CN107655231A - 具有用于减少噪声和振动特征的轴环减震器的低温膨胀器 - Google Patents

Abstract

低温膨胀器最大化减震器的能量吸收能力，该减震器防止气动驱动的膨胀器中的移位器或活塞撞击气缸的冷端或暖端。在活塞的暖端处的轴环具有与活塞相同的外侧直径并且在暖端处具有唇部，在活塞撞击气缸的冷端或底部之前，该唇部接合“O形”环。在活塞撞击气缸的暖端或顶部之前，轴环的暖端也接合“O形”环。具有靠近气缸最大直径的“O形”环可以最大化它们能够吸收的能量的量，并且因此允许比现有设计更大尺寸的膨胀器的安静操作。

Description

具有用于减少噪声和振动特征的轴环减震器的低温膨胀器

技术领域

本发明涉及具有减小的噪声和振动特征的低温膨胀器。更具体地，本发明涉及大容量膨胀器，具有在低温温度产生制冷的气动驱动往复运动活塞并且其包括具有减小的噪声和振动特征的轴环减震器。

背景技术

用于冷却低温泵、超导MRI磁体和实验室研究工具的大多数低温制冷器使用GM型制冷器。这些通常使用已经被修改成压缩氦并汲取小于12kW的输入功率的空调压缩机。膨胀器具有机械或气动驱动的往复运动活塞。机械驱动相对安静，因为其提供几乎正弦的运动，所述运动不导致活塞在行程结束处撞击顶部或者底部。气动驱动更加简单，但是如果活塞在行程结束处撞击气缸的顶部或底部则能够生产显著噪声。这对于以Brayton循环操作的膨胀器也成立。

W. E. Gifford和H. O. McMahon的美国专利3,045,436描述了基本GM循环。这个制冷器系统由将高压下的气体供应到膨胀器的压缩机构成，其允许气体通过暖入口阀到蓄热器热交换器的暖端，通过蓄热器，并且随后进入活塞冷端处的膨胀空间内，由此其返回通过蓄热器和暖出口阀在低压下到达压缩机。'436专利示出在具有活塞的气缸外部的蓄热器以及第二对阀，所述第二对阀将气体与至蓄热器的气体流异相地循环到活塞的暖端。W. E.Gifford的美国专利3,119,237示出了'436专利中的构思的改进，其在活塞的暖端处采用驱动杆的形式，这减少了用于上下驱动活塞的气体量。'237专利中的图2-9中示出了膨胀器构造和阀循环。

现今构建的典型GM型膨胀器具有位于活塞内的蓄热器。活塞/蓄热器成为移位器，在气体处于高压的情况下，其从冷端运动到暖端，在气体处于低压的情况下，于是从暖端运动到冷端。因为移位器上方和下方的压力几乎相同，所以导致移位器往复运动所需的力是小的，并且能够由机械或气动机构提供。在下文的描述中，术语活塞在被使用时也可以指代移位器。

以Brayton循环操作的气动驱动的膨胀器在Longsworth的美国专利9,080,794中被描述。Brayton循环不同于GM循环之处在于使用逆流热交换器代替蓄热器热交换来在高压气体膨胀之前将其预冷却。这需要在膨胀器的冷端处的额外的一对阀，所述额外的一对阀必须与暖端处的阀同步。逆流热交换器必须在活塞/气缸外部并且大幅大于等效的蓄热器。Brayton循环制冷器相对于GM循环膨胀器具有的重要优点在于其能够将冷气体分配到远处负载的能力，而GM膨胀器中的冷的已膨胀气体被容纳在膨胀空间内。

能够用于将气体供应至GM循环膨胀器或Brayton循环发动机的压缩机系统在S.Dunn的标题为“Compressor With Oil Bypass”的美国专利7,674,099中被描述。高压和低压通常是2.2和0.8 MPa。

