CN108507214B - 一种推移活塞及采用该推移活塞的低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推移活塞和相应的低温制冷机，在推移活塞上设有气体通路和排气口（12b），所述排气口（12b）的位置处开设有位于推移活塞外表面上的环形槽（6），该环形槽（6）将上述的气体通路分割为高温侧的第一气体通道（4）和低温侧的第二气体通道（5），第一气体通道（4）对应的推移活塞上的区域外径D1大于第二气体通道（5）对应的推移活塞上的区域外径D2且D2大于环形槽（6）对应的推移活塞上的区域外径D3。所述的低温制冷机包括上述的推移活塞。本发明通过环形槽的结构形式，能够将排气口向外部喷出的气流均匀化，提升制冷机换热能力，同时又可抑制由于密封不稳定引起的制冷能力降低以及冷却温度的不稳定。

Description

一种推移活塞及采用该推移活塞的低温制冷机

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提升制冷机换热能力、且能抑制由于密封不稳定引起的制冷能力降低及冷却温度不稳定的推移活塞及采用该推移活塞的低温制冷机。

背景技术

蓄冷式制冷机，例如，包括ＧＭ制冷机、斯特林制冷机。这些制冷机具有缸体和在其内部进行往复运动的推移活塞。在设计过程中，一是要确保活塞与气缸之间的密封，二是要确保活塞冷端排出的制冷剂气体与气缸的冷端换热器进行充分的换热。传统的推移活塞分成两部分：采用螺旋槽或气体迷宫密封方式，增大气体通路，增大流动阻尼，降低气体从热端向冷端的泄漏量；排气口布置在推移活塞下端靠上一些，实现制冷剂气体与气缸冷端换热器之间的换热。由于换热面积有限，必须充分发挥换热效果，尽管排气口是均匀布置在圆周上，但是排出的制冷剂气体沿着活塞下部与气缸之间的间隙流动是不均匀的，这将影响换热效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够提升制冷机换热能力、且能抑制由于密封不稳定引起的制冷能力降低及冷却温度不稳定的推移活塞及采用该推移活塞的低温制冷机。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种推移活塞，在推移活塞的外表面上设有气体通路且在推移活塞的下部设有排气口，其特征在于：所述排气口的位置处开设有位于推移活塞外表面上的环形槽，且排气口沿环形槽的周向布置，该环形槽将上述的气体通路分割为高温侧的第一气体通道和低温侧的第二气体通道，第一气体通道对应的推移活塞上的区域外径D1大于第二气体通道对应的推移活塞上的区域外径D2且第二气体通道对应的推移活塞上的区域外径D2大于环形槽对应的推移活塞上的区域外径D3。

所述的推移活塞安装在气缸内，第一气体通道的外缘与气缸的内壁之间的间隙δ1小于第二气体通道的外缘与气缸的内壁之间的间隙δ2，且第二气体通道的外缘与气缸的内壁之间的间隙δ2小于环形槽的槽底与气缸的内壁之间的间隙δ3。

所述的间隙δ1与间隙δ2之间的关系为：5≤δ2/δ1≤150。

所述的间隙δ2与间隙δ3之间的关系为：1.5≤δ3/δ2≤20。

所述的气体通路为螺旋气体通路、或者是迷宫气体通路且不局限于这两种形式。

所述的推移活塞为多级结构时，环形槽位于初级推移活塞之后的推移活塞上。

所述的推移活塞包括一级推移活塞和二级推移活塞时，环形槽位于二级推移活塞上。

一种采用所述的推移活塞的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机包括上述的推移活塞，该推移活塞安装在该低温制冷机的气缸内。

所述的低温制冷机采用多级气缸时，上述的推移活塞安装在初级气缸之后的气缸内；所述的低温制冷机采用单级气缸时，气缸内安装有上述的推移活塞。

所述的低温制冷机采用双级气缸时，上述的推移活塞安装在二级缸体内。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明通过在排气口的位置处开设环形槽，且环形槽将气体通路分割为高温侧的第一气体通道和低温侧的第二气体通道，使得推移活塞热端来流的制冷剂气体大部分被第一气体通道进行阻挡，形成类似密封效果，剩余部分的气流汇入环形槽区域间隙δ3对应的空间内，不再向下传递，第一气体通道内的气流得到进一步密封，避免热端气流与气缸上的换热器直接接触，影响换热效果；同时排气口均匀布置在环形槽上，排气口喷出的制冷剂气体，在环形槽进行混合，然后均匀的沿着气缸与推移活塞下部分之间的间隙，即第二气体通道流动，与气缸冷端的换热器进行热交换；通过上述结构形式，能够将排气口向外部喷出的气流均匀化，提升制冷机换热能力，同时又可抑制由于密封不稳定引起的制冷能力降低以及冷却温度的不稳定。

