CN110440474A - 高比热推移活塞及其制备方法及蓄冷式制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比热推移活塞及其制备方法及蓄冷式制冷机，属于低温制冷机技术领域，该高比热推移活塞包括活塞筒体（121），所述活塞筒体（121）的外周面上有槽（123a），且在槽（123a）形成的凹陷区域的底部覆盖有与活塞筒体（121）材质不同的覆槽材料层（124），在50K温区以下，所述覆槽材料层（124）采用的材料的体积比热大于所述活塞筒体（121）采用的材料的体积比热。制备方法通过先覆盖覆槽材料层（124）、再覆盖树脂层（122）及相应的车削工艺制备出推移活塞。蓄冷式制冷机包括上述的推移活塞。本发明的推移活塞能增大活塞筒体壁面体积比热，增强对间隙中泄漏气体的换热能力，提升制冷机性能。
Description
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的高比热推移活塞及其制备方法及蓄冷式制冷机。
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，如果活塞热端的高温气流不经过蓄冷材料进行热交换，直接从活塞与气缸之间的间隙泄漏到低温侧，将造成制冷机冷量损失。为避免上述问题，通常将活塞的外周面上加工螺旋槽或气体迷宫密封方。具体说，如图1所示的螺旋槽结构，图1A所示的活塞筒体121采用不锈钢材质，确保低温下收缩率与气缸一致，且活塞筒体121的外周面覆盖有如图1B所示的耐磨树脂材料制成的树脂层122，树脂层122的厚度一般不超过0.5mm。活塞上下往复运动过程中，可防止活塞划伤气缸内壁。同时，沿着树脂层122的外周面上加工出螺旋状凹槽，且螺旋槽的加工的深度，要确保穿透树脂层122。进一步说，车削螺旋槽时，要车削掉活塞筒体121的本体外周面上的部分不锈钢基材，使得活塞筒体121的不锈钢材质暴露出来（图1C所示）。这样做，一是与和缸体轴平行地流动时相比，增加了气缸与活塞之间间隙泄漏的气体流动通路，让泄漏的气体与活塞外周面换热更加充分；二是相比较树脂材料，不锈钢筒体的体积比热、热导率更大大。在进气过程中，筒体冷却制冷剂气体对应温度和排气过程中，筒体加热制冷剂气体对应的温度，这两温度之差相对更小，即，一个周期内，对应相同位置的筒体温度变化更小，这就表明换热温差更低，换热效率更高，更有利于提升间隙狭缝中泄漏气体的热交换。
下面以二级推移活塞12为例，对现有技术中提供的推移活塞进行详细的说明。对于双级制冷机，二级推移活塞12整体处于低温条件，不能采用密封环的形式进行密封，通常采用螺旋槽或迷宫密封方式。以图1并结合图7进行说明。活塞筒体121采用不锈钢材质加工与气缸13的材质保持一致，这样可保证两者在低温下的收缩率一样。活塞筒体121的外周面覆盖有耐磨树脂材料制成的树脂层122，耐磨树脂材料通常为聚四氟乙烯，具有极低的摩擦系数和耐磨性。在活塞长期运动中可保证二级推移活塞12外周与二级缸体132内周之间的间隙尺寸不发生明显变化。为了提升制冷机性能，在上述技术基础上，沿着二级推移活塞12外周面上沿着二级推移活塞12的轴向延伸方向，以螺旋状车削出螺旋槽123。螺旋槽123的深度要穿透树脂层122的厚度，进一步说，车削螺旋槽123时，要车削掉活塞筒体121的本体外周面上的部分不锈钢基材，让壁面更加有效的与气体进行热交换。通过上述办法，二级推移活塞12外周面上的螺旋槽123的脊背上覆盖有树脂层122，底部为不锈钢材质。此时，相比二级缸体132与二级推移活塞12之间的微小狭缝，在活塞筒体121外周面上形成的螺旋槽123具有更低的流动阻力，除了流经二级蓄冷材料12c的制冷剂气体外的部分将在形成螺旋槽123的螺旋状的较长的流路中流动，并且与相比较树脂材料的体积比热、传热系数更大的不锈钢材质进行换热，逐步降低来流的高温气流，防止较高温度的气体直接进入到二级膨胀腔10内，所以这能够抑制制冷能力下降，从而提高 GM 制冷机的制冷效率。当处于50K温区以上时，不锈钢材质有较大的体积比热，可做成丝网状用于作为一级蓄冷材料11c。但是，当温区降至50K以下，不锈钢的体积比热急剧降低，而制冷剂氦气的体积比热则逐步增大，在10K温区附近达到峰值。由于不锈钢材质在低温下的体积比热较小，筒体壁面上的同一位置高度位置下单位体积的比热容不足以冷却或加热气体，这就会增大一个周期内筒体壁面相同位置的温差，即换热温差增大，造成换热效率降低，来自于气缸与活塞之间间隙的气流与活塞筒体121壁面之间可能存在换热不充分的问题。因此，在更低温区下，不锈钢材质的活塞筒体121不利于间隙狭缝中气体的换热。
