一种直线压缩机

1.本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种直线压缩机。


背景技术：

2.在低温领域，用于驱动斯特林制冷机和脉管制冷机的压缩机主要是一种无阀的线性压缩机。线性压缩机采用直线电机直接驱动，消除了传统往复活塞式压缩机的曲柄连杆机构，减少了运动转换装置，大大提高了压缩机的效率，从而获得广泛的关注和应用。
3.目前应用较广的是redlich型结构的动磁式直线振荡电机，这种结构的动磁直线振荡电机是在励磁线圈的圆周上安装导磁材料，形成与励磁线圈同心的圆筒形气隙的磁路结构，由圆筒形的内、外定子组成气隙，径向充磁的圆筒形永磁体在气隙中做往复运动。redlich型结构直线电机具有磁路结构设计较优，磁路损失小的优点。
4.现有的技术应用主要以redlich结构的圆筒形直线振荡电机作为驱动器，多采用低成本螺旋弹簧或者涡旋臂板簧作为支撑。现有压缩机存在占据较大安装尺寸以及整机振动较大，从而限制了应用范围的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种直线压缩机，用以解决或部分解决现有压缩机存在占据较大安装尺寸以及整机振动较大，从而限制了应用范围的问题。
6.本发明提供一种直线压缩机，包括：压缩机机芯，所述压缩机机芯包括直线电机、气缸、活塞和片弹簧组件，所述气缸设于所述直线电机的内定子的圆筒内，所述活塞设于所述气缸中，所述气缸、所述内定子和所述活塞同轴设置，所述直线电机的两端分别固定设有所述片弹簧组件，所述活塞的两端分别穿出所述气缸支撑连接于对应的所述片弹簧组件，使得所述活塞悬浮于所述气缸的内部。
7.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述气缸的内部沿轴向设有阶梯状的贯穿通道，且贯穿通道截面尺寸较小的部分设于所述气缸的第一端；所述活塞构造为中间截面尺寸较大，两端截面尺寸较小；所述活塞的中间部位与所述气缸内部的贯穿通道截面尺寸较大的部分相匹配，所述活塞的第一端与所述气缸第一端的贯穿通道相匹配。
8.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述活塞的第二端连接于活塞支架，所述活塞支架连接于对应的所述片弹簧组件，且所述活塞支架与所述直线电机的动子相连。
9.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述片弹簧组件包括沿轴向叠层设置的多层弹性构件，相邻两层弹性构件之间设有平垫圈；所述弹性构件具有两个自由端且整体呈弯折结构或者所述弹性构件具有至少三个自由端且自由端分布在边缘部位；所述弹性构件的中间部位与所述活塞相连。
10.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述直线电机的两端分别设有固定座，所述片弹簧组件和所述气缸分别连接于所述固定座。
11.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述活塞的中间部位和所述气缸的第一端之
间形成压缩腔，所述气缸的第一端壁面上沿周向设有至少一个连通所述压缩腔的排气孔。
12.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述压缩机机芯设于外壳的内部，所述外壳的内壁上沿周向与所述排气孔对应连接有至少一个凸台，所述凸台的内部设有与对应的排气孔连通的中间通道，所述外壳的内部还布置有排气通道，所述排气通道与所述中间通道连通，所述外壳的壁面上设有至少一个与所述排气通道连通的排气口。
