一种室温活塞型斯特林脉管制冷机

技术领域

本发明涉及低温制冷领域，尤其涉及一种室温活塞型斯特林脉管制冷机。

背景技术

未来空间领域以大口径、高分辨率为代表的空间高精度成像任务中，对探测器载荷制冷效率、体积、重量和功耗要求更高，尤其对低温制冷机提出了长寿命、低振动干扰和大冷量苛刻指标需求。

为满足红外相机应用需求，超大规格线列及面阵红外焦平面器件已逐步开展：超长线列中波/长波15000元TDI红外焦平面器件、超大面阵长波4K×4K红外焦平面器件、超大面阵短波/中波6K×6K红外焦平面器件等。长线列、大面阵红外探测器需要同时对焦平面及镜头进行冷却(热容较大)，起抑制自身产生的背景噪声的作用，达到进一步提升光学探测的信噪比，实现高探测灵敏度和精度，低噪声红外探测的目的。探测器的发展对制冷机的制冷量、寿命和振动均提出要求。

目前国内红外、光学遥感探测领域的低温制冷机以斯特林和斯特林脉管制冷机为主，例如公布号为CN113819672A的专利文献公开的一种斯特林制冷器。现有的斯特林制冷机存在以下缺点(1)冷指振动大，无法满足探测器对冷指的振动指标要求；(2)传统脉管采用惯性管和气库调相，调相能力不足，且无法回收脉管热端膨胀功，导致制冷效率低，功耗大，无法满足当前红外领域的大冷量、高效率及低功耗的需求；(3)活塞在压缩机内部多采用板簧进行支承，存在制冷系统复杂、体积重量庞大、效率低等限制，同时整机寿命受到板簧寿命的限制，无法满足宇航领域工程使用要求。

现有的低温制冷机已制约了当前空间高分辨率、大口径探测器探测成像技术的发展，进而影响我国在军、民及航天领域的红外探测领域的进步和发展。因此，为解决空间高分辨率、大口径探测器焦面及镜头冷却问题，亟需研制满足未来空间探测等领域的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提高制冷机的制冷效率，降低整机振动。

本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种室温活塞型斯特林脉管制冷机，包括压缩机、分置管、连接管和脉管冷指；

所述压缩机包括中心连接结构以及对置分布在中心连接结构两侧的两组压缩机换热器、线性压缩机构、驱动电机和弹性支撑机构；

所述线性压缩机构包括压缩机气缸、压缩活塞、室温活塞、第一压缩腔和第二压缩腔，所述室温活塞同轴嵌套在所述压缩活塞内并与所述压缩活塞活动配合，所述压缩活塞与所述室温活塞中间的空腔为第一压缩腔，两组线性压缩机构的室温活塞中间的空腔为第二压缩腔；

所述驱动电机用于驱动所述压缩活塞在所述压缩机气缸内轴向往复运动，所述弹性支撑机构用于为所述室温活塞的端部提供弹性支撑；

所述分置管的一端连接所述脉管冷指的进气口，所述分置管的另一端通过所述中心连接结构和两个压缩机换热器连通两个第一压缩腔；

所述连接管的一端连接所述脉管冷指的出气口，所述连接管的另一端通过所述中心连接结构连通所述第二压缩腔。

本发明采用室温活塞功回收技术回收脉管热端膨胀功，提高了整机效率；通过调节室温活塞的重量、室温活塞的直径、弹性支撑机构的刚度、连接管的直径和连接管的长度可将工质的质量流和压力的相位调节到最优角度，实现工质的质量流和压力的相位可调，从而实现压缩机与脉管冷指的最优匹配，实现了整机的高效运行，提高了整机制冷效率；两个线性压缩机构对置布置相互抵消振动，降低了压缩机的振动输出；压缩机和脉管冷指采用分置式结构，降低了压缩机与脉管冷指的振动相互干扰；室温活塞替代传统的气库-惯性管调相机构，室温活塞耦合嵌入压缩机内部，实现了脉管冷指小型化和轻量化。

作为优化的技术方案，所述压缩活塞和所述室温活塞在所述压缩机气缸内均通过气浮轴承支撑。本发明采用全气浮轴承无磨损支撑技术，寿命长，体积小，重量轻。

作为优化的技术方案，所述压缩活塞包括压缩活塞外层、压缩活塞内层、压缩活塞内孔、压缩活塞进气孔、压缩活塞气库、压缩活塞单向阀、压缩活塞气流通道、压缩活塞出气孔和平衡气槽；所述压缩活塞内层固定连接在所述压缩活塞外层内部；所述压缩活塞内层上设有多个压缩活塞气库，所述压缩活塞进气孔由所述压缩活塞内层朝向所述第一压缩腔的端面延伸至其中一个压缩活塞气库，该压缩活塞气库中设有压缩活塞单向阀；所述压缩活塞外层的外周设有多个压缩活塞出气孔，各压缩活塞气库之间以及所述压缩活塞气库与所述压缩活塞出气孔之间连通有压缩活塞气流通道；两个平衡气槽对称设置并分别由所述压缩活塞外层的两端延伸至所述压缩活塞外层的外侧面。

