一种采用内嵌单向阀的对置式直流线性压缩机及设计方法
阅读说明：本技术 一种采用内嵌单向阀的对置式直流线性压缩机及设计方法 (Opposed direct-current linear compressor adopting embedded one-way valve and design method ) 是由 党海政 赵永江 于 2021-03-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内嵌单向阀的对置式直流动圈直线压缩机及设计方法,压缩机的整体结构采用对置式设计以抵消左右两部分机械振动,共用基座径向设计内嵌式进气单向阀与排气单向阀以实现直流输出；左部及右部自共用基座以外均由极靴、永磁体、磁极、载流线圈、线圈架、活塞轴、下部支撑板弹簧组、上部支撑板弹簧组、骨架、机壳组成,动子部分内线圈在永磁体稳定磁场部分做直线运动,整体为直线型压缩机,减少摩擦带来的机械损失；单向簧片阀嵌于共用基座内部,由密封端盖、定位套筒、进气口限位器、簧片及进气口簧片基座组成,实现直流输出特性。本发明结构紧凑、振动低、电机效率高、寿命长。(The invention discloses an opposed direct-current moving coil linear compressor with an embedded one-way valve and a design method, wherein the integral structure of the compressor adopts an opposed design to counteract the mechanical vibration of a left part and a right part, and an embedded air inlet one-way valve and an exhaust one-way valve are radially designed on a shared base to realize direct-current output; the left part and the right part are respectively composed of a pole shoe, a permanent magnet, a magnetic pole, a current-carrying coil, a coil rack, a piston shaft, a lower supporting plate spring group, an upper supporting plate spring group, a framework and a casing outside the shared base, and the coil in the rotor part does linear motion in the permanent magnet stable magnetic field part, so that the whole linear compressor reduces mechanical loss caused by friction; the one-way reed valve is embedded in the shared base and consists of a sealing end cover, a positioning sleeve, an air inlet limiter, a reed and an air inlet reed base, and the direct current output characteristic is realized. The invention has compact structure, low vibration, high motor efficiency and long service life.)
技术领域
本发明属于制冷与低温工程领域，涉及直流线性压缩机，特别涉及一种采用内嵌单向阀的对置式直流线性压缩机及设计方法。
背景技术
