CN201992902U - 无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

一种无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机包括压缩机、冷头、电机曲轴驱动，压缩机和冷头成90°布置，压缩机活塞与冷头排出器分别与活塞连杆和排出器连杆相连，曲柄连杆机构的曲轴同时与活塞连杆和排出器连杆相连，活塞连杆连接活塞，排出器连杆连接排出器，活塞设置在气缸内，排出器设置在冷缸内，活塞和排出器分别与气缸和冷缸的密封为间隙密封，压缩机压缩腔与冷头室温腔由小孔径通道相连通，回热器位于冷头排出器内部，回热器的两端分别与室温腔和冷腔连通；在压缩机活塞和气缸之间安装一第一无油润滑直线轴承，该线轴承直接安装于气缸内并成一体；在排出器和冷缸之间安装一第二无油润滑直线轴承，该轴承直接安装于冷缸内并成一体。

Description

无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机

技术领域

本实用新型涉及一种制冷机，尤其涉及一种无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机，属于制冷技术领域。

背景技术

早期斯特林制冷机为整体式结构，压缩气缸和膨胀气缸（冷头）成90°布置，压缩机活塞与冷头排出器由旋转电机带动曲柄连杆机构驱动，活塞和排出器与相应气缸的密封形式为非金属弹性环的接触密封。这种制冷机整机结构复杂、振动噪音大，尤其是运动部件的相互磨损、制冷工质的污染和泄漏使得制冷机的工作寿命受到限制。

20世纪60年代末，为了克服曲柄连杆驱动方式斯特林制冷机运动过程中的侧向力，荷兰Philips公司首先提出线性谐振压缩机的概念，并将其应用于斯特林制冷机的设计。这种制冷机压缩机的运动部件少、侧向力小、污染小、磨损低，因而工作寿命和可靠性得到提高。但由于运动活塞和排出器无径向支撑，所以，其平均无故障时间一般也只有2500小时。

英国牛津大学于七十年代末开始开发星载长寿命斯特林制冷机，首次将其研制的并获空间成功应用的摆线悬臂梁型板状弹簧支撑技术应用于斯特林制冷机，以保证活塞和排出器运动组件的完全非接触，消除磨损，使斯特林制冷机的可靠性和寿命大大提高，开创了风靡低温界的“牛津型”斯特林制冷机时代。1992年11月，BAe公司（现改名为Matra Marconi Space）研制的牛津型斯特林制冷机的地面试验寿命(MTTF)达到了41933小时(约4.7年)。板弹簧支撑的难点在于气缸、活塞组件和板弹簧组件的对准和组装、间隙测量与准直方面要求很高，造价高。

上述直线电机驱动的斯特林制冷机，直线电机沿轴向的往复力直接作用于活塞和排出器，因而侧向力小，磨损小，工作寿命较高。结合间隙密封和板弹簧支撑或气体悬浮支撑，制冷机寿命可达到15000小时以上。但由于电机设计和制冷机关联，加工制造过程对电机、板弹簧等零部件的加工精度要求很高，因而成本较高。此外，制冷机热力学和动力学特征相互影响，相互制约，运动相位与行程受制冷机内外部环境影响，制冷量和温度控制比较复杂，影响制冷机的工作可靠性。

随着科学技术的发展和加工工艺的完善，整体式斯特林制冷机的振动噪音得到大幅度降低，随着超导和红外技术大量应用的迫切需要，这种机型再度引起低温界的关注。同时，由于整体式斯特林制冷机动力学过程严格决定于运动机构的设计，动力学与热力学相互独立，因而制冷机热性能稳定。因此，整体式斯特林制冷机非常有利于工程化批量生产。

