CN103925394B - 一种脉管制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制冷机，特别是一种脉管制冷机用旋转阀。其包括电机(31)，弹簧(32)，阀壳(33)，第一固定子(34)，转动子(35)，第二固定子(36)；其特征在于，转动子(35)的两端都有密封面，第一固定子(34)可轴向自由移动，这样第一固定子(34)，转动子(35)，第二固定子(36)能够紧压在一起形成两个密封面。

Description

一种脉管制冷机
技术领域
本发明涉及脉管制冷机，特别是一种脉管制冷机用旋转阀。
背景技术
脉管制冷机是一种气体制冷机，主要应用于77K以下的低温领域，工质大多为氦气。其原理是气体在脉管里膨胀做功制冷。脉管是一个空管。由于脉管制冷机没有低温下的运动部件，振动很低，可靠性很高，因而受到广泛的重视。在流行的GM型脉管制冷机中，有一个压缩机供应高压气体，高压气体通过旋转阀进入冷头膨胀到低压制冷，然后通过旋转阀回到压缩机被压缩至高压。冷头没有运动部件，因而可靠性很高。而旋转阀是运动部件，必须无油润滑，因而寿命有限。如何提高旋转阀的寿命是脉管制冷机的一个重要课题。脉管制冷机有很多种类，多气库型的效率高，但要求的旋转阀很复杂，寿命更难保证。专利JP2002228289为了解决多气库脉管制冷机的问题，提出了一种阀芯由两对转动子和固定子的旋转阀，该阀有两个密封面，可在两个密封面安排切换阀。该阀虽然能够安排多个切换阀，但结构复杂，有两个固定子，两个转动子。固定子或转动子的一个是自润滑材料，如聚四氟乙烯系的材料。因为脉管制冷机的阀不可有油润滑。对于在无油润滑阀，部件多不仅增加不可靠性，而且增加造价。因而，多气库型的脉管制冷机效率高，但无法大量投入应用。
发明内容
本发明的解决方案是：用一个两端都有密封面的转动子，两个固定子组成阀芯，其中一个固定子可在轴向自由移动，但不可周向运动，这样，三个部件可紧靠在一起，形成两个密封面，同样可安排多个切换阀。转动子在两个固定子之间转动，通过各自上的气道和糟实现切换阀的目的，同时部件减少，造价降低。由于旋转阀的寿命与面压有关，面压越大，寿命越短，为了提高寿命，在可轴向自由移动的固定子的在其与密封面所在端的另一端上设计一个高压面和一个低压面。高压面所在的地方气压高，低压面所在的地方气压低，通过设计高压面，低压面的面积来调节密封面的面压。由于两个密封面的压力不同，可将两个密封面的面积设计成不一样的。这样两个密封面的面压可基本相等。达到同样的寿命。
本发明的有益效果是：该发明充分利用了转动子有两个端面的自然特点设计了两个密封面，从而使用少量部件，提高了可靠性，降低了造价。同时可轴向移动的固定子在其与密封面所在端的另一端有一部分面积暴露于高压腔，一部分暴露于低压腔，从而使轴向力可控，从而达到长寿命。因转动子和固定子可轴向移动，当两者之间的密封面有磨损时，不会产生间隙，两者仍能保持良好接触，密封性能稳定。
附图说明
图1是旋转阀实施例1用于一个双级脉管制冷机的系统图。
图2是旋转阀实施例1的结构图。
图3是旋转阀实施例1的密封面上的构成阀的气道和槽的位置关系图。
图4是旋转阀实施例2的密封面上的构成阀的气道和槽的位置关系图。
图5是旋转阀的实施例3的结构图。
图6是旋转阀的实施例3应用于单级脉管制冷机的系统图。
图7是旋转阀的实施例4的结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、冷头，3、旋转阀，4、压缩机，10、第一级冷头，20、第二级冷头，11、管道，12、气体均流器，13、回热器，14、冷量换热器，15、脉管，16、脉管热端换热器，17、管道，211、管道，212、气体均流器，213、第一回热器，221、冷量换热器，222、第二回热器，223、冷量换热器，224、脉管，225、脉管热端换热器，226、管道，227、节流阀，228、气库，23、旁通，231、节流阀，232、节流阀，24、热桥，31、电机，32、弹簧，33、阀壳，34、第一固定子，35、转动子，36、第二固定子，311、气道11，312、轴，313、销钉，314、低压腔，331、气道31，332、高压腔，333、销钉，341、低压面，342、高压面，343、气道43