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的高比热推移活塞及其制备方法及蓄冷式制冷机。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种高比热推移活塞，包括活塞筒体，其特征在于：所述活塞筒体的外周面上有槽，且在所述槽形成的凹陷区域的底部覆盖有与活塞筒体材质不同的覆槽材料层，在50K温区以下，所述覆槽材料层采用的材料的体积比热大于所述活塞筒体采用的材料的体积比热。
所述的槽形成的凹陷区域整体覆盖有与活塞筒体材质不同的覆槽材料层。
所述覆槽材料层的厚度为不小于1μm且不大于1000μm。
所述覆槽材料层的厚度为200μm～700μm。
所述覆槽材料层的厚度为300μm～500μm。
所述的活塞筒体采用不锈钢材质制成。
所述的覆槽材料层采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
所述的覆槽材料层采用的材料为磁性材料，且该磁性材料在50K温区以下的体积比热大于所述活塞筒体材料的体积比热。
所述的覆槽材料层采用的材料为钬铜。
所述活塞筒体上的1/2～2/3长度的槽所覆盖的覆槽材料层采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；所述活塞筒体上的其余1/3～1/2长度的槽所覆盖的覆槽材料层采用的材料为钬铜。
所述活塞筒体的外周面上有槽以及螺旋槽或迷宫槽，且槽的长度占槽以及螺旋槽或迷宫槽总长度的1/3～1/2，此时槽所覆盖的覆槽材料层采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
所述的槽为形成于所述活塞筒体外周面的螺旋状或迷宫状的凹槽。
所述的活塞筒体与气缸对置的外周面上覆盖有耐磨树脂材料制成的树脂层，且树脂层的厚度控制在5μm至500μm之间，以防止推移活塞上下运动过程中划伤相应的气缸内壁。
所述的树脂层位于活塞筒体上的槽的脊背上。
一种高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：该推移活塞的制备方法为推移活塞的外表面制备，制备方法的步骤如下：
a、采用不锈钢制作活塞筒体，并在活塞筒体的外周面上车削出螺旋槽或迷宫槽；
b、将体积比热在50K温区以下大于不锈钢体积比热的材料沿着活塞筒体的外周面覆盖且填满相应的螺旋槽或迷宫槽构成覆槽材料层；
c、采用车削工艺对覆盖有覆槽材料层的活塞筒体的外周面进行加工，加工到活塞筒体裸露出不锈钢基材位置；
d、在整个活塞筒体的螺旋槽或迷宫槽区域喷涂或粘接耐磨树脂材料作为树脂层；
e、沿着初始螺旋槽或迷宫槽的轨迹，重新加工出新的螺旋状或迷宫状的槽且确保槽的深度能够穿透树脂层并达至覆槽材料层处，即完成推移活塞的外表面制备。
所述步骤b中的覆槽材料层采用电镀工艺、金属沉积工艺或金属熔融工艺使得相应的材料覆盖在活塞筒体的外周面且填满相应的螺旋槽或迷宫槽制成。
所述步骤b中的覆槽材料层采用的材料选用锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种时，则步骤d中需要将耐磨树脂材料提前制作成管件形状的树脂层，然后将树脂层整体通过低温胶水粘接在步骤c加工处理后的活塞筒体的外周面上。
所述步骤b中的覆槽材料层采用的材料选用钬铜，则步骤d中直接通过喷涂工艺将耐磨树脂材料喷涂在步骤c加工处理后的活塞筒体的外周面上形成树脂层。
所述步骤e中的槽的深度穿透树脂层且使得槽形成的凹陷区域整体覆盖有覆槽材料层。
所述步骤e中的槽的深度穿透树脂层且使得槽形成的凹陷区域的底部覆盖有覆槽材料层。
一种采用上述高比热推移活塞的的蓄冷式制冷机，其特征在于：所述的蓄冷式制冷机包括上述的高比热推移活塞，该高比热推移活塞安装在该低温制冷机的气缸内。
所述的蓄冷式制冷机采用单级气缸时，气缸内安装有上述的高比热推移活塞；所述的蓄冷式制冷机采用多级气缸时，上述的高比热推移活塞安装在初级气缸之后的气缸内。
所述的蓄冷式制冷机为20K～30K温度的单级制冷机时，高比热推移活塞的活塞筒体在靠近低温侧1/3～1/2长度区域内的覆盖材料层采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
所述的蓄冷式制冷机采用双级气缸时，上述的高比热推移活塞为安装在二级缸体内的二级推移活塞。
