一种气体轴承线性压缩机及线性斯特林制冷机

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斯特林制冷机。

背景技术

线性压缩机作为线性斯特林制冷机的核心部件，具有共振运行、间隙密封、无曲柄连杆等复杂传动机构等特点。相比于传统旋转式斯特林制冷机，线性斯特林制冷机具有机械磨损小、电机效率高、寿命长等技术优势。

间隙密封技术是线性斯特林制冷机实现无油运行、低磨损及高可靠性的关键。为实现间隙密封，工程上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，这对支撑结构带来了挑战。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，而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。

根据调研，关于线性斯特林制冷机所采用的气体轴承技术主要应用在线性压缩机上，而忽略了膨胀机。实际上，膨胀机通常采用柱型弹簧，其径向支撑效果差于线性压缩机，因此活塞气缸存在不可避免的干摩擦，这使得膨胀机的失效时间早于压缩机，从而缩短线性斯特林制冷机的整机可靠性及寿命。

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。因此，如何设计线性斯特林制冷机的内部供气系统及覆盖所有活塞气缸的气体轴承系统，对提高线性斯特林制冷机的运行可靠性及工作寿命具有重要价值。

常规线性斯特林制冷机的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。

根据线性斯特林制冷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)常规线性斯特林制冷机仅压缩机存在气体轴承结构，而膨胀机无气体轴承结构。这导致压缩机寿命较长，而膨胀机由于存在干摩擦而寿命较短，进一步导致膨胀机失效时间早于压缩机的情况，缩短了制冷机整机的可靠性及寿命。

2)常规气体轴承结构无法适应于微小型斯特林制冷机。

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。此外，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：在传统的线性斯特林制冷机内增加了一套产生高压气体的线性压缩机系统作为气体轴承的供气气源，线性压缩机的两套气体轴承系统及膨胀机上的一套气体轴承系统通过连管与高压气源相连接，从而在所有活塞与气缸间实现了气体轴承的作用，避免了干摩擦，提高了制冷机的可靠性及寿命，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，包括直线电机系统、主活塞压缩系统和副活塞压缩系统，主活塞压缩系统和副活塞压缩系统分别位于直线电机系统的两侧且均由直线电机系统驱动，所述副活塞压缩系统产生的压缩气体同时为主活塞压缩系统和副活塞压缩系统的气体轴承供气。

作为本发明所述的一种气体轴承线性压缩机的优选方案，所述主活塞压缩系统包括主气缸以及滑动设于主气缸内的主活塞，主气缸上设置有主气缸节流元件，主气缸的外侧设置有高压储气腔B；所述副活塞压缩系统包括副气缸以及滑动设于副气缸内的副活塞，副气缸上设置有副气缸节流元件，副气缸的外侧设置有高压储气腔A，高压储气腔A与副活塞压缩系统的压缩腔连通，高压储气腔B与高压储气腔A通过内部连管连通。

作为本发明所述的一种气体轴承线性压缩机的优选方案，所述高压储气腔B由主气缸以及压缩机壳体围设形成；所述高压储气腔A由副气缸与压缩机壳体围设形成。

作为本发明所述的一种气体轴承线性压缩机的优选方案，所述副活塞的前端设置有吸气孔，所述吸气孔上设置吸气阀片，副气缸的前端设置排气孔，所述排气孔上设置排气阀片，通过吸气阀片及排气阀片的配合，使得副气缸内的工质气体周期性的进行压缩、排气、膨胀和吸气过程，排气过程产生的高压气体储存于高压储气腔A中作为气体轴承的总气源。

作为本发明所述的一种气体轴承线性压缩机的优选方案，所述直线电机系统包括柱弹簧A、外定子、电机动子、内定子、励磁元件；所述电机动子一端与副活塞固定连接，另一端与主活塞固定连接；所述柱弹簧A分别将主活塞与副活塞连接在线性压缩机壳体内；所述外定子和励磁元件环绕电机动子、内定子设置。

作为本发明所述的一种气体轴承线性压缩机的优选方案，所述副活塞直径大于主活塞直径。

作为本发明的另一种技术方案：

一种线性斯特林制冷机，包括上述任一项所的线性压缩机以及膨胀机，所述主活塞压缩系统的压缩腔通过主连管、高压连管与膨胀机连通。

作为本发明所述的一种线性斯特林制冷机的优选方案，所述副活塞压缩系统产生的压缩气体还为膨胀机的活塞压缩系统的气体轴承供气。

作为本发明所述的一种线性斯特林制冷机的优选方案，所述膨胀机的活塞压缩系统包括膨胀机气缸以及滑动设于膨胀机气缸内的膨胀机活塞，膨胀机气缸上设置有膨胀机气缸节流元件，膨胀机气缸的外侧设置有高压储气腔C，所述高压储气腔C通过高压连管与副活塞压缩系统的压缩腔连通。

