CN110425279B - 用于大功率两级g-m制冷机的二级密封环结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大功率两级G‑M制冷机的二级密封环结构，该结构包括二级密封部分，其装配于二级气缸与二级蓄冷器之间的间隙处以进行气密封；二级密封部分与二级气缸内壁形成动密封，其顶部气压始终大于其底部气压。本发明采用了无切口的密封形式，适用于大功率制冷机的二级密封，无需复杂的凹槽流道加工，利用不同材料的低温下的热膨胀率不同的原理，可对温度引起的变形量进行补偿，改善了制冷机的制冷量和运行效率。

Description

用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构

技术领域

本发明涉及低温制冷机技术领域，尤其涉及一种用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环。

背景技术

G-M制冷机是一种可实现15K以下超低温的设备。其基本制冷原理是绝热放气降温，连续进行绝热膨胀制冷；G-M制冷机采用气缸-排出器的组件，以及按照对应的相位工作的配气阀，周期地实现了绝热膨胀过程，成为连续运转的制冷机；包括进气阀、排气阀、热腔容积、回热器、一级气缸、二级气缸、推移活塞、冷腔、压缩机、换热器以及低压储气罐。

通常，人们将推移活塞设计成空心结构，蓄冷材料填入活塞内形成蓄冷器，蓄冷器在气缸中往复运动，蓄冷器和气缸之间具有间隙。如果氦气通过该间隙直接贯穿高温腔和低温腔会直接导致制冷效率下降；为了防止这种情况，通常考虑在蓄冷器和气缸之间的间隙中设置密封机构。在两级G-M制冷机中，蓄冷器分为两个部分：一级蓄冷器和二级蓄冷器，分别提供低于80K和低于15K的超低温。一级蓄冷器和气缸的间隙通常采用o型密封圈进行密封，二级蓄冷器和气缸的间隙通常采用带切口的聚四氟乙烯密封圈进行密封。

然而，随着制冷机的设计功率增大，尤其是二级制冷功率大于15W@20K，高温腔和低温腔的压差增大，上述密封结构尤其是二级密封结构的密封性不足；目前有如下现有技术来解决密封不足的问题：

现有技术1：ZL201310253344.5超低温制冷机

中国专利ZL201310253344.5在二级蓄冷器的外侧或者缸体的内侧形成了螺旋状的凹槽，通过在缸体和二级蓄冷器的间隙中形成复杂的气体回路来形成密封的效果。

其缺点在于其密封性不如接触密封的好，在用于大功率制冷机时，由于间隙两端的压差增大，泄漏会更加严重；同时，加工工艺复杂，对二级蓄冷器的加工精度较高。

现有技术2：ZL201610499856.7超低温制冷机用非接触式密封活塞

该中国专利ZL201610499856.7在活塞基体的外表面设置了耐磨涂层，在涂层上设置冷凹槽，避免了对活塞基体的加工，降低在降温过程中的应力变化，保证活塞基体在低温状态下的圆柱度，以此来保证整体的密封性能。

其缺点同样也是密封性不如接触密封的好，在用于大功率制冷机时，由于间隙两端的压差增大，泄漏会更加严重；同时，加工工艺复杂，对二级蓄冷器的加工精度较高。

现有技术3：二级蓄冷器采用带缺口的密封圈，其结构如图8所述，二级蓄冷器上具有凹槽用于安装弹簧刚性弹圈、带缺口的密封圈和工艺圈，其中弹簧刚性弹圈安装在最内侧，为密封圈提供回弹力，密封圈带有缺口以补偿温度变化引起的变形，工艺圈在最外侧用于安装时固定弹簧刚性弹圈和密封圈。带缺口的密封圈，通常为聚四氟乙烯等高分子材料；工艺圈安装时使用；缺点是二级制冷功率增大时，难以保证密封效果。

综上所述，目前的二级密封环不能有效的保证密封性能，无法很好的解决高低温压差增大导致密封效果下降的问题。

因此，有必要提供一种用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种密封效果好的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环，解决了现有技术中温度补偿和泄漏通道所存在的问题，改善了制冷机的制冷量和运行效率。

本发明采用了如下的技术方案：

用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其中所述两级G-M制冷机具有二级气缸和二级蓄冷器，所述二级蓄冷器滑动设于所述二级气缸的内部；所述二级密封环结构包括：二级密封部分，其装配于所述二级气缸与二级蓄冷器之间的间隙处，用以进行气密封、防止串气；其中，所述二级密封部分与二级气缸的内壁形成动密封且其顶部气压始终大于底部气压，并通过不同材料在低温下的膨胀系数不同实现二级密封。

