oil-free linear compressor for heat pump system ) 是由 周强 张建伟 刘思学 王录 何江 范宇峰 赵欣 满广龙 苗建印 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热泵系统用无油线性压缩机,包括：汽缸、汽缸架、直线电机组件、吸气阀片、排气阀总成及壳体；两个汽缸架的法兰盘端对称安装在汽缸的两端；两个相同的直线电机组件分别对应安装在两个汽缸架的中心筒外部；两个所述吸气阀片的外缘分别固定在两个活塞的相对端；所述排气阀总成安装在排气腔内；两个壳体分别安装在两个直线电机组件的外部,且壳体的开口端固定在汽缸架的法兰盘的外缘上；本发明直接由两个对置布置的直线电机组件驱动活塞做往复运动,提高了压缩机的压缩效率；且两个活塞的对置运动可抵消大部分振动,整机振动量更小；采用无油运行可避免润滑油引起的系统性能、可靠性及使用场景的限制,大大增加其使用范围。(The invention discloses an oil-free linear compressor for a heat pump system, which comprises: the air cylinder, the air cylinder frame, the linear motor component, the air suction valve plate, the exhaust valve assembly and the shell; the flange plate ends of the two cylinder frames are symmetrically arranged at the two ends of the cylinder; two identical linear motor assemblies are respectively and correspondingly arranged outside the central cylinders of the two cylinder frames; the outer edges of the two air suction valve plates are respectively fixed at the opposite ends of the two pistons; the exhaust valve assembly is arranged in the exhaust cavity; the two shells are respectively arranged outside the two linear motor assemblies, and the opening ends of the shells are fixed on the outer edges of the flange plates of the cylinder frame; the piston is directly driven by the two linear motor assemblies arranged oppositely to reciprocate, so that the compression efficiency of the compressor is improved; the opposite movement of the two pistons can offset most of vibration, so that the vibration quantity of the whole machine is smaller; the oil-free operation can avoid the limitation of system performance, reliability and use scenes caused by lubricating oil, and greatly increase the application range of the oil-free lubricating system.)

一种热泵系统用无油线性压缩机

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，具体涉及一种热泵系统用无油线性压缩机。

背景技术

传统往复式制冷压缩机通常使用旋转电机驱动活塞完成压缩排气等过程，实现制冷效果，将旋转运动转为往复运动时，由于曲柄连杆等机械结构的存在，曲柄连杆结构的摩擦损耗较大，机械效率较低；转动惯量难以平衡，整机振动大；为保证摩擦副可靠还需要冷冻机油润滑，润滑油进入节流器件(尤其微孔道)会导致制冷能力下降甚至丧失，进而影响系统的性能和可靠性；由于润滑油需静止在压缩机壳底位置，压缩机运行需要严格限定安装使用角度，大大限制了使用场景。

线性压缩机是将制冷剂气体吸入到汽缸中，并利用线性电机的驱动力使活塞在汽缸内作往复直线运动来压缩制冷剂气体并最终实现制冷效果。线性压缩机由于摩擦点少，结构紧凑，效率和可靠性更高。由于板弹簧具有优良的径向支撑作用，线性压缩机具备无油润滑运行的条件。现有无油运行技术中，主要有以下两种方案：

第一种是采用气体轴承实现无油运行，即动子部件由柔性板弹簧提供轴向刚度，活塞与汽缸采用气体轴承的方案实现无油运行，参见附图1。由于气体轴承需要高压侧气体回流，并通过设置在活塞上的节流装置，节流到活塞与汽缸的间隙中，该方案的主要缺点有：

