滾珠花鍵支撐斯特林制冷機制造技術(shù)

本實用新型專利技術(shù)公開了一種滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，包括由壓縮機系統(tǒng)、冷頭系統(tǒng)、電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)，壓縮機系統(tǒng)由氣缸、活塞組件組成，活塞組件由活塞和活塞滾珠花鍵構(gòu)成，冷頭系統(tǒng)由冷缸、排出器、回熱器和排出器滾珠花鍵組成，回熱器位于排出器內(nèi)部，電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)由電機、活塞連桿、曲軸和排出器連桿組成，氣缸、冷缸和電機安裝在曲軸箱上。本實用新型專利技術(shù)熱性能穩(wěn)定，可靠性高，提高制冷機工作壽命。（*該技術(shù)在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于制冷
的制冷機，特別是一種滾珠花鍵支撐斯特林制冷機。
技術(shù)介紹
斯特林制冷機是按逆向斯特林循環(huán)(由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的熱力循環(huán))工作的制冷機，具有制冷效率高、體積小、重量輕、啟動快、工作溫度范圍寬、操作簡單等優(yōu)點，已被應(yīng)用于通訊、氣象、軍事、航空航天、低溫物理學、低溫電子學、低溫材料學、低溫醫(yī)學、低溫光學、生物工程、地球資源勘探、微觀粒子研究等高科技領(lǐng)域。斯特林制冷機被廣泛應(yīng)用于紅外探測儀、超導量子干涉儀等精密儀器設(shè)備中，前 者是紅外勘探、軍事制導及預警系統(tǒng)等必不可少的設(shè)備，而后者則是用途廣泛的低溫精密電子裝置，如超導量子干涉儀磁強計(SQUID magnetometers)是目前世界上最精密的磁通強度測量計，測量精度可達毫微微量級(10_15)特斯拉。將斯特林制冷機與電子學結(jié)合起來用于醫(yī)學領(lǐng)域，研制出了諸如磁共振成像儀(MRI)、心臟診斷儀等一系列高精尖的醫(yī)療設(shè)備，可對各系統(tǒng)疾病任何方位斷層進行安全無損的探傷、造影、頻譜分析，大大提高了診斷水平。斯特林制冷機與超導電子技術(shù)結(jié)合起來，用于武器裝備(雷達)的接收機前端上，可以在提高系統(tǒng)抗干擾能力的同時，提高其接收靈敏度，增強抗干擾能力，增加探測距離，加長預警時間，提聞戰(zhàn)場生存能力。正因為斯特林制冷機在高科技領(lǐng)域和經(jīng)濟發(fā)展中具有如此重要的作用，各國都將其列為關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，投入資金、技術(shù)、人才進行研究和產(chǎn)品開發(fā)。因此，斯特林制冷機的壽命和可靠性得到了很大提高，成為研究最深入、應(yīng)用最廣泛、變型最多的一種制冷機。早期斯特林制冷機為整體式結(jié)構(gòu)，壓縮氣缸和膨脹氣缸(冷頭)成90°布置，壓縮機活塞與冷頭排出器由旋轉(zhuǎn)電機帶動曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動，活塞和排出器與相應(yīng)氣缸的密封形式為非金屬彈性環(huán)的接觸密封。這種制冷機整機結(jié)構(gòu)復雜、振動噪音大，尤其是運動部件的相互磨損、制冷工質(zhì)的污染和泄漏使得制冷機的工作壽命受到限制。20世紀60年代末，為了克服曲柄連桿驅(qū)動方式斯特林制冷機運動過程中的側(cè)向力，荷蘭Philips公司首先提出線性諧振壓縮機的概念，并將其應(yīng)用于斯特林制冷機的設(shè)計。這種制冷機壓縮機的運動部件少、側(cè)向力小、污染小、磨損低，因而工作壽命和可靠性得到提高。但由于運動活塞和排出器無徑向支撐，所以，其平均無故障時間一般也只有2500小時。英國牛津大學于七十年代末開始開發(fā)星載長壽命斯特林制冷機，首次將其研制的并獲空間成功應(yīng)用的擺線懸臂梁型板狀彈簧支撐技術(shù)應(yīng)用于斯特林制冷機，以保證活塞和排出器運動組件的完全非接觸，消除磨損，使斯特林制冷機的可靠性和壽命大大提高，開創(chuàng)了風靡低溫界的“牛津型”斯特林制冷機時代。