优选的，所述二级蓄冷器的侧壁开有环形的安装槽，且所述安装槽的截面为矩形。

优选的，所述二级密封部分包括二级密封环和密封衬环，且所述密封衬环紧密装配于所述安装槽的内部；所述二级密封环安装于所述二级气缸与所述密封衬环之间缝隙处，且所述二级密封环与所述密封衬环相互配合实现二级密封；所述二级蓄冷器、所述二级气缸以及所述密封衬环的所用材料热膨胀率依次减小即通过不同材料在低温下的膨胀系数不同实现二级密封。

优选的，所述二级密封环的外壁与所述二级气缸的内壁贴合；所述二级密封环的内壁与所述二级蓄冷器的外壁贴合，且所述二级密封环覆盖于所述安装槽的外部。

优选的，所述二级密封环为唇形结构，且所述二级密封环的弧形内凹面与所述二级气缸的内壁贴合。

优选的，所述密封衬环的外侧壁中间处开有环形的第一密封槽；所述二级密封环的内壁中部设有环形的密封条，且所述密封条嵌入于所述第一密封槽内。

优选的，所述密封条的截面呈半圆球状；所述密封条的弧面结构嵌入于所述第一密封槽内，用以进行三点接触密封。

优选的，所述密封衬环的顶面和底面分别开有环状的第二密封槽和第三密封槽，且所述第二密封槽的内部嵌入有第一辅助密封环；所述第三密封槽的内部嵌入有第二辅助密封环；所述第一辅助密封环、所述第二辅助密封环均与所述安装槽的内壁紧密贴合，所述第一辅助密封环、所述第二辅助密封环用以加强密封性。

优选的，所述第一辅助密封环与所述第二辅助密封环的形状尺寸均相同，且所述第一辅助密封环、所述第二辅助密封环以及所述二级密封环所用材料均相同。

与相关技术相比较，本发明提供的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环具有如下有益效果：

本发明的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环，采用了无切口的密封形式，适用于大功率制冷机的二级密封，无需复杂的凹槽流道加工，利用不同材料的低温下的热膨胀率不同的原理，在二级温度低于50K时仍然可对温度引起的变形量进行补偿，解决了现有技术中温度补偿和泄漏通道所存在的问题，改善了制冷机的制冷量和运行效率。

附图说明

图1为本发明提供的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环的一种较佳实施例的整体结构示意图；

图2为本发明提供的B处放大结构示意图；

图3为本发明提供的C处放大结构示意图；

图4为本发明提供的二级气缸整体俯视截面结构的结构示意图；

图5为本发明提供的室温下A处放大结构示意图；

图6为本发明提供的低温下A处放大结构示意图；

图7为本发明提供的二级气缸整体连接结构示意图；

图8为本发明提供的现有技术3的结构示意图；

图9为本发明提供的活塞材料热膨胀系数随温度变化示意图；

图10为本发明提供的密封衬环材料和气缸壁材料热膨胀系数随温度变化示意图；

图11为本发明提供的活塞环材料热膨胀系数随温度变化示意图。

图中标号：1、一级气缸，101、一级制冷腔，2、一级蓄冷器，3、一级密封环，4、二级气缸，401、二级制冷腔，5、二级蓄冷器，501、安装槽，6、二级密封环，601、密封条，7、密封衬环，701、第一密封槽，702、第二密封槽，703、第三密封槽，8、第一辅助密封环，9、第二辅助密封环，10、驱动机构，11、排气阀，12、进气阀，13、压缩机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明提供的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环的一种较佳实施例的整体结构示意图；图2为本发明提供的B处放大结构示意图；图3为本发明提供的C处放大结构示意图；图4为本发明提供的二级气缸整体俯视截面结构的结构示意图。

其中，大功率两级G-M制冷机具有已知的二级气缸4和二级蓄冷器5，所述二级蓄冷器5滑动设于所述二级气缸4的内部；所述二级蓄冷器5的侧壁开有环形的安装槽501，且所述安装槽501的截面为矩形；通过环形的安装槽501用以对密封衬环7进行固定；

