密封结构、双级蓄冷式制冷机及其密封结构的安装方法

技术领域

本发明涉及低温制冷机及其密封结构，具体而言，涉及用在低温制冷机上的密封结构、安装有该密封结构的双级蓄冷式制冷机，以及该密封结构在双级蓄冷式制冷机上的安装方法。

背景技术

蓄冷式制冷机是指具有蓄冷器的制冷机，例如吉福特-麦克马洪(Gifford-McMahon，GM)制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机、索尔文制冷机等。以GM制冷机为例，其通过气缸内往复运动的活塞来改变膨胀空间的体积，配合配气阀门，使制冷剂气体在膨胀空间内膨胀产生冷量，冷量通过冷端换热器传递给待冷却物体。

为了保证活塞能够在气缸内运动，其排出器与气缸之间留有适当的间隙，但是这会导致制冷过程中热端高压气体进入冷端，造成制冷量的损失。特别地，对于双级蓄冷式制冷机而言，其活塞具有双级排出器，第二级制冷温度较低，冷量较小，间隙串气导致的制冷性能衰减问题尤为突出。

通常，第二级排出器与气缸之间采用普通活塞环密封，为方便安装，通常安装一道活塞环，同时内部涨圈的涨力不能太大，否则在活塞插入气缸的过程中，由于活塞环的涨开，将导致无法插入气缸内，给制冷机的安装带来很大的困难。当内部涨圈涨力较小时，虽然活塞环能够顺利插入气缸内，但是密封性能会大大降低。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提出一种密封效果好的，用在低温制冷机上的密封结构；本发明的第二目的是提出安装有该密封结构的双级蓄冷式制冷机；本发明的第三目的是提出该密封结构在双级蓄冷式制冷机上的安装方法。

技术方案：第一方面，本发明提供一种密封结构，用于具有排出器的低温制冷机，所述密封结构设置在所述排出器外侧周向凹槽中，包括：

密封环，具有开口部；以及

孔用弹性挡圈，也具有开口部，位于所述密封环内侧，用于提供向外的涨力，使所述密封环紧贴气缸内壁面。

进一步地，所述密封结构的宽度为2～10mm。

进一步地，所述密封环由自润滑耐磨材料制成。

第二方面，本发明提供一种双级蓄冷式制冷机，具有第二级排出器，所述第二级排出器外侧设置多道上述的密封结构。

进一步地，相邻密封结构之间的距离为5～15mm。

进一步地，多道密封结构中，各密封环的开口部周向错开。

进一步地，所述密封结构与所述第二级排出器热端之间的距离大于S，与所述第二级排出器冷端之间的距离大于所述第二级排出器长度的1/3，S为所述第二级排出器的行程。

第三方面，本发明提供一种上述双级蓄冷式制冷机上的密封结构的安装方法，包括：

在所述第二级排出器上套设金属环，向下移动所述金属环，将多个密封环压入所述第二级排出器外侧对应的周向凹槽中；将所述第二级排出器向下插入气缸中，过程中气缸的内壁推动所述金属环向上移动，所述金属环脱离多道密封结构，安装完成。

进一步地，所述金属环底部具有将密封环压入其内的倒角部。

进一步地，所述金属环与所述第二级排出器之间微过盈配合。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)本发明提供的密封结构，其内部的孔用弹性挡圈涨力大，能够使密封环与气缸内壁紧密贴合，保证良好的密封性能，降低冷、热端制冷工质串气所引起的制冷量损失，抑制制冷性能衰减，提高制冷机的制冷性能；

该密封结构还具有适用性强的优点，对于具有排出器的低温制冷机均适用；该密封结构在第一、第二级制冷温度相差较大的双级制冷机上的使用效果更为突出。

(2)通过金属环的移动完成密封结构的安装过程，方便快捷，在保证密封性能的同时，解决了第二级排出器密封环安装困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例中蓄冷式制冷机的结构示意图；

