CN111895119A

CN111895119A - 一种阀门机构及采用该阀门机构的低温制冷机

Info

Publication number: CN111895119A
Application number: CN202010795824.8A
Authority: CN
Inventors: 李奥; 周志坡; 查子文; 蔡旭东; 查健
Original assignee: Csic Pride Nanjing Cryogenic Technology Co ltd
Current assignee: Csic Pride Nanjing Cryogenic Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2020-11-06

Abstract

本发明公开了一种阀门机构，包括旋转阀（7）和配气阀（6）构成的配气机构，该配气阀（6）的外圆周与嵌置该配气阀（6）的罩体（2）的容纳腔的内圆周面之间设有第一密封圈（b1）和第二密封圈（b2），以旋转阀（7）的切换平面（73）与配气阀（6）的配气面（61）的相接触面构成的半径为R3的最小外圆的截面面积为A3；第二密封圈（b2）围绕配气阀（6）所形成的半径为R2的第二密封圈围绕圆的截面面积为A2；R3和R2之间满足以下关系：0.7≤（R2/R3）≤0.95。本发明通过扩大配气阀的配气面与旋转阀的切换平面的相接触面积，以缩小配气阀的正向受压面积，降低了阀门的磨损，该阀门机构加工简单、具有较低的泄漏。

Description

一种阀门机构及采用该阀门机构的低温制冷机

技术领域

本发明属于低温制冷机技术领域，具体地说是一种阀门机构及采用该阀门机构的低温制冷机。

背景技术

以吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机为代表的超低温制冷机具有工作气体(也称为制冷剂气体)的膨胀机及压缩机。该类制冷机由压缩机提供排出的高压气流，经由配气机构进入到置于气缸内，上下往复运动的推移活塞内，与蓄冷材料进行换热，再到膨胀腔内做功膨胀，再经过推移活塞，流出配气机构，回到压缩机低压腔内。通过上述连续循环过程，形成制冷效应。

具体来说，如图1所示的该类制冷机包含压缩机1、罩体2、气缸13、推移活塞10，罩体2内装有电机12以及驱动的凸轮3；凸轮3上的偏心凸轮柄31带动连杆5将旋转运动转化成上下往复运动，连杆5被导向套4在径向方向固定，从而带动推移活塞10在气缸13内沿着气缸延伸方向运动。配气机构RV由配气阀6和旋转阀7组成。配气阀6安装在罩体2内，由定位销16固定在其内，高压气孔62与压缩机1的高压排气管道1a气密连通，在一侧形成高压区23。另外一侧配气面63依靠压差与同轴布置的旋转阀7的切换平面73紧紧贴合。凸轮柄31带动安装在轴承14上的旋转阀7沿着旋转轴转动。压缩机1通过将制冷剂气体吸入、压缩，而使之作为高压的制冷剂气体排出。高压排气管道1a将高压的制冷剂气体向罩体2进行供给，并通过配气阀6上的高压气孔62传递给与之气密贴合的旋转阀7上的高压槽72内。旋转阀7上开有贯穿的低压孔71，且低压孔71与罩体2内的低压通路22连通。按照图1所示位置，低压孔71与配气阀6上的配气阀气孔63重叠连通；此刻系统处于低压排气阶段，膨胀腔9内的气体由高压变成低压，顺序通过推移活塞10上的活塞后孔10b、蓄冷材料10c、活塞前孔10a流出，回到压缩机1的低压吸气管道1b。当旋转阀7旋转一定角度后，此时，低压孔71不与配气阀6上的配气阀气孔63连通，变成为旋转阀7上的高压槽72与配气阀6上的配气阀气孔63连通，压缩机1排出的高压气，经过配气阀6上的高压气孔62以及与之连通的旋转阀7上的高压槽72进入到气缸13内，顺序经推移活塞10上的活塞前孔10a、蓄冷材料10c、活塞后孔10b进入到膨胀腔9内。在上述过程中，压缩机1排出的高压气作用于配气阀6的背面上，配气阀6依靠背面上平行于配气面61的面积大小上的正压力，与旋转阀7紧紧贴合起来，这样将配气机构上的高低压阀门分隔开，隔离高低压气流。

