一种柱弹簧支撑的主动活塞调相功回收一体式脉管制冷机
阅读说明：本技术 一种柱弹簧支撑的主动活塞调相功回收一体式脉管制冷机 (Active piston phase modulation power recovery integrated pulse tube refrigerator supported by column spring ) 是由 蒋珍华 吴亦农 黄政 吴文萃 陈钏 赵鹏 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柱弹簧支撑的主动活塞调相功回收一体式脉管制冷机,制冷机的减振器、主动调相活塞功回收机构、压缩机和冷指布置在同一轴线上,主动调相活塞轴穿过压缩活塞内孔通过调相活塞柱弹簧与制冷机壳连接。压缩机电机和主动调相活塞电机均采用动圈式直线电机,径向振动小。压缩活塞与主动调相活塞均采用气体轴承,压缩活塞采用单侧柱弹簧支撑,主动调相活塞用以回收膨胀功,提升制冷机效率。设置两处位移传感器,分别监控主动调相活塞的位移和压缩活塞的位移,通过主动调相活塞电机调整压缩活塞和主动调相活塞之间的相位,保证制冷机高效运行。本发明优点：结构紧凑,低振动,功回收,制冷效率高。(The invention discloses a column spring supported active piston phase modulation power recovery integrated pulse tube refrigerator. The compressor motor and the active phase modulation piston motor both adopt moving-coil linear motors, and the radial vibration is small. The compression piston and the active phase modulation piston both adopt gas bearings, the compression piston is supported by a single-side column spring, and the active phase modulation piston is used for recovering expansion work and improving the efficiency of the refrigerator. Two displacement sensors are arranged to monitor the displacement of the active phase modulation piston and the displacement of the compression piston respectively, and the phase between the compression piston and the active phase modulation piston is adjusted through the active phase modulation piston motor, so that the efficient operation of the refrigerator is ensured. The invention has the advantages that: compact structure, low vibration, work recovery and high refrigeration efficiency.)
技术领域
本发明涉及一种脉管制冷机，具体是涉及一种柱弹簧支撑的主动活塞调相功回收一体式脉管制冷机。
背景技术