整体式斯特林制冷机存在的主要问题是：作用于活塞和排出器的侧向力引起的密封磨损制约着整机的寿命。解决活塞和排出器的侧向力问题，对制冷机的支撑结构进行改进是提高制冷机的可靠性和寿命的有效措施。2004年中科院理化技术研究所提出线性滑轨支撑结构解决该问题，并制作了两台样机，该样机较好的解决了活塞侧向力的问题（席有民, 李青, 李强, 聂中山. 线性滑轨支撑微型斯特林制冷机的开发及性能调试. 低温与超导, 2005(3):19-21,35）该样机线性滑轨与相应气缸之间安装时所需零件多，结构复杂，同时电机轴承、活塞和排出器连杆轴承以及线性滑轨润滑所用润滑脂，在制冷机长期运行时会污染高纯氦制冷工质，引起制冷机性能恶化，影响制冷机的长期高效可靠运行。

综上所述，可以看出，对整体式斯特林制冷机支撑结构进行改进，设计出结构简单适合批量生产的制冷机有着重要意义。

实用新型内容

所要解决的技术问题：

针对以上问题本实用新型提供了一种对整体式斯特林制冷机支撑结构进行改进，提供一种带有无油润滑直线轴承支撑的斯特林制冷机。该制冷机所用轴承均采用无油润滑轴承，可以避免制冷机运行过程中，润滑油造成的工质污染，提高制冷机的可靠性和寿命。制冷机的活塞和排出器分别由无油润滑直线轴承支撑，可保证活塞和排出器在轴向往复运动过程中的径向位置，减少和消除与相应气缸间的磨损，提高制冷机工作寿命和可靠性。

技术方案：

一种无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机，包括压缩机、冷头、电机曲轴驱动，压缩机和冷头成90°布置，压缩机活塞与冷头排出器分别与活塞连杆和排出器连杆相连，曲柄连杆机构的曲轴同时与活塞连杆和排出器连杆相连，活塞连杆连接活塞，排出器连杆连接排出器，活塞设置在气缸内，排出器设置在冷缸内，旋转电机通过曲轴、活塞连杆和排出器连杆分别驱动活塞在气缸中往复运动，驱动排出器在冷缸中往复运动，活塞和排出器分别与气缸和冷缸的密封为间隙密封，压缩机压缩腔与冷头室温腔由小孔径通道相连通，回热器位于冷头排出器内部，回热器的两端分别与室温腔和冷腔连通；在压缩机活塞和气缸之间安装一第一无油润滑直线轴承，该第一无油润滑直线轴承直接安装于气缸内并成一体；在排出器和冷缸之间安装一第二无油润滑直线轴承，该第二无油润滑直线轴承直接安装于冷缸内并成一体。

所述的压缩机活塞以第一无油润滑直线轴承内圈为基准面与第一无油润滑直线轴承定位配合；所述第一无油润滑直线轴承的外圆柱面与气缸的内圆柱面定位配合；所述气缸的另一内圆柱面与活塞的外圆柱面之间的密封间隙均匀；所述的活塞外圆柱面和第一无油润滑直线轴承外圆柱面之间、排出器圆柱面和第二无油润滑直线轴承圆柱面之间的同轴度至少为6级精度。

所述的排出器以第二无油润滑直线轴承内圈为基准面与第二无油润滑直线轴承定位配合；所述第二无油润滑直线轴承的外圆柱面与冷缸的内圆柱面定位配合；所述冷缸的另一内圆柱面与排出器的外圆柱面之间的密封间隙均匀；所述的气缸的内圆柱面和另一内圆柱面的同轴度、冷缸的内圆柱面和另一内圆柱面的同轴度至少为6级精度。

有益效果：

本实用新型的制冷机采用旋转电机驱动的整体式结构形式。由于这种结构的斯特林制冷机热力学和动力学特性相互独立，不存在相互影响，且动力学过程完全由机构设计保证，因而制冷机热性能稳定，可靠性高。

