CN108507213A - 一种气缸及采用该气缸的低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气缸和对应的低温制冷机，所述气缸（13）的缸体外表面设有螺旋槽道（1321），螺旋槽道（1321）的槽底厚度小于该气缸（13）缸体本身的气缸周缘（1322）的厚度，且气缸周缘（1322）构成呈螺旋状连续绕在气缸（13）缸体上的加强筋。所述的低温制冷机包括上述的气缸。本发明通过在缸体外表面设有螺旋槽道，螺旋槽道的槽底厚度小于该气缸本身的气缸周缘的厚度，且气缸周缘构成呈螺旋状连续绕在气缸缸体上的加强筋，解决了气缸的缸体强度和漏热与缸体厚度要求上的矛盾，该气缸具有高强度、低漏热、易加工的特点，适宜推广使用。

Description

一种气缸及采用该气缸的低温制冷机

技术领域

本发明涉及低温制冷机技术领域，具体地说是一种能够解决气缸强度和漏热与缸体厚度要求上的矛盾的高强度、低漏热的气缸及采用该气缸的低温制冷机。

背景技术

以吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机为代表的超低温制冷机具有工作气体(也称为制冷剂气体)的膨胀机及压缩机。该类制冷机由压缩机提供排出的高压气流，经由配气机构进入到置于气缸内，上下往复运动的推移活塞内，与蓄冷材料进行换热，再到膨胀腔内做功膨胀，再经过推移活塞，流出配气机构，回到压缩机低压腔内。通过上述连续循环过程，形成制冷效应。

如图1所示，制冷机包含压缩机1、罩体2、气缸13、一级推移活塞11和二级推移活塞12，罩体2内装驱动机构和配气结构（图中未画出），驱动机构带动一级推移活塞11和二级推移活塞12在气缸13内上下运动。压缩机1通过高压排气管道1a向气缸13内排入高压制冷剂气体并通过低压吸气管道1b吸出低压制冷剂气体，通过一级推移活塞11和二级推移活塞12分别对一级膨胀腔9和二级膨胀腔10压缩、膨胀，形成制冷效应，然后利用一级换热器13a和二级换热器13b将制冷效应传导出去。图2是传统气缸的二级气缸 132的结构示意图，气缸13的缸体采用薄壁不锈钢管制成，二级气缸 132的冷端焊接有二级换热器13b，且薄壁不锈钢管的内、外表面为光滑结构，设定缸体厚度为δ1；由于气缸13内含有交变的高低压气流（一般为3.0MPa/0.7MPa），为保证长期使用条件下，气缸13的内径不发生变化，因此δ1的尺寸不能过小，必须有一定的厚度，确保机械强度以防止疲劳变形；同时由于气缸13的两端存在巨大的温差，靠近罩体2处温度为25℃，靠近一级换热器13a温度为-220℃～-200℃，靠近二级换热器13b的温度为-269℃～-250℃，气缸13的缸体本身会沿着一级气缸131和二级气缸132的轴向产生巨大的传导漏热，要抑制这项制冷损失，必须减少气缸13的缸体厚度δ1，降低轴向上的导热温差。上述两点对气缸13的缸体厚度δ1的需求存在着矛盾，即强度与漏热之间的矛盾，并且气缸13属于精密加工件，为控制这一缸体厚度δ1，使得加工难度较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够解决气缸缸体强度和漏热与缸体厚度要求上的矛盾的高强度、低漏热的气缸及采用该气缸的低温制冷机。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种气缸，其特征在于：所述气缸的缸体外表面设有螺旋槽道，螺旋槽道的槽底厚度小于该气缸缸体本身的气缸周缘的厚度，且气缸周缘构成呈螺旋状连续绕在气缸缸体上的加强筋。

所述的气缸包括缸体和换热器，缸体的材质为不锈钢或钛合金，换热器的材质热导率比缸体的材质热导率大。

所述的气缸是单级结构或多级结构。

所述的气缸是双级结构时，该气缸包括一级缸体和二级缸体，在一级缸体和二级缸体的冷端对应焊接有一级换热器和二级换热器，在所述的一级缸体和/或二级缸体的缸体外表面设有螺旋槽道，螺旋槽道的槽底厚度小于缸体本身的气缸周缘的厚度，且气缸周缘构成呈螺旋状连续绕在缸体上的加强筋。