传统结构中的配气阀6呈圆柱状(图2、图3所示)，以旋转阀7的切换平面73与配气阀6的配气面61的相接触面构成的半径为R3的最小外圆的截面面积为A3，配气面61上的配气阀气孔63到上述最小外圆圆周的配气孔最小距离L1与切换平面73上的旋转阀7的高压槽72到上述最小外圆圆周的高压槽最小距离L1(本文中采用同一符号)大小一致。为防止气流的泄漏，要求L1不能太小，以形成较长的流动阻力距离，避免高压槽72内的高压气流向低压区24内泄漏，起到抑制阀门泄漏的作用。同时，配气阀6上的高压气孔62和配气阀气孔63有一定尺寸和位置要求，使得配气阀6的外径不能太小，否则无法制作阀门。这样使得贴合在一起的正压力较大，长期运行会造成旋转阀7和配气阀6接触面的磨损，影响设备性能，降低设备的可靠性。

文献1(CN 104165474 B)中，旋转阀7上的高压槽72到配气阀6与旋转阀7相接触面的最小外圆的圆周的最小距离大于配气阀6上的配气阀气孔63到配气阀6与旋转阀7相接触面的最小外圆的圆周的最小距离，在抑制泄漏上起到了一定作用。但是该结构使得高压槽72不能完全将配气阀气孔63覆盖，对流量较大的阀门，会引入额外的流动阻力损失。

文献2(CN 107449171 A)中，配气阀6采用三阶梯状形式，在配气阀6与旋转阀7相接触面的最小外圆的圆周面上安装有额外的第三密封件，到高压气路连通时，将在该面上形成正向的高压压力，抑制泄露。但是为了降低阀门的磨损，降低第三密封件形成的最小圆周形成的正压压力，必须在第一密封件和第二密封件之间引入额外的低压恒压区，需要在部件上加工导气的孔道，增加了加工难度和成本。同时恒压区域内的压力为低压，两侧隔离密封的区域为高压区域，增加了高低压串气的风险。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种阀门机构及采用该阀门机构的低温制冷机，该阀门结构通过改造阀门机构的构造来抑制阀门的泄漏。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种阀门机构，包括旋转阀和配气阀构成的配气机构，该配气阀的外圆周与嵌置该配气阀的罩体的容纳腔的内圆周面之间设有第一密封圈和第二密封圈，其特征在于：以旋转阀的切换平面与配气阀的配气面的相接触面构成的半径为R3的最小外圆的截面面积为A3；第二密封圈围绕配气阀所形成的半径为R2的第二密封圈围绕圆的截面面积为A2；R3和R2之间满足以下关系：0.7≤(R2/R3)≤0.95。

所述第一密封圈围绕配气阀所形成的半径为R1的第一密封圈围绕圆的截面面积为A1，R1和R2之间满足以下关系：(R1/R2)≤1。

所述第一密封圈位于配气阀与罩体的容纳腔之间且以密封方式隔离罩体和配气阀之间的高压区与变压区；所述第二密封圈位于配气阀与罩体的容纳腔之间且以密封方式隔离罩体和配气阀之间的低压区与变压区。

所述配气阀的配气面侧为环状台阶阀体且第一密封圈和第二密封圈区域的配气阀为圆筒状阀体，整体处于所述罩体的低压区内的该环状台阶阀体位于第二密封圈和旋转阀之间。

所述的配气阀的阀体为三级台阶状，其中第一密封圈所在的配气阀的第一级阀体直径小于第二密封圈所在的配气阀的第二级阀体直径、第二密封圈所在的配气阀的第二级阀体直径小于配气阀的配气面区域的第三级阀体直径，所述第三级阀体的整体处于所述罩体的低压区内且位于第二密封圈和旋转阀之间。

所述配气阀的配气面侧为锥台状阀体且第一密封圈和第二密封圈区域的配气阀为圆筒状阀体，整体处于所述罩体的低压区内的该锥台状阀体位于第二密封圈和旋转阀之间。

所述的配气阀的阀体为圆锥台状，其中第一密封圈所在的配气阀的阀体直径小于第二密封圈所在的配气阀的阀体直径、第二密封圈所在的配气阀的阀体直径小于配气阀的配气面区域的阀体直径，所述配气阀的配气面区域的阀体的整体处于所述罩体的低压区内且位于第二密封圈和旋转阀之间。