附图说明

附图1为本发明的推移活塞安装在低温制冷机上的一个实施例结构示意图；

附图2为本发明的推移活塞的结构示意图；

附图3为本发明的推移活塞与气缸冷端的组合结构示意图。

其中：1—压缩机；2—罩体组件；3—气体管路；4—第一气体通路；5—第二气体通路；6—环形槽；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—排气口；12c—二级蓄冷材料；13—气缸；131—一级缸体；132—二级缸体；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2、3所示，一种推移活塞，在推移活塞的外表面上设有气体通路且在推移活塞的下部设有排气口12b，在排气口12b的位置处开设有位于推移活塞外表面上的环形槽6，且排气口12b沿环形槽6的周向布置，该环形槽6将上述的气体通路分割为高温侧的第一气体通道4和低温侧的第二气体通道5，第一气体通道4对应的推移活塞上的区域外径D1大于第二气体通道5对应的推移活塞上的区域外径D2且第二气体通道5对应的推移活塞上的区域外径D2大于环形槽6对应的推移活塞上的区域外径D3；上述的推移活塞安装在气缸13内，第一气体通道4的外缘与气缸13的内壁之间的间隙δ1小于第二气体通道5的外缘与气缸13的内壁之间的间隙δ2，且第二气体通道5的外缘与气缸13的内壁之间的间隙δ2小于环形槽6的槽底与气缸13的内壁之间的间隙δ3，其中间隙δ1与间隙δ2之间的关系为：5≤δ2/δ1≤150、间隙δ2与间隙δ3之间的关系为：1.5≤δ3/δ2≤20。上述的气体通路为螺旋气体通路、或者是迷宫气体通路且不局限于这两种形式。当推移活塞为多级结构时，环形槽6位于初级推移活塞之后的推移活塞上，假如推移活塞包括一级推移活塞11和二级推移活塞12时，环形槽6位于二级推移活塞12上。

一种采用所述的推移活塞的低温制冷机，该低温制冷机包括上述的推移活塞，该推移活塞安装在该低温制冷机的气缸13内。当低温制冷机采用多级气缸13时，上述的推移活塞安装在初级气缸13之后的气缸13内；假如低温制冷机采用单级气缸13时，气缸13内安装有上述的推移活塞；假如低温制冷机采用双级气缸13时，上述的推移活塞安装在二级缸体132内。该低温制冷机为具有往复运动的推移活塞的任意形式制冷机，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。

如图1所示：该低低温制冷机包含压缩机1、罩体组件2、气体管路3、气缸13、一级推移活塞11、二级推移活塞12。压缩机1通过将制冷剂气体吸入、压缩，而使之作为高压的制冷剂气体排出。气体管路3将该高压的制冷剂气体向罩体组件2进行供给。气缸13是两级式的气缸，本体采用304不锈钢制成，一级缸体131和二级缸体132同轴布置，二级缸体132的内径小于一级缸体131的内径；在一级缸体131上远离罩体组件2的一端（冷端）焊接有一级换热器13a，在二级缸体132上远离罩体组件2的一端（冷端）焊接有二级换热器13，上述换热器均由铜制成。一级缸体131内设有一级推移活塞11、二级缸体132内设有二级推移活塞12，一级推移活塞11和二级推移活塞12同轴连接，在驱动机构（图中未画出）的带动下一起在气缸13内沿着Z1～Z2方向运动。二级推移活塞12向图中上方（Ｚ1方向）移动，则一级膨胀腔9和二级膨胀腔10的容积增加；反之，对应的膨胀容积变小。在上述膨胀腔容积的变化下，来流的制冷剂气体经过一级活塞前孔11a与一级推移活塞11内部的一级蓄冷材料11c进行热交换，再从一级活塞后孔11b流出至一级膨胀腔9；一部分气体在一级膨胀腔9内进行膨胀，剩余的气体通过二级活塞前孔12a流进二级推移活塞12内，与二级推移活塞12内部的二级蓄冷材料12c进行换热，然后从排气口12b流出，进入到二级膨胀腔10内，上述过程中制冷剂气体将自身的热量传递给蓄冷材料，温度由常温变成低温。沿着上述气体流动方向，即Z2方向，气缸13、一级推移活塞11、二级推移活塞12温度连续降低，形成温度梯度。

