超低溫制冷機用非接觸式密封活塞的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，位于氣缸內部，呈圓柱體結構，其包括圓柱形活塞基體和涂覆于活塞基體外表面的耐磨涂層，其中，所述耐磨涂層為帶厚度的圓筒形狀,其外圓表面設有若干凹槽，其內圓表面呈與活塞基體外形相匹配的光滑圓柱形。本發明避免了對活塞基體的加工，降低在降溫過程中的應力變化，保證活塞基體在低溫狀態下的圓柱度，以此保證整體的密封性能。
【專利說明】
超低溫制冷機用非接觸式密封活塞
技術領域
[0001]本發明涉及活塞密封裝置技術領域，具體涉及一種超低溫制冷機用非接觸式密封活塞。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著大型低溫真空栗、高低溫超導器件、核磁共振成像儀(MRI)、紅外探測器、低溫光電子學器件的迅速發展，超低溫制冷機的工業需求也在不斷增長，研制超低溫制冷機已經成為低溫技術領域中的一個重要研究方向。傳統的密封結構，是在活塞外面加設一活塞式密封環，密封環與汽缸內壁緊密接觸，以達到其密封的目的。這種活塞密封環式的密封結構存在以下許多缺點:首先是這種活塞式密封環和氣缸之間的磨損造成其壽命短，并且隨著工作時間的推移，密封環磨損的加劇，會加大制冷機的氣體泄漏量，而造成制冷機的冷損增大，所以這種活塞式密封環需要經常更換，更換活塞環又會影響制冷機制冷性能的穩定；另外由于這種活塞式密封環是在低溫下工作，活塞環的冷縮所導致的不完全密封在所難免，這樣會不可避免地造成活塞式制冷機制冷量下降及制冷溫度的波動。
[0003]經對相關技術文獻檢索發現，中國發明專利《用于G-M制冷機的迷宮密封式活塞》(公開號:101949378A;【公開日】:2011年I月19日)中提供了一種活塞，該活塞位于氣缸5內部，其包括活塞基體I和耐磨涂層3，通過在活塞基體I表面直接車制垂直于活塞基體I軸線的凹槽2并形成迷宮密封結構，然后再其表面噴涂一層耐磨涂層3;耐磨涂層3的材料為聚四氟乙烯。如圖1所示，所述結構存在的問題:活塞基體I表面直接車制凹槽2導致該凹槽處的強度弱于活塞基體I的其他部分，由于應力的存在，活塞基體I在低溫下的徑向應力會殘留在凹槽2處，導致凹槽2處變形，進而使活塞基體I同軸度下降，出現活塞劃傷氣缸的問題。同時，活塞基體I表面直接車制凹槽2會破壞活塞基體I的整體強度，應力作用下致使活塞基體I變形，影響其圓柱度，進而影響整體的密封性能。
[0004]中國實用新型專利《用于活塞式低溫制冷機的活塞式蓄冷密封結構》(公開號:2367799;【公開日】:2000年3月8日)中提供了一種活塞，該活塞由活塞外套及位于活塞外套之中的內部裝有蓄冷填料的活塞內襯組成，活塞外表面上刻有凹槽，形成迷宮密封的形式;凹槽及活塞內襯中裝有蓄冷材料。這種密封結構較為復雜，使活塞的加工和裝配難度較高。另夕卜，活塞外套與活塞內襯的材料不同，不同種材料構成的活塞由于收縮率不同而產生間隙，在低溫下尤其是液氦溫區的超低溫下，造成迷宮密封間隙隨著溫度降低而不斷增大，從而影響了迷宮活塞在低溫下的整體密封性能。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有的技術問題作出改進，即本發明所要解決的技術問題是提供一種超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，在活塞基體外表面的耐磨涂層上設置凹槽，避免了對活塞基體的加工，降低在降溫過程中的應力變化，保證活塞基體在低溫狀態下的圓柱度，以此保證整體的密封性能。為解決上述問題，本發明提供的技術方案為:
[0006]—種超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，位于氣缸內部，呈圓柱體結構，其包括圓柱形活塞基體和涂覆于活塞基體外表面的耐磨涂層，其中，所述耐磨涂層為帶厚度的圓筒形狀，其外圓表面設有若干凹槽，其內圓表面呈與活塞基體外形相匹配的光滑圓柱形。
[0007]進一步，所述凹槽深度在0.5—0.7mm范圍內，所述耐磨涂層的最大厚度與凹槽深度的差值小于0.05mm。
[0008]進一步，所述凹槽型線為螺旋形或者環形，所述凹槽截面形狀為多邊形。
[0009]進一步，所述凹槽的槽道脊部與氣缸內壁半徑的間隙，即密封間隙為0.02 —0.05mmο
[0010]進一步，所述活塞基體材料與氣缸材料均為不銹鋼。
