CN108870792A - 一种声能制冷机装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声能制冷机装置，包括外壳及支撑机构、声波压缩机构和声波膨胀机构，所述声波压缩机构包括压缩活塞、压缩活塞弹簧、直线电机，所述压缩活塞与压缩活塞弹簧连接、与直线电机驱动连接；所述声波膨胀机构包括排出器、活塞杆和排出器弹簧，所述活塞杆穿过且间隙密封于所述压缩活塞轴向中心孔、并分别与排出器、排出器弹簧连接；所述排出器与所述排出器弹簧连接；所述外壳及支撑机构包括分别与所述压缩活塞和所述排出器相适配并形成间隙密封的气缸部；本发明可降低偏离气缸轴向方向的侧向力对活塞的影响，以减少制冷机运行中的磨损、降低轴向导热损失，提高制冷效率、延长使用寿命。

Description

一种声能制冷机装置

技术领域

本发明是涉及一种声能制冷机装置，属于制冷设备技术领域。

背景技术

声能制冷机的理论制冷效率和逆卡诺循环的效率相等。自由活塞式声能制冷机采用直线压缩机驱动、柔性弹簧支撑、间隙密封等技术，使得和其他制冷系统相比，具有结构紧凑、噪音小、寿命长、可靠性高、任意角度均可正常工作、制冷工质环保等优点。凭借以上优点，自由活塞式声能制冷机在航空、航天、超导、低温冰箱，甚至家用制冷领域得到了广泛应用。

由于柔性弹簧支撑位于压缩活塞和排出器的一端，特别是排出器，距柔性弹簧的支撑点更远，容易造成排出器与气缸壁接触，受侧向力等其它因素的影响会更大。因此，消除电机磁侧向力、制冷机倾斜时活塞的重力及震动产生的径向摆动等不稳定因素的影响，保证制冷机长期无磨损运行，是制冷机提高制冷效率、延长使用寿命的关键。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种自由活塞式声能制冷装置，降低偏离气缸轴向方向的侧向力对活塞的影响，以减少制冷机运行中的磨损，提高制冷效率、延长使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种声能制冷机装置，其特征在于：包括外壳及支撑机构以及设置于所述外壳及支撑机构内的声波压缩机构和声波膨胀机构，所述声波压缩机构包括压缩活塞、压缩活塞弹簧和直线电机，所述压缩活塞分别与所述压缩活塞弹簧、所述直线电机连接并通过所述直线电机驱动；所述声波膨胀机构包括排出器、活塞杆和排出器弹簧，所述活塞杆穿过所述压缩活塞的轴向中心孔并与所述轴向中心孔内壁形成间隙密封，所述活塞杆的两端分别与所述排出器和所述排出器弹簧连接；所述外壳及支撑机构包括分别与所述压缩活塞和所述排出器相适配并形成间隙密封的气缸部。

作为优选方案，所述间隙密封的间隙为8μm～20μm，间隙密封的泄露损失小于制冷机运行所需气量的5％。

作为优选方案，所述声能制冷机的运行频率与所述声波压缩机构的共振频率相同，且不远离所述压缩活塞弹簧的一阶自然频率，以避免所述压缩活塞弹簧臂发生共振而断裂，并使声波压缩机构共振，压缩活塞的走到最大行程时所需的电流最小；所述声波压缩机构的共振频率小于其固有频率，考虑阻尼的存在，其共振频率比固有频率小1Hz～3Hz。

作为进一步优选方案，所述声波压缩机构的固有频率的计算公式为：

其中，fn为声波压缩机构的固有频率；k为声波压缩机构的总刚度；m为声波压缩机构的动子质量；

声波压缩机构的总刚度包括压缩活塞弹簧71的轴向刚度和气体弹簧刚度；

声波压缩机构的动子质量m为压缩活塞的质量、1/3倍的压缩活塞弹簧的质量与连接压缩活塞和压缩活塞弹簧的连接组件的质量的和。

作为进一步优选方案，所述声波压缩机构的共振频率与所述声能制冷机的运行频率相同皆为60Hz～80Hz，所述压缩活塞弹簧以及所述排出器弹簧的一阶自然频率大于120Hz。

作为优选方案，所述声能制冷机的运行频率与所述声波膨胀机构的共振频率相同，以使排出器的行程可以达到最大，使得制冷量最大；所述声波膨胀机构的共振频率小于其固有频率，考虑阻尼的存在，其共振频率一般比固有频率小1Hz～3Hz。

作为进一步优选方案，所述声波膨胀机构的动子质量为排出器的质量、活塞杆的质量、1/3倍的排出器弹簧的质量与连接排出器、活塞杆和排出器弹簧的排出器连接组件的质量的和。

