[发明专利]一种采用内嵌单向阀的对置式直流线性压缩机及设计方法

权利要求书

1.一种采用内嵌单向阀对置式直流线性压缩机的设计方法，所述的压缩机的结构包括共用基座(1)、左部极靴(2)、左部永磁体(3)、左部磁极(4)、左部载流线圈(5)、左部线圈架(6)、左部活塞轴(7)、第一左部支撑板弹簧组(8)、第二左部支撑板弹簧组(24)、左部骨架(23)、左部机壳(9)以及右部极靴(2′)、右部永磁体(3′)、右部磁极(4′)、右部载流线圈(5′)、右部线圈架(6′)、右部活塞轴(7′)、第一右部支撑板弹簧组(8′)、第二右部支撑板弹簧组(24′)、右部骨架(23′)、右部机壳(9′)；压缩机整体结构采用对置式设计以抵消左右两部分的机械振动，即整体结构以垂直中心线(10)为对称轴，左右结构设计与装配方式均为镜像对称；共用基座(1)的径向方向内嵌两组单向簧片阀结构，即进气口单向簧片阀结构(21)与排气口单向簧片阀结构(22)，两组结构轴线呈180°对置设计；两组簧片阀结构为非轴对称结构，进气口单向簧片阀结构(21)由密封端盖(11)、定位套筒(12)、进气口限位器(13)、进气口簧片(14)及进气口簧片基座(15)构成，进气口簧片(14)与进气口簧片基座(15)紧密配合，通过进气口限位器(13)紧配于共用基座(1)的进气口径向沉头孔(16)之中，并以螺丝紧固；进气口簧片(14)为一挠性金属薄片，具有良好的弯曲特性及抗疲劳性；定位套筒(12)及密封端盖(11)用于压紧进气口单向簧片阀结构(21)，并通过螺纹固定于共用基座(1)，密封端盖(11)与共用基座(1)之间通过O型圈密封保证气密性；整个进气口单向簧片阀结构(21)的径向尺寸之和比共用基座(1)的沉头孔深度大0.1～0.3mm，保证O型圈密封结构的气密性；排气口单向簧片阀结构(22)与进气口单向簧片阀结构(21)相似，由密封端盖(11)、定位套筒(12)、排气口限位器(13′)、排气口簧片及排气口簧片基座(15′)构成，其装配方式与进气口单向簧片阀结构(21)有所不同，排气口簧片内嵌于排气口簧片基座(15′)后装配于排气口径向沉头孔(17)最内部，排气口限位器(13′)装配于排气口簧片基座(15′)外并依靠定位套筒(12)及密封端盖(11)压紧固定；排气口限位器(13′)与排气口簧片基座(15′)的设计尺寸与进气口的有所不同，由具体过气量决定；左部永磁体(3)为一圆筒结构，采用强磁性材料，通过中心孔安装于左部极靴(2)中，再以左部磁极(4)固定，形成稳定永磁体结构；左部极靴(2)为U型体，凹槽直径大于左部永磁体(3)直径，所剩余空隙为左部载流线圈(5)的运动空间，固定于磁体锁紧平台(18)；左部载流线圈(5)在工作中最大行程为s，且始终位于磁体结构间隙之中，保证线圈运动中始终处于稳定磁场作用下；左部支撑板弹簧包括第一左部支撑板弹簧组(8)、第二左部支撑板弹簧组(24)，第一左部支撑板弹簧组(8)、第二左部支撑板弹簧组(24)前后设置，第一左部支撑板弹簧组(8)固定于板弹簧锁紧平台(19)上，第二左部支撑板弹簧组(24)固定于左部骨架(23)上，每组由3～4片板弹簧及中间垫圈组成，通过螺丝锁紧，以支撑左部活塞轴(7)；左部活塞轴(7)的杆部从中心向外依次穿过第一左部支撑板弹簧组(8)、左部极靴(2)、左部永磁体(3)、左部磁极(4)、左部线圈架(6)、左部骨架(23)及第二左部支撑板弹簧组(24)，其中左部活塞轴(7)、左部载流线圈(5)、左部线圈架(6)共同形成左部动子部分，共用基座(1)、左部极靴(2)、左部永磁体(3)、左部磁极(4)及左部骨架(23)则共同形成定子部分，动子与定子依靠第一左部支撑板弹簧组(8)及第二左部支撑板弹簧组(24)形成挠性连接，保证动子部分在定子限定下能够进行直线往复运动；左部机壳(9)为U型钟罩结构，与共用基座(1)通过O型圈结构形成密封，并以螺丝锁紧；右部结构由右部极靴(2′)、右部永磁体(3′)、右部磁极(4′)、右部载流线圈(5′)、右部线圈架(6′)、右部活塞轴(7′)、第一右部支撑板弹簧组(8′)、第二右部支撑板弹簧组(24′)、右部骨架(23′)、右部机壳(9′)组成，与左部结构互为镜像体，从而形成一种对置式动圈直流线性压缩机；其特征在于所述的设计方法步骤如下：