直线型压缩机是机械式压缩机的一种，其特征是动子部分在直线型驱动源作用下做往复运动，与传统曲柄连杆式活塞压缩机相比大大减小了在运动过程中非轴向力带来的机械摩擦损失，从而提高了能量转化效率并减小了机械振动、机械噪音。传统应用于脉冲管制冷机、斯特林制冷机等机械制冷设备的无阀高频直线压缩机，其活塞在往复式运动下对外输出交变式高频振荡压力波。该压力波无法满足应用于液氦温区制冷的J-T制冷机的需求，需在进出口端设计吸气阀与排出阀结构，保证输出稳定之流压力波，从而满足J-T制冷设备需求。针对J-T制冷设备对压力波的需求，目前有通过在直线型压缩机外部管路部分加装单向检测阀的方式实现直流型输出的技术，但该技术将单向阀与直线压缩机独立设计，导致直线压缩机到单向阀部分管路均为压缩过程的余隙体积，该方法将严重损失压缩过程的压缩能力，导致直流压缩机单级压缩比降低，进一步的优化设计目前还较为少见。
发明内容
针对上述现有直流压缩机设计中的不足，本发明采用内嵌式单向阀的方式，提出了一种内嵌单向阀的对置式直流线性压缩机，并对其设计方法进行说明。
所发明内嵌单向阀式的对置式直流线性压缩机包括共用基座1、左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4、左部载流线圈5、左部线圈架6、左部活塞轴7、左下部支撑板弹簧组8、左上部支撑板弹簧组24、左部骨架23、左部机壳9以及右部极靴2′、右部永磁体3′、右部磁极4′、右部载流线圈5′、右部线圈架6′、右部活塞轴7′、右下部支撑板弹簧组8′、右上部支撑板弹簧组24′、右部骨架23′、右部机壳9′。
压缩机的整体结构采用对置式设计以抵消左右两部分的机械振动，即整体结构以垂直中心线10为对称轴，左右结构设计与装配方式均为镜像对称。共用基座1的径向方向内嵌两组单向簧片阀结构，即进气口单向簧片阀结构21与排气口单向簧片阀结构22，两组结构轴线呈180°对置设计。两组簧片阀结构为非轴对称结构，进气口单向簧片阀结构21由密封端盖11、定位套筒12、进气口限位器13、簧片14及进气口簧片基座15构成，簧片14与簧片基座15紧密配合，通过限位器13紧配于进气口径向沉头孔16之中，并以螺丝紧固。簧片14为一挠性金属薄片，具有良好的弯曲特性及抗疲劳性。定位套筒12及密封端盖11用于压紧进气口簧片阀结构，并通过螺纹固定于共用基座1，密封端盖11与共用基座1之间通过O型圈密封保证气密性。整个进气口簧片阀结构21的径向尺寸之和比进气口径向沉头孔16深度大0.1～0.3mm，保证O型圈密封结构的气密性。排气口簧片阀结构22与进气口簧片阀结构21相似，由密封端盖11、定位套筒12、排气口限位器13′、簧片14及排气口簧片基座15′构成，但由于功能及运行工况不同，其装配方式、排气口限位器13′及排气口簧片基座15′与进气口簧片结构21有所不同，排气口限位器13′装配于排气口径向沉头孔17最内部，簧片14内嵌于排气口簧片基座15′后装配于排气口限位器13′。除此之外排气口限位器13′与排气口簧片基座15′的设计尺寸与进气口的有所不同，由具体过气量决定，在设计中详细讨论。左部永磁体3为一圆筒结构，采用强磁性材料，通过中心孔安装于左部极靴2中，再以左部磁极4固定，形成稳定永磁体结构。左部极靴2为U型体，凹槽直径大于左部永磁体3直径，所剩余空隙为左部载流线圈5的运动空间，其固定于磁体锁紧平台18。左部载流线圈5在工作中最大行程为s，且始终位于磁体结构间隙之中，保证线圈运动中始终处于稳定磁场作用下。左部支撑板簧组8分为前后两组，前组固定于板弹簧锁紧平台19上，后组固定于左部骨架23上，每组由3～4片板弹簧及中间垫圈组成，通过螺丝锁紧，以支撑左部活塞轴7。左部活塞轴7的杆部从中心向外依次穿过左下部支撑板弹簧组8、左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4、左部线圈架6、左部骨架23及左上部支撑板弹簧组24，其中左部活塞轴7、左部载流线圈5、左部线圈架6共同形成左部动子部分，共用基座1、左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4及左部骨架23则共同形成定子部分，动子与定子依靠左下部支撑板弹簧组8及左上部支撑板弹簧组23形成挠性连接，保证动子部分在定子限定下能够进行直线往复运动。左部机壳9为U型钟罩结构，与共用基座1通过O型圈结构形成密封，并以螺丝锁紧。右部结构由右部极靴2′、右部永磁体3′、右部磁极4′、右部载流线圈5′、右部线圈架6′、右部活塞轴7′、右下部支撑板弹簧组8′、右上部支撑板弹簧组24′、右部骨架23′、右部机壳9′组成，与左部结构互为镜像体，从而形成一种对置式动圈直流线性压缩机。
所发明的内嵌单向阀对置式直流动圈直线压缩机的设计方法，共分为七个步骤：