图2是本申请实施例中金属环的结构示意图；

图3是本申请实施例中密封结构的示意图；

图4是本申请实施例中金属环由上而下推动至密封结构外侧的安装过程示意图；

图5是本申请实施例中排出器由上而下插入气缸的安装过程示意图；

附图标记：1，低温制冷机；10，压缩机；11a，进气管路；11b，回气管路；12，驱动电机；13a，回流阀；13b，供给阀；14，曲柄凸轮机构；15，气缸；16，第一级冷端换热器；17，第二级冷端换热器；20，第一级排出器；21，密封件；22，第一气体通道；23，第一活塞连接销；24，第一级蓄冷器；30，第二级排出器；31，活塞连接体；32，顶帽；33，第二活塞连接销；34，金属环；35，第二级蓄冷器；36，第二气体通道；37，密封结构；37a，第一道密封结构；37b，第二道密封结构；37c，第三道密封结构；40，室温腔；41，第一级膨胀腔；42，第二级膨胀腔；50，孔用弹性挡圈；51，密封环；60，倒角部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1所示为本申请实施例提供的一种低温制冷机，该低温制冷机1具体为以氦气为制冷剂气体的吉福特-麦克马洪(Gifford-McMahon，GM)双级蓄冷式制冷机，考虑到强度、导热系数、氦隔离能力等因素，其气缸15采用不锈钢材质。气缸15内设有第一级排出器20和第二级排出器30，排出器温度较高的一端称为高温端，温度较低的一端称为低温端。第一级排出器20外侧周向设有密封件21。

室温腔40为气缸15与第一级排出器20的高温端之间形成的空间，第一级膨胀腔41为气缸15与第一级排出器20的低温端之间形成的空间，第二级膨胀腔42为气缸15与第二级排出器30的低温端之间形成的空间。在室温腔40上设有接口，该接口通过管道连接吸排气系统，吸排气系统主要由压缩机10、供给阀13b、回流阀13a、回气管道11b和进气管道11a构成。

第一级排出器20顶部开设有使室温腔40中制冷剂气体进入第一级蓄冷器24内的气体通道，底部开设有使第一级蓄冷器24内制冷剂气体进入第一级膨胀腔41的第一气体通道22。第一级排出器20通过曲柄凸轮机构14与驱动电机12连接，带动其在气缸15内作往复运动。第二级排出器30的顶帽32设槽并开孔，第一级排出器20与第二级排出器30之间通过第一活塞连接销23、第二活塞连接销33和两头开孔的活塞连接体31连接，保证第二级排出器30能够一同在气缸15内作往复运动。考虑到重量、导热系数、硬度等因素，第一级排出器20筒体材料采用胶木。第二级排出器30筒体材料通常为不锈钢等金属材料，当然也可使用胶木。

第一级蓄冷器24填充在第一级排出器20内部，一般为小直径的金属丝编织而成的丝网填料，材质为不锈钢或者磷青铜。第二级蓄冷器35填充在第二级排出器30内部，由于第二级蓄冷器35的运行温度较低，在该温度下，金属丝网不再适用，这是因为它们的比热容开始显著降低，限制了回热器效率，一般根据制冷机第二级的运行温度选择填充铅球、钬铜以及稀土氧化物等颗粒状蓄冷材料。

第一级冷端换热器16和第二级冷端换热器17是制冷机直接导出冷量的部件，需要在低温下具有较大的热导率，例如采用无氧铜材质。

接下来，对上述双级蓄冷式制冷机的工作过程进行具体介绍。

压缩机10为氦气压缩机，其将低压氦气压缩为高压氦气，一般其吸气压力在4～8bar，排气压力在22～26bar。在制冷机运行的某一时刻，排出器处于气缸15的下止点位置，此时第一级膨胀腔41和第二级膨胀腔42均最小，室温腔40容积最大。若与此同时或者在稍微偏离的时刻打开供给阀13b，则高压氦气经供给阀13b从氦气管道进入室温腔40内，充满室温腔40，同时通过第一级排出器20顶部的气体通道流入到第一级蓄冷器24内，与蓄冷材料换热，制冷剂气体被冷却温度下降，通过位于第一级排出器20底部的第一气体通道22，一部分制冷气体进入第一级膨胀腔41，另一部分制冷剂气体从第二级排出器30顶部的气体通道进入第二级蓄冷器35内，与其中的蓄冷材料换热，随后通过位于第二级排出器30底部的第二气体通道36进入第二级膨胀腔42中。

