阅读说明：本技术 一种机架及自由活塞分置式斯特林制冷机 (kinds of stand and free piston separated type stirling refrigerator ) 是由 陈曦 梁天晓 倪贤灿 洪昊 张笑宇 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：根据本发明的机架以及自由活塞分置式斯特林制冷机,机架包括法兰以及两个活塞管,两个活塞管分别设置在法兰上,对称分布于法兰的两侧,法兰呈圆盘状,两侧分别设置有第一圆盘、圆槽、第二圆盘、突起圆带,第一圆盘、圆槽、第二圆盘、突起圆带从小到大依次相邻设置,法兰的圆周上分别设有用于与连接管连接的第一凸台、用于充气口第二凸台以及用于接插件口的第三凸台,第一凸台、第二凸台、第三凸台相邻设置,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,活塞管外壁上对称设置有内凹的进气槽,进气槽从自由端端部向法兰方向沿轴向设置,进气槽内设置有连通进气槽与活塞管内腔的通孔。(According to the rack and free piston separated Stirling refrigerator, the rack comprises a flange and two piston pipes, the two piston pipes are respectively arranged on the flange and symmetrically distributed on two sides of the flange, the flange is in a disc shape, th discs, circular grooves, second discs and protruding circular belts are respectively arranged on two sides of the flange, the th discs, the circular grooves, the second discs and the protruding circular belts are sequentially and adjacently arranged from small to large, a th boss used for being connected with a connecting pipe, a second boss used for an inflation inlet and a third boss used for a connector opening are respectively arranged on the circumference of the flange, the st bosses, the second bosses and the third bosses are adjacently arranged, the piston pipes are provided with cylindrical inner cavities, the axis of a compression piston pipe is collinear with the axis of the flange, concave air inlet grooves are symmetrically arranged on the outer wall of the piston pipe, the air inlet grooves are axially arranged from the free end to the flange, and through holes communicated with the inner cavities of the air inlet grooves and the piston.)

一种机架及自由活塞分置式斯特林制冷机

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种机架及自由活塞分置式斯特林制冷机。

背景技术

最近三十年是航天技术、红外技术、原子能技术、超导技术以及低温电子学、低温物理、低温医学和低温生物学迅速发展的时期。作为低温技术的一个重要分支—低温制冷机随着上述科学技术的发展而迅速发展。

斯特林制冷机的理论制冷效率等于卡诺效率，其实际运行的效率也是目前所有低温制冷机中效率最高的一种。自由活塞斯特林制冷机机构由William Beale于20世纪60年代提出，其主要特征是采用直线压缩机驱动、柔性弹簧支承、间隙密封结合气体轴承等技术，具有结构紧凑、噪音小、寿命长、可靠性高等优点。

目前主流的空间制冷机就是斯特林制冷机和脉管制冷机，从热力学角度看，同温限工作下斯特林制冷机有着更高的效率。由于空间制冷对能耗、寿命及震动有严格要求，如何提高制冷机效率、寿命以及减小震动一直是空间制冷机的主要问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于直线压缩机的电机支架以及自由活塞分置式斯特林制冷机。

本发明提供了一种机架，具有这样的特征，包括法兰；以及两个活塞管，分别设置在法兰上，对称分布于法兰的两侧，其中，法兰呈圆盘状，两侧分别设置有第一圆盘、圆槽、第二圆盘、突起圆带，第一圆盘、圆槽、第二圆盘、突起圆带从小到大依次相邻设置，法兰的圆周上分别设有用于与连接管连接的第一凸台、用于充气口的第二凸台以及用于接插件口的第三凸台，第一凸台、第二凸台、第三凸台相邻设置，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，活塞管外壁上对称设置有内凹的进气槽，进气槽从自由端端部向法兰方向沿轴向设置，进气槽内设置有连通进气槽与活塞管内腔的通孔。

在本发明提供的机架中，还可以具有这样的特征：其中，第一圆盘用于放置内轭铁，圆槽与第二圆盘之间具有装配间隙，突起圆带用于定位外轭铁。

另外，在本发明提供的机架中，还可以具有这样的特征：其中，第一凸台径向设置有连通外部与活塞管内腔的第一通孔。

另外，在本发明提供的机架中，还可以具有这样的特征：其中，第二凸台径向设置有连通外部与装配间隙的充气通孔，第三凸台径向设置有连通外部与装配间隙的穿线通孔。

本发明提供了一种自由活塞分置式斯特林制冷机，具有这样的特征，包括压缩机，具有机架；以及膨胀机，膨胀机通过连接管与压缩机连通，其中，机架为上述的任意一种的机架。

在本发明提供的自由活塞分置式斯特林制冷机中，还可以具有这样的特征：其中，压缩机还包括两个压缩单元，压缩单元具有压缩活塞，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。

