專利名稱：一種分置式斯特林制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分置式斯特林制冷機(jī)，屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，具體是指 一種用于紅外系統(tǒng)中，為紅外器件提供低溫冷源的體積小、重量輕、壽命長、可 靠性高的分置式斯特林制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
斯特林制冷機(jī)是按逆向斯特林循環(huán)工作的氣體回?zé)崾介]循環(huán)制冷機(jī)，自 1954年荷蘭Philips實(shí)驗(yàn)室研制成實(shí)用的斯特林制冷機(jī)以來，斯特林制冷機(jī)經(jīng) 歷了半個世紀(jì)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式從整體式發(fā)展到分置式；驅(qū)動方式從旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū) 動發(fā)展到直線電機(jī)驅(qū)動。分置式斯特林制冷機(jī)的研究從二十世紀(jì)七十年代后真正 開始。
分置式斯特林制冷機(jī)是一種高度精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展方向是微 型化和長壽命。分置式斯特林制冷機(jī)內(nèi)部存在高頻高速相對運(yùn)動的活塞與氣缸運(yùn) 動副，活塞與氣缸之間采用間隙密封，密封間隙很小，通常在7 10ixm之間， 而且不能使用潤滑油，內(nèi)部又有高壓高純度易泄漏的制冷工質(zhì)氦氣，因此其壽命 一直是研制的關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)。長壽命與微型化是斯特林制冷機(jī)研究中的一對矛 盾，要達(dá)到微型化，就不容易實(shí)現(xiàn)長壽命；要達(dá)到長壽命，就很難實(shí)現(xiàn)微型化。
目前體積小、重量輕的輕量型分置式斯特林制冷機(jī)壽命通常在3000 5000小時， 最高不超過10000小時；而現(xiàn)有的長壽命斯特林制冷機(jī)一般具有體積大、重量重、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，重量一般在5 15kg。
現(xiàn)有的體積小、重量輕的輕量型分置式斯特林制冷機(jī)所采用的技術(shù)方案通常 是壓縮機(jī)采用動圈式直線電機(jī)驅(qū)動、圓柱彈簧支撐；膨脹機(jī)采用氣動驅(qū)動、圓 柱彈簧支撐。這種方案的缺點(diǎn)是活塞無徑向支撐，活塞與氣缸之間存在摩擦，活 塞表面不可避免存在磨損，制冷機(jī)工作幾千小時后，磨損量累積至不能保證動態(tài) 密封效果時，間隙密封失效，導(dǎo)致制冷機(jī)制冷能力下降甚至失效；動圈式直線電 機(jī)線圈散熱難，線圈繞組非金屬材料受熱揮發(fā)放氣會污染制冷機(jī)工質(zhì)，降低制冷機(jī)性能甚至使制冷機(jī)失效；電機(jī)存在高頻振動的引線，而高頻振動引線的疲勞斷 裂會導(dǎo)致制冷機(jī)失效；壓縮機(jī)端蓋存在玻璃燒結(jié)引線絕緣端子，玻璃燒結(jié)引線絕 緣端子是引起制冷機(jī)工質(zhì)泄漏的薄弱環(huán)節(jié)，工質(zhì)的泄漏會導(dǎo)致制冷機(jī)失效。輕量 型分置式斯特林制冷機(jī)在可靠性設(shè)計(jì)方面存在的這些不足決定了其可靠性通常 在3000 5000小時，最高不超過10000小時，大大限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有輕量型分置式斯特林制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)方案在壽命和可靠性方面存在 的不足，本發(fā)明提供了一種新的技術(shù)方案，按照該技術(shù)方案生產(chǎn)的分置式斯特林 制冷機(jī)在保留體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點(diǎn)的同時大幅度提高制冷機(jī)的壽命和 可靠性。
