CN101949378A

CN101949378A - 用于g-m制冷机的迷宫密封式活塞

Info

Publication number: CN101949378A
Application number: CN 201010284851
Authority: CN
Inventors: 郝熙欢; 巨永林
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-01-19

Abstract

一种机械活塞技术领域的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，位于制冷机的气缸内部，由电机带动在气缸内部做往复运动，该活塞为圆柱体结构，活塞采用与制冷机气缸相同或低温下热收缩率低于气缸的材质整体制成，其外表面设有若干道垂直于所述圆柱体轴心的密封槽，所述活塞整体外部设有聚四氟乙烯耐磨涂层。本发明能够有效提高G-M制冷机的密封性能、运行稳定性、可靠性及使用寿命。

Description

用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞

技术领域

本发明涉及的是一种活塞密封技术领域的装置，具体是一种用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞。

背景技术

近年来，随着大型低温真空泵、高低温超导器件、核磁共振成像仪(MRI)、红外探测器、低温光电子学器件的迅速发展，大冷量制冷机的工业需求也在不断增长，研制出大冷量的G-M制冷机现已经成为低温制冷机领域中的一个重要研究方向。对于双级G-M制冷机，传统结构中二级活塞和气缸之间采用活塞环密封方式，这种方式对于活塞环及其涨圈的材料和加工精度要求较高，活塞环与气缸之间存在磨损，长期运行会影响密封性能，尤其在低温下会造成一、二级间的串气，成为影响G-M制冷机制冷性能和稳定性及其寿命的主要障碍，寻求新的密封方式已经成为提高G-M制冷机整体性能的重要手段。

经对现有技术文献检索发现，中国专利文献号CN2367799Y公开的“用于活塞式低温制冷机的活塞式蓄冷密封结构”，其活塞由活塞外套及位于活塞外套之中的内部装有蓄冷填料的活塞内衬组成，活塞外表面上刻有凹槽，凹槽及活塞内衬中装有蓄冷材料。上述专利中活塞的结构较为复杂，活塞的加工和装配难度较高，且活塞外套采用胶木材料制成，其在低温下的热收缩率要远大于气缸材料的热收缩率，造成迷宫密封间隙随着温度降低而不断增大，从而影响了迷宫活塞在低温下的整体密封性能。

进一步检索发现，中国专利文献号CN201013558Y公开的“工业用迷宫压缩机的气缸迷宫密封”以及中国专利文献号CN201335007Y公开的“无密封环迷宫往复活塞压缩机”，取消了密封环结构，其缸体内壁镜面和活塞外柱面即二者的配合面均有螺纹环槽；石墨填料环的内壁带有螺纹状环槽；机身内腔刮油环下设有水冷却的活塞杆导向轴承；活塞杆与十字头采用锥面配合键连接；气缸与机身无止口平面连接。上述专利中气缸体和活塞均刻有密封槽，结构复杂，加工难度增加，且该迷宫密封结构主要用于活塞压缩机中，而在G-M制冷机中，活塞不仅起着压缩膨胀气体的作用，同时其内部充填蓄冷材料，起着回热器作用，不存在回油问题，因此无论是活塞的工作原理还是工作温区均与传统的活塞压缩机存在较大差别。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，能够有效提高G-M制冷机的密封性能、运行稳定性、可靠性及使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述活塞位于制冷机的气缸内部并与电机相连带动实现在气缸内部的往复运动，该活塞为圆柱体结构，其外表面刻有若干道垂直于所述圆柱体轴心的密封槽，所述活塞整体外部设有聚四氟乙烯耐磨涂层。

所述的活塞采用与制冷机气缸相同或低温下热收缩率低于气缸的材质制成，如不锈钢304或Inconel718合金；该活塞整体由同种材料制成，无外壳和内衬之分；

所述的聚四氟乙烯涂层的厚度为0.01mm；

所述的密封槽的截面形状为矩形、正梯形或倒梯形；槽道宽度为1-3mm，槽道深度为0.8-1.6mm，槽道脊部与气缸内壁的半径间隙，即密封间隙为0.01-0.06mm。

与现有技术相比，本发明优点包括：

1.和传统活塞环密封相比，该迷宫密封结构密封效果好，且无需活塞环及涨圈等易损件，提高了G-M制冷机的运行稳定性、可靠性及使用寿命；

2.活塞采用同种材料整体制成，无外壳和内衬之分，活塞结构简单，加工和装配难度低；

3.活塞采用与制冷机气缸相同或低温下热收缩率低于气缸的材质制成，如不锈钢304或Inconel718合金，从而使得迷宫密封间隙随着温度的降低保持不变或不断减小，提高了该结构在低温下的密封性能。同时，活塞外表面喷涂聚四氟乙烯(PTFE)，该材料具有耐低温、自润滑、耐磨性好等优点，从而大大降低了活塞与气缸壁间的磨损。