所述的蓄冷式制冷机为4.2K～10K的双级制冷机时，二级推移活塞的活塞筒体上的1/2～2/3长度的槽所覆盖的覆槽材料层采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；二级推移活塞的活塞筒体上的其余1/3～1/2长度的槽所覆盖的覆槽材料层采用的材料为钬铜。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的高比热推移活塞通过选用在50K温区以下体积比热较大的金属材料作为覆盖材料制备覆槽材料层，能提高推移活塞的外周面的体积换热能力，从而与间隙中流进和流出的气流进行换热中，自身温度能保持稳定，这样能降低流进和流出气体之间的温差，确保气缸与推移活塞之间狭缝中泄漏的气体经过槽时，使得气流能与壁面之间的热交换更加稳定可靠；即增大活塞筒体的壁面体积比热，增强对间隙中泄漏气体的换热能力，提升制冷机性能。
附图说明
附图1为现有技术中推移活塞的制备流程图，其中A为活塞筒体的结构示意图、B为活塞筒体的外周面覆盖树脂层的结构示意图、C为现有技术中制备出来的推移活塞的结构示意图；
附图2为本发明的带有螺旋状槽的推移活塞的结构示意图；
附图3为本发明的高比热推移活塞的制备流程图，其中A为车削出螺旋槽或迷宫槽的活塞筒体的结构示意图、B为覆盖覆槽材料层的活塞筒体的结构示意图、C为对覆盖有覆槽材料层的活塞筒体外周面进行加工使得活塞筒体露出不锈钢基材位置时的结构示意图、D为喷涂或粘接耐磨树脂材料作为树脂层时结构示意图、E为本发明制备出来的高比热推移活塞的结构示意图；
附图4为附图3中E部分的A-A截面与二级缸体的截面组合结构示意图；
附图5为本发明的带有迷宫状槽的高比热推移活塞的结构示意图；
附图6为本发明的覆槽材料层所采用的材料的体积比热与活塞筒体采用的材料的体积比热对比图；
附图7为本发明的高比热推移活塞安装在蓄冷式制冷机上的一个实施例的结构示意图。
其中：1—压缩机；2—罩体组件；3—气体管路；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；121—活塞筒体；122—树脂层；123—螺旋槽；123a—槽；124—覆槽材料层；SUS304—不锈钢；Pb—铅；Zn—锌；Sn—锡；Bi—铋；HoCu2—钬铜。
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、4、5、6所示，一种高比热推移活塞，包括活塞筒体121，在活塞筒体121与气缸13对置的外周面上覆盖有耐磨树脂材料制成的树脂层122；在活塞筒体121的外周面上有槽123a，槽123a为形成于所述活塞筒体121外周面的螺旋状或迷宫状的凹槽，且在所述槽123a形成的凹陷区域的底部覆盖有与活塞筒体121材质不同的覆槽材料层124，在50K温区以下，所述覆槽材料层124采用的材料的体积比热大于所述活塞筒体121采用的材料的体积比热。另一种方案是：在槽123a形成的凹陷区域整体覆盖有与活塞筒体121材质不同的覆槽材料层124。上述活塞筒体121采用不锈钢材质制成，则覆槽材料层124采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；或者覆槽材料层124采用的材料为磁性材料，且该磁性材料在50K温区以下的体积比热大于所述活塞筒体121材料的体积比热，此时覆槽材料层124采用的材料为钬铜。另外当活塞筒体121上的1/2～2/3长度的槽123a所覆盖的覆槽材料层124采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；活塞筒体121上的其余1/3～1/2长度的槽123a所覆盖的覆槽材料层124采用的材料为钬铜。或者当活塞筒体121的外周面上有槽123a以及螺旋槽或迷宫槽123，且槽123a的长度占槽123a以及螺旋槽或迷宫槽123总长度的1/3～1/2，此时槽123a所覆盖的覆槽材料层124采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
上述的高比热推移活塞包括一级推移活塞11和二级推移活塞12时，槽123a位于二级推移活塞12的活塞筒体121上。