本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明由壓縮機(jī)和膨脹機(jī)組成，兩者之間通過連接管連 接；壓縮機(jī)包括氣缸、直線電機(jī)和壓縮活塞；兩臺直線電機(jī)成180。對稱布置， 驅(qū)動同一軸線的雙壓縮活塞；壓縮活塞由膜片彈簧支撐；所述直線電機(jī)為動磁式 直線電機(jī)，雙音圈結(jié)構(gòu)，所述壓縮活塞由膜片彈簧支撐。
所述動磁式直線電機(jī)定子的線圈支架組件包括線圈支架和線圈擋圈；線圈擋 圈采用電絕緣酚醛布棒或其它絕緣材料，線圈支架材質(zhì)為無磁不銹鋼，線圈擋圈 固定在線圈支架上。
所述動磁式直線電機(jī)的動子組件包括兩組磁鋼、內(nèi)磁極和動子支架，兩組磁 鋼的極性相反，每組由不少于12片瓦片形磁鋼組成，磁鋼固定在內(nèi)磁極上；內(nèi) 磁極套裝在動子支架外面并用銷釘固定；動子支架為鈦合金薄壁件。
所述壓縮活塞由兩組膜片彈簧支撐， 一組為小內(nèi)徑膜片彈簧，另一組為大內(nèi) 徑膜片彈簧，實(shí)現(xiàn)徑向精密定位；使所述壓縮活塞與氣缸之間成為無接觸間隙密 封結(jié)構(gòu)。
膨脹機(jī)采用小質(zhì)量排出器結(jié)構(gòu)，圓柱彈簧支撐，氣動驅(qū)動；膨脹機(jī)氣缸由通 孔的不銹鋼薄壁氣缸體與不銹鋼氣缸堵頭激光焊接構(gòu)成。這種方案在保留輕量型 分置式斯特林制冷機(jī)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點(diǎn)的同時，采用動磁式直線電 機(jī)和膜片彈簧支撐兩項(xiàng)技術(shù)方案，使其壽命大幅度提高，可達(dá)到20000小時以上， 重量不大于2kg。傳統(tǒng)的輕量型分置式斯特林制冷機(jī)通常采用動圈式直線電機(jī)，動圈式直線電 機(jī)具有工質(zhì)易污染和泄漏、電機(jī)引線高頻振動易折斷、電機(jī)線圈散熱難等影響壽 命和可靠性的問題。本發(fā)明采用的動磁式直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)的線圈繞組靜 止不動，可以隔離線圈和工質(zhì)，電機(jī)中沒有了高頻振動的引線，壓縮機(jī)端蓋沒有 了玻璃燒結(jié)引線絕緣端子，解決了工質(zhì)的污染、泄漏、電機(jī)引線折斷和線圈散熱 難等技術(shù)問題。
本發(fā)明采用的膜片彈簧具有很好的徑向定位能力，通過精密裝配，可實(shí)現(xiàn)活 塞與氣缸之間的無接觸間隙密封，活塞與氣缸之間沒有接觸和磨損。
本發(fā)明的有益效果分置式斯特林制冷機(jī)在保留體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單 優(yōu)點(diǎn)的同時，使其壽命和可靠性有本質(zhì)的提高，達(dá)到20000小時以上，重量不大 于2kg。


圖1為本發(fā)明的分置式斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的膨脹機(jī)氣缸結(jié)構(gòu)圖； 圖3為本發(fā)明的直線電機(jī)定子線圈支架組件結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明的直線電機(jī)動子組件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作 詳細(xì)說明
如圖1，以金屬軟管連接管26為分隔，下面部分為壓縮機(jī)，上面部分為膨 脹機(jī)。