作为本发明所述的一种线性斯特林制冷机的优选方案，所述膨胀机还包括膨胀腔、蓄冷器和柱弹簧B；所述膨胀腔处于膨胀机壳体内腔上方与连接主连管连通，其内部设有蓄冷器；所述蓄冷器底端连接在膨胀机活塞顶端，膨胀机活塞底端通过柱弹簧B连接在膨胀机壳体内腔下方。

相对于现有技术，本发明提出一种线性斯特林制冷机，该制冷机具有的优点如下：

1)制冷机可靠性高、寿命长

制冷机采用自体供气结构，且在所有活塞与气缸之间均安装了气体轴承结构。当制冷机运行时，包括压缩机及膨胀机在内的所有活塞与气缸之间均存在一层气膜，避免了活塞与气缸的接触摩擦，压缩机与膨胀机的理论失效时间一致，提高了制冷机整机的可靠性和寿命。

2)结构紧凑，功重比高，效率高

制冷机采用一台电机驱动两套活塞压缩系统的方式，一套活塞压缩系统产生高压气体，一套活塞压缩系统用于产生压力波，结构紧凑，节省一套电机系统，功重比高。两套活塞压缩系统相互耦合且相互回收压缩功，直线电机动子不偏移且电机效率高。此外，制冷机因气体轴承的存在，极大减少了摩擦阻尼损失功，因此制冷机整机效率得以提高。

3)适合于所有尺寸(包括微小型)的线性斯特林制冷机

制冷机的压缩机中高压供气活塞和主活塞的直径尺寸相互独立，适合于所有尺寸(包括微小型)的线性斯特林制冷机。对于微小型线性斯特林制冷机，高压供气活塞直径可以大于主活塞的直径，通过调节吸气阀片和排气阀片的尺寸及刚度来实现供气量与所有气体轴承耗气量的匹配。

4)制造成本低

制冷机由于存在气体轴承，可以避免采用价格昂贵的板弹簧组，使得采用价格便宜的柱弹簧成为可能；此外，压缩机采用两套活塞压缩系统公用一套电机的结构，进一步节省了制造成本。

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斯特林制冷机示意图。

附图标号说明：

连管1、排气阀片2、吸气阀片3、副气缸4、副气缸节流元件5、副活塞6、高压储气腔A7、柱弹簧A8、外定子9、电机动子10、内定子11、励磁元件12、主活塞13、主气缸节流元件14、主气缸15、高压储气腔B16、主连管17、高压连管18、膨胀腔19、蓄冷器20、膨胀机活塞21、膨胀机气缸22、膨胀机气缸节流元件23、高压储气腔C24、柱弹簧B25。

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

一种气体轴承线性压缩机，包括直线电机系统、主活塞压缩系统和副活塞压缩系统。主活塞压缩系统和副活塞压缩系统分别位于直线电机系统的两侧且均由直线电机系统驱动，副活塞压缩系统产生的压缩气体同时为主活塞压缩系统和副活塞压缩系统的气体轴承供气。本发明采用一台电机驱动两套活塞压缩系统的方式，主活塞压缩系统用于产生高压气体，副活塞压缩系统用于产生压力波，主活塞压缩系统和副活塞压缩系统均通过气体轴承实现活塞与气缸的对中，即在活塞与气缸之间产生一层气膜进行支撑，避免活塞与气缸的接触摩擦，本实施例通过副活塞压缩系统产生的压力波为主活塞压缩系统和副活塞压缩系统的气体轴承供气，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，节省一套电机系统，功重比高。且两套活塞压缩系统相互耦合且相互回收压缩功，直线电机动子不偏移且电机效率高。

主活塞压缩系统包括主气缸15以及滑动设于主气缸15内的主活塞13，主气缸15上设置有主气缸节流元件14，主气缸15的外侧设置有高压储气腔B16；副活塞压缩系统包括副气缸4以及滑动设于副气缸4内的副活塞6，副气缸4上设置有副气缸节流元件5，副气缸4的外侧设置有高压储气腔A7，高压储气腔A7与副活塞压缩系统的压缩腔连通，高压储气腔B16与高压储气腔A7通过内部连管1连通。

本实施例中，高压储气腔B16由主气缸15以及压缩机壳体围设形成；所述高压储气腔A7由副气缸4与压缩机壳体围设形成。即利用气缸外侧与压缩机壳体围成的空间作为储气腔室，不需要额外设置高压储气腔的结构，整体结构简单紧凑。除此之外，内部连管1也是利用压缩机壳体作为其结构的一部分，简化了内部连管1的设置。