，344、气道44，343a、气道43a，344a、气道44a，345、气道45，346、密封面，347、气道47，351、密封面，352、密封面，353、高压气道，354、低压气道，355、气库气道，361、气道61，362、气道62，363、气道63，364、气道64，365、密封面，361a、气道61a，362a、气道62a，363a、气道63a，364a、气道64a，366、高压面，367、低压面，371、密封圈，372、密封圈，373、密封圈，374、密封圈，375、密封圈，376、密封圈，377、密封圈，41、低压气库，42、中压气库，43、高压气库，411、低压气库腔，431、高压气库腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，1为冷头，3为旋转阀，4为压缩机。压缩机的低压侧接旋转阀的气道11311，高压侧接旋转阀的气道31 331。气库41，42，43分别接气道63 363，气道64 364，气道61361，第一级的脉管的热端管道17接气道62 362，第一级的回热器热端的气管11接气道44344，第二级的回热器热端的气管211接气道43 343。冷头包括两级，其中10为第一级冷头，20为第二级冷头。
旋转阀的功能是随着电机的转动，通过固定子和转动子上的槽和气道相对位置的变化将压缩机的高压和低压气体及气库的气体顺次接入脉管而使脉管制冷。
第一级包括管道11，气体均流器12，回热器13，冷量换热器14，脉管15，脉管热端换热器16，和管道17，从压缩机4来的高压气体经旋转阀3，经气体均流器12，回热器13，冷量换热器14，流入脉管的冷端在经旋转阀3与从气库41，42，43来的气体的作用下在脉管里膨胀制冷，压力降低，然后沿原路返回，经旋转阀流回压缩机的低压端。在一个周期内，气库里的气体也原路返回，经旋转阀流回气库。这里气库的作用是让从压缩来的气体的膨胀制冷过程损失尽可能的少，从而得到更高的制冷效率。更具体的原理可参见专利CN93105608。
第二级包括管道211，气体均流器212，第一回热器213，冷量换热器221，第二回热器222，冷量换热器223，脉管224，脉管热端换热器225，管道226，节流阀227，气库228，旁通23及其上的节流阀231，232。节流阀231，232用于调节旁通的气体流量和气体的直流分量。从压缩机44来的高压气体经旋转阀3，气体均流器212，第一回热器213，冷量换热器221，第二回热器222，冷量换热器223，流入脉管224的冷端在气库228来的气体的作用下在脉管里膨胀制冷，压力降低，然后原路返回经旋转阀流回压缩机的低压端。在一个周期内，气库里的气体也原路返回，经节流阀227流回气库。节流阀227用于调节气库228流量大小。这里气库的作用是让从压缩来的气体的膨胀制冷过程损失尽可能的少，从而得到更高的制冷效率。更具体的原理可参见专利CN89214250。
一个气库与多个气库相比，多个气库的效果更好，但结构更复杂。
热桥24将第一级的冷量换热器14与第二级的冷量换热器221相连而预冷里面的气体使回热器222的热损失减小。热桥一般由导热很好的金属铜铝等制成。一般冷量换热器14的温度大约80-60K，而冷量换热器223的温度大约20-4K。没有热桥24，4K几乎不可能得到。由于脉管的热端是室温，冷端在20-4K，中间用热桥冷却，会降低热损失。一般脉管由不绣钢管制成，第一级回热器由不绣钢管填不锈钢网或铜网制成，第一级回热器由不绣钢管填不锈钢网或铜网，或铅球，或HoCu2球制成。
这里脉管的热端是指靠近脉管热端换热器16，和225的一端，冷端是指靠近冷量换热器14，223的一端，回热器的热端是指靠近气体均流器12，212的一端，回热器的冷端是指靠近冷量换热器14，223的一端。
参见图2，图3。旋转阀由电机31，弹簧32，阀壳33，第一固定子34，转动子35，第二固定子36组成。第一固定子34可轴向自由移动，销钉313防止第一固定子34周向转动，但让第一固定子34轴向自由移动。弹簧32提供一部分压力使第一固定子34，转动子35，第二固定子36紧贴在一起，在密封面351与346和352与365间形成密封。