本实用新型采用无油润滑直线轴承支撑压缩机活塞和冷头排出器，保证制冷机活塞与气缸之间、排出器与冷缸之间微米级的密封间隙，将制约制冷机寿命的滑动摩擦转换为直线轴承的滚动摩擦，从而减少活塞与气缸之间、排出器与冷缸之间的摩擦，提高制冷机工作寿命。可保证制冷机的活塞和排出器在轴向往复运动过程的径向位置。制冷机所用轴承均为无油轴承，减少了制冷机工质的污染源。此外，直线轴承结构简单，易于与气缸连接。

同时，由于斯特林制冷机所用工质为高纯氦，工质的污染对制冷机的性能和可靠性有着重要影响。污染对制冷性能的影响主要在回热器中，制冷机工作时，污染在制冷机中逐渐吸附凝聚在回热器的低温端，随着污染的增加，制冷机的性能先增强，后下降，污染增加到一定程度后出现致命衰减。制冷机所用的轴承均采用无油润滑轴承，有效减少了制冷机工质的污染，从而使得制冷机的寿命和可靠性得到提高。

无油直线轴承内外圈均采用耐磨高分子材料，滚动体采用高性能陶瓷。由于制冷机负荷较小，而该无油轴承选用的材料性能优异，可以保证制冷机长期可靠工作。

本实用新型制冷机成本低、易于批量生产，可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型的斯特林制冷机整体剖视图；

图2为活塞组件结构示意图；

图3为气缸体结构示意图；

图4为排出器结构示意图；

图5为冷缸体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。

如图1所示，本实用新型无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机包括压缩机、冷头、电机曲轴驱动。

压缩机和冷头成90°布置。压缩机活塞9与冷头排出器2分别与活塞连杆10和排出器连杆12相连，曲柄连杆机构的曲轴11同时与活塞连杆10和排出器连杆12相连，活塞连杆10连接活塞9，排出器连杆12连接排出器2，活塞9设置在气缸8内，排出器2设置在冷缸1内，旋转电机通过曲轴11、活塞连杆10和排出器连杆12分别驱动活塞9在气缸8中往复运动，驱动排出器2在冷缸1中往复运动。活塞9和排出器2分别与气缸8和冷缸1的密封为间隙密封。压缩机的压缩腔7与冷头室温腔5由小孔径通道6相连通。回热器3位于冷头排出器2内部，回热器的两端分别与室温腔5和冷腔4连通。

如图1、图2、图3所示，在压缩机活塞9和气缸8之间安装一第一无油润滑直线轴承100，该第一无油润滑直线轴承直接安装于气缸8内并成一体。

如图1、图4、图5所示，在排出器2和冷缸1之间安装一第二无油润滑直线轴承200，该第二无油润滑直线轴承直接安装于冷缸1内并成一体。

本实用新型所用第一无油润滑直线轴承100和第二无油润滑直线轴承200内外圈均由高分子耐磨材料 （PEEK、PI等）制作，滚动体由高性能陶瓷（SiN、SiC等）制作。

压缩机活塞9以第一无油润滑直线轴承100内圈13为基准面与第一无油润滑直线轴承100定位配合；所述第一无油润滑直线轴承100的外圆柱面M1与气缸8的内圆柱面M3定位配合；所述气缸8的另一内圆柱面M4与活塞9的外圆柱面M2之间的密封间隙均匀。所述的活塞9外圆柱面M2和第一无油润滑直线轴承100外圆柱面M1之间、排出器2圆柱面M22和第二无油润滑直线轴承200圆柱面M11之间的同轴度至少为6级精度。

排出器2以第二无油润滑直线轴承200内圈14为基准面与第二无油润滑直线轴承200定位配合；所述第二无油润滑直线轴承200的外圆柱面M11与冷缸1的内圆柱面M33定位配合；所述冷缸1的另一内圆柱面M44与排出器2的外圆柱面M22之间的密封间隙均匀。所述的气缸8的内圆柱面M4和另一内圆柱面M3的同轴度、冷缸1的内圆柱面M44和另一内圆柱面M33的同轴度至少为6级精度。