作为优化的技术方案，所述室温活塞包括室温活塞外层、室温活塞内层、室温活塞进气孔、室温活塞气库、室温活塞单向阀、室温活塞气流通道和室温活塞出气孔；所述室温活塞内层固定连接在所述室温活塞外层内部；所述室温活塞内层上设有室温活塞气库，所述室温活塞进气孔由所述室温活塞内层朝向所述第二压缩腔的端面沿轴向延伸至所述室温活塞气库，所述室温活塞气库中设有室温活塞单向阀；所述室温活塞外层的外周设有多个室温活塞出气孔，所述室温活塞气库与所述室温活塞出气孔之间连通有室温活塞气流通道。

作为优化的技术方案，所述中心连接结构包括气缸安装筒、中心法兰、环形气槽，轴向直孔、第一径向孔、第二径向孔和通气孔；所述中心法兰固定连接在所述气缸安装筒的外周中间位置，所述中心法兰的两个端面对称设置有围绕在所述气缸安装筒外周的环形气槽，所述环形气槽与所述气缸安装筒的内孔通过所述气缸安装筒的侧壁隔开；所述第一径向孔由所述中心法兰的外侧面延伸至所述气缸安装筒的外侧，所述轴向直孔贯穿两个环形气槽的底面并连通所述第一径向孔，所述分置管连接所述第一径向孔；所述压缩机气缸上沿周向均匀分布有多个多个贯穿孔；所述分置管依次通过第一径向孔、轴向直孔、两个环形气槽、两个压缩机换热器和两个压缩机气缸上的贯穿孔连通两个第一压缩腔；

所述第二径向孔由所述中心法兰的外侧面延伸至所述气缸安装筒的外侧，所述通气孔贯穿所述气缸安装筒的侧壁并连通所述第二径向孔，所述连接管连接所述第二径向孔，所述连接管依次通过第二径向孔和通气孔连通所述第二压缩腔。

作为优化的技术方案，所述驱动电机包括内定子、外定子和永磁组件；所述内定子、永磁组件和外定子由内至外同轴布置在所述压缩机气缸外部；所述内定子和所述外定子相对于所述压缩机气缸固定设置，所述永磁组件活动设置在所述内定子与所述外定子之间的环形磁隙中并与所述压缩活塞固定连接；所述外定子位于独立于所述压缩机气缸的密封腔体中。驱动电机采用动磁式绕组外置式的驱动电机，外定子与工质相互独立，避免了外定子上的绕组等非金属材料放气而造成工质污染，提高了压缩机的可靠性和寿命。

作为优化的技术方案，所述永磁组件包括主永磁体和辅永磁体，多个主永磁体围成环形且成对均匀分布，各主永磁体的轴向两端对称布置有辅永磁体，所述主永磁体和所述辅永磁体均进行径向充磁且磁极性相反。主永磁体和辅永磁体组成的多段式磁钢在内定子与外定子之间产生的回复力能够自动驱动永磁组件对中到驱动电机的平衡位置，实现自定心；这种多段式磁钢能够限制压缩活塞的轴向往复运动行程，有效避免了因压缩活塞位置未知而超过行程撞击压缩机气缸或弹性支撑机构导致的驱动电机启动失败，避免了复杂的自由活塞启动控制程序，实现了复杂苛刻条件下驱动电机高效和可靠启动；同时自定心回复力可保证制冷机正常运行过程的相位和幅值的一致性，有效降低了对置电机的残余力，实现低振动输出；这种多段式磁钢提高了电机的推力系数，实现驱动电机在小体积条件下获得大推力。

作为优化的技术方案，所述脉管冷指包括脉管热端座、热端换热器、冷指气缸、冷头、脉管、整流丝网和回热器；所述热端换热器和所述冷头分别设置在所述冷指气缸的热端和冷端，所述脉管热端座设置在所述热端换热器上，所述脉管同轴布置在所述冷指气缸内部，所述脉管的热端与所述热端换热器隔离，所述脉管的冷端与所述冷头连通；所述脉管热端座上设有连通所述脉管的出气口，所述热端换热器上设有连通所述冷指气缸的进气口；所述脉管的热端和冷端分别布置有整流丝网；所述回热器填充在所述冷指气缸与所述脉管之间的环形腔体内。

作为优化的技术方案，所述回热器为丝网构成的环形结构，所述回热器的主体部分采用从热端至冷端依次为编制丝网和烧结丝网的分段混合填充形式，所述回热器的主体部分热端外侧和冷端外侧分别布置有编制丝网。可通过调整回热器中编制丝网与烧结丝网的重量配比来调整回热器的空隙率，实现了空隙率可调，保证了回热器的比热容、比表面积符合要求，同时降低轴向导热损失和压降损失。

