自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟

斯特林制冷机回热器密封间隙泄漏率分析东华大学环境科学与工程学院 陶丽 顾平道摘 要：回热器是斯特林制冷机冷头的重要组成部分。

传统的回热器使用接触式滑动密封，存在磨损，限制制冷机的使用寿命。

间隙密封的应用则可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染。

但由于间隙内气体的泄漏，引起了冷量损失，使制冷量减少。

本文建立了间隙密封式斯特林制冷机间隙泄漏率的数学物理模型，并获得了密封间隙的泄漏率的表达式。

关键词：斯特林制冷机 回热器 间隙密封 泄漏率斯特林制冷机冷头主要由冷腔、室温腔及回热器组成。

制冷机冷头的性能主要取决于回热器的性能。

因此，要解决斯特林制冷机的可靠性问题，首先要提高回热器的工作寿命。

.长寿命斯特林制冷机采用间隙密封，降低密封轴孔间的磨损，提高工作寿命。

如果采用传统的胀圈式接触密封，早期的密封效率高，但磨损较严重，产生污染物，并且随着运行时间的增加，其后期的密封性能下降，影响制冷效率，最终导致制冷机寿命终结。

因此，长寿命斯特林制冷机只有采用间隙密封，才能满足对寿命的要求。

间隙密封是利用密封零件之间的径向微小间隙及该间隙在轴向的一定长度来实现的一种密封形式。

它的孔轴两部件采用间隙配合，通过定心装配，使得两部件之间无接触。

间隙密封的突出优点是无磨损、不产生污染物、密封性能稳定，尤其适合星载长寿命斯特林制冷机。

采用间隙密封是提高斯特林制冷机工作寿命和可靠性的关键技术[1,2,3]。

就斯特林制冷机回热器而言，共有两处采用间隙密封，一为回热器与气缸之间，二为回热器轴与密封座之间。

1 回热器与气缸壁的密封间隙内气体流动特性[4,5,6]1.1 层流流动对间隙内气体流动，当雷诺数Re<2000时，为层流流动。

假设：（1）流动膜的厚度与它的宽度、长度相比很小，即间隙很小；（2）孔隙在往复相对运动过程中没有旋转运动，间隙内气体可看作一维流动，如图1所示；（3）沿流动膜厚度方向上不计压力变化， ; （4）忽略质量力的影响；（5）内外圆柱面是同心的，因此间隙高度在圆周方向处处相等；（6）流体的惯性力与粘滞力相比可以忽略不计，即动是准稳的；（7）气体流过间隙时温度为已知函数T(x)；（8）工质气体为完全气体；（9）忽略间隙内径向温差，即：径向温度不变；（10）气体是正压性的，即：密度只是压力的函数，()p ρρ=;（11）忽略气体的导热；（12）忽略回热器边壁的影响；（13）冷热端的气体温度为常数，即：T 2=C 2，T 1=C 1 ；（14）动力粘性系数μ为温度T 的已知函数。

