直线压缩机与其气体推力轴承.pdf

本发明涉及尤其是用于直线压缩机的气体推力轴承。所述轴承包括围绕腔(22)的轴承衬套(23)以及可在所述腔(22)中被移动的本体(36)。所述轴承衬套(23)被多个供气孔(35)穿透，为了形成在内部(22)支承所述可移动本体的气垫，所述多个供气孔(35)可允许来自所述衬(23)外部(24)的压缩气体进入。所述本体(36)与所述轴承衬套(23)由具有不同热膨胀系数的材料制造。

1.  一种气体推力轴承，所述气体推力轴承包括包围一容腔(22)的轴承衬套(23)以及可在所述容腔(22)内移动的本体(36)，其中所述轴承衬套(23)具有多个穿过其的供气孔(35)，压缩气体可在所述轴承衬套(23)的外侧(24)上被施加至所述供气孔，以使得在所述内侧容室(22)内产生用于支承所述可移动的本体(36)的气垫，其特征在于，所述本体(36)和所述轴承衬套(23)由具有不同热膨胀系数的材料制成。

2.  根据权利要求1所述的气体推力轴承，其特征在于，还包括对所述轴承衬套和/或所述可移动的本体(36)调温的调温装置。

3.  根据权利要求1所述的气体推力轴承，其特征在于，还包括对施加至所述供气孔(35)的压缩气体调温的调温装置。

4.  根据前述权利要求任一所述的气体推力轴承，其特征在于，所述调温装置是压缩机。

5.  根据前述权利要求任一所述的气体推力轴承，其特征在于，所述容腔(22)是一工作容室(22)，并且所述可移动的本体(36)是所述压缩机的活塞(36)。

6.  根据权利要求5所述的气体推力轴承，其特征在于，所述压缩机的气体输送量是所述供气孔(35)的输送量的多倍。

7.  根据前述权利要求任一所述的气体推力轴承，其特征在于，所述活塞(36)具有比所述轴承衬套(23)更高的热膨胀系数。

8.  根据权利要求6所述的气体推力轴承，其特征在于，所述可移动的本体(36)由不锈钢制成，且所述轴承衬套(23)由工具钢制成。

直线压缩机与其气体推力轴承
技术领域
本发明涉及气体推力轴承以及可在其中使用该气体推力轴承的直线压缩机。
背景技术
传统地，气体推力轴承包括包围一容腔的轴承衬套，在所述轴承衬套内一本体被支承以允许具有小间隙的运动，而多个供气孔穿过所述轴承衬套，其中压缩气体可以在所述轴承衬套的外侧上被供应至所述供气孔。经由供气孔流入容腔的气体形成衬套的内壁与可移动本体之间的气垫，通过该气垫，本体在容腔内以无接触的方式被保持。本体可以在轴承衬套内实现旋转运动或可以沿轴向移动。
保持本体被支承而其不与轴承衬套相接触要求压缩气体的连续供应。然而如果使用气体推力轴承的装置停止运转，那么通常期望能中断压缩气体的供应，从而不提高不必要的运转成本。如果装置本身产生压缩气体，那么关闭装置不可避免地导致压缩气体供应的中断。然而如果压缩气体供应被关闭或不充足，那么在可移动本体与轴承衬套之间出现摩擦接触并且因而当本体被移动时出现磨损。为在这样的情况下最小化磨损，期望在运动开始之后能以最小可能延迟的方式建立功能性气垫。
上述类型的气体推力轴承充当气体弹簧，从而同样压力的所供应的压缩气体，出现了轴承可以接受(在可移动的本体与轴承衬套之间没有任何接触)的力，而几微米到几十微米等级的小间隙宽度随着间隙宽度的增加而增加。相反地这意味着，对于轴承衬套与可移动本体之间的大宽度间隙，所供应的压缩气体的较低压力足以使得气垫承载可移动本体的重量并防止本体与轴承衬套之间的接触。这意味着在轴承衬套与本体之间造成间隙，从而最小化压缩气体供应开始之后气体推力轴承起作用的时间延迟。然而在轴承衬套与本体之间的大间隙也要求形成气垫的气体从间隙流出，这意味着，为保持轴承起作用，气体输送量需要随着间隙宽度的增加而增加，这样反过来导致了运营成本的增加。