作为优选方案，所述声波膨胀机构还包括蓄能器，所述蓄能器套设于位于所述排出器处的所述气缸部的外部，所述蓄能器两端分别抵接所述声波膨胀机构的冷端换热器和热端换热器，所述蓄能器采用孔隙率为50％～80％的塑料薄膜卷滚型蓄能器。

作为优选方案，所述压缩活塞长度与所述压缩活塞行程的比值为17％～27％，所述排出器长度与所述排出器行程的比值为11％～21％；所述压缩活塞外径与所述压缩活塞长度的比值为39％～49％；所述排出器外径与所述排出器长度的比值为39％～49％；所述排出器行程与所述压缩活塞行程的比值为60％～70％；以使所述排出器和所述压缩活塞具有最小的阻尼，且间隙密封长度足以保证密封效果。

作为进一步优选方案，所述压缩活塞和所述排出器的长度相同均为80mm，所述压缩活塞的行程为20mm，所述排出器行程为14mm，所述压缩活塞与排出器的外径相同均为35mm。

作为优选方案，所述活塞杆外径范围为7mm～10.5mm或所述活塞杆的截面积占所述排出器底部面积比例范围为10％～30％，所述活塞杆的外径或截面积越大，则所述排出器底部所占据面积越小，所述排出器两端的压差越大，则所述排出器的气动力越大、行程越大，制冷量越大，适合制冷温度较低的场合。反之，当制冷温度较低时，为防止排出器21撞缸，选择外径较小的活塞杆外径。

作为优选方案，所述外壳及支撑机构还包括下支架和排出器气缸，所述下支架和所述膨胀气缸同轴设置并通过螺纹连接形成分别与所述压缩活塞和所述排出器形成间隙密封的气缸部，所述排出器气缸与所述排出器上段均采用轴向导热系数较低的材料制备，以减小轴向导热损失。

作为进一步优选方案，所述外壳及支撑机构还包括薄壁不锈钢外壳、翅片换热器基座、电机基座和下壳体，所述薄壁不锈钢外壳、所述翅片换热器基座、所述电机基座与所述下壳体依次焊接连接形成密封的壳体结构，所述薄壁不锈钢外壳为所述冷端换热器、蓄能器和热端换热器对应的外侧壳体，所述薄壁不锈钢外壳的厚度为0.4mm～0.8mm，将所述薄壁不锈钢外壳设置成薄壁结构，因具有较小的横截面积，有效地减小了此处轴向导热损失。

作为进一步优选方案，所述外壳及支撑机构还包括电机支架，所述下支架通过螺钉一固定于所述电机基座上，所述电机支架一端通过长螺钉穿过所述声波压缩机构的外轭铁压紧固定在所述电机基座上，所述压缩活塞弹簧和所述排出器弹簧之间通过设有圆柱体间隔设置，通过螺钉三依次穿过所述压缩活塞弹簧、所述圆柱体和所述排出器弹簧与所述电机支架的另一端固定连接，电机基座与所述下支架间设有两道O型圈，来将背压腔的气体和压缩腔的气体间隔开。

作为进一步优选方案，所述外壳及支撑机构还包括冷环，所述气缸的外径略大于所述声波膨胀机构的冷端换热器的内径，可使所述冷端换热器更好的贴紧所述外壳机构的薄壁不锈钢外壳。

作为优选方案，所述压缩活塞和所述排出器均为气体轴承结构，所述气体轴承结构包括多孔限流材料、支撑环、径向小孔、单向阀和贮气腔，所述贮气腔设置于所述气体轴承结构的内部，所述贮气腔通过设置于所述气体轴承结构的端面上的单向阀与所述压缩机构的压缩腔连通、通过设置于所述气体轴承结构的侧壁上所述径向小孔与气体轴承结构和气缸部之间的间隙连通，所述多孔限流材料通过所述支撑环紧密压紧于所述贮气腔内壁面并覆盖所述径向小孔，气体流通过程中通过多孔限流材料进行稳流，所述径向小孔的外端口处还设有用于扩流的圆槽。

作为进一步优选方案，所述排出器包括排出器上段和排出器下段，所述排出器上段采用导热系数低的工程塑料制作，所述工程塑料包括PPO、MPPO或尼龙，所述排出器上段与所述膨胀气缸的间隙为100μm～200μm，所述排出器上段的长度为50mm～60mm；靠近压缩腔的排出器下段为气体轴承结构，所述排出器下段采用强度高、质量轻的铝合金制作，所述排出器下段外表面设有一层耐磨材料，与所述气缸部形成间隙密封，所述排出器下段与所述膨胀气缸的密封间隙为8μm～16μm，所述排出器下段的长度为20mm～30mm。

