阅读说明：本技术 一种压缩活塞单元及压缩机 (Compression piston unit and compressor ) 是由 陈曦 倪贤灿 张笑宇 梁天晓 洪昊 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：根据本发明的压缩活塞单元及压缩机,压缩活塞单元包括压缩活塞、气体轴承内衬套、多孔限流带、压缩活塞端盖以及吸气阀片,压缩活塞具有圆柱形内腔,其外壁上设置有内凹的环形槽和多个凹腔,凹腔内设置有连通圆柱形内腔的节流通孔,压缩活塞开口端的端面上设置有与环形槽连通的通气孔,气体轴承内衬套呈直筒状,设置在压缩活塞的内腔中,气体轴承内衬套的筒壁上设置有多个通孔,多孔限流带设置在气体轴承内衬套的外侧,且位于压缩活塞内壁与气体轴承内衬套的外壁之间,压缩活塞端盖设置在压缩活塞的圆柱形内腔中,吸气阀片设置在压缩活塞端盖上,压缩活塞端盖上设置有端盖通孔,用于通过的气体顶开吸气阀片。(According to the compression piston unit and the compressor of the invention, the compression piston unit comprises a compression piston, a gas bearing inner bushing, a porous flow-limiting belt, a compression piston end cover and a suction valve plate, the compression piston is provided with a cylindrical inner cavity, the outer wall of the compression piston is provided with an inwards concave annular groove and a plurality of concave cavities, the concave cavities are internally provided with throttling through holes communicated with the cylindrical inner cavity, the end surface of the opening end of the compression piston is provided with vent holes communicated with the annular groove, the gas bearing inner bushing is in a straight cylinder shape and is arranged in the inner cavity of the compression piston, the cylinder wall of the gas bearing inner bushing is provided with a plurality of through holes, the porous flow-limiting belt is arranged on the outer side of the gas bearing inner bushing and is positioned between the inner wall of the compression piston and the outer wall of the gas bearing inner bushing, the compression piston end cover is arranged in the cylindrical inner cavity, the air used for passing through backs up the air suction valve plate.)

一种压缩活塞单元及压缩机

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种压缩活塞单元及压缩机。

背景技术

低温制冷机最主要应用于冷却红外探测系统的红外探测器件，给各类型红外探测器提供适合的低温工作环境(40～120K)，保证探测器功能正常，提高红外探测器的灵敏度和分辨率，还可以减小来自光学滤光片、冷屏及光学系统本身的热噪声。也用于冷却其他电子系统，如机载激光装置，吊舱光学窗口等。虽然低温制冷机很多，但在军用领域应用的主要是斯特林制冷机和节流制冷器两种，并且随着需求制冷量逐渐增大，制冷时间逐渐增加，部分节流制冷器需要被斯特林制冷机替代。

分置式斯特林制冷机是一种高度精密的机电一体化产品，它的发展方向是微型化和长寿命。分置式斯特林制冷机内部存在高频高速相对运动的活塞与气缸运动副，活塞与气缸之间采用间隙密封，密封间隙很小，而且不能使用润滑油，内部又有高压高纯度易泄漏的制冷工质氦气，因此其寿命一直是研制的关键和难点技术。目前体积小、重量轻的轻量型分置式斯特林制冷机寿命通常在3000～5000小时，最高不超过10000小时；而现有的长寿命斯特林制冷机一般具有体积大、重量重、结构复杂的缺点，重量一般在5～l5kg。高效轻量化自由活塞线性压缩机是斯特林制冷机高效制冷的主要部件，也是耗能部件。其中动磁式高效电机和气体轴承技术的应用，保证了线性压缩机的高效性和可靠性，降低了对弹簧的要求，有利于同时实现高效率和轻量化设计。

压缩机的长寿命与微型化是斯特林制冷机研究中的一对矛盾，要达到微型化压缩机，就不容易实现长寿命；要达到长寿命，就很难实现微型化。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于气动分置式斯特林制冷机的新型压缩活塞单元及压缩机。

