CN108167163A - 一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置，包括气缸及设于气缸内并可沿其轴向往复运动的膨胀活塞，膨胀活塞的第一端设置有进气通道，其第二端设置有进气孔，膨胀活塞的第一端外壁上套有第一密封环，膨胀活塞的第二端外壁上套有第二密封环，膨胀活塞的内部为回热器，第一密封环的外壁与气缸的内壁之间设置有第一间隙密封，第二密封环的外壁与气缸的内壁之间设置有第二间隙密封，膨胀活塞的第二端、第二密封环、第二间隙密封及气缸内部形成膨胀腔，位于膨胀活塞的第一端的气缸内部为室温腔。膨胀腔与室温腔之间不会串气，减小了膨胀活塞间隙密封的泄露损失，并降低了压降损失、泵气损失和穿梭损失，且加工制造简单、方便，成本较低。

Description

一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置

技术领域

本发明是涉及一种膨胀活塞装置，具体说，是涉及一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置，属于制冷机技术领域。

背景技术

声能制冷机由于紧凑、高效的特点而受到重视,伴随着航天技术、红外技术、原子能技术、超导技术、低温物理、低温电子学、低温医学与低温生物学等现代科学技术的发展而得到广泛应用,如卫星红外探测器需要60至100K的低温工作环境，在低温环境下工作的超导滤波器可以降低噪声对电讯信号的影响，大大减少信号故障率。超导量子干涉仪(SQUID)在生物磁学、计量学、地球物理、军用反潜技术及空间技术的研究领域有着重要应用，磁悬浮列车、核磁共振成像仪、等离子技术等均必须以低温技术为支撑。除了低温上的应用,目前声能制冷机在中高温区的制冷能力受到普遍的重视,并在逐渐在普冷领域得到发展。

作为声能制冷机的一项关键技术，间隙密封对声能制冷机的性能和寿命有着极其重要的影响。间隙密封是利用密封零件之间的径向微小间隙及该间隙在轴向的一定长度来实现的一种密封形式。声能制冷机采用板弹簧支撑的间隙密封，利用板弹簧的轴向刚度小，径向刚度大来保证活塞与气缸的间隙密封。相对传统的接触润滑密封，消除了接触磨损及由其产生的污染。从而提高了制冷机的运行寿命,避免了由于磨损带来的性能下降。

在工程设计上，一般要求半周期泄露量小于压缩活塞总排量的5％。通常间隙密封宽度为10μm至20μm，间隙密封过大，则泄漏量过大，导致制冷机性能直线下降。间隙密封过小，则对加工精度有更高的要求，且板弹簧的径向刚度很难保证过小的间隙密封，导致活塞与气缸间的接触摩擦。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置，膨胀腔与室温腔之间不会串气，减小了膨胀活塞间隙密封的泄露损失，并降低了压降损失、泵气损失和穿梭损失，且加工制造简单、方便，成本较低。

为了实现本发明的主要目的，本发明提供一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置，包括气缸，以及设置在气缸内并可沿气缸的轴线方向往复运动的膨胀活塞，膨胀活塞的第一端设置有进气通道，膨胀活塞的第二端设置有进气孔，膨胀活塞的第一端外壁上套有第一密封环，膨胀活塞的第二端外壁上套有第二密封环，膨胀活塞的内部为回热器，第一密封环的外壁与气缸的内壁之间设置有第一间隙密封，第二密封环的外壁与气缸的内壁之间设置有第二间隙密封，膨胀活塞的第二端、第二密封环、第二间隙密封以及气缸的内部形成膨胀腔，位于第一间隙密封和第二间隙密封之间的膨胀活塞的外壁与气缸的内部形成环隙，位于膨胀活塞的第一端的气缸的内部为室温腔。