作为进一步优选方案，所述排出器内部填充有导热系数较小的蓬松材料，所述蓬松材料包括脱脂羊毛、聚酯纤维，用来削弱排出器的轴向导热损失。

一种实施方式，所述直线电机的工作电压在0VAC～20VAC，最大工作电流为15A，稳定工作电流为13A，最大耗功为300W。

作为优选方案，所述外轭铁与内轭铁为软磁材料，所述软磁材料包括电工纯铁、压制粉末软磁材料和硅钢片。

作为优选方案，所述永磁体为永磁材料，所述永磁材料包括汝铁硼和铝镍钴永磁。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所述声能制冷机装置，通过在压缩活塞与气缸部之间、排出器与气缸部之间、活塞杆与轴向中心孔之间形成三处间隙密封，降低了偏离气缸轴向方向的侧向力对压缩活塞和排出器的影响，压缩活塞和排出器运行平稳、有效的减少了制冷机运行中的磨损；通过对声波压缩机构和声波膨胀机构的固有频率的设置，进一步降低了电机磁侧向力、制冷机倾斜时活塞的重力及震动产生的径向摆动的不稳定侧向力因素对压缩活塞和排出器运行的影响，减小气体泄露损失、提高制冷效率、延长使用寿命；此外，本发明还具有原理可靠、加工制造简单且便于维护的特点，具有显著的进步性和良好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种声能制冷机装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的直线电机工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的声波膨胀机构工作原理示意图；

图4为本发明实施例提供的压缩活塞结构示意图；

图5为本发明实施例提供的排出器结构示意图。

图中标号示意如下：1、声波压缩机构；11、外轭铁；12、线圈；13、永磁体；14、内轭铁；15、永磁体支架；16、压缩活塞；17、压缩活塞弹簧；18、连接组件；181、螺钉五；182、连接件一；183、连接件二；184、垫片；19、圆柱体；2、声波膨胀机构；21、排出器；211、蓬松材料；212、橡胶片；22、排出器弹簧；23、活塞杆；24、冷端换热器；25、蓄能器；26、热端换热器；27、翅片换热器；28、膨胀腔；29、压缩腔；3、气体轴承结构；31、气缸部；32、多孔限流材料；33、支撑环；34、径向小孔；35、圆槽；36、单向阀；37、贮气腔；4、外壳及支撑机构；41、下支架；42、薄壁不锈钢外壳；43、翅片换热器基座；44、电机基座；45、下壳体；46、电机支架；47、排出器气缸；48、冷环；49、O型圈；51、螺钉一；52、螺钉二；53、长螺钉；54、螺钉三；55、螺钉四。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例

结合图1至图4所示，本实施例提供的一种声能制冷机装置，包括外壳及支撑机构4以及设置于所述外壳及支撑机构4内的声波压缩机构1和声波膨胀机构2，所述声波压缩机构1包括压缩活塞16、压缩活塞弹簧17和直线电机，所述压缩活塞16分别与所述压缩活塞弹簧17、所述直线电机连接并通过所述直线电机驱动；所述声波膨胀机构2包括排出器21、活塞杆23和排出器弹簧22，所述活塞杆23穿过所述压缩活塞16的轴向中心孔并与所述轴向中心孔内壁形成间隙密封，所述活塞杆23的两端分别与所述排出器21和所述排出器弹簧22连接；所述外壳及支撑机构4包括分别与所述压缩活塞16和所述排出器21相适配并形成间隙密封的气缸部31。

本发明通过直线电机驱动所述声波压缩机构1形成排出器21两端气压的变化进而实现所述声波膨胀机构2的气动驱动，同时通过所述声波膨胀机构2设有的换热器使得到达所述排出器21上端的气体为低温低压气体，进而实现制冷，通过在压缩活塞16与气缸部31之间、排出器21与气缸部31之间、活塞杆23与轴向中心孔之间形成三处间隙密封，降低了偏离气缸轴向方向的侧向力对压缩活塞16和排出器21的影响，例如，制冷机倾斜时活塞的重力及震动产生的径向摆动的不稳定侧向力因素对活塞的影响，有效的减少了制冷机运行中的磨损；并且，在本实施例中，所述间隙密封的间隙为8～20μm，间隙密封的泄露损失小于制冷机运行所需气量的5％，充分保证了形成间隙密封的两部件间无接触摩擦运行和足够的制冷量。