斯特林制冷机无油润滑间隙密封的设计与研究李垒;张姗【摘要】传统的制冷机回热器常使用接触式滑动密封,存在磨损,限制了制冷机的使用寿命.间隙密封的应用则可以避免这些问题.斯特林制冷机的密封关键在于气缸与活塞的间隙密封,能否有效地将其密封直接影响了斯特林制冷机的性能与可靠性.斯特林制冷机回热器采用间隙密封,这种密封方式不仅可以达到密封的目的,同时可以消除因密封面接触而产生的磨损,以及因此而产生的磨损污染.但是,由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量的损失,使制冷量减少.因此在间隙密封的设计中要合理设计间隙的大小以及间隙的偏心度,以确保密封的有效性及其使用寿命.【期刊名称】《枣庄学院学报》【年(卷),期】2013(030)002【总页数】4页(P102-105)【关键词】斯特林制冷机;间隙密封;冷量损失【作者】李垒;张姗【作者单位】枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160;枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160【正文语种】中文【中图分类】TB6630 引言目前，制冷机械的泄漏主要通过设置密封装置的方式来防止泄漏. 根据运动特性与工作状态的不同，常用的密封装置可分为动密封和静密封两大类，而动密封又根据接触方式的不同分为非接触式密封和接触式密封两种［1］. 两者虽然各有优缺点，但通常认为非接触式密封的性能更好，更适用于制冷机械.这主要是因为对于非接触式密封而言，其密封表面不相互接触，故接触面不存在机械摩擦，较之于接触式密封就节省了这部分功耗.同时，因无机械摩擦，故而在活塞与气缸之间也不会产生因磨损而产生的污染. 斯特林制冷机常采用的密封方式就是非接触密封中的间隙密封.间隙密封不仅可以使斯特林制冷机达到密封的目的，同时，可以消除因为密封而浪费的功耗，以及由此而产生的污染. 斯特林制冷机间隙密封的原理就是在密封间隙中注入被密封的工质(常为制冷剂)，通过降低间隙中工质的压力达到密封的目的.虽然间隙密封会存在一定的间隙而产生泄漏，但通常泄漏量较小，不会影响系统的正常工作. 泄漏量的大小主要由密封间隙和系统内外压力差所决定，密封间隙通常由制造工艺等确定，而系统内外压力差由系统内压力确定，系统外压力常为大气压. 泄漏的工作介质在通过密封间隙时，会产生节流作用.为了精确节流，减小工作介质的泄漏，会存在一个最小泄漏量，采用间隙密封的方式必然会存在一定量的泄漏(铁磁流体密封除外). 所以，在不影响制冷系统正常运行的情况下，可以求得该系统的最小泄漏量［2］.间隙密封设备中常采用活塞环来实现密封. 斯特林制冷机也存在有活塞与气缸，因此常采用活塞环进行密封.而活塞环属于易损件，因此限制了斯特林制冷机的工作使用时间.活塞与气缸本身的磨损，加上密封活塞环所带来的磨损，以及由于磨损而产生的污染，进一步减小了斯特林制冷机的使用寿命，增加了泄漏，为延长斯特林制冷机的使用寿命带来了困难.因此，为延长斯特林制冷机的使用寿命，必须研究其密封方式，取消密封环的使用而采用其他密封方式.目前，为延长斯特林制冷机的使用寿命，其密封普遍采用间隙密封的方式［3］.间隙密封在活塞部位的密封主要是通过活塞与气缸之间的微小径向间隙，并使其轴向具有一定长度，通过这部分空间内介质压力的变化来实现密封的一种密封形式.在孔轴处，间隙密封在装配时的要求是需通过定心装配，使孔轴部件间存在一定间隙值，达到无接触密封.因而，在这类斯特林制冷机运转时，在气缸与活塞、孔与轴之间的密封采用间隙密封，达到无摩擦无磨损密封的目的. 综上可知，高效、长寿命、高可靠性的斯特林制冷机的密封可采用间隙密封的密封方式.所谓“自润滑”，对斯特林制冷机来说就是采用无油润滑间隙密封，在不添加润滑剂的情况下就可自动润滑的密封方式.“自润滑”常因无需润滑油，特别适用于压缩介质不能接触油液，或者其他特殊场合，比如各种不能存在氧气或油液的场合. 