CN107588015A - 一种离心式冷压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心式冷压缩机，由常温部分和低部分组成，常温部分包括有位于空气环境中的高速电机，低温部分包括有真空壳体，真空壳体内设置有蜗壳，蜗壳通过拉杆安装在真空壳体上，涡壳进口的进口管，所述高速电机的输出轴上安装有中空主轴，且其均位于真空壳体的蜗壳内，中空主轴与真空壳体和蜗壳之间通过绝缘件封装，绝缘件的外端面中部安装有热沉，热沉通过导冷带连接液氮，中空主轴的端部安装有叶轮，叶轮与进口管的轮盖之间存在一定间本发明能够获得低于3.5K温度的过冷氦，绝热件、热沉和中空主轴均能有效降低冷压缩机的热传导，低温部分放置于高真空环境中，可以有效降低冷压缩机的对流换热；叶顶间隙准确，冷压机效率高。

Description

一种离心式冷压缩机

技术领域：

本发明涉及离心式压缩机领域，主要涉及一种离心式冷压缩机。

背景技术：

冷压缩机是一种抽吸容器内蒸汽获得低压环境的机械设备。过冷氦，指低于4.2K的液氦，一般采用常温压缩机或冷压缩机对液氦容器减压获得。常温压缩机将抽吸的冷氦蒸汽经换热器加热后进入常温管道，而冷压缩机抽吸的气体仍然在低温系统内，参与低温换热器的冷却和低温冷却气体的供应，因此常温压缩机所需的换热结构复杂；同时，对于常温压缩机，由于蒸发氦气从低温环境下进入常温换热器，气体剧烈膨胀，增大了压缩机的工作负荷，因此常温压缩机的流量和体积都比较大，以1050W@3.5K冷量压缩机为例，采用常温压缩机的流量约为3000m³/h，而采用冷压缩机的流量仅为约26m³/h，压缩机马达的能耗将大大降低，可以有效节约能源。因此，采用冷压缩机获得过冷氦，将提高系统冷量的利用率和经济性能，并极大的减少了压缩机的流量和尺寸，有效节约了空间成本。

由于冷压缩机的常温部分和低温部分在很短的传热距离上有接近300K的传热温差，研究表明，每20W的漏热会降低系统1％绝热效率，因此冷压缩机需要设计特殊的绝热结构。常规的冷压机结构中，一般没有绝热件设计或者绝热件中需要通过冷却气体来冷却。没有绝热件设计的结构中，冷压机的绝热效果差；而通过冷却气体来冷却的结构，结构复杂，需要额外增加多处导气管道，增加了气体密封的难度。

由于冷压缩机叶轮的材质为锻铝，而进口管的轮盖材质为不锈钢，锻铝的热收缩率大于不锈钢，低温下叶轮叶顶间隙增大，导致偏离设计工况，效率降低。而在目前的资料中，一般都未考虑材料的温度变形。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种离心式冷压缩机，通过抽吸液氦池内蒸发氦气，降低饱和压力和饱和温度，可向受控热核聚变实验中的超导磁体提供3.5K温度的过冷氦。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种离心式冷压缩机，其特征在于：由常温部分和低部分组成，常温部分包括有位于空气环境中的高速电机，低温部分包括有真空壳体，所述真空壳体内设置有蜗壳，所述蜗壳通过拉杆安装在真空壳体上，所述涡壳进口的进口管，所述高速电机的输出轴上安装有中空主轴，且其均位于真空壳体的蜗壳内，所述中空主轴与真空壳体和蜗壳之间通过绝缘件封装，所述绝缘件的外端面中部安装有热沉，所述热沉通过导冷带连接液氮，导入冷量，所述中空主轴的端部安装有叶轮，所述叶轮与进口管的轮盖之间存在一定间隙。

所述的绝热件采用G10材料绝热块，所述热沉采用80K铜质材料制成，所述中空主轴为316L不锈钢制成。

所述的叶轮和进口管轮盖之间的间隙，根据冷态下进口管和叶轮不同材质的不同热收缩率来确常温下叶轮尺寸，具体方法为，首先确定冷态下叶轮和进口管轮盖的尺寸和间隙，按照下式计算叶轮和进口管轮盖在常温下的变形量：

其中，△L_a和△L_b分别表示叶轮和进口管轮盖的热变形量，L_a和L_b分别表示叶轮和进口管轮盖表面各点在冷态下尺寸，T1和T2分别表示冷态时的温度和常温下的温度，和分别表示锻铝和316不锈钢在不同温度下的线膨胀系数，T表示温度，在加工时，叶轮和进口管轮盖的尺寸按照冷态下的尺寸分别加上各自的热变形量。

此结构具有能够抽吸饱和液氦池内蒸发氦气的能力，从而降低液氦池内的饱和压力和饱和温度，获得3.5K过冷氦，具有特殊的绝热结构，包括G10材料绝热块、80K铜质热沉和316L不锈钢中空主轴，其中80K铜质热沉通过导冷带连接液氮，导入冷量，降低通过绝热件的热量，提升冷压缩机的绝热性能。而且低温部分放置于高真空环境中，具有一定的绝热性能。

