CN101220869A - 带有高低压气室的平面旋转阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有高低压气室的平面旋转阀。它包括低压通道、连接回热器通道、高压开口、低压槽、气室、电机、弹簧、阀芯、底盘、阀体、回热器热端接口、高压进口、低压出口，阀体底部设有电机，电机转动轴上设有弹簧、阀芯，阀芯上设有底盘，底盘固定在阀体上，底盘下方的阀体侧壁上设有高压进口，底盘上设有低压通道、连接回热器通道，低压通道与阀体侧壁上设有低压出口相接，阀体顶部设有回热器热端接口，阀芯上端面设有高压开口、低压槽、气室，低压槽设置在阀芯上端面中心，高压开口设置在阀芯上端面两侧与低压槽垂直处。本发明可以明显减小阀芯的磨损，延长阀芯的使用寿命，同时减小了旋转阀电机带动阀芯旋转所需要的扭矩。

Description

带有高低压气室的平面旋转阀

技术领域

本发明涉及旋转阀，尤其涉及一种带有高低压气室的平面旋转阀。

背景技术

脉管制冷机技术在现代低温制冷技术领域中占有举足轻重的地位。因其低温端无运动部件，所以要比传统的G-M制冷机和斯特林制冷机更加可靠，无维护运行时间大大延长，因此在航天、军事等方面有着非常广泛的应用前景。

按照配气形式，脉管制冷机分为两类，一类是G-M型脉管制冷机，另一类是斯特林型脉管制冷机。前者在机械压缩机和脉管制冷机之间采用切换阀门连接，即我们通常所说的平面旋转阀，通过控制高低压端阀门的打开和关闭控制脉管制冷机内气体的压缩和膨胀过程，从而在制冷机的冷端换热器产生制冷效应，工作频率一般在10Hz以下。斯特林型脉管制冷机，与压缩机直接相连，由压缩机产生的压力波直接驱动，一般工作在15Hz以上。目前，G-M型脉管制冷机只由机械压缩机驱动一种型式，斯特林制冷机主要有线性压缩机驱动和热声发动机驱动两种驱动型式。

G-M型脉管制冷机的基本原理是利用高低压气体对脉管空腔的充放气过程而获得制冷效果的。其制冷过程如下：

1)高压气体通过被控制的切换阀流经回热器、冷端换热器以层状流动形式进入脉管，渐次推挤管内气体向封闭端移动，同时使之受到挤压，压力升高，温度上升，在脉管封闭端气体的温度达到最高值。

2)布置在封闭端的热端换热器将热量带走，使管内气体因放热其温度和压力稍有降低。

3)切换阀转动使系统内气体与气源低压侧直接联通，脉管内的气体又以层状流动渐次向气源推移扩张，气体膨胀降压而获得低温。

4)切换阀再次转换，使系统与气源高压侧连通，重复上述循环。

在这里，旋转阀是重要的配气部件，它完成了脉管制冷机内压缩和膨胀过程的切换。所说的压缩过程和膨胀过程的相对时间长度由旋转阀的时序控制。

G-M型脉管制冷机工作频率低，其高、低压之间的差值大，一般工作时压比能达到2以上。这种情况下，旋转阀的阀芯处于高低压之间，被紧紧压在旋转阀的底盘上，旋转阀旋转切换需要克服很大的摩擦力，因此带动阀芯旋转的电机就需要提供较大的扭矩。由于阀芯旋转要克服的摩擦力较大，阀芯的磨损会比较严重，由于磨损产生的粉末状污物进入脉管制冷机的回热器会使回热材料被污染或者堵在双向进气阀的阀门处而改变阀门的流量系数，这些都会直接影响脉管制冷机的性能。当制冷机长时间运行时，阀芯的磨损会直接影响制冷机的性能甚至使用寿命。

目前，脉管制冷机要求有更大的制冷量，通过研究表明，高充气压力，对制冷量的提高有明显的好处。然而，高的充气压力在得到更大制冷量的同时，由于高低压压差增大，旋转阀阀芯磨损的问题就越加显得突出，急需解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有高低压气室的平面旋转阀。

带有高低压气室的平面旋转阀包括低压通道、连接回热器通道、高压开口、低压槽、气室、电机、弹簧、阀芯、底盘、阀体、回热器热端接口、高压进口、低压出口，阀体底部设有电机，电机转动轴上设有弹簧、阀芯，阀芯上设有底盘，底盘固定在阀体上，底盘下方的阀体侧壁上设有高压进口，底盘上设有低压通道、连接回热器通道，低压通道与阀体侧壁上设有低压出口相接，阀体顶部设有回热器热端接口，阀芯上端面设有高压开口、低压槽、气室，低压槽设置在阀芯上端面中心，高压开口设置在阀芯上端面两侧与低压槽垂直处。

本发明通过在阀芯与底盘接触面上引入高低压气室，将高、低压气体引到接触面上，成功减小了阀芯旋转时与底盘接触面上的摩擦力，减小了阀芯的磨损以及由于磨损带入系统的粉末状杂质，同时由于阀芯旋转所需要的扭矩减小，减小了电机的负荷。