作为优化的技术方案，所述弹性支撑机构包括板簧，所述板簧包括板簧主体、内安装孔、外安装孔、内型线、外型线、首部和尾部；所述板簧主体的中心设有用于连接所述室温活塞的内安装孔，所述板簧主体的外边缘设有多个用于固定所述板簧主体的外安装孔；所述板簧主体上位于所述内安装孔与所述外安装孔之间设有多个沿周向均匀分布的曲线孔，所述曲线孔由内型线、外型线、首部和尾部多段光滑圆弧过渡形成封闭曲线。通过调整内型线和外型线的长度及距离可调整板簧的刚度，通过调整首部和尾部的圆弧形状可减小板簧的应力集中现象，从而满足长寿命使用要求。

本发明的优点在于：

1、本发明采用室温活塞功回收技术回收脉管热端膨胀功，提高了整机效率；通过调节室温活塞的重量、室温活塞的直径、弹性支撑机构的刚度、连接管的直径和连接管的长度可将工质的质量流和压力的相位调节到最优角度，实现工质的质量流和压力的相位可调，从而实现压缩机与脉管冷指的最优匹配，实现了整机的高效运行，提高了整机制冷效率；两个线性压缩机构对置布置相互抵消振动，降低了压缩机的振动输出；压缩机和脉管冷指采用分置式结构，降低了压缩机与脉管冷指的振动相互干扰；室温活塞替代传统的气库-惯性管调相机构，室温活塞耦合嵌入压缩机内部，实现了脉管冷指小型化和轻量化。

2、本发明采用全气浮轴承无磨损支撑技术，即压缩活塞和室温活塞在压缩机气缸内均通过气浮轴承支撑，寿命长，体积小，重量轻。

3、主永磁体和辅永磁体组成的多段式磁钢在内定子与外定子之间产生的回复力能够自动驱动永磁组件对中到驱动电机的平衡位置，实现自定心；这种多段式磁钢能够限制压缩活塞的轴向往复运动行程，有效避免了因压缩活塞位置未知而超过行程撞击压缩机气缸或弹性支撑机构导致的驱动电机启动失败，避免了复杂的自由活塞启动控制程序，实现了复杂苛刻条件下驱动电机高效和可靠启动；同时自定心回复力可保证制冷机正常运行过程的相位和幅值的一致性，有效降低了对置电机的残余力，实现低振动输出；这种多段式磁钢提高了电机的推力系数，实现驱动电机在小体积条件下获得大推力。

附图说明

图1是本发明实施例一室温活塞型斯特林脉管制冷机的剖面示意图。

图2是本发明实施例一中心连接结构的轴测示意图。

图3是本发明实施例一中心连接结构的A-A剖面示意图。

图4是本发明实施例一压缩机换热器的轴测示意图。

图5是本发明实施例一压缩机气缸的剖面示意图。

图6是本发明实施例一压缩活塞的剖面示意图。

图7是本发明实施例一室温活塞的剖面示意图。

图8是本发明实施例一内定子的剖面示意图。

图9是本发明实施例一外定子的剖面示意图。

图10是本发明实施例一永磁组件的剖面示意图。

图11是本发明实施例一主永磁体的俯视示意图。

图12是本发明实施例一辅永磁体的俯视示意图。

图13是本发明实施例一板簧的俯视示意图。

图14是本发明实施例一热端换热器的轴测示意图。

图15是本发明实施例一冷头的轴测示意图。

图16是本发明实施例一冷头的剖面示意图。

图17是本发明实施例二压缩机气缸的剖面示意图。

图18是本发明实施例三永磁组件的剖面示意图。

图中：

1、压缩机；

101、中心连接结构；1011、气缸安装筒；1012、中心法兰；1013、环形气槽；1014、轴向直孔；1015、第一径向孔；1016、第二径向孔；1017、通气孔；1018、减重孔；

102、压缩机换热器；1021、压缩机换热器基体；1022、压缩机换热器翅片；

103、压缩机气缸；1031、气缸主体；1032、气缸法兰；1033、贯穿孔；1034、凸起结构；1035、气缸大头；1036、气缸小头；

104、压缩活塞；1041、压缩活塞外层；1042、压缩活塞内层；1043、压缩活塞内孔；1044、压缩活塞进气孔；1045、压缩活塞气库；1046、压缩活塞单向阀；1047、压缩活塞气流通道；1048、压缩活塞出气孔；1049、平衡气槽；

105、室温活塞；1051、室温活塞杆；1052、室温活塞外层；1053、室温活塞内层；1054、室温活塞进气孔；1055、室温活塞气库；1056、室温活塞单向阀；1057、室温活塞气流通道；1058、室温活塞出气孔；