红外探测系统具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰性优异等优点，在航天红外遥感、医疗、军事、通讯、毒气监测等邻域存在广泛应用，而红外探测器经低温冷却后会很大程度上提升响应速度、提高灵敏度、扩大探测范围、降低背景噪声影响，因此结构紧凑、启动快、控温范围宽的斯特林制冷机广泛应用于对红外探测器焦平面降温。分置式斯特林制冷机的压缩机与膨胀机存在侧向进出气，具有径向力，轴向振动大，并且压缩机与膨胀机均需要热端换热器进行散热，增加了制冷机整体重量与占用空间。脉管制冷机的膨胀功不能回收利用并以热量散出，导致效率降低。本发明集合了一体式斯特林制冷机结构紧凑和高效率的特点，和脉管冷指冷头无运动部件的特点，采用动圈式直线电机，有效降低了径向振动，并在轴向使用减振器，降低了轴向的振动，使用气浮轴承，并使用单侧弹簧支撑，相比于双侧弹簧支撑，轴向尺寸更为紧凑，降低了整机重量，用柱弹簧支撑，可以提供更大的轴向刚度，保证制冷机高频稳定运行，用两组位移传感器分别监控压缩活塞与主动调相活塞的运动，以主动调相活塞电机调整主动调相活塞相对于压缩活塞的运动相位，有效回收膨胀功，提高制冷机的效率。
发明内容
针对上述问题和需求，本发明的目的是提供一种柱弹簧支撑的主动活塞调相功回收一体式脉管制冷机。
为实现上述目的，本发明采用的结构如下：
所述一种柱弹簧支撑的主动活塞调相功回收一体式脉管制冷机，包括减振器1、主动调相活塞功回收机构2、压缩机3、热端换热器4和冷指5，特征在于主动调相活塞功回收机构2与压缩机3同轴布置集成于一体，主动调相活塞功回收机构2的主动调相活塞轴2-2-2穿过压缩活塞3-3中孔通过主动调相活塞柱弹簧2-2-1与制冷机壳6连接，主动调相活塞轴2-2-2与主动调相活塞3-3中孔间采用间隙密封，主动调相活塞体2-2-3安装于脉管5-1内，两者采用间隙密封，压缩机3与冷指5共用热端换热器4，热端换热器4布置于压缩机3与冷指5之间。减振器1、调相功回收机构2、压缩机3、热端换热器4与冷指5布置在同一轴线上。
所述主动调相活塞功回收机构2包括主动调相活塞电机2-1、主动调相活塞2-2和主动调相活塞位移传感器2-3，其中主动调相活塞轴2-2-2穿过压缩活塞3-3中孔通过主动调相活塞柱弹簧2-2-1与制冷机壳6固定，两者间隙密封，主动调相活塞轴2-2-2侧面与主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1固定，主动调相活塞主体2-2-3安装与脉管5-1内，两者采用间隙密封。
所述压缩机3包括压缩机柱弹簧3-1、压缩活塞位移传感器3-2、压缩活塞3-3、压缩机电机3-4和压缩机气缸3-5。压缩机柱弹簧3-1两端分别固定于压缩活塞3-3与制冷机壳6上，压缩活塞3-3安装于压缩机气缸3-5内，两者采用间隙密封，压缩活塞3-3与压缩机电机线圈骨架3-4-1内侧固定，压缩机气缸3-5固定于压缩机电机磁极3-4-4内侧，压缩活塞位移传感器3-2固定于压缩机电机线圈骨架3-4-1上。
所述冷指5包括脉管5-1、回热器5-2、冷指壳5-3和冷端换热器5-4。脉管5-1固定于回热器5-2内部，回热器5-2填充于冷指壳5-3内，冷指5端部为冷端换热器5-4，脉管内侧为主动调相活塞2-2，两者采用间隙密封，回热器5-2与热端换热器4连通。
所述主动调相活塞电机2-1包括主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1、主动调相活塞电机线圈2-1-2、主动调相活塞电机磁钢2-1-3与主动调相活塞电机磁极2-1-4，主动调相活塞电机线圈2-1-2固定于主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1上，在主动调相活塞电机线圈2-1-2外侧布置主动调相活塞电机磁钢2-1-3，主动调相活塞电机磁钢2-1-3固定于主动调相活塞电机磁极2-1-4外侧上。
所述主动调相活塞2-2包括主动调相活塞柱弹簧2-2-1、主动调相活塞轴2-2-2、主动调相活塞主体2-2-3、主动调相活塞节流槽2-2-4、主动调相活塞单向阀2-2-5和主动调相活塞高压气腔2-2-6。主动调相活塞单向阀2-2-5安装于主动调相活塞主体2-2-3内，内部为主动调相活塞高压气腔2-2-6，在主动调相活塞主体2-2-3上均匀布置主动调相活塞节流槽2-2-4，主动调相活塞节流槽2-2-4与主动调相活塞高压气腔2-2-6连通。
所述压缩活塞3-3包括压缩活塞主体3-3-1、压缩活塞高压气腔3-3-2、压缩活塞节流槽3-3-3和压缩活塞单向阀3-3-4。压缩活塞单向阀3-3-4安装于压缩活塞主体3-3-1上，内部是压缩活塞高压气腔3-3-2，在压缩活塞主体上均匀布置压缩活塞节流槽3-3-3，压缩活塞节流槽3-3-3与压缩活塞高压气腔3-3-2连通。
