一种直线压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种直线压缩机。

背景技术

在低温技术领域，利用流体的交变流动回热产生制冷效应的制冷机(如热声制冷机、斯特林制冷机和脉管制冷机等)主要采用无阀形式的直线压缩机作为压力波发生器，以实现制冷流体周期性的压缩和膨胀。直线压缩机取消了传统往复式活塞压缩机的曲柄连杆机构，直接采用直线电机驱动，减少了中间的运动传递环节，使得压缩机效率和可靠性大大提高，从而获得广泛的关注和应用。

目前，应用于交变流动回热式制冷机压力波发生器的直线振荡电机主要有动圈式和动磁式两种结构。相比于动圈式直线电机，动磁式在可靠性和性能方面更具优势，该结构形式的直线振荡电机的交变磁场由励磁线圈和导磁材料组成，动子部分采用永久磁体产生恒定磁场，这种结构形式的直线电机具有磁路损失小、比推力大等优点。

现有的技术应用的圆筒形直线振荡电机驱动的低温无阀直线压缩机，多采用在压缩机机芯两侧布置板簧作为支撑，实现压缩机活塞与气缸的无接触运行。在压缩机机芯两侧布置谐振板弹簧需预留至少大于板弹簧运行距离的轴向尺寸空间，导致压缩机尺寸较大。同时因零部件加工精度和工人安装精度的影响，为保证压缩机活塞与气缸完全无接触运行，需要采用尺寸较大的气缸与活塞进行间隙配合，但是这种配合方式导致压缩腔到背压腔的高压气体泄漏严重，从而导致压缩机运行压比无法进一步提高。

发明内容

本发明提供一种直线压缩机，用以解决现有技术中为保证压缩机活塞与气缸完全无接触运行，采用尺寸较大的气缸与活塞进行间隙配合，容易导致压缩腔到背压腔的高压气体泄漏严重的缺陷。

为了解决上述问题，本发明提供一种直线压缩机，包括机壳，以及位于所述机壳内的压缩机机芯，所述压缩机机芯包括直线电机组件和活塞组件；

其中，所述活塞组件包括气缸和活塞，所述活塞通过气体轴承与所述气缸相接触并同轴配合套设于所述气缸内，所述气体轴承通过储气腔为其供气；

所述储气腔上开设有储气通道和供气通道，所述储气通道连接在与所述气缸和所述活塞形成的压缩腔相连通的第二通道上，且在所述储气通道上设有控制阀，所述供气通道与所述气体轴承相连。

根据本发明提供的直线压缩机，所述直线电机组件由定子和动子构成；

所述定子包括同轴布置的内定子和外定子，所述内定子与所述外定子之间存在气隙；

所述动子嵌设于所述气隙内，包括同轴设置的动子骨架和环形永磁体，所述动子骨架一体设置或组装设置；所述活塞同轴设于所述动子内侧，与所述动子骨架相连。

根据本发明提供的直线压缩机，所述定子两端分别设有第一紧固座和第二紧固座，所述气缸安装于所述第二紧固座上。

根据本发明提供的直线压缩机，所述活塞与所述机壳之间设有防撞结构，用于防止所述活塞与所述机壳之间发生刚性碰撞。

根据本发明提供的直线压缩机，所述储气腔开设于所述机壳、所述气缸、所述第二紧固座或所述防撞结构上；

所述供气通道和所述储气通道分别对应布置在所述机壳、所述气缸、所述第二紧固座或所述防撞结构上。

根据本发明提供的直线压缩机，所述机壳上至少设有第一通道，所述第一通道通过所述第二通道与所述压缩腔相连。

根据本发明提供的直线压缩机，所述动子骨架由第一永磁紧固件和第二永磁紧固件组装构成，所述环形永磁体同轴安装于所述第一永磁紧固件和所述第二永磁紧固件构成的动子骨架内部。