1992年11月，BAe公司(現(xiàn)改名為MatraMarconi Space)研制的牛津型斯特林制冷機的地面試驗壽命(MTTF)達到了 41933小時(約4.7年)。板彈簧支撐的難點在于氣缸、活塞組件和板彈簧組件的對準和組裝、間隙測量與準直方面要求很高，造價高。上述直線電機驅(qū)動的斯特林制冷機，直線電機沿軸向的往復力直接作用于活塞和排出器，因而側(cè)向力小，磨損小，工作壽命較高。結(jié)合間隙密封和板彈簧支撐或氣體懸浮支撐，制冷機壽命可達到15000小時以上。但由于電機設(shè)計和制冷機關(guān)聯(lián)，加工制造過程對電機、板彈簧等零部件的加工精度要求很高，因而成本較高。此外，制冷機熱力學和動力學特征相互影響，相互制約，運動相位與行程受制冷機內(nèi)外部環(huán)境影響，制冷量和溫度控制比較復雜，影響制冷機的工作可靠性。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和加工工藝的完善，整體式斯特林制冷機的振動噪音得到大幅度降低，隨著超導和紅外技術(shù)大量應(yīng)用的迫切需要，這種機型再度引起低溫界的關(guān)注。同時，由于整體式斯特林制冷機動力學過程嚴格決定于運動機構(gòu)的設(shè)計，動力學與熱力學相互獨立，因而制冷機熱性能穩(wěn)定。因此，整體式斯特林制冷機非常有利于工程化批量生產(chǎn)。 整體式斯特林制冷機存在的主要問題是作用于活塞和排出器的側(cè)向力引起的密封磨損制約著整機的壽命。解決活塞和排出器的側(cè)向力問題，對制冷機的支撐結(jié)構(gòu)進行改進是提聞制冷機的可罪性和壽命的有效措施。2004年中科院理化技術(shù)研究所提出線性滑軌支撐結(jié)構(gòu)解決該問題，并制作了兩臺樣機，該樣機較好的解決了活塞側(cè)向力的問題(席有民，李青，李強，聶中山.線性滑軌支撐微型斯特林制冷機的開發(fā)及性能調(diào)試.低溫與超導，2005(3) : 19-21，35)該樣機線性滑軌與相應(yīng)氣缸之間安裝時所需零件多，結(jié)構(gòu)復雜，工程化成本較高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的在于提供一種滾珠花鍵支撐的斯特林制冷機，制冷機的活塞和排出器分別由滾珠花鍵支撐，可保證活塞和排出器在軸向往復運動過程中的徑向位置，減少和消除與相應(yīng)氣缸間的磨損，提高制冷機工作壽命和可靠性。實現(xiàn)本技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為一種滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，包括由壓縮機系統(tǒng)、冷頭系統(tǒng)、電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)，壓縮機系統(tǒng)由氣缸、活塞組件組成，活塞組件由活塞和活塞滾珠花鍵構(gòu)成，冷頭系統(tǒng)由冷缸、排出器、回熱器和排出器滾珠花鍵組成，回熱器位于排出器內(nèi)部，電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)由電機、活塞連桿、曲軸和排出器連桿組成，氣缸、冷缸和電機安裝在曲軸箱上，氣缸和冷缸成90°布置,活塞與活塞連桿相連，排出器與排出器連桿相連，電機與曲軸連接，曲軸與活塞連桿、排出器連桿相連，活塞安裝在氣缸內(nèi)，在活塞和氣缸之間安裝活塞滾珠花鍵，排出器安裝在冷缸內(nèi)，在排出器和冷缸之間安裝排出器滾珠花鍵，電機通過曲軸和活塞連桿驅(qū)動活塞在氣缸中往復運動，電機通過曲軸和排出器連桿驅(qū)動排出器在冷缸中往復運動。本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)制冷機采用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的整體式結(jié)構(gòu)形式。