專利名稱：線性壓縮機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種線性壓縮機，其特別地但不僅僅用于冰箱中。
背景技術：
壓縮機(尤其是冰箱壓縮機)通常是由回轉電機驅動的。但是，即使在它們最有效的形式中，在將旋轉運動轉換成線性往復運動的曲柄系統方面也存在顯著的損耗?；蛘?，可以采用不需要曲柄的回轉式壓縮機，但是向心負載又太高，從而導致相當大的摩擦損耗。由線性電機驅動的線性壓縮機不會有這些損耗，并且可以被設計成其軸承負載足夠低，從而允許使用如美國專利No.5,525,845中所披露的空氣靜力氣體軸承，其中適于側向移動的連桿允許低的軸承負載。
在1970年由機械出版社(倫敦)出版的、JW Powell的題為“空氣靜力軸承”的文獻中，包含有空氣靜力氣體軸承的說明。但是，在正常的制造公差和設備的情況下，難以生產出有效的氣體軸承。
普通的壓縮機安裝在氣密密封的殼體內，所述殼體在使用中用作制冷氣的容器。制冷氣從該容器中被抽進壓縮機并且通過從壓縮機中導出的排氣導管通過殼體排出。
壓縮機的操作涉及導致壓縮機裝置振動的運動部件沿著所有三個軸線的往復運動。為了降低該振動的外部噪音影響，該壓縮機安裝在密封殼體內的隔離彈簧上。
在線性壓縮機中，活塞相對于缸體只沿著一個軸線振動，并且因此在任何一個固定的部件上施加反作用力。針對該問題所提出的一個解決方案是以平衡且相對的方式使一對壓縮機同步地運行。但是，該布置方案對于應用在日用物品(例如家用冰箱)中來說太復雜且昂貴。另一個解決方案是增加共振配重以減小振動。但是，該方案限制了壓縮機的運行，因為配重是負回饋裝置，并且限于基本的不平衡力。在1990年的第六屆國際低溫技術會議論文集中(會議在馬薩諸塞州的普利茅斯舉行)，Gully和Hanes在題為“用于IR系統的小型回轉和線性低溫冷卻機的振動特征”的文章中還提出了一種解決方案。該解決方案涉及在殼體內單獨地支承壓縮機的活塞部件和缸體部件，這樣“定子便作為配重”。但是，在將該設計應用在家用冰箱中時，在活塞質量較低時會出現問題。在這種壓縮機中，由于排放壓力增加，所以壓縮氣體的力起著彈簧力(“氣體彈簧”)的作用，這在排放壓力增加時提高了運行速度。因為“第三”振動模式(其中活塞和缸體彼此同相地振動但是與壓縮機外殼不同相)的頻率只是稍稍高于理想的“第二模式”(其中外殼不振動并且活塞和缸體不同相)的頻率，所以這是一個問題。因此，當“氣體彈簧”開始工作并且有效地使“第二”模式頻率升高并最終高于“第三”模式頻率時，該外殼開始令人難以忍受地振動。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種小型線性壓縮機，該壓縮機可以克服上述缺陷。
根據本發(fā)明的一個方面，提供一種線性壓縮機，它包括缸體部件；活塞部件；
連接在所述缸體部件和所述活塞部件之間并且沿著所述活塞部件相對于所述缸體部件的往復運動方向運行的主彈簧；密封殼體；用來在所述缸體部件和所述活塞部件之間操作的線性電機；連接在所述缸體部件和所述殼體部件之間并且沿著所述往復運動方向運行的缸體部件彈簧裝置；以及連接在所述活塞部件和所述殼體之間并且沿著所述往復運動方向彈性地運行的活塞部件彈簧裝置，所述活塞部件彈簧裝置的彈簧常數為所述活塞部件質量與所述缸體部件質量的比值，并且所述缸體部件彈簧裝置的有效彈簧常數沿著所述往復運動方向作用。
對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離如在附屬的權利要求中所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以得出多種結變化和不同于本發(fā)明的實施例和應用。在這里所公開內容和說明僅僅是說明性的，其并不意味著要進行任何限制。