根据本发明提供的直线压缩机，所述第一紧固座上连接有片弹簧组件，所述片弹簧组件还与所述活塞相连；

其中，所述片弹簧组件由若干个片弹簧沿轴向依次间隔叠放构成；

所述片弹簧为分布在同一平面内或同一平面附近的弹性构件，包括自由端，和用于连接各个自由端的弹性过渡部。

根据本发明提供的直线压缩机，所述机壳内位于所述活塞相对所述压缩腔的一侧为背压腔，所述背压腔内设有减振结构；

所述减振结构包括减振弹簧和减振块，所述减振弹簧与所述活塞同轴设置；

所述减振块安装于所述减振弹簧的中部，所述减振弹簧的一端与所述片弹簧组件相连，另一端与所述机壳连接。

根据本发明提供的直线压缩机，所述机壳内设有一组所述压缩机机芯或者两组所述压缩机机芯，两组所述压缩机机芯对称设置。

本发明提供的直线压缩机，通过与气缸同轴安装或嵌装气体轴承，并在机壳上开设储气腔，储气腔作为气体轴承稳定的高压供气源，通过供气通道向气体轴承提供高压气体，使得直线压缩机中动子带动活塞在气缸内做往复运动时，气体轴承在活塞和气缸的间隙中产生稳定的气体润滑膜，气体润滑膜在气缸和活塞配合往复运动过程中起到很好的支撑和润滑作用，实现直线压缩机气缸和活塞的无接触运行，并有效阻止压缩腔内的高压气体沿着活塞与气缸之间的气隙进入背压腔中，以防止高压气体泄漏。

进而采用气体轴承配合片弹簧组件为活塞提供协同支撑，以实现直线压缩机的无油润滑，减小高压气体在气缸和活塞之间产生的间隙泄漏，避免直线压缩机因接触运行的机械磨损而产生的污染，确保直线压缩机运行的高效性和可靠性，并因片弹簧组件本身的结构能有效缩小压缩机的轴向尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明直线压缩机第一种实施方式中一个压缩机机芯沿轴向的剖视图；

图2为本发明直线压缩机第一种实施方式中一个压缩机机芯沿径向的剖视图；

图3为本发明直线压缩机第一种实施方式中两个压缩机机芯沿轴向的剖视图；

图4为本发明直线压缩机第二种实施方式中一个压缩机机芯沿轴向的剖视图；

图5为本发明直线压缩机第二种实施方式中两个压缩机机芯沿轴向的剖视图；

图6为本发明直线压缩机另一种实施方式中两个压缩机机芯沿轴向的剖视图；

图7为图6所示的直线压缩机沿其径向的剖面结构示意图；

图8为本发明直线压缩机再一种实施方式中两个压缩机机芯沿轴向的剖视图。

附图标记：

1：机壳； 11：壳体； 12：第一端盖；

13：第二端盖； 2：压缩机机芯； 21：直线电机组件；

211：内定子； 212：外定子 213：动子骨架；

2131：第一永磁紧固件； 2132：第二永磁紧固件； 214：环形永磁体；

215：励磁线圈； 22：活塞组件； 221：气缸；

222：活塞； 223：气体轴承； 224：储气腔；

225：储气通道； 226：供气通道； 227：压缩腔；

228：第二通道； 229：背压腔； 230：第一通道；

23：第一紧固座： 24：第二紧固座； 25：防撞结构；

26：片弹簧组件； 27：减振结构； 271：减振弹簧；

272：减振块；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图8，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下描述仅是本发明的示意性实施方式，并未对本发明构成任何限定。

请详细参阅图1至图3，作为本发明的第一种实施方式，本发明提供一种直线压缩机，包括机壳1，以及位于机壳1内的压缩机机芯2，压缩机机芯2包括直线电机组件21和活塞组件22。

其中，活塞组件22包括气缸221和活塞222，活塞222通过气体轴承223与气缸221相接触，并同轴配合套设于气缸221内侧；气体轴承223通过储气腔224为其供气，储气腔224上开设有储气通道225和供气通道226，储气通道225连接在与气缸221和活塞222形成的压缩腔227相连通的第二通道228上，且在储气通道225上设有控制阀(图中未示出)，供气通道226与气体轴承223相连。