由于這種結(jié)構(gòu)的斯特林制冷機熱力學和動力學特性相互獨立，不存在相互影響，且動力學過程完全由機構(gòu)設(shè)計保證，因而制冷機熱性能穩(wěn)定，可靠性高。(2)采用滾珠花鍵支撐壓縮機活塞和冷頭排出器，保證制冷機活塞與氣缸之間、排出器與冷缸之間微米級的密封間隙，將制約制冷機壽命的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾珠花鍵的滾動摩擦，從而減少活塞與氣缸之間、排出器與冷缸之間的摩擦，提高制冷機工作壽命。(3)由于采用了滾珠花鍵支撐，制冷機的活塞和排出器與相應(yīng)氣缸之間的磨損得到控制。但同時，影響制冷機工作壽命的關(guān)鍵轉(zhuǎn)移到了滾珠花鍵上。由于制冷機負荷較小，而該滾珠花鍵選用的材料性能優(yōu)異，可以保證制冷機長期可靠工作。(4)制冷機的活塞和排出器由滾珠花鍵支撐，可保證制冷機的活塞和排出器在軸向往復運動過程的徑向位置，減少和消除其與相應(yīng)氣缸間的磨損。滾珠花鍵結(jié)構(gòu)簡單，易于與氣缸連接。因此，本技術(shù)制冷機成本低、易于批量生產(chǎn)，可靠性高。以下結(jié)合附圖對本技術(shù)作進一步詳細描述。附圖說明圖I是本技術(shù)的斯特林制冷機整體剖視圖。圖2是活塞組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是氣缸體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是排出器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是冷缸體結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式結(jié)合圖I、圖2、圖3、圖4和圖5，本技術(shù)滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，包括由壓縮機系統(tǒng)、冷頭系統(tǒng)、電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)，壓縮機系統(tǒng)由氣缸8、活塞組件組成，活塞組件由活塞9和活塞滾珠花鍵100構(gòu)成，冷頭系統(tǒng)由冷缸I、排出器2、回熱器3和排出器滾珠花鍵200組成，回熱器3位于排出器2內(nèi)部，電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)由電機、活塞連桿10、曲軸11和排出器連桿12組成，氣缸本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，其特征在于包括壓縮機系統(tǒng)、冷頭系統(tǒng)、電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)，壓縮機系統(tǒng)由氣缸（8）、活塞組件組成，活塞組件由活塞（9）和活塞滾珠花鍵（100）構(gòu)成，冷頭系統(tǒng)由冷缸（1）、排出器（2）、回熱器（3）和排出器滾珠花鍵（200）組成，回熱器（3）位于排出器（2）內(nèi)部，電機曲軸驅(qū)動系統(tǒng)由電機、活塞連桿（10）、曲軸（11）和排出器連桿（12）組成，氣缸（8）、冷缸（1）和電機安裝在曲軸箱上，氣缸（8）和冷缸（1）呈90°布置，活塞（9）與活塞連桿（10）相連，排出器（2）與排出器連桿（12）相連，電機與曲軸（11）連接，曲軸（11）與活塞連桿（10）、排出器連桿（12）相連，活塞（9）安裝在氣缸（8）內(nèi)，在活塞（9）和氣缸（8）之間安裝活塞滾珠花鍵（100），排出器（2）安裝在冷缸（1）內(nèi)，在排出器（2）和冷缸（1）之間安裝排出器滾珠花鍵（200），電機通過曲軸（11）和活塞連桿（10）驅(qū)動活塞（9）在氣缸（8）中往復運動，電機通過曲軸（11）和排出器連桿（12）驅(qū)動排出器（2）在冷缸（1）中往復運動。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：席有民，平麗浩，錢吉裕，
申請(專利權(quán))人：中國電子科技集團公司第十四研究所，
類型：實用新型
國別省市：