所述螺旋槽道的槽底厚度δ2与气缸周缘的厚度δ1满足：0.1＜δ2/δ1＜1。

所述的一级缸体和二级缸体内分别对应设置有一级推移活塞和二级推移活塞，一级推移活塞和二级推移活塞分别在对应的一级缸体和二级缸体内上下往复运动使被压缩的制冷剂气体膨胀制冷。

一种采用所述的气缸的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机包括上述的气缸。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明通过在缸体外表面设有螺旋槽道，螺旋槽道的槽底厚度小于该气缸本身的气缸周缘的厚度，且气缸周缘构成呈螺旋状连续绕在气缸缸体上的加强筋，解决了气缸的缸体强度和漏热与缸体厚度要求上的矛盾，该气缸具有高强度、低漏热、易加工的特点，适宜推广使用。

附图说明

附图1为采用传统气缸的低温制冷机的结构示意图；

附图2为传统气缸的结构示意图；

附图3为本发明的气缸组装在低温制冷机上的结构示意图；

附图4为本发明的气缸结构示意图。

其中：1—压缩机；1a—高压排气管道；1b—低压吸气管道；2—罩体；7—活塞密封圈；8—热腔；9—一级膨胀腔；10—二级膨胀腔；11—一级推移活塞；11a—一级活塞前孔；11b—一级活塞后孔；11c—一级蓄冷材料；12—二级推移活塞；12a—二级活塞前孔；12b—二级活塞后孔；12c—二级蓄冷材料；13—气缸；131—一级缸体；132—二级缸体；1321—螺旋槽道；1322—气缸周缘；13a—一级换热器；13b—二级换热器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图4所示，图4是本发明所提供的气缸13的缸体结构，气缸13包括缸体和换热器，缸体的材质为不锈钢或钛合金，换热器的材质热导率比缸体的材质热导率大。在气缸13的缸体外表面上，开有螺旋槽道1321，且相对于气缸13的气缸周缘1322凹陷下去，则螺旋槽道1321的槽底厚度变为δ2，螺旋槽道1321的槽底厚度δ2小于该气缸13缸体本身的气缸周缘1322的缸体厚度δ1，且槽底厚度δ2与气缸周缘1322的缸体厚度δ1之间的关系为：0.1＜δ2/δ1＜1，使得原来的缸体厚度δ1对应的圆筒传热效果小于没有螺旋槽道1321对应的圆筒的传热效果，即本发明中的气缸13的热传导效应可理解为，在传统圆筒传热量基础上，减去了螺旋槽道1321对应体积的不锈钢传热量，从而提升制冷性能，例如，二级缸体132沿着气缸13的轴向的漏热为表1所示，在4.2K下的温区下理论减少了0.104W。

表1 二级缸体导热漏热情况对照表

二级缸体导热漏热	传统气缸	本发明气缸
			漏热值（W）*	0.193	0.089

*设定热端温度为-228℃，冷端为-269℃；δ2/δ1=0.3。

同时，与凹陷的螺旋槽道1321相比，气缸周缘1322呈现为连续布置在气缸13的缸体表面上，且厚度为δ1，可根据实际调整δ1的值以及对应的宽度，使得气缸周缘1322构成呈螺旋状连续绕在气缸13缸体上的加强筋，并且在具体实施过程中，气缸周缘1322是连续分布在气缸13的缸体外表面上，且在沿着活塞运动的轴向的任意横断面上，均有加强筋，这就确保了气缸13的强度,表2所示为二级缸体132的应力强度,与传统气缸的缸体应力强度相比，本申请所提供的气缸的缸体应力强度增加了6%，说明该结构的气缸可用于低温制冷机气缸上。