具体而言，活塞222具有第一端和第二端，气缸221同轴配合套设于活塞222的第二端外侧。如图1和图2所示，储气腔224靠近活塞222的第二端设置，可以开设于压缩机机芯2的紧固座、气缸221或机壳1当中任意一者的内部，以及能够容纳储气腔224的任意位置，供气通道226和储气通道225分别对应布置在压缩机机芯2的紧固座、气缸221和机壳1中；气体轴承223与气缸221同轴连接，嵌装于气缸221的内侧壁上；储气腔224通过储气通道225收集高压气体，并通过供气通道226与气体轴承223的外侧面连通为气体轴承223供气。

另外，活塞222的第二端、气缸221以及机壳1的密封面共同形成压缩腔227，机壳1内位于活塞222相对压缩腔227的一侧为背压腔229。

在工作磁场的作用下，活塞222在气缸221内往复运动时，压缩腔227内形成气体压力波，脉动的高压气体随着压缩腔227内压强的增大逐渐进入第二通道228，排至压缩机外部；在经过第二通道228时，部分高压气体通过控制阀定向进入储气腔224。

在活塞222相对于气缸221继续做往复运动的过程中，储气腔224内缓存的高压气体通过供气通道226向气体轴承223进行供气，为气体轴承223提供持续稳定的高压气源，使气体轴承223在气缸221和活塞222的间隙中产生稳定的气体润滑膜，不但可以使气缸221和活塞222在配合往复运动过程实现良好的气体浮动支撑及润滑作用，而且可以阻止压缩腔227内的高压气体沿着活塞222与气缸221之间的气隙进入背压腔229中，以防止高压气体泄漏。

在一个实施例中，储气腔224以开设在机壳1上为例进行说明，在机壳1上至少设有一个第一通道230，第一通道230通过第二通道228与压缩腔227连通，以使压缩腔227内的高压气体依次经过第二通道228和第一通道230，将压缩腔227内的高压气体排至压缩机外部。

具体的，第一通道230和第二通道228均开设于机壳1上，且第一通道230和第二通道228相贯连接。以减小压缩机的尺寸为目的，在设置第一通道230和第二通道228的位置关系时，可以设置为相互垂直的位置关系。还可以根据使用需要设置为其他的位置关系，在此不作限定。

在一个实施例中，控制阀为单向阀，用于控制压缩腔227内的高压气体经过第二通道228和储气通道225定向进入储气腔224内，以防止储气腔224内的高压气体逆向流出。

在一个实施例中，直线电机组件21由定子和动子构成；其中，定子包括同轴布置的内定子211和外定子212，内定子211与外定子212之间存在圆筒状气隙；动子嵌设于该圆筒状气隙内，动子包括同轴设置的动子骨架213和环形永磁体214，环形永磁体214固定安装在动子骨架213内。

具体的，动子骨架213可以为一体式设置或组装式设置，具体的设置方式根据使用环境来决定，比如本发明的直线压缩机用于制冷机时，动子骨架213可采用组装式设置，具体的原因，参见后面改进的实施方式。

另外，活塞222同轴设于动子内侧，通过活塞222支架与动子骨架213相连，以使动子运动时，活塞222随同动子相对于气缸221进行往复运动。

更进一步的，内定子211和外定子212的铁芯均呈空心圆柱状，且在内定子211的铁芯外侧壁或外定子212的铁芯内侧壁设置沿周向布置的励磁线圈215。

具体的，在外定子212的铁芯内侧壁还设有多个沿圆周排布的凸起，每个凸起上均绕装有一个励磁线圈215。

直线电机组件21的具体结构是在励磁线圈215的圆周上安装导磁材料，形成与励磁线圈215同心的圆筒形气隙的磁路结构，由圆筒形的内定子211、外定子212组成气隙，径向充磁的圆筒形永磁体在气隙中作往复运动，。

在一个实施例中，定子两端分别设有第一紧固座23和第二紧固座24，两个紧固座分别用于固定安装定子和/或气缸221。

其中，第一紧固座23靠近背压腔229安装，第二紧固座24靠近压缩腔227安装，气缸221安装于第二紧固座24上。

与此同时，为了提高活塞222的工作性能，可在活塞222的表面涂覆一层耐磨自润滑涂层，耐磨自润滑涂层包括类石墨涂层(GLC)、聚醚醚铜涂层(PEEK)、聚酰亚胺树脂涂层(PI)、类金刚石涂层(DLC)、特氟龙涂层(Teflon)、二硫化钼涂层(MoS