106、第一压缩腔；

107、第二压缩腔；

108、内定子；1081、内定子环；1082、卡环；

109、外定子；1091、外定子块；1092、绕组骨架；1093、环形绕组；1094、极靴；

110、永磁组件；1101、永磁体骨架；1102、主永磁体；1103、辅永磁体；

111、支撑筒；

112、外壳；

113、板簧支架；

114、板簧；1141、板簧主体；1142、内安装孔；1143、外安装孔；1144、内型线；1145、外型线；1146、首部；1147、尾部；

115、第一螺钉；

116、第二螺钉；

117、端盖；

2、分置管；

3、连接管；

4、脉管冷指；

41、脉管热端座；411、脉管安装孔；412、出气口；

42、热端换热器；421、进气口；422、热端换热器基体；423、热端换热器翅片；

43、冷指气缸；

44、冷头；441、冷帽；442、冷端换热器翅片；

45、脉管；

46、整流丝网；

47、回热器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本实施例公开一种室温活塞型斯特林脉管制冷机，包括压缩机1、分置管2、连接管3和脉管冷指4。

压缩机1分别通过分置管2和连接管3连接脉管冷指4，压缩机1和脉管冷指4中充注有工质，所述工质采用高纯氦气。

压缩机1为两个自由活塞型线性压缩机对置结构，包括中心连接结构101以及对置分布在中心连接结构101两侧的两组压缩机换热器102、线性压缩机构、驱动电机、密封机构、弹性支撑机构和端盖117。

所述线性压缩机构包括压缩机气缸103、压缩活塞104和室温活塞105；室温活塞105同轴嵌套在压缩活塞104内部并与压缩活塞104活动配合，压缩活塞104与压缩机气缸103之间、室温活塞105与压缩机气缸103之间以及压缩活塞104与室温活塞105之间均形成间隙密封；压缩活塞104与室温活塞105中间的空腔为第一压缩腔106，两组线性压缩机构的室温活塞105中间的空腔为第二压缩腔107。

所述驱动电机用于驱动压缩活塞104在压缩机气缸103内轴向往复运动，所述驱动电机为动磁式绕组外置式的驱动电机，包括内定子108、外定子109和永磁组件110；内定子108、永磁组件110和外定子109由内至外同轴布置在压缩机气缸103外部；内定子108和外定子109相对于压缩机气缸103固定设置，永磁组件110活动设置在内定子108与外定子109之间的环形磁隙中并与压缩活塞104固定连接；外定子109通交流电时，内定子108与外定子109之间的环形磁隙产生交变磁场，驱动永磁组件110在交变磁场中沿压缩机气缸103轴向做往复运动，进而驱动与之相连的压缩活塞104做轴向往复运动，进而驱动工质产生高低压交替变化的压力波。

所述密封机构包括支撑筒111、外壳112和板簧支架113；支撑筒111的筒体包围在压缩机气缸103外部，支撑筒111的底部法兰焊接在压缩机气缸103上；外壳112包围在支撑筒111外部并焊接在支撑筒111的底部法兰上，板簧支架113设置在支撑筒111与外壳112形成的环形腔体的开口端并分别与支撑筒111和外壳112焊接，支撑筒111、外壳112和板簧支架113之间形成独立于压缩机气缸103的密封腔体；内定子108固定连接在压缩机气缸103外周，永磁组件110设置在内定子108与支撑筒111的内壁之间，外定子109固定连接在支撑筒111外周，实现了外定子109位于独立于压缩机气缸103的密封腔体中，使外定子109与工质相互独立，避免了外定子109上的绕组等非金属材料放气而造成工质污染，提高了压缩机1的可靠性和寿命。

所述弹性支撑机构用于为室温活塞105的端部提供弹性支撑，所述弹性支撑机构包括板簧114、第一螺钉115和第二螺钉116，板簧114为圆形板状结构，板簧114的中心通过第一螺钉115固定连接在室温活塞105的端部，板簧114的外边缘通过多个沿周向均匀分布的第二螺钉116固定连接在板簧支架113上。

端盖117焊接在板簧支架113上，两组压缩机气缸103、密封机构和端盖117共同形成压缩机1内部的密封腔体；端盖117为穹顶式结构，可有效降低气体力导致的“震颤”效应，从而降低压缩机1的振动输出。

