CN101586889A - 用于气波制冷机的转轮分配器以及该气波制冷机 - Google Patents

Abstract

一种用于气波制冷机的转轮分配器，其包括主轴和叶轮，所述主轴内设有轴向延伸的内腔，所述内腔两端均封闭，所述主轴上还设有连通所述内腔和所述主轴外部的进气口，所述叶轮设置在所述主轴外部，其包括喷嘴、充气部以及放气部，所述充气部与放气部交替排列在叶轮周围，所述喷嘴是由所述充气部围成的孔，所述喷嘴与所述内腔连通。采用本发明实施例的转轮分配器以及应用该转轮分配器的气波制冷机，改善了转轮分配器的结构，从而改善了整个气波制冷机的结构，使其结构紧凑，并且具有良好的传动效果。对转轮分配器的结构参数也进行了优化，从而显著提高了气波制冷机的制冷效率。

Description

用于气波制冷机的转轮分配器以及该气波制冷机

技术领域

本发明涉及一种制冷机械，尤其涉及一种气波制冷机。

背景技术

现有的低温制冷技术，多采用多级压缩制冷剂的方式达到低温的目的。第一级压缩一种制冷剂，在吸收应用第一级压缩所得的冷量的基础上第二级压缩第二种制冷剂，通过制冷剂的汽化吸热达到降温的目的，通常第二级压缩所使用的制冷剂液化点温度要比第一级制冷剂液化点温度低。采用这种制冷方式有许多缺点：首先，由于采用多级压缩，制冷效率低；其次，由于须采用制冷剂，不利于环境保护；再次，由于存在制冷剂泄漏的风险，采用这种制冷技术存在安全隐患。

旋转式热分离机是一种根据激波和膨胀波原理，利用气体压力进行制冷的设备，因此亦称气波制冷机，具有结构简单、节能、环保、造价低、适应性强和操作维护方便等特点，自20世纪70年代问世以来，得到了人们的重视，并在石油化工领域有了实际应用。

但是现有的气波制冷机，尤其是其转轮分配器的设计存在一些技术难点：

现有的转轮分配器通常包括主轴和叶轮，叶轮设置在主轴中部，主轴内部设有一端开口，一端封闭的内腔。通常是在主轴的封闭端连接电机等传动机构，而开口端作为进气口，输入高压气体，因而在主轴另一端需另设高压腔。这就使整个气波制冷机的结构臃肿，不够紧凑。但是由于受力问题，主轴的开口端也不可能作为传动端。

另外，现有的转轮分配器的喷嘴形状等参数设计不够合理，导致气波制冷机制冷效率不高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种气波制冷机，使其转轮分配器的结构改善，从而使整个气波制冷机的结构改善，使其结构紧凑，并且具有良好的传动性能，并且使其转轮分配器的结构参数优化，从而提高气波制冷机的制冷效率。

本发明实施例所要解决的另一个技术问题在于，提供一种转轮分配器，使其结构改善，并且具有良好的传动性能，并且使其结构参数优化，从而提高气波制冷机的制冷效率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种气波制冷机，其包括机体、轴承、转轮分配器、密封结构以及接受管，所述机体上设有进气孔以及出气孔，所述密封结构设置在所述机体上的进气孔与出气孔之间，所述转轮分配器包括主轴和叶轮，所述主轴内设有轴向延伸的内腔，所述内腔两端均封闭，所述主轴上还设有连通所述内腔和所述主轴外部的进气口，所述叶轮设置在所述主轴外部，其包括喷嘴、充气部以及放气部，所述充气部与放气部交替排列在叶轮周围，所述喷嘴是由所述充气部围成的孔，所述喷嘴与所述内腔连通。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种用于气波制冷机的转轮分配器，其包括主轴和叶轮，所述主轴内设有轴向延伸的内腔，所述内腔两端均封闭，所述主轴上还设有连通所述内腔和所述主轴外部的进气口，所述叶轮设置在所述主轴外部，其包括喷嘴、充气部以及放气部，所述充气部与放气部交替排列在叶轮周围，所述喷嘴是由所述充气部围成的孔，所述喷嘴与所述内腔连通。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：采用本发明实施例的转轮分配器以及应用该转轮分配器的气波制冷机，改善了转轮分配器的结构，从而改善了整个气波制冷机的结构，使其结构紧凑，并且具有良好的传动效果。对转轮分配器的结构参数也进行了优化，从而显著提高了气波制冷机的制冷效率。

