CN102519178B - 一种自由活塞膨胀机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自由活塞膨胀机，属于低温制冷领域。所述膨胀机包括板弹簧、间隙密封座、回热器、冷指、冷缸、驱动杆、端盖、联管和外围设备压缩机；冷缸和冷指为一体结构，在冷缸内放置一个或一个以上的板弹簧，板弹簧中心开孔，两端固定在冷缸上；回热器位于冷指内，回热器内填充有金属丝编织方孔网；回热器前端设有驱动杆，驱动杆伸入冷缸，穿过板弹簧中心且与板弹簧中心固连；间隙密封座位于冷缸和冷指内腔的联通处。使用板弹簧起到刚性支撑的作用，在冷缸中没有驱动电机，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种自由活塞膨胀机，属于低温制冷领域。
背景技术
斯特林制冷机由于具有许多优点，目前在空间及地面具有广泛的用途，尤其是在空间红外等成像系统中对斯特林制冷机的振动和寿命要求较高，通常对其寿命指标已达数年。如图1所示，斯特林制冷机包括压缩机、膨胀机、中间联管，工作时压缩机产生周期性变化的压力波，经由中间联管传输到膨胀机中，推动膨胀机内的回热器周期性往复运动，在腔内工质气体运动的等温膨胀过程中在冷腔中产生制冷量。压力波与回热器之间的运动相位是比较关键的参数。一般回热器的驱动利用电机、支撑采用圆柱弹簧支撑，回热器的相位调节利用驱动电机、弹簧刚度等，结构较复杂，对寿命和振动指标带来不利影响，影响制冷机的使用。
发明内容
本发明的目的是提供了一种自由活塞膨胀机，实现了斯特林制冷机无磨损的间隙密封、无电机纯气体驱动、柔性板弹簧支撑技术，确保膨胀机内回热器工作时的高可靠、低振动输出。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自由活塞膨胀机，所述膨胀机包括：板弹簧、间隙密封座、回热器、冷指、冷缸、驱动杆、端盖、联管和外围设备压缩机；
其中冷缸和冷指均为圆柱型腔体结构，冷指的直径为冷缸的1/5～1/3，冷缸和冷指为一体结构，冷缸一端和冷指一端固定连接且内腔相通，冷缸另一端焊有端盖，冷缸和端盖形成背压腔，在背压腔内沿冷缸纵轴方向放置一个或一个以上的板弹簧，板弹簧中心开孔，两端固定在冷缸上；
回热器位于冷指内，冷指的另一端和回热器后端形成冷腔；回热器内填充有金属丝编织方孔网，在回热器前端开有一个或一个以上通孔，通孔与金属丝编织方孔网联通，在回热器后端开有一个或一个以上通孔，通孔使金属丝编织方孔网与冷腔联通；
回热器前端设有驱动杆，回热器顶端的通孔沿驱动杆周围排布，驱动杆伸入背压腔，穿过板弹簧中心且与板弹簧中心固连，驱动杆顶端与最后一个板弹簧固定连接；
间隙密封座位于冷缸和冷指内腔的联通处，间隙密封座和回热器前端形成室温腔，间隙密封座朝向回热器的一端设有斜面；
室温腔上方的冷缸内壁上开有通孔，联管位于通孔中，联管一端露出冷缸外壁与压缩机连接，另一端与室温腔相通；间隙密封座一端的斜面与驱动杆的接触处位于联管下端的正下方；
其中，间隙密封座边缘与冷缸内壁紧密配合，回热器的边缘与冷指内壁滑动配合；板弹簧沿冷缸轴线的柔性活动范围之和大于回热器的活动范围；
优选金属丝编织方孔网的规格为每平方英寸200～500个；
优选在回热器和驱动杆连接处的平面上，以及回热器的另一端设有的通孔孔径为0.5～1.5mm，
优选板弹簧的数量为1～3个；
优选板弹簧和金属丝网材料为不锈钢，间隙密封座、回热器外壁、冷指、冷缸、驱动杆、端盖和联管的材料为不锈钢或钛合金。