所述压缩活塞弹簧17和所述排出器弹簧22为板弹簧。板弹簧的性能主要体现在疲劳强度、轴向刚度、径向刚度及自然频率这四个方面。1)疲劳极限：由于工作需要，弹簧往复运动超过20亿次，所以要求板弹簧的最大应力远小于材料的疲劳极限，通常最大应力仅为材料疲劳极限的60％～70％；2)轴向刚度：板弹簧作为振子系统的弹性部件，其轴向刚度对整个声能制冷机的声波压缩机构1的能耗和运行稳定有非常重要的作用，要使板弹簧用最小的质量提供合适的轴向刚度是板弹簧的设计目标，通常可以通过改变型线、槽宽、臂数、厚度等参数来调节板弹簧的轴向刚度。3)径向刚度：为了保证压缩活塞16与气缸部31之间的间隙密封，板弹簧的径向刚度必然要求较大，通常板弹簧的径向刚度与板弹簧的厚度成正比。4)自然频率：板弹簧随主轴作高速往复运动，其运动频率受制于弹簧片的自然频率。在本实施例中，所述声能制冷机的运行频率与所述声波压缩机构1的共振频率相同，且不同于所述压缩活塞弹簧的自然频率，以避免所述压缩活塞弹簧臂发生共振而断裂，并使声波压缩机构1共振，压缩活塞16的走到最大行程时所需的电流最小；所述声波压缩机构1和所述声波膨胀机构2的共振频率皆小于其固有频率，考虑阻尼的存在，共振频率一般比固有频率小1Hz～3Hz。

为了精准声波压缩机构1的动子质量，所述声波压缩机构1的固有频率的计算公式为：

其中，fn为声波压缩机构的固有频率；k为声波压缩机构的总刚度；m为声波压缩机构的动子质量；

声波压缩机构1的总刚度包括压缩活塞弹簧17的轴向刚度和气体弹簧刚度；

声波压缩机构的动子质量m为压缩活塞16的质量、1/3倍的压缩活塞弹簧17的质量与连接压缩活塞16和压缩活塞弹簧17的连接组件18的质量的和。

在本实施例中，所述连接组件18包括螺钉五181、连接件一182、连接件二183和垫片184，所述直线电机包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14和永磁体支架15，所述声波压缩机构的动子质量m为压缩活塞16的质量、连接件一182的质量、连接件二183的质量、垫片184的质量、永磁体支架15的质量、数个螺钉五181的总质量和1/3倍的压缩活塞弹簧17的质量的和。

作为优选，所述声波压缩机构1的共振频率与所述声能制冷机的运行频率皆为70Hz，所述压缩活塞弹簧以及所述排出器弹簧的一阶自然频率为121Hz。

为了精准声波膨胀机构2的动子质量，所述声能制冷机的运行频率与所述声波膨胀机构2的共振频率相同，以使排出器21的行程可以达到最大，使得制冷量最大；所述声波膨胀机构2的动子质量为排出器21的质量、活塞杆23的质量、1/3倍的排出器弹簧22的质量与连接排出器21、活塞杆23和排出器弹簧22的排出器连接组件的质量的和；在本实施例中，所述排出器连接组件包括螺钉二52和螺钉四55，所述声波膨胀机构的动子质量为排出器21的质量、活塞杆23的质量、螺钉二52的质量、螺钉四55的质量和1/3倍的排出器弹簧22的质量的和。

为了进一步提高换热性能，所述声波膨胀机构2还包括蓄能器25，所述蓄能器25套设于位于所述排出器21处的所述气缸部31的外部，所述蓄能器25两端分别抵接所述声波膨胀机构2的冷端换热器24和热端换热器26，所述蓄能器25采用孔隙率为50％～80％的塑料薄膜卷滚型蓄能器，蓄能器25的一端靠近膨胀腔28，另一端靠近压缩腔29，蓄能器25存在着较大的轴向温度梯度，蓄能器25的孔隙率越大，则声波在蓄能器25内的流阻损失越小，但填料实体较少也会导致声波与回热器的换热不充分，影响声能制冷机性能，反之则流阻损失较大，但回热效果提升，本实施例采用塑料薄膜卷滚型蓄能器，具有较大的比热容、比表面积和较小的轴向导热系数，同时孔隙率为50％～80％，流阻损失和回热效果平衡，蓄能效果好。蓄能器25为声能制冷机的蓄热蓄冷元件是声能制冷机的关键部件，承担冷、热流体间周期性换热的任务；与传统的换热器不同，所述蓄能器25的特点在于冷、热流体交替的流经同一流道空间，通过与回热填料的直接接触实现热交换；在本实施例中，所述蓄能器25的填料包括金属随机丝网、随机非金属纤维、不锈钢丝网、卷裹树脂薄膜等。

