迷宫式密封活塞对G-M制冷机性能的影响

　　近年来,随着大型低温真空泵、高低温超导器件、核磁共振成像仪(MRI)、红外探测器、低温光电子学器件的发展,大冷量制冷机的工业需求不断增长,研制大冷量G-M制冷机已成为低温制冷机领域中的重要研究方向.在传统双级G-M制冷机结构中,2级活塞与汽缸之间采用普通活塞环密封,对活塞环及其涨圈的材料和加工精度要求较高,且活塞环与汽缸之间存在磨损,长期运行会影响其密封性能,尤其是在低温下会造成1、2级间的串气,从而影响G-M制冷机的制冷性能及其稳定性和寿命.目前,迷宫式密封已经成为取代传统活塞环密封的有效方法而广泛用于透平膨胀机、压缩机、往复式低温制冷机等设备中[1-9].其中,Liu等[10-11]设计研制了蓄冷迷宫式密封,并将其用于液氦温区G-M制冷机中而取得了较好的制冷效果;王少刚等[12]将迷宫式密封活塞用于10 K温区双级G-M制冷机中,发现其可使制冷机的降温速度加快,在停止加热后,2级冷头复温速度较快;文献[10-12]中的迷宫式活塞均采用胶木和不锈钢制成,其不锈钢内壳镶套于胶木外壳内,可以减小在低温下因材料收缩率不同而导致的胶木活塞与不锈钢汽缸之间的漏气间隙,但其结构相对复杂,增加了活塞的加工和装配难度.

　　本文针对10 K温区双级G-M制冷机设计研制了迷宫式密封活塞,活塞整体采用不锈钢材料.为了减少活塞对汽缸壁面的磨损,在不锈钢活塞外壁面喷涂耐低温、自润滑耐磨材料.同时,建立了实验平台,给出了降温性能曲线和制冷量曲线,并与传统活塞环密封结构的实验结果进行对比.

　　1 不锈钢迷宫式密封活塞结构设计

　　1.1 迷宫式密封原理

　　流体通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机制称为迷宫效应.迷宫式密封是流体机械中应用广泛的非接触密封形式.从流动本质上来看,迷宫式密封是依靠节流间隙中的节流过程和空腔内的动能耗散过程而实现密封的,这2个流动过程中的能量损失决定了其密封性能.气体从高压侧以极高的流速流经节流窄缝而进入迷宫腔膨胀,以消耗气体流经窄缝形成的动能,经过如此多次节流和膨胀而产生阻力,阻止气体向外泄漏,以达到密封的目的.迷宫式密封不受旋转速度和温度的限制,摩擦功耗极小,且增加的密封齿数目还可密封较高压力的气体[13].按照其结构形式,迷宫式密封可分为单纯环形间隙、直通形迷宫、参差形迷宫、复式直通形迷宫和复式参差形迷宫.其中,直通形迷宫结构最简单且应用最广.

　　1.2 结构参数

　　本设计采用直通形迷宫密封结构,在2级活塞的外表面等间距布置矩形槽道,其结构见图1.图中:活塞迷宫长度为104 mm、迷宫槽道数为26道,槽深为0.8 mm,棤道宽2 mm,槽道节距为4mm,槽道脊部与汽缸内壁间隙为0.02 mm.