本发明提供了一种压缩活塞单元，具有这样的特征，包括压缩活塞、气体轴承内衬套、多孔限流带、压缩活塞端盖以及吸气阀片，压缩活塞具有圆柱形内腔，其外壁上设置有内凹的环形槽和多个凹腔，凹腔内设置有连通圆柱形内腔的节流通孔，压缩活塞开口端的端面上设置有与环形槽连通的通气孔，气体轴承内衬套呈直筒状，设置在压缩活塞的内腔中，气体轴承内衬套的筒壁上设置有多个通孔，多孔限流带设置在气体轴承内衬套的外侧，且位于压缩活塞内壁与气体轴承内衬套的外壁之间，压缩活塞端盖设置在压缩活塞的圆柱形内腔中，吸气阀片设置在压缩活塞端盖上，压缩活塞端盖上设置有端盖通孔，用于通过气体顶开吸气阀片。

在本发明提供的压缩活塞单元中，还可以具有这样的特征：其中，压缩活塞的外壁上还设置有特氟龙镀层。

另外，在本发明提供的压缩活塞单元中，还可以具有这样的特征：其中，多个凹腔沿圆周设置，分别位于环形槽的两侧。

另外，在本发明提供的压缩活塞单元中，还可以具有这样的特征：其中，气体轴承内衬套外壁设置有一个轴向豁口。

另外，在本发明提供的压缩活塞单元中，还可以具有这样的特征：其中，压缩活塞端盖的外表面开有用于放置密封圈的圆环槽。

另外，在本发明提供的压缩活塞单元中，还可以具有这样的特征：其中，端盖通孔为呈腰型的台阶孔。

本发明提供了一种压缩机，具有这样的特征，包括直线电机；以及两个压缩活塞单元，其中，直线电机具有电机支架，压缩活塞单元为权利要求1-6中任意一种的压缩活塞单元。

在本发明提供的压缩机中，还可以具有这样的特征：其中，电机支架包括法兰和压缩活塞管，压缩活塞管具有圆柱形内腔，压缩活塞管的轴线与法兰的轴线共线，压缩活塞管外壁上对称设置有内凹的进气槽，进气槽内设置有连通进气槽与压缩活塞管内腔的通孔。

另外，在本发明提供的压缩机中，还可以具有这样的特征：其中，两个压缩活塞分别对称设置在压缩活塞管的圆柱形内腔中，两个压缩活塞的开口端相对设置。

发明内容及作用效果

根据本发明所涉及的压缩活塞单元及压缩机，包括了压缩活塞组件，电机组件，电机支架，以及压缩机外壳体。本发明的高效轻量化线性压缩机的设计结构，特别是动磁式高效电机结构和气体轴承技术的应用，保证了线性压缩机的高效性和可靠性，降低了对弹簧的要求，有利于同时实现高效率和轻量化设计。

附图说明

图1是本发明的实施例一中的压缩机整机示意图；

图2是本发明的实施例中压缩组件***图；

图3是本发明的实施例中的压缩活塞与电机支架的装配示意图；

图4是本发明实施例一中的电机支架外形示意图；

图5是本发明实施例中的压缩活塞外形示意图；

图6是图5中A向的视图；

图7是图6B-B方向的剖视图；

图8是本发明实施例三的压缩活塞图；

图9是图8C方向的剖视图；

图10是图9E-E方向的剖视图；

图11是本发明实施例中的气体轴承内衬套立体示意图；

图12是本发明实例中的压缩活塞端盖立体示意图；

图13是图12中D向的视图；

图14是图13中F-F方向的剖视图；

图15是本发明实施例中吸气阀片示意图；

图16是本发明实施例四中气体轴承内衬套示意图。

具体实施方式

为了使得本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的压缩活塞单元及气动分置式斯特林制冷机进行阐述。

实施例一

如图1所示，气动分置式斯特林的压缩机包括直线电机、两个压缩活塞单元、压缩机外壳体34。

直线电机包括内轭铁3、外轭铁4、永磁体5、永磁体支架6、线圈7、线圈支架8、外轭铁压板9以及电机支架29。

如图4所示，电机支架29包括法兰291和压缩活塞管32。

法兰291呈圆盘状，法兰291两侧设置有用于固定永磁体5的台阶33，法兰291的圆周面上设置有如图所示的用于连通外部与压缩活塞管32的进气孔292。

压缩活塞管32为直通管，具有圆柱形内腔，设置在法兰291的中心，压缩活塞管32两端皆为自由端，对称分布于法兰的两侧，压缩活塞管32的轴线与法兰291的轴线共线，压缩活塞管32外壁上对称设置有两个内凹的进气槽31，进气槽31的剖面呈矩形，从自由端端部开始，向压缩活塞管32另一端沿轴向设置，凹槽内设置有通孔 30，通孔30连通进气槽31与压缩活塞管32圆柱形内腔。