为了精准压缩活塞16和排出器21的尺寸，所述压缩活塞长度与所述压缩活塞行程的比值为17％～27％，所述排出器长度与所述排出器行程的比值为11％～21％；所述压缩活塞外径与所述压缩活塞长度的比值为39％～49％；所述排出器外径与所述排出器长度的比值为39％～49％；所述排出器行程与所述压缩活塞行程的比值为60％～70％；以使所述排出器21和所述压缩活塞16具有最小的阻尼，且间隙密封长度足以保证密封效果；优选方案，所述压缩活塞16和所述排出器21的长度相同均为80mm，所述压缩活塞16的行程为20mm，所述排出器21行程14mm，所述压缩活塞16与排出器21的外径相同均为35mm。

为了精准活塞杆23的尺寸，所述活塞杆23外径范围为7mm～10.5mm或所述活塞杆23的截面积占所述排出器21底部面积比例范围为10％～30％，所述活塞杆23的外径或截面积越大，则所述排出器21底部所占据面积越大，所述排出器21两端的压差越大，则所述排出器21的气动力越大、行程越大，制冷量越大，适合制冷温度较低的场合，反之，当制冷温度较高时，为防止排出器21撞缸，选择外径较小的活塞杆23。

为了精准保证密封、支撑和进一步减少轴向导热损失，如图1所示，所述外壳及支撑机构4还包括薄壁不锈钢外壳42、翅片换热器基座43、电机基座44和下壳体45，所述薄壁不锈钢外壳42、所述翅片换热器基座43、所述电机基座44与所述下壳体45依次焊接连接形成密封的壳体结构，所述薄壁不锈钢外壳42为所述冷端换热器24、蓄能器25和热端换热器26对应的外侧壳体，所述薄壁不锈钢外壳42的厚度为0.4mm～0.8mm，将所述薄壁不锈钢外壳42设置成薄壁结构，因具有较小的横截面积，有效地减小了此处轴向导热损失；在本实施例中，所述外壳及支撑机构4还包括下支架41和排出器气缸47，所述下支架41和所述膨胀气缸同轴设置并通过螺纹连接形成分别与所述压缩活塞16和所述排出器21形成间隙密封的气缸部31，所述排出器气缸47与所述排出器上段均采用轴向导热系数较低的材料制备，以减小排出器21部的轴向导热损失；在本实施例中，所述外壳及支撑机构4还包括电机支架46，所述下支架41通过螺钉一51固定于所述电机基座44上，所述电机支架46一端通过长螺钉53穿过所述声波压缩机构1的外轭铁11压紧固定在所述电机基座44上，所述压缩活塞弹簧17和所述排出器弹簧22之间通过设有圆柱体19间隔设置，来保证两弹簧在运动时不发生碰撞，通过螺钉三54依次穿过所述压缩活塞弹簧17、所述圆柱体19和所述排出器弹簧22与所述电机支架46的另一端固定连接，电机基座44与所述下支架41间设有两道O型圈49，来将背压腔的气体和压缩腔29的气体间隔开；在本实施例中，所述外壳及支撑机构4还包括冷环48，所述冷环48的外径略大于所述声波膨胀机构2的冷端换热器24的内径，可使所述冷端换热器24更好的贴紧所述薄壁不锈钢外壳42，以减小接触热阻，将冷量更充分的传导至用冷环境。

考虑到压缩活塞和排出器的运行平稳，如图4、图5所示，所述压缩活塞和所述排出器均为气体轴承结构3，所述气体轴承结构3包括多孔限流材料32、支撑环33、径向小孔34、单向阀36和贮气腔37，所述贮气腔37设置于所述气体轴承结构3的内部，所述贮气腔通过设置于所述气体轴承结构3的端面上的单向阀36与所述压缩机构的压缩腔29连通、通过设置于所述气体轴承结构3的侧壁上所述径向小孔34与气体轴承结构3和气缸部31之间的间隙连通，所述多孔限流材料通过所述支撑环紧密压紧于所述贮气腔37内壁面并覆盖所述径向小孔34，气体流通过程中通过多孔限流材料进行稳流，所述径向小孔34的外端口处还设有用于扩流的圆槽35。

如图5所示，所述排出器21的左右两端分别是压缩腔29和膨胀腔28，所述压缩腔29为温度可达35℃～50℃，所述膨胀腔28温度可低至-100℃以下，所以在排出器21两端产生了较大的轴向温度梯度，为了削弱由轴向温度梯度带来的排出器21轴向导热损失，所述排出器21包括排出器上段和排出器下段，靠近膨胀腔28的排出器上段采用导热系数低的工程塑料制作，所述工程塑料包括PPO、MPPO或尼龙，所述排出器上段与所述膨胀气缸的间隙为100μm～200μm，所述排出器上段的长度为50mm～60mm；靠近压缩腔28的排出器下段为气体轴承结构3，所述排出器下段采用强度高、质量轻的铝合金制作，所述排出器下段外表面设有一层耐磨材料，与所述气缸部形成间隙密封，所述排出器下段与所述膨胀气缸的密封间隙为8μm～16μm，所述排出器下段的长度为20mm～30mm；所述排出器21下段内部空腔为气体轴承结构3的充气腔；所述排出器21上段空腔内部填充有导热系数较小的蓬松材料211，所述蓬松材料211包括脱脂羊毛、聚酯纤维，用来削弱排出器21的轴向导热损失，在所述排出器上段和所述排出器下段之间设有橡胶片212以避免脱脂羊毛轴向运动，将脱脂羊毛约束在排出器21上段空腔内。