壓縮機(jī)包括動磁式直線電機(jī)、膜片彈簧、壓縮活塞、壓縮氣缸、壓縮機(jī)端蓋 等零部件，壓縮機(jī)為雙電機(jī)直線對稱布置，雙活塞雙向?qū)咏Y(jié)構(gòu)。
動磁式直線電機(jī)包括磁鋼13、內(nèi)磁極9、動子支架8、外磁極14、線圈支架 6、線圈12。磁鋼13是兩組極性相反的磁鋼組件，每組磁鋼組件由12片瓦片形 的磁鋼組成，磁鋼13用膠固定在內(nèi)磁極9外表面，內(nèi)磁極9套裝在動子支架8 外面并用銷釘10固定。兩組線圈12繞在線圈支架6上，兩組線圈之間用線圈擋圈11隔開。外磁極14套裝在線圈12及線圈支架6外面，并在外磁極14與線圈 支架6的側(cè)向接觸面激光焊接密封。小內(nèi)徑膜片彈簧1外圓通過螺釘2固定在線 圈支架6的一端，每片小內(nèi)徑膜片彈簧外圓之間用小內(nèi)徑外墊圈3隔開；小內(nèi)徑 膜片彈簧1內(nèi)圓通過螺釘4與彈簧座7連接，每片小內(nèi)徑膜片彈簧內(nèi)圓之間用小 內(nèi)徑內(nèi)墊圈5隔開；彈簧座7通過螺紋與動子支架8及壓縮活塞16固定連接。 大內(nèi)徑膜片彈簧18外圓通過螺釘!17固定在線圈支架6的另一端，每片大內(nèi)徑膜 片彈簧外圓之間用大內(nèi)徑外墊圈19隔開；大內(nèi)徑膜片彈簧18內(nèi)圓通過螺釘21 與動子支架8連接，每片大內(nèi)徑膜片彈簧內(nèi)圓之間用大內(nèi)徑內(nèi)墊圈20隔開。外 殼34與外磁極14之間焊接密封，壓縮機(jī)端蓋22及23與外殼34都用焊接密封， 密封螺釘24用來密封制冷工質(zhì)。壓縮機(jī)出氣嘴25與中心法蘭15用焊接密封。 兩個壓縮活塞16從壓縮氣缸35兩端對稱裝入壓縮氣缸，中心法蘭15與線圈支 架6焊接密封。
膨脹機(jī)包括后座28、排出器組件33、膨脹氣缸32、彈簧座29、配氣座30、 彈簧31等零部件。后座28用紫銅或不銹鋼制作，后座28與膨脹氣缸32用螺釘 27連接，接觸面用金屬密封。壓縮腔36內(nèi)的氦氣通過連接管26進(jìn)入膨脹機(jī)后 座28，經(jīng)過配氣座30進(jìn)入排出器組件33，經(jīng)過排出器組件33內(nèi)部的回?zé)崞鹘?屬網(wǎng)片換熱后進(jìn)入膨脹腔37，達(dá)到膨脹制冷效果。排出器組件33由回?zé)崞魍鈿?組件、金屬網(wǎng)片、冷端堵頭、熱端堵頭組成，在氦氣的交變壓力波和彈簧的作用 下，排出器組件33在膨脹氣缸32內(nèi)往復(fù)運(yùn)動。為了減小軸向?qū)釗p失，回?zé)崞?外殼采用酚醛布棒。
圖2為膨脹機(jī)氣缸結(jié)構(gòu)圖，膨脹機(jī)氣缸32由氣缸體38和氣缸堵頭39通過 A激光焊接構(gòu)成。氣缸體38是一個通孔的薄壁件，采用不銹鋼制作，氣缸堵頭 39用不銹鋼制作。
圖3為直線電機(jī)定子的線圈支架組件結(jié)構(gòu)圖，線圈支架組件包括線圈支架6、 線圈擋圈11、線圈擋圈40。線圈擋圈11和線圈擋圈40由電絕緣的酚醛布棒或 其它絕緣材料制成，線圈支架6由無磁不銹鋼制成，線圈擋圈用膠固定在線圈支 架上。
圖4為直線電機(jī)的動子組件結(jié)構(gòu)圖，磁鋼13是兩組極性相反的磁鋼組件， 每組由12片瓦片形磁鋼組成，磁鋼13用膠固定在內(nèi)磁極9上；內(nèi)磁極9套裝在
7動子支架8外面并用銷釘10固定；動子支架8是一個鈦合金薄壁件。
權(quán)利要求
