一种气体轴承线性压缩机及线性制冷机

技术领域

本发明涉及线性制冷机技术领域，特别涉及一种气体轴承线性压缩机及线性制冷机。

背景技术

线性压缩机具有无油运行、机械磨损小、效率高、寿命长等特点，广泛用作斯特林制冷机、脉冲管制冷机等低温机械制冷机的压力波发生器。

间隙密封技术是线性压缩机实现无油运行、低磨损及高可靠性的关键。目前，工程应用的线性压缩机的活塞与气缸单边密封间隙通常小于10um且两者同轴度要求较高。工程上通常采用多片柔性板弹簧组支撑活塞部件以减少活塞与气缸之间的干摩擦。板弹簧组的使用增加了压缩机的重量、尺寸、活塞气缸装配难度及成本，因此开发新型支撑技术成为研究趋势。

气体轴承技术是一种用气体做润滑介质的支撑技术，常用于旋转类机械，后被引用于直线往复式机械，如线性压缩机。气体轴承技术需要持续的向活塞与气缸之间输入高压气体，并持续维持单向的压力势差；而斯特林制冷机及脉冲管制冷机采用的线性压缩机产生的是正弦型压力波，因此必须在线性压缩机上设立一套高压系统来实现气体轴承所需的单向压力差。线性压缩机气体轴承结构所需的高压系统可采用外部高压供气系统，也可以采用内部高压供气系统。外部高压系统由于需要额外的设备，不利于实际工程应用。

因此，如何设计线性压缩机的内部供气型气体轴承结构具有重要的应用价值。此外，随着低温制冷机的小型化，线性压缩机的常规内部供气型气体轴承结构将不再适用，亟需开发新型气体轴承结构。常规线性压缩机内部供气型气体轴承结构(如专利CN204677392U及CN 104806471A)采用在中空活塞的端面安装单向阀片，同时在活塞柱面布置节流元件(如节流小孔或者多空介质)结构。其工作原理为：当活塞压缩气体到某一压力时，活塞端面的单向阀片打开，压缩腔内的高压气体进入活塞内部的空腔内，当活塞反方向运动进行膨胀过程时，由于活塞内部腔室气压大于压缩腔气压，单向阀片关闭；在整个工作工程中，活塞空腔内的高压气体通过活塞柱面的节流元件进入活塞与气缸间隙形成一层气膜，气膜支撑起活塞，避免了活塞与气缸直接接触。

根据常规线性压缩机内部供气型气体轴承结构的工作原理可知该气体轴承结构存在以下缺陷：

1)为实现气体轴承的连续工作，该结构必须保证单向阀片开启到关闭的短暂过程中流入活塞中空腔室的高压气体量可以满足压缩机整个工作过程中气体轴承连续工作所需的最小气量。这要求活塞中空腔室必须足够大，即活塞尺寸必须大，这不利于线性压缩机及制冷机的小型化。

2)随着线性压缩机的小型化，当线性压缩机的活塞直径较小(通常小于9mm)时，位于活塞端面的单向阀片设计难度和安装难度激增，最终在工程上无法实现，该气体轴承结构将彻底失效。

3)该气体轴承结构的高压气体来自于压缩腔内的高压气体，其减少了线性压缩机向冷指的输气量，降低了制冷机的整机效率。

由此，目前需要有一种方案来解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种技术方案：线性压缩机采用阶梯活塞型气体轴承结构，当压缩机工作时，能在活塞与气缸之间持续产生气膜，避免了活塞与气缸的接触摩擦，提高了制冷机的可靠性。至少可以解决现有技术中存在的部分问题。

一种气体轴承线性压缩机，包括直线电机、阶梯活塞和气缸，所述直线电机驱动所述阶梯活塞在所述气缸中往复运动，所述阶梯活塞包括一级活塞以及同轴连接于一级活塞后端且直径大于一级活塞的二级活塞，所述气缸包括与一级活塞相配合的主气缸以及与二级活塞相配合的副气缸，所述一级活塞通过位于一级活塞与主气缸之间的气体轴承支撑；所述二级活塞压缩时产生的压缩气体为所述气体轴承供气。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述主气缸的侧壁上设置有节流元件，主气缸的外围设置有与节流元件连通的储气腔，所述二级活塞的前端与所述副气缸之间形成气体轴承压缩腔，所述储气腔与所述气体轴承压缩腔连通。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述储气腔与所述气体轴承压缩腔通过开设于所述副气缸前端的排气流道连通，所述排气流道靠近所述储气腔的一侧设有排气阀片。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述二级活塞上设置有连通所述气体轴承压缩腔与该线性压缩机的背压腔的吸气流道，所述吸气流道靠近所述气体轴承压缩腔的一侧设置有吸气阀片。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述储气腔由气缸和压缩机壳体围设形成。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述阶梯活塞还包括同轴连接于二级活塞后端的支撑段，所述支撑段穿过直线电机且后端通过板弹簧支撑。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述直线电机包括于压缩机壳体内依次由外向内设置的外磁轭、线圈、永磁体、内磁轭；所述支撑段穿过所述内磁轭且后端与所述永磁体连接。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述主气缸的前端设置排气口，用于与连管连通。