在本实施例中，所述直线电机的工作电压在0VAC～20VAC，最大工作电流为15A，稳定工作电流为13A；最大耗功为300W。

在本实施例中，如图1所示，所述翅片换热器基座43外环面设有翅片换热器27；压缩腔29产生的热量先对流换热传递给热端换热器26，然后以导热的形式传递给翅片换热器基座43，在以导热的形式传递至翅片换热器27，最后翅片换热器27以对流换热的方式将热量释放给高温热源；所述翅片换热器基座43采用导热系数较高的紫铜制作。

下面结合直线电机工作原理、气体轴承结构工作原理和声能制冷机装置的工作原理进行详细说明。

本实施例所述直线电机工作原理如下：

结合图1、图2所示，所述直线电机包括外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14和永磁体支架15，所述外轭铁11、线圈12、永磁体13、内轭铁14和永磁体支架15均呈环形并采用同轴布置，所述永磁体13置于永磁体支架15设有的凹槽内并通过在接触面上涂抹胶水进行固定，所述外轭铁11与内轭铁14为软磁材料，包括电工纯铁、压制粉末软磁材料和硅钢片，所述永磁体13为永磁材料，包括汝铁硼、铝镍钴永磁；所述压缩活塞16通过设有的连接组件18分别与所述压缩活塞弹簧17、所述直线电机连接，所述连接组件18包括螺钉五181、连接件一182、连接件二183、垫片184，所述永磁体支架15与压缩活塞16通过垫片184和螺钉五181连接固定，所述压缩活塞弹簧17通过连接件一182、连接件二183与压缩活塞16固定。

当线圈12通入直流电时，外轭铁11和内轭铁14会形成如图2(下半部分)所示的磁力回线，从而在外轭铁11和内轭铁14上产生如图1所示的磁极，永磁体13为径向充磁，如图2(上半部分)所示，外轭铁11和内轭铁14的左侧部分对永磁体13产生吸引力，右侧部分对永磁体13产生排斥力，在合力的作用下，电磁力沿径向的分力被平衡，沿轴向的分力即为永磁体13所受的驱动力。当线圈12内通入了单向交流电后，永磁体13受到了轴向的交变电磁力，做轴向的往复直线运动，带动永磁体支架15和压缩活塞16也做轴向的往复直线运动，此时压缩腔29的容积便会改变。为了稳定启动声能制冷机的需要，在气体轴承结构3还未起作用时，所述压缩活塞弹簧17需要给压缩活塞16提供较大的径向支撑，避免压缩活塞弹簧17发生径向偏移，与气缸部31发生接触摩擦，同时压缩活塞弹簧17具有合适的轴向刚度，保证压缩活塞16达到理想振幅，在气体轴承结构3稳定工作时，压缩活塞16与气缸部31之间的无接触运动主要依靠气体轴承结构3的气膜刚度支撑。

本实施例所述气体轴承结构的工作原理如下：

结合图4、图5所示，所述排出器21下段与所述压缩活塞16皆为气体轴承结构3；当压缩腔29内压力升高时单向阀36打开，工质气体通过多孔限流介质限流稳压后由径向小孔34射出作用于气缸内壁面，给排出器21和压缩活塞16提供充足的径向支撑力，保证活塞与气缸间的间隙密封；当单向阀36两端的压差高于阀的开启压力时，单向阀36打开，气体从压缩腔29进入贮气腔37充气；否则单向阀36关闭，避免贮气腔37内的气体回流至压缩腔29。支撑环33将多孔限流材料32紧密地压紧与活塞内壁面，气体沿图中箭头所示方向流入多孔限流材料32进行稳流，然后沿径向从径向小孔34和圆槽35均匀喷出，作用于气缸部31的内壁面，在活塞与气缸部31间的环隙内形成均匀的气膜，防止排出器21、压缩活塞16与气缸部31直接接触摩擦。通常，只有在压缩腔29内气体压力超过压力峰值的90％时，单向阀36才会打开，也就是说，只有在压缩腔29内的气体压力处于压力峰值90％～100％这一小段区间内，贮气腔37才会充气，因此贮气腔37内的气体压力平均值较高，约为压缩腔29压力峰值的92％～95％。因此气体轴承结构3的气膜刚度较大、可以给排出器21和压缩活塞16提供很好的径向支撑力；气体轴承结构3的耗气量约占制冷机运行中所需气量的2％，耗气损失约占制冷机膨胀功的4％。