13.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述外壳的内部设有两个对称分布的所述压缩机机芯，两个所述压缩机机芯的排气孔均连通于所述排气通道。
14.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述凸台设于两个所述压缩机机芯之间，两个所述压缩机机芯上对应的排气孔同时连通于对应的凸台内部的中间通道。
15.根据本发明提供的一种直线压缩机，所述活塞的外表面涂设有润滑涂层。
16.本发明提供的一种直线压缩机，将气缸和活塞设在直线电机内定子的圆筒内，可以有效利用电机内部空间，有利于缩小压缩机尺寸，减小系统体积；另外，采用双侧片弹簧组件支撑活塞，将活塞悬浮于气缸内部，实现活塞与气缸的非接触式往复运动，保证活塞和气缸的同轴度的同时，可以降低活塞与气缸之间的摩擦，使压缩机可以无油运行，增加活塞运动时的可靠性，降低压缩机振动，降低振动噪音。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的直线压缩机的截面示意图；
19.图2是本发明提供的直线压缩机的外部示意图；
20.图3是本发明提供的弹性构件的示意图之一；
21.图4是本发明提供的弹性构件的示意图之二；
22.图5是本发明提供的弹性构件的示意图之三；
23.图6是本发明提供的弹性构件的示意图之四；
24.图7是本发明提供的弹性构件的示意图之五；
25.图8是本发明提供的弹性构件示意图之五的具体连接图。
26.附图标记：
27.1、气缸；2、中轴线；3、第一固定座；4、内定子；5、活塞；6、活塞支架；7、第二固定座；8、励磁线圈；9、外定子；10、圆筒状气隙；11、环形永磁体；12、动子骨架；13、片弹簧组件；14、压缩腔；15、平垫圈；16、右直线臂；17、左直线臂；18、下直线臂；19、夹臂状部分；20、夹臂状部分贯通孔；21、中心贯通孔；22、左端部外壳；23、右端部外壳；24、中部外壳；25、左排气口；26、右排气口；27、凸台；28、中间通道；29、排气通道；30、排气孔。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.下面结合图1-图8描述本发明的直线压缩机。
30.参考图1，本实施例提供一种直线压缩机，该直线压缩机包括：压缩机机芯。压缩机机芯包括直线电机、气缸1、活塞5和片弹簧组件13；直线电机提供直线往复移动。气缸1设于直线电机的内定子4的圆筒内，活塞5设于气缸1中，气缸1、内定子4和活塞5同轴设置；直线电机的两端分别固定设有片弹簧组件13。片弹簧组件13呈片状结构，固定在直线电机沿轴向的两端外部。活塞5的两端分别穿出气缸1支撑连接于对应的片弹簧组件13，使得活塞5悬浮于气缸1的内部。
31.即活塞5是通过与片弹簧组件13相连进行支撑固定的，气缸1只是在活塞的外围起到限位作用，并没有对活塞5施加支撑作用力。活塞5支撑连接于片弹簧组件13，使得活塞5与气缸1的内壁之间沿周向均具有间隙。从而实现活塞5与气缸1的非接触式往复移动，保证活塞5和气缸1的同轴度的同时，可以降低活塞5与气缸1之间的摩擦，使压缩机可以无油运行，增加活塞运动时的可靠性，降低压缩机振动。
32.本实施例提供的一种直线压缩机，将气缸和活塞设在直线电机内定子的圆筒内，可以有效利用电机内部空间，有利于缩小压缩机尺寸，减小系统体积；另外，采用双侧片弹簧组件支撑活塞，将活塞悬浮于气缸内部，实现活塞与气缸的非接触式往复运动，保证活塞和气缸的同轴度的同时，可以降低活塞与气缸之间的摩擦，使压缩机可以无油运行，增加活塞运动时的可靠性，降低压缩机振动，降低振动噪音。