Longswort的美国专利6,256,997描述了在GM型移位器的暖端处使用弹性体“O形”环来作为“冲击吸收器”以便吸收当移位器处于行程结束处时该移位器的冲击能量，从而避免与该移位器撞击气缸的暖端和冷端相关的噪声和振动。这通过围绕中心驱动机构定位“O形”环来实现。虽然'997专利描述了相对小且轻的移位器的大体原理及其应用，不过本发明描述了将该原理应用于较大的移位器和膨胀器中的活塞的方式，该膨胀器产生更多制冷并且具有更大且更重的活塞。这通过添加轴环来实现，该轴环从活塞的顶部（暖端）延伸，其能够具有与活塞相同的外侧直径并且在轴环的顶部处具有唇部，在活塞撞击气缸的底部（冷端）之前，所述唇部接合“O形”环。在活塞撞击气缸的顶部（暖端）之前，轴环的顶端也接合“O形”环。因为“O形”环能够吸收的能量与其体积成比例，具有靠近气缸最大直径的“O形”环可以最大化它们能够吸收的能量的量。用于吸收能量目的的“O形”环在本文中被称为减震器或冲击吸收器并且不一定是圆角的。虽然弹性体Buna N（丁腈橡胶）是一种优选材料，不过也能够使用其它材料。

虽然顶部和底部分别用于指代暖端和冷端，并且向上指代从冷端运动到暖端，且向下指代从暖端运动到冷端，不过膨胀器能够以任意取向操作。使得轴环具有与活塞相同的直径意味着使得它们不同的间隙或机加工公差是小的。

发明内容

本发明提供最大化减震器的能量吸收能力的方式，所述减震器防止气动驱动的低温膨胀器中的移位器或活塞撞击气缸的冷端或暖端。轴环被添加到活塞的暖端，其能够具有与活塞相同的外侧直径并且在顶端处具有唇部，在活塞撞击气缸的冷端或底部之前，其接合“O形”环。在活塞撞击气缸的暖端或顶部之前，轴环的顶端也接合“O形”环。具有靠近气缸最大直径的“O形”环可以最大化它们能够吸收的能量的量，并且因此允许比现有设计更大尺寸的膨胀器的安静操作。轴环也能够被用于上下地驱动活塞以代替典型的驱动杆。这种设计被称为“轴环减震器”。

附图说明

图1示出现有技术的气动驱动的GM循环膨胀器的示意图，其等价于美国专利3,119,237中所描述的膨胀器。

图2示出已经被添加在图1的移位器的暖端处的轴环的示意图，其在暖端处具有唇部，该唇部在行程结束处接合减震器。轴环具有与活塞相同的外侧直径并且底部减震器位于轴环内部。

图3示出已经被添加在图1的移位器的暖端处的轴环的示意图，其在暖端处具有唇部，该唇部在行程结束处接合减震器。轴环具有与活塞相同的外侧直径并且底部减震器位于轴环外部。

图4示出已经被添加在气动驱动的GM循环移位器的暖端处的轴环的示意图，其在顶部处具有唇部，该唇部在行程结束处接合减震器。气缸盖具有颈部，该颈部在轴环内侧延伸且在轴环内侧上具有密封件，并且上下地驱动移位器的气体管线作用在轴环上。轴环具有与活塞相同的外侧直径并且底部减震器位于轴环外部。

图5类似于图4，除了轴环的外侧直径小于活塞的直径并且气缸盖具有较小的内部颈部和外部区段。内部颈部在轴环的内侧上具有密封件并且外部区段在轴环的外侧上具有密封件。轴环在顶部上具有外部唇部，该外部唇部接合在气缸盖的外部区段内的底部减震器。

图6类似于图2，除了其应用到气动驱动的Brayton循环膨胀器。

图7类似于图4，除了在轴环和底部减震器上的唇部在轴环内部并且其应用到气动驱动的Brayton循环膨胀器。

使得底部减震器在用于Brayton膨胀器的轴环的外部的选项未被示出。图中相同的部件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了现有技术的气动驱动的GM循环膨胀器的示意图，其与美国专利3,119,237中所示的膨胀器的区别仅在于使蓄热器在活塞内部而不是在气缸外部。图1到7中示出的所有系统示出了相同的压缩机30、高压下的供应管线31和低压下的返回管线32。这些气体管线能够是几米长以便提供安装膨胀器的灵活性。现今使用的压缩机通常是油润滑的涡旋型压缩机，其被制造成用于空调应用并且适于压缩氦，即大多数低温制冷器中的工作流体。操作压力通常是大约2.2/0.8 MPa并且输入功率是在大约2至12 kW的范围内。本发明将允许具有更高冷却能力的气动致动的膨胀器安静地运行。这些将需要可能是螺杆型压缩机（screw type compressor）的更大的压缩机。