表2 二级缸体应力强度对照表

二级气缸应力强度	传统气缸	本发明气缸
			计算强度（MPa）*	30.5	32.3

*气缸内部气体压强设定压力为3MPa，δ2/δ1=0.3

由于螺旋槽道1321是在气缸13的缸体外表面进行加工，例如采用车削形式，故加工简单、方便，易于实现。

在上述结构的基础上，该螺旋槽道1321结构适用于单级制冷机或多级制冷机，气缸13是双级结构时，该气缸13包括一级缸体131和二级缸体132，在一级缸体131和二级缸体132的冷端对应焊接有一级换热器13a和二级换热器13b，在所述的一级缸体131和/或二级缸体132的缸体外表面设有螺旋槽道1321，螺旋槽道1321的槽底厚度小于缸体本身的气缸周缘1322的厚度，且气缸周缘1322构成呈螺旋状连续绕在缸体上的加强筋。在一级缸体131和二级缸体132内分别对应设置有一级推移活塞11和二级推移活塞12，一级推移活塞11和二级推移活塞12分别在对应的一级缸体131和二级缸体132内上下往复运动使被压缩的制冷剂气体膨胀制冷。

在实际应用中，具有螺旋槽道1321结构的气缸13内可以有运动部件，也可以没有运动部件，即可用在脉管制冷机中的脉管和蓄冷器气缸上。

如图3所示：一种采用上述气缸的低温制冷机，该低温制冷机包括上述的气缸13，在气缸13的缸体外表面设有螺旋槽道1321，螺旋槽道1321的槽底厚度小于该气缸13缸体本身的气缸周缘1322的厚度，且气缸周缘1322构成呈螺旋状连续绕在气缸13缸体上的加强筋。在低温制冷机中，压缩机1压缩从吸气口吸入的制冷剂气体并向排出口排出，依靠罩体2内的配气机构提供高低压交变的气流，气缸13供给压缩机1制冷剂气体，安装在气缸13内推移活塞在气缸13内上下往复运动；该低温制冷机是具有气缸的制冷机，不局限于吉福德-麦克马洪制冷机、索尔文制冷机、脉管制冷机等。

本发明通过在缸体外表面设有螺旋槽道1321，螺旋槽道1321的槽底厚度小于该气缸13本身的气缸周缘1322的厚度，且气缸周缘1322构成呈螺旋状连续绕在气缸13缸体上的加强筋，解决了气缸13的缸体强度和漏热与缸体厚度要求上的矛盾，该气缸具有高强度、低漏热、易加工的特点，适宜推广使用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种气缸，其特征在于：所述气缸（13）的缸体外表面设有螺旋槽道（1321），螺旋槽道（1321）的槽底厚度小于该气缸（13）缸体本身的气缸周缘（1322）的厚度，且气缸周缘（1322）构成呈螺旋状连续绕在气缸（13）缸体上的加强筋。

2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于：所述的气缸（13）包括缸体和换热器，缸体的材质为不锈钢或钛合金，换热器的材质热导率比缸体的材质热导率大。

3.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于：所述的气缸（13）是单级结构或多级结构。

4.根据权利要求3所述的气缸，其特征在于：所述的气缸（13）是双级结构时，该气缸（13）包括一级缸体（131）和二级缸体（132），在一级缸体（131）和二级缸体（132）的冷端对应焊接有一级换热器（13a）和二级换热器（13b），在所述的一级缸体（131）和/或二级缸体（132）的缸体外表面设有螺旋槽道（1321），螺旋槽道（1321）的槽底厚度小于缸体本身的气缸周缘（1322）的厚度，且气缸周缘（1322）构成呈螺旋状连续绕在缸体上的加强筋。

5.根据权利要求1或4所述的气缸，其特征在于：所述螺旋槽道（1321）的槽底厚度δ2与气缸周缘（1322）的厚度δ1满足：0.1＜δ2/δ1＜1。

6.根据权利要求4所述的气缸，其特征在于：所述的一级缸体（131）和二级缸体（132）内分别对应设置有一级推移活塞（11）和二级推移活塞（12），一级推移活塞（11）和二级推移活塞（12）分别在对应的一级缸体（131）和二级缸体（132）内上下往复运动使被压缩的制冷剂气体膨胀制冷。

7.一种采用如权利要求1-6任一所述的气缸的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机包括上述的气缸。