专利名称：一种分置式斯特林制冷机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种分置式斯特林制冷机，属于制冷与低温技术领域，具体 是指一种用于红外系统中，为红外器件提供低温冷源的体积小、重量轻、寿命长、 可靠性高的分置式斯特林制冷机。
背景技术：
斯特林制冷机是按逆向斯特林循环工作的气体回热式闭循环制冷机，自 1954年荷兰Philips实验室研制成实用的斯特林制冷机以来，斯特林制冷机经 历了半个世纪的发展，结构形式从整体式发展到分置式；驱动方式从旋转电机驱 动发展到直线电机驱动。分置式斯特林制冷机的研究从二十世纪七十年代后真正 开始。
分置式斯特林制冷机是—种高度精密的机电一体化产品，它的发展方向是微 型化和长寿命。分置式斯特林制冷机内部存在高频高速相对运动的活塞与气缸运 动副，活塞与气缸之间采用间隙密封，密封间隙很小，通常在7 U)um之间， 而且不能使用润滑油，内部又有高压高纯度易泄漏的制冷工质氦气，肉此其寿命 -直是研制的关键和难点技术。长寿命与微型化是斯特林制冷机研究中的一对矛 盾，要达到微型化，就不容易实现长寿命；要达到长寿命，就很难实现微型化。 目前体积小、重量轻的轻量型分置式斯特林制冷机寿命通常在加()()~500()小时， 最高不超过IOO()()小时;而现有的长寿命斯特林制冷机—'般具有体积大、重量重、 结构复杂的缺点，重量一般在5 15&。
现有的体积小、重量轻的轻量型分置式斯特林制冷机所采用的技术方案通常 是压縮机采用动圈式直线电机驱动、圆柱弹簧支撑膨胀机采用气动驱动、圆 柱弹簧支撑。这种方案的缺点是活塞无径向支撑，活塞与气缸之间存在摩擦，活 塞表面不可避免存在磨损，制冷机工作几千小时后，磨损量累积至不能保证动态 密封效果时，间隙密封失效，导致制冷机制冷能力下降甚至失效；动圈式直线电 机线圈散热难，线圈绕组非金属材料受热挥发放气会污染制冷机工质，降低制冷机性能甚至使制冷机失效；电机存在高频振动的引线，而高频振动引线的疲劳断 裂会导致制冷机失效压縮机端盖存在玻璃烧结引线绝缘端子，玻璃烧结引线绝 缘端子是引起制冷机工质泄漏的薄弱环节，工质的泄漏会导致制冷机失效。轻量 型分置式斯特林制冷机在可靠性设计方面存在的这些不足决定了其可靠性通常 在3000 5000小时，最高不超过10000小时，大大限制了它的应用领域。
实用新型内容
针对现有轻量型分置式斯特林制冷机的结构方案在寿命和可靠性方面存在 的不足，本实用新型提供了一种新的技术方案，按照该技术方案生产的分置式斯 特林制冷机在保留体积小、重量轻、结构简单优点的同时大幅度提高制冷机的寿 命和可靠性。
本实用新型的技术方案本实用新型由压縮机和膨胀机组成，两者之间通过 连接管连接；压缩机包括气缸、直线电机和压縮活塞；两台直线电机成180°对 称布置，驱动同一轴线的双压縮活塞；压縮活塞由膜片弹簧支撑；所述直线电机 为动磁式直线电机，双音圈结构，所述压縮活塞由膜片弹簧支撑。。
所述动磁式直线电机定子的线圈支架组件包括线圈支架和线圈挡圈；线圈挡 圏采用电绝缘酚醛布棒或其它绝缘材料，线圈支架材质为无磁不锈钢，线圈挡圈 固定在线圈支架上。
所述动磁式直线电机的动子组件包括两组磁钢、内磁极和动子支架，两组磁 钢的极性相反，每组由不少于12片瓦片形磁钢组成，磁钢固定在内磁极上；内 磁极套装在动子支架外面并用销钉固定；动子支架为钛合金薄壁件。
所述压縮活塞由两组膜片弹簧支撑， 一组为小内径膜片弹簧，另一组为大内 径膜片弹簧，实现径向精密定位；使所述压縮活塞与气缸之间成为无接触间隙密 封结构。