膨胀器具有四个主要子组件。气缸子组件包括气缸6a、冷端帽9和暖凸缘7。在气缸组件内往复运动的活塞子组件包括活塞主体1、蓄热器19、驱动杆2和靠近活塞主体1暖端的活塞密封件26。气缸盖子组件包括气缸盖8a、杆气缸18和杆密封件27。通常在附接到气缸盖子组件的壳体内的阀子组件包括阀12、13、14和15。这些阀通常被容纳在由马达驱动的带端口的旋转阀（ported rotary valve ）内。当活塞1往复运动时，其使在冷移位体积3、暖移位体积4和驱动杆移位体积5内的气体移位。虽然当活塞1往复运动时这些体积中的大部分被移位，不过它们也包括采用间隙和气体端口形式的空体积。阀14和15使得气体通过管线33循环到暖移位体积4，然后通过端口21、蓄热器19和端口20循环到冷移位体积3。阀12和13使得气体通过管线34循环到驱动杆移位体积5。密封件17将气缸盖8a密封到暖凸缘7。

GM制冷循环开始于活塞处于冷端，（冷移位体积3被最小化），在气缸内和驱动杆上的压力为高（阀12和14打开，阀13和15关闭）。阀12随后关闭并且阀13打开。在驱动杆上的低压导致活塞1向上运动并且将高压气体抽吸到冷移位体积3内。在活塞到达顶部之前，阀14关闭，并且当活塞运动到顶部时，气缸内的压力下降到在高压和低压中间的第一压力。这种压力降低是由于暖气体从暖移位体积被传递到冷移位体积所导致。阀15随后打开并且气缸内的压力下降到低压。阀13关闭并且阀12打开，从而在驱动杆上施加高压气体并且向下推动活塞。在到达底部之前，阀15关闭，并且当活塞运动到底部时，气缸内的压力增加到第二中间压力。这种压力增加是由于冷气体从冷移位体积被传递到暖移位体积所导致。阀14随后打开并且压力增加到高压并且开始下一循环。在冷移位体积3内做的P-V功等于每个循环产生的制冷量。

图2示出GM膨胀器100，通过向活塞1添加轴环22并且添加减震器“O形”环24和25，其不同于图1的现有技术设计。轴环22具有与活塞1大致相同的外侧直径，并且在气缸内往复运动的长度上不摩擦气缸6a的内侧直径。气缸盖8b具有颈部，该颈部在轴环22内侧延伸并且在靠近轴环22的内直径的底端处支撑唇部内的“O形”环减震器25。轴环22在顶部处具有内部唇部，当活塞1到达冷端但还未撞击冷端9时该内部唇部接合“O形”环25。当活塞1到达暖端时，在其撞击气缸盖8b之前轴环22的顶部接合“O形”环24。活塞行程因此是活塞1在压缩的“O形”环24和25之间行进的距离，并且轴环的长度必须比该行程长在轴环22和气缸盖8b上的唇部的长度。驱动轴环22扫过的空间11是被连接到且添加到移位体积4的空体积的空体积。加压和减压体积11可以使用2到5%的压缩机流。GM膨胀器100的制冷循环与图1的GM膨胀器相同。

图3示出了GM膨胀器200，其与GM膨胀器100的不同之处在于轴环23在轴环的顶端上具有在活塞1的外侧直径外部的唇部。冷减震器25在活塞密封件26滑动的区域上方被卡在气缸6b的内侧直径的区段内。当活塞1到达冷端但还未撞击冷端9时在轴环23的顶部处的外部唇部接合“O形”环25。当活塞1到达暖端时，在其撞击气缸盖8c之前轴环23的顶部接合“O形”环24。

图4示出GM膨胀器300，其与GM膨胀器200的不同之处在于使用轴环23代替驱动杆2来作为导致活塞往复运动的方式。这种驱动活塞的替代性方式通过消除对驱动杆2和驱动器杆气缸18的需求而简化了设计，并且使用在气缸盖8d内的内侧轴环密封件28代替杆密封件27。在活塞密封件26和内部轴环密封件28之间的环状面积与杆密封件27内的面积大体相同。活塞的横截面面积的大约15%的面积通常足以克服驱动活塞所需的摩擦、压降和惯性力。在阀12和13和体积10之间的管线被标示为管线35。GM膨胀器300比GM膨胀器100和200更有效率，因为GM膨胀器300的体积10现在包括曾经流到杆体积5的气体流来上下驱动活塞，并且减少了与轴环减震器相关的空体积。这是本发明的优选实施例，因为相比于其它实施例，气缸盖8d更简单并且组件更简单。所述驱动机构被称为“轴环驱动”，其类似于常规的“杆驱动”。