附图说明

图1(a)是带有高低压气室的平面旋转阀结构示意图；

图1(b)是带有高低压气室的平面旋转阀底盘截面A-A示意图；

图1(c)是带有高低压气室的平面旋转阀阀芯结构示意图；

图1(d)是带有高低压气室的平面旋转阀阀芯截面B-B示意图；

图2(a)是带有高低压气室的平面旋转阀阀芯前半周期工作过程；

图2(b)是带有高低压气室的平面旋转阀阀芯上气室A、C内压力变化；

图2(c)是带有高低压气室的平面旋转阀阀芯上气室B、D内压力变化；

图3(a)是带有高低压气室的平面旋转阀产生的压力波形；

图3(b)是普通平面旋转阀产生的压力波形；

图3(c)是带有高低压气室的平面旋转阀与普通平面旋转阀对制冷机性能的影响；

图中：低压通道1、连接回热器通道2、高压开口3、低压槽4、气室5、电机6、弹簧7、阀芯8、底盘9、阀体10、回热器热端接口11、高压进口12、低压出口13。

具体实施方式

如图1所示，带有高低压气室的平面旋转阀包括低压通道1、连接回热器通道2、高压开口3、低压槽4、气室5、电机6、弹簧7、阀芯8、底盘9、阀体10、回热器热端接口11、高压进口12、低压出口13，阀体10底部设有电机6，电机6转动轴上设有弹簧7、阀芯8，阀芯8上设有底盘9，底盘9固定在阀体10上，底盘9下方的阀体10侧壁上设有高压进口12，底盘9上设有低压通道1、连接回热器通道2，低压通道1与阀体10侧壁上设有的低压出口13相接，阀体10顶部设有回热器热端接口11，阀芯8上端面设有高压开口3、低压槽4、气室5，低压槽4设置在阀芯8上端面中心，高压开口3设置在阀芯8上端面两侧与低压槽4垂直处。

底盘9为旋转阀的定子，固定在阀体10上，阀芯8为旋转阀的转子，阀芯通过电机来驱动，以一定的频率旋转。当阀芯位置如图1a中所示位置时，低压槽4将低压通道1与连接回热器通道2连通，此时脉管制冷机就与压缩机的低压侧连通。当阀芯位置相对图1a中的阀芯旋转了90°，形成如图1c位置的时候，连接回热器通道2经由高压开口3与阀体内的高压腔连通，此时脉管制冷机与压缩机的高压侧连通。所以通过阀芯的旋转，使脉管制冷机以一定的切换频率，分别同压缩机的高、低压连通，这就是平面旋转阀的配气过程。

阀芯的旋转，可以使高低压气室5分别经由连接回热器通道2间隔地与低压槽4和高压开口3连通，这样气室5内会间隔地充进高压和低压气体。旋转阀工作时，四个气室中对角布置的两个气室内的气体压力变化规律相同，高压和低压间隔切换，呈周期性变化。阀芯上高低压气室内的压力变化并不影响制冷机的正常配气，其半个旋转周期内阀芯与底盘的相对位置如图2(a)所示。气室A、C内气体压力变化情况相同，一个周期内压力变化情况如图2(b)所示；气室B、D内气体压力变化情况相同，一个周期内压力变化情况如图2(c)所示。

分析阀芯的受力情况。阀芯与底盘之间的正压力F_t为：

F_t＝∫(p_h-p(r，t))dA    (1)

式中积分为沿图1d中阀芯最外侧的轮廓线，即最外侧圆的面积的积分，p_h为压缩机高压的压力，p(r，t)阀芯与底盘接触圆内不同位置和不同时刻的压力。

阀芯与底盘接触面上由于阀芯旋转所产生的摩擦力dF_W是正压力F_t与动摩擦系数f的函数

$d{F}_W=-f\frac{F_t}{A_c}d{A}_c---\left(2\right)$

式中A_c为阀芯与底盘的接触面积。所以阀芯旋转所需要的扭矩τ_W为

dτ_W＝rdF_W    (3)

所以总扭矩表达式为

${\mathrm{\τ}}_W=\frac{F_t}{A_c}f\∫\mathrm{rd}{A}_c---\left(3\right)$

采用上述方法对使用普通阀芯和使用带有高低压气室的阀芯两种条件下进行理论计算，在充气压力2.1MPa工况下，制冷机工作时高压为2.42MPa，低压为1.06MPa，得出结果为：使用带有高低压气室的阀芯较使用普通阀芯摩擦力减小了4.4％，带动阀芯旋转电机所需要的扭矩减小了9.4％。

分别采用普通阀芯与带有高低压气室的阀芯两种情况下，所产生的波形如图3(a)、图3(b)所示。可以得出结论，高低压气室的引入并不会影响原配气系统所产生的压力波。同样从图3(c)中也可以看出，采用带有高低压气室的阀芯并没有影响制冷机的性能。最低制冷温度和制冷量为20W时制冷机冷头的温度均在多次实验数据所处于的合理范围内。

Claims (1)

1.一种带有高低压气室的平面旋转阀，其特征在于包括低压通道(1)、连接回热器通道(2)、高压开口(3)、低压槽(4)、气室(5)、电机(6)、弹簧(7)、阀芯(8)、底盘(9)、阀体(10)、回热器热端接口(11)、高压进口(12)、低压出口(13)，阀体(10)底部设有电机(6)，电机(6)转动轴上设有弹簧(7)、阀芯(8)，阀芯(8)上设有底盘(9)，底盘(9)固定在阀体(10)上，底盘(9)下方的阀体(10)侧壁上设有高压进口(12)，底盘(9)上设有低压通道(1)、连接回热器通道(2)，低压通道(1)与阀体(10)侧壁上设有的低压出口(13)相接，阀体(10)顶部设有回热器热端接口(11)，阀芯(8)上端面设有高压开口(3)、低压槽(4)、气室(5)，低压槽(4)设置在阀芯(8)上端面中心，高压开口(3)设置在阀芯(8)上端面两侧与低压槽(4)垂直处。

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