如图1所示：回流的气体与上述流动过程相反，制冷剂气体从二级膨胀腔10流出，通过排气口12b与二级推移活塞12内的二级蓄冷材料12c进行换热，从二级活塞前孔12a流出，与一级膨胀腔9内的制冷剂气体混合，然后经过一级活塞后孔11b与一级推移活塞11内部的一级蓄冷材料11c进行换热，然后通过一级活塞前孔11a进入到罩体组件2内，再流到压缩机1的低压侧。上述过程中制冷剂气体从蓄冷材料吸收热量，由低温变成常温。

通过反复进行以上的动作，一级蓄冷材料11c及二级蓄冷材料12c和制冷剂气体被冷却。低温气体在一级膨胀腔9以及二级膨胀腔10内不断的膨胀做功，形成制冷源。通过传热效果，对一级换热器13a、二级换热器13b进行冷却。

对于一级推移活塞11，采用活塞密封圈7将其外周面与气缸13的一级缸体131内壁之间的间隙进行密封。由于活塞密封圈7安装在室温一侧，即靠近罩体组件2一侧，故在运行过程，温度适中处于一个较高的温度，可有效防止制冷剂气体通过一级推移活塞11外表面与一级缸体131内壁之间的间隙进入到一级膨胀腔9内。一级换热器13a的温度大致在40K～80K温区。

如图2-3所示，下面以二级推移活塞12为例对本发明提供的推移活塞进行详细的说明。

第一气体通路4的外缘与二级缸体132内壁之间的间隙δ1优化设计在5μm～50μm之间。为有效防止制冷剂气体通过二级推移活塞12与二级缸体132之间的间隙δ1进入到二级膨胀腔10内，传统的做法在二级推移活塞12表面制作成螺旋槽或气体迷宫形式，增加气流在间隙δ1内的流经路径，增大流动阻尼，降低泄漏量。由于传统结构，第一气体通路4与第二气体通路5连接在一起，仍有部分气流经过第一气体通路4、第二气体通路5入到二级膨胀腔10内，影响换热效果。除此以外，传统结构上的排气口12b是安装在二级推移活塞12的下端D2直径对应的圆周上，排出的气流未经过均匀化，气流量在间隙δ2内对应的环形空隙内并不均匀，这会造成二级换热器13b上的一部分位置换热负载过大、另外一部分换热负载不足，影响换热能力。

为避免上述缺陷，在实施本发明的过程中，在二级推移活塞12的下端布置一环形槽6，排气口12b是安装在该环形槽6的槽道内。环形槽6的槽底与二级缸体132内壁之间形成的气体流道间隙δ3的尺寸远大于间隙δ1的尺寸、也大于间隙δ2的尺寸。具体设计可按照5≤δ2/δ1≤150以及1.5≤δ3/δ2≤20来实施。相对与第一气体通路4以及第二气体通路5而言，环形槽6类似于气体“陷阱”。具体解释为，从第一气体通路4对应的间隙δ1来流的制冷剂气体，不会直接进入阻尼远大于环形槽6的间隙δ2内，制冷剂气体首先进入这个“巨大”的环形空腔对应的间隙δ3内；从二级膨胀腔10的回流的气体，经过第二气体通路5对应的间隙δ2，首先也进入阻尼最小的环形槽6内，不会进入到阻尼更大的第一气体通路4对应的间隙δ1内。这样环形槽6将传统的二级推移活塞12分隔成上下两部分，且第一气体通道4以及第二气体通道5之间不再连通，抑制由于密封不稳定引起的制冷能力降低。

