低温冰箱用整体式斯特林制冷机的制作方法

1.本实用新型涉及制冷机，具体涉及到低温冰箱用整体式斯特林制冷机。


背景技术：

2.传统低温冰箱通常采用复叠式制冷系统作为冷源。近些年，随着环保节能要求的不断严格，复叠式制冷系统受到了极大限制，这促进了低温冰箱新型冷源的发展，如斯特林制冷系统。采用斯特林制冷机，实现了低温冰箱的高效率、高可靠性、长寿命、绿色制冷剂、宽广的制冷温区等目标。
3.现有低温冰箱用整体式斯特林制冷机主要集中于-86℃等温区提供制冷量，但其冷量大都只能满足较小储存容量的低温冰箱，制冷效率低、制冷温度偏高，随着低温冰箱储藏容量的增加，一般需要多台制冷机配合制冷，这不利于斯特林低温冰箱成本的降低，并且多台制冷机配合，其制冷系统可靠性差、安装制造难度高。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本实用新型提供了一种低温冰箱用整体式斯特林制冷机，该制冷机能够在-86℃-196℃温区可提供500w的制冷量，能够单独满足较大容量低温冰箱要求，并且降低了斯特林低温冰箱的制造成本。为了实现该目的，本实用新型的技术方案如下：
5.一种低温冰箱用整体式斯特林制冷机，所述温冰箱用整体式斯特林制冷机包含有外壳以及同轴设于外壳下端的冷指组件，在外壳和冷指组件内滑动设有气缸机构以及活塞组件，所述活塞组件由推移活塞机构和压缩活塞机构组成。
6.推移活塞机构设有导向活塞和推移活塞，导向活塞下端和推移活塞上端密封连接构成中空的推移活塞头，导向活塞上端设有推移活塞连杆，由推移活塞连杆带动推移活塞头在气缸机构内往复滑动，导向活塞和推移活塞分别采用热的良导体和热的不良导体制成，
7.压缩活塞机构设有压缩活塞杆和压缩活塞环，压缩活塞杆滑动套置在推移活塞连杆外径上，压缩活塞环固定安装在压缩活塞杆底部且该压缩活塞环位于气缸机构和压缩活塞杆之间，由压缩活塞杆带动压缩活塞环在推移活塞连杆与气缸机构内壁之间滑动；
8.所述冷指组件包含有同轴依次连接的冷指基座、热端铜环、蓄冷机构、冷头和冷帽，热端铜环和气缸机构之间套置有热端换热器，且冷头和气缸机构之间套置有冷端换热器，在冷头外径有多道环形槽并套置有冷头外壳，冷帽安装在冷头的开口处。
9.进一步的，所述气缸机构由气缸座、压缩气缸和推移气缸组成，
10.气缸座下端同心插入冷指基座内部，气缸座外径有一伸展圆环，伸展圆环下端面紧压冷指基座上端面，且在伸展圆环上加工有多个通孔用于和冷指基座螺丝固定连接；
11.推移气缸上端以及气缸座下端内壁设有环状凹槽，压缩气缸固定安装在推移气缸和气缸座的环状凹槽内，压缩气缸的内壁和推移气缸、气缸座的内壁齐平，压缩气缸中部加工有均布的环形通槽。
12.进一步的，推移活塞与冷帽的对立面均为弧面，并且推移活塞的弧面为凸弧面，且冷帽的弧面为凹弧面。
13.进一步的，所述蓄冷机构由环形蓄冷器和蓄冷器外壳组成，环形蓄冷器外壁紧贴蓄冷器外壳且内壁紧贴推移气缸外壁，环形蓄冷器下端面由冷端换热器支撑且上端面承重热端换热器和热端铜环，环形蓄冷器与冷端换热器、热端换热器之间分别放置有一环形过滤片。
14.进一步的，在外壳内设有同轴环设于压缩活塞机构外围的电机组件，所述电机组件由外向内依次设有外定子、动子、内磁轭，
15.外定子下端内壁紧贴气缸座的伸展圆环外壁，通过螺栓将外定子固定于冷指基座上，
16.动子同心插入外定子及内磁轭所形成的间隙中，保持三者内外壁之间不发生接触，动子顶部下表面通过螺钉安装有多个防撞帽，压缩活塞杆轴向穿过动子并与动子固定连接；
17.内磁轭中间设有供所述压缩活塞杆穿过的通孔，内磁轭中部外径设有一圈凹槽用于缠绕线圈，内磁轭上下端面对称加工有台阶，上端面台阶用于和防撞帽配合以限制动子的行程，下端面台阶与气缸座上端面相配合并采用螺栓固定连接；
