CN110360763A - 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及采用该推移活塞的低温制冷机，属于低温制冷机技术领域，该推移活塞置于气缸（13）内且能够沿着气缸（13）的延伸方向往复运动，所述推移活塞的外表面上设有凹陷的螺旋槽气体通路（4），在螺旋槽气体通路（4）的凹壁上设有凸出所述螺旋槽气体通路（4）凹壁表面的凸起结构（5），且所述凸起结构（5）沿着所述螺旋槽气体通路（4）的延伸方向连续式设置或离散式设置。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。本发明的推移活塞能够在有限的螺旋槽气体通路的尺寸范围内，让制冷剂气体与推移活塞之间充分进行热交换，降低冷量损失，并提升制冷机性能。

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性能、降低活塞与气缸之间气体泄漏造成的冷量损失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。气缸与活塞之间的密封不充分，则制冷剂气体有时无法发挥所希望的制冷能力。为了防止该问题，与和气缸轴平行地流动时相比，沿螺旋槽流动的制冷剂气体通过更长的路径，因此能够与活塞进行充分的热交换。因此，能够减少因在气缸与活塞之间的间隙流动的制冷剂气体产生的热损失，能够抑制制冷能力下降。然而，对于小型低温制冷机，活塞上的螺旋槽尺寸受到整体结构限制，制冷剂气体与活塞之间的换热面积有限，很难能将来自活塞热端的泄漏到冷端的制冷剂气体充分冷却至膨胀腔内气体温度。

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性能、降低活塞与气缸之间气体泄漏造成的冷量损失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，该推移活塞置于气缸内且能够沿着气缸的延伸方向往复运动，所述推移活塞的外表面上设有凹陷的螺旋槽气体通路，其特征在于：在螺旋槽气体通路的凹壁上设有凸出所述螺旋槽气体通路凹壁表面的凸起结构，且所述凸起结构沿着所述螺旋槽气体通路的延伸方向连续式设置或离散式设置。

所述凸起结构的外沿形成的包络外径的大小小于该推移活塞的活塞外径的大小。

所述的凸起结构沿着所述螺旋槽气体通路的延伸方向呈现出螺旋布局。

所述的凸起结构呈连续式设置时，凸起结构的根部连接在螺旋槽气体通路的通路底径上。

所述的凸起结构呈离散式设置时，凸起结构的根部连接在螺旋槽气体通路的通路底径上或螺旋槽气体通路凹壁侧壁上。

所述凸起结构的自身延展方向平行于推移活塞的中心轴，或者凸起结构的自身延展方向与推移活塞的中心轴形成倾角。

所述的推移活塞为多级结构时，所述的凸起结构位于初级推移活塞之后的推移活塞上。

一种采用所述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。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明通过在螺旋槽气体通路的凹壁上设有凸出所述螺旋槽气体通路凹壁表面的凸起结构，且所述凸起结构沿着所述螺旋槽气体通路的延伸方向连续式设置或离散式设置，使得推移活塞在有限的螺旋槽气体通路的尺寸范围内，让制冷剂气体与推移活塞之间充分进行热交换，降低活塞与气缸之间气体泄漏造成的冷量损失、防止制冷能力下降，并提升制冷机性能。

附图说明

附图1为本发明的推移活塞具有离散式设置的凸起结构时的正面结构示意图；

附图2为附图1中的A-A截面结构示意图；

附图3为本发明的推移活塞具有离散式设置的凸起结构时的正面结构示意图；

附图4为附图3中的B-B截面结构示意图；

附图5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。

其中：1—压缩机；2—罩体组件；3—气体管路；4—螺旋槽气体通路；5—凸起结构；5a—通路底径；5b—凹腔；5c—包络外径；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；12d—活塞外径；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1-5所示：一种推移活塞，该推移活塞呈现为圆筒状且内部有蓄冷材料，该推移活塞置于气缸13内且能够沿着气缸13的延伸方向往复运动，由此在所述气缸13内使被压缩后的工作流体膨胀而产生寒冷；在推移活塞的外表面上设有凹陷的螺旋槽气体通路4，在螺旋槽气体通路4的凹壁上设有凸出所述螺旋槽气体通路4凹壁表面的凸起结构5，且所述凸起结构5沿着所述螺旋槽气体通路4的延伸方向连续式设置或离散式设置。上述凸起结构5的外沿形成的包络外径5c的大小小于该推移活塞的活塞外径12d的大小，以避免与气缸13的内表面直接接触而磨损，且推移活塞的外周面有耐磨树脂材料涂层。

在上述结构中，凸起结构5沿着所述螺旋槽气体通路4的延伸方向呈现出螺旋布局。当凸起结构5呈连续式设置时，凸起结构5的根部连接在螺旋槽气体通路4的通路底径5a上。当凸起结构5呈离散式设置时，凸起结构5的根部连接在螺旋槽气体通路4的通路底径5a上或螺旋槽气体通路4凹壁侧壁上；此时凸起结构5的自身延展方向平行于推移活塞的中心轴，或者凸起结构5的自身延展方向与推移活塞的中心轴形成倾角。

当推移活塞为多级结构时，凸起结构5位于初级推移活塞之后的推移活塞上。

一种采用所述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双级气缸13时，上述的推移活塞安装在二级缸体132内。当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。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，然后从环形槽6上的排气口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1-4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。