图5示出GM膨胀器400，其与GM膨胀器300的不同之处在于使用具有较小外侧直径的轴环23b代替具有与活塞相同的外侧直径的驱动轴环23。气缸盖8e具有较小直径的颈部和内部轴环密封件28。气缸盖8e也具有外部区段，其保持底部减震器25且也保持外部轴环密封件29。轴环23b（在密封件28和29之间）的横截面面积也是活塞的横截面面积的大约15%（<20%）。需要在轴环23b的基部内的气体端口37来连接暖移位体积4的内和外体积。相对于GM膨胀器100和200，GM膨胀器400具有与GM膨胀器300相同的效率优点。减震器“O形”环24和25小于与活塞大约相同直径的“O形”环，但是能够用于不需要较大减震器“O形”环的最大能量吸收的较轻活塞。这不是轴环减震器的优选实施例，因为其需要附加的密封件29。

图6示出Brayton膨胀器500，其具有杆驱动和带有内部唇部的轴环22，与GM膨胀器100一样，但是在活塞内的蓄热器被更换成外部热交换器41并且至冷移位体积3的气体流在高压处被冷入口阀43和在低压处被冷出口阀44控制通过管线36。Brayton活塞40将冷移位体积3从暖移位体积4分离。Brayton循环膨胀器在许多应用中具有优于GM膨胀器的大的优点，因为其使得可以在远处的热交换器42内而不仅仅在端帽9中获得制冷。可以更容易地放大成较大尺寸，但是其也具有更大且机械上更复杂的缺点。影响如所述用于GM循环的相同循环的打开和关闭阀的时序结合图1的选项B在US 9,080,794的图7中被示出。

图7示出具有轴环驱动的Brayton膨胀器600。轴环22在顶部处具有内部唇部，在活塞40撞击冷端9之前该内部唇部接合底部减震器25。气缸盖8f具有颈部，其保持底部减震器25和内部轴环密封件28。Brayton膨胀器400的操作与Brayton膨胀器300相同。

本发明的目标是允许具有气动驱动的活塞的低温膨胀器在较高容量的制冷器中安静地运行。通过下述方式最大化“O形”环减震器的尺寸：使其与活塞具有相同直径并且在活塞的暖端上具有轴环，该轴环在轴环的顶部处具有唇部，在活塞撞击冷端之前唇部接合“O形”环减震器，并且唇部接合类似的“O形”环减震器以防止活塞撞击暖端。已经具有较小直径的现有技术“O形”环减震器对于产生少量制冷的活塞而言已经是足够的。

产生制冷的速率与高压与低压的差和在往复运动膨胀器的膨胀空间内的移位速率dV/dt成比例。给定相同压力，制冷速率因此与活塞直径D的平方、行程S和循环速率N成比例，例如dV/dt = (S πD² N)/4。活塞的动能与其质量M和速度的平方(S N)²成比例。如果通过加倍行程或速度来加倍移位速率（制冷速率），于是必须由“O形”环减震器吸收的能量被增加到4倍，但是减震器吸收额外能量的能力没有改变。如果通过加倍活塞面积并且保持其长度、行程和速度不变来增加移位速率，于是动能被加倍，但是活塞直径的“O形”环减震器仅长度增加D√2。即，如果通过加倍活塞面积并且保持其长度、行程和速度不变来增加移位速率，于是动能被加倍，并且其中活塞直径的“O形”环减震器仅长度增加D乘以2的0.5次方。不管使用何种策略来使得较大的移位活塞更轻，与活塞大约相同直径的减震器“O形”环将最大化安静地运行的气动驱动的活塞所能够产生的制冷速率。具有轴环减震器的活塞能够使其实现。

Claims (15)