附图说明

图1为传统结构活塞的剖视图；

其中：1为气缸，2为活塞，3为密封槽，4为活塞环，5为涨圈，6为蓄冷材料。

图2为本发明的迷宫密封式活塞的剖视图；

其中：1为气缸，2为迷宫活塞，3为聚四氟乙烯(PTFE)涂层，4为密封槽，5为蓄冷材料。

图3为本发明的迷宫密封式活塞采用不同槽道齿形的轴向剖视图。

其中：(a)为采用矩形槽的剖视图，(b)为采用正梯形槽的剖视图，(c)为采用倒梯形槽的剖视图。

图4为采用本发明的迷宫密封式活塞与传统活塞的制冷机性能曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为传统密封环活塞结构图，活塞2采用胶木或玻璃钢等材料制成；活塞2内部充填蓄冷材料6，由电机带动在气缸1内部做往复运动；活塞2外表面开有2～3道密封槽3，密封槽3内部放有活塞环4和涨圈5，在活塞往复运动过程中起密封作用。由于活塞环4与气缸1之间存在磨损，长期运行会影响制冷机的运行稳定性、可靠性及使用寿命。

如图2所示，本实施例所述活塞2采用同种材料整体制成，无外壳和内衬之分；活塞材料选用与制冷机气缸相同或低温下热收缩率低于气缸的材质，如不锈钢304或Inconel718合金；活塞2内部充填蓄冷材料5，由电机带动在气缸1内做往复运动；活塞2外表面开有密封槽道4；活塞2外表面附有聚四氟乙烯(PTFE)涂层3，其厚度为0.01mm，目的在于减少活塞外壁与气缸1之间的磨损；密封槽4的槽宽为1-3mm，槽深为0.8-1.6mm，槽道脊部与气缸内壁的半径间隙，即密封间隙为0.01-0.06mm。

所述的密封槽4的齿形为矩形、正梯形或倒梯形，如图3所示，其中图3(a)为采用矩形槽的剖视图，图3(b)为采用正梯形槽的剖视图，图3(c)为采用倒梯形槽的剖视图，其目的在于提高活塞的迷宫密封性能，减少高低压间的漏气损失。

当气体从高压侧以极高的流速流经节流窄缝，再进入密封槽道4内膨胀，以消耗气体流经窄缝形成的动能，如此经过多次节流和膨胀产生阻力，阻止气体向外泄漏，借以达到密封的目的。

采用本发明的迷宫密封式活塞，其制冷机的性能要优于采用传统结构活塞的制冷机性能。以采用图3(a)所示的矩形槽迷宫活塞为例，其制冷机性能曲线与采用传统结构活塞的制冷机性能曲线如图4所示。由图4可以看出，采用本新型迷宫密封式活塞后，由于制冷机的密封性能得到了改善，一、二级间的串气量减少，因此，制冷机的二级制冷量得到了提高。同时，由于密封槽道中无需活塞环和涨圈等易损件，制冷机的运行可靠性、稳定性及使用寿命也得到了显著的改善。

Claims

1.一种用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，所述活塞位于制冷机的气缸内部并与电机相连带动实现在气缸内部的往复运动，其特征在于：该活塞为圆柱体结构，其外表面刻有若干道垂直于所述圆柱体轴心的密封槽，所述活塞整体外部设有聚四氟乙烯耐磨涂层。

2.根据权利要求1所述的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，其特征是，所述的活塞采用与制冷机气缸相同或低温下热收缩率低于气缸的材质制成。

3.根据权利要求1所述的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，其特征是，所述的活塞整体由同种材料制成，无外壳和内衬之分。

4.根据权利要求1所述的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，其特征是，所述的聚四氟乙烯涂层的厚度为0.01mm。

5.根据权利要求1所述的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，其特征是，所述的密封槽的截面形状为矩形、正梯形或倒梯形。

6.根据权利要求1或5所述的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，其特征是，所述的密封槽的槽道宽度为1-3mm，槽道深度为0.8-1.6mm。

7.根据权利要求1或5所述的用于G-M制冷机的迷宫密封式活塞，其特征是，所述的密封槽的槽道脊部与气缸内壁的半径间隙，即密封间隙为0.01-0.06mm。