二级推移活塞12与二级缸体132内壁之间一般有5μm～50μm的间隙。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之间的间隙平行的进入到二级膨胀腔10内，在二级推移活塞12表面制作成凹陷的螺旋槽气体通路4，以增加制冷剂气体的流程，将推移活塞12热端泄漏进间隙的高温气体通过推移活塞12自身的温度梯度冷却至二级膨胀腔10内气体温度，使得从间隙中串流至膨胀腔内的具有较高焓值的气体降温至低焓值气体，降低了额外的冷量损失。螺旋槽气体通路4的长度受到二级推移活塞12尺寸的限制，不可能做的非常的长，不能充分与之通过的制冷剂气体进行热交换，将会引起冷量损失。

下面提出两种易于实施的结构方式，以避免上述缺陷。

如图1-2所示，在螺旋槽气体通路4的凹壁表面上制作出具有突出其凹壁表面的的凸起结构5，凸起结构5的根部优选连接在螺旋槽气体通路4的通路底径5a上，该凸起结构5为连续式设置或离散型分布设置，任一片凸起结构5不与其它凸起结构5连接，相邻凸起结构5间形成凹腔5b，且凸起结构5自身一般沿着平行于活塞12轴线方向延展，布置在螺旋槽气体通路4对应的截面槽内。气体流经螺旋槽气体通路4时，凸起结构5的包络外径5c的大小小于活塞外径12d的大小，使得凸起结构5的包络外径5c与二级缸体132内表面之间的间隙远大于二级推移活塞12的活塞外径12d与二级缸体132内表面之间的间隙，气体会经过该路径流动，但是流动时，会正面撞击凸起结构5，并且在相邻两个凸起结构5之间形成涡旋湍流，构成“管翅式换热器”结构，以增加气体与二级推移活塞12之间的换热时间，使得换热更加充分。

上述结构制备过程中，可先在二级推移活塞12上加工出螺旋槽气体通路4，然后采用螺纹滚花刀具沿着螺旋槽气体通路4的路径再挤压成上述的结构形式。在加工过程中，可采用平行螺纹滚花方式，压制出的凸起结构5的自身延展方向平行于二级推移活塞12的中心主轴；也可以采用斜角螺纹滚花方式挤压，使得凸起结构5的自身延展方向与二级推移活塞12的中心主轴形成倾角。

此外，也可以采用图3-4所示结构来实施。具体地说，与图1-2所示结构的方式不同，凸起结构5的根部连接在螺旋槽气体通路4的通路底径5a上并沿着螺旋槽气体通路4连续延伸，变为连续的螺旋翅片结构形式，为防止磨损气缸，包络外径5c的大小小于活塞外径12d。当制冷剂气体流经螺旋槽气体通路4时，凸起结构5自身连续延伸，与气流流向平行，但却增加了气体与螺旋槽气体通路4的接触面积，已增加换热效果。上述结构制备过程中，可采用两把平行排布的刀具同时沿着螺旋槽气体通路4的延伸路径进行加工。

另外需要说明的是，本发明中的凸起结构5的根部均与螺旋槽气体通路4的通路底径5a连接，当然也可以从螺旋槽气体通路4的凹槽表面其它部位凸起，并不限于本发明的案例所述。

本发明通过在螺旋槽气体通路4的凹壁上设有凸出所述螺旋槽气体通路4凹壁表面的凸起结构5，且所述凸起结构5沿着所述螺旋槽气体通路4的延伸方向连续式设置或离散式设置，使得推移活塞在有限的螺旋槽气体通路4的尺寸范围内，让制冷剂气体与推移活塞之间充分进行热交换，降低活塞与气缸之间气体泄漏造成的冷量损失、防止制冷能力下降，并提升制冷机性能。

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 (10)

1.一种推移活塞，该推移活塞置于气缸（13）内且能够沿着气缸（13）的延伸方向往复运动，所述推移活塞的外表面上设有凹陷的螺旋槽气体通路（4），其特征在于：在螺旋槽气体通路（4）的凹壁上设有凸出所述螺旋槽气体通路（4）凹壁表面的凸起结构（5），且所述凸起结构（5）沿着所述螺旋槽气体通路（4）的延伸方向连续式设置或离散式设置。

2.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述凸起结构（5）的外沿形成的包络外径（5c）的大小小于该推移活塞的活塞外径（12d）的大小。

3.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的凸起结构（5）沿着所述螺旋槽气体通路（4）的延伸方向呈现出螺旋布局。

4.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的凸起结构（5）呈连续式设置时，凸起结构（5）的根部连接在螺旋槽气体通路（4）的通路底径（5a）上。

5.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的凸起结构（5）呈离散式设置时，凸起结构（5）的根部连接在螺旋槽气体通路（4）的通路底径（5a）上或螺旋槽气体通路（4）凹壁侧壁上。

6.根据权利要求5所述的推移活塞，其特征在于：所述凸起结构（5）的自身延展方向平行于推移活塞的中心轴，或者凸起结构（5）的自身延展方向与推移活塞的中心轴形成倾角。

7.根据权利要求1所述的推移活塞，其特征在于：所述的推移活塞为多级结构时，所述的凸起结构（5）位于初级推移活塞之后的推移活塞上。

8.一种采用如权利要求1-7任一所述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。

9.根据权利要求8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。

10.根据权利要求8所述的低温制冷机，其特征在于：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。