更进一步的方案是，进气通道位于膨胀活塞的轴心。

更进一步的方案是，进气孔的数量为4至8个,数个进气孔在膨胀活塞的第二端上周向均布设置。

更进一步的方案是，进气孔以膨胀活塞的轴线倾斜设置。

更进一步的方案是，进气孔以膨胀活塞的轴线倾斜45度设置。

更进一步的方案是，第一密封环和第二密封环由自润滑型材料制成。

更进一步的方案是，第一密封环和第二密封环由PEEK塑料或聚四氟乙烯材料制成。

更进一步的方案是，第一密封环在轴向的长度为10至20毫米,第二密封环在轴向的长度是第一密封环在轴向的长度的1/2～2/3。

更进一步的方案是，第一密封环的外壁和第二密封环的外壁分别与气缸的内壁之间的距离为8至20微米。

更进一步的方案是，环隙在径向的宽度为100至200微米。

更进一步的方案是，回热器的填料为金属丝网叠片或者随机尼龙纤维。

由上述方案可见，由于第一间隙密封的存在，室温腔内的制冷剂气体通过进气通道进入回热器，制冷剂气体与回热器内填料充分接触换热降温后，通过进气孔进入膨胀腔进行膨胀制冷。由于第二间隙密封的存在，膨胀腔内的制冷剂气体无法进入环隙，只能沿原路线返回，首先通过进气孔进入回热器填料中进行换热，并把制冷剂气体的冷量贮存在回热器填料中，回热器填料降温，制冷剂气体升温，并逐渐流向室温腔，在热端冷却后，进入压缩腔，完成一次循环，制冷剂气体等待下一次被压缩。本方案用于声能制冷机的膨胀活塞装置的膨胀腔与室温腔之间不会串气，减小了膨胀活塞间隙密封的泄露损失，并降低了压降损失、泵气损失和穿梭损失，且加工制造简单、方便，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例

结合图1所示，本实施例提供的一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置，包括气缸6以及设置在气缸6内并可沿气缸6的轴线方向往复运动的膨胀活塞1。膨胀活塞1的第一端设置有进气通道12，进气通道12位于膨胀活塞1的轴心，膨胀活塞1的第二端设置有进气孔11，本实施例进气孔11的数量为4-8个,进气孔径为1-2mm，数个进气孔在膨胀活塞的第二端上周向均布并以膨胀活塞1的轴线倾斜45度设置，以利于降低制冷剂气体的压降损失。膨胀活塞1的第一端外壁上套有第一密封环21，膨胀活塞1的第二端外壁上套有第二密封环22，膨胀活塞1的内部为回热器5，回热器5内可填充体积比容大、换热面积大、沿程阻力小、轴向导热系数小的材料，起到蓄热蓄冷的作用。优选地，进气孔11的数量为6个。优选地，回热器5的填料为金属丝网叠片或者随机尼龙纤维。

第一密封环21和第二密封环22由自润滑型材料制成，优选地，第一密封环21和第二密封环22由PEEK塑料或聚四氟乙烯材料制成，并且，第一密封环21在轴向的长度为10至20毫米,第二密封环22在轴向的长度是第一密封环21在轴向的长度的1/2～2/3。第一密封环21的外壁与气缸6的内壁之间设置有第一间隙密封31，第二密封环22的外壁与气缸6的内壁之间设置有第二间隙密封32，优选地，第一密封环21的外壁和第二密封环22的外壁分别与气缸6的内壁之间的距离为8至20微米，设置在第一密封环21的外壁和第二密封环22的外壁上分别与气缸6的内壁之间的第一间隙密封31和第二间隙密封32具有弹性。第一密封环21在轴向的长度决定着第一间隙密封31在轴向的长度，第一间隙密封31在轴向的长度过小会导致气体泄漏增加，间隙密封效果下降；第一间隙密封31在轴向的长度过长则增加了膨胀活塞1的阻尼，使膨胀活塞1行程下降，进而导致制冷量下降，整机性能降低。本实施例通过在膨胀活塞1的两端分别设有具有自润滑性的第一密封环21和第二密封环22，在膨胀活塞1轴向上形成的两道密封段，来实现间隙密封，在保证密封效果的同时有效地减小了密封段的长度，从而减小了膨胀活塞1在往复运动过程中的阻尼，提升了制冷机的整机性能。