本发明的二级密封环结构具有一个二级密封部分，所述二级密封部分装配于所述二级气缸4与二级蓄冷器5之间的间隙处，用以进行气密封、防止串气；所述二级密封部分与二级气缸4内壁形成动密封，所述二级密封部分的顶部气压始终大于其底部气压，二级气缸4的内部底部为二级制冷腔401，一级气缸1其内部底部的一级制冷腔101中的气压始终大于二级制冷腔401的气压，所述二级密封部分采用不同材料在低温下的膨胀系数不同实现二级密封；所述二级密封部分包括二级密封环6和密封衬环7，且所述密封衬环7紧密装配于所述安装槽501的内部；所述二级密封环6安装于所述二级气缸4与所述密封衬环7之间缝隙处，且所述二级密封环6与所述密封衬环7相互配合实现二级密封；所述二级蓄冷器5、所述二级气缸4以及所述密封衬环7的所用材料热膨胀率依次减小；二级密封部分的高压侧始终在运动方向的前方，这样惯性力和气体压力就形成了合力，将二级密封环6压紧在气缸壁上，实现二级密封环6的密封；

所述二级密封环6的外壁与所述二级气缸4的内壁贴合；所述二级密封环6的内壁与所述二级蓄冷器5的外壁贴合，且所述二级密封环6覆盖于所述安装槽501的外部；所述二级密封环6为唇形结构，且所述二级密封环6的弧形内凹面与所述二级气缸4的内壁贴合；所述密封衬环7的外侧壁中间处开有环形的第一密封槽701；所述二级密封环6的内壁中部设有环形的密封条601，且所述密封条601嵌入于所述第一密封槽701内；所述密封条601的截面呈半圆球状；所述密封条601的弧面结构嵌入于所述第一密封槽701内，用以进行三点接触密封；唇形结构的二级密封环6能够使得运动更为顺畅，留出变形空间，在室温下还可减少接触面，进而减少摩擦。

所述密封衬环7的顶面和底面分别开有环状的第二密封槽702和第三密封槽703，且所述第二密封槽702的内部嵌入有第一辅助密封环8；所述第三密封槽703的内部嵌入有第二辅助密封环9；所述第一辅助密封环8、所述第二辅助密封环9均与所述安装槽501的内壁紧密贴合，所述第一辅助密封环8、所述第二辅助密封环9用以加强密封性；通过第一辅助密封环8、所述第二辅助密封环9能够进一步的提高密封效果，使得密封衬环7与安装槽501紧密贴合密封。

所述第一辅助密封环8与所述第二辅助密封环9的形状尺寸均相同，且所述第一辅助密封环8、所述第二辅助密封环9以及所述二级密封环6所用材料均相同；第一辅助密封环8、所述第二辅助密封环9以及所述二级密封环6均采用高相同材料，能够受压变形，从而在低温下被密封衬环7挤压变形保证密封性。

图7为本发明提供的二级气缸整体连接结构示意图；

循环开始时，驱动机构10控制排出器处于气缸底部，同时打开进气阀12；高压气体进入排出器上方的热腔容积和回热器，回热器及热腔中的压力增高。保持进气阀12开启，当压力平衡后，驱动机构10带动一级蓄冷器2、二级蓄冷器5同步在一级气缸1、二级气缸4内向上移动，一级蓄冷器2、二级蓄冷器5构成排出器，把进入到热腔的气体推移出去，经回热器被冷却后进入冷腔。同时，还有一部分来自压缩机13的高压气体，也经回热器被冷却后进入冷腔。驱动机构带动排出器移动到气缸顶部时，关闭进气阀，打开排气阀11，冷腔内的气体经换热器和回热器与低压贮气罐连通。这时，处在冷腔中的高压气体，向低压贮气罐放气，制得的冷量经换热器输出。驱动机构带动排出器从上向下运动，气体冷却回热器填料后温度升高，进入低压管路，然后由压缩机吸入，压缩后再次进入高压管路。同时，排出器重新移动到气缸底部，排气阀关闭。周而复始，整个系统连续工作，冷头温度逐步降低，连续不断地制取冷量。

图5为本发明提供的室温下A处放大结构示意图；

在室温下，二级密封环6为正常的唇形结构，二级蓄冷器5在驱动机构10的带动下在二级气缸4内往复运动，在制冷机的二级中，二级密封环6、密封衬环7的高压侧始终在运动方向的前方，这样惯性力和气体压力就形成了合力，将二级密封环6压紧在二级气缸4壁上，实现唇形密封圈的密封。

图6为本发明提供的低温下A处放大结构示意图；图9为本发明提供的活塞材料热膨胀系数随温度变化示意图；图10为本发明提供的密封衬环材料和气缸壁材料热膨胀系数随温度变化示意图；图11为本发明提供的活塞环材料热膨胀系数随温度变化示意图。