排出器向上移动，第一、第二级膨胀腔均被制冷剂气体充满，关闭供给阀13b。此时，第一、第二级排出器位于气缸15上止点位置。若与此同时或者在稍微偏离的时刻打开回流阀13a，则第一、第二级膨胀腔内的制冷剂气体被减压并膨胀，成为低压氦气。此时，通过制冷剂气体的膨胀产生冷量，通过第一级冷端换热器16和第二级冷端换热器17传递至被冷却物体。经过膨胀降温的低温氦气沿原路返回，与蓄冷材料进行热交换，氦气温度上升，蓄冷材料温度下降，蓄冷材料能够积蓄产生的冷量，最后经由氦气管道与回流阀13a回到压缩机10的吸入侧。

上述工作过程为一个制冷循环，蓄冷式制冷机1通过反复进行该制冷循环，连续产生冷量。

为了排出器能够更好地在气缸15内作往复运动，排出器外壁面与气缸15内壁面之间存在一定间隙，也就是说，排出器热端的一部分制冷剂气体能够不经过蓄冷器，而从该间隙直接进入冷端，这会造成制冷机冷量的损失。

密封件21通常由内部的O圈以及外部的密封环组成，能够有效降低气体泄漏带来的冷量损失。

对于第二级排出器30的密封结构，由于制冷温度较低，O圈不再适用。另外，对于第二级排出器30冷端和热端温度相差较大的情况下，例如100K～10K，第二级排出器30如采用金属基体加工螺旋槽的密封方式会导致轴向导热损失过大，如考虑采用胶木，则胶木加工螺旋槽难度较大。

基于上述情况，本申请实施例提供一种密封结构，其用于上述双级蓄冷式制冷机的第二级排出器密封，能够取得较好的密封效果，减少制冷量损失。接下来，对该密封结构作具体介绍。

图3所示为本申请实施例提供的密封结构，该密封结构37设置在第二级排出器外侧周向凹槽中。为了保证密封性能，同时防止单个密封结构37由于长期运行产生磨损导致的制冷性能下降，设置2道以上密封结构37，例如2道、3道、4道、5道……。本实施例中，设置有3道密封结构37，自上而下依次为第一道密封结构37a、第二道密封结构37b和第三道密封结构37c。单道密封结构37的宽度在2～10mm之间，相邻密封结构37之间的距离为5～15mm，目的是为了防止整个密封结构过宽，导致后续用于安装配合的金属环34过宽，无法进入第一级排出器20的底部开口。

第二级排出器30外侧用于容纳密封结构37的凹槽，深度应保证密封结构37能够完全收缩进凹槽内部。凹槽的宽度应略大于密封结构37的宽度，使得密封结构37能够在凹槽内沿径向收缩与膨胀，而不影响第二级排出器30运动。

单个密封结构37包括密封环51和内部的孔用弹性挡圈50，密封环51和孔用弹性挡圈50均具有开口部。孔用弹性挡圈50的作用是提供向外的涨力，使密封环50紧贴气缸15内壁面。因此，孔用弹性挡圈50的材料应是在低温下具有较大弹性的金属材料，例如弹簧钢。应注意，孔用弹性挡圈50提供的涨力应当均匀。密封环50与气缸15内壁面紧贴，在制冷机运行过程中，密封环50跟随第二级排出器30一起上下往复运动，与气缸15内壁面摩擦，难免会产生磨损。因此，密封环50通常采用自润滑耐磨材料，例如PEEK(聚醚醚酮)、聚四氟乙烯。

多道密封结构中，各密封环51的开口在周向上不应在一个方向，即周向错开，最好保持周向均布，这样能够防止制冷剂气体通过密封环51开口泄漏。本实施例，三道密封结构中，三个密封环51开口以120°角度周向均布。