圖1為根據本發(fā)明的線性壓縮機的斷面圖；圖2為圖1的線性壓縮機的主彈簧的第一實施例的平面視圖；圖3為圖1的線性壓縮機的主彈簧的一可選第二實施例的平面圖；圖4為圖1的壓縮機的主彈簧的一優(yōu)選第三實施例的透視圖；圖5為從可選方向看的圖4的主彈簧的透視圖；圖6為根據本發(fā)明的一個優(yōu)選方式的缸體襯墊的透視圖；圖7為根據本發(fā)明的一個第二優(yōu)選形式的缸體襯墊的透視圖。
具體實施例方式
圖1中所示的本發(fā)明的實施例包括有與往復式自由活塞壓縮機相連的永磁線性電機。缸體9在壓縮機外殼30內由缸體彈簧14和排放管18支撐。通過由缸體孔道以及借助于彈簧固定件25安裝的彈簧13所形成的軸承徑向地支撐活塞11。主彈簧15連接在活塞部件11和缸體部件9之間。整個往復運動是活塞11和缸體9的運動的總和。
該往復運動通過吸氣口26經由吸氣消聲器20經過吸氣管12抽進氣體并且通過閥板21中的吸入閥口24進入壓縮空間28。然后壓縮氣體通過排氣閥口23離開，在排氣消聲器19中被消聲，并且通過排氣管18排出。
缸體9由排氣管18和缸體彈簧14支撐，它們沿著軸向方向具有組合的剛度k缸體。活塞11由將在下面所述的氣體軸承徑向地支撐。在活塞和缸體的共振過程中，主彈簧具有剛度k主，因此從下面關系式中可以估算出第二模式共振頻率fn。
其中m缸體、m活塞是活塞和缸體彈簧的簧上質量，fn通常比所要求的運行頻率小10-20Hz，從而允許由于壓縮氣體、有效缸體彈簧(彈簧14和排放管18的組合)以及活塞彈簧13的剛度而引起的頻率增加。根據下面關系選擇活塞彈簧的剛度k活塞。
彈簧力通過彈簧固定件25和徑向柔性活塞桿124被傳遞給活塞。電磁力從雙極磁鐵22通過活塞凸緣7被傳遞給活塞。雙極磁鐵22相互結合并且連接在活塞凸緣7上。
壓縮機電機包括一由兩部分構成的定子以及一轉子。該定子包括一內部定子6和一護鐵5。該內部定子帶有線圈1、2，該轉子包括雙極磁鐵22。該定子與轉子磁鐵22的磁性相互作用在活塞11(通過凸緣7安裝在轉子上)上產生出往復力。
假設電流的振蕩頻率接近機械系統的自然共振頻率，則線圈1和2中的振蕩電流(不必是正弦曲線)將使活塞11相對于缸體進行運動。該振蕩力在定子部件上產生作用力。因此定子6必須通過粘接劑、冷縮配合或夾具等剛性地連接在缸體9上。護鐵5夾持在或連接在定子安裝件17上。
定子安裝件17還夾持著主彈簧15的外端，并且還使相對薄弱的護鐵5保持為圓形且與內部定子6同心。整個壓縮機組件在壓縮機外殼30內部被氣密地密封。
在本發(fā)明中提出，主彈簧15的剛度要比有效缸體彈簧以及活塞彈簧的剛度大得多。該“主彈簧”使“第二”模式頻率上升至高于“第三”模式頻率，從而“氣體彈簧”僅進一步使這些模式頻率差值更大。
實際的運行頻率(“第二”模式頻率)是由活塞和缸體質量的復雜關系以及活塞彈簧、缸體彈簧和主彈簧15的剛度來確定的。另外，當排氣壓力高于彈簧當量剛度時，壓縮氣體的剛度k氣必須加在主彈簧的剛度上。但是，在缸體彈簧相當軟(比如說為主彈簧剛度的1/100)的情況下，則運行頻率由下式合理精確地表示 通過減小振蕩質量并且通過確?；钊透左w彈簧相對較軟，從而可以幾乎消除由于在所希望的第二模式下活塞/缸體運動之外的原因所引起的外部振動。通過根本不需要缸體彈簧并僅僅留下排放管18的內在剛度(在1000N/m左右，或者在采用冷卻管的情況下，結合了排放管和冷卻管的剛度例如為2000N/m)，從而可以把有效缸體彈簧剛度降低到最小。在有效缸體彈簧剛度僅僅包括排放管的剛度(大約為1000N/m)的情況下，活塞彈簧的剛度應當為 在缸體與活塞的質量比為10比1的情況下，這意味著給出一非常柔軟的活塞彈簧(100N/m)。