斯特林制冷机工作时，压缩机活塞9在电机曲轴系统驱动下，由活塞连杆10带动，在气缸8中往复运动；排出器2在电机曲轴系统驱动下，由排出器连杆12带动，在冷缸1中往复运动。排出器2与活塞9的运动相位差由电机曲轴系统保持为排出器2超前压缩机活塞90°。制冷机工作介质为高纯氦，氦气在气缸的压缩腔7被活塞9压缩，通过小孔径通道6进入冷头的室温腔5，经排出器2内部的回热器3再进入冷腔4，氦气在冷腔4中膨胀产生冷量。

在第一无油润滑直线轴承100的作用下，压缩机活塞9沿轴向往复运动时，其径向位置得到保持，减少或避免了压缩机活塞9外表面与气缸8内表面的磨擦；同样，在第二无油润滑直线轴承200的作用下，冷头排出器2沿轴向往复运动时，其径向位置得到保持，减少或避免了冷头排出器2外表面与冷缸1内表面的磨擦。此外，制冷机所用轴承均为无油轴承，减少了制冷机工质的污染源。因而，制冷机工作寿命和可靠性得到提高。

Claims (3)

1.一种无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机，包括压缩机、冷头、电机曲轴驱动，其特

征在于：压缩机和冷头成90°布置，压缩机活塞(9)与冷头排出器(2)分别与活塞连杆(10)和排出器连杆(12)相连，曲柄连杆机构的曲轴(11)同时与活塞连杆（10）和排出器连杆（12）相连，活塞连杆（10）连接活塞(9)，排出器连杆(12)连接排出器(2)，活塞（9）设置在气缸（8）内，排出器（2）设置在冷缸(1)内，旋转电机通过曲轴(11)、活塞连杆（10）和排出器连杆（12）分别驱动活塞（9）在气缸（8）中往复运动，驱动排出器(2)在冷缸(1)中往复运动，活塞(9)和排出器（2）分别与气缸（8）和冷缸（1）的密封为间隙密封，压缩机压缩腔（7）与冷头室温腔（5）由小孔径通道(6)相连通，回热器(3)位于冷头排出器(2)内部，回热器（3）的两端分别与室温腔(5)和冷腔(4)连通；在压缩机活塞(9)和气缸(8)之间安装一第一无油润滑直线轴承(100)，该第一无油润滑直线轴承(100)直接安装于气缸(8)内并成一体；在排出器(2)和冷缸(1)之间安装一第二无油润滑直线轴承（200），该第二无油润滑直线轴承（200）直接安装于冷缸（1）内并成一体。

2.根据权利要求1所述的无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机，其特征在于：所述的压缩机活塞(9)以第一无油润滑直线轴承(100)内圈(13)为基准面与第一无油润滑直线轴承(100)定位配合；所述第一无油润滑直线轴承(100)的外圆柱面（M1）与气缸（8）的内圆柱面（M3）定位配合；所述气缸（8）的另一内圆柱面（M4）与活塞（9）的外圆柱面（M2）之间的密封间隙均匀；所述的活塞（9）外圆柱面（M2）和第一无油润滑直线轴承（100）外圆柱面（M1）之间、排出器（2）圆柱面（M22）和第二无油润滑直线轴承(200)圆柱面(M11)之间的同轴度至少为6级精度。

3.根据权利要求1所述的无油润滑直线轴承支撑斯特林制冷机，其特征在于：所述的排出器(2)以第二无油润滑直线轴承（200）内圈（14）为基准面与第二无油润滑直线轴承（200）定位配合；所述第二无油润滑直线轴承(200)的外圆柱面(M11)与冷缸(1)的内圆柱面（M33）定位配合；所述冷缸（1）的另一内圆柱面（M44）与排出器（2）的外圆柱面（M22）之间的密封间隙均匀；所述的气缸（8）的内圆柱面(M4)和另一内圆柱面(M3)的同轴度、冷缸(1)的内圆柱面（M44）和另一内圆柱面（M33）的同轴度至少为6级精度。

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