CN102305499B - 一种用于低温制冷机的新型配气装置 - Google Patents

Abstract

一种用于低温制冷机的新型配气装置，包括直线电机（1）、罩体（2）、主轴（3）、阀座（4）和阀芯（5），其特征是直线电机（1）安装在阀座（4）上；电机外面套有一罩体（2），通过螺栓（15）将罩体（2）安装在阀座（4）上；阀座（4）和罩体（2）之间采用“O”型圈（14）密封；阀座（4）内设有气腔（10），阀芯（5）安装在气腔（10）内；主轴（3）一端与阀芯（5）通过螺纹轴向连接，另外一端由直线电机（1）带动，做直线往复运动。本发明可根据制冷机运行中的变化情况实时调节流通气量的大小和阀门开闭的时序，阀芯与阀座之间磨损很小，而且可以做到无泄漏，因此可大大提高制冷机性能的稳定性和可靠性，延长制冷机的使用寿命。

Description

一种用于低温制冷机的新型配气装置

技术领域

本发明涉及一种低温设备用的配气阀门，尤其是一种可在用于低温制冷机中调节气流大小和气流相位的配气阀门。

背景技术

通常吉福特-麦克马洪（GM）制冷机和GM型脉管制冷机以及索尔文制冷机的共同特点都是采用配气阀门控制工质流体进出。传统的配气阀门一般采用平面旋转阀结构形式，包含一个定子和一个动子。通过定子和动子上的气孔形状的设计来完成气流流通的开闭和时序的控制。传统的平面旋转阀一旦设计完成，其配气的大小和时序就不能进行调整。这种配气结构中定子和动子之间接触面存在磨损，易产生污染颗粒，长期运行过程中，如果堆积在调相机制的孔道中，例如脉管制冷机中的双向进气小孔，气流大小和时序相位关系将偏离设计时的最佳值，这对制冷机尤其是脉管制冷机的性能影响很大。另外，当环境温度等运行工况发生变化时，制冷机性能也可能发生较大改变，这也需要对进入回热器、脉管等部件的气流的大小和相位重新进行调整。

发明内容

针对现有制冷机在制冷机性能出现恶化时，配气阀对气流大小和时序无法进行有效调整的问题，设计一种根据运行情况调整气流大小和相位的配气阀门。

本发明的技术方案是：

一种用于低温制冷机的新型配气装置，包括直线电机1、罩体2、主轴3、阀座4和阀芯5，直线电机1安装在阀座4上；直线电机1外面套有一罩体2，通过螺栓15将罩体2安装在阀座4上；阀座4和罩体2之间采用“O”型圈14密封；阀座4内设有气腔10，阀芯5安装在气腔10中；主轴3一端与阀芯5通过螺纹轴向连接，另外一端由直线电机1带动，做直线往复运动；阀芯5底部做成圆锥形5-2；阀座4上开有第一通道8和第二通道12；罩体2上开有与外界气源连通的气孔6，罩体2内部所围成的空间形成恒压腔15；通道8一端通过恒压腔15与气孔6连通，另外一端与气腔10垂直连通；气腔10底部与通道12轴向连通。

所述的阀芯5外壁5-3与阀座4上的气腔10壁面10-2之间形成10～20μm的间隙。

所述的气腔10底部设有120°锥角10-1，气腔10与第二通道12一端轴向连通与其他部件连通，实现气体的进出。

所述的通道12另外一端与回热器或脉管部件连通。

所述的气腔10内径大于第二通道12内径1～2mm。

所述的阀芯5为聚酰亚胺阀芯，底部做成圆锥形5-2，锥度大小为2～10°；阀芯5顶部中央处开有螺纹槽5-1。

所述的阀座4的材质为不锈钢。

所述配气装置适用于任何形式的需要周期性配气的低温制冷机。

本发明的有益效果：

本发明中气体流量的大小可以通过调节电机的行程来实现，气体相位大小可以通过调节阀门开闭相对时间长度来完成，因此在运行状态下可以根据运行状态的变化来调整制冷机性能。另外，阀芯与阀座之间没有直接接触，阀芯沿轴线线性运动，只是与通道有接触或脱离两种状态，因此两者的接触面之间无动摩擦的存在，大大减少了阀芯的磨损，这将有利于制冷机的可靠性和长寿命。

附图说明

图1是本发明的配气阀门与双级脉管式制冷机连接关系示意图。

图2是本发明配气阀阀座局部剖面结构示意图。

图3a是阀芯结顶部结构示意图。

图3b是阀芯的整体结构示意图。

图4a是阀门完全关闭时，配气阀门剖面结构示意图。

图4b是图4a中沿A—A方向剖视。

图5a是阀门完全打开时，配气阀门剖面结构示意图。

图5b是图5a中沿A—A方向剖视图。

图6是本发明中阀芯位移与时序、气量对应关系图。

图7是8阀门主动配气双级脉管制冷机时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1～5所示，图1所示为配气阀门与双级脉管式制冷机连接关系示意图。图1左侧为配气阀门示意图（图1中右侧制冷机可以为单级或多级制冷机）。具体实施时，根据实际要求，阀门的数量可以为4～8个，每个阀门相对独立，互不影响。具体实施时，该新型配气装置包括直线电机1、罩体2、主轴3、阀座4和阀芯5。直线电机1安装在阀座4上；直线电机1外面套有一罩体2，通过螺栓15将罩体2安装在阀座4上；阀座4和罩体2之间采用“O”形圈14密封；阀芯5安装在阀座4中气腔10内；主轴3一端与阀芯5通过螺纹同轴刚性连接，另外一端由直线电机1带动，做直线往复运动；阀座4上开有第一通道8和第二通道12；罩体2上气孔6与外界气源连通，罩体2内部所围成的空间形成恒压腔15；第一通道8一端通过恒压腔15与气孔6连通，另外一端与气腔10径向连通；气腔10底部有120°锥角10-1，并与第二通道12轴向连通。

