用于吉福德-麦克马洪膨胀机的气体激发密封件的制作方法

本发明涉及用于吉福德-麦克马洪(gifford-mcmahon，gm)低温膨胀机的往复位移器和驱动杆的密封件。

背景技术：

1、w.e.gifford和h.o.mcmahon的美国专利3,045,436("‘436专利")描述了gm循环。这里描述的系统以gm循环操作，一般来说，输入功率在5到15kw之间，但更大和更小的系统都可以落入本发明的范围。gm循环的制冷器使用为空调应用设计的油润滑压缩机，向往复式低温膨胀机供应气体(氦气)。gm膨胀机在室温下通过入口阀和出口阀并通过再生器将气体循环到冷膨胀空间。膨胀机中的位移器被机械地或气动地驱动。

2、gifford的美国专利3,205,668("‘668号专利")描述了一种gm膨胀机，其具有杆，该杆附接到位移器的暖端，该杆借助于旋转阀、通过使驱动阀杆上方的压力循环与膨胀空间的压力不相一致来驱动位移器上下移动。可以假设循环在以下条件下开始：位移器向下(冷位移容积最小)并处于低压(pl)，杆上方的压力处于高压(ph)。位移器的压力切换到高压，然后经过短暂延迟，驱动杆的压力切换到低压。这导致位移器向上移动，吸引高压气体通过再生器进入冷位移容积。通往位移器的高压阀在位移器到达顶部之前关闭，当气体到达顶部时，气体会部分膨胀。然后打开通往位移器的低压阀，膨胀的气体就会变冷。然后，驱动杆上方的压力被转换为高压，并推动位移器下降，推动冷低压气体通过冷端热交换器，并通过再生器返回，完成循环。当位移器在行程两端基本静止时，位移器密封件上的压力差会在高压和低压之间切换，然后当位移器在缸的冷端和暖端之间移动时，由于通过再生器的压降，该压力差会降至较小的压力差。

3、低温膨胀机通常在以下条件下操作：其冷端向下，暖端处于室温，约10℃至40℃。在轴向或竖直方向上，向上和顶部朝向暖端，向下和底部朝向冷端。内部和外部是径向或水平方向。

4、asami的美国专利5,361,588("588号专利")中描述了机械驱动位移器的示例。该gm膨胀机具有scotch yoke驱动的位移器和旋转阀。无论压力如何，scotch yoke驱动装置都能在马达旋转时固定位移器的位置。当气体在位移器往复运动时流入和流出位移器的时间与上述时间相同时，制冷效果最佳。壳体内的压力通常处于低压，但也可能处于高压。因此，由于通过阀的压降，驱动杆上的密封件的压力差在一个方向上较小，而在另一个方向上较大(ph-pl)。gm膨胀机中的位移器具有防止气体流过位移器外侧与缸内侧之间的间隙的装置。这通常采取在位移器的暖端处的凹槽内的密封件的形式。日本专利3895552("552号专利")在图1a中示出了位于上部凹槽中的密封件5和位于其下方的凹槽中的耐磨环6。耐磨环的内表面与下部凹槽的侧表面接触，其与缸之间的间隙很小，因此即使膨胀机沿水平取向，也能使位移器保持在中心位置。在没有密封件5就位的情况下进行了试验；使用直径为100mm的位移器，以及具有竖直地切割的为1.5mm的间隙的耐磨环。研究发现，切割部处的渗漏会在接近80k的温度下造成少量制冷损失，但已经认识到，这种耐磨环的磨损率低于密封件5，因为其没有向密封环5b的背面施加压力的背衬"o"形环5a。使用耐磨环作为密封件的问题在于，随着耐磨环的磨损以及耐磨环的外直径(od)与缸的内直径(id)之间的间隙的增大，泄漏会增加。如果能将泄漏量的增加控制在较小的范围内，那么在较长的维护周期内损失少量冷量是非常有价值的。