请详细参阅图4至图8，作为本发明的第二种实施方式，本发明在上述实施方式的基础上，活塞222与机壳1之间设有防撞结构25，具体为活塞222的第二端与机壳1之间设有防撞结构25，储气腔224设于该防撞结构25内。

当直线压缩机发生撞缸运行时，也即直线压缩机中动子过行程运行时活塞222与机壳1的密封面容易发生刚性碰撞。增设防撞结构25以避免活塞222与机壳1的密封面发生刚性碰撞，从而提高直线压缩机运行的可靠性和稳定性，进一步提高直线压缩机的使用寿命。

具体的，防撞结构25为排气垫片，储气腔224可以开设于该排气垫片上，或者储气腔224具有一外壳，直接放置于该排气垫片内，在排气垫片上构造中间贯通孔，相当于上述第一种实施方式中的第二通道228，以及储气通道225，相当于上述第一种实施方式的储气通道225。

请详细参阅图1、图3和图8，作为本发明的第三种实施方式，为上述第一种实施方式的一种改进，即动子骨架213由第一永磁紧固件2131和第二永磁紧固件2132组装构成，环形永磁体214同轴安装于第一永磁紧固件2131和第二永磁紧固件2132构成的动子骨架213内部。

该组装方式有效避免了现有技术中环形永磁体214需要通过胶水粘接于动子骨架213上的问题。因为胶水粘接之后，由于存在挥发性气体杂质，当本发明的直线压缩机用于制冷机时，影响制冷机的换热性能。并且该组装方式相比较一体式的动子骨架213，整体质量增加，使其同时沿轴向作往复运动时，有效降低直线压缩机的固有频率。

值得注意的是，环形永磁体214同轴安装于第一永磁紧固件2131和第二永磁紧固件2132内部，可理解为环形永磁体214固定安装或者可拆卸安装，具体的安装形式应做广义理解，当选用固定安装的方式时，可以将环形永磁体214焊接于第一永磁紧固件2131或第二永磁紧固件2132上。

当选用可拆卸安装的方式时，可以将环形永磁体214装配于第一永磁紧固件2131和第二永磁紧固件2132上，并通过螺纹连接将两个永磁紧固件固定；或者采用卡箍连接，将环形永磁体214装配于第一永磁紧固件2131和第二永磁紧固件2132上。

请详细参阅图8，作为本发明的第四种实施方式，将内定子211安装于活塞222的本体上，使内定子211与活塞222构成一体式的组合件，进而通过活塞222支架与动子骨架213连接。

由于活塞222和内定子211一体式安装，使得动子总体质量上升，使其同时沿轴向作往复运动时，有效降低直线压缩机的固有频率，进而减小由于动子质量增加带来的径向位移，同时较低的运行频率更有利于直线压缩机与低温制冷机冷头的匹配，以提升低温制冷机的整机性能。

需要进一步说明的是，内定子211与动子一体式安装，除了可将内定子211直接与活塞222的本体同轴套装以外，也可通过连接件将内定子211固定于活塞222的本体上，或者将环形永磁体214与内定子211同时安装于活塞222的本体上，在此不做一一举例。

请详细参阅图1至图8，作为本发明的第五种实施方式，在上述各个实施方式的基础上，且与上述各个实施方式不同的是，为了减小活塞222在气缸221中的径向位移，起到较好的谐振作用，在第一紧固座23上连接有片弹簧组件26，片弹簧组件26的两端均连接于第一紧固座23上，片弹簧组件26的中部固定于活塞222支架上。

片弹簧组件26配合协同气体轴承223，使活塞222在气缸221内做往复运动时，对活塞222提供径向支撑，有效减小活塞222与气缸221之间的接触式滑动摩擦，以实现活塞222在气缸221内进行无接触式地往复运动，从而达到直线压缩机无油润滑的目的。

