活塞式膨脹機是通過氣體膨脹推動活塞向外界輸出功以產生製冷量的機器。工質在氣缸內推動活塞輸出外功，同時本身內能降低。因此，膨脹機也是一種氣體發動機，所不同的是以使氣體冷卻獲得冷量為主，利用機械功是次要的。一般來說，活塞膨脹機多適用於中、高壓小流量領域。
基本介紹
- 中文名：活塞式膨脹機
- 外文名： reciprocating expansion-engine
- 用途：使氣體膨脹輸出外功以產生冷量
- 工作原理：將壓縮氣體的位能轉變為機械功
簡介,
簡介
活塞式膨脹機分立式和臥式兩種。採用較多的是立式結構，曲軸、連桿、十字頭、活塞、進氣閥和排氣閥等是運動件，分別裝在機身、氣缸和中間座中，其作用近似於往復活塞壓縮機，但其進、排氣閥系借進、排氣凸輪定時啟閉。活塞膨脹機由於存在進、排氣閥流動阻力、不完全膨脹、摩擦熱、外熱與內部熱交換等引起的冷量損失，一般絕熱效率為：高壓膨脹機65～85%，中壓膨脹機60～70%。20世紀50年代相繼出現的不用凸輪傳動機構的無閥和單閥膨脹機，減少了膨脹機的運動件，提高了機器運轉可靠性，已在小型深低溫設備上得到廣泛的套用。60年代，採用加填充劑的聚四氟乙烯密封元件代替用油潤滑的金屬制密封元件，避免潤滑油帶入深低溫精餾區或液化區，保證了安全。
調節活塞式膨脹機產生冷量的方法主要有改變膨脹機轉速，改變充氣度和節流調節三種。利用節流，降低進氣壓力的方法來調節產冷量，最為簡單，在結構上也不需要專門設備，但這種方法也最不經濟。目前，調節膨脹機產冷量的最廣泛的方法是改變充氣度( 或停氣比)。充氣度增加, 通過膨脹機的空氣量增加，因而製冷量增大。根據一些膨脹機的實驗研究，充氣度改變時，特別是在接近於最佳充氣度附近的範圍內改變時，絕熱效率是變化不大的。因而這種調節方法是套用最廣泛而有效的。
充氣度調節要比降低進氣壓力調節優越；在不大的調節範圍( 產冷量變化從100%至85%) 內，可以採用降低壓力的調節而不會有太大的損失；為了得到必需的產冷量，在改變壓力調節時，通過膨脹機的氣體量要比調節停氣比時的氣體量來得大，而這兩氣體量的差別，是隨著調節程度的增加而增大。
活塞式膨脹機廣泛套用於空分裝置及液化裝置，尤其是在高壓、小體積流量條件下。1934年前蘇聯的卡皮查提出用活塞式膨脹機替代液氫進行預冷實現氦氣液化，真正實現則是到了20世紀50年代，美國的Collins做出了帶活塞式膨脹機預冷的氦液化器，但該產品在低溫下活塞和氣缸容易卡住，難以穩定工作。針對這個問題，1962年，中國科學院物理研究所低溫物理研究室（中國科學院理化技術研究所前身）周遠提出採用室溫密封長活塞結構替代原卡皮查結構的方案，並於1964年研製成功，實現了帶活塞式膨脹機預冷氦液化器的穩定運行，1965年獲得生產推廣。