步骤一：根据实际需求，确定所设计压缩机面向外部性能参数，包括扫气容积V、最大输入功P_max、最大质量流率其中扫气容积为设定初始值，是整个设计过程基点；

步骤二：确定气缸结构尺寸，包括左部活塞轴(7)及右部活塞轴(7′)直径D，以及两活塞轴的运动行程s；运动行程s指活塞由下止点位置达到上止点位置所运动位移量，其受板弹簧结构原理所限，实际值在0.16D_s～0.20D_s之间，其中D_s为板弹簧直径；设计过程中，为保证活塞运行过程中气弹簧力与电机力相平衡，设定活塞直径D与行程s存在式[1]所示关系：

1.8sD2.5s [1]

步骤三：确定压缩机设计最佳运行频率f；对置式直流线性压缩机存在最佳运行频率，该运行频率等于压缩机平稳运行过程时动子部分的谐振频率，在该频率下，对置式直流线性压缩机达到最大运行效率，机械损失达到最小；动子部分谐振频率f由式[2]决定：

其中，k_m为板弹簧胡克系数，k_g为气弹簧等效胡克系数，m为动子质量；设计过程为计算最优频率的逆向过程，根据设计工况中的最大质量流率及气缸扫气容积V确定压缩机运行频率，再设计板弹簧结构及动子质量m以满足谐振频率接近设计频率的关系；

步骤四：确定板弹簧结构参数，包括板弹簧厚度t_s及板弹簧直径D_s以及每组板弹簧数量；板弹簧直径D_s由步骤二中活塞行程决定；板弹簧厚度t_s及每组片数则由步骤三中板弹簧胡克系数k_m最优值确定，板弹簧材料选择高抗疲劳特性金属，根据所选金属材料结构特性参数确定具体厚度及片数；

步骤五：确定载流线圈参数，包括线圈直径D_c及线圈匝数n，根据压缩机振动矢量平衡方程，确定电机力F_m大小：

F_m＝F_g+F_s+F_a [3]

|F_m|＝BIL [4]

|F_a|＝2π²f²sm [7]

其中，F_m为线圈在磁场中受到的电机力，F_g为活塞运动受到的气弹簧阻力，F_s为板簧弹性力，F_a为惯性力，B为磁场强度，I为线圈中电流密度，L为总线圈长度，ΔP为气缸内气体与背压腔压力差，D为活塞直径，k为板弹簧刚度，s为活塞行程，f为运行频率，m为动子质量；磁场强度B由左部极靴(2)、左部永磁体(3)、左部磁极(4)及右部极靴(2′)、右部永磁体(3′)、右部磁极(4′)确定，其值在0.8～1.0T范围之间，具体由充磁后测量所得，电流I由输入参数确定，最大值受线圈载流能力限制，超出额定电流将导致线圈烧损，损坏线圈结构；

步骤六：根据上述步骤确定的结构参数值，进一步设计包括共用基座(1)、左部极靴(2)、左部磁极(4)、左部线圈架(6)、左部骨架(23)、左部机壳(9)以及右部极靴(2′)、右部磁极(4′)、右部线圈架(6′)、右部骨架(23′)、右部机壳(9′)在内的结构尺寸；装配设计包括共用基座(1)与左部极靴(2)之间的螺纹连接；左部骨架(23)与左部极靴(2)之间的螺纹连接；左部线圈架(6)与左部极靴(2)之间相对位置的固定；

步骤七：根据预设工况设计单向簧片阀结构尺寸，单向簧片阀结构尺寸包括过气孔隙直径D_v，簧片阀限位高度h，过气孔隙直径D_v由最大流率确定，其值满足气隙马赫数在0.1～0.25范围，簧片阀限位高度h由式[8]确定：

由于进气口排气口气体状态不同，导致进气口单向簧片阀结构(21)与排气口单向簧片阀结构(22)的气隙直径D_v略有不同，相对应的簧片阀限位高度h同样略有差异；

最后根据簧片阀结构尺寸确定簧片阀配件，即密封端盖(11)与定位套筒(12)的结构参数，完成密封结构设计，保证进出口气流仅通过气隙流入排出；至此，一种对置式直流线性压缩机的设计流程结束。