发明内容
因此本发明的目的是提出一种气体推力轴承，一方面在所供应的气体压力较低时所述气体推力轴承已经能够建立高效的气垫且另一方面在低气体输送量情况下允许长期运转。
该目的得以实现在于，对于在背景部分中所述类型的气体推力轴承，本体与轴承衬套由具有不同热膨胀系数的材料制成。然而对于气体推力轴承典型的非运转温度而言，在轴承壳与可移动本体之间可以具有大间隙，从而甚至利用低气压也可以无接触地保持本体，控制运转期间的气体推力轴承的温度使得间隙被缩窄以确保在低气体输送量情况下的运转。
为了以这种方式控制间隙(column)宽度，提供对作为气体推力轴承部件的轴承衬套和/或可移动本体调温的调温装置。
这种调温装置可具有各种不同的形式；例如轴承衬套可被设置有电阻加热器，或者设置用于需要的话通过移动而在可移动本体内感应涡电流的装置。
调温的有利间接选择是设置对供应到供气孔的压缩气体调温的调温装置。
根据优选实施例，调温装置是压缩机，该压缩机导致在压缩机内压缩气体的绝热加热。
具体地，轴承衬套的容腔可以是操作容室，且可移动本体可以是该压缩机的活塞。
压缩机的气体输送量可以是供气孔的输送量的多倍；即仅需要小部分的压缩气体以保持气垫，而其余的主要部分可用于其他应用。
如果气体推力轴承的温度在运转期间高于在非运转状态下的温度，则为了在运转期间缩窄间隙，活塞应具有比轴承衬套更高的热膨胀系数。
因此，可移动的本体尤其可由不锈钢制成，且轴承衬套由工具钢制成。
附图说明
参照附图，从以下给出的示例性实施例说明可清楚本发明的其它特征与优点，所述附图如下：
图1是根据本发明带有气体推力轴承的压缩机的示意性剖视图；以及
图2是用于所述压缩机的驱动单元的示意图。
具体实施方式
在图1中示出的压缩机包括壳体21，所述壳体具有一界定工作容室22的中空圆柱形轴承衬套23。轴承衬套23由一容腔24包围，且该容腔反过来由大致圆筒形壳体部分25限定。轴承衬套23与壳体部分25分别在其一个端部围绕延伸有环形凸缘26或27，其中轴承衬套23的凸缘26在一侧与壳体部分25限定的切口接合、而在另一侧与弹簧片28接合，而轴承衬套23被固定至壳体部分25，且弹簧片28与壳体部分25的凸缘27以任何适合的方式被刚性相连，并与弹簧片28形成气密性密封。在远离凸缘27、28的端部，容腔24通过轴承衬套23与壳体部分25之间夹持的O型圈37被密封。
附着至弹性板28的、与壳体部分25相反的侧部的盖29限定了两个容室30、31，所述两个容室30、31经由阀32、33与工作容室22连通，其中阀32、33如图中所示且优选地由弹簧片28一体形成。阀32、33是单向阀，它们分别只允许气体从阀上游的、吸气侧的容室30流入工作容室22中或从工作容室22流入下游的、压力侧的容室31。孔34将压力侧的容室31与包围轴承衬套23的容腔24相连。
经由延伸穿过轴承衬套23的多个孔35，压缩气体可从容腔24进入工作容室22，并可在轴承衬套23的内侧与可在轴承衬套23中被移动的活塞36之间形成气垫。活塞36可经由连杆38通过在图2中示出的驱动装置而被驱动，且可被驱动成产生往复运动。
活塞36由不锈钢制成。不锈钢的热膨胀系数大体是16×10^-6K^-1。另一方面，轴承衬套23由工具钢制成并具有13×10^-6K^-1的热膨胀系数。自然地，只要活塞材料具有比相应的轴承衬套更高的热膨胀系数，则也可以考虑活塞36与轴承衬套23的其他材料组合。活塞36与轴承衬套23的一部分也可由不满足上述条件的材料制成，只要这不显著改变这两个部件的整体热膨胀系数之差；具体地，这两个部件可设有硬化的和/或降低摩擦的表面涂层。
