[发明专利]一种双驱动旋转分置式斯特林制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及小型低温斯特林制冷机技术领域，具体涉及一种双驱动旋转分置式斯特林制冷机。

背景技术

斯特林制冷机是一种采用逆向斯特林循环的回热式低温制冷机。由于其效率高、结构紧凑，小型斯特林制冷机广泛应用于红外探测等领域。斯特林制冷机主体由压缩单机和膨胀机两部分组成，压缩机由驱动电机、气缸、活塞等组成，产生压力波，膨胀机由排出器、膨胀气缸等组成，在气体膨胀时吸收热量产生制冷。工作过程中斯特林制冷机的排出器需要与压缩机产生的压力波形成一定的相位才能实现制冷。小型斯特林制冷机按结构可分为整体式和分置式两类，按电机驱动方式可以分为旋转电机驱动式和直线电机驱动式。

由旋转电机驱动的大多为整体式，称为旋转整体式制冷机，旋转整体式的排出器和压缩机由同一个电机通过曲柄连杆机构驱动，曲柄连杆机构可以保证排出器与压力波形成恒定的相位。

由直线电机驱动的大多为分置式，称为直线分置式制冷机，直线分置式的膨胀机与压缩机分置布置，中间只用一根压力波可以通过的管道连接。直线电机驱动压缩机时，电机动子与活塞为一体结构，活塞动子部分与弹簧形成一个受迫振动系统，电机电磁力驱动动子形成往复震荡运动，运动过程中活塞在气缸中产生压力波。直线分置式的排出器驱动方式有两种，一种是由压缩机产生的压力波驱动的气动式，一种是由直线电机驱动的双驱动式，即压缩机和膨胀机均由直线电机驱动。气动式工作过程中排出器与弹簧组成一个受迫振动系统，压力波驱动时通过阻尼力产生相位差使排出器与压力波形成所需的相位。双驱动工作过程中是通过位置传感器确定压缩活塞与排出的运行位置，由控制器控制两个电机运行位置形成所需相位。

也有压缩机由旋转电机驱动，膨胀机分置布置的旋转分置式制冷机，旋转分置的膨胀机一般是气动式。

旋转整体式制冷机采用一体式结构，结构非常紧凑，曲柄连杆使得相位恒定，整机效率高。同时由于曲柄连杆机构在驱动过程中驱动力的传递都是刚性连接，在高加速环境下，相位和运动受影响较小，所以在弹载等高机动、高加速度环境时适应性好。但是由于一体式结构，其缺点主要是膨胀机冷头受到压缩机的影响振动较大，应用安装时也因为一体式结构使用不够灵活。

直线分置式制冷机采用压缩机与膨胀机分离结构，应用过程中冷头部分安装灵活，膨胀机冷头也不受压缩机影响，振动小。气动式由于相位靠阻尼实现，要达到高的效率设计难度和调试难度均比较大。双驱动式由于压缩机和膨胀机中都需要布置直线式位置传感器，结构复杂，控制难度大。直线分置式的压缩机和排出器运动都是往复受迫振动系统，运动非刚性连接，在高机动、高加速的环境下，受迫振动系统会因为高加速的惯性力导致相互之间的相位发生偏移或错乱，导致冷头温度输出不稳定甚至不能正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双驱动分置式斯特林制冷机，该制冷机一方面能够解决旋转整体式制冷机存在的冷头布置不灵活和振动大的不足，另一方面能够解决直线分置式制冷机对高加速度环境条件难以适应的不足。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种双驱动旋转分置式斯特林制冷机，包括分置式布置的压缩机与膨胀机、连接压缩机出气口与膨胀机进气口的连接管以及驱动控制器。

具体地说，所述压缩机包括压缩机外壳以及安装在压缩机外壳中的压缩机驱动伺服电机、压缩机曲轴、压缩机曲轴连杆、压缩活塞和压缩气缸；所述压缩机驱动伺服电机的转子与压缩机曲轴相连；所述压缩机曲轴连杆的一端与压缩机曲轴相连，另一端与压缩活塞相连；所述压缩活塞嵌入安装在压缩气缸内；压缩机驱动伺服电机驱动压缩机曲轴和压缩机曲轴连杆运动，进而驱动压缩活塞沿压缩气缸轴向作直线往复运动。

所述膨胀机包括膨胀机外壳以及安装在膨胀机外壳中的膨胀机驱动伺服电机、膨胀机曲轴、膨胀机曲轴连杆、排出器和膨胀气缸；所述膨胀机驱动伺服电机的转子与膨胀机曲轴相连；所述膨胀机曲轴连杆的一端与膨胀机曲轴相连，另一端与排出器相连；所述排出器嵌入安装在膨胀气缸内；膨胀机驱动伺服电机驱动膨胀机曲轴和膨胀机曲轴连杆运动，进而驱动排出器沿膨胀气缸轴向作直线往复运动。

进一步的，所述连接管为金属软管。

进一步的，所述压缩机驱动伺服电机和膨胀机驱动伺服电机采用同一驱动控制器驱动。

进一步的，所述压缩机和膨胀机之间的相位是控制器根据两者伺服电机的位置编码器进行控制。所述相位指得是压缩机和膨胀机两者之间的相对相位。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：