具体的，片弹簧组件26由多个片弹簧沿轴向依次间隔叠放构成。在第一紧固座23上相应地设有多层用于固定片弹簧的安装位和平垫圈(图中均为标号)，每层安装位对应安装一个片弹簧，相邻两个片弹簧的间隔叠放有利于防止相邻两个片弹簧在谐振过程中发生干涉，并由此产生噪音。并且，通过多个片弹簧组合而成的片弹簧组件26具有更好的刚性，能够较好地实现能量的存储，为活塞222的往复运动提供径向支撑。

更为具体的，片弹簧为分布在同一平面内或同一平面附近的弹性构件，它包括自由端，和用于连接各个自由端的弹性过渡部，由此，片弹簧对其相应的弹性过渡部是否分布在同一平面内没有严格的限定。弹性过渡部为多个直线段或曲线段首尾依次连接而成。

在此还应指出的是，片弹簧的一种形状可采用弹簧线材在同一个平面内经多次折弯加工而成，显然，片弹簧的一种形状内包括直线段、曲线段及其组合，弹簧线材截面可为圆形、椭圆形、方形或三角形，在此不作具体限制。由此，折弯得到片弹簧的形状可为“S”型、“C”型、“Z”型、“L”型、“ㄥ”型、“V”型、“U”型、“∠”型、“┓”型、“く”型、“へ”型、“J”型等。片弹簧还可以采用其他的形状，在此不做赘述。

在本实施例中，通过在第一紧固座23的一端设置片弹簧组件26，也即间接在定子的其中一端设置片弹簧组件26，本发明的直线压缩机中活塞222在励磁线圈215产生的交变电磁场的作用下，活塞222随同与其连接的动子作往复运动时，片弹簧组件26作为储能元件，能够起到较好的谐振作用。

另外，片弹簧组件26相比于现有的直线压缩机内置的谐振弹簧而言，具有较小的轴向尺寸，从而可大幅度地缩减直线压缩机的轴向尺寸。

与此同时，片弹簧的制作成本低，并具有较大的径向与轴向刚度比，通过片弹簧对活塞222进行径向定位安装，可有效避免活塞222在沿轴向往复运动的过程中产生的径向位移，有效减小了活塞222与气缸221之间的接触式滑动摩擦，以实现活塞222在气缸221内进行无接触式地往复运动，进一步确保了直线压缩机工作运行的稳定性和可靠性，并使得直线压缩机在工作运行时，既可进行无油润滑，也可进行有油润滑，实现了工作模式的多样化选择。

另外，片弹簧组件26还能够有效避免现有的谐振弹簧工作时相邻簧丝之间发生的干涉，有效降低了直线压缩机工作时的噪音。

请详细参阅图4和图8，作为本发明的第六种实施方式，在上述实施方式的基础上，且与上述实施方式不同的是，背压腔229内装有减振结构27，减振结构27的一端与片弹簧组件26的中部连接，另一端与机壳1连接。

具体的，减振结构27可以为弹簧、弹片及弹性杆等其中的一个或组合，本实施例中的减振结构27包括减振弹簧271和减振块272；减振弹簧271与活塞222同轴设置；减振块272安装于减振弹簧271的中部，减振弹簧271的一端与片弹簧组件26的中部连接，另一端与机壳1连接。

由于直线压缩机中的动子通过片弹簧组件26与第一紧固座23相连接，由此，动子协同活塞222在进行往复运动时，会由于片弹簧组件26的谐振及运动过程中的摩擦造成该直线压缩机的机身产生微小的振动，此时可以通过减振块272的振动，产生一个与直线压缩机的机身反向的作用力，从而抵消直线压缩机机身上的振动，进而达到对直线压缩机机身减振的效果。

请详细参阅图1、图3、图5、图6和图8，作为本发明的第七种实施方式，在上述实施方式的基础上，且与上述实施方式不同的是，机壳1内设置有一个压缩机机芯2；或者，机壳1内设置有两个压缩机机芯2，两个压缩机机芯2沿着活塞222的轴向排布，并呈对置式设置。