通孔30的目的在于引流背压腔气体经压缩活塞到达压缩腔，防止因气体轴承导致的背压腔压力升高带来的活塞行程下降。

如图1所示，直线电机包括外轭铁4、内轭铁3以及动子，外轭铁4与内轭铁3分别设置在机架29上且外轭铁4、内轭铁3之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体5和永磁体支架6。

外轭铁4、线圈7、永磁体5、内轭铁3均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁4和内轭铁3分别设置在支架29上且外轭铁4与内轭铁3之间具有间隙，动子设置在间隙中。

其中，永磁体5和永磁体支架6连接，外轭铁4和内轭铁3为软磁材料，常用电工纯铁、硅钢片等材料制成，永磁体5为永磁材料，常用钕铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。

当线圈通入直流电时，外轭铁4和内轭铁3会形成磁力回线，从而在外轭铁4和内轭铁3上产生磁极。当线圈通入交流电时，永磁体 5就会受到交变电磁力作用而做往复运动。当永磁体5做往复运动时会带动动子做往复直线运动。

如图2所示，压缩活塞单元包括压缩活塞10，压缩活塞端盖14，气体轴承内衬套12，吸气阀片13，多孔限流带11、止推垫圈15。

如图5所示，压缩活塞10具有开口端的柱形盲孔，压缩活塞外壁上沿圆周设置有多个环形凹腔，环形凹腔内设置有节流通孔18，压缩活塞10外壁上设置有环形槽20，多个环形凹腔分别设置在环形槽20的两侧。

如图6所示，压缩活塞10开口端的端面上设置有两个通气孔21，环形槽20内设置有进气孔19，通气孔21与进气孔19连通，气体从电机支架29上的进气孔30通过压缩活塞10上的环形槽20，之后再进入到压缩活塞上的进气孔19，通过活塞内孔21进入到压缩腔，从而使得气缸内外的压强保持一致。

如图7所示，压缩活塞10表面开有8-10个节流孔18，两端均匀分布4-5个，用气体来支撑其活塞，作为气体轴承。

如图1所示，两个压缩活塞10分别对称设置在压缩活塞管32的圆柱形内腔中，两个压缩活塞10的开口端相对设置。

压缩活塞10与永磁体支架6连接，实施例中，通过螺钉连接。当永磁体5做往复运动时会带动压缩活塞10做往复直线运动。

如果压缩活塞10表面没有开有环形槽20，当压缩活塞10与压缩活塞管32发生了旋转偏置时候，压缩活塞10位于平衡位置时候的进气孔19与电机支架29上的进气孔30上下没有对齐，背压腔气体就无法进入到压缩腔，导致了压缩活塞管32内外的气压不一致。

多孔限流带11、气体轴承内衬套12均设置在压缩活塞10的圆柱形内腔内，多孔限流带11设置在气体轴承内衬套12的外侧。

为了使多孔限流带11能够更好紧贴压缩活塞10的内壁面，达到过盈配合，设计了呈直筒状的气体轴承内衬套12。如图11所示，气体轴承内衬套12沿圆周设置有5个方形槽通孔26，可以使压缩活塞 10内部的气体通过多孔限流带11，进入到节流孔18中。同时在气体轴承内衬套12的内部开有卡簧槽27，利用卡簧的张力来使得气体轴承内衬套12张开，使得多孔限流带11更加贴合压缩活塞10的内壁面。同时在气体轴承内衬套12的外壁沿轴向开一道0.6-0.8mm的豁口28，使得气体轴承内衬套12更加容易张开。

如图7所示，压缩活塞10内部开有一个台阶17，用于放置压缩活塞端盖，另一边开有卡簧槽16，用于限制压缩活塞端盖的轴向运动。

如图1、图2所示，止推垫圈15、压缩活塞端盖14、吸气阀片 13分别设置在压缩活塞10的圆柱形内腔，从圆柱形内腔的开口依次设置，止推垫圈15设置在卡簧槽16内。

如图12、、图13、图14所示，压缩活塞端盖14上开了两个大小不一样的台阶孔，即孔23、孔22，孔的剖面呈腰型，用于使得压缩腔内的气体能够更好顶开压缩活塞端盖14上的吸气阀片13。