对于斯特林制冷机，如果密封材料选择不当，或者密封装置安装不合理，就会导致制冷系统频繁发生故障，制冷效率降低，甚至使制冷设备和相关配件的使用寿命大大缩短.1 间隙密封材料的选择最初的摩擦密封材料常选用金属材料，从1934 年开始，以石墨制造的密封元件登上历史舞台，在应用于第一台无油润滑往复式空气压缩机之后，人们逐渐认识到非金属材料作密封元件的优良特性.制冷压缩机活塞与压缩缸部位的无油润滑是通过采用具有自润滑性能的非金属材料制造密封元件来实现，同样，斯特林制冷机也是采用这种自润滑材料来实现无油润滑.制冷上常采用的材料主要为填充聚酰亚胺(PI)和填充聚四氟乙烯(PTFE)等.填充聚四氟乙烯作为密封元件的材料，其做法是在聚四氟乙烯基体中，加入特定比例的填充物(青铜粉、玻璃纤维、二硫化钼、石墨等)制作而成，以这种材料制造的密封元件具有优良的耐磨性能，是制造自润滑密封元件的首选材料之一. 但是，填充聚四氟乙烯材料在高温高压下会产生蠕变，从而引起密封元件的使用寿命缩短、耐磨性变差的问题.而以填充聚酰亚胺制造的自润滑密封元件可以克服这些问题，这在现在实验所用的密封材料中已有很好的体现. 目前，出现了一种新型材料:复合型填充聚四氟乙烯，它是由60%的高分子材料作为主体，同时对其填充一定量的的对羟基苯甲酸聚酯、玻璃纤维等材料，最后采用热压技术成型.以这种复合材料制造的密封元件，其表面硬度和导热系数均远高于普通填充聚四氟乙烯材料，同时具有优良的耐磨和自润滑性能，价格也远低于填充聚酰亚胺和填充聚四氟乙烯［4－7］.2 间隙密封泄漏量的理论分析90 年代以来，关于斯特林制冷机研究的热点，主要为如何提高其制冷效率和工作性能方面.而现阶段的斯特林制冷机，其工作性能的提高关键在于可靠性的提高，主要取决与提高其回热器的使用寿命［8］.常用的活塞式斯特林制冷机，其需要密封的部位主要有三处，分别为压缩机压缩缸与压缩活塞之间的密封1，动力活塞与压缩气缸之间的密封2，还有就是压缩缸与动力活塞之间的间隙密封3，具体结构如图1 所示.间隙密封由于间隙的存在，必然会造成一部分工作介质的泄漏，对于制冷系统来说，就会造成一部分制冷量的减少，以及制冷剂的损失.根据图1，结合斯特林制冷机的运行可知，这三处密封情况各不相同:间隙密封1 处因其两端制冷剂温度的不同而存在较大的温差，间隙密封2 处则会具有交替发生变化的压力差，间隙密封3 处则是上下两个密封表面都处在运作状态［9］.图1 密封间隙模型图Fig.1 Seal gap model diagram关于斯特林制冷机的间隙密封，其数学描述为:间隙中气体的基本控制方程为:上式中ρ、μ、p 分别为气体密度、动力粘度系数和压强分别表示气体所受力和速度矢量，t 则为时间.间隙中气体的状态方程为:上式中T 为气体温度，R 为常用质量气体常数.由于实际情况和计算的不同，以下计算基于如下假设［10］:(1)间隙中介质的厚度远小于它的宽度和长度(如非必要，部分计算中可忽略);(2)沿间隙中介质厚度方向上的压力变化可忽略，即为方便计算，假设空隙中没有旋转运动，间隙中介质的流动可看作一维流动;(4)忽略介质重力的影响;(5)假设介质的流动是准稳态的;(6)介质的流动较复杂，简单假设为层流流动;其控制边界条件为:y = h/2，u = up;y = － h/2，u = ud.式中h 为间隙密封的间隙高度，up、ud 分别为密封间隙流动上边界速度和下边界速度.如其间隙为环形，则其宽度为πDm，其中为名义直径，D1、D2 分别为此间隙的内直径和外直径.则关于此间隙的质量泄漏率G 可由下式计算:上式中的泄漏主要由三项组成:第一项和第二项的泄漏由速度边界层引起，第三项的泄漏由两端压差引起.3 偏心对间隙密封泄漏量的影响对于间隙密封来说，在孔轴设备装配的时候，由于装配误差的存在，使孔轴产生一定的偏心，因此，在孔轴的径向(圆周方向)，间隙密封的间隙大小不再是一常数，存在一定变化，符合下式:式中，为孔轴理想装配间隙为孔轴偏心度，e 为偏心量［11］.偏心环形密封间隙内介质的流动实际上是复杂的二元流，如要对其流动进行精确计算，则非常困难.