优选间隙密封座朝向回热器的一端设有与水平面成30～60°的斜面，即导流槽；
装配时首先将回热器装入冷指，然后将间隙密封座、板弹簧装入冷缸中；回热器和冷指之间，板弹簧、间隙密封座与驱动杆之间的缝隙均为微米级。
所述自由活塞膨胀机工作时，将热负载固定在冷指上，联管与压缩机连接，压缩机产生压力波，通过联管进入间隙密封座和回热器一端封闭的空间，即室温腔；由于间隙密封座上刻有导流槽，从压缩机传输过来的气流可以通过联管均匀的进入到室温腔，从而避免了气流对驱动杆的冲击，推动回热器来回往复运动。密封在冷指和回热器之间的气体膨胀，温度降低实现制冷。
其中回热器的精密定位支撑是靠板弹簧和间隙密封座来实现的，工质气体的密封是由回热器与冷缸的微小间隙，以及间隙密封座和冷缸精密配合实现的，回热器的运动及相位调节靠压缩机压力波驱动。
有益效果
本发明与现有技术相比的优点在于：通过板弹簧的轴向刚度小、径向刚度大的特点及零部件之间的精密配合，降低了回热器在膨胀机内运行时位置偏心程度，降低了其运行时的磨损，从而可以确保制冷机膨胀机的长寿命；压缩机压力波通过间隙密封座的斜面结构均匀传递到膨胀机室温腔中，从而有效降低制冷机工作时压力波对回热器的冲击，降低制冷机工作时的振动。在冷缸中没有驱动电机，降低了能耗。
附图说明
图1为斯特林制冷机的结构示意图；
图2为本发明所述的自由活塞膨胀机的轴向截面示意图；
其中，1-板弹簧、2-间隙密封座、3-回热器、4-冷指、5-冷缸、6-驱动杆、7-端盖、8-联管。
具体实施方式
实施例
如图2所示的一种自由活塞膨胀机，所述膨胀机包括：板弹簧1、间隙密封座2、回热器3、冷指4、冷缸5、驱动杆6、端盖7、联管8和外围设备压缩机；
其中冷缸5和冷指4均为圆柱型腔体结构，冷指4的直径为冷缸5的1/5～1/3，冷缸5和冷指4为一体结构，冷缸5一端和冷指4一端固定连接且内腔相通，冷缸5另一端焊有端盖7，冷缸5和端盖形成背压腔，在背压腔内沿冷缸5纵轴方向放置一个或一个以上的板弹簧1，板弹簧1中心开孔，两端固定在冷缸5上；
回热器3位于冷指4内，冷指4的另一端和回热器3后端形成冷腔；回热器3内填充有金属丝编织方孔网，在回热器3前端开有一个或一个以上通孔，通孔与金属丝编织方孔网联通，在回热器3后端开有一个或一个以上通孔，通孔使金属丝编织方孔网与冷腔联通；
回热器3前端设有驱动杆6，回热器3顶端的通孔沿驱动杆6周围排布，驱动杆6伸入背压腔，穿过板弹簧1中心且与板弹簧1中心固连，驱动杆6顶端与最后一个板弹簧固定连接；
间隙密封座2位于冷缸5和冷指4内腔的联通处，间隙密封座2和回热器3前端形成室温腔，间隙密封座2朝向回热器3的一端设有斜面；
室温腔上方的冷缸5内壁上开有通孔，联管8位于通孔中，联管8一端露出冷缸5外壁与压缩机连接，另一端与室温腔相通；间隙密封座2一端的斜面与驱动杆6的接触处位于联管8下端的正下方；
其中，间隙密封座2边缘与冷缸5内壁紧密配合，回热器3的边缘与冷指4内壁滑动配合；板弹簧1沿冷缸轴线的柔性活动范围之和大于回热器的活动范围；
优选金属丝编织方孔网的规格为每平方英寸200～500个；
优选在回热器3和驱动杆6连接处的平面上，以及回热器3的另一端设有的通孔孔径为0.5～1.5mm，
优选板弹簧1的数量为1～3个；
优选板弹簧1和金属丝网材料为不锈钢，间隙密封座2、回热器3外壁、冷指4、冷缸5、驱动杆6、端盖7和联管8的材料为不锈钢或钛合金。
优选间隙密封座2朝向回热器3的一端设有与水平面成30～60°的斜面，即导流槽；