作为本发明所述的一种线性制冷机的优选方案，所述直线电机为动圈式、动磁式及动铁式其中的任意一种。

本发明提供另一种技术方案：

一种线性制冷机，包括上述的气体轴承线性压缩机，还包括冷指，所述线性压缩机通过连管与冷指连接。

相对于现有技术，本发明提出一种气体轴承线性压缩机及线性制冷机，该制冷机具有的优点如下：

1)活塞与气缸无接触摩擦，制冷机可靠性高

线性压缩机采用阶梯活塞型气体轴承结构，当压缩机工作时，能在活塞与气缸之间持续产生气膜，避免了活塞与气缸的接触摩擦，提高了制冷机的可靠性。

2)气体轴承设计及安装难度低，压缩机结构紧凑，利于小型化

采用阶梯活塞的外环活塞作为气体轴承的工作活塞，其尺寸较大，利于吸气阀片设计及安装；储气腔独立于活塞，这解除了气体轴承对线性压缩机的工作活塞尺寸的限制，使得线性压缩机可以微型化；独立的储气腔带来更大的阀片安装空间，利于排气阀片的设计与安装；阶梯活塞的采用使得气体轴承系统与制冷机气体系统高度耦合，使得压缩机及制冷机结构更加紧凑。

3)制冷机效率高

新型阶梯活塞型气体轴承系统几乎不会消耗主压缩腔内的高压气体，不会降低线性压缩机向冷指的输气量，因此不会降低制冷机的制冷效率。新型阶梯活塞型气体轴承线性低温制冷机理论上不存在传统气体轴承结构导致制冷机整机效率降低的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明涉及的气体轴承线性压缩机及线性制冷机示意图；

图2为本发明涉及的气体轴承线性压缩机及线性制冷机示意图；

图3为本发明涉及的气体轴承线性压缩机及线性制冷机系统工作流程图。

附图标号说明：

冷指1、连管2、线性压缩机3、排气口4、主气缸5、排气阀片6、吸气阀片7、阶梯活塞8、外磁轭9、线圈10、永磁体11、内磁轭12、板弹簧13、壳体14、背压腔15、吸气流道16、气体轴承压缩腔17、排气流道18、节流元件19、储气腔20。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如附图1-3所示，一种气体轴承线性压缩机，包括直线电机、阶梯活塞8和气缸，直线电机驱动所述阶梯活塞8在所述气缸中往复运动，所述阶梯活塞8包括一级活塞以及同轴连接于一级活塞后端且直径大于一级活塞的二级活塞，气缸包括与一级活塞相配合的主气缸5以及与二级活塞相配合的副气缸，一级活塞通过位于一级活塞与主气缸5之间的气体轴承支撑；二级活塞压缩时产生的压缩气体为所述气体轴承供气。本发明通过设置阶梯活塞以及对应的阶梯气缸结构，二级活塞压缩时产生的压缩气体为一级活塞与主气缸之间的气体轴承供气，实现压缩机的自体供气，而不需要采用独立的供气装置，结构简单紧凑。

主气缸5的侧壁上设置有节流元件19，主气缸5的外围设置有与节流元件19连通的储气腔20，所述二级活塞的前端与所述副气缸之间形成气体轴承压缩腔17，所述储气腔20与所述气体轴承压缩腔17连通。二级活塞压缩时于活塞前端与副气缸之间形成的副压缩腔即气体轴承压缩腔17中产生压缩气体，压缩气体进入储气腔20中，通过节流元件19持续不断地进入主气缸5与一级活塞之间的间隙中，形成持续的气膜，避免一级活塞与主气缸5之间接触摩擦。