所述压缩机电机3-4包括压缩机电机线圈骨架3-4-1、压缩机电机线圈3-4-2、压缩机电机磁钢3-4-3与压缩机电机磁极3-4-4，压缩机电机线圈3-4-2固定于压缩机电机线圈骨架3-4-1上，在压缩机电机线圈3-4-2外侧布置压缩机电机磁钢3-4-3，压缩机电机磁钢3-4-3固定于压缩机电机磁极3-4-4外侧上。
与现有技术对比，本发明的优点在于：
1、压缩活塞与主动调相活塞均采用气体轴承对其径向进行支撑，并由单侧柱弹簧固定于制冷机壳上，用以提供回复力，相较于双侧弹簧支撑结构缩短了轴向尺寸，使得制冷机结构更加紧凑。
2、压缩机和主动调相活塞均采用动圈式直线电机，径向力更均匀，径向振动小，压缩机、主动调相活塞功回收机构、减振器和冷指同轴布置，降低径向振动力。轴向在主动调相活塞功回收机构的背部安装减振器，降低制冷机在工作过程中的轴向振动。
3、压缩活塞采用柱弹簧支撑，有效在低应力下提升了轴向刚度，实现线性压缩机的高频高效运行。
4、压缩活塞与主动调相活塞的运动情况均有位移传感器监控，可通过调相功回收机构的电机对主动调相活塞与压缩活塞相对运动相位进行调整，在有效调节主动调相活塞相位的同时回收膨胀功，保持制冷机高效率运行。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中的减振器结构示意图；
图3为本发明中的主动调相活塞功回收机构结构示意图；
图4为本发明中的压缩机结构示意图；
图5为本发明中的冷指结构示意图；
图6为本发明中的主动调相活塞电机结构示意图；
图7为本发明中的主动调相活塞结构示意图；
图8为本发明中的压缩活塞结构示意图。
图9为本发明中的压缩机电机结构示意图。
图中标号示意如下：1为减振器，1-1为减振器板弹簧，1-2为配重块，1-3为定位套，2为主动调相活塞功回收机构，2-1为主动调相活塞电机，2-2为主动调相活塞，2-3为主动调相活塞位移传感器，3为压缩机，3-1为压缩机柱弹簧，3-2为压缩活塞位移传感器，3-3为压缩活塞，3-4为压缩机电机，3-5为压缩机气缸，4为热端换热器，5为冷指，5-1为脉管，5-2为回热器，5-3为冷指壳，5-4为冷端换热器，2-1-1为主动调相活塞电机线圈骨架，2-1-2为主动调相活塞电机线圈，2-1-3为主动调相活塞电机磁钢，2-1-4为主动调相活塞电机磁极，2-2-1为主动调相活塞柱弹簧，2-2-2为主动调相活塞轴，2-2-3为主动调相活塞主体，2-2-4为主动调相活塞节流槽，2-2-5为主动调相活塞单向阀，2-2-6为主动调相活塞高压气腔，3-3-1为压缩活塞主体，3-3-2为压缩活塞高压气腔，3-3-3为压缩活塞节流槽，3-3-4为压缩活塞单向阀，3-4-1为压缩机电机线圈骨架，3-4-2为压缩机电机线圈，3-4-3为压缩机电机磁钢，3-4-4为压缩机电机磁极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种[email protected]支撑的主动调相活塞功回收一体式脉管制冷机，包括减振器1、调相功回收机构2、压缩机3、热端换热器4和冷指5，其特征在于：压缩机可提供300Wac的输入功率，采用调相功回收机构2与压缩机3同轴布置集成于一体，压缩活塞3-3直径为32，主动调相活塞体2-2-3直径为26，主动调相活塞轴2-2-2直径为8mm，穿过压缩活塞3-3内孔，压缩活塞3-3与主动调相活塞轴2-2-2间隙密封，单边间隙为0.015mm。主动调相活塞轴2-2-2通过主动调相活塞柱弹簧2-2-1与制冷机壳6连接，主动调相活塞体2-2-3安装于脉管5-1中，两者采用间隙密封，单边间隙为0.015mm，压缩机3与冷指5共用热端换热器4，热端换热器4布置于压缩机3与冷指5之间。减振器1、调相功回收机构2、压缩机3、热端换热器4与冷指5布置在同一轴线上。
所述主动调相活塞功回收机构2包括主动调相活塞电机2-1、主动调相活塞2-2和主动调相活塞位移传感器2-3，主动调相活塞轴2-2-2侧面与主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1固定。主动调相活塞位移传感器2-3与功回收电机线圈骨架2-1-1固定，用以监控并调节主动调相活塞与压缩活塞运动相位差，保证制冷机高效率运行。