本实施例所述声能制冷机装置工作原理如下：

结合图3所示，排出器21为纯气动驱动，利用排出器21和压缩活塞16之间的位移相位差产生制冷效应，通常排出器21的位移领先压缩活塞16位移相位差为70°～100°，在低温区(冷头温度在-160℃以下)时，所述位移相位差会减小至50°～70°。由于直线电机为正弦交流电激励，所以排出器21和压缩活塞16的运动也是呈正弦曲线的连续运动，但为了阐述其工作原理，假设排出器21与压缩活塞16按照循环规律做间歇性跳跃式运动。

声波压缩过程(a→b)：排出器21停留在上止点不动，压缩活塞16由下止点向上运动，此时压缩腔29内的声波被压缩，并流入气缸外侧的环形热端换热器26，将压缩过程产生的热量释放给热端换热器26，热端换热器26再将热量通过外壳体传递给外侧的翅片换热器27，最终释放给环境。理想情况下认为气缸部31与外壳体是完全导热的，同时热端换热器26与翅片换热器27的换热面积无限大，因此工质的温度保持不变。但在实际过程中，等温压缩是不可能实现的，且排出器21不可能间歇运动，在压缩活塞16向上运动的时排出器21已经开始向下运动。

放热过程(b→c)：压缩活塞16继续向上运动，排出器21从上止点开始向下运动，此时声波通过蓄能器25，与蓄能器25内的填料充分接触换热，将热量释放至蓄能器25内，此时蓄能器25的温度升高，声波温度和压力降低。但在实际换热过程中，蓄能器25换热过程并不是定容的，也不可能实声波和蓄能器25填料的完全换热。

声波膨胀过程(c→d)：排出器21继续向下运动达到下止点，压缩活塞16停留在上止点不动，此时膨胀腔28的体积变大，声波在膨胀腔28内膨胀制冷，产生的冷量传递给冷端换热器24，进而通过外壳传递给用冷环境。该过程声波衰减，声波的温度和压力均达到最低点。在实际工作过程中，压缩活塞16并不会一直停留在上止点，而是会随排出器21一起向下运动。

吸热过程(d→a)：排出器21从下止点开始向上运动至上止点，压缩活塞16运动至下止点，排出器21将膨胀腔28内的声波推回至环形蓄能器25中，声波工质与蓄能器25内的填料充分接触换热，吸收蓄能器25内的热量后，重新返回压缩腔29等待下一次压缩。该过程声波的温度和压力上升，蓄能器25温度下降。在实际过程中，压缩活塞16达到下止点时排出器21并未达到上止点，而是在返回上止点的过程中，但其在位移波相位上仍超前压缩活塞16。

综上所述可见：本发明所述声能制冷机装置，通过在压缩活塞16与气缸部之间、排出器21与气缸部之间、活塞杆23与轴向中心孔之间形成三处间隙密封，降低了偏离气缸轴向方向的侧向力对压缩活塞16和排出器21的影响，压缩活塞16和排出器21运行平稳、有效的减少了制冷机运行中的磨损；通过对声波压缩机构1和声波膨胀机构2的固有频率的设置，通过对声波压缩机构动子和声波膨胀机构动子质量、压缩活塞16、排出器21、活塞杆23尺寸的改进，进一步降低了电机磁侧向力、制冷机倾斜时活塞的重力及震动产生的径向摆动的不稳定侧向力因素对压缩活塞16和排出器21运行的影响，减小气体泄露损失、提高制冷效率、延长使用寿命；通过排出器气缸47与排出器21上段采用轴向导热系数较低的材料制备的设计，进一步减少轴向导热损失，通过冷环48的设置减少接触热阻，使冷量更充分。此外，本发明还具有原理可靠、加工制造简单且便于维护的特点，具有显著的进步性和良好的推广应用价值。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种声能制冷机装置，其特征在于：包括外壳及支撑机构以及设置于所述外壳及支撑机构内的声波压缩机构和声波膨胀机构，所述声波压缩机构包括压缩活塞、压缩活塞弹簧和直线电机，所述压缩活塞分别与所述压缩活塞弹簧、所述直线电机连接并通过所述直线电机驱动；所述声波膨胀机构包括排出器、活塞杆和排出器弹簧，所述活塞杆穿过所述压缩活塞的轴向中心孔并与所述轴向中心孔内壁形成间隙密封，所述活塞杆的两端分别与所述排出器和所述排出器弹簧连接；所述外壳及支撑机构包括分别与所述压缩活塞和所述排出器相适配并形成间隙密封的气缸部。