1、损耗高压侧气体，降低系统效率；

2、采用单侧板弹簧，无法起到径向支撑作用，压缩机启动时活塞与汽缸仍存在摩擦，且压机内的微小杂物或长期启动摩擦产物容易堵塞节流装置，使气体轴承失效；

3、为发挥气体轴承间隙支撑作用，往往设计的活塞和汽缸配合面较长，不利于整机尺寸的小型轻量化。

第二种是采用自润滑材料实现无油运动，即动子部件也由柔性板弹簧提供轴向刚度，活塞设置有自润滑材料，通过降低摩擦实现无油运行，参见附图2。由于采用单侧板弹簧支撑，并通过具有自润滑特性的材料实现无油运行，该方案的主要缺点有：

1、单侧板弹簧支撑难以抵消动子部件在重力下引起的运动偏斜，主要起提供轴向刚度的作用，长期运行仍然存在较大的磨损风险。

2、具有自润滑特性的材料在运行时，依然会产出摩擦异物，整机系统要设置过滤器，增加系统复杂性并降低使用可靠性。

3、由于设置了吸气动子部件与不吸气动子部件，吸气脉动等会加大控制整机振动的难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种热泵系统用无油线性压缩机，直接由两个对置布置的直线电机组件驱动活塞做往复运动，提高了压缩机的压缩效率；且两个活塞的对置运动可抵消大部分振动，整机振动量更小；采用无油运行可避免润滑油引起的系统性能、可靠性及使用场景的限制，大大增加其使用范围。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种热泵系统用无油线性压缩机，包括：汽缸、汽缸架、直线电机组件、吸气阀片、排气阀总成及壳体；

所述汽缸加工有轴向通孔、与所述轴向通孔相通的径向阶梯通孔及与所述轴向通孔不相通的径向盲孔，径向盲孔的侧壁上加工有两个第一通孔；所述径向阶梯通孔作为排气腔，径向盲孔作为吸气腔；

两个汽缸架结构相同，均为法兰状结构，法兰状结构包括法兰盘及法兰盘中部伸出的中心筒，法兰盘上加工有第二通孔；两个汽缸架的法兰盘端对称安装在汽缸的两端；且汽缸架的中心筒的中心孔与汽缸的轴向通孔对接相通，汽缸架的中心孔与汽缸的轴向通孔组成活塞腔；汽缸架的第二通孔与汽缸的第一通孔对接相通；

两个相同的直线电机组件分别对应安装在两个汽缸架的中心筒外部；每个直线电机组件均包括：外定子部件、内定子部件及动子部件；其中，所述外定子部件安装在汽缸架的中心筒外部，且其端部固定在汽缸架的法兰盘上；所述内定子部件套装并固定在汽缸架的中心筒外部；所述动子部件安装在外定子部件内圆周面和内定子部件外圆周面的环形腔内，且动子部件的内圆周面与内定子部件外圆周面留有间隙，动子部件的外圆周面与外定子部件内圆周面留有间隙，动子部件的两端分别通过前板弹簧组和后板弹簧组与外定子部件的两端连接；所述动子部件内设有穿过汽缸架的中心孔的吸气通道，所述吸气通道的末端套装有活塞，活塞的外圆周面与所述活塞腔的内圆周面滑动间隙配合；两个直线电机组件的活塞之间的空腔作为压缩腔，该压缩腔与排气腔相通；所述活塞在外定子部件、内定子部件及动子部件的作用下能够沿其轴向进行直线反复运动；

所述吸气阀片为弹性的圆板A；该圆板A上加工有沿其周向均布的两个以上圆孔及分别以圆孔为起点一一对应的螺旋线孔；且两个以上圆孔的圆心与所述圆板A的圆心之间的距离大于活塞的内径与所述圆孔的半径之和；两个所述吸气阀片的外缘分别固定在两个活塞的相对端；当所述压缩腔内压力小于吸气通道内压力时，两个吸气阀片均处于打开状态，吸气阀片与活塞的端面不接触，使得压缩腔通过吸气阀片的圆孔及螺旋线孔与所述吸气通道相通；当所述压缩腔内压力大于或等于吸气通道内压力时，两个吸气阀片均处于关闭状态，吸气阀片抵触在活塞的端面上，使得压缩腔与所述吸气通道不相通；

