專利名稱：滾珠花鍵支撐斯特林制冷機的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于制冷技術領域的制冷機，特別是一種滾珠花鍵支撐斯特林制冷機。
背景技術：
斯特林制冷機是按逆向斯特林循環(由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的熱力循環)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、操作簡單等優點，已被應用于通訊、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域。斯特林制冷機被廣泛應用于紅外探測儀、超導量子干涉儀等精密儀器設備中，前 者是紅外勘探、軍事制導及預警系統等必不可少的設備，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合起來用于醫學領域，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療設備，可對各系統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結合起來，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，提聞戰場生存能力。正因為斯特林制冷機在高科技領域和經濟發展中具有如此重要的作用，各國都將其列為關鍵基礎技術，投入資金、技術、人才進行研究和產品開發。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構，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電機帶動曲柄連桿機構驅動，活塞和排出器與相應氣缸的密封形式為非金屬彈性環的接觸密封。這種制冷機整機結構復雜、振動噪音大，尤其是運動部件的相互磨損、制冷工質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動方式斯特林制冷機運動過程中的側向力，荷蘭Philips公司首先提出線性諧振壓縮機的概念，并將其應用于斯特林制冷機的設計。這種制冷機壓縮機的運動部件少、側向力小、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用的擺線懸臂梁型板狀彈簧支撐技術應用于斯特林制冷機，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，因而側向力小，磨損小，工作壽命較高。結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。但由于電機設計和制冷機關聯，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外部環境影響，制冷量和溫度控制比較復雜，影響制冷機的工作可靠性。隨著科學技術的發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大量應用的迫切需要，這種機型再度引起低溫界的關注。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的設計，動力學與熱力學相互獨立，因而制冷機熱性能穩定。因此，整體式斯特林制冷機非常有利于工程化批量生產。 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向力問題，對制冷機的支撐結構進行改進是提聞制冷機的可罪性和壽命的有效措施。2004年中科院理化技術研究所提出線性滑軌支撐結構解決該問題，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及性能調試.低溫與超導，2005(3) : 19-21，35)該樣機線性滑軌與相應氣缸之間安裝時所需零件多，結構復雜，工程化成本較高。
實用新型內容本實用新型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，減少和消除與相應氣缸間的磨損，提高制冷機工作壽命和可靠性。實現本實用新型目的的技術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、冷頭系統、電機曲軸驅動系統，壓縮機系統由氣缸、活塞組件組成，活塞組件由活塞和活塞滾珠花鍵構成，冷頭系統由冷缸、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部，電機曲軸驅動系統由電機、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，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，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動活塞在氣缸中往復運動，電機通過曲軸和排出器連桿驅動排出器在冷缸中往復運動。本實用新型與現有技術相比，其顯著優點(1)制冷機采用旋轉電機驅動的整體式結構形式。由于這種結構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設計保證，因而制冷機熱性能穩定，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鍵轉移到了滾珠花鍵上。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氣缸間的磨損。滾珠花鍵結構簡單，易于與氣缸連接。因此，本實用新型制冷機成本低、易于批量生產，可靠性高。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
圖I是本實用新型的斯特林制冷機整體剖視圖。圖2是活塞組件結構示意圖。圖3是氣缸體結構示意圖。圖4是排出器結構示意圖。圖5是冷缸體結構示意圖。
具體實施方式
結合圖I、圖2、圖3、圖4和圖5，本實用新型滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，包括由壓縮機系統、冷頭系統、電機曲軸驅動系統，壓縮機系統由氣缸8、活塞組件組成，活塞組件由活塞9和活塞滾珠花鍵100構成，冷頭系統由冷缸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內部，電機曲軸驅動系統由電機、活塞連桿10、曲軸11和排出器連桿12組成，氣缸8、冷缸I和電機安裝在曲軸箱上，氣缸8和冷缸I成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，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I內，在排出器2和冷缸I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驅動排出器2在冷缸I中往復運動。活塞滾珠花鍵100直接安裝于氣缸8內并成一體,排出器滾珠花鍵200直接安裝于冷缸I內并成一體。