附图说明

图1是本发明气波制冷机的截面结构示意图；

图2是本发明气波制冷机的转轮分配器的立体结构示意图；

图3是本发明气波制冷机的转轮分配器的主视图；

图4是图3中的转轮分配器沿A-A线的截面结构示意图；

图5是图3中的转轮分配器X向的结构示意图；

图6是图3中的转轮分配器沿C-C线的截面结构示意图；

图7是本发明气波制冷机的密封结构的截面结构示意图；

图8是本发明气波制冷机的密封结构中动环的侧视图；

图9是气波制冷机的接受管以及部分第一机壳的截面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

请参照图1所示，本发明实施例的气波制冷机包括机体1，转轮分配器2，密封结构3，接受管4，轴承50、52以及密封圈60、62、64。

机体1包括第一端盖12、第一机壳14、第二机壳16以及第二端盖18。第一机壳14、第二机壳16均大致为两端开口的中空圆柱体，其中第一机壳14上设有贯通的出气孔142以及均匀分布在第一机壳14周围的多个贯通的接受管接口144，在本实施例中接受管接口144为阶梯状的通孔。第二机壳16上设有贯通的进气孔162。第一端盖12覆盖在第一机壳14的一端，第二机壳16固定连接在第一机壳14的另一端，第二端盖18覆盖在第二机壳16不与第一机壳14连接的一端。在第一端盖12与第一机壳14之间、第一机壳14与第二机壳16之间以及第二机壳16与第二端盖18之间分别采用螺丝钉192、194、196进行固定连接，并且在第一端盖12与第一机壳14之间、第一机壳14与第二机壳16之间以及第二机壳16与第二端盖18之间的连接处分别设置密封圈60、62、64进行密封。

请一并参照图2到图6所示，转轮分配器2设置在机体1内，其包括主轴22、叶轮24以及堵头26。

主轴22为圆柱形轴体，如图3中所示其外部自左到右依次设置第一挡圈槽220，第二挡圈槽222以及键槽224，键槽224设置在主轴22的一端。在主轴22未设键槽224的一端开设沿主轴22轴向延伸的内腔226，内腔226并不贯通到主轴22的另一端，而是延伸到主轴22的中部即截止，在主轴22中部垂直轴向开设有贯通的进气口228，并且进气口228与内腔226连通。

堵头26设置在主轴22内的内腔226的开口端内，通过螺纹结构与该开口端固定，将内腔226的开口端封闭。

叶轮24设置在主轴22上第一挡圈槽220和进气口228之间，大致呈盘状，包括多个喷嘴240、充气部242以及放气部244，其中充气部242与放气部244交替排列在叶轮24周围，充气部242的半径与机体1第一机壳14的内部半径相同，而放气部244的半径小于机体1第一机壳14的内部半径，亦即放气部244的半径小于充气部242的半径。充气部242在叶轮24的外周上延伸的角度为α，而放气部244在叶轮24的外周上延伸的角度为β。喷嘴240是由充气部242围成的孔，其截面大致呈梯形，该梯形的两腰的夹角为γ，喷嘴240与主轴22的内腔226相通。在本实施例中，叶轮24上设有三组喷嘴240、充气部242以及放气部244，α、β以及γ的角度如图所示。

转轮分配器2设置在机体1内，其设置堵头26的一端通过轴承50固定在机体1的第一端盖12上，而另一端穿过第二端盖18并且通过轴承52固定在第二端盖18上，叶轮24的喷嘴240的轴线与第一机壳14的接受管接口144的轴线位于同一平面上。转轮分配器2穿过第二端盖18的一端与外部电机相连。

请参照图1、图7和图8所示，本实施例包括两组密封结构3，设置在转轮分配器2的主轴22与第二机壳16之间，位于主轴22上的进气口228两侧。这两组密封结构3结构相同，对称设置，因而仅对其中一组进行详细描述。

密封结构3包括轴套30，动环31，静环32，推环33，弹簧34，固定体35，集装块36，卡环37，定位环38，销钉390，销392、393以及O型环394、396、397、398、399。