电机包括轴312，气道31 311，低压腔314的气体与气道11 311相通。销钉313固定在电机上。电机轴312转动带动转动子35转动。
在转动子35上有高压气道353，低压气道354，气库气道355。两端有密封面351和密封面352。
第一固定子34靠近电机一侧。在第一固定子34上有气道43a 343a，气道44a 344a，气道45 345，气道45 345与低压腔314相通，电机轴312穿过其中。气道43a 343a，气道44a344a，分别与气道43 343，气道44 344相通。与密封面351相贴的是其密封面346。与密封面346所在的一端相对的另一端的高压面342暴露在与气道31 331相通的高压腔332中，低压面341暴露在低压腔314中，而密封面346的气体压力介于高压与低压之间。高压面342和低压面341受的压力向上，密封面346受压力向下。各面所受的压力为其面积乘其所处的压力。轴向力是这3个面的受力之和。这样可通过设计低压面341和高压面342的面积来设计由气体产生的轴向压力，结合弹簧32的压力，使转动子35的密封面351保持适度的面压。转动子35的密封面351上的压力压加到转动子35的密封面352上，使密封面352保持适当的面压。为了保持相近的面压，密封面351的面积和密封面352的面积可不一样。因为脉管制冷机的阀必须用无油的，一般转动子35的材料是聚四氟乙烯系列的塑料，固定子由硬的金属制成，面压对寿命有很大的影响。当然，固定子如用塑料，转动子要用金属或其他硬质材料。这里，密封面要有比较高的光洁度以利于密封通过密封面的气体。密封面的面压要求是尽可能增加面压，以降低气体通过密封面的泄漏，另一方面，要减小面压以增加寿命。设计要综合考虑。
第二固定子36在转动子35的上面，与第一固定子34一起将转动子35夹在中间。在第二固定子36上有气道61a 361a，气道62a 362a，气道63a 363a，气道64a 364a，气道64a364a在图3上显示。气道61a 361a，气道62a 362a，气道63a 363a，气道64a 364a与气道61361，气道62 362，气道63 363，气道64 364分别相通。与密封面352相贴的是其密封面365。
密封圈371，372，373，374，375，376，377起密封作用。
在阀壳33上有气道43 343，气道31 331，气道61 361，气道62 362，气道63 363，气道64 364，气道44 344.销钉333将第二固定子36周向固定在阀壳33上。在该设计中，第二固定子36的在密封圈377与376之间的与阀壳间的间隙里的压力是接近与压缩机低压气体的压力，密封面365上的压力介于高压与低压之间。因此，第二固定子36自动被压得紧贴机壳。当然，也可将第二固定子36用螺栓固定。
图3用第二固定子36的密封面365，第一固定子34的密封面346，转动子35的密封面352，351详尽地描述了切换阀开闭的关系。气道62a 362a居于中间，气道63a 363a，气道64a364a，气道61a 361a，气道64a 364a依次布置在气道62a 362a的周围。槽355始终和气道62a362a相通，槽355盖在气道63a 363a上时，362a便与363a相通，相当于切换阀将气库41与脉管的热端接通，离开时，362a便与363a不相通，相当于切换阀将气库41与脉管的热端断开。槽355盖在气道63a 363a上的时间是切换阀的开启时间，离开的时间为切换阀关闭时间。转动子35转一周，分别将气道62a 362a与气道63a 363a，气道64a 364a，气道61a 361a，气道64a 364a相接。同时，槽354与高压气道353分别与气道44a 344a与气道43a 343a相通。这里，高压气道353与压缩机的高压气体相通，槽354与压缩机的低压气体相通。这样，转动子转一周，脉管的热端分别与各气库相接，回热器的热端分别与压缩机的高压气体和低压气体相接，完成一个工作周期。高压气道353也可是长型的孔。切换阀的关闭与开启时间是由气道与槽在密封面上在周向的开口长度决定的。
在这个实施例中，第一固定子34上布置了切换压缩机来的气体的切换阀，第二固定子36上布置了切换气库来的气体的切换阀。气道62a362a布置于中间，其他气道布置在其周围。这样，可很容易地布置多个气库。