根据优选应用，图1中示出的压缩机可被用于压缩家用电冰箱中的制冷剂。在这样的情况下，压缩机在非运转状态下基本处于室温。活塞36的外径与轴承衬套23的内径达到大约30毫米，而活塞的直径在室温下被制成比衬套23的直径小大约14微米，从而，如果活塞36被准确地对中，则活塞将与轴承衬套23分开7微米宽的环绕间隙。
如果压缩机运转且驱动单元开始移动活塞36，则最初在工作容室22与容腔24之间没有压差。没有产生气垫且活塞36与轴承衬套23接触地移动。仅仅通过活塞36的往复运动，在容室31内产生输送压力，且在工作容室22内被压缩以及被排入到压力侧容室31的一部分气体制冷剂流回到容腔24内且在此被施加至孔35。在充足的过压(overpressure)在容腔24内产生之后，气垫开始产生作用并防止活塞36与轴承衬套23之间进一步的摩擦。
工作容室22内的压缩导致压缩的制冷剂加热，且热的制冷剂回流到容腔24内还导致轴承衬套23与活塞36在运转期间加热。该加热大体上可达到约50K。这种加热将活塞36与轴承衬套23之间的间隙宽度从当压缩机被起动时的7微米减少到持续运转期间的约4.75微米。作为间隙变窄的结果，通过孔35的气体输送量在热的状态下与启动阶段相比显著减少。
由于相对大部分的制冷剂被改向以保持气垫，因此在启动阶段压缩机具有相对低的效率。然而同时，制冷剂的相对低的供应压力在启动阶段足以防止活塞36与轴承衬套23进行接触。在持续运转中，具有可用的压缩制冷剂的足够压力也保证甚至在减小的间隙宽度情况下不发生接触。间隙宽度通过加热而减小的事实意味着在此状态下必须用以保持气垫的制冷剂数量可被减少，而这样提高了压缩机的效率。
图2示出了驱动活塞36进行往复运动的驱动单元的示意图。所述驱动单元包括两个E形轭部(E-shaped yoke)1，其中所述E形轭部具有相对的三对臂3、4、5。臂3、4、5的彼此相向的端部分别形成限定空气间隙2的极靴7。激励绕组8分别绕中央臂4附着。两个激励绕组8能通过控制电路而被供应电流，而在两个激励绕组8中的电流方向分别被限定成中央臂4的相对的极靴7形成不同极性的磁极。外侧臂3与5的极靴分别形成与相邻的中心臂4相比不同极性的磁极。
在空气间隙2内，电枢10被悬置在上下反转点(或在图2中所示图形中分别为右侧与左侧反转点)之间的两个弹簧11之间，从而电枢的运动可以被颠倒。在上反转点处的电枢10的位置由实线示出，而在下反转点的位置由虚线示出。弹簧11是由一片金属冲压而成的片簧，该片簧具有以Z字形延伸的多个臂12。一个弹簧11的各臂12分别作为另一个的镜像从电枢10上的中央附着点延伸至未示出的刚性框架上的悬置点13，其中轭部1和压缩机也被锚定至所述刚性框架。本实施例使弹簧11很难沿电枢10的纵向方向并沿其每一个正交方向变形，从而它们沿电枢的纵向可逆地引导电枢10。
大致杆型的电枢10在其中心区域具有四极永磁芯部14。而在弹簧11的松弛位置，其中在所述松弛位置，每个弹簧11的各臂12基本位于同一平面内，磁体14在空气间隙2内居中安置，且在图1中示出在磁体左极与右极之间的边界线15居中穿过中央臂4，为绕组8供应电流从而取决于电流方向将电枢10向左或向右移动。
以上解释的示例性实施例利用与压缩机运转相关联的制冷剂的绝热加热以在运转中加热活塞36。自然地，在运转与非运转状态之间改变活塞与轴承衬套之间的间隙宽度的温度的变化也可通过直接加热(或冷却)活塞与轴承衬套而实现。