脉管冷指4包括脉管热端座41、热端换热器42、冷指气缸43、冷头44、脉管45、整流丝网46和回热器47；热端换热器42和冷头44分别设置在冷指气缸43的热端和冷端，脉管热端座41设置在热端换热器42上，脉管45同轴布置在冷指气缸43内部，脉管45的热端与热端换热器42隔离，脉管45的冷端与冷头44连通；脉管热端座41为回转体结构，脉管热端座41的内端嵌套在热端换热器42的内孔中且设有用于安装脉管45的脉管安装孔411，脉管热端座41的外端设有通过脉管安装孔411连通脉管45的出气口412；热端换热器42焊接在脉管热端座41的法兰面，热端换热器42上设有连通冷指气缸43的进气口421；冷指气缸43为薄壁圆筒结构，冷指气缸43分别与热端换热器42和冷头44焊接，冷指气缸43的热端外周预留有KF法兰标准接口；脉管45为薄壁圆筒结构，脉管45的热端嵌套在脉管安装孔411内并与脉管热端座41焊接，通过焊接实现脉管45的热端与热端换热器42密封隔离，避免发生串气引起的直流导致效率下降，脉管45的冷端以过渡配合的方式安装在冷头44内孔中；脉管45的热端和冷端分别布置有整流丝网46，整流丝网46为高导热系数的圆形紫铜丝网，整流丝网46作为层流化元件，实现高压气体进入脉管45时为层流状态；回热器47填充在冷指气缸43与脉管45之间的环形腔体内，回热器47为丝网构成的环形结构，丝网的材质可为铜或不锈钢；回热器47的主体部分采用从热端至冷端依次为编制丝网和烧结丝网的分段混合填充形式，回热器47的主体部分热端外侧和冷端外侧分别布置有编制丝网；可通过调整回热器47中编制丝网与烧结丝网的重量配比来调整回热器47的空隙率，实现了空隙率可调，保证了回热器47的比热容、比表面积符合要求，同时降低轴向导热损失和压降损失。

分置管2的一端连接进气口421，分置管2的另一端通过中心连接结构101和两个压缩机换热器102连通两个第一压缩腔106。

连接管3类似一根惯性管，连接管3的一端连接出气口412，连接管3的另一端通过中心连接结构101连通第二压缩腔107。

如图2、图3所示，中心连接结构101包括气缸安装筒1011、中心法兰1012、环形气槽1013，轴向直孔1014、第一径向孔1015、第二径向孔1016、通气孔1017和减重孔1018；气缸安装筒1011为圆筒结构，气缸安装筒1011的内孔两端可供两个压缩机气缸103安装和定位；中心法兰1012固定连接在气缸安装筒1011的外周中间位置，中心法兰1012的两个端面对称设置有围绕在气缸安装筒1011外周的环形气槽1013，环形气槽1013与气缸安装筒1011的内孔通过气缸安装筒1011的侧壁隔开；第一径向孔1015由中心法兰1012的外侧面沿径向延伸至气缸安装筒1011的外侧，轴向直孔1014沿轴向贯穿两个环形气槽1013的底面并连通第一径向孔1015，分置管2连接第一径向孔1015；第二径向孔1016由中心法兰1012的外侧面沿径向延伸至气缸安装筒1011的外侧，通气孔1017贯穿气缸安装筒1011的侧壁并连通第二径向孔1016，连接管3连接第二径向孔1016，连接管3依次通过第二径向孔1016和通气孔1017连通第二压缩腔107；多个减重孔1018围绕环形气槽1013的外周均匀分布，减重孔1018贯穿中心法兰1012的两个端面，通过减重孔1018进行减重。

如图4所示，压缩机换热器102由无氧铜棒加工而成，压缩机换热器102的外圈为压缩机换热器基体1021，外部散热器可安装在压缩机换热器基体1021的外侧面；压缩机换热器102的内圈采用电火花线切割的方式加工出多个沿周向均匀分布的压缩机换热器翅片1022，各压缩机换热器翅片1022围绕在压缩机换热器102的内孔外周；气缸安装筒1011嵌套在压缩机换热器102的内孔中，中心法兰1012的端面与压缩机换热器基体1021的端面焊接，环形气槽1013与压缩机换热器翅片1022的间隙连通。

如图5所示，压缩机气缸103为回转体结构，包括气缸主体1031、气缸法兰1032、贯穿孔1033和凸起结构1034；压缩活塞104和室温活塞105均位于气缸主体1031内并与气缸主体1031形成间隙密封；气缸主体1031的一端嵌套在气缸安装筒1011的内孔中进行定位，气缸主体1031的外周设有气缸法兰1032，气缸法兰1032的端面与压缩机换热器基体1021的端面焊接；气缸法兰1032上沿周向均匀分布有多个贯穿孔1033，贯穿孔1033由气缸法兰1032的端面贯穿至气缸主体1031的内侧面，分置管2依次通过第一径向孔1015、轴向直孔1014、两个环形气槽1013、两个压缩机换热器102的压缩机换热器翅片1022和两个压缩机气缸103的贯穿孔1033连通两个第一压缩腔106；气缸法兰1032上背对压缩机换热器102的端面上设有凸起结构1034，支撑筒111的筒体套在气缸主体1031外部，支撑筒111的底部法兰与凸起结构1034定位配合并与气缸法兰1032的端面焊接；气缸主体1031上设有用于安装内定子108的外螺纹；压缩机气缸103的表面采用特殊工艺处理，保证表面的耐磨性和硬度。

