[发明专利]滚珠花键支撑斯特林制冷机

说明书

技术领域

本发明属于制冷技术领域的制冷机，特别是一种滚珠花键支撑斯特林制冷机。

背景技术

斯特林制冷机是按逆向斯特林循环（由两个等温过程和两个等容过程组成的热力循环）工作的制冷机，具有制冷效率高、体积小、重量轻、启动快、工作温度范围宽、操作简单等优点，已被应用于通讯、气象、军事、航空航天、低温物理学、低温电子学、低温材料学、低温医学、低温光学、生物工程、地球资源勘探、微观粒子研究等高科技领域。

斯特林制冷机被广泛应用于红外探测仪、超导量子干涉仪等精密仪器设备中，前者是红外勘探、军事制导及预警系统等必不可少的设备，而后者则是用途广泛的低温精密电子装置，如超导量子干涉仪磁强计（SQUID  magnetometers）是目前世界上最精密的磁通强度测量计，测量精度可达毫微微量级（10^-15）特斯拉。将斯特林制冷机与电子学结合起来用于医学领域，研制出了诸如磁共振成像仪（MRI）、心脏诊断仪等一系列高精尖的医疗设备，可对各系统疾病任何方位断层进行安全无损的探伤、造影、频谱分析，大大提高了诊断水平。斯特林制冷机与超导电子技术结合起来，用于武器装备（雷达）的接收机前端上，可以在提高系统抗干扰能力的同时，提高其接收灵敏度，增强抗干扰能力，增加探测距离，加长预警时间，提高战场生存能力。

正因为斯特林制冷机在高科技领域和经济发展中具有如此重要的作用，各国都将其列为关键基础技术，投入资金、技术、人才进行研究和产品开发。因此，斯特林制冷机的寿命和可靠性得到了很大提高，成为研究最深入、应用最广泛、变型最多的一种制冷机。

早期斯特林制冷机为整体式结构，压缩气缸和膨胀气缸（冷头）成90°布置，压缩机活塞与冷头排出器由旋转电机带动曲柄连杆机构驱动，活塞和排出器与相应气缸的密封形式为非金属弹性环的接触密封。这种制冷机整机结构复杂、振动噪音大，尤其是运动部件的相互磨损、制冷工质的污染和泄漏使得制冷机的工作寿命受到限制。

20世纪60年代末，为了克服曲柄连杆驱动方式斯特林制冷机运动过程中的侧向力，荷兰Philips公司首先提出线性谐振压缩机的概念，并将其应用于斯特林制冷机的设计。这种制冷机压缩机的运动部件少、侧向力小、污染小、磨损低，因而工作寿命和可靠性得到提高。但由于运动活塞和排出器无径向支撑，所以，其平均无故障时间一般也只有2500小时。

英国牛津大学于七十年代末开始开发星载长寿命斯特林制冷机，首次将其研制的并获空间成功应用的摆线悬臂梁型板状弹簧支撑技术应用于斯特林制冷机，以保证活塞和排出器运动组件的完全非接触，消除磨损，使斯特林制冷机的可靠性和寿命大大提高，开创了风靡低温界的“牛津型”斯特林制冷机时代。1992年11月，BAe公司（现改名为Matra Marconi Space）研制的牛津型斯特林制冷机的地面试验寿命(MTTF)达到了41933小时(约4.7年)。板弹簧支撑的难点在于气缸、活塞组件和板弹簧组件的对准和组装、间隙测量与准直方面要求很高，造价高。

上述直线电机驱动的斯特林制冷机，直线电机沿轴向的往复力直接作用于活塞和排出器，因而侧向力小，磨损小，工作寿命较高。结合间隙密封和板弹簧支撑或气体悬浮支撑，制冷机寿命可达到15000小时以上。但由于电机设计和制冷机关联，加工制造过程对电机、板弹簧等零部件的加工精度要求很高，因而成本较高。此外，制冷机热力学和动力学特征相互影响，相互制约，运动相位与行程受制冷机内外部环境影响，制冷量和温度控制比较复杂，影响制冷机的工作可靠性。

随着科学技术的发展和加工工艺的完善，整体式斯特林制冷机的振动噪音得到大幅度降低，随着超导和红外技术大量应用的迫切需要，这种机型再度引起低温界的关注。同时，由于整体式斯特林制冷机动力学过程严格决定于运动机构的设计，动力学与热力学相互独立，因而制冷机热性能稳定。因此，整体式斯特林制冷机非常有利于工程化批量生产。

整体式斯特林制冷机存在的主要问题是：作用于活塞和排出器的侧向力引起的密封磨损制约着整机的寿命。解决活塞和排出器的侧向力问题，对制冷机的支撑结构进行改进是提高制冷机的可靠性和寿命的有效措施。2004年中科院理化技术研究所提出线性滑轨支撑结构解决该问题，并制作了两台样机，该样机较好的解决了活塞侧向力的问题（席有民, 李青, 李强, 聂中山. 线性滑轨支撑微型斯特林制冷机的开发及性能调试. 低温与超导, 2005(3):19-21,35）该样机线性滑轨与相应气缸之间安装时所需零件多，结构复杂，工程化成本较高。

发明内容