18.在外壳内的另一端设置有端盖，端盖通过焊接固定有接线端子，接线端子通过导线和线圈相连。
19.进一步的，所述压缩活塞机构还设有压缩板弹簧，压缩板弹簧两侧加工有多个通孔用于和外定子螺钉固定连接，压缩活塞杆上端与压缩板弹簧中部固定连接，由压缩板弹簧实现压缩活塞杆及底部的压缩活塞环做往复活塞运动；
20.所述推移活塞机构还设有推移板弹簧，推移板弹簧设置在压缩板弹簧平行位于压缩板弹簧上方，推移板弹簧两侧加工有多个通孔用于和压缩板弹簧固定连接，推移活塞连杆上端与推移板弹簧中部固定连接，由推移板弹簧实现推移活塞连杆及底部的推移活塞头做往复活塞运动。
21.进一步的，推移活塞连杆顶端设有第一螺纹，推移板弹簧设有第一中心螺纹孔，推移活塞连杆顶端的第一螺纹与第一中心螺纹孔螺纹配合并用第一螺母紧固；
22.压缩活塞杆顶端设有第二螺纹且在螺纹下端设有凸环，压缩活塞杆的第二螺纹向上穿过动子顶面中心孔并用第二螺母锁紧固定，压缩活塞杆以及第二螺母上端面与压缩板弹簧上端面齐平，在压缩板弹簧上表面设有压板，压板中心设有供推移活塞连杆穿过的中心孔，压板下表面压紧在压缩活塞杆以及第二螺母上端面，压缩活塞杆的上端面围绕轴线设有多个螺纹孔，压板通过多个调节螺钉压缩活塞杆上端面相连。
23.进一步的，压板用于调节压缩活塞杆及动子的偏置，压板下表面同轴设置有与压缩活塞杆上端面接触的压紧凸环，调节螺钉穿过压紧凸环并固定在压缩活塞杆的调节螺纹孔内。
24.进一步的，在外壳内同轴设有位于所述推移板弹簧上方的减振机构，减振机构包含有减振板弹簧、减振器垫块、配重块；
25.减振板弹簧有多组，通过螺钉与真空钎焊固定于外壳内壁上的减振器垫块相连接，配重块中间加工有螺纹通孔，通过螺钉连接于减振板弹簧靠近所述推移板弹簧的一侧。
26.本实用新型的优点在于：
27.1)采用焊接而成的一体式冷指，无需担心冷指漏气问题，同时一体式冷指在批量化生产过程中，由于零件焊接完成，形成组件，便于库存管理、装配方便；
28.2)推移活塞机构的活塞头为空心且分别采用热的良导体和热的不良导体制成，能够有效防止冷端冷量经由活塞导冷至热端；
29.3)推移活塞与冷帽的对立面为相匹配的弧形曲面，能够在有限空间内增加膨胀腔的体积，膨胀腔体积的增大使得制冷机能够具有更大的制冷量；
30.4)冷头外径加工有环形槽，增大了低温冰箱制冷工质与冷头的换热面积，能够使得制冷工质快速降温，将自由活塞斯特林制冷机的冷量传递给低温冰箱；
31.5)压板一方面用于将压缩板弹簧、压缩活塞杆、动子连接在一起，另一方面可用于轻度调节动子的偏置，更好的实现动子组件与气缸的同轴。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为一种低温冰箱用整体式斯特林制冷机的剖视图；
34.图2为推移活塞机构和压缩活塞机构组成的活塞组件示意图；
35.图3为本实用新型的气缸立体示意图；
36.图4为压板下表面有压紧凸环的示意图。
37.图5为本实用新型的减振板弹簧平面图；
38.附图标记说明：
39.1冷帽，2冷端换热器，3环形蓄冷器，4热端换热器，5推移气缸，6推移活塞，7压缩气缸，7-1环形通槽，8导向活塞，9气缸座，10冷指基座，11压缩活塞环，12压缩活塞杆，13内磁轭，14外定子，15线圈，16推移活塞连杆，17动子，18防撞帽，19压缩板弹簧，20压板，20-1压紧凸环，21推移板弹簧，22配重块，23减振板弹簧，24减振器垫块，25外壳，26端盖，27接线端子，28冷头，29冷头外壳，30蓄冷器外壳，31冷指热端铜环，32第二螺母，33螺钉，34螺钉。
具体实施方式
40.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