膨胀机采用小质量排出器结构，圆柱弹簧支撑，气动驱动；膨胀机气缸由通 孔的不锈钢薄壁气缸体与不锈钢气缸堵头激光焊接构成。这种方案在保留轻量型 分置式斯特林制冷机体积小、重量轻、结构简单优点的同时，采用动磁式直线电 机和膜片弹簧支撑两项技术方夷，使其寿命大幅度提高，可达到20000小时以上， 重量不大于2kK。传统的轻量型分置式斯特林制冷机通f.釆用动圈式直线电机，动圈式直线电 机具有工质易污染和泄漏、电机引线高频振动易折断、电机线圈散热难等影响寿 命和可靠性的问题。本实用新型采用的动磁式直线电机的优点是电机的线圈绕 组静止不动，可以隔离线圈和工质，电机中没有了高频振动的引线，压縮机端盖 没有了玻璃烧结引线绝缘端子，解决了工质的污染、泄漏、电机引线折断和线圈 散热难等技术问题。
本实用新型采用的膜片弹簧具有很好的径向定位能力，通过精密装配，可实 现活塞与气缸之间的无接触间隙密封，活塞与气缸之间没有接触和磨损。
本实用新型的有益效果分置式斯特林制冷机在保留体积小、重量轻、结构 简单优点的同时，使其寿命和可靠性有本质的提高，达到20000小时以上，重量 不大于2kg。
图1为本实用新型的分置式斯特林制冷机结构示意图； 图2为本实用新型的膨胀机气缸结构图； 图3为本实用新型的直线电机定子线圈支架组件结构图 图4为本实用新型的直线电机动子纟且件结构图。
具体实施方式
为更好地理解本实用新型的技术方案，
以下结合附图对木实用新型的具体实 施方式作详细说明-
如图l，以金属软管连接管26为分隔，下面部分为压縮机，上面部分为膨 胀机。
压縮机包括动磁式直线电机、膜片弹簧、压縮活塞、压缩气缸、压缩机端盖 等零部件，压缩机为双电机直线对称布置，双活塞双向对动结构。
动磁式直线电机包括磁钢1'3、内磁极9、动子支架8、外磁极14、线圈支架 6、线圈12。磁钢13是两组极性相反的磁钢组件，每组磁钢组件由12片瓦片形 的磁钢组成，磁钢13用胶固定在内磁极9外表面，内磁极9套装在动子支架8 外面并用销钉10固定。两组线圈12绕在线圈支架6上，两组线圈之间用线圈挡圈11隔开。外磁极14套装在线圈12及线圈支架6外面，并在外磁极14与线圈 支架6的侧向接触面激光焊接密封。小内径膜片弹簧1外圆通过螺钉2固定在线 圈支架6的一端，每片小内径膜片弹簧外圆之间用小内径外垫圈3隔开；小内径 膜片弹簧1内圆通过螺钉4与弹簧座7连接，每片小内径膜片弹簧内圆之间用小 内径内垫圈5隔开；弹簧座7通过螺纹与动子支架8及压縮活塞16固定连接。 大内径膜片弹簧18外圆通过螺钉17固定在线圈支架6的另一端，每片大内径膜 片弹簧外圆之间用大内径外垫圈19隔开；大内径膜片弹簧18内圆通过螺钉21 与动子支架8连接，每片大内径膜片弹簧内圆之间用大内径内垫圈20隔开。外 壳34与外磁14之间焊接密封，压縮机端盖22及23与外壳34都用焊接密封， 密封螺钉24用来密封制冷工质。压縮机出气嘴25与中心法兰15用焊接密封。 两个压縮活塞16从压縮气缸35两端对称装入压縮气缸，中心法兰15与线圈支 架6焊接密封。
膨胀机包括后座28、排出器组件33、膨胀气缸32、弹簧座29、配气座30、 弹簧31等零部件。后座用紫铜或不锈钢制作，后座28与膨胀气缸32用螺钉 27连接，接触面用金属密封。压縮腔.％内的氦气通过连接管26进入膨胀机后 座28，经过配气座3()进入排出器组件33，经过排出器组件33内部的回热器金 属网片换热后进入膨胀腔37，达到膨胀制冷效果。排出器组件33由回热器外壳 组件、金属网片、冷端堵头、热端堵头组成，在氦气的交变压力波和弹簧的作用 下，排出器组件33在膨胀气缸32内往复运动。为了减小轴向导热损失，回热器 外壳采用酚醛布棒。
阁2为膨胀机气缸结构图，膨胀机气缸32由气缸体38和气缸堵头39通过 A激光焊接构成。气缸体38是 一个通孔的薄壁件，采用不锈钢制作，气缸堵头 39用不锈钢制作。
图3为直线电机定子的线圈支架组件结构图,线圈支架组件包括线圈支架6、 线圈挡圈11、线圈挡圈W。线圈挡圈11和线圈挡圈40由电绝缘的酚醛布棒或 其它绝缘材料制成，线圈支架6由无磁不锈钢制成，线圈挡圈用胶固定在线圈支 架h。
图4为直线电机的动子组件结构图，磁钢13是两组极性相反的磁钢组件， 每组由12片瓦片形磁钢组成，磁钢n用胶固定在内磁极9上；内磁极9套装在