根据前面的假设(1)可知，间隙中介质流动膜的厚度同它的宽度和长度相比较起来非常小，即间隙很小，则此处可将其简化为一元流动. 根据前面的介质速度公式，将介质按层流来处理，引入偏心，则可近似得到孔轴偏心时的泄漏量:由上式可见，装配偏心度与泄漏量的关系是成两次函数的关系，孔轴偏心度的增大会导致其密封处泄漏量的增加［12－13］. 装配偏心度的存在，对于斯特林制冷机的工作非常不利.对于间隙密封，密封元件的偏心还会使密封元件产生摩擦，以及由此而产生的磨损.磨损还会导致偏心度的进一步增大，密封间隙也随之增大，使泄漏量大大增加，降低了制冷机的制冷量.同时，磨损产生的污染也是很大的，碎屑会污染气缸或孔轴等部位，堵塞密封间隙，甚至严重降低制冷机的使用性能和可靠性，从而减小制冷机的寿命.4 结论从密封材料的性能选择上看，可知斯特林制冷机回热器的内壁材料可选用绝热性能良好或具有耐高温高压性能的材料，减小由于温度梯度过大而产生的泄漏量增大. 对于非金属自润滑密封材料可选用具有优良的自润滑和耐磨性的复合材料，如复合型填充聚四氟乙烯材料.影响间隙密封性能的因素除了材料以外，就是考虑间隙h 取值的大小问题. 在实际加工过程中，一般为了便于加工与安装，常将间隙h 取得稍大一些.但是间隙h过大，会使泄漏率增大，从而降低制冷效率，如斯特林制冷机活塞与压缩缸之间间隙密封内的泄漏与间隙h 成正比.所以，在保证活塞与压缩缸不会卡死的情况下，应尽可能的减小h 的取值，从而减少密封泄漏，提高系统效率，综合考虑间隙h 的选取. 另外，在对斯特林制冷机的装配过程中，应对间隙密封面进行合格检测，保证安装的精度和同轴度.参考文献［1］朱玉峰，董金华.无油润滑压缩机中开口型导向环的设计与研究［J］.润滑与密封，2009(6):49 －52.［2］杨绍侃.无润滑活塞密封的结构与设计［R］. 西安:西安交通大学科研处，1983.［3］朱玉峰，彭宝成.全无油润滑压缩机设计中参数选取的研究［J］.润滑与密封，2006 (6):71 － 73.［4］邓晓辉，郭方中.回热式制冷机间隙密封泄漏率的计算及实验研究［J］.低温工程，1995(1):42 － 50.［5］陈楠.大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机理论及实验研究［D］.上海:上海交通大学，2007.［6］李海生，陈英华.无油润滑涡旋压缩机轴向间隙密封的研究［J］.煤矿机械，2007(6)43 －46.［7］李海生，刘振全，彭斌.无油润滑涡旋压缩机齿端面密封的研究［J］.润滑与密封，2006(1):108 － 110.［8］陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(一)［J］.江苏工业学院学报，2004，16(3):18 － 20.［9］龚俊，田文静.斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析［J］.机械制造，2010，48(10):37 －39.［10］Jaime Reed.An investigation of certain thermodynamic losses in miniature cryocoolers［D］.Research report:NSN 7540 －01 －280 －5500，Cryogenics Group，Oxford University，2005:1 －29.［11］陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(二)［J］.江苏工业学院学报，2005，17(4):12 － 14.［12］吴迎.无油润滑压缩机的复合型填充PTFE 导向环活塞环［J］.化工装备技术，1997，18(4):17 － 19.［13］马诗旻.自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟［J］.制冷低温，2011(3):24 －28.。