膨胀活塞1的第二端、第二密封环22、第二间隙密封32以及气缸6的内部形成膨胀腔7，位于膨胀活塞1的第一端的气缸6的内部为室温腔8，位于第一间隙密封31和第二间隙密封32之间的膨胀活塞1的外壁与气缸6的内部形成环隙4，环隙4并不具有密封作用，从而有效的减小了膨胀活塞1的阻尼，有利于增加膨胀活塞1的行程，进而增加制冷量。优选地，环隙4在径向的宽度为100至200微米，对加工和装配的要求低。第一间隙密封31主要作用在于阻止室温腔8内的气体工质往环隙4方向泄漏，第二间隙密封32主要作用在于阻止膨胀腔7内的气体工质往环隙4方向泄漏。在第一间隙密封31和第二间隙密封32的共同作用下，将室温腔8与膨胀腔7完全隔开，两腔不发生相互串气。

由于第一间隙密封31的存在，室温腔8内的制冷剂气体通过进气通道12进入回热器5，制冷剂气体与回热器5内填料充分接触换热降温后，通过进气孔11进入膨胀腔7进行膨胀制冷。由于第二间隙密封32的存在，膨胀腔7内的制冷剂气体无法进入环隙4，只能沿原路线返回，首先通过进气孔11进入回热器5填料中进行换热，并把制冷剂气体的冷量贮存在回热器5填料中，回热器5填料降温，制冷剂气体升温，并逐渐流向室温腔8，在热端冷却后，进入压缩腔，完成一次循环，制冷剂气体等待下一次被压缩。本实施用于声能制冷机的膨胀活塞装置的膨胀腔7与室温腔8之间不会串气，减小了膨胀活塞1间隙密封的泄露损失，并降低了压降损失、泵气损失和穿梭损失，且加工制造简单、方便，成本较低。

以上实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种用于声能制冷机的膨胀活塞装置，包括气缸，以及设置在所述气缸内并可沿所述气缸的轴线方向往复运动的膨胀活塞，其特征在于：

所述膨胀活塞的第一端设置有进气通道，所述膨胀活塞的第二端设置有进气孔；

所述膨胀活塞的第一端外壁上套有第一密封环，所述膨胀活塞的第二端外壁上套有第二密封环，所述膨胀活塞的内部为回热器；

所述第一密封环的外壁与所述气缸的内壁之间设置有第一间隙密封，所述第二密封环的外壁与所述气缸的内壁之间设置有第二间隙密封；

所述膨胀活塞的第二端、所述第二密封环、所述第二间隙密封以及所述气缸的内部形成膨胀腔；

位于所述第一间隙密封和所述第二间隙密封之间的所述膨胀活塞的外壁与所述气缸的内部形成环隙；

位于所述膨胀活塞的第一端的所述气缸的内部为室温腔。

2.根据权利要求1所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述进气通道位于所述膨胀活塞的轴心。

3.根据权利要求2所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述进气孔的数量为4至8个,数个所述进气孔在所述膨胀活塞的第二端上周向均布设置。

4.根据权利要求3所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述进气孔以所述膨胀活塞的轴线倾斜设置。

5.根据权利要求1所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述第一密封环和所述第二密封环由自润滑型材料制成。

6.根据权利要求5所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述第一密封环和所述第二密封环由PEEK塑料或聚四氟乙烯材料制成。

7.根据权利要求6所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述第一密封环在轴向的长度为10至20毫米,所述第二密封环在轴向的长度是所述第一密封环在轴向的长度的1/2～2/3。

8.根据权利要求1所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述第一密封环的外壁和所述第二密封环的外壁分别与所述气缸的内壁之间的距离为8至20微米。

9.根据权利要求1所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述环隙在径向的宽度为100至200微米。

10.根据权利要求1至9任一项所述的膨胀活塞装置，其特征在于：

所述回热器的填料为金属丝网叠片或者随机尼龙纤维。