对于超过二级的多级脉管制冷机，在冷头1中可添加其他的级，该阀同样适用。
阀壳33可分割成几部分，以便于安装和制造。
实施例2是第一固定子34和第二固定子36将可动子35紧压在一起，寿命仍然有限。为了达到更长的寿命，转动子35可用轴承支撑，使其与第一固定子34与第二固定子36的接触面保持微小的间隙而获得泄露量很小的间隙密封。
图4是旋转阀实施例2的密封面上的构成阀的气道和槽的位置关系图，该实施例中，气道180度对称地成对，这样，转动子35转一周，制冷机工作两周，这个设计的好处是面压平衡，有利于长寿命。当然，也可设置更多的气道和槽，是电机转一周，制冷机工作3周或更高周期。
图5显示旋转阀实施例3的结构图，该阀用于单级多气库脉管制冷机。同时将高压面342置于一个单独的高压气腔332a，332a与332有气道47 347相通，这样，有更大的截面使气道44a 344a可更粗，利于减小流动损失。
图6是旋转阀的实施例3应用于单级脉管制冷机的系统图。将图1中的第二级去掉即为单级多气库型脉管制冷机。
图7是旋转阀的实施例4的结构图。在第一固定子34上将高压面342去掉，这样第一固定子34的密封面346处于中压，低压面341处于低压，第一固定子34会被紧压在机壳33上。在第二固定子36上设计出暴露于和高压气库43相通的高压气库腔431中的高压面366和暴露于和低压气库41相通的低压气库腔411中的低压面367，同时弹簧32置于第二固定子36上将第二固定子36，可动子35，第一固定子34紧压在一起。销钉333可让第二固定子36轴向自由移动，但周向固定。
高压面366和低压面367也可暴露于与压缩机高压气体相通的高压腔和与压缩机低压气体相通的低压腔中。
该阀也可适用于小孔脉管制机，双向进气脉管制机，四阀脉管制冷机，GM制冷机，等的制冷机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种脉管制冷机用旋转阀，包括电机(31)，阀壳(33)，和阀芯，其特征在于，阀芯由一个两端都有密封面的转动子和二个固定子组成，转动子(35)在第一固定子(34)和第二固定子(36)子之间，一个固定子可轴向移动，使三个部件紧靠在一起形成两个密封面；两个固定子周向固定，转动子相对两个固定子可做周向旋转；转动子与两个固定子之间具有相适配的、且在相对旋转时依次连通的气道。
2.根据权利要求1所述的旋转阀，其特征在于，所述的第一固定子(34)可轴向移动，在其密封面(346)的反对侧的另一端有一个暴露于高压腔(332)的高压面(342)和一个暴露于低压腔(314)的低压面(341)。
3.根据权利要求2所述的旋转阀，其特征在于，所述的第一固定子(34)的高压面(342)在一个单独的高压腔(332a)中。
4.根据权利要求1所述的旋转阀，其特征在于，所述的第二固定子(36)可轴向移动，在其密封面(365)的反对侧的另一端有一个暴露于高压腔的高压面(366)和一个暴露于低压腔的低压面(367)。
5.根据权利要求4所述的旋转阀，其特征在于，所述的可轴向移动的固定子(36)的高压面(366)暴露在高压气库腔(431)中，低压面(367)暴露在低压气库腔(411)中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的旋转阀，其特征在于，所述的第一固定子(34)的密封面(346)上有气道44a(344a)，转动子(35)的密封面(351)上有高压气道(353)，低压气道(354)。
7.根据权利要求6所述的旋转阀，其特征在于，所述的第一固定子(34)的密封面(346)上有气道43a(343a)。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的旋转阀，其特征在于，所述的转动子(35)的密封面(352)上有气库气道(355)，第二固定子(36)的密封面(365)上有居中的气道62a(362a)，和依次布置在其周围的气道63a(363a)，气道64a(364a)，气道61a(361a)。
9.一种脉管制冷机，包括压缩机(4)，冷头(1)；其特征在于，所述的旋转阀为权利要求1所述的旋转阀。
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