一种采用所述高比热推移活塞的的蓄冷式制冷机，该蓄冷式制冷机包括上述的高比热推移活塞，该高比热推移活塞安装在该低温制冷机的气缸13内。当蓄冷式制冷机采用单级气缸13时，气缸13内安装有上述的高比热推移活塞；且当蓄冷式制冷机为20K～30K温度的单级制冷机时，高比热推移活塞的活塞筒体121在靠近低温侧1/3～1/2长度区域内的覆盖材料层122采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。当蓄冷式制冷机采用多级气缸13时，上述的高比热推移活塞安装在初级气缸13之后的气缸13内；且当蓄冷式制冷机采用双级气缸13时，上述的高比热推移活塞为安装在二级缸体132内的二级推移活塞12。进一步的来说，蓄冷式制冷机为4.2K～10K的双级制冷机时，二级推移活塞12的活塞筒体121上的1/2～2/3长度的槽123a所覆盖的覆槽材料层124采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；二级推移活塞12的活塞筒体121上的其余1/3～1/2长度的槽123a所覆盖的覆槽材料层124采用的材料为钬铜。该蓄冷式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7所示：该蓄冷式制冷机包含压缩机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13b，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7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7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7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。
根据温区的不同，二级蓄冷材料12c靠近高温侧一般采用铅、锌、锡、铋作为换热材料；靠近低温侧采用磁性蓄冷材料钬铜。所选材料在对应温区具有较大的体积比热，在进、回流的过程中，在二级推移活塞12同一高度位置上，蓄冷材料能形成稳定的温度，在与气体进行热交换的过程中，温度几乎保持不变，只沿着轴向逐渐降低。这样二级推移活塞12内部的蓄冷材料12c形成了稳定，连续的温度梯度，进气过程中，气流被蓄冷材料逐级冷却，进入到膨胀腔内，进行膨胀制冷；回流过程中，气体又被蓄冷材料逐级加热，最后进入到压缩机低压腔内，完成一个循环。
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。
下面以二级推移活塞12为例，为提高在螺旋槽123中的流动气体与二级推移活塞12之间的换热效果，进一步对本发明提供的高比热推移活塞的制备方法进行详细的说明。
如图3所示，首先，筒体活塞121采用不锈钢制作，外径适当留有余量以便后面制作使用，同时在筒体活塞121的外周面上车削出螺旋槽或迷宫槽123，制出的结构如图3A所示。
其次，采用电镀、金属沉积或金属熔融等工艺将体积比热在50K温区以下大于不锈钢的材料沿着活塞筒体121的外周面覆盖且填满相应的螺旋槽或迷宫槽123构成制成覆槽材料层124，制出的结构如图3B所示，其中图3B中的点状阴影部分为覆槽材料层124，覆槽材料层124选用的材料如锌、锡、铋等低熔点的金属或或者磁性材料钬铜。
再次，采用车削的工艺对覆盖有覆槽材料层124的活塞筒体121外周面进行加工，加工到活塞筒体121裸露出不锈钢基材的位置，即螺旋槽或迷宫槽123的凹陷区域覆盖有覆槽材料层124（图3C中的点状阴影部分），螺旋槽或迷宫槽123的脊背裸露出基材不锈钢部分（图3C中未标出点状阴影的部分），活塞筒体121的整体呈现出圆筒状。
第四，在活塞筒体121喷涂或粘接耐磨树脂材料作为树脂层122，由于锌、锡、铋为低熔点金属，不能经受树脂粉末喷涂过程中几百度的高温，可将树脂材料提前制作成管件形状的树脂层122，整体通过低温胶水粘接在加工后的活塞筒体121外周面上（如图3D所示）来实现；而钬铜的熔点为915℃，可直接对图3C中的活塞筒体121进行喷涂，则活塞筒体121外周面形成耐磨树脂材料制成的树脂层122。
最后，沿着初始的螺旋槽或迷宫槽123轨迹，重新加工新的螺旋状的槽123a，并且确保新的螺旋状的槽123a的深度穿能透树脂材料122；进一步说，新的螺旋状的槽123a的深度要车削掉原有螺旋槽或迷宫槽123内覆盖的部分覆槽材料层124，并且至少保留部分覆槽材料层124覆盖在原有螺旋槽或迷宫槽123所形成凹陷区域的底部（图3E所示）；更进一步说，保留部分覆槽材料层124覆盖在原有螺旋槽或迷宫槽123所形成的凹陷区域表面构成槽123a。
如图2所示，最终活塞筒体121的外周面覆盖有耐磨树脂材料制成的树脂层122，同时外周表面的槽123a所形成的凹陷区域至少底部有较高体积比热的覆盖材料制成的覆槽材料层124；实施过程中，可通过加工使得槽123a的侧壁也有所述的覆槽材料层124。
