CN1098192A - 回转式脉管制冷机 - Google Patents

Abstract

本制冷机具有沿圆周布置于脉管架上的一组脉 管，在脉管组冷端设置可相对旋转的阀芯，该阀芯上 的高压进气口及低压排气口与脉管组处在同一圆周 上，可依次与各脉管的冷端接通，脉管架端面与阀芯 的配合面保持动密封；在脉管组热端设有气库。这里 所说的气库可以是各脉管公用的固定气库，也可以是 高、中、低压多级旋转气库。这样制冷机从整体上处 于不停顿地连续进气和连续制冷状态，制冷量有很大 提高。

Description

本发明涉及气体制冷机，特别是一种脉管制冷机。

目前的小孔脉管制冷机是在单只脉管冷端装有高压进气阀和低压排气阀，在热端设有小孔和气库系统。脉管的工作过程包括进气过程、静止冷却期和排气过程，如此周而复始地循环。这样在一个工作周期中，进气阀只是间歇打开，高压气体的进气是不连续的，因而气体流量较小，这使得单只脉管的制冷量很小。在需要大制冷量的场合，往往难以满足需要，限制了脉管制冷机的应用范围。欲提高脉管制冷量可以采用加大尺寸的方式。但脉管尺寸越大，紊流混合损失也越大，效率降低。实践证明，管径越小的脉管效率越高，但制冷量也很小。而通过增大脉管体积来增大流量，所需阀门和气库的体积就随之增大，阀门处的死容积也会相应增大，使制冷效率降低。这一难题在脉管制冷中长期未获解决。本发明人在CN93105608中提出了一种高、低压气库脉管制冷机，即在脉管热端接入一个高压气库和一个低压气库，在高、低压气库与脉管之间接有控制阀。该机由于进排气过程是等压的，没有不可逆损失，因而制冷系数高，制冷效率接近100%。但这种制冷机的进气和膨胀过程仍然是不连续的。目前还有一种所谓的热分离器低温制冷机，通过一个中心旋转喷咀依次向周围布置的一组长管子喷射高速气流，利用激波和膨胀波原理制冷，产生冷量后流出管子。这种制冷机的缺点是体积大，流量大，噪音大，效率很低。而在生产中，常常需要一种小流量的膨胀机，其流量比热分离器小，但又比脉管制冷机大，并希望体积小，结构简单，然而至今还没有一种膨胀机能做到这一点。

本发明的目的是要克服现有技术中的上述困难，而提供一种连续进气，连续制冷的脉管制冷机，在保持脉管原有效率的前提下，获得更大的流量和制冷量。

本发明的解决方案是：将一组脉管沿圆周布置于脉管架上，在脉管组冷端设置可相对旋转的阀芯，该阀芯上的高压进气口及低压排气口与脉管组处在同一圆周上，可依次与各脉管的冷端接通;脉管架端面与旋转阀芯的配合面保持动密封;在脉管组热端设有气库。

上面所说的气库可以是各脉管公用的固定气库，也可以是高、低压或高、中、低压多级旋转气库，各级气库都有与脉管组处在同一圆周上的开口与脉管组热端依次接通。

为了进一步提高效率，上述脉管组可以用管径很细的脉管密排成圆环状，充满原来脉管组所占据的环形面积。

以下结合附图详细描述本发明的实施例。

图1是多级气库回转式脉管制冷机的纵剖面图。

图2是图1脉管组的A-A剖面图。

图3是旋转阀芯滑动配合面上的开口示意图。

图4是旋转气库滑动配合面上的开口示意图。

图5是密排式细脉管端面示意图。

如图1所示，在线轮式脉管架8周围设置一组脉管2，各脉管位于以中心轴18为圆心的同一圆周上。脉管组的剖面见图4。脉管架8的上端面与旋转气库5下端面滑动密封。旋转气库内分隔为高压气库，中压气库及低压气库等。旋转气库滑动配合面上有各气库的相应开口，如图中的开口101及103。这些开口与脉管组热端处在同一圆周上。工作时，各气库开口相对于脉管组热端入口旋转，依次接通。当开口与脉管相对时，相当于阀门打开。当离开时，相当阀门关闭。图中脉管架固定不动，旋转气库与穿过脉管架的中心轴18通过键6联为一体。脉管架8下端面与进、排气旋转阀芯16上端面滑动配合。该旋转阀芯通过键17也与中心轴联为一体。中心轴18置于轴承24、25上，由电机26驱动。所以旋转气库和旋转阀芯共同由中心轴18带动旋转。为了避免磨损，在滑动配合面之间可通过轴承保持一个微小的间隙。旋转阀芯16中的高压气道12由转轴中心孔19分两支通入脉管冷端。每支高压气道12的形状是等截面的或略带锥度，以适当提高气流速度。图中旋转阀芯16与冷端封壳14之间形成冷腔22。旋转阀端面高压进气孔32、33及低压排气孔47、48的位置如图2，它们处在同一圆周上，按90°间隔布置。高压进气口和低压排气口也可各有一个，按180°布置。低压排气通道如图中的虚线所示，经两侧与冷腔22相通，再经冷腔壁的孔15与低压气源相通，旋转阀中空转轴45与冷端封壳14之间有迷宫密封20，以防高压气体泄漏到低压冷腔22。同时转轴18与脉管架8之间有密封23，以防冷、热端串气。旋转气库5外围有罩壳4，装于脉管架上，用于密封热端气体。以上所说的滑动配合面之间有很小的间隙，为了提高密封效果，可以采用迷宫或麻点密封结构。