所述的叶轮和进口管之间存在一定间隙，根据冷态下进口管和叶轮不同材质的不同热收缩率来确常温下叶轮尺寸，具有较高的效率。

本发明的优点是：

1)能够获得3.5K温度的过冷氦。

2)G10材质绝热块、80K热沉和中空主轴均能有效降低冷压缩机的热传导。其中80K热沉的设计，具有结构简单，不需要气体密封，绝热效果显著的特点。

3)低温部分放置于高真空环境中，可以有效降低冷压缩机的对流换热。

4)叶顶间隙准确，冷压机效率高。

附图说明：

图1为本发明所述离心式冷压缩机剖面图；

图2为图1汇总标号Ⅰ处局部放大图，为进口管轮盖与叶轮之间间隙剖面图。

具体实施方式：

参见附图。

一种离心式冷压缩机，由常温部分和低部分组成，常温部分包括有位于空气环境中的高速电机1，低温部分包括有真空壳体2，所述真空壳体2内设置有蜗壳3，所述蜗壳3通过拉杆9安装在真空壳体2上，所述涡壳3进口的进口管4，所述高速电机1的输出轴上安装有中空主轴5，且其均位于真空壳体的蜗壳3内，所述中空主轴5与真空壳体2和蜗壳3之间通过绝缘件6封装，所述绝缘件6的外端面中部安装有热沉7，所述热沉7通过导冷带8连接液氮，导入冷量，所述中空主轴2的端部安装有叶轮10，所述叶轮10与进口管的轮盖11之间存在一定间隙。

所述的绝热件6采用G10材料绝热块，所述热沉7采用80K铜质材料制成，所述中空主轴5为316L不锈钢制成，其中80K铜质热沉通过导冷带连接液氮，导入冷量。其中80K热沉的设计，具有结构简单，不需要气体密封，绝热效果显著的特点。相比较于无热沉结构，具有80K热沉的冷压缩机可以将导热量从54W降低到27.3W。

所述的叶轮和进口管轮盖之间的间隙，根据冷态下进口管和叶轮不同材质的不同热收缩率来确常温下叶轮尺寸，具体方法为，首先确定冷态下叶轮和进口管轮盖的尺寸和间隙，按照下式计算叶轮和进口管轮盖在常温下的变形量：

其中，△L_a和△L_b分别表示叶轮和进口管轮盖的热变形量，L_a和L_b分别表示叶轮和进口管轮盖表面各点在冷态下尺寸，T1和T2分别表示冷态时的温度和常温下的温度，和分别表示锻铝和316不锈钢在不同温度下的线膨胀系数，T表示温度，在加工时，叶轮和进口管轮盖的尺寸按照冷态下的尺寸分别加上各自的热变形量，从冷态到常温的过程中，进口管的轮盖和叶轮都沿轴法线方向向外膨胀，锻铝的线膨胀系数大于316不锈钢，因此叶顶间隙在常温装配时，尺寸按照冷态下的间隙值减去叶轮变形量和进口管轮盖变形量之间的差值，按此方法获得的叶顶间隙数值准确，离心式冷压缩机效率高。

Claims (3)

1.一种离心式冷压缩机，其特征在于：由常温部分和低部分组成，常温部分包括有位于空气环境中的高速电机，低温部分包括有真空壳体，所述真空壳体内设置有蜗壳，所述蜗壳通过拉杆安装在真空壳体上，所述涡壳进口的进口管，所述高速电机的输出轴上安装有中空主轴，且其均位于真空壳体的蜗壳内，所述中空主轴与真空壳体和蜗壳之间通过绝缘件封装，所述绝缘件的外端面中部安装有热沉，所述热沉通过导冷带连接液氮，导入冷量，所述中空主轴的端部安装有叶轮，所述叶轮与进口管的轮盖之间存在一定间隙。

2.根据权利要求1所述的离心式冷压缩机，其特征在于：所述的绝热件采用G10材料绝热块，所述热沉采用80K铜质材料制成，所述中空主轴为316L不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的离心式冷压缩机，其特征在于：所述的叶轮和进口管轮盖之间的间隙，根据冷态下进口管和叶轮不同材质的不同热收缩率来确常温下叶轮尺寸，具体方法为，首先确定冷态下叶轮和进口管轮盖的尺寸和间隙，按照下式计算叶轮和进口管轮盖在常温下的变形量：

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其中，△L_a和△L_b分别表示叶轮和进口管轮盖的热变形量，L_a和L_b分别表示叶轮和进口管轮盖表面各点在冷态下尺寸，T1和T2分别表示冷态时的温度和常温下的温度，和分别表示锻铝和316不锈钢在不同温度下的线膨胀系数，T表示温度，在加工时，叶轮和进口管轮盖的尺寸按照冷态下的尺寸分别加上各自的热变形量。