1.一种具有减小的噪声和振动特征的低温膨胀器，所述低温膨胀器包括：

气缸；

在所述气缸内的气动驱动的往复运动活塞，所述活塞具有暖活塞端和冷活塞端，所述活塞在暖气缸端和冷气缸端之间往复运动，所述活塞在所述气缸内在所述暖气缸端和冷气缸端之间的行进距离被定义为行程；

在所述暖活塞端处在所述活塞和所述气缸之间的密封件；

在所述气缸内的减震器；

轴环，包括在所述轴环的顶部上的唇部，所述轴环被布置在所述暖活塞端处，所述轴环具有在所述密封件和所述唇部之间的至少与所述行程一样长的长度，所述轴环具有与所述活塞的直径相同的外侧直径；

其中，所述唇部接合所述减震器，以便防止所述活塞触及所述冷气缸端，从而减少噪声和振动特征。

2.根据权利要求1所述的低温膨胀器，其中，所述唇部在所述轴环的内侧或外侧。

3.根据权利要求1所述的低温膨胀器，其中，所述唇部接合防止所述活塞触及所述气缸的所述暖端的减震器。

4.根据权利要求1所述的低温膨胀器，其中，所述低温膨胀器以GM循环或Brayton循环操作。

5.根据权利要求1所述的低温膨胀器，进一步包括在所述暖活塞端处被置于所述活塞的轴线上的驱动杆。

6.一种具有在气缸中的气动驱动的往复运动活塞的低温膨胀器，包括：

气缸；

在所述气缸内的气动驱动的往复运动活塞，所述活塞具有暖活塞端和冷活塞端，所述活塞在暖气缸端和冷气缸端之间往复运动，所述活塞在所述气缸内在所述暖气缸端和冷气缸端之间的行进距离被定义为行程；

在所述暖活塞端处在所述活塞和所述气缸之间的活塞密封件；

在所述气缸内的减震器；

轴环，包括在所述轴环的顶部上的唇部，所述轴环被布置在所述暖活塞端处，所述轴环具有在所述密封件和所述唇部之间的至少与所述行程一样长的长度，所述轴环具有外侧直径的至少90%的内侧直径；

其中，所述暖气缸端包括具有在所述轴环内侧延伸的颈部的气缸盖，所述颈部具有在颈部和所述轴环内侧之间的颈部密封件，

其中，所述唇部接合所述减震器，所述减震器防止所述活塞触及所述冷气缸端，从而减少噪声和振动特征。

7.根据权利要求6所述的低温膨胀器，其中，所述唇部在所述轴环的内侧或外侧。

8.根据权利要求6所述的低温膨胀器，其中，所述唇部也接合防止所述活塞触及所述气缸的所述暖端的减震器。

9.根据权利要求6所述的低温膨胀器，其中，所述低温膨胀器以GM循环或Brayton循环操作。

10.根据权利要求6所述的低温膨胀器，其中，导致所述活塞往复运动的气动力作用在所述轴环上。

11.一种具有减小的噪声和振动特征的低温膨胀器，所述低温膨胀器包括：

气缸；

在所述气缸内的气动驱动的往复运动活塞，所述活塞具有暖活塞端和冷活塞端，所述活塞在暖气缸端和冷气缸端之间往复运动，所述活塞在所述气缸内在所述暖气缸端和冷气缸端之间的行进距离被定义为行程；

在所述暖活塞端处在所述活塞和所述气缸之间的密封件；

在所述气缸内的减震器；

轴环，包括在所述轴环的顶部上的唇部，所述轴环被布置在所述暖活塞端处，所述轴环具有在所述密封件和所述唇部之间的至少与所述行程一样长的长度，所述轴环具有小于所述活塞的直径的外侧直径，所述轴环具有小于所述活塞的横截面面积的20%的横截面面积；

其中，所述唇部接合所述减震器，所述减震器防止所述活塞触及所述冷气缸端，从而减少噪声和振动特征。

12.根据权利要求11所述的低温膨胀器，其中，所述唇部在所述轴环的内侧或外侧。

13.根据权利要求11所述的低温膨胀器，其中，所述唇部也接合防止所述活塞触及所述暖气缸端的减震器。

14.根据权利要求11所述的低温膨胀器，其中，所述低温膨胀器以GM循环或Brayton循环操作。

15.根据权利要求11所述的低温膨胀器，其中，导致所述活塞往复运动的气动力作用在所述轴环上。