所述排气阀总成安装在排气腔内；当所述压缩腔内的压力大于设定值时，排气阀总成处于打开状态，压缩腔与排气腔相通；当压缩腔内的压力小于或等于设定值时，排气阀总成处于关闭状态，压缩腔与排气腔不相通；

所述壳体为一端开口一端封闭的筒体；两个壳体分别安装在两个直线电机组件的外部，且壳体的开口端固定在汽缸架的法兰盘的外缘上。

进一步的，所述外定子部件包括：外定子冲片铁芯、两个电机线圈、前压板及后压板；

所述外定子冲片铁芯为两端开口的圆筒状结构，其侧壁内加工有用于安装电机线圈的两个环形槽，每个环形槽均与所述外定子冲片铁芯的内孔相通；

两个电机线圈分别安装在外定子冲片铁芯的环形槽内，电机线圈与外定子冲片铁芯之间安装有绝缘垫片，两个电机线圈串联且绕向相反；

所述前压板和后压板分别固定在外定子冲片铁芯的两端；且前压板固定在汽缸架的法兰盘上；

所述内定子部件为内定子冲片铁芯，所述内定子冲片铁芯为两端开口的圆筒状结构；内定子冲片铁芯套装并固定在两个汽缸架的小径端外部；

所述动子部件包括：动子骨架、两个环形磁铁、磁铁挡环及磁铁挡套；

所述动子骨架为一端开口，一端封闭的圆筒，圆筒的中心设有同轴的圆套，且圆套的两端均伸出于圆筒；

两个环形磁铁分别为第一环形磁铁和第二环形磁铁；第一环形磁铁、磁铁挡环、第二环形磁铁及磁铁挡套顺序同轴安装在动子骨架的圆筒的开口端，且第一环形磁铁与动子骨架的圆筒的开口端对接；且动子骨架的圆筒、两个环形磁铁、磁铁挡环及磁铁挡套组成磁铁套；

所述动子骨架的圆套同轴安装在汽缸架的中心孔内；所述磁铁套套装在外定子冲片铁芯和内定子冲片铁芯之间，且两个环形磁铁分别与两个电机线圈一一相对；所述磁铁套的外圆周面与外定子冲片铁芯的内圆周面之间留有间隙，磁铁套的外圆周面与内定子冲片铁芯外圆周面之间留有间隙；所述动子骨架可沿汽缸架的轴向做直线反复运动；

所述动子骨架的圆筒的封闭端通过后板弹簧组与后压板连接，磁铁套的磁铁挡套端通过前板弹簧组与前压板连接。

进一步的，所述活塞加工有中心通孔；活塞套装并固定在动子骨架的圆套端部，且活塞的中心通孔与动子骨架的圆套的中心孔相通，形成所述吸气通道。

进一步的，所述排气阀总成包括：排气阀片、排气弹簧及排气阀座；

所述排气阀片为圆板B，圆板B的中心加工有圆柱形凸台；所述排气阀片安装在汽缸的排气腔底部，且排气阀片的圆柱形凸台朝向活塞所在侧；

所述排气阀座内加工有沿其轴向的排气孔；所述排气阀座固定在汽缸的排气腔顶部；

所述排气弹簧安装在汽缸的排气腔内，且排气弹簧的两端分别与排气阀片及排气阀座相抵触；

当所述压缩腔内的压力大于设定值时，排气阀片处于打开状态，即排气阀片向上运动压缩排气弹簧，使得压缩腔与排气腔相通；当压缩腔内的压力小于或等于设定值时，排气阀片处于关闭状态，即排气阀片在排气弹簧的作用下抵触在排气腔底部，将排气腔封闭，使得压缩腔与排气腔不相通。