33.进一步地，活塞的其中一端穿出气缸还与直线电机的动子连接；用于在动子的驱动下进行往复移动。
34.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，气缸1的内部沿轴向设有阶梯状的贯穿通道，且贯穿通道截面尺寸较小的部分设于气缸1的第一端；活塞5构造为中间截面尺寸较大，两端截面尺寸较小；活塞5的中间部位与气缸1内部的贯穿通道截面尺寸较大的部分相匹配，活塞5的第一端与气缸1第一端的贯穿通道相匹配。即活塞5的中间部位与气缸1内部的贯穿通道截面尺寸较大的部分能够实现间隙密封。活塞5的第一端与气缸第一端的贯穿通道能够实现间隙密封。通过设置气缸1内部的贯穿通道为台阶状，以及活塞5同样为台阶状，从而使得活塞5的中间部位和气缸1的第一端之间形成压缩腔，保证气缸1活塞的正常运行。
35.在上述实施例的基础上，进一步地，活塞5的第二端连接于活塞支架6，活塞支架6连接于对应的片弹簧组件13，且活塞支架6与直线电机的动子相连。
36.具体的，参考图1，活塞5为阶梯状，为三段直径不相等的圆柱构成，且中间圆柱段直径最大；活塞5最大直径圆柱段与台阶气缸1大端即贯穿通道截面尺寸较大的部分配合，可往复移动地安装在气缸1内，台阶活塞5的中间圆柱段与台阶气缸1的大端构成气体压缩腔14，活塞5一端与气缸1小端即第一端配合并穿出台阶气缸1。活塞5一端伸出气缸1大端通过螺钉与活塞支架6连接，另一端伸出气缸1小端通过螺钉等与片弹簧组件13连接。
37.在上述实施例的基础上，进一步地，片弹簧组件13包括沿轴向叠层设置的多层弹性构件，相邻两层弹性构件之间设有平垫圈15；弹性构件具有两个自由端且整体呈弯折结构或者弹性构件具有至少三个自由端且自由端分布在边缘部位；弹性构件的中间部位与活
塞相连。
38.在上述实施例的基础上，进一步地，直线电机的两端分别设有固定座，片弹簧组件13和气缸1分别连接于固定座。具体的，参考图1，直线电机的定子两端有分别同轴通过螺纹等固定安装的第一固定座3和第二固定座7。片弹簧组件可在边缘部位连接于固定座，在中间部位连接于活塞。气缸1第一端的外壁面可与第二固定座7螺纹连接；且在连接处设置密封圈。
39.片弹簧组件和活塞的连接方式有多种形式，例如片弹簧组件的中部连接活塞，片弹簧组件的各个自由端连接定子或固定座；或，片弹簧的至少一个自由端连接活塞，片弹簧的其它自由端连接定子的相应端。片弹簧组件包括分布在同一平面内或同一平面附近的弹性构件。弹性构件为多个直线段或曲线段首尾依次连接而成的第一组合形状，第一组合形状的两端分别设置自由端；即弹性构件具有两个自由端，两个自由端之间可由任意个直线段以及任意个曲线段以任意的弯折形式进行连接形成。或，弹性构件为将多个直线段和/或曲线段的一端连接为一体而成的第二组合形状，第二组合形状中相应的直线段或曲线段的另一端分别设置自由端；即弹性构件具有三个以上自由端，每个自由端与中心部位之间是由任意的直线段和任意的曲线段以任意弯折的形式进行连接。本实施例中的片弹簧组件和活塞的连接方式可以选用一种进行安装，片弹簧组件的弹性构件也可以选用一种形状进行设计，多重形式的连接和形状设计可以进行自由排列组合。
40.在此还应指出的是，第一组合形状可采用弹簧线材在同一个平面内经多次弯折加工而成，显然，第一组合形状的每个弯折段的形状包括直线段、曲线段及其组合，弹簧线材截面可为圆形、椭圆形、方形或三角形，在此不作具体限制。由此，弯折得到的组合形状可为“s”型、“c”型、“z”型、“l”型、“ㄥ”型、“v”型、“u”型、“∠”型、