41.为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本实用新型的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。
42.参照图1所示，本实用新型提供了一种低温冰箱用整体式斯特林制冷机，如图1所述，其包括冷帽1、冷端换热器2、环形蓄冷器3、热端换热器4、推移气缸5、推移活塞6、压缩气
缸7、导向活塞8、气缸座9、冷指基座10、压缩活塞环11、压缩活塞杆12、内磁轭13、外定子14、线圈15、推移活塞连杆16、动子17、防撞帽18、压缩板弹簧19、压板20、推移板弹簧21、配重块22、减振板弹簧23、减振器垫块24、圆筒外壳25、端盖26、接线端子27、冷头28、冷头外壳29、蓄冷器外壳30、冷指热端铜环31。
43.冷帽1同轴插入冷头28中，冷帽1外部中端加工有一台阶，通过台阶与冷头28内部下端台阶固定连接；紫铜制成的冷头28外部加工有多道环形槽，便于低温冰箱制冷工质换热；冷头外壳29上端面紧贴冷头28上端突出圆环下端面，下端阶梯平台紧贴冷帽1下部伸展圆形平台的上端面和外侧。冷头28、冷帽1、冷头外壳29共同组成自由活塞斯特林制冷机的冷端，低温冰箱内的制冷工质进入冷端，由于冷头28采用紫铜制成，冷量传递快，冷头28外部加工有若干环形槽，增大了低温冰箱制冷工质与冷头28的换热面积，能够使得制冷工质快速降温，将自由活塞斯特林制冷机的冷量传递给低温冰箱。
44.蓄冷器外壳30其下端同轴插入冷头28内部上端台阶，上端则同心插入紫铜加工成的冷指热端铜环31的内部下端阶梯中。
45.冷指基座10下端有一环形凸台，通过该环形凸台同轴插入冷指热端铜环31内部上端阶梯中，冷指基座10下端环形凸台外侧的下端面与冷指热端铜环31上端面紧密贴合。冷指基座10与冷指热端铜环31相连，同时支撑气缸座9、固定外定子14以及配合圆筒外壳25的焊接密封，实现了冷指部分与压缩机部分结构上的连接，使得制冷机结构更加紧凑。
46.在本实用新型中，冷帽1、冷头28、冷头外壳29、蓄冷器外壳30、冷指热端铜环31、冷指基座10其外部连接处均通过真空钎焊焊接密封形成一体式冷指，无需担心冷指漏气问题，同时一体式冷指在批量化生产过程中，由于零件焊接完成，形成组件，便于库存管理、装配方便。
47.无氧铜制成的冷端换热器2同心地安装在冷头28内部中间台阶上，台阶对冷端换热器2起轴向定位作用，冷端换热器2外壁贴死冷头28内壁以实现高效换热，冷端换热器2内壁贴合推移气缸5外壁。冷头28内部中间台阶对冷端换热器2起轴向定位，能够防止冷端换热器下滑至膨胀腔，引起整机性能的衰减，冷端换热器2外壁贴死冷头28内壁，可以防止两者间出现气隙，进而导致冷量传递效率下降，两者紧贴，可以加强冷量向外界的传递。
48.卷制成的环形蓄冷器3同轴放入冷指组件中，其外壁紧贴蓄冷器外壳30，内壁紧贴推移气缸5外壁，其下端面平行于冷端换热器2上端面并由冷端换热器2支承，其上端面承重热端换热器4。此外，在环形蓄冷器3与冷端换热器2、热端换热器4之间分别放置有一环形过滤片过滤内部零部件磨损杂质。过滤片的存在能够防止机器在运行过程中，由于摩擦损耗产生的零件碎屑进入环形蓄冷器3与冷端换热器2内部，堵死流道。
49.无氧铜制的热端换热器4同心放入冷指组件中，下端面平行于环形蓄冷器3上端面并由其支承，外壁贴死冷指热端铜环31内壁以实现高效换热，内壁贴合推移气缸5外壁。热端换热器4由无氧铜制成，该材料具有良好的导热性质，热端换热器4外壁紧贴冷指热端铜环31内壁，两者间采用过盈配合，中间无气隙，可以进行高效的换热，热量由外界带走，能够使得制冷机性能得到进一步提升。
50.推移气缸5下端加工有弧形圆环面，中部加工有台阶面，推移气缸5上部内壁通过胶粘与压缩气缸7下部外壁连接，台阶面起限位作用。如图2所示，压缩气缸7中部加工有均布的环形通槽7-1用于压缩腔气体的流通(如图3所示)，上端则同心插入气缸座9内部阶梯