副活塞6的前端设置有吸气孔，吸气孔上设置吸气阀片3，副气缸4的前端设置排气孔，所述排气孔上设置排气阀片2，通过吸气阀片3及排气阀片2的配合，使得副气缸4内的工质气体周期性的进行压缩、排气、膨胀和吸气过程，排气过程产生的高压气体储存于高压储气腔A7中作为气体轴承的总气源。

直线电机系统包括柱弹簧A8、外定子9、电机动子10、内定子11、励磁元件12，内定子11、电机动子10、励磁元件12、外定子9从内到外依次环绕设置。当直线电机被通入交流电后，电机动子10在磁场中受到电磁力，并在轴向电磁力的带动下做直线往复运动。主活塞压缩系统由主活塞13及主气缸14组成。主活塞13与电机动子10的一端固定连接，在电机动子10的带动下做周期性的直线往复运动；副活塞6与电机动子10的另一端固定连接，在电机动子10的带动下做周期性的直线往复运动；与此同时主气缸14内的工质气体在主活塞13的带动下进行周期性的压缩过程和膨胀过程，并通过主连管17进入和排出到膨胀机，工质气体在蓄冷器中进行换热并在膨胀腔19中产生制冷量，最终完成整个斯特林制冷循环。所述柱弹簧A8具有多个且于电机动子10两端分别将主活塞13与副活塞6连接在线性压缩机壳体内，一方面对主活塞13与副活塞6进行径向支撑，另一方面对主活塞13与副活塞6的轴向位移进行缓冲限制。

总气源中的高压气体存在两条支路。第一条支路为：来自高压储气腔A7中的气体通过副气缸节流元件5持续单向进入副活塞6与副气缸4间隙，形成一层气膜，实现径向支撑的气体轴承作用。另一条支路为：来自高压储气腔A7的气体通过压缩机内部连管1进入高压储气腔B16；高压储气腔B16中的一路工质气体通过主气缸节流元件14进入主活塞13与主气缸15间隙，形成一层气膜，实现径向支撑的气体轴承作用。高压储气腔B16中的另外一路工质气体则通过高压连管18进入膨胀机中。

实施例2

如图1所示，本发明涉及一种线性斯特林制冷机，包括上述线性压缩机，还包括主连管17、高压连管18和膨胀机。线性压缩机的主活塞压缩系统的压缩腔通过主连管17与膨胀机连通。线性压缩机的副活塞压缩系统产生的压缩气体还为膨胀机的活塞压缩系统的气体轴承供气。

膨胀机由膨胀腔19、蓄冷器20、膨胀机活塞21、膨胀机气缸22、膨胀机气缸节流元件23、高压储气腔C24和柱弹簧B25组成。所述膨胀腔19处于膨胀机壳体内腔上方与主连管17连通，其内部设有蓄冷器20；所述蓄冷器20底端连接在膨胀机活塞21顶端，膨胀机活塞21底端通过柱弹簧B25连接在膨胀机壳体内腔下方。在来自连管17中工质气体的驱动下，由蓄冷器20、膨胀机活塞21和柱弹簧25组成的动子组件做周期性直线往复运动，膨胀腔19中的热量被搬运到蓄冷器20的下端后散热到环境中，膨胀腔19中气体温度逐渐降低直到与被冷却物体达到热平衡。所述膨胀机的活塞压缩系统包括膨胀机气缸22以及滑动设于膨胀机气缸22内的膨胀机活塞21，膨胀机气缸21上设置有膨胀机气缸节流元件23，膨胀机气缸21的外侧设置有高压储气腔C24，所述高压储气腔C24通过高压连管18与副活塞压缩系统的压缩腔连通，具体可以直接与高压储气腔B16连通，通过高压储气腔B16、连管1以及高压储气腔A7与副活塞压缩系统的压缩腔连通。高压储气腔C24通过高压连管18与线性压缩机的新型自体供气型气体轴承系统连接，高压气体通过膨胀机气缸节流元件23持续并单向流入膨胀机活塞21和膨胀机气缸22的间隙，形成一层气膜，实现径向支撑的气体轴承作用。

本发明实现了制冷机自体供应高压气体，并在所有活塞与气缸间实现了气体轴承作用，避免了干摩擦，提高了制冷机的可靠性及寿命。

实施例3

气体轴承线性压缩机，不同于实施例1的的特征体现在：吸、排气阀种类及尺寸的结构，所有涉及的节流元件种类及尺寸的结构可以根据需要更改。

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：主活塞13与副活塞6的驱动方式，可为两台直线电机分别驱动两种活塞。

实施例5

线性斯特林制冷机，不同于实施例2的的特征体现在：压缩机和膨胀机机械支撑结构可采用板弹簧。

膨胀机种类及数量可以改变；线性压缩机的数量可以改变；直线电机系统可采用动圈式、动磁式及动铁式等。

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。