1、一種分置式斯特林制冷機(jī)，由壓縮機(jī)和膨脹機(jī)組成，兩者之間通過連接管連接；壓縮機(jī)包括氣缸、直線電機(jī)和壓縮活塞；兩臺直線電機(jī)成180°對稱布置，驅(qū)動同一軸線的雙壓縮活塞；其特征在于所述直線電機(jī)為動磁式直線電機(jī)，雙音圈結(jié)構(gòu)，所述壓縮活塞由膜片彈簧支撐。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述動磁式直 線電機(jī)由外磁極、定子線圈支架組件和動子組件構(gòu)成；定子線圈支架組件包括線 圈支架、兩組線圈和線圈擋圈；動子組件包括兩組磁鋼、內(nèi)磁極和動子支架，兩 組磁鋼的極性相反。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述線圈擋圈 為絕緣擋圈，固定在所述線圈支架上，所述線圈支架的材質(zhì)為不銹鋼。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述線圈擋圈 采用電絕緣酚酸布棒，線圈支架材質(zhì)為無磁不銹鋼，兩者之間采用膠連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述磁鋼每組 由不少于12片瓦片形磁鋼組成，磁鋼與內(nèi)磁極固定連接；內(nèi)磁極套裝在動子支 架外。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述磁鋼與內(nèi) 磁極通過膠固定連接，動子支架為鈦合金薄壁件，內(nèi)磁極與動子支架用銷釘固定。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1 6任一項(xiàng)所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述 壓縮活塞由兩組膜片彈簧支撐， 一組為小內(nèi)徑膜片彈簧，另一組為大內(nèi)徑膜片彈 簧；所述壓縮活塞與氣缸之間為無接觸間隙密封結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述小內(nèi)徑膜 片彈簧外圓固定在線圈支架一端，小內(nèi)徑膜片彈簧內(nèi)圓與彈簧座連接，彈簧座與 動子支架及壓縮活塞固定連接；所述大內(nèi)徑膜片彈簧外圓固定在線圈支架另一 端，大內(nèi)徑膜片彈簧內(nèi)圓與動子支架固定連接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述膨脹機(jī)的 氣缸由通孔的不銹鋼薄壁氣缸體和不銹鋼氣缸堵頭通過激光焊接構(gòu)成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的分置式斯特林制冷機(jī)，其特征在于所述膨脹機(jī)的氣缸由通孔的不銹鋼薄壁氣缸體和不銹鋼氣缸堵頭通過激光焊接構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分置式斯特林制冷機(jī)，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中該機(jī)在使用壽命和可靠性方面存在的不足的問題。本發(fā)明的壓縮機(jī)由雙直線電機(jī)驅(qū)動同一軸線的雙壓縮活塞，兩臺直線電機(jī)180°對稱布置，雙活塞對動；直線電機(jī)采用動磁式直線電機(jī)，雙音圈結(jié)構(gòu)；壓縮活塞由兩組小質(zhì)量長壽命膜片彈簧支撐，活塞與氣缸之間采用無接觸間隙密封結(jié)構(gòu)；膨脹機(jī)采用小質(zhì)量排出器結(jié)構(gòu)，圓柱彈簧支撐，氣動驅(qū)動；膨脹機(jī)氣缸由通孔的不銹鋼薄壁氣缸體與不銹鋼氣缸堵頭激光焊接構(gòu)成。本發(fā)明主要用于紅外系統(tǒng)中，為紅外器件提供低溫冷源，在保留體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點(diǎn)的同時，其壽命和可靠性有本質(zhì)的提高，達(dá)到20000小時以上，重量不大于2kg。
文檔編號F25B9/14GK101551176SQ200910116299
公開日2009年10月7日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者云 彭, 朱魁章, 陸永達(dá) 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所