對于在大約75Hz下共振的帶有主彈簧的壓縮機而言，如果活塞質量為100克左右并且缸體與活塞的質量比為10比1，則主彈簧剛度(K主)必須大約為20000N/m。通常氣體彈簧的數值將低于但不是大大低于主彈簧的數值。在上述情況下，運行頻率被預期為99Hz，其中氣體彈簧(K氣)大約為15000N/m。
活塞11在缸體內由空氣靜力氣體軸承支撐。壓縮機的缸體部件包括具有從中穿過的孔道的缸體9和位于所述孔道內的缸體襯墊10。缸體襯墊10可以由適當的材料制成，以降低活塞磨損。例如，它可以由纖維增強塑料復合材料例如含有15％PTFE(優(yōu)選)的碳纖維增強尼龍形成，或者可以是其中的石墨片具有自潤滑效果的鑄鐵。另外參照圖6和7，缸體襯墊10具有從中穿過的開口31，它從其外面的缸體表面70延伸到其內孔道71上?；钊?1在內孔道71中運行，并且這些開口31形成氣體軸承。壓縮氣體通過一系列氣體軸承通道8被提供給開口31。氣體軸承通道8在它們的其它端部處向氣體軸承供應管道16打開，該供應管道在襯墊10和缸體9之間圍繞著缸體襯墊10在其頭端處形成為環(huán)形腔室。氣體軸承供應管道16又通過壓縮機缸體蓋的壓縮氣體進氣管即消聲器19由小的供應通道73供給。供應通道73的小尺寸控制著軸承供應管道16中的壓力，因此限制了氣體軸承的氣體消耗。
氣體軸承通道8在缸體的孔道74中或在缸體襯墊的外壁70中形成為凹槽80或81。這些凹槽80或81與其它缸體或缸體襯墊的壁結合形成導向開口31的封閉通道8。應當理解的是，雖然這些凹槽可以設在任一部分上，但是與形成在缸體部件中相比它們更容易形成在襯墊部件中，最好形成在外表面而不是內表面上。因為能夠將凹槽機加工在一個或另一個部件的表面上，而不是必須鉆出孔道，這是制造工藝的顯著改進。
已經發(fā)現，發(fā)生在氣體軸承通道中的壓降必須與在活塞和缸體襯墊的孔道之間的排出流中的壓降相似。由于活塞11和缸體襯墊孔道71之間的間隙(對于小型的壓縮機來說)只有10-15微米，所以通道8的斷面尺寸必須非常小，例如為120微米寬、40微米深。這些小尺寸使得軸承通道的制造非常困難。
但是，參照圖6和7，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，可以通過增加通道8的長度來很容易地完成該壓降的匹配，從而該通道的橫斷面面積也可以被增大。該較長但具有較大橫斷面的通道具有類似于窄短通道的流動阻力。就先前的實施例來說，這些尺寸可以變成200微米寬、70微米深。這樣的優(yōu)點在于，可以在襯墊部件10或缸體部件9的表面中形成任意合適形狀的凹槽80或81，這些凹槽然后與其它部件結合形成通道8。這些凹槽可以形成為具有任意路徑，并且如果選擇一種曲折路徑，則這些凹槽的長度可以顯著大于在氣體軸承供應管道和相應形成氣體軸承的開口之間的直接路徑。在圖6和7中顯示出兩個可能的選擇方案，分別為螺旋形路徑和蛇形路徑。根據通道的優(yōu)選橫斷面積來選擇便于制造的相應路徑的長度(機加工或可以通過其它一些方法例如精確模制)。
運行頻率越高則電機尺寸越小，但是要求更大的彈簧剛度，并且因此在彈簧中出現更高的應力。因此采用最高質量的彈簧材料對于壓縮機壽命來說是重要的。在普通的線性壓縮機中，通常采用由壓制彈簧鋼板制成的主彈簧。但是，在壓制操作中沖切出的邊緣需要進行仔細的拋光，以恢復該彈簧鋼板的原始強度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，主彈簧由圓形斷面琴用鋼絲制成。如圖2所示的第一實施例，該主彈簧可以被卷繞以形成一螺旋彈簧15。該螺旋彈簧15具有一對呈180度并不成一條直線(相互平行)的螺旋臂50、51，這樣每個臂的路徑在另一個臂的相鄰匝之間。活塞安裝點52在連接橋53的中心處，并且用于彈簧的每個臂的缸體安裝點54在臂的外端處。