如图6所示，压缩活塞104包括压缩活塞外层1041、压缩活塞内层1042、压缩活塞内孔1043、压缩活塞进气孔1044、压缩活塞气库1045、压缩活塞单向阀1046、压缩活塞气流通道1047、压缩活塞出气孔1048和平衡气槽1049；压缩活塞外层1041与压缩机气缸103形成间隙密封，压缩活塞内层1042镶套固定在压缩活塞外层1041内部，压缩活塞内层1042内部设有用于嵌套室温活塞105的压缩活塞内孔1043；压缩活塞内层1042上设有多个压缩活塞气库1045，压缩活塞进气孔1044由压缩活塞内层1042朝向第一压缩腔106的端面沿轴向延伸至其中一个压缩活塞气库1045，该压缩活塞气库1045中设有压缩活塞单向阀1046；压缩活塞外层1041的外周设有多个压缩活塞出气孔1048，各压缩活塞气库1045之间以及压缩活塞气库1045与压缩活塞出气孔1048之间连通有压缩活塞气流通道1047；两个平衡气槽1049对称设置并分别由压缩活塞外层1041的两端延伸至压缩活塞外层1041的中部外侧面；压缩活塞外层1041的外侧面涂覆有耐磨涂层；压缩活塞104在压缩机气缸103内通过气浮轴承支撑，轴向和周向无任何机械支撑，压缩活塞104受驱动电机驱动可在压缩机气缸103内轴向往复运动，压缩活塞104的往复运动过程中，第一压缩腔106中的高压气体依次通过压缩活塞进气孔1044、压缩活塞气库1045、压缩活塞单向阀1046、压缩活塞气流通道1047和压缩活塞出气孔1048进入压缩活塞104与压缩机气缸103的间隙中，形成具有气体润滑作用的高压气膜，该高压气膜支撑压缩活塞104在压缩机气缸103内进行无磨损运动。

如图7所示，室温活塞105包括室温活塞杆1051、室温活塞外层1052、室温活塞内层1053、室温活塞进气孔1054、室温活塞气库1055、室温活塞单向阀1056、室温活塞气流通道1057和室温活塞出气孔1058；板簧114的中心通过第一螺钉115固定连接在室温活塞杆1051的端部，室温活塞杆1051穿过压缩活塞内孔1043并与压缩活塞内层1042形成间隙密封，室温活塞杆1051为细长杆结构，细长杆具有一定的挠性，保证室温活塞105能够自动实现对中，降低了零件的加工和装配精度；室温活塞外层1052固定连接在室温活塞杆1051上，室温活塞外层1052与压缩机气缸103形成间隙密封，室温活塞内层1053镶套固定在室温活塞外层1052内部；室温活塞内层1053上设有室温活塞气库1055，室温活塞进气孔1054由室温活塞内层1053朝向第二压缩腔107的端面沿轴向延伸至室温活塞气库1055，室温活塞气库1055中设有室温活塞单向阀1056；室温活塞外层1052的外周设有多个室温活塞出气孔1058，室温活塞气库1055与室温活塞出气孔1058之间连通有室温活塞气流通道1057；室温活塞外层1052的外侧面涂覆有耐磨涂层；室温活塞105在压缩机气缸103内通过气浮轴承支撑，周向无任何机械支撑，室温活塞105受压力波驱动可在压缩机气缸103内轴向往复运动，室温活塞105的往复运动过程中，第二压缩腔107中的高压气体依次通过室温活塞进气孔1054、室温活塞气库1055、室温活塞单向阀1056、室温活塞气流通道1057和室温活塞出气孔1058进入室温活塞105与压缩机气缸103的间隙中，形成具有气体润滑作用的高压气膜，该高压气膜支撑室温活塞105在压缩机气缸103内进行无磨损运动。

如图8所示，内定子108包括内定子环1081和卡环1082；内定子环1081为多个内磁极片沿周向堆叠而成的环形结构，所述内磁极片由软磁材料冲压或者线切割而成；卡环1082穿入内定子环1081的内孔中且端部焊接在内定子环1081的端面，卡环1082上设有与气缸主体1031上的外螺纹配合的内螺纹，内定子108螺纹连接在气缸主体1031外部。

如图9所示，外定子109包括外定子块1091、绕组骨架1092、环形绕组1093和极靴1094；多个外定子块1091均均分布在环形的一周，外定子块1091为多个外磁极片沿周向堆叠而成的具有凹口的C型铁芯结构，所述外磁极片由软磁材料冲压或者线切割而成；绕组骨架1092为环形结构，外定子块1091通过凹口固定连接在绕组骨架1092的外侧面，绕组骨架1092固定连接在支撑筒111的筒体外部；环形绕组1093设置在外定子块1091与绕组骨架1092之间，环形绕组1093由聚酰亚胺漆包圆铜层层绕制而成，环形绕组1093通过绝缘胶带与外定子块1091隔开；外定子块1091的轴向两端均设置有极靴1094。