所述配气阀的配气阀气孔的折向最小距离L2小于旋转阀的高压槽至切换平面与配气面的相接触面构成的最小外圆圆周的高压槽最小距离L1。

一种低温制冷机，其特征在于：该低温制冷机包括上述的阀门机构。

所述的低温制冷机为单机制冷机或多级制冷机。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的阀门机构通过扩大配气阀的配气面与旋转阀的切换平面的相接触面积，以缩小配气阀的正向受压面积，降低了阀门的磨损，且该阀门机构加工简单、具有较低的泄漏。

附图说明

附图1为具备传统阀门机构的低温制冷机的结构示意图；

附图2为传统阀门机构的结构示意图；

附图3是传统阀门机构的三维示意图；

附图4是本发明提供的阀门机构的结构示意图之一；

附图5是本发明提供的阀门机构的结构示意图之二；

附图6是本发明提供的阀门机构的结构示意图之三；

附图7是本发明提供的阀门机构的结构示意图之四。

其中：1—压缩机；1a—高压排气管道；1b—低压吸气管道；2—罩体；21—罩体气孔；22—低压通路；23—高压区；24—低压区；25—变压区；3—凸轮；31—偏心凸轮柄；4—导向套；5—连杆；6—配气阀；61—配气面；62—高压气孔；63—配气阀气孔；7—旋转阀；71—低压孔；72—高压槽；73—切换平面；8—热腔；9—膨胀腔；10—推移活塞；10a—活塞前孔；10b—活塞后孔；10c—蓄冷材料；12—电机；13—气缸；14—轴承；15—弹簧；16—定位销；b1—第一密封圈；b2—第二密封圈。

具体实施方式

结合技术背景所述内容，对传统的阀门结构以及低温制冷机结构不再进行详细的累述。下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图4、图5、图6、图7所示：一种阀门机构，包括配气阀6和旋转阀7，在配气阀6上设有沿轴向贯穿配气阀6的高压气孔62、沿折向贯穿配气阀6的配气阀气孔63，配气阀气孔63的折向最小距离为L2，高压气孔62能够与压缩机1的高压排气管道1a连通，配气阀气孔63能够与罩体2上的罩体气孔21相连通；同时高压气孔62能够通过旋转阀7上的高压槽72与配气阀气孔63、罩体气孔21相连通；或者配气阀气孔63通过贯穿旋转阀7的低压孔71与罩体2上的低压通路22相连通。配气阀6的圆周面上设有嵌置在罩体2的安装腔内壁上的第一密封圈b1和第二密封圈b2，对配气阀6进行密封，这将配气阀6上的配气阀气孔63与罩体2上的罩体气孔21密封连接，而不与其它位置的气体连通，配气阀6上的配气阀气孔63是进入或流出气缸13内的高低压气体的唯一通道。上述配气阀6的背面和罩体2形成高压区23，高压区23能够与高压气孔62、高压槽72气密性连通。配气面63的外周容纳在低压区24内。在上述结构中，依靠高压区23内的高压气流以及弹簧15将旋转阀7的切换平面73与旋转阀6的配气面61紧密贴合。