琴用鋼絲的極高的疲勞強度得到有效的利用，并且無須隨后的拋光操作。如果需要增加側向剛性，則琴用鋼絲可以變形10％，以得到橢圓截面。為了簡化主彈簧的連接，可以使用方形截面的鋼絲，或者彈簧的連接端可以壓成扁平形狀，如圖所示。
但是，圖3顯示了主彈簧的一個可以替換和優(yōu)選的第二實施例。該彈簧也可以由琴用鋼絲形成，并利用了其高疲勞強度的優(yōu)點。
圖3中，彈簧59包括一對安裝點60，61，用于安裝其中的一個壓縮機部件(缸體部件)，并具有一個中央安裝點62，用于安裝另一個壓縮機部件(活塞部件)。彈簧59包括一對曲率半徑基本恒定的曲線形部分63，64，它們中的每一個均以各自的缸體安裝點60，61為中心。這些部分在活塞安裝點62處相切。每一個部分在其端部65，66處平滑彎曲，以在缸體安裝點67，68處沿徑向對準。該位于端部65，66處的更陡的過渡彎曲部分是優(yōu)選選擇的，以保持沿著過渡區(qū)域的應力分布基本均勻。缸體安裝端67，68優(yōu)選與缸體安裝點60，61之間的直線一致。為了使得被彈簧占據的整個空間具有最好的性能，彈簧59的恒定曲率部分63，64盡可能長。因此在分別向缸體安裝點60、61更陡地彎曲之前，它們從活塞安裝點62延伸大約325度。該結構使得彈簧的各部分能夠避免相互干涉。整個彈簧呈現出一種8字形。
通過活塞安裝點62相對于缸體安裝點60，61位移(指向紙平面外面)，從而使恒定曲率曲線部分63，64處于扭轉中。由于半徑恒定，所以沿著每個部分63，64的扭轉應力也基本上恒定。由于缸體安裝部分67，68的徑向或基本徑向方向，缸體安裝件處的彈簧部分的任何扭轉應力被最小化，并且改善了彈簧59在缸體部件上的安裝。彈簧的中心安裝點62具有高的扭轉應力，但這不會顯著地使安裝復雜化，因為可以使安裝件圍繞著彈簧臂，并且具有彈性(如橡皮)保護罩，以允許彈簧臂在安裝件內運動。彈簧臂在安裝件內的運動將是循環(huán)的，并且由于彈簧的對稱性(該彈簧通過180度回轉地對稱)和循環(huán)力，所以彈簧臂的運動不會引起安裝件沿著彈簧臂爬行或行走。應該注意的是，該彈簧結構是結合鋼絲形成方法而不是成型鋼板方法特別研制的。但是(在下面一些更復雜的實施例中受到限制)，還可以采用成型鋼板方法制造該幾何形狀的彈簧，但是可能不會實現某些優(yōu)點(例如，均勻的應力特別適用于具有恒定橫截面的鋼絲)。
可以理解，只要不脫離本發(fā)明的范圍，圖3的彈簧也可以有變化。特別是，如果該彈簧被形成為使得彈簧臂在壓縮機安裝件處垂直于壓縮機安裝件之間的線，那么該臂可以連續(xù)，以形成一個等同的(盡管是鏡像的)環(huán)，在一第一環(huán)之下或之上，返回至另一個壓縮機安裝件。該環(huán)當然可以在第一環(huán)之下或之上具有第二活塞連接位置。在另一個壓縮機連接位置處，端部可以接合或該第二環(huán)可以連續(xù)通過該連接位置以形成第三個環(huán)，它在第二個環(huán)之下(如果需要可以在上面)，返回至第一壓縮機安裝點(或至少返回至恰在之上或之下的安裝點)。環(huán)的這種鏈接可以繼續(xù)下去，以包括所需要數量的環(huán)而獲得所需要的彈簧常數。很明顯，這是一種平面彈簧結構，它不能通過成型鋼板方法構成。
但是，圖4和5中顯示了主彈簧的優(yōu)選第三實施例。