本发明的实施方案中可采用磁性稀土材料HoCu2或者是贵金属铟作为覆盖材料。在本发明实施过程中，也可以采用图6所示迷宫状的槽123a的结构形式，即迷宫密封形式。
实施过程中，根据气缸13壁厚的大小，选择覆槽材料层124的厚度在1μm～1mm之间。较好选择，该厚度大致与图3A中的螺旋槽123的凹陷部位对应的活塞筒体121的壁厚相当。覆槽材料层124的厚度不易过大，因为材料过厚容易造成轴向漏热损失增大，进一步可选择200μm～700μm的厚度，更优可以选择300μm～500μm厚度。
进一步说明，在本发明的实施过程中，铅（Pb）作为非环保材料不建议作为本发明中的覆槽材料层124所选用的覆盖材料。
进一步说明，对于4.2K～10K的双级制冷机。对本发明中图3B的结构制备采用以下措施：活塞筒体121在距离高温侧1/2～2/3长度区域内的覆盖材料采用锌、锡、铋中的一种制备覆槽材料层124；在距离低温侧1/3～1/2长度区域内的覆盖材料采用钬铜制备覆槽材料层124。
再进一步说明，对于20K～30K温度的单级制冷机。对本发明中图3B的结构制备采用以下措施：活塞筒体121在靠近低温侧1/3～1/2长度区域内的覆盖材料采用锌、锡、铋中的一种制备覆槽材料层124；活塞筒体121靠近热端的剩余长度区域，温度较高，不锈钢的体积比热较大，有可以充分冷却或加热氦气，可以不覆盖其他材料。
本发明的高比热推移活塞通过选用在50K温区以下体积比热较大的金属材料作为覆盖材料制备覆槽材料层124，能提高推移活塞的外周面的体积换热能力，从而与间隙中流进和流出的气流进行换热中，自身温度能保持稳定，这样能降低流进和流出气体之间的温差，确保气缸与推移活塞之间狭缝中泄漏的气体经过槽123a时，使得气流能与壁面之间的热交换更加稳定可靠；即增大活塞筒体121的壁面体积比热，增强对间隙中泄漏气体的换热能力，提升制冷机性能。
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 (25)
1.一种高比热推移活塞，包括活塞筒体（121），其特征在于：所述活塞筒体（121）的外周面上有槽（123a），且在所述槽（123a）形成的凹陷区域的底部覆盖有与活塞筒体（121）材质不同的覆槽材料层（124），在50K温区以下，所述覆槽材料层（124）采用的材料的体积比热大于所述活塞筒体（121）采用的材料的体积比热。
2.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的槽（123a）形成的凹陷区域整体覆盖有与活塞筒体（121）材质不同的覆槽材料层（124）。
3.根据权利要求1或2所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述覆槽材料层（124）的厚度为不小于1μm且不大于1000μm。
4.根据权利要求3所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述覆槽材料层（124）的厚度为200μm～700μm。
5.根据权利要求3所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述覆槽材料层（124）的厚度为300μm～500μm。
6.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的活塞筒体（121）采用不锈钢材质制成。
7.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的覆槽材料层（124）采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
8.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的覆槽材料层（124）采用的材料为磁性材料，且该磁性材料在50K温区以下的体积比热大于所述活塞筒体（121）材料的体积比热。
9.根据权利要求8所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的覆槽材料层（124）采用的材料为钬铜。
10.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述活塞筒体（121）上的1/2～2/3长度的槽（123a）所覆盖的覆槽材料层（124）采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；所述活塞筒体（121）上的其余1/3～1/2长度的槽（123a）所覆盖的覆槽材料层（124）采用的材料为钬铜。