轴套30套设在转轮分配器2的主轴22上，其截面呈T形，包括套筒部302以及自套筒部302一端垂直其轴线向外侧延伸的壁部304，壁部304在其外端轴向延伸一定长度，从而与套筒部302形成一个用以容纳动环31的容置空间(图未标)。轴套30通过销钉390以及卡环37固定在转轮分配器2的主轴22上，因此可随主轴22转动，并且通过O型环394在轴套30与主轴22之间形成密封。

动环31呈环状，套设在轴套30的套筒部302外侧，并与壁部304相邻，其通过销392与轴套30的壁部304卡固，因此可随同轴套30与转轮分配器2的主轴22一同转动，因而称之为“动环”。通过O型环396和398在动环31与轴套30之间形成密封。动环31的一侧与静环32接触，该接触面的表面精度较高，并且在该接触面上设有均匀分布螺旋状的螺旋槽312(见图6)。

固定体35大致呈环状，其外部通过螺丝钉197固定在机体1的第二机壳16上，其内部套设在轴套30的套筒部302外侧，并且沿套筒部302外侧延伸有内延伸壁352，在固定体35中部沿轴向延伸有外延伸壁354，在内延伸壁352和外延伸壁354之间形成容置空间，用以容纳静环32和推环33，并且在位于该容置空间内侧的壁面开设与转轮分配器2的主轴22的轴线平行的孔，弹簧34容置在其中，并且一端抵顶该孔的底壁。通过O型环399在固定体35与第二机壳16之间形成密封。

推环33套设在固定体35的内延伸壁352外侧，位于内延伸壁352和外延伸壁354之间形成的容置空间内，其一侧抵顶弹簧34的一端，另一侧靠接静环32。通过O型环397在推环33与固定体35之间形成密封。

静环32呈环状，在本实施例中，静环32的内圈和外圈均设置成台阶状，其内圈的下部台阶套设在轴套30的套筒部302外侧，并且与套筒部302之间具有一定间隙，而上部台阶套设在固定体35的内延伸壁352外侧。静环32夹设在动环31与推环33之间，其与动环31靠接，并且靠接的侧面具有较高的精度，其与推环33部分靠接，并且与推环33形成狭槽323。由于静环32与套筒部302之间具有一定间隙，其不会与套筒部302以及转轮分配器2的主轴22一同转动，因此称之为“静环”，但是它可以与推环33一起抵抗弹簧34预设的推力在定位环38和固定体35的内延伸壁352之间做微小位移。

销393穿过静环32卡固于固定体35，以使静环32不会相对固定体35产生相对转动。

定位环38卡固在固定体35的外延伸壁354内，其内圈半径小于静环32的外圈台阶半径，因而可对静环32进行定位。

集装块36是四片金属片，分别通过螺丝钉362固定在固定体35不设容置空间的一侧，并且卡扣于轴套30，其作用是使密封结构3组装为一体，以便于将其组装到气波制冷机内，并且在密封结构3装入气波制冷机之后，可限制转轮分配器2的转动，以便于气波制冷机的运输以及组装。在气波制冷机安装到所需要的场所，准备使用之前，须将集装块36以及螺丝钉362拆除，以使气波制冷机能够正常工作。

上述两组密封结构3与第二机壳16和转轮分配器2的主轴22共同围成高压腔7，而如图1中左侧的一组密封结构3与第一机壳14、第一端盖12和转轮分配器2共同围成低温室8。其中高压腔7与转轮分配器2的进气口228连通。在气波制冷机运转之前，密封结构3的动环31和静环32互相接触；而当气波制冷机开始运转时，高压气体通过第二机壳16的进气孔162进入高压腔7，而转轮分配器2在外部电机的带动下高速转动时，密封结构3的动环31与轴套30与转轮分配器2的主轴22一同转动，而高压气体进入静环32与推环33之间的狭槽323，从而推动推环33抵抗弹簧34的推力产生微小位移，同时静环32也在高压气体的推动下随同推环33产生微小位移，高压气体进入动环31的螺旋槽312并且在动环31和静环32之间形成气膜，从而达到密封气体的作用。

两组密封结构3的结构以及密封原理均相同，图1中左侧的一组密封结构3在低温室8和高压腔7之间形成气体密封，而右侧的一组密封结构3在高压腔7和密封结构3右侧的腔体之间形成气体密封，以防止高压气体外泄。