并且，两个压缩机机芯2的压缩腔227所连通的第二通道228与机壳1上开设的第一通道230相连通。和/或，气缸221与机壳1之间装有防撞结构25，防撞结构25上构造有中间贯通孔，中间贯通孔与机壳1上开设的第一通道230相连通。

另外，需要说明的是，上述各个实施方式中，能够应用在一侧压缩机机芯2上的结构或者改进的结构，均适用于机壳1内对称设置的两个压缩机机芯2。

为了使本发明的技术方案更为清楚、完整的实现，基于上述各个实施方式的描述，对本发明的直线压缩机进行如下更为详细的描述。

如图1至图8所示，在实施过程中，机壳1包括壳体11和端盖，壳体11的横截面的形状可以为多边形，端盖的形状与壳体11的形状相适应；端盖包括第一端盖12和第二端盖13，压缩机机芯2位于壳体11内，第一端盖12和第二端盖13分别固定安装在壳体11的两端，将压缩机机芯2密封容置于壳体11内。

其中，本实施例中，第一通道230、第二通道228、储气腔224以及储气通道225均开设于壳体11上。

内定子211与外定子212之间为圆筒状气隙，动子骨架213与环形永磁体214共同构成的动子嵌装于圆筒状气隙内；其中，动子骨架213呈杯状结构；活塞222同轴位于动子的内侧，且活塞222的第一端通过活塞222支架连接动子骨架213，由此，活塞222与动子构成一体式运动部件。

内定子211和外定子212的铁芯均由相应形状的多个硅钢片叠装而成。如图1所示，在外定子212的铁芯的内侧壁设置沿周向布置的励磁线圈215，内定子211设为纯铁芯结构。当然，也可在内定子211的铁芯的外侧壁设置沿周向布置的励磁线圈215，将外定子212设为纯铁芯结构，在此不作具体限定。

相应地，动子包括一组环形永磁体214，该环形永磁体214的磁极沿径向排布，即环形永磁体214内侧的磁极为N极，外侧的磁极为S极，或环形永磁体214内侧的磁极为S极，外侧的磁极为N极，对此也不作具体限定，其中，该环形永磁体214可为一体式结构，也可为多个沿周向排布的瓦片状磁体通过定型材料连接而成，在此不作具体限定。

在此还应指出的是，气体轴承223套为多孔质材料的空心圆柱，从而气体轴承223套可为活塞222的外侧壁均匀地提供沿径向的气体浮动支撑，并协同片弹簧组件26对活塞222提供的径向支撑。

多孔质材料的孔径为0.1微米至1000微米，为铁、铝、铜等金属粉末或铁、铝、铜等金属丝网或碳粉、石墨粉、二氧化硅粉末、工程塑料粉末等非金属粉末加工而成的透气多孔透气泡沫金属、多孔透气陶瓷或多孔透气塑料。

综上所示，本发明通过与气缸221同轴安装或嵌装气体轴承223，并在机壳1上开设储气腔224，储气腔224作为气体轴承223稳定的高压供气源，通过供气通道226向气体轴承223提供高压气体，使得直线压缩机中动子带动活塞222在气缸221内做往复运动时，气体轴承223在活塞222和气缸221的间隙中产生稳定的气体润滑膜，气体润滑膜在气缸221和活塞222配合往复运动过程中起到很好的支撑和润滑作用，实现直线压缩机气缸221和活塞222的无接触运行，并有效阻止压缩腔227内的高压气体沿着活塞222与气缸221之间的气隙进入背压腔229中，以防止高压气体泄漏。

由此可见，开设储气腔224为气体轴承223提供稳定的高压气源，进而采用气体轴承223配合片弹簧组件26为活塞222提供协同支撑，可实现直线压缩机的无油润滑，减小高压气体在气缸221和活塞222之间产生的间隙泄漏，避免直线压缩机因接触运行的机械磨损而产生的污染，确保了直线压缩机运行的高效性和可靠性，并因片弹簧组件26本身的结构能有效缩小压缩机的轴向尺寸。

最后应说明的是：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，本领域的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。