进一步的，所述外定子冲片铁芯和内定子冲片铁芯均采用硅钢片或软磁材料。

进一步的，所述动子骨架的圆筒、两个环形磁铁、磁铁挡环及磁铁挡套的外圆周面缠绕有多层预浸环氧树脂的碳纤维布。

进一步的，所述前板弹簧组和后板弹簧组均为环形结构，且均由一片以上的板弹簧组成，相邻的两个板弹簧之间均安装有垫片，将一片以上板弹簧分隔开，该垫片分布在板弹簧的中心和外缘上。

进一步的，所述电机线圈采用自粘线圈。

进一步的，所述活塞采用合金材料。

有益效果：(1)本发明通过前板弹簧组和后板弹簧组的径向刚度给动子部件提供径向支撑，以实现活塞在汽缸内的完全无摩擦间隙运行，而不必借助自润滑材料或气体轴承，并可减小运动部件重量对间隙的影响，运行更可靠。

(2)本发明的吸气阀片通过焊接固定在活塞的端面上，汽缸上不必设置吸气结构，减小了汽缸的余隙容积，提升容积效率；同时相比于传统单缸压缩机，本发明中两个吸气阀片对置布置，可最大限度运行工况对整机振动的影响，即一个吸气阀片开启或关闭带来的振动问题。

(3)本发明的直线电机组件设有吸气通道，当制冷剂流过吸气通道时，可对直线电机组件进行降温冷却；相比于传统的无阀线性压缩机，本发明可通过冷工质对发热部件进行冷却，解决了传统的无阀线性压缩机废热难以排散的问题。

(4)本发明采用两个电机线圈和两个环形磁铁的结构，漏磁少，铁磁损耗少，提高了活塞运动的推力，进而提高了压缩机的运行频率，同样的制冷量下，本发明的压缩机整机质量更小更紧凑。

(5)本发明的吸气阀片设置有螺旋线孔的结构，该结构提供了吸气阀片的开启刚度，同时也限制了阀片开启高度，有利于提高阀片的运行寿命。

附图说明

图1为现有压缩机的第一种结构示意图；

图2为现有压缩机的第二种结构示意图；

图3为本发明的结构组成图；

图4为直线电机组件的结构组成图；

图5为动子部件的结构组成图；

图6为吸气阀片的结构及安装示意图；

图7为排气阀片、排气弹簧及排气阀座的结构及安装示意图；

其中，1-电机线圈，2-外定子冲片铁芯，3-环形磁铁，4-内定子冲片铁芯，5-后板弹簧组，6-后压板，7-前压板，8-前板弹簧组，9-汽缸架，10-汽缸，11-活塞，12-吸气阀片，13-排气阀片，14-动子骨架，15-排气腔，16-吸气腔，17-壳体，18-排气弹簧，19-排气阀座。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种热泵系统用无油线性压缩机，参见附图3，包括：汽缸10、汽缸架 9、直线电机组件、吸排气阀组件及壳体；

所述汽缸10加工有轴向通孔、与所述轴向通孔相通的径向阶梯通孔及与所述轴向通孔不相通的径向盲孔，径向盲孔的侧壁上加工有两个第一通孔；所述径向阶梯通孔作为排气腔15，径向盲孔作为吸气腔16，所述吸气腔16通过管路与外部的制冷剂存储部件连接，排气腔15 通过管路与外部的制冷系统连接；

两个汽缸架9结构相同，均为法兰状结构，法兰状结构包括法兰盘及法兰盘中部伸出的中心筒，法兰盘上加工有第二通孔；其中，所述中心筒的中心孔为阶梯孔，其大径端的内径与汽缸10的轴向通孔内径相同；两个汽缸架9的法兰盘端通过螺钉对称安装在汽缸10的两端，即两个汽缸架9呈对置布置；且汽缸架9的中心孔的大径端与汽缸10的轴向通孔对接相通，汽缸架9的中心孔的大径端与汽缸10的轴向通孔组成活塞腔；汽缸架9的第二通孔与汽缸10的第一通孔对接相通；