下面具体介绍本发明的实施方式。

如图4所示为本发明提供的阀门机构的实施案例一。

以第二密封圈b2围绕配气阀6所形成的半径为R2的第二密封圈围绕圆的截面面积为A2，第二密封圈b2将罩体2与配气阀6处的变压区25与低压区24气密的隔离开；以第一密封圈b1围绕配气阀6所形成的半径为R1的第一密封圈围绕圆的截面面积为A1，第一密封圈b1将罩体2与配气阀6上的变压区25与高压区23气密的隔离开。在中心轴向方向上，布置与变压区25内的配气阀气孔63上的折向最小距离L2并不是抑制阀门泄漏的必需距离，因此在实施过程中，仅仅将所述的旋转阀7的切换平面73与配气阀6的配气面61相接触，以相接触面构成的半径为R3的最小外圆的截面面积为A3的尺寸保持较大的尺寸，即依据技术背景中所述的高压槽最小距离L1保持合适的尺寸；缩小R2或者R2和R1、及折向最小距离L2，使得配气阀6形成二级阶梯状，使得R2/R3＜1且R1/R2＝1。这样，作用在配气阀6的正向受压面积由A3变为原有的A2，使得在中心轴轴向的投影圆环(R3-R2)容纳于低压区24内，在保留必要长度的高压槽最小距离L1的基础上，降低了阀门的磨损。

以配气阀6的中心轴向为原点，在配气面63上某一处距离原点为R的微元面积表征为：Rdθ·dR。该微元面积单位时间的磨损量q为：q＝K·(ΔP·A2/A3)·(R·ω)·(Rdθ·dR)，其中：K是配气阀6相对旋转阀7的磨损率；(ΔP·A2/A3)为接触面的正压力；R·ω为所述微元面积上的线速度；ω为角频率；d为微分符号；θ为角度。

将磨损量q的公式化简后得到：q＝K·ΔP·ω·(R2/R3)²·R²·dθdR，上述方程为阀门单位时间磨损率微分方程，对上述方程进行积分计算获得阀门单位时间平均磨损量Q计算式：Q＝2π·K·ΔP·ω·(R2/R3)²·(R3)³/3，其中Q为阀门单位时间平均磨损量。

当R2＝R3时，阀门结构回归到传统阀门结构。即R3保持不变，当R2缩小时，磨损量按照比例呈平方指数减少。表1给出了改进结构与传统阀门对比数据(数值已经归一化)。

表1改进结构和传统阀门机构的磨损量对比数据表

	传统阀门结构尺寸	改进结构1	改进结构2	改进结构3
					R3	1	1	1.1	1
R2	1	0.95	0.95	0.7
					R2/R3	1	0.95	0.86	0.7
磨损量	1	0.9	0.98	0.49

从表1计算得到，即使为了抑制阀门泄露，增大R3的尺寸，通过调整R2的尺寸，也能使得阀门的磨损不增加，这为阀门的设计提供便利。同时考虑到配气阀6上的高压孔62和配气阀气孔63的尺寸，实际实施过程中设计R2/R3≥0.7。

图5是基于图4实施方式的一种变体形式，将图4中的环状台阶阀体变为锥台状阀体即为图5的结构。

图6在图4的基础的另外一种实施方式。该实施方式中，进一步缩小第一密封件b1对应的第一密封件围绕圆A1的半径R1的大小，使得R1/R2＜1，配气阀6形成三阶梯状，第一密封件b1和第二密封件b2将变压区25隔离成具有阶梯的结构，在半个周期内，高压槽72与配气阀气孔63连通，变压区25内为高压，此时配气阀6所受的正压力面积为A2；在另外半个周期，低压孔71与配气阀气孔63连通，变压区25变为低压，此时配气阀6所受的正压力面积为A1。这样一个周期内的阀门单位时间平均磨损量计算式变形为：Q＝π·K·ΔP·ω·[(R2+R1)/R3]²·(R3)³/12。这样可以进一步降低阀门单位时间的磨损量，同时抑制阀门的泄漏。

为了加工简单，图7为另外一种实施方式。罩体2内容纳配气阀6的容纳腔以及配气阀6加工成圆锥台状，并且使得靠近高压区23的面小于配气阀6的配气面61。实施过程中，配气阀6与旋转阀7相接触面的最小外圆的截面面积A3为圆锥台在轴向截面上的最大面积，因此当第一密封圈b1和第二密封件b2密封在配气阀6的外圆周上时所形成的第一密封圈围绕圆的截面面积为A1、第二密封圈围绕圆的截面面积为A2时，满足条件：A1<A2<A3，即：R1<R2<R3。通过调整合适的锥度，使得上述三个半径达到合适的比例，使得阀门机构在抑制泄露的同时，不增加阀门机构自身的磨损。