2.根据权利要求1所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述声能制冷机的运行频率与所述声波压缩机构的共振频率相同，且不远离所述压缩活塞弹簧的一阶自然频率；所述声波压缩机构的共振频率小于其固有频率。

3.根据权利要求2所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述声波压缩机构的固有频率的计算公式为：

其中，fn为声波压缩机构的固有频率；k为声波压缩机构的总刚度；m为声波压缩机构的动子质量；

声波压缩机构的总刚度包括压缩活塞弹簧71的轴向刚度和气体弹簧刚度；

声波压缩机构的动子质量m为压缩活塞的质量、1/3倍的压缩活塞弹簧的质量与连接压缩活塞和压缩活塞弹簧的连接组件的质量的和。

4.根据权利要求3所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述声波压缩机构的共振频率与所述声能制冷机的运行频率相同皆为60Hz～80Hz，所述压缩活塞弹簧以及所述排出器弹簧的一阶自然频率大于120Hz。

5.根据权利要求1所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述声能制冷机的运行频率与所述声波膨胀机构的共振频率相同，所述声波膨胀机构的共振频率小于其固有频率。

6.根据权利要求1所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述声波膨胀机构还包括蓄能器，所述蓄能器套设于位于所述排出器处的气缸部外部，所述蓄能器两端分别抵接所述声波膨胀机构的冷端换热器和热端换热器，所述蓄能器采用孔隙率为50％～80％的塑料薄膜卷滚型蓄能器。

7.根据权利要求1所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述压缩活塞长度与所述压缩活塞行程的比值为17％～27％，所述排出器长度与所述排出器行程的比值为11％～21％；所述压缩活塞外径与所述压缩活塞长度的比值为39％～49％；所述排出器外径与所述排出器长度的比值为39％～49％；所述排出器行程与所述压缩活塞行程的比值为60％～70％。

8.根据权利要求7所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述压缩活塞和所述排出器的长度相同均为80mm，所述压缩活塞的行程为20mm，所述排出器行程14mm，所述压缩活塞与排出器的外径相同均为35mm。

9.根据权利要求1所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述外壳及支撑机构还包括下支架和排出器气缸，所述下支架和所述膨胀气缸同轴设置并通过螺纹连接形成分别与所述压缩活塞和所述排出器形成间隙密封的气缸部，所述排出器气缸采用轴向导热系数较低的材料制备。

10.根据权利要求9所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述外壳及支撑机构还包括薄壁不锈钢外壳、翅片换热器基座、电机基座和下壳体，所述薄壁不锈钢外壳、所述翅片换热器基座、所述电机基座与所述下壳体依次焊接连接形成密封的壳体结构，所述薄壁不锈钢外壳为所述冷端换热器、蓄能器和热端换热器对应的外侧壳体，所述薄壁不锈钢外壳的厚度为0.4mm～0.8mm。

11.根据权利要求10所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述外壳及支撑机构还包括冷环，所述气缸的外径略大于所述声波膨胀机构的冷端换热器的内径。

12.根据权利要求1所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述压缩活塞和所述排出器均为气体轴承结构，所述气体轴承结构包括多孔限流材料、支撑环、径向小孔、单向阀和贮气腔，所述贮气腔设置于所述气体轴承结构的内部，所述贮气腔通过设置于所述气体轴承结构的端面上的单向阀与所述压缩机构的压缩腔连通、通过设置于所述气体轴承结构的侧壁上所述径向小孔与气体轴承结构和气缸部之间的间隙连通，所述多孔限流材料通过所述支撑环紧密压紧于所述贮气腔内壁面并覆盖所述径向小孔。

13.根据权利要求12所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述排出器包括排出器上段和排出器下段，所述排出器上段采用导热系数低的工程塑料制作，所述工程塑料包括PPO、MPPO或尼龙，所述排出器上段与所述气缸部的间隙为100μm～200μm，所述排出器上段的长度为50mm～60mm；靠近压缩腔的排出器下段为气体轴承结构，所述排出器下段采用强度高、质量轻的铝合金制作，所述排出器下段外表面设有一层耐磨材料，所述排出器下段与所述气缸部的密封间隙为8μm～16μm，所述排出器下段的长度为200mm～30mm。

14.根据权利要求13所述的声能制冷机装置，其特征在于：所述排出器上段内部填充有导热系数较小的蓬松材料，所述蓬松材料包括脱脂羊毛、聚酯纤维。