7动子支架8外面并用销钉10固定；动子支架8是一个钛合金薄壁件。
权利要求1、一种分置式斯特林制冷机，由压缩机和膨胀机组成，两者之间通过连接管连接；压缩机包括气缸、直线电机和压缩活塞；两台直线电机成180°对称布置，驱动同一轴线的双压缩活塞；其特征在于所述直线电机为动磁式直线电机，双音圈结构，所述压缩活塞由膜片弹簧支撑。
2、 根据权利要求1所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述动磁式直 线电机由外磁极、定子线圈支架组件和动子组件构成；定子线圏支架组件包括线 圈支架、两组线圈和线圈挡圈；动子组件包括两组磁钢、内磁极和动子支架，两 组磁钢的极性相反。
3、 根据权利要求2所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述线圈挡圈 为绝缘挡圈，固定在所述线圈支架上，所述线圈支架的材质为不锈钢。
4、 根据权利要求3所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述线圈挡圈 采用电绝缘酚醛布棒，线圈支架材质为无磁不锈钢，两者之间采用胶连接。
5、 根据权利要求2所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述磁钢每组 由不少于12片瓦片形磁钢组成，磁钢与内磁极固定连接；内磁极套装在动子支 架外。
6、 根据权利要求5所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述磁钢与内 磁极通过胶固定连接，动子支架为钛合金薄壁件，内磁极与动子支架用销钉固定。
7、 根据权利要求1~6任--项所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述 压縮活塞由两组膜片弹簧支撑， 一组为小内径膜片弹簧，另一组为大内径膜片弹 簧；所述压縮活塞与气缸之间为无接触间隙密封结构。
8、 根据权利要求7所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述小内径膜 片弹簧外圆固定在线圈支架一端，小内径膜片弹簧内圆与弹簧座连接，弹簧座与 动子支架及压縮活塞固定连接；所述大内径膜片弹簧外圆固定在线圈支架另一 端，大内径膜片弹簧内圆与动子支架固定连接。
9、 根据权利要求7所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述膨胀机的 气缸由通孔的不锈钢薄壁气缸体和不锈钢气缸堵头通过激光焊接构成。
10、 根据权利要求8所述的分置式斯特林制冷机，其特征在于所述膨胀机的气缸由通孔的不锈钢薄壁气缸体和不锈钢气缸堵头通过激光焊接构成。
专利摘要本实用新型公开了一种分置式斯特林制冷机，主要解决现有技术中该机在使用寿命和可靠性方面存在的不足的问题。本实用新型的压缩机由双直线电机驱动同一轴线的双压缩活塞，两台直线电机180°对称布置，双活塞对动；直线电机采用动磁式直线电机，双音圈结构；压缩活塞由两组小质量长寿命膜片弹簧支撑，活塞与气缸之间采用无接触间隙密封结构；膨胀机采用小质量排出器结构，圆柱弹簧支撑，气动驱动；膨胀机气缸由通孔的不锈钢薄壁气缸体与不锈钢气缸堵头激光焊接构成。本实用新型主要用于红外系统中，为红外器件提供低温冷源，在保留体积小、重量轻、结构简单优点的同时，其寿命和可靠性有本质的提高，达到20000小时以上，重量不大于2kg。
文档编号F25B9/14GK201363951SQ20092014325
公开日2009年12月16日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者云 彭, 朱魁章, 陆永达 申请人:中国电子科技集团公司第十六研究所