装配时首先将回热器装入冷指，然后将间隙密封座、板弹簧装入冷缸中；回热器3和冷指4之间，板弹簧1、间隙密封座2与驱动杆6之间的缝隙均为微米级。
所述自由活塞膨胀机工作时，将热负载固定在冷指4上，联管8与压缩机连接，压缩机产生周期性变化的压力波，通过联管8进入间隙密封座2和室温腔；由于间隙密封座2上刻有导流槽，从压缩机传输过来的气流可以通过联管8均匀的进入到室温腔，从而避免了气流对驱动杆6的冲击，推动回热器3来回周期性往复运动。在腔内工质气体运动的等温膨胀过程中在冷腔中产生制冷量，当输入30W的电功率产生1W冷量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自由活塞膨胀机，，其特征在于：所述膨胀机包括：板弹簧（1）、间隙密封座（2）、回热器（3）、冷指（4）、冷缸（5）、驱动杆（6）、端盖（7）、联管（8）和外围设备压缩机；
其中冷缸（5）和冷指（4）均为圆柱型腔体结构，冷指（4）的直径为冷缸（5）的1/5～1/3，冷缸（5）和冷指（4）为一体结构，冷缸（5）一端和冷指（4）一端固定连接且内腔相通，冷缸（5）另一端焊有端盖（7），冷缸（5）和端盖形成背压腔，在背压腔内沿冷缸（5）纵轴方向放置一个或一个以上的板弹簧（1），板弹簧（1）中心开孔，两端固定在冷缸（5）上；
回热器（3）位于冷指（4）内，冷指（4）的另一端和回热器（3）后端形成冷腔；回热器（3）内填充有金属丝编织方孔网，在回热器（3）前端开有一个或一个以上通孔，通孔与金属丝编织方孔网联通，在回热器（3）后端开有一个或一个以上通孔，通孔使金属丝编织方孔网与冷腔联通；
回热器（3）前端设有驱动杆（6），回热器（3）前端的通孔在回热器（3）和驱动杆（6）连接处的平面上围绕驱动杆（6）排布，驱动杆（6）伸入背压腔，穿过板弹簧（1）中心且与板弹簧（1）中心固连，驱动杆（6）顶端与最后一个板弹簧固定连接；
间隙密封座（2）位于冷缸（5）和冷指（4）内腔的联通处，间隙密封座（2）和回热器（3）前端形成室温腔，间隙密封座（2）朝向回热器（3）的一端设有斜面；
室温腔上方的冷缸（5）内壁上开有通孔，联管（8）位于通孔中，联管（8）一端露出冷缸（5）外壁与压缩机连接，另一端与室温腔相通；间隙密封座（2）一端的斜面与驱动杆（6）的接触处位于联管（8）下端的正下方；
其中，间隙密封座（2）边缘与冷缸（5）内壁紧密配合，回热器（3）的边缘与冷指（4）内壁滑动配合；板弹簧（1）沿冷缸轴线的柔性活动范围之和大于回热器的活动范围。
2.根据权利要求1所述的一种自由活塞膨胀机，其特征在于：金属丝编织方孔网的规格为每平方英寸200～500个。
3.根据权利要求1所述的一种自由活塞膨胀机，其特征在于：在回热器（3）和驱动杆（6）连接处的平面上，以及回热器（3）的另一端设有的通孔孔径为0.5～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种自由活塞膨胀机，其特征在于：板弹簧（1）的数量为1～3个。
5.根据权利要求1所述的一种自由活塞膨胀机，其特征在于：板弹簧（1）和金属丝编织方孔网材料为不锈钢，间隙密封座（2）、回热器（3）外壁、冷指（4）、冷缸（5）、驱动杆（6）、端盖（7）和联管（8）的材料为不锈钢或钛合金。
6.根据权利要求1所述的一种自由活塞膨胀机，其特征在于：间隙密封座（2）朝向回热器（3）的一端设有与水平面成30～60°的斜面。
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