两个相同的直线电机组件分别对应安装在两个汽缸架9的中心筒外部，且两个直线电机组件呈对置布置；参见附图4，每个直线电机组件均包括：外定子部件、内定子部件及动子部件；

所述外定子部件包括：外定子冲片铁芯2、两个电机线圈1、前压板7及后压板6；

所述外定子冲片铁芯2为两端开口的圆筒状结构，其侧壁内加工有用于安装电机线圈1 的两个环形槽，每个环形槽均与所述外定子冲片铁芯2的内孔相通；

所述电机线圈1采用自粘线圈，两个电机线圈1分别安装在外定子冲片铁芯2的环形槽内，电机线圈1与外定子冲片铁芯2之间安装有绝缘垫片，两个电机线圈1串联且绕向相反；

所述前压板7和后压板6通过一根长螺钉压紧并固定在外定子冲片铁芯2的两端；且前压板7通过螺钉同轴固定在汽缸架9的法兰盘上，实现外定子部件的固定；

所述内定子部件为内定子冲片铁芯4，所述内定子冲片铁芯4为两端开口的圆筒状结构；内定子冲片铁芯4套装并胶黏固定在两个汽缸架9的小径端外部；

其中，所述外定子冲片铁芯2和内定子冲片铁芯4均采用硅钢片或软磁材料；当采用硅钢片时，将多片硅钢片叠压成组，然后将多个硅钢片组装配成环形结构，形成外定子冲片铁芯2和内定子冲片铁芯4；

参见附图5，所述动子部件包括：活塞11、动子骨架14、两个环形磁铁3、磁铁挡环3-1、磁铁挡套3-2、前板弹簧组8及后板弹簧组5；

所述动子骨架14为一端开口，一端封闭的圆筒，圆筒的中心设有同轴的圆套，且圆套的两端均伸出于圆筒；

两个环形磁铁3分别为第一环形磁铁和第二环形磁铁；第一环形磁铁、磁铁挡环3-1、第二环形磁铁及磁铁挡套3-2顺序同轴安装在动子骨架14的圆筒的开口端，且第一环形磁铁 3与动子骨架14的圆筒的开口端对接；且动子骨架14的圆筒、两个环形磁铁3、磁铁挡环 3-1及磁铁挡套3-2的外圆周面缠绕有多层预浸环氧树脂的碳纤维布，实现五个部件之间的固连，组成磁铁套，且固连完成后的磁铁套保持良好的同轴度；

所述动子骨架14的圆套同轴安装在汽缸架9的中心孔的小径端内，圆套的端部伸出于汽缸架9的中心孔的小径端，并位于汽缸架9的中心孔的大径端内；所述磁铁套套装在外定子冲片铁芯2和内定子冲片铁芯4之间，且两个环形磁铁3分别与两个电机线圈1一一相对；所述磁铁套的外圆周面与外定子冲片铁芯2的内圆周面之间留有间隙，磁铁套的外圆周面与内定子冲片铁芯4外圆周面之间留有间隙，以形成电机气隙；所述动子骨架14可沿汽缸架9 的轴向做直线反复运动；

所述动子骨架14的圆筒的封闭端通过环形的后板弹簧组5与后压板6连接，磁铁套的磁铁挡套3-2端通过环形的前板弹簧组8与前压板7连接；所述后板弹簧组5和前板弹簧组8 用于实现对固连为一体的动子骨架14及磁铁套的径向支撑；其中，所述前板弹簧组8和后板弹簧组5均由一片以上的板弹簧组成，相邻的两个板弹簧之间均安装有垫片，将一片以上板弹簧分隔开，该垫片分布在板弹簧的中心和外缘上；环形的后板弹簧组5的内孔套装在动子骨架14的伸出于圆筒的封闭端的圆套端部，后板弹簧组5的外缘通过螺钉固定在后压板6上；环形的前板弹簧组8的内孔套装在磁铁挡套3-2上，前板弹簧组8的外缘通过螺钉固定在前压板7上；