其中孔23可以增加气流的冲击力，使得吸气阀片13更容易打开，孔22则可以减小活塞的死容积，增加制冷机的制冷效率。

压缩活塞端盖表面开有一个圆环槽25，用于放置密封圈。

如图15所示，吸气阀片13上设置有两个蝴蝶型的孔36、中心孔37，两个蝴蝶型的孔36的作用一可以降低整机的重量，作用二可以使得吸气阀片13更容易敞开。螺纹孔24位于吸气阀片13中心孔 37位置，用于将压缩活塞端盖14固定在一起。

如图3所示，压缩活塞单元位于平衡位置时，电机支架29的进气孔30与压缩活塞10上的环形槽20对齐，背压腔的气体通过压缩活塞上的孔21进入到压缩腔，使得气缸32内外压强保持一致。当压缩活塞10偏离轴向平衡位置向两边移动时，压缩活塞上的环形槽20 和电机支架上的进气孔30错位，使得背压腔的气体无法进入到压缩腔。同时压缩腔内的气体通过压缩活塞端盖14的台阶型腰型孔，顶开吸气阀片13，进入到压缩活塞内部，通过气体轴承内衬套12和多孔限流带11，从节流孔18中喷出，从而支撑起压缩活塞。

压缩机外壳体34设置在电机支架29的外部，直线电机、压缩活塞单元均设置在压缩机外壳体34的内部。

实施例二

本实施例的其它结构与实施例一相同，为了降低压缩活塞往复运动过程中的摩擦，在压缩活塞表面镀上了0.1-0.3mm特氟龙镀层9，特氟龙镀层材料又称聚四氟乙烯，其具有耐高温的特点，而摩擦系数极低，十分适合做润滑剂，使得斯特林制冷机的运行寿命大大的增加。

实施例三

本实施例的其它结构与实施例二相同，只是气体轴承内衬套的结构与实施例一中的气体轴承内衬套12不同。

如图16所示，本实施例提供了一种简单的无豁口的气体轴承内衬38，来代替实施例二中的气体轴承内衬套12，其特点是结构简单，使用较为方便的无豁口的气体轴承内衬套，利用了材料在受热的情况会膨胀，使得多孔限流带能够紧贴住压缩活塞10的内壁，气流是从方形孔39进入到活塞内部。

实施例四

本实施例的其它结构与实施例二相同，只是压缩活塞的结构与实施例一中的压缩活塞10不同。

如图8、图9、图10所示，本实施例提供了一种压缩活塞41代替实施例二中的压缩活塞10。

压缩活塞41特点是结构简单，加工难度相比于前者稍低。如图 10的压缩活塞41，将环形槽40加深，使得孔21与环形槽40直接相通，使得环形槽40里的气体能够直接进入到孔21之中。

实施例的作用与效果

本实施例的压缩活塞组件设计，与以往的压缩单元相比较，采用了气体轴承技术，大大地减小了活塞运行过程的摩擦，增加了斯特林制冷机的寿命，同时使得斯特林制冷的结构更加的简单，重量更加轻盈。

另外，在压缩活塞表面开环形槽，可以避免当压缩活塞与气缸发生旋转偏置的时候造成的气压不稳定现象，依旧保持着稳定的通气，这有助于斯特林制冷机高效的运行。

进一步地，对于压缩活赛端盖的设计，采用台阶型腰型孔，有助于减小运行过程中的死容积，可以使斯特林制冷的效率更加高，同时有利于吸气阀片的开启。

进一步地，气体轴承内衬套开有卡簧槽，用于放置卡簧，使用卡簧的张力，使得内衬套张开，使得多空限流带能够更好的贴紧压缩活塞内壁面，让气流能均匀通过从限流带的孔中通过。

进一步地，压缩活塞表面涂上了润滑的特氟龙镀层材料，可以大大减小了活塞在运动中的损耗，使得斯特林制冷机的寿命大大增加。

本实施例经过对压缩单元结构的优化，使得压缩机整体更加紧凑和轻盈，所设计的压缩活塞组件，可以使得压缩机能够更加高效的运行，同时使得分置式斯特林制冷机的寿命大大增加。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。