11.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述活塞筒体（121）的外周面上有槽（123a）以及螺旋槽或迷宫槽（123），且槽（123a）的长度占槽（123a）以及螺旋槽或迷宫槽（123）总长度的1/3～1/2，此时槽（123a）所覆盖的覆槽材料层（124）采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
12.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的槽（123a）为形成于所述活塞筒体（121）外周面的螺旋状或迷宫状的凹槽。
13.根据权利要求1所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的活塞筒体（121）与气缸（13）对置的外周面上覆盖有耐磨树脂材料制成的树脂层（122）。
14.根据权利要求13所述的高比热推移活塞，其特征在于：所述的树脂层（122）位于活塞筒体（121）上的槽（123a）的脊背上。
15.一种如权利要求1-14所述的高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：该推移活塞的制备方法为推移活塞的外表面制备，制备方法的步骤如下：
a、采用不锈钢制作活塞筒体（121），并在活塞筒体（121）的外周面上车削出螺旋槽或迷宫槽（123）；
b、将体积比热在50K温区以下大于不锈钢体积比热的材料沿着活塞筒体（121）的外周面覆盖且填满相应的螺旋槽或迷宫槽（123）构成覆槽材料层（124）；
c、采用车削工艺对覆盖有覆槽材料层（124）的活塞筒体（121）的外周面进行加工，加工到活塞筒体（121）裸露出不锈钢基材位置；
d、在整个活塞筒体（121）的螺旋槽或迷宫槽（123）区域喷涂或粘接耐磨树脂材料作为树脂层（122）；
e、沿着初始螺旋槽或迷宫槽（123）的轨迹，重新加工出新的螺旋状或迷宫状的槽（123a）且确保槽（123a）的深度能够穿透树脂层（122）并达至覆槽材料层（124）处，即完成推移活塞的外表面制备。
16.根据权利要求15所述的高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤b中的覆槽材料层（124）采用电镀工艺、金属沉积工艺或金属熔融工艺使得相应的材料覆盖在活塞筒体（121）的外周面且填满相应的螺旋槽或迷宫槽（123）制成。
17.根据权利要求15所述的高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤b中的覆槽材料层（124）采用的材料选用锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种时，则步骤d中需要将耐磨树脂材料提前制作成管件形状的树脂层（122），然后将树脂层（122）整体通过低温胶水粘接在步骤c加工处理后的活塞筒体（121）的外周面上。
18.根据权利要求15所述的高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤b中的覆槽材料层（124）采用的材料选用钬铜，则步骤d中直接通过喷涂工艺将耐磨树脂材料喷涂在步骤c加工处理后的活塞筒体（121）的外周面上形成树脂层（122）。
19.根据权利要求15所述的高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤e中的槽（123a）的深度穿透树脂层（122）且使得槽（123a）形成的凹陷区域整体覆盖有覆槽材料层（124）。
20.根据权利要求15所述的高比热推移活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤e中的槽（123a）的深度穿透树脂层（122）且使得槽（123a）形成的凹陷区域的底部覆盖有覆槽材料层（124）。
21.一种采用如权利要求1-14所述的高比热推移活塞的的蓄冷式制冷机，其特征在于：所述的蓄冷式制冷机包括上述的高比热推移活塞，该高比热推移活塞安装在该低温制冷机的气缸（13）内。
22.根据权利要求21所述的蓄冷式制冷机，其特征在于：所述的蓄冷式制冷机采用单级气缸（13）时，气缸（13）内安装有上述的高比热推移活塞；所述的蓄冷式制冷机采用多级气缸（13）时，上述的高比热推移活塞安装在初级气缸（13）之后的气缸（13）内。