自由活塞斯特林发动机Re-1000的模拟研究陈曦;崔浩【摘要】为了掌握自由活塞斯特林发动机的设计方法,采用Sage软件建立了自由活塞斯特林发动机Re-1000的一维模型.模拟结果和实验结果比较显示,输出功率、热效率的模拟值和实验值呈相同的变化趋势.输出功率模拟值与实验值误差约为15％,热效率模拟值比实验值大4％.证明了Sage软件模拟自由活塞斯特林发动机具有较好的准确性,对优化自由活塞斯特林发动机性能有一定意义.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)005【总页数】5页(P304-308)【关键词】自由活塞斯特林发动机;Re-1000;数值模拟;SAGE【作者】陈曦;崔浩【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TK124;TB651+.50 引言1816年，苏格兰牧师Robert Stirling发明了斯特林发动机（又称热气机），是一种外燃、闭式循环、往复活塞式的能量转换装置[1]。

20世纪60年代，俄亥俄大学机械工程学院教授William Beale改进斯特林发动机结构，发明了自由活塞斯特林发动机（FPSE），具有效率高、寿命长、结构简单、噪声低、不易磨损和可自启动等优点[2]。

按Martini的命名规则，斯特林发动机热力学分析方法主要分为五类：零级分析法、一级分析法、二级分析法、三级分析法和四级分析法。

零级分析法，即实验模型，斯特林发动机输出功率的估算公式来源于大量实验数据。

目前为止主要有三种：Malmo公式法、指示功率法和Beale数法[3]。

一级分析法又称为等温分析法，最主要的假设是热腔和冷腔内工质的循环温度恒定，通过理论推导一般可得到解析解，进而可考虑各种热损失和流动损失。

一级分析法首先由Schmidt[4]完成。

Schmidt并没考虑热损失和流动损失，因此，在实际应用时需要对Schmidt分析结果进行修正，修正系数一般为0.45～0.55[5]。

自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟马诗旻;陈曦;李静;张华;袁重雨;祁影霞【摘要】Numerical simulation was used to calculate the flow of helium gas by laminar flow model in different operating conditions. The simulation results show the net volume flow rate of helium gas through the clearance seal is zero while the net mass flow rate is not zero. The net gas leakage from compression chamber to the back-pressure chamber will bring piston shift to the compression chamber. The calculation results show the pressure wave and seal width would mostly influence the leakage. The leakage increases with charge pressure, compression ratio and seal width increasing. Piston movement has less influence on leakage. The leakage would grow with increasing of the phase shift between piston displacement wave and pressure wave and increase with work frequency increasing.%采用数值模拟的方法,基于压力波和活塞位移波的简谐变化规律,对自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞与气缸的间隙密封内氦气建立数值模型,模拟了间隙内氦气在不同工况下的层流流动.结果显示在一个周期内,流过间隙密封的气体体积净流量为0,质量净流量不为0,净流量方向从压缩腔流向背压腔,会造成活塞在工作中向压缩腔偏移.分析结果显示压力波和间隙宽度对泄漏量的影响较大,随充气压力、压比以及间隙的增大,泄漏量增加;活塞运动对其影响较小,当活塞位移波与压力波的相位差小于90°时,相位差增大,泄漏量增加,活塞频率增大,泄漏量增加.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】5页(P24-28)【关键词】热工学;自由活塞式斯特林制冷机;数值模拟;间隙密封;泄漏量【作者】马诗旻;陈曦;李静;张华;袁重雨;祁影霞【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TB6511 引言自由活塞式斯特林制冷机结构紧凑，在低温环境下具有较高的热效率，常用于航天、红外探测、低温物理等领域。

