[實(shí)用新型]滾珠花鍵支撐斯特林制冷機(jī)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220215548.4
• 申請日: 2012-05-14
• 公開（公告）號: CN202709536U
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 席有民;平麗浩;錢吉裕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于制冷技術(shù)領(lǐng)域的制冷機(jī)，特別是一種滾珠花鍵支撐斯特林制冷機(jī)。

背景技術(shù)

斯特林制冷機(jī)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(jī)，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(diǎn)，已被應(yīng)用于通訊、氣象、軍事、航空航天、低溫物理學(xué)、低溫電子學(xué)、低溫材料學(xué)、低溫醫(yī)學(xué)、低溫光學(xué)、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(jī)被廣泛應(yīng)用于紅外探測儀、超導(dǎo)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(dǎo)及預(yù)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(dǎo)量子干涉儀磁強(qiáng)計(jì)（SQUID??magnetometers）是目前世界上最精密的磁通強(qiáng)度測量計(jì)，測量精度可達(dá)毫微微量級（10^-15）特斯拉。將斯特林制冷機(jī)與電子學(xué)結(jié)合起來用于醫(yī)學(xué)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(jìn)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(jī)與超導(dǎo)電子技術(shù)結(jié)合起來，用于武器裝備（雷達(dá)）的接收機(jī)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(qiáng)抗干擾能力，增加探測距離，加長預(yù)警時間，提高戰(zhàn)場生存能力。

正因?yàn)樗固亓种评錂C(jī)在高科技領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)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(jìn)行研究和產(chǎn)品開發(fā)。因此，斯特林制冷機(jī)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(jī)。

早期斯特林制冷機(jī)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(jī)活塞與冷頭排出器由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動曲柄連桿機(jī)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(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動噪音大，尤其是運(yùn)動部件的相互磨損、制冷工質(zhì)的污染和泄漏使得制冷機(jī)的工作壽命受到限制。

20世紀(jì)60年代末，為了克服曲柄連桿驅(qū)動方式斯特林制冷機(jī)運(yùn)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(jī)的概念，并將其應(yīng)用于斯特林制冷機(jī)的設(shè)計(jì)。這種制冷機(jī)壓縮機(jī)的運(yùn)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(yùn)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(xué)于七十年代末開始開發(fā)星載長壽命斯特林制冷機(jī)，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(jī)，以保證活塞和排出器運(yùn)動組件的完全非接觸，消除磨損，使斯特林制冷機(jī)的可靠性和壽命大大提高，開創(chuàng)了風(fēng)靡低溫界的“牛津型”斯特林制冷機(jī)時代。1992年11月，BAe公司（現(xiàn)改名為Matra?Marconi?Space）研制的牛津型斯特林制冷機(jī)的地面試驗(yàn)壽命(MTTF)達(dá)到了41933小時(約4.7年)。板彈簧支撐的難點(diǎn)在于氣缸、活塞組件和板彈簧組件的對準(zhǔn)和組裝、間隙測量與準(zhǔn)直方面要求很高，造價高。

上述直線電機(jī)驅(qū)動的斯特林制冷機(jī)，直線電機(jī)沿軸向的往復(fù)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(jī)壽命可達(dá)到15000小時以上。但由于電機(jī)設(shè)計(jì)和制冷機(jī)關(guān)聯(lián)，加工制造過程對電機(jī)、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(jī)熱力學(xué)和動力學(xué)特征相互影響，相互制約，運(yùn)動相位與行程受制冷機(jī)內(nèi)外部環(huán)境影響，制冷量和溫度控制比較復(fù)雜，影響制冷機(jī)的工作可靠性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和加工工藝的完善，整體式斯特林制冷機(jī)的振動噪音得到大幅度降低，隨著超導(dǎo)和紅外技術(shù)大量應(yīng)用的迫切需要，這種機(jī)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(jī)動力學(xué)過程嚴(yán)格決定于運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，動力學(xué)與熱力學(xué)相互獨(dú)立，因而制冷機(jī)熱性能穩(wěn)定。因此，整體式斯特林制冷機(jī)非常有利于工程化批量生產(chǎn)。

整體式斯特林制冷機(jī)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(jī)的壽命。解決活塞和排出器的側(cè)向力問題，對制冷機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)是提高制冷機(jī)的可靠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(jī)，該樣機(jī)較好的解決了活塞側(cè)向力的問題（席有民,?李青,?李強(qiáng),?聶中山.?線性滑軌支撐微型斯特林制冷機(jī)的開發(fā)及性能調(diào)試.?低溫與超導(dǎo),?2005(3):19-21,35）該樣機(jī)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(fù)雜，工程化成本較高。

實(shí)用新型內(nèi)容