本实施例中，通过在压缩机壳体14内设置气缸体，气缸体包括圆筒部以及自圆筒部后端四周垂直向外侧延伸的环形部，所述圆筒部的前端与压缩机壳体14的前端面抵接，二者围设形成主气缸，所述环形部的外侧与压缩机壳体14的内侧壁抵接，环形部与其后端的部分压缩机壳体14围设形成副气缸。所述储气腔20由气缸和压缩机壳体14内腔围设形成，具体利用气缸体与压缩机壳体14围成的空间作为储气腔20，不需要额外设置储气腔20的结构，且利用压缩机壳体14作为副气缸的圆筒部分，使得整个压缩机的结构简单紧凑。为适应上述结构的设置，所述压缩机壳体14前端部分的直径小于后端部分的直径，整体也呈现阶梯形，具体为压缩机壳体14的前端部分的直径与二级活塞的外径相匹配，后端部分由于要安装直线电机，其直径大于前端部分。

所述储气腔20与所述气体轴承压缩腔17通过开设于所述副气缸前端即气缸体环形部上的排气流道18连通，所述排气流道18靠近所述储气腔20的一侧设有排气阀片6。

所述二级活塞上设置有连通所述气体轴承压缩腔17与该线性压缩机的背压腔15的吸气流道16，所述吸气流道16靠近所述气体轴承压缩腔17的一侧设置有吸气阀片7。

所述阶梯活塞8还包括同轴连接于二级活塞后端的支撑段，所述支撑段穿过直线电机且后端通过板弹簧13支撑，所述板弹簧13连接在压缩机壳体14内壁上。

所述直线电机包括于压缩机壳体14内依次由外向内设置的外磁轭9、线圈10、永磁体11、内磁轭12；所述支撑段穿过所述内磁轭12且后端与所述永磁体11连接。整个阶梯活塞前端通过气体轴承支撑，后端通过板弹簧支撑，实现阶梯活塞支撑的可靠性。

所述主气缸5的前端设置排气口4，用于与连管2连通。

工作流程图如图3所示。当阶梯活塞8向左移动时，吸气阀片7和排气阀片6均关闭，气体轴承压缩腔17内工作气体被压缩后升压，当气体压力达到一定值时，排气阀片6开启，气体轴承压缩腔17中的工作气体通过排气流道18后被排入储气腔20，储气腔20中气体增多且压力升高，气体通过主气缸5中的节流元件19进入活塞与气缸间隙并形成一层气膜，该气膜支撑起活塞及整个动子组件，避免了活塞与气缸之间的干摩擦。当阶梯活塞8向右移动时，排气阀片6关闭，气体轴承压缩腔17内气压降低，当气压低于某一值后，吸气阀片7打开，工作气体从背压腔15与活塞气缸间隙通过吸气流道16后进入气体轴承压缩腔17，如此循环。该气体轴承结构可经过精确计算，实现储气腔20持续不断地向节流元件19供气，达到活塞与主气缸5之间存在持续气膜的目的。

实施例2

如附图1-3所示，本发明涉及的线性制冷机，该制冷机由冷指1、连管2及线性压缩机3组成。线性压缩机3通过连管2与冷指1连接。

其工作原理为：工作气体在压缩机中被压缩后通过连管2进入膨胀机，在膨胀机冷端膨胀产生制冷量，膨胀后的气体从膨胀机流经连管2后回到压缩机的压缩腔，完成整个循环。

实施例3

气体轴承线性压缩机，不同于实施例1的特征体现在：阶梯活塞8的尺寸及数量结构，气体轴承结构数量的结构可以做出更改设计。

实施例4

气体轴承线性压缩机，不同于实施例1的的特征体现在：吸气流道16、排气流道18位置及尺寸的结构，吸气阀片、排气阀片种类及尺寸的结构，节流元件19种类及尺寸的结构，均可以根据需要更改。更换直线电机种类及数量的结构，包括动圈式、动磁式及动铁式等。

实施例5

线性制冷机，不同于实施例2的的特征体现在：包括设置两台及多台本发明涉及的线性压缩机3呈直线放置等结构。冷指1可以设计为斯特林型冷指和脉管型冷指等。

本申请线性压缩机采用阶梯活塞型气体轴承结构，当压缩机工作时，能在活塞与气缸之间持续产生气膜，避免了活塞与气缸的接触摩擦，提高了制冷机的可靠性。

采用阶梯活塞的外环活塞作为气体轴承的工作活塞，其尺寸较大，利于吸气阀片7设计及安装；储气腔20独立于活塞，这解除了气体轴承对线性压缩机的工作活塞尺寸的限制，使得线性压缩机可以微型化；独立的储气腔20带来更大的阀片安装空间，利于排气阀片6的设计与安装；阶梯活塞8的采用使得气体轴承系统与制冷机气体系统高度耦合，使得压缩机及制冷机结构更加紧凑。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。