如图10至图12所示，永磁组件110包括永磁体骨架1101、主永磁体1102和辅永磁体1103；永磁体骨架1101为环形结构，永磁体骨架1101活动设置在内定子108与支撑筒111之间，永磁体骨架1101与压缩活塞外层1041通过沿周向均匀分布的多个螺钉固定连接；永磁组件110采用内置式结构，多个主永磁体1102围成环形且成对均匀分布，各主永磁体1102的轴向两端对称布置有辅永磁体1103，主永磁体1102和辅永磁体1103均通过高强度胶水粘贴在永磁体骨架1101的内侧面；主永磁体1102和辅永磁体1103均为瓦型结构且均由金属粉末冶金后而成，主永磁体1102和辅永磁体1103均进行径向充磁且磁极性相反，通过调整主永磁体1102和辅永磁体1103的体积大小、片数及布置形式，能够通过电机的回复力实现压缩活塞104的自然对中，保证制冷机在各种姿态等苛刻环境下的启动，实现正常运行过程中的相位一致性，实现高可靠和电机高效率；主永磁体1102和辅永磁体1103组成的多段式磁钢可限制压缩活塞104的轴向往复运动行程，且提高了电机的推力系数，实现了电机大推力，同时减少了电机无功功率损失。

如图13所示，板簧114包括板簧主体1141、内安装孔1142、外安装孔1143、内型线1144、外型线1145、首部1146和尾部1147；板簧主体1141由一定厚度的金属板材加工而成；板簧主体1141的中心设有用于通过第一螺钉115连接室温活塞105的内安装孔1142，板簧主体1141的外边缘沿周向均匀设有多个用于通过第二螺钉116将板簧主体1141固定到板簧支架113的外安装孔1143；板簧主体1141上位于内安装孔1142与外安装孔1143之间设有多个沿周向均匀分布的曲线孔，所述曲线孔由内型线1144、外型线1145、首部1146和尾部1147多段光滑圆弧过渡形成封闭曲线，通过调整内型线1144和外型线1145的长度及距离可调整板簧114的刚度，通过调整首部1146和尾部1147的圆弧形状可减小板簧114的应力集中现象，从而满足长寿命使用要求。

如图14所示，热端换热器42由无氧铜棒加工而成，热端换热器42的外圈为热端换热器基体422，进气口421贯穿热端换热器基体422的侧壁；热端换热器42的内圈采用电火花线切割的方式加工出多个沿周向均匀分布的热端换热器翅片423，各热端换热器翅片423围绕在热端换热器42的内孔外周；脉管热端座41的内端与各热端换热器翅片423的内端之间形成狭窄的环形通道，该环形通道对进入冷指气缸43的高压气体起整流和均压作用；热端换热器翅片423朝向冷指气缸43的一端凸出于热端换热器基体422的端面形成凸台，所述凸台嵌套在冷指气缸43的内孔中进行定位，热端换热器基体422的两端端面分别与冷指气缸43的端面及脉管热端座41的法兰面焊接。

如图15、图16所示，冷头44包括冷帽441和冷端换热器翅片442；冷帽441为圆柱槽体结构，冷帽441内部焊接有采用电火花线切割的方式加工出的多个沿周向均匀分布的冷端换热器翅片442，各冷端换热器翅片442围绕在冷头44的内孔外周；冷端换热器翅片442朝向冷帽441槽口的一端形成圆弧穹顶结构，可有效增加换热面积，降低传热温差。

工作原理：

一方面，外定子109的环形绕组1093通交流电时，内定子108与外定子109之间的环形磁隙产生交变磁场，永磁组件110在交变磁场作用下沿轴向往复运动，驱动压缩活塞104在压缩机气缸103内沿轴向往复运动，将电能转化成压缩活塞104的机械能；压缩活塞104的周期性往复运动驱动第一压缩腔106内的工质产生高低压交替变化的压力波，该交变流动的气体依次通过贯穿孔1033、压缩机换热器翅片1022、环形气槽1013、轴向直孔1014、第一径向孔1015和分置管2进入热端换热器42换热，随后进入回热器47，与回热器47完成热交换，工质温度降低；然后工质通过冷头44的冷端换热器翅片442进入脉管45内，再依次通过连接管2、第二径向孔1016和通气孔1017进入第二压缩腔107，进而推动室温活塞105，通过板簧114储存有效功；膨胀过程中，工质沿原路径相反方向进入第一压缩腔106，进行膨胀吸热；本发明采用室温活塞功回收技术回收脉管45热端膨胀功，提高了整机效率；通过调节室温活塞105的重量、室温活塞105的直径、板簧114的刚度、连接管3的直径和连接管3的长度可将工质的质量流和压力的相位调节到最优角度，实现工质的质量流和压力的相位可调，保证回热器47中工质的质量流与压力波获得最佳相位角，在回热器47中部实现质量流和压力波相位角为0°，从而实现压缩机1与脉管冷指4的最优匹配，实现了整机的高效运行，提高了整机制冷效率；两个线性压缩机构对置布置相互抵消振动，具体为通过调整两个线性压缩机构的活塞运动相位和幅值实现自适应减振，降低了压缩机1的振动输出；压缩机1和脉管冷指4采用分置式结构，降低了压缩机1与脉管冷指4的振动相互干扰，结合脉管冷指4采用“气体活塞”代替排出器，无机械运动部件，实现脉管冷指4低振动输出；室温活塞105替代传统的气库-惯性管调相机构，室温活塞105耦合嵌入压缩机1内部，实现了脉管冷指4小型化和轻量化。