一种低温制冷机，该低温制冷机包括上述的阀门机构。该低温制冷机是阀门切换式的任何形式的制冷机，不局限于吉福德-麦克马洪制冷机、索尔文制冷机、脉管制冷机等，并且可应用于单级或双级制冷机中。

本发明通在不增加阀门磨损的基础上，通过调整配气阀6的外形结构，能够有效的抑制阀门的泄漏。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims

1.一种阀门机构，包括旋转阀（7）和配气阀（6）构成的配气机构，该配气阀（6）的外圆周与嵌置该配气阀（6）的罩体（2）的容纳腔的内圆周面之间设有第一密封圈（b1）和第二密封圈（b2），其特征在于：以旋转阀（7）的切换平面（73）与配气阀（6）的配气面（61）的相接触面构成的半径为R3的最小外圆的截面面积为A3；第二密封圈（b2）围绕配气阀（6）所形成的半径为R2的第二密封圈围绕圆的截面面积为A2；R3和R2之间满足以下关系：0.7≤（R2/R3）≤0.95。

2.根据权利要求1所述的阀门机构，其特征在于：所述第一密封圈（b1）围绕配气阀（6）所形成的半径为R1的第一密封圈围绕圆的截面面积为A1，R1和R2之间满足以下关系：（R1/R2）≤1。

3.根据权利要求1或2所述的阀门机构，其特征在于：所述第一密封圈（b1）位于配气阀（6）与罩体（2）的容纳腔之间且以密封方式隔离罩体（2）和配气阀（6）之间的高压区（23）与变压区（25）；所述第二密封圈（b2）位于配气阀（6）与罩体（2）的容纳腔之间且以密封方式隔离罩体（2）和配气阀（6）之间的低压区（24）与变压区（25）。

4.根据权利要求1或2所述的阀门机构，其特征在于：所述配气阀（6）的配气面（61）侧为环状台阶阀体且第一密封圈（b1）和第二密封圈（b2）区域的配气阀（6）为圆筒状阀体，整体处于所述罩体（2）的低压区（24）内的该环状台阶阀体位于第二密封圈（b2）和旋转阀（7）之间。

5.根据权利要求1或2所述的阀门机构，其特征在于：所述的配气阀（6）的阀体为三级台阶状，其中第一密封圈（b1）所在的配气阀（6）的第一级阀体直径小于第二密封圈（b2）所在的配气阀（6）的第二级阀体直径、第二密封圈（b2）所在的配气阀（6）的第二级阀体直径小于配气阀（6）的配气面（61）区域的第三级阀体直径，所述第三级阀体的整体处于所述罩体（2）的低压区（24）内且位于第二密封圈（b2）和旋转阀（7）之间。

6.根据权利要求1或2所述的阀门机构，其特征在于：所述配气阀（6）的配气面（61）侧为锥台状阀体且第一密封圈（b1）和第二密封圈（b2）区域的配气阀（6）为圆筒状阀体，整体处于所述罩体（2）的低压区（24）内的该锥台状阀体位于第二密封圈（b2）和旋转阀（7）之间。

7.根据权利要求1或2所述的阀门机构，其特征在于：所述的配气阀（6）的阀体为圆锥台状，其中第一密封圈（b1）所在的配气阀（6）的阀体直径小于第二密封圈（b2）所在的配气阀（6）的阀体直径、第二密封圈（b2）所在的配气阀（6）的阀体直径小于配气阀（6）的配气面（61）区域的阀体直径，所述配气阀（6）的配气面（61）区域的阀体的整体处于所述罩体（2）的低压区（24）内且位于第二密封圈（b2）和旋转阀（7）之间。

8.根据权利要求1所述的阀门机构，其特征在于：所述配气阀（6）的配气阀气孔（63）的折向最小距离L2小于旋转阀（7）的高压槽（72）至切换平面（73）与配气面（61）的相接触面构成的最小外圆圆周的高压槽最小距离L1。

9.一种低温制冷机，其特征在于：该低温制冷机包括如权利要求1-8任一所述的阀门机构。

10.根据权利要求9所述的低温制冷机，其特征在于：所述的低温制冷机为单机制冷机或多级制冷机。