图2所示为配阀座局部剖面结构示意图。具体实施时，垂直阀座4表面开有一气腔10，底端有120°锥角，并与第二通道12轴向连通；气腔10内径大于第二通道12内径1～2mm；沿气腔径向开有第一通道8，第一通道8另外一端与恒压腔15连通。

图3a、图3b所示为阀芯结构示意图。具体实施时，阀芯5的材料可选用聚酰亚胺，底部可做成锥度为2～10°的圆锥形5-2，顶部轴向开一螺纹槽5-1，可与直线电机1的主轴3连接。

图4a、图4b为阀门完全关闭时，配气阀门剖面结构示意图。具体实施时，当直线电机1驱动主轴3时，主轴带动阀芯5运动，当向下运动到阀芯5底部圆锥形5-2表面与第二通道12开口接触时，此时阀门完全关闭。

图5a、图5b为阀门完全打开时，配气阀门剖面结构示意图。具体实施时，电机1驱动主轴3向上运动，阀芯5底部圆形5-2表面与第二通道12开口脱离开，此时阀门打开。A—A向视图所示为气体孔道流通面积，阀芯5底部的锥形截面的直径为D₁，第二通道12的内径为D₂，流通面积为：

$A=(D_2^2-D_1^2)\mathrm{\π}/4$

当阀芯5停留在气腔10内的位置有所不同时，图5a中A—A视图中阀芯5底部锥形截面的直径D₁大小将发生变化，从而影响流通面积的大小，起到控制气体流量的作用，阀芯5在气腔10内停留的位置可通过电机1来控制。

具体实施时，可以通过电机1调节阀芯5的运动状态。第一次t₁是阀门渐开阶段，阀芯5从关闭状态向上运行，运行的距离S决定最大通气量；t₃阶段是最大通气量保持阶段，此阶段电机停止运行，停止时间为t₃；第二次t₁是阀门渐闭阶段，该阶段活塞的运行轨迹方与第一次t₁阶段运行相反，直到阀芯5与第二通道12开口完全接触；t₂阶段是阀门完全关闭阶段，直线电机1停止不动，停止时间为t₂，然后重复第一次t₁阶段，完成一次循环。整个循环过程中，时序的控制由间断运行的时间间隔t₁，t₂，t₃来控制，如图6所示。

阀门开启的时间为：

t_open＝2t₁+t₃

阀门关闭的时间为：

t_close＝t₂

设定GM制冷机在一个周期T_o内需要开闭阀门n次（n=1，2，3，……），与电机1运行周期T满足：

T_o＝n·T

各阶段对应相位角满足： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_i=\frac{t_i}{n\·T}\·2\mathrm{\π}\\ t_i=\frac{n\·T\·{\mathrm{\θ}}_i}{2\mathrm{\π}}\end{array}\right.,\begin{array}{c}i=\mathrm{1,2,3}\\ n=\mathrm{1,2,3},\end{array}...$

图7所示为8阀门主动配气双级脉管制冷机的时序图。配气装置可采用本发明中的8个独立配气装置。进入回热器、一级脉管、二级脉管气体相位大小可以通过阀门5与第二通道12开口接触和脱离时间相对长度来决定。气量大小由直线电机1设定的行程决定。

本发明适用于任何形式的需要周期性配气的低温制冷机。在应用过程中，可根据制冷机性能的变化情况，从外界对直线电机1输入控制信号，随时调整制冷机性能，维持制冷机性能的稳定性。

Claims (8)

1.一种用于低温制冷机的新型配气装置，包括直线电机（1）、罩体（2）、主轴（3）、阀座（4）和阀芯（5），其特征是直线电机（1）安装在阀座（4）上；直线电机（1）外面套有一罩体（2），通过螺栓（15）将罩体（2）安装在阀座（4）上；阀座（4）和罩体（2）之间采用“O”型圈（14）密封；阀座（4）内设有气腔（10），阀芯（5）安装在气腔（10）中；主轴（3）一端与阀芯（5）通过螺纹轴向连接，另外一端由直线电机（1）带动，做直线往复运动；阀芯（5）底部做成圆锥形（5-2）；阀座（4）上开有第一通道（8）和第二通道（12）；罩体（2）上开有与外界气源连通的气孔（6），罩体（2）内部所围成的空间形成恒压腔（15）；第一通道（8）一端通过恒压腔（15）与气孔（6）连通，另外一端与气腔（10）垂直连通；气腔（10）底部与第二通道（12）轴向连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述的阀芯（5）外壁（5-3）与阀座（4）上的气腔（10）壁面（10-2）之间形成10~20μm的间隙。

3.根据权利要求1所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述的气腔（10）底部设有120°锥角（10-1），气腔（10）与第二通道（12）一端轴向连通与其他部件连通，实现气体的进出。

4.根据权利要求3所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述的第二通道（12）另外一端与回热器或脉管部件连通。

5.根据权利要求1所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述的气腔（10）内径大于第二通道（12）内径1~2mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述的阀芯（5）为聚酰亚胺阀芯，底部做成圆锥形（5-2），锥度大小为2~10°；阀芯（5）顶部中央处开有螺纹槽（5-1）。

7.根据权利要求1所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述的阀座（4）的材质为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种用于低温制冷机的新型配气装置，其特征是所述配气装置适用于任何形式的需要周期性配气的低温制冷机。

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