通孔并由气缸座9内部台阶面限位。
51.气缸座9下端同心插入冷指基座10内部，气缸座9外部有一伸展圆环，伸展圆环上加工有多个通孔用于冷指基座10的螺丝固定连接，伸展圆环下端面紧压冷指基座10上端面。
52.线圈15缠绕于内磁轭13的中部凹台内；内磁轭13上下对称加工有一平台，下端平台置于气缸座9上端面，二者采用螺栓连接，内磁轭13中间有一通孔供活塞的上下连接。
53.推移活塞6上端加工有一段一定长度的外螺纹，通过与导向活塞8下端内螺纹进行螺纹连接，推移活塞6、导向活塞8均同心置于推移气缸5与压缩气缸7组成的气缸结构内。推移活塞6下端为弧形曲面，且冷帽1的内侧端面为凹弧面，能够在有限空间内增加膨胀腔(即推移活塞6下端与冷帽1之间的空腔)的体积，膨胀腔体积的增大使得制冷机能够具有更大的制冷量，同时推移活塞6与导向活塞8进行螺纹连接，实现了推移活塞结构上的分离，使得可以对这两个活塞进行单独加工，降低二者质量，并且两个活塞采用不同材料且内部空心，能够防止冷端冷量经由活塞导冷至热端。
54.推移活塞连杆16上端通过螺钉及螺母与推移板簧21固定连接，由推移板簧21带动推移活塞连杆16以驱动下部的推移活塞头在气缸结构内做往复运动。此外，压缩活塞环11通过螺钉与压缩活塞杆12下部延伸圆环进行固定连接，使得压缩活塞环11和压缩活塞杆12结构上分离，能够更好的加工零件，保证二者同轴度，降低加工难度以及成本。
55.压缩活塞杆12内部设有供推移活塞连杆16穿过的通孔以配合推移活塞连杆16的上下运动。压缩活塞杆12上部加工有一段螺纹，螺纹下端有一凸环12-1，压缩活塞杆12的上部螺纹向上穿过动子17并用第二螺母32锁紧，从而将动子17与压缩活塞杆12紧固连接。压缩活塞杆12上端面均布有调节螺纹孔，用于压板20的连接。压缩活塞杆12的结构能够实现动子17、压缩活塞环11、压缩板弹簧19的连接，共同组成制冷机的压缩机部分的动子组件，压缩活塞杆12顶端的螺纹孔通过与压板20连接。如图4所示，压板20下表面同轴设置有与压缩活塞杆12上端面接触的压紧凸环20-1，调节螺钉穿过压紧凸环20-1并固定在压缩活塞杆12的调节螺纹孔内，我们通过松紧相应的调节螺钉来调节压缩活塞杆12及动子17的偏置，更好的实现动子组件与压缩气缸7的同轴。
56.外定子14下端内壁紧贴气缸座9的外部伸展圆环外壁，通过螺栓将外定子固定于冷指基座10上，其顶端均布有多个螺纹孔用于压缩板弹簧19的螺钉紧固。动子17同心插入外定子14及内磁轭13所形成的间隙中，保持三者内外壁之间不发生接触，动子17内通过螺钉安装有多个防撞帽18，用于限制动子17的行程，防止其运动过程中行程过大撞击内磁轭13。通过安装防撞帽18，能够防止动子17在轴向行程过大时，与内磁轭13上端面相撞，破坏动子17。
57.压缩板弹簧19靠近外侧加工有多个通孔，用螺钉33紧定于外定子14上，压缩板弹簧19中心有通孔用于压缩活塞杆12顶端的插入，压缩活塞杆12配合压板20通过螺钉与压缩板弹簧19连接进而实现压缩活塞环11的往复运动。推移板弹簧21靠近外侧同样加工有多个通孔，用螺钉34连接紧定于压缩板弹簧19上，推移板弹簧21的中心通孔用于推移活塞连杆16的螺丝连接以实现推移活塞6、导向活塞8的往复运动。板弹簧的移动部位主要在中间，两端并不产生弹性运动，而推移板弹簧21通过螺钉固定在压缩板弹簧19的两端，因此压缩板弹簧19和推移板弹簧21相互之间的运动互不影响。
58.减振板弹簧23有多组，图5为单片减振板弹簧23的平面图，减振板弹簧23通过螺钉与真空钎焊固定于圆筒外壳25上的减振器垫块24相连接；配重块22中间加工有螺纹通孔，通过螺钉连接于减振板弹簧23上，通过调节配重块22重量以及减振板弹簧23的减振作用达到制冷机整机减振目的。减振板弹簧23、减振器垫块24、配重块22三者共同组成减振装置，减振装置装于圆筒外壳25内部，而不是装在圆筒外壳外部，可以避免制冷机在运输过程发生碰撞对减振装置造成破坏，并且避免了在外界较长时间使用导致减振装置生锈，同时充分利用了制冷机内部空间，提高了制冷机整机的紧凑性。