另外，在本发明提供的自由活塞分置式斯特林制冷机中，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活塞管的圆柱形内腔中，两个压缩活塞的开口端相对设置。

另外，在本发明提供的自由活塞分置式斯特林制冷机中，还可以具有这样的特征：其中，膨胀机包括排出器、排出器杆、冷头、冷端换热器、膨胀气缸，排出器一端通过排出器杆与膨胀侧板弹簧连接，另一端为自由端。

另外，在本发明提供的自由活塞分置式斯特林制冷机中，还可以具有这样的特征：其中，冷端换热器为狭缝式换热器，设置在冷头内部并紧贴冷头内壁，冷端换热器与冷头过盈配合。

另外，在本发明提供的自由活塞分置式斯特林制冷机中，还可以具有这样的特征：其中，排出器、膨胀气缸以及冷头构成膨胀腔。

发明的作用与效果

根据本发明的支架及自由活塞分置式斯特林制冷机，支架上的活塞管上设置有长方形凹槽，凹槽内设置有通孔，用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。

另外，本发明的自由活塞分置式斯特林制冷机取消了传统自由活塞分置式斯特林的板弹簧结构，以气体轴承的方式来提供所需的径向支撑力。

进一步地，膨胀机在排除器上下端均设有导流装置，使通过气流更加平缓均匀，冷端换热器为狭缝换热器通过过盈配合紧贴冷头，有助于提高换热效率减少冷量损失。

进一步地，在膨胀机底座设置有一定深度凹槽，防止板弹簧的运动撞击，可以使膨胀机结构更加紧凑，提高了自由活塞分置式斯特林制冷机的循环效率。

进一步地，本发明提供的符合气体轴承结构以及便于整机装配与紧凑的电机支架使得整机运行更加平稳，解决了气体轴承带来的背压腔压力升高问题提高整机效率，克服了传统支架装配定位难、支架重量大、整机不够紧凑的问题，提高了装配速度及精准度、整机紧凑度及减小了整机重量。

附图说明

图1是本发明实施例中自由活塞分置式斯特林制冷机剖面示意图；

图2是本发明实施例中电机支架的立体示意图；

图3是图2中的A向视图；

图4是图3中C-C剖视图；

图5是图3中D-D剖视图；

图6是图3中E-E剖视图；

图7是图2中的B向视图；

图8是实施例中压缩活塞的立体示意图；

图9是图8中F-F剖视图；

图10是实施例中气体轴承内衬套的立体示意图。

具体实施方式

为了使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支架及自由活塞分置式斯特林制冷机做具体阐述。

实施例

如图1所示，自由活塞分置式斯特林制冷机包括压缩机60、膨胀机70。

压缩机60与膨胀机70通过连接管6连通。

压缩机60包括直线电机1、两个压缩单元4、机架3以及外壳2。

如图2、3、4、5、6、7所示，机架3包括法兰32以及设置在法兰中的两个活塞管31。

法兰32呈圆盘状，并且在对应两侧分布有圆盘326、圆槽325、圆盘324、突起圆带327，圆盘326、圆槽325、圆盘324、突起圆带327的半径从小到大依次相邻设置。

圆盘324用于放置内轭铁部件。

圆环凹槽325用于防止整机功率输入过大导致的电机动子运动振幅加大而产生的撞缸。

圆盘325与326之间部分挖空，使得圆盘326与圆槽325之间有间隙，用于以减少整机重量、流出引线空间及用于充气，而圆槽325与圆盘326连接处厚度较厚处，用于定位内轭铁模具，方便电机装配。

圆盘326上设有突起圆带327，用于方便定位外轭铁，使装配更加高效简单。

法兰32圆周上设有凸台321、凸台322、凸台323，三个凸台分别用于连接管6连接口、充气口及接插件口。

活塞管31为直管，设置在法兰32中心且与法兰32同轴线，活塞管31两端皆为自由端，两个活塞管31对称分布于法兰32的两侧。活塞管31内开有圆柱形通孔作为活塞腔，两个活塞管31外壁上均对称设置有两个内凹的进气槽311，进气槽311的剖面呈矩形，从自由端端部开始，向法兰32方向沿轴向设置，凹槽内设置有通孔312，通孔312连通进气槽311与活塞管31的活塞腔，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4所示，凸台321位于法兰32的圆周上，凸台321上开设有密封槽3211用于放置密封垫圈，且凸台内开有凹槽3212用于放置连接件，于凹槽3212底部开有径向设置的通孔3213，通孔3213连通凹槽3212与活塞管31内的活塞腔。