同时，由于排气口12b布置在环形槽6上，间隙δ2的尺寸远小于环形槽6对应的间隙δ3的尺寸，制冷剂气体从排气口12b排出后，间隙δ1、δ2的流动阻尼大于形槽6对应的间隙δ3内的阻尼、且环形槽6相对是个空腔，气流首先在环形槽6内进行充分流动混合，形成均匀流动状态。同时由于间隙δ2远大于间隙δ1，这样混合均匀后的气体持续从排气口12b排出后，会流向阻尼较小的间隙δ2内；并且确保在间隙δ2对应的第二气体通路5内，气体流动分布是均匀的。这使得低温制冷剂气体充分与二级换热器13b交换热量。

具体实施过程中，为提升换热效果，可将二级推移活塞12下端D2对应的圆周上制作成螺旋槽或气体迷宫形式，以增加气体在第二气体通路5内的流经路径，增大换热面积。另外，在本实施方式中，该低温制冷机的气缸13是两级式的缸体部。但是，不限于此，低温制冷机的气缸13也可以是一级式的缸体部。 在这种情况下，气缸13构成为不具备一级缸体131但具备二级缸体132。

本发明通过在排气口12b的位置处开设环形槽6，且环形槽6将气体通路分割为高温侧的第一气体通道4和低温侧的第二气体通道5，使得推移活塞热端来流的制冷剂气体大部分被第一气体通道4进行阻挡，形成类似密封效果，剩余部分的气流汇入环形槽6区域间隙δ3对应的空间内，不再向下传递，第一气体通道4内的气流得到进一步密封，避免热端气流与气缸13上的换热器直接接触，影响换热效果；同时排气口12b均匀布置在环形槽6上，排气口12b喷出的制冷剂气体，在环形槽6进行混合，然后均匀的沿着气缸13与推移活塞下部分之间的间隙，即第二气体通道5流动，与气缸13冷端的换热器进行热交换；通过上述结构形式，能够将排气口12b向外部喷出的气流均匀化，提升制冷机换热能力，同时又可抑制由于密封不稳定引起的制冷能力降低以及冷却温度的不稳定。

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 (8)

1.一种推移活塞，在推移活塞的外表面上设有气体通路且在推移活塞的下部设有排气口（12b），其特征在于：所述排气口（12b）的位置处开设有位于推移活塞外表面上的环形槽（6），且排气口（12b）沿环形槽（6）的周向布置，该环形槽（6）将上述的气体通路分割为高温侧的第一气体通道（4）和低温侧的第二气体通道（5），第一气体通道（4）对应的推移活塞上的区域外径D1大于第二气体通道（5）对应的推移活塞上的区域外径D2且第二气体通道（5）对应的推移活塞上的区域外径D2大于环形槽（6）对应的推移活塞上的区域外径D3；所述的推移活塞安装在气缸（13）内，第一气体通道（4）的外缘与气缸（13）的内壁之间的间隙δ1小于第二气体通道（5）的外缘与气缸（13）的内壁之间的间隙δ2，且第二气体通道（5）的外缘与气缸（13）的内壁之间的间隙δ2小于环形槽（6）的槽底与气缸（13）的内壁之间的间隙δ3；所述的推移活塞为多级结构，环形槽（6）位于初级推移活塞之后的推移活塞上。

2.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的间隙δ1与间隙δ2之间的关系为：5≤δ2/δ1≤150。

3.根据权利要求1或2所述的推移活塞，其特征在于：所述的间隙δ2与间隙δ3之间的关系为：1.5≤δ3/δ2≤20。

4.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的气体通路为螺旋气体通路、或者是迷宫气体通路。

5.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的推移活塞包括一级推移活塞（11）和二级推移活塞（12）时，环形槽（6）位于二级推移活塞（12）上。

6.一种采用如权利要求1-5任一所述的推移活塞的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机包括上述的推移活塞，该推移活塞安装在该低温制冷机的气缸（13）内。

7.根据权利要求6所述的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机采用多级气缸（13）时，上述的推移活塞安装在初级气缸（13）之后的气缸（13）内；所述的低温制冷机采用单级气缸（13）时，气缸（13）内安装有上述的推移活塞。

8.根据权利要求6或7所述的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机采用双级气缸（13）时，上述的推移活塞安装在二级缸体（132）内。