请参照图9所示，接受管4是一端开口一端封闭的管状体，其开口端插接在机体1第一机壳14的接受管接口144内，通过螺丝钉41和法兰42固定在第一机壳14上。

接受管4包括低温部43、高温部44以及放大腔45，低温部43即接受管4与第一机壳14相接的一段，其外部包覆有保温层432以减少冷量损失。低温部43与高温部44之间设有隔热接头46，其由隔热材料制成，为中空管状，其内径大于等于低温部43的内径(在本实施例中为大于)而小于等于高温部44的内径(在本实施例中为小于)。高温部44一端与隔热接头46相接，另一端与放大腔45相接，高温部44内靠近与放大腔45相接的一端设有阻尼板442，该阻尼板442上设有一个或多个孔。在高温部44和放大腔45的外部设有壳体47，壳体47包围高温部44和放大腔45，并且在其周围形成冷却腔472，在冷却腔472内可采用循环水进行冷却。

在本实施例中，该气波制冷机具有两个接受管4，其装设在第一机壳14两侧对称的位置。

在装配该气波制冷机时，需先将两组密封结构3装配在第二机壳16上，然后将转轮分配器2的主轴22顺次插入上述两组密封结构3，再将第二端盖18盖在图1中第二机壳16的右端，并且将装配好接受管4的第一机壳14装配在第二机壳16的左端，最后将第一端盖12盖在图1中第一机壳14的左端。装配好后，转轮分配器2的喷嘴240的轴线与接受管4的低温部43的轴线共面。

当然，在需要使用时还需将气波制冷机连接相应的外部设备，例如，将转轮分配器2的主轴22末端连接到外部电机，将第二机壳16的进气孔162连接空气压缩机的输出端，将第一机壳14的出气孔142连接冷气导出管等。

请参照图1所示，在本发明实施例气波制冷机运行时，首先采用空气压缩机将高压气体，通常是高压空气，通过第二机壳16的进气孔162输入高压腔7。同时或者稍后启动外部电机带动转轮分配器2高速转动，密封结构3如上所述形成气体密封。高压气体从高压腔7经转轮分配器2主轴22上的进气口228进入其内腔226，并且进入其叶轮24内的喷嘴240。高压气体在喷嘴240中加速，加速后的高压气体气流流速可达到超声速，成为超声速气流。

当叶轮24旋转到喷嘴240对准第一机壳16的接受管接口144时，超声速气流经过接受管接口144进入接受管4，此为充气阶段。进入接受管4的超声速气流在接受管4中产生激波。

然后叶轮24旋转，使得喷嘴240从第一机壳16的接受管接口144移开，而充气部242移到接受管接口144，从而将其封闭，此为封闭阶段。在封闭阶段，在接受管4内产生膨胀波，膨胀波会产生制冷效果，从而使喷入接受管4的气流温度降低成为冷气。上述激波会传到接受管4的高温部44内，并且被阻尼板442和放大腔45减弱或者消除，以减弱或者消除反射回低温部43内的反射激波，提高制冷效率。但是因为在高温部内入射超声速气流通过激波对其内气体进行压缩，进行能量交换，高温部内的气体升温。隔热接头46则可减少高温部44和低温部43之间的热传导，并且大部分热量由冷却腔472内的循环水冷却，因而最大限度的减少低温部43内的冷量损失。

当叶轮24进一步旋转，使得其放气部244旋转到正对接受管接口144，接受管4内的冷气会流入低温室8内，并且从第一机壳14的出气孔142排出，并且通过外接的冷气导出管导入需要制冷的空间。此为放气阶段。

上述充气阶段、封闭阶段以及放气阶段为气波制冷机的一个工作循环，在本实施例中转轮分配器2的叶轮24具有三组喷嘴240、充气部242以及放气部244，因而转轮分配器2旋转一周，气波制冷机经历三个工作循环。转轮分配器2不断旋转，高压气体不断充入高压腔7，则气波制冷机不断生成冷气，并且冷气不断从第一机壳14的出气孔142排出，从而达到快速制冷的目的。