“┓”
型、
“く”
型、
“へ”
型、“j”型等。
41.如图3所示，该第一组合形状的弹性构件采用截面为圆形的弹簧线材经至少6次弯折加工而成；其形状包含5段直线、4段连接过渡弧线(曲线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端；由此，可将该弹性构件首、尾两端相应的自由端连接固定座的边缘部位，并将该弹性构件的中心位置连接活塞5的相应端，用以支撑活塞5在气缸1内实现往复运动。
42.如图4所示，该弹性构件采用截面为圆形的弹簧线材经至少4次弯折加工而成；其形状包含3段直线(直线段)、2段连接过渡弧线(曲线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端。
43.如图5所示，该弹性构件采用截面为圆形的弹簧线材经至少22次弯折加工而成；其形状包含21段直线(直线段)、20段连接过渡弧线(曲线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端。
44.如图6所示，该弹性构件采用截面为圆形的弹簧线材经至少12次弯折加工而成；其形状包含10段圆弧段(曲线段)、1段中心连接段(直线段)及位于首、尾两端的用于定位安装的弧形自由端。当然，第一组合形式的弹性构件还包括其它结构形式，在此就不一一列举了。
45.与此同时，弹性构件还可为将多个直线段或曲线段的一端连接为一体而成的第二组合形状，第二组合形状中相应的直线段或曲线段的另一端分别设置自由端。
46.由此，此种形式的弹性构件呈辐射状布置，显然包含多个自由端。如图7所示，在图7中公开了弹性构件当中三个曲线段呈中心对称的布置结构，其中，每个曲线段的截面呈矩形，并且，三个曲线段的一端通过环形结构相连接，而三个曲线段的另一端设置为相应的自由端，该自由端为扇环形结构，在扇环形结构上开设有多个固定孔。由此，可将该弹性构件中心位置的环形结构与活塞相连接，而将该弹性构件每个辐射端对应的扇环形结构与对应的固定座相连接，用以支撑活塞在气缸内实现往复运动。
47.进一步地，活塞5的两端中间可设置贯穿端面的安装孔。片弹簧组件13的弹性构件中间部位可通过安装孔与活塞5连接。在弹性构件为第一组合形式时，弹性构件的中间部位可通过紧固件紧固连接在活塞5的端部。在弹性构件为第二组合形式时，安装孔可为螺纹孔，弹性构件可通过螺栓与活塞的安装孔连接。
48.进一步地，定子相应端的片弹簧设有多个，多个片弹簧沿轴向依次间隔叠放以构成片弹簧组件，每两个片弹簧之间使用平垫圈15将片弹簧分隔。多个弹性构件可对应设置，同时连接于固定座。
49.在上述实施例的基础上，进一步地，活塞5的中间部位和气缸1的第一端之间形成压缩腔14，气缸1的第一端壁面上沿周向设有至少一个连通压缩腔的排气孔30。排气孔用于输出压缩腔内气体的压缩膨胀能量。
50.在上述实施例的基础上，进一步地，参考图1，压缩机机芯设于外壳的内部，外壳的内壁上沿周向与排气孔30对应连接有至少一个凸台27，凸台27的内部设有与对应的排气孔30连通的中间通道28，外壳的内部还布置有排气通道29，排气通道29与中间通道28连通，外壳的壁面上设有至少一个与排气通道29连通的排气口。即压缩机机芯上的每个排气孔均对应通过一个凸台27的中间通道28与排气通道29连通。
51.进一步地，压缩机机芯上的排气孔30可沿周向均匀分布。固定座上可与排气孔30对应设置相连通的气道，用于气体进出。