如图3，为了提高传热效果，旋转气库配合面上的高、低压气库开口都分为进口和出口，彼此相邻。这样，在工作时气库内的气体基本上由一个孔流出，由另一个孔流入，从而有利于传热。图3高、中、低压气库开口的排列顺序依次为：中压气库出口281、高压气库出口102、高压气库入口101、中压气库入口284、低压气库入口294、低压气库出口293、中压气库出口283、高压气库出口104、高压气库入口103、中压气库入口282和低压气库入口292、低压气库出口291。旋转方向如图中箭头所示。这里旋转气库、阀芯与脉管架的配合孔可以采用图中的圆孔，也可采用方孔或扇形孔等。

上述旋转气库及旋转阀芯上的气孔位置是按脉管的工作程序设定的，相互间有一定的配合关系，这对普通专业人员很容易实施。装配时，图中孔32与孔101处在同一相位上。图3、图4中所示的开口每转一周完成两个循环。

由于较细的脉管效率较高，如图5所示，本回转式制冷机采用管径很细的脉管51密排成园环状，环的宽度与前述高、低压进排气孔的直径相当，即充满原来较粗脉管组所占据的环形面积。这样的脉管直径可细至1-4mm，环形空间上有连接筋52。

实现上述回转式脉管制冷机，既可以是气库和阀芯相对固定的脉管组转动，也可以是脉管组相对固定的气库和阀芯转动。只要是相对运动，都可以实现同样目的。后者的原理和结构类似，不再赘述。

本发明的轴承24、25可用电磁轴承代替，这样可免去油污染问题。如果改变高压气体进气口、低压气体排气口和各气库开口的位置还可实现G-M循环。

本发明与热分离器的结构虽有某些类似之处，但制冷原理和结构均有很大不同。热分离器的高压气体入口是喷咀，气流射入管内的速度为音速，利用激波和膨胀波制冷。而本发明则是容积膨胀原理制冷，与活塞膨胀机一样。高压气体进气口是气流通道，高压气体流入脉管的速度很低，基本是管道流速，约10～50米/秒。热分离器的管子长1～3米，而本发明脉管的长度只有10～20厘米左右，本发明的理论效率为100%，这是热分离器根本无法达到的。

本回转式脉管制冷机各脉管轮流进气，从整体上说制冷机处于不停顿地连续进气和连续膨胀制冷的状态。由于进气连续，所以制冷量较单只脉管大为提高。但对每只脉管而言，工作原理并未发生变化。高压气体进气口、低压气体排气口和各气库开口与脉管口的滑动启闭方式大大减小了死容积，使脉管效率得以提高。多个脉管公用气库和旋转阀芯，体积增加得并不多。而脉管的尺寸比热分离器小得多，故体积也小得多。脉管组的进气速度比热分离器低许多，因此流量和制冷量较热分离器低，这正好适合许多场合对制冷量的需要，扩大了制冷量的选择范围。脉管制冷机噪音较低，理论效率达100%，可以说，该制冷机兼有脉管制冷机和热分离器的优点，而无二者的缺点。

Claims (5)

1、回转式脉管制冷机，其特征在于它具有沿圆周布置在脉管架(8)上的一组脉管(2)，在脉管组冷端设置可相对旋转的阀芯(16)，该阀芯上的高压进气口(32)及低压排气口(47)与脉管组处在同一圆周上，可依次与各脉管的冷端接通，脉管架端面与阀芯的配合面保持动密封；在脉管组(2)热端设有气库(5)。

2、如权利要求1所述的脉管制冷机，其特征在于所说的气库（5）是高、低压或高、中、低压多级旋转气库，各气库都有开口与脉管组的热端接通。

3、如权利要求1或2所述的脉管制冷机，其特征在于所说旋转阀芯（16）配合面上的高压进气口（32）和低压排气口（47）各有一个，按180°布置或各有两个，按90°间隔布置。

4、权利要求3所述的脉管制冷机，其特征在于所说的高、中、低气库开口按如下顺序布置于气库配合面上：中压气库出口281、高压气库出口102、高压气库入口101、中压气库入口284、低压气库入口294、低压气库出口293、中压气库出口283、高压气库出口104、高压气库入口103、中压气库入口282，低压气库入口292、低压气库出口291。

5、如权利要求2所述的脉管制冷机，其特征在于所说脉管组（2）是由很细的脉管51密排成圆环状，环的宽度与较大的高、低压进排气孔的直径相当。

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