5、已经认识到，如果穿过密封件的较高压力可以被阻挡在耐磨环后面，那么耐磨环就可以压靠在缸壁上，并在移动过程中起到密封作用；但切割部可能很小。这就要求在环的后面(在环和凹槽侧面之间)具有小间隙，并且意味着让高压气流进入该间隙。压力较高的气体可以流过环上的切割部和/或环端部处的间隙。产生这种间隙的方法是使环的长度短于凹槽的轴向长度。当位移器中的压力在高低之间切换时，环会被推到凹槽中压力较低的一端，然后借助于通过再生器的压降以及在位移器向上或向下移动时密封件沿着缸滑动的摩擦而固定在那里。位移器移动时，密封件上的压力差产生的力与滑动摩擦产生的力的方向相同。气动位移器的驱动杆上的类似密封件也是如此(如果其固定在壳体中)，并且环的id与驱动杆的od抵靠密封。在驱动轴上具有两个密封件而在位移器上只具有一个密封件是有好处的。

6、需要注意的是，对于压缩气体的活塞而言，优选的是在压力和摩擦力方向相同的活塞上具有密封件。

7、市场上有许多的专利和许多不同设计的密封件，可以解决不同应用中的不同问题。jepsen的美国专利3,373,999("999号专利")具体包含了本技术的一些特征。该专利描述了两个气体激发密封件，如图3所示，用于压缩机压缩低温应用中使用的气体，例如在0.1mpa至100mpa范围内的n2和he。该应用要求气体必须保持清洁干燥。图1和图2示出了活塞压缩气体时的径向压力分布和两个环上的净压力差。上环(最靠近压缩腔)上的压力差比下环小很多。如图4所示，上环具有从顶部到底部贯通该环的月牙形切割部，并且沿径向膨胀，以形成穿过环的压力差很小的密封件。图5所示的下环未经切割，并且在较高的压力差下沿径向膨胀。当两个环上没有压力差时，它们的od都小于缸的id，轴向压力差和环沿缸滑动的摩擦力的方向相同。图3示出了环上的间隙，使得高压气体流在环后方进入间隙。日本专利jp2-236060在图3中示出了一种压缩机活塞环，与jepsen专利的上环相似，只是切割部与水平面成30°左右的角度。

技术实现思路

1、本发明的目的是延长吉福德-麦克马洪(gm)低温膨胀机的往复位移器和位移器的杆密封件的使用寿命。密封件包括相对较长和较薄的环，并且将作用在环后面的密封件上的压力差作为主要的力，以使环与缸和杆壁接触。密封环上的压力差将环推向凹槽的一端，而摩擦力则在环移动时将其沿同一方向推动。与传统的背衬式"o"形环相比，密封力分布在更大的面积上，从而降低了磨损率，延长了密封件的使用寿命。

2、这些优点和其它优点都是通过具有改进密封特性的gifford-mcmahon(gm)膨胀机实现的。gm膨胀机包括在外圆周(rd)上具有凹槽的位移器、具有内表面(rc)的缸、置于所述凹槽内的密封环、在所述位移器的下端处处于缸内的冷位移容积、在所述位移器的上端处处于缸内的暖位移容积以及处于冷位移容积和暖位移容积之间的再生器。凹槽由上表面、下表面和连接所述上表面和下表面的侧表面限定。位移器在缸中沿轴向往复运动。密封环具有沿位移器的轴向方向的轴向长度。所述密封环具有与所述缸相邻的外表面(rro)和与所述凹槽的所述侧表面相邻的内表面(rri)，并且在所述密封环的所述内表面与所述凹槽的所述侧表面之间形成第一径向间隙(w1)，通过所述密封环的轴向长度(lr)与所述凹槽的所述上表面和所述下表面之间的距离(lg)之间的差形成第二轴向间隙(w2)。

3、气动地致动的gm膨胀机也能实现这些优点和其它优点，该膨胀机在高压下从压缩机供应气体并且在低压下将气体返回到所述压缩机。gm膨胀机包括：位移器，在所述位移器的暖端处具有驱动杆，所述驱动杆在缸内往复运动，在所述缸的暖端和冷端之间往复运动，以产生由再生器分隔开的暖位移容积和冷位移容积；壳体，所述壳体在所述缸的暖端上方延伸并具有驱动杆容积；以及密封环，所述密封环置于所述凹槽中，其中所述凹槽和所述密封环被配置为具有在所述凹槽的内半径(rg')和所述密封环的外半径(rro')之间的径向间隙(w1')以及由所述凹槽的轴向长度和所述密封环的轴向长度之间的差形成的轴向间隙(w2')。驱动杆在驱动杆容积内往复运动，壳体在驱动杆容积的壁上具有凹槽。