[0011]在上述技術方案中，活塞基體外表面設有耐磨涂層，在該耐磨涂層的外圓表面設有凹槽，避免了對活塞基體的加工，降低在降溫過程中的應力變化，保證活塞基體在低溫狀態下的圓柱度，以此保證整體的密封性能。另外，這種結構設置還可以保證活塞基體的同軸度，避免活塞劃傷氣缸的問題。進一步，對耐磨涂層的厚度與凹槽深度的參數值進行優化設置。進一步，為了便于對凹槽的直觀了解，凹槽型線為螺旋形或者環形，凹槽截面形狀為多邊形。進一步，對密封間隙的參數值進行優化設置。進一步，為了保證密封間隙不會受到溫度降低的影響，活塞基體材料與氣缸材料相同，進一步保證了活塞與氣缸之間的密封性。
[0012]本發明要解決的另一個技術問題，降低活塞基體的加工及裝配難度。
[0013]進一步，所述活塞基體兩端設有螺紋堵頭。
[0014]在該技術方案中，通過活塞基體兩端采用螺紋堵頭密封，降低活塞基體的加工及裝配難度。
[0015]本發明要解決的再一個技術問題，提供一種針對上述第一種技術方案或第二種技術方案所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞的制造方法，包括以下步驟:
[0016]步驟一:在活塞基體外表面噴涂耐磨涂層；
[0017]步驟二:在所述耐磨涂層外表面并沿活塞周向車制凹槽，凹槽的深度不超過耐磨涂層的厚度。
[0018]進一步，步驟一所述的活塞基體是通過車床一次加工成型得到的。
[0019]進一步，還包括步驟三:在所述活塞基體兩端加工內螺紋，并與螺紋堵頭進行螺紋密封連接。
[0020]在上述技術方案中，先噴涂耐磨涂層，保證后期的加工部分是在為對噴涂表面進行，避免了對活塞基體的加工，降低在降溫過程中的應力變化，保證活塞基體在低溫狀態下的圓柱度。進一步，步驟一所述的活塞基體是通過車床一次加工成型得到的。一次加工成型避免了在加工過程中多次定位、裝夾的步驟，使活塞基體加工后形位精度得到了很好保證。
[0021]本發明具有的有益效果:
[0022]1.本發明保證活塞基體在低溫狀態下的圓柱度，以此保證整體的密封性能；還可以保證活塞的同軸度，避免活塞劃傷氣缸的問題。
[0023]2.本發明通過材料的選擇，保證密封間隙不會受到溫度降低的影響，進一步保證了活塞與氣缸之間的密封性，即迷宮密封間隙不會隨著溫度降低而擴大。
[0024]3.本發明所述的活塞基體兩端采用螺紋堵頭密封，降低活塞基體的加工及裝配難度。
[0025]4.本發明對耐磨涂層的厚度與凹槽深度的參數值進行優化設置。若耐磨涂層太薄，則會導致制冷機在長時間運行之后，制冷機內的活塞表面磨損嚴重，影響制冷機的性能及壽命。凹槽太淺，則會導致密封效果差。
[0026]5.本發明所述的活塞基體在加工后的形位精度得到了很好保證。
【附圖說明】
[0027]圖1為現有技術結構示意圖。
[0028]圖2為現有技術中A處放大示意圖。
[0029]圖3為第一種實施方式結構示意圖。
[°03°]圖4為第一種實施方式中B處放大不意圖。
【具體實施方式】
[0031]為了更好的理解本發明相對于現有技術所作出的改進，在對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明之前，先對【背景技術】提到的現有技術結合附圖加以說明。
[0032]圖1所示為現有技術提到的中國發明專利《用于G-M制冷機的迷宮密封式活塞》中的活塞結構，該活塞位于氣缸5內部，在活塞基體I表面直接車制垂直于活塞基體I軸線的凹槽2，然后再其表面噴涂一層耐磨涂層3。為了便于比較，對圖1中帶有凹槽2的A處進行放大得到圖2。觀察圖2可知，凹槽2是在活塞基體I上直接加工的，這樣會使活塞基體I的整體強度減弱，并且活塞基體I各部分的強度分布不均勻，影響其圓柱度，進而影響整體的密封性能。還可能影響到活塞同軸度，出現活塞劃傷氣缸的問題。
[0033]下面結合實施例和附圖，對本發明做進一步說明。
[0034]如圖3所示，本發明的具體種實施方式，一種超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，所述
[0035]活塞位于氣缸5內部，呈圓柱體結構，其包括呈圓柱形的活塞基體1、設置在活塞基體I外表面的耐磨涂層3和螺紋堵頭4，其中耐磨涂層3為帶厚度的圓筒形狀，其外圓表面設有若干凹槽2，其內圓表面呈與活塞基體外形相匹配的光滑圓柱形。
[0036]第一步，制作活塞基體I。所述活塞基體I是通過車床一次加工成型得到的，其材料與氣缸5材料相同，均為不銹鋼材料。
[0037]第二步，制作耐磨涂層3。在上述活塞基體I表面噴涂耐磨涂層3，該耐磨涂層的厚度為0.5—0.75mm范圍內，以保證在下一步的進行。
[0038]第三步，制作凹槽2。在所述耐磨涂層3外表面并沿活塞周向車制深度為0.5 —
0.7mm范圍內的凹槽2，凹槽2的型線為環形，其截面形狀為矩形。
[0039]最后一步，完成活塞制作。在所述活塞基體I兩端加工內螺紋，并與螺紋堵頭4進行螺紋密封連接。