凸台321上配有压缩侧连接件5，通过连接管6、膨胀侧连接件7与膨胀机70连通以实现压缩侧与膨胀侧的气体通路。

如图5所示，凸台322位于法兰32的圆周上，凸台322上开设有径向设置的通孔3221，通孔3221与圆盘326与圆槽325之间的间隙连通。

凸台322通过外部连接件与气源相连接，通过孔3221将高压气体充入压缩机内。充气孔开设于圆盘326及圆槽325空隙中，有利于简化电机支架的加工难度，便于气体的快速充入与扩散。

如图6所示，凸台323位于法兰32的圆周上，凸台323上开设有密封槽3231用于放置密封垫圈，且凸台323内开有凹槽3232用于安装电源线接插件，凹槽3232底部开有径向设置的通孔3233，通孔3233与圆盘326及圆槽325之间的间隙连通，能给出足够多的引线导出空间，利于整机的装配与连接。

直线电机1包括外轭铁14、内轭铁16以及动子，外轭铁14与内轭铁16分别设置在机架上且外轭铁、内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中，动子包括永磁体15和永磁体支架17。

如图1所示，直线电机1包括线圈支架11、线圈12、外轭铁压板13、外轭铁14、永磁体15、内轭铁16、永磁体支架17。动子包括永磁体15、永磁体支架17，其中永磁体15和永磁体支架17连接，活塞47与永磁体支架17通过螺纹连接。外轭铁14和内轭铁16为软磁材料，常用电工纯铁、硅钢片等材料制成，永磁体15为永磁材料，常用汝铁硼、铝镍钴永磁材料来制作。外轭铁14、线圈12、永磁体15、内轭铁16均为环形，并且采用同轴布置。外轭铁14和内轭铁16分别设置在支架3上且外轭铁与内轭铁之间具有间隙，动子设置在间隙中。

当线圈通入直流电时，外轭铁14和内轭铁16会形成磁力回线，从而在外轭铁14和内轭铁16上产生磁极。当线圈通入交流电时，永磁体15就会受到交变电磁力作用而做往复运动。当永磁体15做往复运动时会带动压缩活塞47做往复直线运动。气体轴承技术用于提供活塞的径向支撑力。

压缩单元4包括卡箍41、卡箍46、压缩活塞端盖42、单向阀片43、多孔限流带44、气体轴承内衬套45、压缩活塞47。

如图8、图9所示，压缩活塞47具有开口端的柱形盲孔，压缩活塞47外壁上沿圆周设置有多个环形凹腔472，环形凹腔内设置有节流通孔474，压缩活塞47外壁上设置有环形槽473，多个环形凹腔分别设置在环形槽473的两侧。

压缩活塞47内部开有一个台阶475，用于放置压缩活塞端盖42，另一边开有卡簧槽476，用于限制压缩活塞端盖42的轴向运动。

压缩活塞47开口端的端面上设置有两个通气孔471，通气孔471与环形槽473连通，气体由背压腔从支架3上的进气孔312通过压缩活塞47上的环形槽，经过活塞内孔471进入到压缩腔，以保证背压腔压力稳定，从而确保活塞行程不变。

实施例中，压缩活塞47表面开有8-10个节流孔，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47分别对称设置在活塞管31的活塞腔中，两个压缩活塞47的开口端相对设置。

压缩活塞47一端通过螺钉与永磁体支架17连接，另一端为自由端。当永磁体15做往复运动时会带动压缩活塞47做往复直线运动。

多孔限流带44、气体轴承内衬套45均设置在压缩活塞47的圆柱形活塞腔内，多孔限流带44设置在气体轴承内衬套45的外侧。

如图10所示，气体轴承内衬套45沿圆周设置有5个方形槽通孔451，可以使压缩活塞47内部的气体通过多孔限流带11，进入到节流孔中。在气体轴承内衬套45的外壁沿轴向开一道0.6-0.8mm的豁口452，使得气体轴承内衬套45更加容易张开。另外，在气体轴承内衬套45的内部开有卡箍槽453，利用卡箍46的张力来使得气体轴承内衬套45张开，使得多孔限流带44更加贴合活塞腔的内壁面。

多孔限流带44利用气体轴承内衬套45、卡箍46使其完美贴合活塞腔内壁。

压缩活塞47内部开有一个台阶，用于放置压缩活塞端盖42，另一边开有放置卡箍41的槽，用于限制压缩活塞端盖42的轴向运动。

如图1，卡箍41、压缩活塞端盖42、压缩活塞端盖42分别设置在压缩活塞47的活塞腔内，从活塞腔的开口依次设置。

外壳2设置在支架3的外部，直线电机1、两个压缩单元4、支架3均设置在外壳2的内部。

膨胀机70包括膨胀气缸101、冷端换热器104、铜冷头105、排出器106、排出器杆107、膨胀机板弹簧110、膨胀机中部壳体9、膨胀机底部壳体10、减震装置8。