步骤一：根据实际需求，确定所设计压缩机面向外部性能参数，包括扫气容积V、最大输入功Pmax、最大质量流率等，其中扫气容积为设定初始值，是整个设计过程基点。
步骤二：确定气缸结构尺寸，包括左部活塞轴7及右部活塞轴7′直径d，以及两活塞轴的运动行程s。运动行程s指活塞由下止点位置达到上止点位置所运动位移量，其受板弹簧结构原理所限，实际值在0.16Ds～0.20Ds之间，其中Ds为板弹簧直径。设计过程中，为保证活塞运行过程中气弹簧力与电机力相平衡，通常设定活塞直径d与行程s存在式[1]所述关系：
1.8s＜d＜2.5s [1]
步骤三：确定压缩机设计最佳运行频率f。对置式直流线性压缩机存在最佳运行频率，该运行频率等于压缩机平稳运行过程时动子部分的谐振频率，在该频率下，对置式直流线性压缩机达到最大运行效率，机械损失达到最小。动子部分谐振频率f由式[2]决定：
其中，km为板弹簧胡克系数，kg为气弹簧等效胡克系数，m为动子部分质量。设计过程为计算最优频率的逆向过程，根据设计工况中的最大质量流率及气缸扫气容积V确定压缩机运行频率，再设计板弹簧等结构以满足谐振频率接近设计频率的关系。
步骤四：确定板弹簧结构参数，包括板弹簧厚度ts及板弹簧直径Ds以及每组板弹簧数量。板弹簧直径Ds由步骤二中活塞行程决定；板弹簧厚度ts及每组片数则由步骤三中板弹簧胡克系数km最优值确定，板弹簧材料选择高抗疲劳特性金属，根据所选金属材料结构特性参数确定具体厚度及片数。
步骤五：确定载流线圈参数，主要包括线圈直径Dc及线圈匝数n。根据压缩机振动矢量平衡方程，确定电机力Fm大小：
Fm＝Fg+Fs+Fa [3]
|Fm|＝BIL [4]
|Fa|＝2π2f2sm [7]
其中，Fm为线圈在磁场中受到的电机力，Fg为活塞运动受到的气弹簧阻力，Fs为板簧弹性力，Fa为惯性力，B为磁场强度，I为线圈中电流密度，L为总线圈长度，ΔP为气缸内气体与背压腔压力差，D为活塞直径，km为板弹簧刚度，s为活塞行程，f为运行频率，m为动子质量。
磁场强度B由左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4及右部极靴2′、右部永磁体3′、右部磁极4′确定，其值通常在0.8～1.0T范围之间，具体由充磁后测量所得。电流I由输入参数确定，最大值受线圈载流能力限制，超出额定电流将导致线圈烧损，损坏线圈结构。
步骤六：根据上述步骤确定的结构参数值，设计相关固定件结构及尺寸，以满足以下装配需求：共用基座1、左部极靴2、左部线圈架6、左部骨架23)、左部机壳9以及右部极靴2′、右部线圈架6′、右部骨架23′、右部机壳9′的结构尺寸。主要装配设计包括共用基座1与左部极靴2之间的螺纹连接；左部骨架23与左部极靴2之间的螺纹连接；左部线圈架6与左部极靴2之间相对位置的固定。
步骤七：根据预设工况设计单向簧片阀结构尺寸，主要包括过气孔隙直径Dv，簧片阀限位高度h。过气孔隙直径Dv由最大流率确定，其值满足气隙马赫数在0.1～0.25范围。簧片高度h由式[8]确定：
由于进气口排气口气体状态不同，导致进气口簧片阀结构21与排气阀簧片结构22的气隙直径Dv略有不同，相对应的升程h同样略有差异。
最后根据簧片阀结构尺寸确定簧片阀配件，即密封端盖11与定位套筒12的结构参数，完成密封结构设计，保证进出口气流仅通过气隙流入排出。至此，一种对置式直流线性压缩机的设计流程结束。
附图说明
图1为所发明内嵌单向阀的对置式直流线性压缩机截面示意图；
图2为进排气单向阀截面装配示意图；
图3为所发明内嵌单向阀共用基座结构示意图。
其中：1为共用基座；2为左部极靴、2′为左部极靴；3为左部永磁体、3′为右部永磁体；4为左部磁极、4′为右部磁极；5为左部载流线圈、5′为右部载流线圈；6为左部线圈架、6′为右部线圈架；7为左部活塞轴、7′为右部活塞轴；8为左下部支撑板弹簧组、8′为右下部支撑板弹簧组；9为左部机壳、9′为右部机壳；10为垂直中心对称轴；11为密封端盖；12为定位套筒；13为进气口限位器、13′为排气口限位器；14为簧片；15为进气口簧片基座、15′为排气口簧片基座；16为进气口径向沉头孔；17为排气口径向沉头孔；18为磁体锁紧平台；19为板弹簧锁紧平台；20为气隙通道；21为进气口单向簧片阀结构；22为排气口簧片阀结构；23为左部骨架、23′为右部骨架；24为左上部支撑板弹簧组、24′为右上部支撑板弹簧组。
具体实施方式
下面结合附图说明对所发明内嵌单向阀式直流线性压缩机的结构及设计方法进行详细说明。