52.在上述实施例的基础上，进一步地，目前多数直线压缩机为单缸式结构，实现单个缸内气体压缩。单缸式直线压缩机其能量利用效率提高效果并不显著，压缩机运行时，机身产生的振动较大，且驱动制冷机时，制冷机冷头振动较大，限制了压缩机的应用范围。本实施例提供的一种直线压缩机，外壳的内部设有两个对称分布的压缩机机芯，两个压缩机机芯的排气孔30均连通于排气通道29。有利于提高能量利用效率，减少振动。
53.在上述实施例的基础上，进一步地，凸台27设于两个压缩机机芯之间，两个压缩机机芯上对应的排气孔30同时连通于对应的凸台内部的中间通道28。
54.进一步地，排气通道可呈圆形，沿外壳的横截面设置。便于与不同位置的凸台中的中间通道连通。且便于在外壳上设置排气口。
55.在上述实施例的基础上，进一步地，活塞的外表面涂设有润滑涂层。活塞5的表面涂覆一层耐磨自润滑涂层，耐磨自润滑涂层包括类石墨涂层、聚醚醚铜涂层、聚酰亚胺树脂涂层、类金刚石涂层、特氟龙涂层、二硫化钼涂层、二硫化钨涂层、石墨涂层、氮化铬涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化钛铝涂层、氮化钛涂层、氧化铝陶瓷涂层及磷化涂层当中的任意一种或至少两种的组合。该双直线压缩机通过在活塞5表面制备具有自润滑特性的耐磨减磨性能的材料涂层，可以降低活塞5与气缸1之间的摩擦，使压缩机可以无油运行，增加活塞运动时的可靠性，延长压缩机的使用寿命。
56.在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种双缸对置式直线压缩机，包括外壳，直线电机，气缸，活塞，片弹簧组件构成的压缩机机芯。两台相同的直线压缩机芯体对称布置。直线电机主要是利用电磁力产生振动，然后结合机械共振推动活塞往复振动压缩气体，直线电机可以采用动磁式、动圈式或者动铁式，本实施例中主要以动磁式为例进行说明。
57.参考图1，气缸1为台阶状，为两个直径不相等的空心圆柱构成，气缸1的小端即贯穿通道截面尺寸较小的部位通过螺纹固定在第二固定座7上。气缸1小端开设排气孔30，用于连通压缩腔14与压缩机中部外壳24的排气口。
58.本实施例中，片弹簧组件13中部连接活塞5，片弹簧组件13的各个自由端连接定子的相应端，本实施例以此为例进行说明，如图8所示，弹性构件包括：左直线臂17、右直线臂16、下直线臂18、夹臂状部分19，各部分厚度均相同，具体厚度由实际要求的轴向刚度和径向刚度决定；左直线臂17、右直线臂16、下直线臂18形状和尺寸均相同，成圆周分布；夹臂状部分19上有3个且均布的夹臂状部分贯通孔20；片弹簧中心贯通孔21位于片弹簧的正中心。片弹簧组件13的中心贯通孔21通过螺纹与活塞支架6和活塞5连接，片弹簧组件13的各个夹臂状部分19通过螺纹与第一固定座3和第二固定座7固定连接。
59.第一固定座3通过螺纹与第一片弹簧组件的夹臂状部分贯通孔20固定连接。第二固定座7上通过螺纹固定安装有气缸1，第二固定座7开设有连通气缸1排气孔和中部壳体排气口的排气流道。本实施例通过片弹簧组件13作为支撑，将活塞5悬浮于气缸1内部，实现活塞5与气缸1的非接触式往复运动，保证活塞5和气缸1的同轴度的同时，保证压缩机的径向刚度和轴向刚度。