随着制冷机的二级温度逐渐的降低，由于温度的变化所引起的组件尺寸的收缩就不能忽略，否则就会增大间隙，降低密封的效果；根据图9、图10以及图11所示的各材料热膨胀系数随温度变化曲线图可以得出，各组件材料热膨胀系率由大到小分别活塞环材料、活塞材料、气缸壁材料、密封衬环材料；

示例性的，制冷机的二级温度达到低于50K时，二级密封环6、第一辅助密封环8以及第二辅助密封环9均是由高分子复合材料制成，具有弹性，密封衬环7由金属合金制成，热膨胀率最低；当温度降低时，由于热胀冷缩原理，活塞环材料、活塞材料、气缸壁材料均会发生一定程度的收缩变形，这便会挤压二级气缸4与二级蓄冷器5之间的二级密封环6、第一辅助密封环8以及第二辅助密封环9，而密封衬环7热膨胀率是最小的，可在低温下对的二级密封环6、第一辅助密封环8以及第二辅助密封环9进行反向支撑，从而挤压各个密封环变形，二级密封环6便可挤压变成图6状态，从而保证二级密封环6始终与二级气缸4内壁、二级蓄冷器5外壁紧密贴合，密封条601与第一密封槽701紧密贴合，第一辅助密封环8、第二辅助密封环9会被挤压与第二密封槽702、第三密封槽703以及安装槽501紧密贴合，从而保证整个密封部分在低温下仍然可以保证高效的接触密封。

本发明采用了无切口的密封形式，适用于大功率制冷机的二级密封，无需复杂的凹槽流道加工，利用不同材料的低温下的热膨胀率不同的原理，在二级温度低于50K时仍然可对温度引起的变形量进行补偿，解决了现有技术中温度补偿和泄漏通道所存在的问题，改善了制冷机的制冷量和运行效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，所述两级G-M制冷机 包括二级气缸（4）、二级蓄冷器（5），所述二级蓄冷器（5）滑动设于所述二级气缸（4）的内部；其中所述二级密封环结构具有二级密封部分，其特征在于，所述二级密封部分装配于所述二级气缸（4）与二级蓄冷器（5）之间的间隙处，用以进行气密封、防止串气；所述二级密封部分与二级气缸（4）内壁形成动密封且其顶部气压始终大于其底部气压，并通过材料在低温下的膨胀系数不同实现二级密封，所述二级蓄冷器（5）的侧壁开有环形的安装槽（501），且所述安装槽（501）的截面为矩形；

所述二级密封部分包括二级密封环（6）和密封衬环（7），且所述密封衬环（7）紧密装配于所述安装槽（501）的内部；所述二级密封环（6）安装于所述二级气缸（4）与所述密封衬环（7）之间缝隙处，且所述二级密封环（6）与所述密封衬环（7）相互配合实现二级密封；所述二级密封环（6）为唇形结构，且所述二级密封环（6）的弧形内凹面与所述二级气缸（4）的内壁贴合。

2.根据权利要求1所述的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其特征在于，所述二级蓄冷器（5）、所述二级气缸（4）以及所述密封衬环（7）的所用材料热膨胀率依次减小。

3.根据权利要求2所述的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其特征在于，所述二级密封环（6）的外壁与所述二级气缸（4）的内壁贴合；所述二级密封环（6）的内壁与所述二级蓄冷器（5）的外壁贴合，且所述二级密封环（6）覆盖于所述安装槽（501）的外部。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其特征在于，所述密封衬环（7）的外侧壁中间处开有环形的第一密封槽（701）；所述二级密封环（6）的内壁中部设有环形的密封条（601），且所述密封条（601）嵌入于所述第一密封槽（701）内。

5.根据权利要求4所述的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其特征在于，所述密封条（601）的截面呈半圆球状；所述密封条（601）的弧面结构嵌入于所述第一密封槽（701）内，用以进行三点接触密封。

6.根据权利要求5所述的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其特征在于，所述密封衬环（7）的顶面和底面分别开有环状的第二密封槽（702）和第三密封槽（703），且所述第二密封槽（702）的内部嵌入有第一辅助密封环（8）；所述第三密封槽（703）的内部嵌入有第二辅助密封环（9）；所述第一辅助密封环（8）、所述第二辅助密封环（9）均与所述安装槽（501）的内壁紧密贴合，所述第一辅助密封环（8）、所述第二辅助密封环（9）用以加强密封性。

7.根据权利要求6所述的用于大功率两级G-M制冷机的二级密封环结构，其特征在于，所述第一辅助密封环（8）与所述第二辅助密封环（9）的形状尺寸均相同，且所述第一辅助密封环（8）、所述第二辅助密封环（9）以及所述二级密封环（6）所用材料均相同。

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