在本发明的其它实施例中，转轮分配器2的叶轮24上可具有1到6组喷嘴240、充气部242以及放气部244，并且其为轴对称结构。叶轮24也可以和主轴22分为两个部件，通过键传递扭矩。充气部242在叶轮24的外周上延伸的角度α与放气部244在叶轮24的外周上延伸的角度β的比值在2∶11到2∶1的范围内。喷嘴240截面的两腰夹角γ在2度到20度的范围内。喷嘴240外端在叶轮24的外周上延伸的弧长(在图6中标示为弧IJ)与放气部244在叶轮24的外周上延伸的弧长(在图6中标示为弧KP)的比值在1∶15到1∶3的范围内，而喷嘴240外端在叶轮24的外周上延伸的弧长即弧IJ与充气部242在叶轮24的外周上延伸的弧长(在图6中标示为弧HK)的比值在1∶11到1∶2的范围内。也可以不设堵头26，而采取其它能够将转轮分配器2的内腔226开口端封闭的结构。

机体1的第一机壳14和第二机壳16可以做成一体。密封结构3也可以采取其它的形式，例如传统的迷宫式密封。接受管4的结构也可以采取其它的形式，例如可省略冷却腔42、阻尼板442、保温层432以及隔热接头46，即将低温部43与高温部44直接连接在一起。

采用本发明实施例的气波制冷机，改善了转轮分配器2的结构，从而改善了整个气波制冷机的结构，使其结构紧凑，并且具有良好的传动效果。对转轮分配器2的结构参数也进行了优化，从而显著提高了气波制冷机的制冷效率。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1、一种气波制冷机，其包括机体、轴承、转轮分配器、密封结构以及接受管，所述机体上设有进气孔以及出气孔，所述密封结构设置在所述机体上的进气孔与出气孔之间，所述转轮分配器包括主轴和叶轮，其特征在于：所述主轴内设有轴向延伸的内腔，所述内腔两端均封闭，所述主轴上还设有连通所述内腔和所述主轴外部的进气口，所述叶轮设置在所述主轴外部，其包括喷嘴、充气部以及放气部，所述充气部与放气部交替排列在叶轮周围，所述喷嘴是由所述充气部围成的孔，所述喷嘴与所述内腔连通。

2、如权利要求1所述的气波制冷机，其特征在于：所述转轮分配器的叶轮上具有1到6组喷嘴、充气部以及放气部，并且它们为轴对称结构。

3、如权利要求1所述的气波制冷机，其特征在于：所述喷嘴的截面呈梯形，所述梯形的两腰的夹角在2度到20度的范围内。

4、如权利要求1所述的气波制冷机，其特征在于：所述充气部在所述叶轮的外周上延伸的角度与所述放气部在所述叶轮的外周上延伸的角度的比值在2∶11到2∶1的范围内。

5、如权利要求1所述的气波制冷机，其特征在于：所述喷嘴外端在所述叶轮的外周上延伸的弧长与所述放气部在所述叶轮的外周上延伸的弧长的比值在1∶15到1∶3的范围内，而所述喷嘴外端在所述叶轮的外周上延伸的弧长与所述充气部在所述叶轮的外周上延伸的弧长的比值在1∶11到1∶2的范围内。

6、一种用于气波制冷机的转轮分配器，其包括主轴和叶轮，其特征在于：所述主轴内设有轴向延伸的内腔，所述内腔两端均封闭，所述主轴上还设有连通所述内腔和所述主轴外部的进气口，所述叶轮设置在所述主轴外部，其包括喷嘴、充气部以及放气部，所述充气部与放气部交替排列在叶轮周围，所述喷嘴是由所述充气部围成的孔，所述喷嘴与所述内腔连通。

7、如权利要求6所述的用于气波制冷机的转轮分配器，其特征在于：所述转轮分配器的叶轮上具有1到6组喷嘴、充气部以及放气部，并且它们为轴对称结构。

8、如权利要求6所述的用于气波制冷机的转轮分配器，其特征在于：所述喷嘴的截面呈梯形，所述梯形的两腰的夹角在2度到20度的范围内。

9、如权利要求6所述的用于气波制冷机的转轮分配器，其特征在于：所述充气部在所述叶轮的外周上延伸的角度与所述放气部在所述叶轮的外周上延伸的角度的比值在2∶11到2∶1的范围内。

10、如权利要求6所述的用于气波制冷机的转轮分配器，其特征在于：所述喷嘴外端在所述叶轮的外周上延伸的弧长与所述放气部在所述叶轮的外周上延伸的弧长的比值在1∶15到1∶3的范围内，而所述喷嘴外端在所述叶轮的外周上延伸的弧长与所述充气部在所述叶轮的外周上延伸的弧长的比值在1∶11到1∶2的范围内。

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