結合圖2和圖4，本實用新型滾珠花鍵支撐斯特林制冷機中，活塞滾珠花鍵100由滾珠花鍵軸和滾珠花鍵套組成，滾珠花鍵軸與活塞9過盈配合連接，滾珠花鍵套安裝在氣缸8內，活塞9與氣缸8在軸向形成壓縮腔7 ;排出器滾珠花鍵200由滾珠花鍵軸和滾珠花鍵套組成，滾珠花鍵軸與排出器2過盈配合連接，滾珠花鍵套安裝在冷缸I內，排出器2與冷缸I在軸向形成冷腔4 ;在排出器2上設置凹槽，該凹槽的位置以回熱器3底部為中心沿排出器2的軸向設置，該凹槽與冷缸I形成室溫腔5 ;在氣缸8、冷缸I和曲軸箱上設置小孔徑通道6 (直徑可以為1-2_)壓縮腔7與室溫腔5由小孔徑通道6相連通；回熱器3的兩端分別與室溫腔5和冷腔4連通。本實用新型滾珠花鍵支撐斯特林制冷機中，活塞9在氣缸8內運動的行程對應的內圓柱面為第一內圓柱面M3，活塞滾珠花鍵100與氣缸8接觸的內圓柱面為第二內圓柱面M4，該活塞滾珠花鍵100的滾珠花鍵套的外圓柱面Ml與第一內圓柱面M3定位配合；活塞9的外圓柱面M2與第二內圓柱面M4的密封為間隙密封，間隙可以為20-40微米。其中，活塞9的外圓柱面M2和活塞滾珠花鍵100的滾珠花鍵套的外圓柱面Ml之間的同軸度至少為6級精度；第二內圓柱面M4和第一內圓柱面M3的同軸度至少為6級精度。本實用新型滾珠花鍵支撐斯特林制冷機中，排出器2在冷缸內I運動的行程對應的內圓柱面為第三內圓柱面M33，排出器滾珠花鍵200與冷缸I接觸的內圓柱面為第四內圓柱面M44，排出器滾珠花鍵200的滾珠花鍵套的外圓柱面Mll與第三內圓柱面M33定位配合，排出器2的外圓柱面M22與冷缸I的第四內圓柱面M44的密封為間隙密封，間隙為10-30微米。排出器2的外圓柱面M22和排出器滾珠花鍵200的滾珠花鍵套的外圓柱面Mll之間的同軸度至少為6級精度；第四內圓柱面M44和第三內圓柱面M33的同軸度至少為6級精度。斯特林制冷機工作時，壓縮機系統的活塞9在電機曲軸系統驅動下，由活塞連桿10帶動，在氣缸8中往復運動；排出器2在電機曲軸系統驅動下，由排出器連桿12帶動，在冷缸I中往復運動。排出器2與活塞9的運動相位差由電機曲軸系統保持為排出器2超前活塞9 90°。制冷機工作介質為高純氦，氦氣在氣缸的壓縮腔7被活塞9壓縮，通過小孔徑通道6進入冷頭的室溫腔5，經排出器2內部的回熱器3再進入冷腔4，氦氣在冷腔4中膨脹產生冷量。·在活塞滾珠花鍵100的作用下，活塞9沿軸向往復運動時，其徑向位置得到保持，減少或避免了活塞9的外圓柱面M2與氣缸8的第二內圓柱面M4的磨擦；同樣，在排出器滾珠花鍵200的作用下，排出器2沿軸向往復運動時，其徑向位置得到保持，減少或避免了排出器2的外圓柱面M22與冷缸I的第四內圓柱面M44的磨擦。因而,制冷機工作壽命和可靠性得到提高。
權利要求1.一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、冷頭系統、電機曲軸驅動系統，壓縮機系統由氣缸(8)、活塞組件組成，活塞組件由活塞(9)和活塞滾珠花鍵(100)構成，冷頭系統由冷缸(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 )內部，電機曲軸驅動系統由電機、活塞連桿(10)、曲軸(11)和排出器連桿(12)組成，氣缸(8)、冷缸(I)和電機安裝在曲軸箱上，氣缸(8)和冷缸(I)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，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(I)內，在排出器(2)和冷缸(I)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)驅動排出器(2)在冷缸Cl)中往復運動。
2.根據權利要求I所述的滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，其特征在于活塞滾珠花鍵(100)由滾珠花鍵軸和滾珠花鍵套組成，滾珠花鍵軸與活塞(9)過盈配合連接，滾珠花鍵套安裝在氣缸(8)內，活塞(9)與氣缸(8)在軸向形成壓縮腔(7)； 排出器滾珠花鍵(200)由滾珠花鍵軸和滾珠花鍵套組成，滾珠花鍵軸與排出器(2)過盈配合連接，滾珠花鍵套安裝在冷缸(I)內，排出器(2 )與冷缸(I)在軸向形成冷腔(4 ); 在排出器(2)上設置凹槽，該凹槽的位置以回熱器(3)底部為中心沿排出器(2)的軸向設置，該凹槽與冷缸(I)形成室溫腔(5);在氣缸(8)、冷缸(I)和曲軸箱上設置小孔徑通道(6)，壓縮腔(7)與室溫腔(5)由小孔徑通道(6)相連通；回熱器(3)的兩端分別與室溫腔(5)和冷腔(4)連通。
3.根據權利要求I或2所述的滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，其特征在于活塞(9)在氣缸(8)內運動的行程對應的內圓柱面為第一內圓柱面，活塞滾珠花鍵(100)與氣缸(8)接觸的內圓柱面為第二內圓柱面，該活塞滾珠花鍵(100)的滾珠花鍵套的外圓柱面與第一內圓柱面定位配合；活塞(9)的外圓柱面與第二內圓柱面的密封為間隙密封，間隙為20-40微米。
4.根據權利要求3所述的滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，其特征在于活塞(9)的外圓柱面和活塞滾珠花鍵(100)的滾珠花鍵套的外圓柱面之間的同軸度至少為6級精度；第二內圓柱面和第一內圓柱面的同軸度至少為6級精度。
5.根據權利要求I或2所述的滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，其特征在于排出器(2)在冷缸(I)內運動的行程對應的內圓柱面為第三內圓柱面，排出器滾珠花鍵(200)與冷缸(I)接觸的內圓柱面為第四內圓柱面，排出器滾珠花鍵(200)的滾珠花鍵套的外圓柱面與第三內圓柱面定位配合，排出器(2)的外圓柱面與冷缸(I)的第四內圓柱面的密封為間隙密封，間隙為10-30微米。
6.根據權利要求5所述的滾珠花鍵支撐斯特林制冷機，其特征在于排出器(2)的外圓柱面和排出器滾珠花鍵(200)的滾珠花鍵套的外圓柱面之間的同軸度至少為6級精度；第四內圓柱面和第三內圓柱面的同軸度至少為6級精度。
專利摘要本實用新型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、冷頭系統、電機曲軸驅動系統，壓縮機系統由氣缸、活塞組件組成，活塞組件由活塞和活塞滾珠花鍵構成，冷頭系統由冷缸、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部，電機曲軸驅動系統由電機、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。本實用新型熱性能穩定，可靠性高，提高制冷機工作壽命。
文檔編號F25B9/14GK202709536SQ201220215548
公開日2013年1月30日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者席有民, 平麗浩, 錢吉裕 申請人:中國電子科技集團公司第十四研究所