当第二级排出器30运行至上止点位置，密封结构37应仍然停留在气缸15下部的第二腔体(即用于安装第二级排出器30的腔体)中，否则会失去密封作用，并且由于孔用弹性挡圈50的作用导致密封环50弹出，当第二级排出器30向下止点运行的时候，将会阻碍第二级排出器30移动，甚至导致制冷机损坏。

密封结构37在第二级排出器30上的位置与第二级排出器30的行程有关，当行程为S时，密封结构37与第二级排出器30热端的距离应大于S。同时，考虑到过于接近低温端会对密封性能造成影响，低温下孔用弹性挡圈50的涨力和密封环50的收缩率会发生变化，密封结构37与第二级排出器30冷端的距离应大于第二级排出器30长度的1/3。由此限定了密封结构37的设置位置。

如上所述，密封结构37安装在第二级排出器30上，在未插入气缸15之前，密封环51在孔用弹性挡圈50的作用下，向外扩大，此时密封环51的外部是要凸出第二级排出器30的外表面，换言之，也要大于气缸15下部第二腔体的内径，若将第二级排出器30直接插入气缸15，密封结构37则会阻碍其移动，导致无法装配。

为此，本发明进一步提出上述密封结构在双级蓄冷式制冷机上的安装方法，下面结合图2、图4和图5对该安装方法作具体介绍。

密封结构37的安装是通过金属环34来辅助实现的，金属环34的材质为铜、铝、不锈钢中的任一种。图2所示为金属环34的结构示意图，金属环34嵌套在第二级排出器30外周面，宽度略大于整体密封结构的宽度。在本实施例中，其能够覆盖第一道密封结构37a、第二道密封结构37b和第三道密封结构37c。并且，金属环34与第二级排出器30之间为微过盈配合，由此金属环34能够在第二级排出器30的外侧上下移动，同时又不至于滑落，影响制冷机的运行。

金属环34底部具有倒角部60，以便在金属环34移动至与密封环37接触时，能够将密封环37压至第二级排出器30外侧周向凹槽内。

制冷机在生产、维护等应用场景下，第一级排出器20、第二级排出器30位于气缸15外，未进行组装。当需要进行生产装配、维护时，需安装密封结构37。

孔用弹性挡圈50具有弹性，能够收缩、扩张，在第二级排出器30外侧各周向凹槽内依次扣入孔用弹性挡圈50，在各孔用弹性挡圈50的外侧安装密封环51。推动金属环34，使其向下移动，经过金属环34底部倒角部60的导向，将各道密封结构完全压入第二级排出器30外侧周向凹槽内。在孔用弹性挡圈50的弹力作用下，能够防止金属环34在未受到外力作用下发生移动。

将第一级排出器20与第二级排出器30连接，然后一同插入气缸15内，行进到图5中的(a)所示位置时，金属环34与气缸15第二腔体内壁接触，随着排出器继续向下移动，金属环34被推动上移，密封结构顺利进入气缸15内部，如图5中的(b)所示。第二级排出器30继续向下移动，直到位于下止点位置，如图5中的(c)所示，此时金属环34被推动至第一级排出器20底部开口内，并且由于金属环34外径小于该底部开口的内径，从而不影响制冷剂气体进入第二级蓄冷器35内部。

至此，完成整个密封结构的安装，随着制冷机的运行，金属环34始终位于第一级排出器20底部开口内，而密封结构在气缸15第二腔体内部，起到密封的作用。制冷机运行过程中，密封环34一直处于上述开口内，不会对排出器的往复运动造成阻碍。

需要指出，本申请实施例仅以吉福特-麦克马洪双级蓄冷式制冷机为例，对本发明的技术方案作示例性的介绍。作为本领域技术人员可以理解的是，适用的低温制冷机并不局限于本申请实施例中给出的这一种，对于具有排出器的其他蓄冷式制冷机同样适用。特别是第一、第二级制冷温度相差较大的双级低温制冷机(含双级蓄冷式制冷机)，具有更佳的使用效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。