[0040]完成的活塞裝入氣缸5內部，其中凹槽2的槽道脊部與氣缸5內壁半徑的間隙，即密封間隙在0.02—0.05mm范圍內。
[0041]圖4所示為圖3中帶有凹槽2的B處進行放大后的圖。對比圖2和圖4，可以更加直觀的了解本發明的改進之處，再結合參數的設置，得出本發明的有益效果。
[0042]上述實施方式中通過凹槽2形成迷宮密封結構。迷宮密封的原理，在氣體從高壓側以極高的流速流經節流窄縫即密封間隙，再進入凹槽2內進行膨脹，以消耗氣體流經節流窄縫形成的速度能，如此經過多次節流和膨脹產生阻力，阻止氣體向外泄漏，借以達到密封的目的。為了保證活塞基體I的強度不受破壞，先噴涂耐磨涂層3，保證后期凹槽2的加工是在涂耐磨涂層3進行，避免了對活塞基體I的加工，降低在降溫過程中的應力變化，保證活塞基體I在低溫狀態下的圓柱度。在此基礎上，耐磨涂層3的厚度為0.5—0.75mm范圍內，凹槽2的深度在0.5-0.7mm范圍內。保證耐磨涂層的厚度足夠，使活塞可以長時間在氣缸5內正常工作，活塞表面不會磨損嚴重。同時凹槽2的深度足夠，保證氣體在凹槽2內消耗足夠的速度能，實現良好的密封效果。
[0043]本實施方式的特點:
[0044]1.本實施方式保證活塞基體I在低溫狀態下的圓柱度，以此保證整體的密封性能；還可以保證活塞的同軸度，避免活塞劃傷氣缸5的問題。
[0045]2.本實施方式通過對活塞基體I材料的選擇，保證密封間隙不會受到溫度降低的影響，進一步保證了活塞與氣缸5之間的密封性，即迷宮密封間隙不會隨著溫度降低而擴大。
[0046]3.本實施方式所述的活塞基體I兩端采用螺紋堵頭4密封，降低活塞基體I的加工及裝配難度。
[0047]4.本實施方式對耐磨涂層3的厚度與凹槽2深度的參數值進行優化設置。
[0048]5.本實施方式所述的活塞基體I在加工后的形位精度得到了很好保證。
[0049]上述所有的實施例僅用來說明本發明的原理，不用來限制本發明的范圍。對本發明還可以作出其他的變化，例如凹槽2的型線或者截面形狀。這些變化仍落在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，位于氣缸(5)內部，呈圓柱體結構，其包括圓柱形活塞基體(I)和涂覆于活塞基體(I)外表面的耐磨涂層(3)，其特征在于，所述耐磨涂層(3)為帶厚度的圓筒形狀，其外圓表面設有若干凹槽(2)，其內圓表面呈與活塞基體外形相匹配的光滑圓柱形。2.如權利要求1所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，其特征在于，所述凹槽(2)深度在0.5一0.7mm范圍內，所述耐磨涂層(3 )的最大厚度與凹槽(2)深度的差值小于0.05mmo3.如權利要求1所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，其特征在于，所述凹槽(2)型線為螺旋形或者環形，所述凹槽(2)截面形狀為多邊形。4.如權利要求1所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，其特征在于，所述凹槽(2)的槽道脊部與氣缸(5)內壁半徑的間隙，即密封間隙為0.02-0.05_。5.如權利要求1所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，其特征在于，所述活塞基體(I)材料與氣缸(5)材料均為不銹鋼。6.如權利要求1所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞，其特征在于，所述活塞基體(I)兩端設有螺紋堵頭(4)。7.—種權利要求1所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:在活塞基體(I)外表面噴涂耐磨涂層(3); 步驟二:在所述耐磨涂層(3)外表面并沿活塞周向車制凹槽(2)，凹槽(2)的深度不超過耐磨涂層(3)的厚度。8.如權利要求7所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞的制造方法，其特征在于，步驟一所述的活塞基體(I)是通過車床一次加工成型得到的。9.如權利要求7所述的超低溫制冷機用非接觸式密封活塞的制造方法，其特征在于，還包括步驟三:在所述活塞基體(I)兩端加工內螺紋，并與螺紋堵頭(4)進行螺紋密封連接。
【文檔編號】F04B39/00GK106050612SQ201610499856
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】王少恒, 羅高喬, 張雨航
【申請人】安徽萬瑞冷電科技有限公司