高温超导用自由活塞斯特林制冷机理论研究
王波;叶重;朱魁章;杨坤
【期刊名称】《低温与超导》
【年(卷),期】2012(040)008
【摘要】制冷机是制约高温超导器件的瓶颈.文中针对自由活塞式斯特林制冷机进行了理论研究,建立了自由活塞斯特林制冷机的热声模型,对充气压力、活塞的位移振幅、热端换热器温度和密封间隙进行了模拟.模拟结果显示,以最大制冷量为目标最佳充气压力为1.9MPa,增加活塞位移振幅、降低回热器热端温度以及减小密封间隙可提高制冷机的性能.
【总页数】5页(P7-11)
【作者】王波;叶重;朱魁章;杨坤
【作者单位】中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043;中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043
【正文语种】中文
【相关文献】
1.自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟 [J], 马诗旻;陈曦;李静;张华;袁重雨;祁影霞
2.斯特林制冷机与高温超导滤波器集成及降温试验 [J], 许国太;王田刚;孙述泽;李元明
3.高温超导滤波器用斯特林制冷机温度控制算法设计 [J], 魏广;马少君;闫春杰
4.自由活塞斯特林制冷机动力吸振器设计及实验研究 [J], 倪贤灿;陈曦;凌飞;郑朴;洪昊
5.10W@77K自由活塞斯特林制冷机的设计和实验研究 [J], 祁云;孙大明;乔鑫;沈惬;章杰;汪乘红;丁海威
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低温冰箱自由活塞式斯特林制冷机模拟与优化武飞;陈曦【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2016(022)006【摘要】自由活塞斯特林制冷机具有高效紧凑，适合中低温制冷等优点。

对用于低温冰箱自由活塞式斯特林制冷机进行了一维建模，并实现整机性能的模拟与优化。

在考虑各种空体积的情况下，模拟分析了压缩活塞PV功和相位角的变化对整机性能的影响，获得了制冷机运行的最佳相位。

对比了环形回热器的填料及填充方式对自由活塞式斯特林制冷机的性能影响，及对应材料下回热器的轴向导热损失情况。

模拟了制冷机性能随回热器空隙率和制冷温度的变化情况，计算分析了回热器内部的不可逆损失随空隙率的变化情况，并且获得了不同温度下的最佳空隙率。

最后，为了获得好的制冷性能，优化不同制冷温度的回热器设计参数及膨胀活塞与气缸壁的密封间隙宽度。

【总页数】5页(P365-369)【作者】武飞;陈曦【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB651+.5【相关文献】1.自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟 [J], 马诗旻;陈曦;李静;张华;袁重雨;祁影霞2.活塞式斯特林制冷机的优化关系 [J], 解文方;周玲3.基于LabVIEW的自由活塞式斯特林制冷机性能测试系统开发 [J], 叶重;王飞;王波;于世杰4.空调温区自由活塞斯特林制冷机中回热器的优化设计 [J], 陈曦;凌飞;刘旭;朋文涛;霍晴舟;杨文量;杨巨沁5.变模温注塑模瞬态温度场数值模拟与工艺优化 [J], 张惠敏;唐跃因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

排出器等效机械阻尼对自由活塞斯特林制冷机性能影响的数值模拟李小伟;余国瑶;戴巍;罗二仓;陈燕燕【摘要】针对一台设计目标为300 W@80 K自由活塞斯特林制冷机,数值计算研究了排出器等效机械阻尼Rm对制冷机性能的影响及其作用机理.研究发现,Rm对制冷机的影响主要有两方面,一是直接影响排出器处的摩擦损失,导致制冷机性能变化;其次是改变了系统的声场分布,导致其他核心部件如回热器和换热器的(火用)损失变化.此外,制冷机入口声阻抗特性随之发生变化并进一步影响制冷机与压缩机的耦合性能.计算结果表明,维持制冷机输入声功1 363 W不变,当Rm由25 Ns/m增大至100 Ns/m时,制冷机制冷量由194.7 W降低至160.9 W,相对卡诺效率由38.9％降低至32.2％.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】6页(P1-5,37)【关键词】热工学;制冷与低温工程;自由活塞斯特林制冷机;排出器;等效机械阻尼【作者】李小伟;余国瑶;戴巍;罗二仓;陈燕燕【作者单位】中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京100190【正文语种】中文【中图分类】TB651近年来,高温超导强电技术逐渐成熟，作为重要支撑子系统，在60—80 K温区提供百瓦级甚至千瓦级冷量的小型低温制冷机非常关键[1-3]。

目前实验室和示范应用中大多采用GM制冷机，但其效率较低，而且需定期维护。

自由活塞斯特林制冷机具有结构紧凑、效率高、运动部件少、可靠性高等优点，有望成为高温超导强电应用中较为理想的制冷机，图1给出一种典型的自由活塞斯特林制冷机结构示意图。