在該優(yōu)選第三實施例中，主彈簧采取了平面彈簧之外的形式。它保留了第二實施例的許多特征，因此在特征明顯相似之處使用了相同的參照數字。
彈簧15包括一對用于安裝在一個壓縮機部件例如缸體部件上的自由端。該彈簧15還具有用于安裝在活塞部件上的其它安裝點。
彈簧15包括一對曲率半徑基本上恒定的彎曲部分63，64，它們中的每一個都環(huán)繞著通過相應的安裝端。這些彎曲部分中的每一個在大約360°范圍的長度上延伸。每個部分在其兩個端部處平滑地彎曲。在端部65，66處，它們彎曲成使它們在缸體安裝端部處的長度部分67，68徑向對準。在端部65，66處，選擇更陡的過渡曲線，以沿著過渡部分保持基本上均勻的應力分布。圖4和5的彈簧15相對于圖3的彈簧59的改進之處在于，彈簧15的恒定曲率部分63，64可以具有任意程度的長度，包括超過360°。在所述的實施例中，它們中的每個都具有大約360°范圍內的長度。
在圖4和5中所述的方式中。彈簧15的安裝點60，61處于其一上方。中心安裝點62處于其一下方。恒定的彎曲部分63，64在它們的下面端部處平滑地彎曲，以在徑向上對準，并且以安裝點62處的彈簧的圓形直徑連續(xù)延伸。該直徑的直線基本上垂直于在缸體部件安裝點60，61處的端部67，68的直線。
通過使活塞安裝點62相對于安裝點60，61移位，從而使恒定半徑的曲線63，64處于扭轉中。沿著每個部分63，64的扭應力也基本上恒定。由于缸體安裝部分67，68和活塞安裝點62的徑向或基本徑向方向，缸體安裝端部處以及活塞安裝點處的任何扭轉應力被最小化，并且改進了彈簧15在缸體部件和活塞部件上的安裝。
權利要求
1.一種線性壓縮機，包括缸體部件；活塞部件；連接在所述缸體部件和所述活塞部件之間并且沿著所述活塞部件相對于所述缸體部件的往復運動方向運行的主彈簧；密封殼體；用來在所述缸體部件和所述活塞部件之間操作的線性電機；連接在所述缸體部件和所述殼體部件之間并且沿著所述往復運動方向運行的缸體部件彈簧裝置；以及連接在所述活塞部件和所述殼體之間并且沿著所述往復運動方向彈性地運行的活塞部件彈簧裝置，所述活塞部件彈簧裝置的彈簧常數為所述活塞部件質量與所述缸體部件質量的比值，并且所述缸體部件彈簧裝置的有效彈簧常數沿著所述往復運動方向作用。
2.如權利要求1所述的線性壓縮機，其特征在于，從所述缸體部件到所述殼體的所述連接件均是可彈性變形的，并且至少結合起來具有預定的低剛度。
3.如權利要求2所述的線性壓縮機，其特征在于，所述連接件包括從所述壓縮機中將壓縮制冷劑輸送出所述密封殼體的排氣導管、從所述密封殼體的外面將液態(tài)制冷劑輸送到所述缸體部件的液態(tài)制冷劑回流管、以及所述線性電機的定子上的任意電連接件。
全文摘要
一種線性壓縮機，包括缸體部件；活塞部件；連接在所述缸體部件和所述活塞部件之間并且沿著所述活塞部件相對于所述缸體部件的往復運動方向運行的主彈簧；密封殼體；用來在所述缸體部件和所述活塞部件之間操作的線性電機；連接在所述缸體部件和所述殼體部件之間并且沿著所述往復運動方向運行的缸體部件彈簧裝置；以及連接在所述活塞部件和所述殼體之間并且沿著所述往復運動方向彈性地運行的活塞部件彈簧裝置，所述活塞部件彈簧裝置的彈簧常數為所述活塞部件質量與所述缸體部件質量的比值，并且所述缸體部件彈簧裝置的有效彈簧常數沿著所述往復運動方向作用。
文檔編號F04B35/00GK1721699SQ20051008324
公開日2006年1月18日 申請日期2000年10月17日 優(yōu)先權日1999年10月21日
發(fā)明者林賽·杰克·羅克, 伊恩·坎貝爾·麥吉爾, 杰拉爾德·戴維·鄧肯, 威廉·喬治·弗格森, 安德魯·保羅·泰勒 申請人:菲舍爾和佩克爾應用有限公司