另一方面，第一压缩腔106和第二压缩腔107中的高压气体少部分通过压缩活塞进气孔1044和室温活塞进气孔1054进入压缩活塞104和室温活塞105，再由压缩活塞出气孔1048和室温活塞出气孔1058排出，形成静压气浮轴承，在压缩活塞104与压缩机气缸103之间以及室温活塞105与压缩机气缸103之间形成压力气膜，该压力气膜使压缩活塞104和室温活塞105稳定悬浮于压缩机气缸103内部并具有气体润滑效应，实现压缩活塞104和室温活塞105的无磨损运动，使得运动部件无磨损、长寿命、高可靠性的稳定运行。

最后，主永磁体1102和辅永磁体1103组成的多段式磁钢在内定子108与外定子109之间产生的回复力能够自动驱动永磁组件110对中到驱动电机的平衡位置，实现自定心；这种多段式磁钢能够限制压缩活塞104的轴向往复运动行程，有效避免了因压缩活塞104位置未知而超过行程撞击压缩机气缸103或板簧114导致的驱动电机启动失败，避免了复杂的自由活塞启动控制程序，实现了复杂苛刻条件下(不同姿态、不同环境温度及不同力学过载条件)驱动电机高效和可靠启动；同时自定心回复力可保证制冷机正常运行过程的相位和幅值的一致性，有效降低了对置电机的残余力，实现低振动输出；这种多段式磁钢提高了电机的推力系数，实现驱动电机在小体积条件下获得大推力，通过调整运行频率和充气压力，实现驱动电机与压缩机1、脉管冷指4的最优匹配，从而实现驱动电机的高效率，将电功高效转化成声功，实现整机的高效运行，获得最优的制冷效率。

综上，针对传统的斯特林制冷机和脉管制冷机存在的体积大、重量大、功耗大、效率低、振动大及无法实现长寿命等问题，本发明首次采用全气浮轴承无磨损支撑技术，即压缩活塞104和室温活塞105在压缩机气缸103内均通过气浮轴承支撑，提高制冷机寿命至10年以上，舍去了传统的膜片弹簧及其复杂支撑结构，实现了结构紧凑、小体积及轻重量；采用室温活塞功回收技术回收脉管45热端膨胀功，实现相位可调，提高了制冷效率；同时室温活塞105替代传统的气库-惯性管调相机构，室温活塞105耦合嵌入压缩机1内部，实现了脉管冷指4小型化和轻量化；两个线性压缩机构对置布置相互抵消振动、分置结构隔振技术及脉管无运动部件，实现了压缩机1和脉管冷指4低振动输出干扰；采用自由活塞自定心回复力可调直线技术，实现自由活塞启动、高效运行及相位的匹配一致性，压缩机效率提升至92％以上；采用动磁式驱动电机，外定子109的环形绕组1093采用外置结构与内部工质相互独立，消除了线圈飞线和工质污染问题，提高了压缩机1的可靠性和寿命；同轴脉管冷指具有振动小、结构紧凑、尺寸小、重量轻及使用方便诸多优点。

实施例二

如图17所示，本实施例与实施例一的区别在于：压缩机气缸103沿轴向分为两段，分别为气缸大头1035和气缸小头1036，气缸大头1035的内径和外径均大于气缸小头1036；压缩活塞104位于气缸大头1035内并与气缸大头1035形成间隙密封，室温活塞105位于气缸小头1036内并与气缸小头1036形成间隙密封；气缸小头1036嵌套在气缸安装筒1011的内孔中进行定位，气缸大头1035的端面与压缩机换热器基体1021的端面焊接；气缸大头1035上沿周向均匀分布有多个贯穿孔1033，贯穿孔1033贯穿气缸大头1035的端面；气缸大头1035的外周设有气缸法兰1032，支撑筒111的筒体套在气缸大头1035外部，支撑筒111的底部法兰焊接在气缸法兰1032的端面；气缸大头1035上设有用于安装内定子108的外螺纹。

实施例三

如图18所示，本实施例与实施例一的区别在于：永磁组件110采用外置式结构，主永磁体1102和辅永磁体1103均通过高强度胶水粘贴在永磁体骨架1101的外侧面。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。