低温与超导第36卷　第5期低温技术Cryogenics Cryo .&Supercond .Vol .36　No .5收稿日期:2008-02-18基金项目:上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(563102);上海理工大学博士启动基金(X718);上海市重点学科建设项目(T0503)。

作者简介:陈曦(1977-),男,讲师,博士,主要研究小型低温制冷机。

自由活塞斯特林制冷机间隙密封技术研究陈曦1,武卫东1,周志刚1,张华1,吴亦农2(1.上海理工大学动力工程学院,上海200093;　2.中科院上海技术物理研究所,上海200083)摘要:间隙密封作为自由活塞斯特林制冷机中的一项关键技术,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,同时由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量损失,使制冷量减少。

文中建立了层流工况下间隙密封的数学模型,推导了密封间隙的泄漏率。

针对自由活塞斯特林制冷机的结构,对三处不同位置的间隙密封分别进行分析,提出了不同位置的间隙密封设计要求。

对于直线压缩机的间隙密封,压缩机间隙密封的泄漏会带来压力波损失并同时影响压缩机固有频率;为消除压缩活塞的偏置,要求周期泄漏量为零,对于膨胀机的间隙密封,除了泄漏损失还包括了穿梭损失和摩擦损失等。

最后,考虑实际加工和装配工艺的局限性,对间隙密封的偏心影响进行了分析,并对自由活塞斯特林制冷机间隙密封的安装技术和检测手段提出了简单的建议。

关键词:自由活塞斯特林制冷机;间隙密封;直线压缩机;泄漏损失Study on the clearance sea l i n free -p iston Sti rli n g coolerChen Xi 1,W u W eidong 1,Zhou Zhigang 1,Zhang Hua 1,W u Yinong2(1.College of Power Engineering,University of Shanghai f or Science &Technol ogy,Shanghai 200093,China;2.Shanghai I nstitute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China )Abstract:A s a key technol ogy of free -p ist on Stirling cooler,the method of clearance seal can achieve the seal effect,e 2li m inate contact abrasi on and decrease the conta m inati on fr om sealing face .But,the gas leakage of clearance seal leads t o the leakage l osses and the reducti on of the cooling capacity .The paper establishes the mathe matical and physical model of the leak 2age of the clearance seal in Stirling cooler with clearance seals,and describes a set of equati ons of the leakage and the leakage l os 2ses of the clearance sea1.According t o the structure of free -p ist on Stirling cooler,after three different clearance seals were ana 2lyzed,the design references were put for ward .To the seal bet w een the p ist on and cylinder wall in linear comp ress or,the seal leakage would decrease p ressure wave and affect comp ress or natural frequency .A t the sa me ti m e,in order t o eli m inate p ist on shift,the cycle leakage rate should be zer o .T o the seal bet w een the dis p lacer and cylinder wall,the l osses include shuttle l oss and fricti on l oss besides leakage l oss .A t last,considering p ractical manufacturing p r ocedure and assembly technol ogy,the ec 2centricity effects of clearance seal were analyzed,and s ome advices about asse mbly technol ogy and test method were put f or ward .Keywords:Free -p ist on Stirling cooler (FPSC ),Clearance seal,L inear comp ress or,Leakage l osses1　引言自由活塞斯特林制冷机由于紧凑、高效的特点而受到重视,伴随着航天技术、红外技术、原子能技术、超导技术、低温物理、低温电子学、低温医学与低温生物学等现代科学技术的发展而得到广泛应用,如卫星红外探测器需要60—100K 的低温工作环境;在低温环境下工作的超导滤波器可以降低噪声对电讯信号的影响,大大减少信号故障率;超导量子干涉仪(S QU I D )在生物磁学、计量学、地球物理、军用反潜技术及空间技术的研究领域有着重要应用;磁悬浮列车、核磁共振成像仪、等离子技术等均必须以低温技术为支撑[1,2]。