59.接线端子27通过焊接固定于端盖26的中心通孔上，用于连接线圈引出来的导线；端盖26通过焊接与圆筒外壳25固定连接。
60.本实用新型提供的制冷机可在-86℃提供超过百瓦的制冷量。对于同等容积、同一温区的低温冰箱冷却需求，制冷机具有高制冷量，能够避免多台小制冷量的制冷机的配合使用，从而降低了斯特林低温冰箱的制造成本。
61.本实用新型的装配过程如下：
62.步骤1：首先将冷帽1、冷头28、冷头外壳29、蓄冷器外壳30、冷指热端铜环31、冷指基座10通过真空钎焊焊接密封，形成一体的冷指组件后检查其焊缝气密性，保持冷指组件同轴度不超过0.02mm，在安装工装帮助下将冷端换热器2同心插入冷指组件中并保持其上端面水平，借助蓄冷器缠绕工装将非金属环形蓄冷器3缠绕，环形蓄冷器3同心置于冷端换热器2的上端面，在安装工装帮助下将热端换热器4插入冷指组件中并保持其上端面水平，安装热端换热器4时需注意环形蓄冷器4的轴向承压能力有限，保持环形蓄冷器4与冷指组件外部的同轴度不大于0.03mm。
63.步骤2：推移气缸5与压缩气缸7通过胶粘固定后，将压缩气缸7同心插入气缸座9中并采用螺钉固定连接，三者组成气缸结构，将气缸结构同心插入步骤1中安装完成的组件内，安装过程需注意环形蓄冷器4与气缸结构不能过于贴紧，气缸结构轴向位置由冷指基座10定位。
64.步骤3：将推移活塞6上端通过螺纹连接于导向活塞8组成推移活塞头，组装过程需保持推移组件整体同轴度不大于0.03mm，将推移活塞头同心放入步骤2中安装好的气缸结构中，此时，推移活塞6可以触碰冷帽1，推移组件放入后拉动推移活塞连杆16并观察推移活塞头是否能够在气缸结构中顺利运动，无明显阻力即安装成功。
65.步骤4：压缩活塞环11、压缩活塞杆12组成压缩活塞机构，压缩活塞机构内部为通孔，将压缩活塞机构从安装好的推移组件上方同心放入，压缩活塞机构内部通孔由推移组件贯穿，二者保持较好的同轴度，安装完毕后，拉动压缩活塞机构，观察压缩活塞机构是否能够在气缸结构中顺利运动，无明显阻力即安装成功。
66.步骤5：线圈15缠绕于内磁轭13上，采用胶粘固定，内磁轭13通过上下端加工好的内凹平台定位于气缸座9上，外定子14同心插入气缸座9上并固定于冷指基座10上，压缩板弹簧19固定在外定子14上，动子17通过定位辅助工装定位于压缩活塞杆12上，装配有动子17的压缩活塞机构同轴插入压缩板弹簧19的中心通孔内，依靠压缩板弹簧19达到动子17及压缩活塞机构的径向及轴向定位，动子17、内磁轭13、外定子14三者通过一定的公差配合使其径向间隙稳定，无径向接触。推移板弹簧21定位于外定子14上，推移组件通过螺钉固定于推移板弹簧21上，推移板弹簧21对推移组件起轴向径向定位作用。
67.步骤6：减振器垫块25通过真空钎焊固定在圆筒外壳25上，多组减振板弹簧23之间有多个厚垫圈隔开并通过螺丝首先与配重块22连接，配重块22及减振板弹簧23组成的组件通过工装安装于减振器垫块24上，至此完成外壳组件安装，圆筒外壳25另一端将上述各大组件包裹并通过氩弧焊固定于冷指基座10上，已焊接好接线端子27的端盖26同心插入圆筒外壳25并焊接密封，焊接完毕后需向制冷机内部充入一定压力的氦气检查各焊缝气密性，并保证制冷机内部氦气泄漏率低于1x10-6
pa
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68.以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。