所述压缩机3包括压缩机柱弹簧3-1、压缩活塞位移传感器3-2、压缩活塞3-3、压缩机电机3-4和压缩机气缸3-5。压缩机柱弹簧3-1两端分别固定于压缩活塞3-3与制冷机壳6上，压缩活塞3-3安装于压缩机气缸3-5内，两者采用间隙密封，单边间隙为0.018mm，压缩活塞3-3与压缩机电机线圈骨架3-4-1内侧固定，压缩机气缸3-5固定于压缩机电机磁极3-4-4内侧，压缩活塞位移传感器3-2固定于压缩机电机线圈骨架3-4-1上，用以实时监控压缩活塞的位移。
所述冷指5包括脉管5-1、回热器5-2、冷指壳5-3和冷端换热器5-4。脉管5-1固定于回热器5-2内部，回热器5-2为环形丝网填充于冷指壳5-3内，冷指5端部为冷端换热器5-4，脉管内侧为主动调相活塞2-2，两者采用间隙密封，回热器5-2与热端换热器4连通。
所述主动调相活塞电机2-1为动圈式直线电机，包括主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1、主动调相活塞电机线圈2-1-2、主动调相活塞电机磁钢2-1-3与主动调相活塞电机磁极2-1-4，主动调相活塞电机线圈2-1-2固定于主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1上，位于主动调相活塞电机磁钢2-1-4与主动调相活塞电机磁极2-1-4之间，主动调相活塞电机磁极2-1-4可使主动调相活塞电机磁钢2-1-4产生的磁场形成闭合回路，当主动调相活塞电机线圈2-1-2通交流电时，主动调相活塞电机线圈2-1-2做切割磁力线的运动，由主动调相活塞电机线圈骨架2-1-1带动主动调相活塞2-2运动，通过压缩活塞位移传感器3-2和为主动调相活塞位移传感器2-3的反馈信号，调节输入主动调相活塞电机线圈2-1-2和压缩机电机线圈3-4-2的交流电压相位，使主动调相活塞2-2相对于压缩活塞3-3的相位差保持稳定，使得制冷机高效运行。
所述主动调相活塞2-2包括主动调相活塞柱弹簧2-2-1、主动调相活塞轴2-2-2、主动调相活塞主体2-2-3、主动调相活塞节流槽2-2-4、主动调相活塞单向阀2-2-5和主动调相活塞高压气腔2-2-6。主动调相活塞单向阀2-2-5安装于主动调相活塞主体2-2-3内，内部为主动调相活塞高压气腔2-2-6，在主动调相活塞主体2-2-3上均匀布置主动调相活塞节流槽2-2-4，主动调相活塞节流槽2-2-4与主动调相活塞高压气腔2-2-6连通。
所述主动调相活塞2-2包括主动调相活塞柱弹簧2-2-1、主动调相活塞轴2-2-2、主动调相活塞主体2-2-3、主动调相活塞节流槽2-2-4、主动调相活塞单向阀2-2-5和主动调相活塞高压气腔2-2-6。主动调相活塞单向阀2-2-5安装于主动调相活塞主体2-2-3内，与主动调相活塞高压气腔2-2-6连通，阀片厚度为0.1mm，主动调相活塞主体2-2-3上均匀布置主动调相活塞节流槽2-2-4，槽深0.02mm，槽宽0.2mm，主动调相活塞节流槽2-2-4与主动调相活塞高压气腔2-2-6连通.
所述的压缩活塞3-3包括压缩活塞主体3-3-1、压缩活塞高压气腔3-3-2、压缩活塞节流槽3-3-3和压缩活塞单向阀3-3-4。压缩活塞单向阀3-3-4安装于压缩活塞主体3-3-1上，阀片厚度为0.1mm，压缩活塞单向阀3-3-4内部为压缩活塞高压气腔3-3-2，压缩活塞主体3-3-1上均匀布置压缩活塞节流槽3-3-3，槽深为0.02mm，槽宽为0.2mm，压缩活塞节流槽3-3-3与内部的压缩活塞高压气腔3-3-2连通。
所述的压缩机电机3-4为动圈式直线电机，包括压缩机电机线圈骨架3-4-1、压缩机电机线圈3-4-2、压缩机电机磁钢3-4-3与压缩机电机磁极3-4-4，压缩机电机线圈3-4-2固定于压缩机电机线圈骨架3-4-1上，位于压缩机电机磁钢3-4-3与压缩机电机磁极3-4-4之间，压缩机电机磁极3-4-4可使压缩机电机磁钢3-4-3产生的磁场形成闭合回路，当压缩机电机线圈3-4-2通交流电时，使压缩机电机线圈3-4-2做切割磁力线的往复运动，由压缩机电机线圈骨架3-4-1带动压缩活塞3-3一同做往复运动。
最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施案例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都要落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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