排出器106呈截面成圆环的圆筒状，设置在膨胀气缸101内，一端通过排出器杆107与膨胀机板弹簧110连接，另一端为自由端。排出器106内部装有回热器填料，排出器106一段设置有导流片102，另一端装有排出器密封头103，排出密封头103上开有一定数量圆孔，使流向冷头的气体更加均匀，且排出器密封头103上对称开有两较大直径圆孔，以方便后期安装。实施例中，排出器106为回热器与膨胀活塞结合，排出器106既作回热器也是膨胀活塞。

冷端换热器104为狭缝式换热器，放置在铜冷头105内部且与铜冷头105过盈配合并且紧贴铜冷头105内壁。

排出器杆107左端部分位于排出器106内，且排出器杆107外周上开有若干凹槽方便用胶粘方式连接排出器杆107和排出器106，排出器杆107右端通过螺钉111与膨胀侧板弹簧110连接，以提供排出器106往复运动所需轴向回复力以及径向支撑力，并且排出器杆107右端与膨胀机中部壳体9中间设有不锈钢套108，以防止壳体过度磨损，膨胀侧板弹簧110与膨胀机中部壳体9之间设有板弹簧垫片109以减轻板弹簧损耗，增加整机寿命。

膨胀机底部壳体10用螺钉与膨胀机中部壳体9连接，且膨胀机底部壳体中心挖有一定深度的圆形凹槽，使得整机结构进一步紧凑。

吸震结构8包括减震块81，吸震器板弹簧82，吸震器垫片83、84，吸震器固定螺栓85。吸震器8通过螺钉与膨胀机连接。

排出器106为纯气体驱动，利用排出器106和压缩活塞47之间的相位差产生制冷效应，通常排出器106的位移领先压缩活塞47的位移70°～100°。由于直线电机为正弦交流电激励，所以排出器106和压缩活塞47的运动也呈现正弦曲线运动，但为了阐述其工作原理，假设排出器106与压缩活塞47按照规律做间歇性跳跃运动。

压缩机压缩过程：排出器106停留在原处不动，压缩活塞47向中间移动，此时气体被压缩进入连接管6以及膨胀机中部壳体9处，压缩产生的热量通过壳体以及连接管6排至环境中。理想情况下认为壳体以及连管使完全导热的且换热面积无限大，因此工质温度保持不变。但在实际的运行中，等温压缩是不可能实现的，且排出器106不可能间歇运动，在压缩活塞47运动时排出器106已经开始运动。

回热器放热过程：压缩活塞47继续向中心移动，排出器也向左侧移动，保证气体的容积不变，直到压缩活塞到达压缩顶点。当气体通过排出器内部的丝网时，气体被回热器所冷却，将热量传给填料。但是在实际的过程中，这个过程并不是定容的。也不可能实现完全的换热。

膨胀制冷过程：压缩活塞47停止在顶点处，排出器106继续向左移动，直至左止点，气体进行膨胀，产生冷量，冷量通过冷端换热器传递给冷头。但在实际运行当中，气体并非进行着等温膨胀过程并且冷端换热器的换热也并不是完全的。

回热器吸热过程：压缩活塞47和排出器106同时向反向移动，气体容积不变，回复到初始位置。这个过程中气体经过回热器并且从回热器吸收热量。但是在实际的换热过程中，回热器内的换热并不是定容的，不可能实现回热器中的完全换热。

本实施例适用于77K左右的制冷温度，可以提供可观的制冷量。

实施例的作用与效果

根据本实施例的支架及自由活塞分置式斯特林制冷机，支架上的活塞管上设置有长方形凹槽，凹槽内设置有通孔，用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。

另外，本实施例的自由活塞分置式斯特林制冷机取消了传统自由活塞分置式斯特林的板弹簧结构，以气体轴承的方式来提供所需的径向支撑力。

进一步地，膨胀机在排除器上下端均设有导流装置，使通过气流更加平缓均匀，冷端换热器为狭缝换热器通过过盈配合紧贴冷头，有助于提高换热效率减少冷量损失。

进一步地，在膨胀机底座设置有一定深度凹槽，防止板弹簧的运动撞击，可以使膨胀机结构更加紧凑，提高了自由活塞分置式斯特林制冷机的循环效率。

进一步地，本实施例提供的符合气体轴承结构以及便于整机装配与紧凑的电机支架使得整机运行更加平稳，解决了气体轴承带来的背压腔压力升高问题提高整机效率，克服了传统支架装配定位难、支架重量大、整机不够紧凑的问题，提高了装配速度及精准度、整机紧凑度及减小了整机重量。

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。