23.根据权利要求22所述的蓄冷式制冷机，其特征在于：所述的蓄冷式制冷机为20K～30K温度的单级制冷机时，高比热推移活塞的活塞筒体（121）在靠近低温侧1/3～1/2长度区域内的覆盖材料层（122）采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种。
24.根据权利要求21所述的蓄冷式制冷机，其特征在于：所述的蓄冷式制冷机采用双级气缸（13）时，上述的高比热推移活塞为安装在二级缸体（132）内的二级推移活塞（12）。
25.根据权利要求24所述的蓄冷式制冷机，其特征在于：所述的蓄冷式制冷机为4.2K～10K的双级制冷机时，二级推移活塞（12）的活塞筒体（121）上的1/2～2/3长度的槽（123a）所覆盖的覆槽材料层（124）采用的材料至少为锌、锡、铋中的一种或者为锡、锌、铋各自对应的合金材料中的一种；二级推移活塞（12）的活塞筒体（121）上的其余1/3～1/2长度的槽（123a）所覆盖的覆槽材料层（124）采用的材料为钬铜。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040088973A1 (en) * | 2000-11-30 | 2004-05-13 | Shozo Tanaka | Stirling engine |
| CN101153753A (zh) * | 2006-09-01 | 2008-04-02 | 住友重机械工业株式会社 | 用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体和蓄热式低温制冷机 |
| JP2010089102A (ja) * | 2008-10-06 | 2010-04-22 | Nippon Light Metal Co Ltd | 伝熱板の製造方法 |
| JP2011017457A (ja) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Toshiba Corp | 蓄冷式冷凍機 |
| CN102792105A (zh) * | 2010-03-17 | 2012-11-21 | 住友重机械工业株式会社 | 置换器及其制造方法以及蓄冷器式制冷机 |
| CN108981217A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-12-11 | 中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司 | 蓄冷材料及采用该蓄冷材料的蓄冷式低温制冷机 |
-
2019
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040088973A1 (en) * | 2000-11-30 | 2004-05-13 | Shozo Tanaka | Stirling engine |
| CN101153753A (zh) * | 2006-09-01 | 2008-04-02 | 住友重机械工业株式会社 | 用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体和蓄热式低温制冷机 |
| JP2010089102A (ja) * | 2008-10-06 | 2010-04-22 | Nippon Light Metal Co Ltd | 伝熱板の製造方法 |
| JP2011017457A (ja) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Toshiba Corp | 蓄冷式冷凍機 |
| CN102792105A (zh) * | 2010-03-17 | 2012-11-21 | 住友重机械工业株式会社 | 置换器及其制造方法以及蓄冷器式制冷机 |
| CN108981217A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-12-11 | 中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司 | 蓄冷材料及采用该蓄冷材料的蓄冷式低温制冷机 |
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