所发明内嵌单向阀式的对置式直流线性压缩机如图一所示由共用基座1、左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4、左部载流线圈5、左部线圈架6、左部活塞轴7、左下部支撑板弹簧组8、左上部支撑板弹簧组24、左部骨架23、左部机壳9以及右部极靴2′、右部永磁体3′、右部磁极4′、右部载流线圈5′、右部线圈架6′、右部活塞轴7′、右下部支撑板弹簧组8′、右上部支撑板弹簧组24′、右部骨架23′、右部机壳9′组成。其特征在于，整体结构采用对置式设计以抵消左右两部分的机械振动，即整体结构以垂直中心线10为对称轴，左右结构设计与装配方式均为镜像对称。共用基座1的径向方向内嵌两组单向簧片阀结构，即进气口单向簧片阀结构21与排气口单向簧片阀结构22，两组结构轴线呈180°对置设计。两组簧片阀结构为非轴对称结构，进气口单向簧片阀结构21由密封端盖11、定位套筒12、进气口限位器13、簧片14及进气口簧片基座15构成，簧片14与簧片基座15紧密配合，通过限位器13紧配于进气口径向沉头孔16之中，并以螺丝紧固。簧片14为一挠性金属薄片，具有良好的弯曲特性及抗疲劳性。定位套筒12及密封端盖11用于压紧进气口簧片阀结构，并通过螺纹固定于共用基座1，密封端盖11与共用基座1之间通过O型圈密封保证气密性。整个进气口簧片阀结构21的径向尺寸之和比进气口径向沉头孔16深度大0.1～0.3mm，保证O型圈密封结构的气密性。排气口簧片阀结构22与进气口簧片阀结构21相似，由密封端盖11、定位套筒12、排气口限位器13′、簧片14及排气口簧片基座15′构成，但由于功能及运行工况不同，其装配方式、排气口限位器13′及排气口簧片基座15′与进气口簧片结构21有所不同，排气口限位器13′装配于排气口径向沉头孔17最内部，簧片14内嵌于排气口簧片基座15′后装配于排气口限位器13′。除此之外排气口限位器13′与排气口簧片基座15′的设计尺寸与进气口的有所不同，由具体过气量决定，在设计中详细讨论。左部永磁体3为一圆筒结构，采用强磁性材料，通过中心孔安装于左部极靴2中，再以左部磁极4固定，形成稳定永磁体结构。左部极靴2为U型体，凹槽直径大于左部永磁体3直径，所剩余空隙为左部载流线圈5的运动空间，其固定于磁体锁紧平台18。左部载流线圈5在工作中最大行程为s，且始终位于磁体结构间隙之中，保证线圈运动中始终处于稳定磁场作用下。左部支撑板簧组8分为前后两组，前组固定于板弹簧锁紧平台19上，后组固定于左部骨架23上，每组由3～4片板弹簧及中间垫圈组成，通过螺丝锁紧，以支撑左部活塞轴7。左部活塞轴7的杆部从中心向外依次穿过左下部支撑板弹簧组8、左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4、左部线圈架6、左部骨架23及左上部支撑板弹簧组24，其中左部活塞轴7、左部载流线圈5、左部线圈架6共同形成左部动子部分，共用基座1、左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4及左部骨架23则共同形成定子部分，动子与定子依靠左下部支撑板弹簧组8及左上部支撑板弹簧组23形成挠性连接，保证动子部分在定子限定下能够进行直线往复运动。左部机壳9为U型钟罩结构，与共用基座1通过O型圈结构形成密封，并以螺丝锁紧。右部结构由右部极靴2′、右部永磁体3′、右部磁极4′、右部载流线圈5′、右部线圈架6′、右部活塞轴7′、右下部支撑板弹簧组8′、右上部支撑板弹簧组24′、右部骨架23′、右部机壳9′组成，与左部结构互为镜像体，从而形成一种对置式动圈直流线性压缩机。
所发明的内嵌单向阀对置式直流动圈直线压缩机的设计方法，共分为七个步骤：
步骤一：根据实际需求，确定所设计压缩机面向外部性能参数，包括扫气容积V、最大输入功Pmax、最大质量流率等，其中扫气容积为设定初始值，是整个设计过程基点，如以扫气容积为20cc线性直流压缩机为例，最大质量流率为30mg/s。
步骤二：确定气缸结构尺寸，包括左部活塞轴7及右部活塞轴7′直径d，以及两活塞轴的运动行程s。运动行程s指活塞由下止点位置达到上止点位置所运动位移量，其受板弹簧结构原理所限，实际值在0.16Ds～0.20Ds之间，其中Ds为板弹簧直径。设计过程中，为保证活塞运行过程中气弹簧力与电机力相平衡，通常设定活塞直径d与行程s存在式[1]所述关系：
1.8s＜d＜2.5s [1]
根据式[1]，20cc对置式线性直流压缩机的活塞直径设定为30mm，行程设定为14.1mm.