60.在上述实施例的基础上，如图1所示，直线电机的定子部件包括同轴布置的内定子4和外定子9，内定子4与外定子9之间为圆筒状气隙10；动子嵌装于圆筒状气隙10内，包括同轴连接动子骨架12与环形永磁体11；活塞5同轴位于动子的内侧，且活塞5不与气缸1配合的一端连接动子骨架12远离环形永磁体11的一端。内定子4和外定子9的铁芯均呈空心圆柱状，内定子4和外定子9形成对称式磁路；内定子4的铁芯的外侧壁或外定子9的铁芯的内侧壁设置沿周向布置的励磁线圈8，励磁线圈8通交流电产生磁场；动子包括一组环形永磁体11，环形永磁体11的磁极沿径向排布，通过对称式磁路在圆筒状气隙10中形成正反方向交替的磁场，环形永磁体11在磁场的作用下，产生轴向的往复电磁驱动力，进而推动气缸1中的活塞5压缩气体。
61.参考图1和图2，本实施例中，双缸对置式无油直线压缩机还包括外壳，外壳包括左端部外壳22、右端部外壳23和中部外壳24。端部外壳开有若干个均匀分布的螺纹孔，实现与中部外壳24固定连接；端部外壳左右两侧各开有o圈密封槽，实现整个压缩机的密封。中部外壳24内部空间类似于圆筒形状，壳体内部有呈圆周均匀分布的三个凸台，凸台避开片弹簧组件的夹臂状部分19，使得夹臂状部分19能够顺利连接于固定座。每个凸台设有中间通道，中间通道周围设有o圈密封槽，凸台的中间通道用来连通气缸1的排气孔30和中部外壳24中部的排气通道。凸台通过螺纹与第二固定座7固定连接。中部外壳24中轴线2位置设有中部排气通道，中部外壳24开设有与气缸1的排气孔30相对应的左排气口25、右排气口26、下排气口。中部外壳24上还设有电源线接线孔和背压腔贯通孔。中部外壳24的三个排气口外部密封连接排气管道进行排气；电源接线孔用于直线电机的电源线伸出中部外壳24外部
接入电源。背压腔贯通孔用于检测中部外壳24内部气压。2个压缩机机芯对称布置在外壳两侧内部。
62.通过以上实施例可以看出，本实施例提供的双缸对置式无油直线压缩机包括外壳，直线电机，气缸，活塞，片弹簧组件构成的压缩机机芯。由于两台相同的直线压缩机芯体对称布置，且阶梯式活塞采用了同轴位于动子的内侧的安装方式，有效缩小尺寸，减小系统体积重量，使运动部件产生的侧向力减小，减小了压缩机的振动和噪声。直线压缩机的压缩过程是工作介质在直线电机的作用下，当片弹簧组件支撑的活塞组件通过往复运动，将活塞悬浮于气缸内部，实现活塞与气缸的非接触式往复运动，保证活塞和气缸的同轴度的同时，增大了压缩机的径向刚度和轴向刚度。并且活塞表面制备具有自润滑特性的耐磨减磨性能的材料涂层，可以降低活塞与气缸之间的摩擦，使压缩机可以无油运行，增加活塞运动时的可靠性。工作介质在压缩腔内形成周期性压力波动，即周期性压缩-膨胀，然后工作介质从压缩腔依次通过气缸、第二固定座、中部外壳的排气孔，最后工作介质通过中部外壳的排气孔排出中部外壳，压力波动通过排气孔外接的排气管道进入斯特林或者脉冲管制冷机组件中，因此该双缸对置式无油直线压缩机可以用以驱动制冷机。
63.本实施例提出的一种双缸对置式无油直线压缩机，该直线压缩机在保证间隙密封和无油润滑技术的同时，可以有效的提高压缩机的轴向刚度和径向刚度，实现高频共振运行，提高运行效率；可以有效利用电机内部空间，缩小压缩机尺寸，减小系统体积，实现压缩机的微型化；提高直线压缩机的使用寿命与可靠性，实现压缩机的微型化降低现有直线压缩机的振动噪声，实现直线压缩机和低温制冷机冷头的特性匹配。
64.本实施例采用双侧片弹簧支撑直线电机动子，阶梯式活塞位于所述动子的内侧的安装方式，压缩腔布置于电机内侧，可以有效利用电机内部空间，缩小压缩机尺寸，减小系统体积。为了解决直线压缩机振动大和寿命短的缺陷，两台相同的直线压缩机芯体对称布置，片弹簧组件支撑的活塞组件通过往复运动，将活塞悬浮于气缸内部，实现活塞与气缸的非接触式往复运动，保证活塞和气缸的同轴度的同时，增大了压缩机的径向刚度和轴向刚度。
65.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。