所述活塞11加工有中心通孔，活塞11采用轻质合金材料；活塞11套装并固定在动子骨架14的圆套端部，且活塞11的中心通孔与动子骨架14的圆套的中心孔相通，形成吸气通道；活塞11的外圆周面与汽缸架9的中心孔的大径端与汽缸10的轴向通孔组成的活塞腔的内圆周面滑动间隙配合；两个直线电机组件的活塞11之间的空腔作为压缩腔，该压缩腔与排气腔 15相通；

所述吸排气阀组件包括：吸气阀片12和排气阀总成；

参见附图6，所述吸气阀片12为弹性的圆板A，该圆板A的直径与活塞11的外径相同；该圆板A上加工有沿其周向均布的三个圆孔及分别以三个圆孔为起点的三条螺旋线孔；且三个圆孔的圆心与所述圆板A的圆心之间的距离大于活塞11的内径与所述圆孔的半径之和；两个所述吸气阀片12的外缘分别通过焊接固定在两个活塞11的相对端；当所述压缩腔内压力小于所述吸气通道内压力时，两个吸气阀片12均处于打开状态，即两个吸气阀片12均向外凸出，使吸气阀片12与活塞11的端面不接触，进而使得压缩腔通过吸气阀片12的三个圆孔及三条螺旋线孔与所述吸气通道相通；当所述压缩腔内压力大于或等于吸气通道内压力时，两个吸气阀片12均处于关闭状态，即吸气阀片12抵触在活塞11的端面上，由于三个圆孔的圆心与所述圆板A的圆心之间的距离大于活塞11的内径与所述圆孔的半径之和，因此使得压缩腔与所述吸气通道不相通；

所述排气阀总成包括：排气阀片13、排气弹簧18及排气阀座19；

参见附图7，所述排气阀片13为圆板B，圆板B的中心加工有圆柱形凸台；所述排气阀片13安装在汽缸10的排气腔15底部，且排气阀片13的圆柱形凸台朝向活塞11所在侧；

所述排气阀座19内加工有沿其轴向的排气孔；所述排气阀座19固定在汽缸10的排气腔 15顶部；

所述排气弹簧18安装在汽缸10的排气腔15内，且排气弹簧18的两端分别与排气阀片 13及排气阀座19相抵触；

当所述压缩腔内的压力大于设定值时，排气阀片13处于打开状态，即排气阀片13向上运动压缩排气弹簧18，使得压缩腔与排气腔15相通；当压缩腔内的压力小于或等于设定值时，排气阀片13处于关闭状态，即排气阀片13在排气弹簧18的作用下抵触在排气腔15底部，将排气腔15封闭，使得压缩腔与排气腔15不相通；

所述壳体17为一端开口一端封闭的筒体；两个壳体17分别安装在两个直线电机组件的外部，且壳体17的开口端固定在汽缸架9的法兰盘的外缘上。

工作原理：当所述电机线圈1通入交流电时，该交流电产生激励磁场，该激励磁场和环形磁铁3的磁场相互作用，使环形磁铁3产生往复运动的轴向力，进而带动活塞11做往复直线运动；

当两个活塞11相向运动时，两个活塞11之间的压缩腔容积变大，压力变小，所述吸气阀片12处于打开状态，同时，排气阀片13处于关闭状态；外部的制冷剂存储部件内的制冷剂首先被吸入到吸气腔16内，再通过吸气腔16侧壁的两个第一通孔进入到壳体17的内腔，最后通过所述吸气通道进入到所述压缩腔内；此时，压缩机处于吸气过程；

当两个活塞11相对运动时，两个活塞11之间的压缩腔容积变小，压力变大，所述吸气阀片12处于关闭状态，同时，排气阀片13处于打开状态；压缩腔内的制冷剂被压缩同时进入到排气腔15，由排气腔15进入到外部的制冷系统中；此时，压缩机处于压缩排气过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。