步骤三：确定压缩机设计最佳运行频率f。对置式直流线性压缩机存在最佳运行频率，该运行频率等于压缩机平稳运行过程时动子部分的谐振频率，在该频率下，对置式直流线性压缩机达到最大运行效率，机械损失达到最小。动子部分谐振频率f由式[2]决定：
其中，km为板弹簧胡克系数，kg为气弹簧等效胡克系数，m为动子部分质量。设计过程为计算最优频率的逆向过程，根据设计工况中的最大质量流率及气缸扫气容积V确定压缩机运行频率，再设计板弹簧等结构以满足谐振频率接近设计频率的关系，本次实际设计中最优运行频率为35Hz。
步骤四：确定板弹簧结构参数，包括板弹簧厚度ts及板弹簧直径Ds以及每组板弹簧数量。板弹簧直径Ds由步骤二中活塞行程决定；板弹簧厚度ts及每组片数则由步骤三中板弹簧胡克系数km最优值确定，板弹簧材料选择高抗疲劳特性金属，根据所选金属材料结构特性参数确定具体厚度及片数。
步骤五：确定载流线圈参数，主要包括线圈直径Dc及线圈匝数n。根据压缩机振动矢量平衡方程，确定电机力Fm大小：
Fm＝Fg+Fs+Fa [3]
|Fm|＝BIL [4]
|Fa|＝2π2f2sm [7]
其中，Fm为线圈在磁场中受到的电机力，Fg为活塞运动受到的气弹簧阻力，Fs为板簧弹性力，Fa为惯性力，B为磁场强度，I为线圈中电流密度，L为总线圈长度，ΔP为气缸内气体与背压腔压力差，D为活塞直径，km为板弹簧刚度，s为活塞行程，f为运行频率，m为动子质量。
磁场强度B由左部极靴2、左部永磁体3、左部磁极4及右部极靴2′、右部永磁体3′、右部磁极4′确定，其值通常在0.8～1.0T范围之间，具体由充磁后测量所得。电流I由输入参数确定，最大值受线圈载流能力限制，超出额定电流将导致线圈烧损，损坏线圈结构。实际设计中，由于行程限制，载流线圈电流并未达到输入上限值。
步骤六：根据上述步骤确定的结构参数值，设计相关固定件结构及尺寸，以满足以下装配需求：共用基座1、左部极靴2、左部线圈架6、左部骨架23)、左部机壳9以及右部极靴2′、右部线圈架6′、右部骨架23′、右部机壳9′的结构尺寸。主要装配设计包括共用基座1与左部极靴2之间的螺纹连接；左部骨架23与左部极靴2之间的螺纹连接；左部线圈架6与左部极靴2之间相对位置的固定。
步骤七：根据预设工况设计单向簧片阀结构尺寸，主要包括过气孔隙直径Dv，簧片阀限位高度h。过气孔隙直径Dv由最大流率确定，其值满足气隙马赫数在0.1～0.25范围。簧片高度h由式[8]确定：
由于进气口排气口气体状态不同，导致进气口簧片阀结构21与排气阀簧片结构22的气隙直径Dv略有不同，相对应的升程h同样略有差异，最终确定进气口升程为0.5mm，排气口为0.6mm，簧片厚度进排气口均为0.15mm。
最后根据簧片阀结构尺寸确定簧片阀配件，即密封端盖11与定位套筒12的结构参数，完成密封结构设计，保证进出口气流仅通过气隙流入排出。至此，一种扫气容积为20cc的对置式直流线性压缩机的设计流程结束。
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