CN112413176B - 一种旋转阀机构以及低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转阀机构及低温制冷机，其中，旋转阀机构包括：同轴安装在低温制冷机的罩体(2)内的配气阀(6)和旋转阀(7)，相对于旋转阀(7)上的切换面(73)，在所述旋转阀(7)的背面(75)上有用于安插偏心凸轮柄(31)的插孔(74)；在所述凸轮柄(31)与插孔(74)内的空隙中安装有弹性体(100)，所述弹性体(100)沿着凸轮柄(31)中心轴向方向以被压缩方式安装。本发明通过弹性体在凸轮柄与插孔之间压缩变形为旋转阀高压槽一侧的切换面，提供偏心的预紧力，在全周期内降低“非对称压力”的影响，降低该区域上制冷剂气体泄漏风险。

Description

一种旋转阀机构以及低温制冷机

技术领域

本发明涉及低温制冷机技术领域，尤其涉及一种旋转阀机构以及低温制冷机。

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，经由配气阀和旋转阀进入到置于气缸内，上下往复运动的推移活塞，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，回到压缩机的低压腔内。通过上述连续循环过程，形成制冷效应。

旋转阀和配气阀中一个采用树脂耐磨材料，另一个采用金属材料做成。工作时，两个部件平面相互贴合，通过旋转阀的转动，切换旋转阀和配气阀上的槽道的连通状态，实现高低压气流的切换。贴合的过程通过配气机构两侧的压差来时压紧。对于GM制冷机，旋转阀上的高压槽和低压孔分别气密地连通高压气流和低压气流，并且以旋转阀自身旋转轴两侧偏心布置。在一个周期内切换面和配气阀面之间受到的压力为“非对称压力”，即以旋转轴对称两侧所受到的压力不一样大。因此这类阀门称为非对称型平面旋转阀。

压缩机排出的高压气作用于配气阀的背面上，配气阀依靠背面上的正压力和弹簧的弹力，与旋转阀紧紧贴合起来形成气密的滑动接触面，以确保上述的非对称旋转阀的切换面和配气阀的配气阀面不会被气压顶开(施加有这双方的压力的滑动面上的区域，称为双方作用区域)。然而大量的实际运行案例反映，在工作高压气体及弹簧相对于中心轴对称地按压配气阀的背面(相对配气阀面)的结构中，上述“非对称压力”在双方作用区域上产生扭矩，该扭矩将使得靠近旋转阀高压槽一侧方向的双方作用区域更容易发生分离现象，有制冷剂气体泄漏的风险。

现有技术1提出了一种改进思路，在靠近配气阀上的配气孔一侧偏心安装弹簧使得弹簧的安压力的中心更靠近气体流路一侧。该项技术主要针对双方作用区域出现泄漏可能性最大的时间段(区域段)，但在剩余时间段内，“非对称压力”仍然存在，即泄漏问题仍然存在。

现有技术2对配气阀的结构进行改进，在高压进气与配气孔连通的状态，双方作用区域受到较大的正向压力，但是当低压排气过程与配气孔连通时，双方作用区域受到正向压力将变小，并且所述的“非对称压力”仍然存在，因此泄漏的风险仍然存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种旋转阀机构以及低温制冷机，以降低制冷剂气体泄漏风险。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种旋转阀机构，包括：同轴安装在低温制冷机的罩体内的配气阀和旋转阀，其特征在于，相对于旋转阀上的切换面，在所述旋转阀的背面上有用于安插偏心凸轮柄的插孔；在所述凸轮柄与插孔内的空隙中安装有弹性体，所述弹性体沿着凸轮柄中心轴向方向以被压缩方式安装。

进一步地，配气阀由阀体定位销限制其绕自身轴旋转运动，旋转阀安装在轴承上，沿着配气阀轴线同轴正面紧压于配气阀。

进一步地，配气阀上的高压气孔气密地将压缩机排出的高压气流与旋转阀上的具有径向方向延伸的高压槽在旋转轴对应的中心侧连通。

进一步地，旋转阀径向方向上相对于高压槽的另外一侧的低压孔与罩体内的低压通路气密连通。

进一步地，所述弹性体为弹簧或垫圈。

进一步地，所述的弹性体为O圈或非金属垫。

本发明还提供一种低温制冷机，包括所述的旋转阀机构。

进一步地，配气阀通过阀体定位销偏心固定在罩体上，背离配气阀的端侧嵌置有弹簧，旋转阀通过轴承定位在罩体内。

本发明实施例的有益效果在于：旋转阀加工几乎与传统工艺一致，仅仅增加了价格低廉的弹性体，通过弹性体在凸轮柄与插孔之间压缩变形为旋转阀高压槽一侧的切换面，提供偏心的预紧力，在全周期内降低“非对称压力”的影响，降低该区域上制冷剂气体泄漏风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的旋转阀机构的三维分解结构示意图。

图2为本发明低温制冷机的构成示意图。

图3为本发明实施例一旋转阀机构的两种状态的平面结构示意图。

图4为本实施例中制冷机膨胀腔中制冷循环的压力与容积变化示意图。

附图标记为：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；3—凸轮；31—偏心凸轮柄；4—导向套；5—连杆；6—配气阀；61-配气阀面；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；74—插孔；75—背面；8—热腔；9—膨胀腔；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—阀体定位销；100—预紧力机构。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

请参照图1所示，本发明实施例一提供一种旋转阀机构，包括：同轴安装在低温制冷机的罩体2内的配气阀6和旋转阀7，相对于旋转阀7上的切换面73，在所述旋转阀7的背面75上有用于安插偏心凸轮柄31的插孔74；在所述凸轮柄31与插孔74内的空隙中安装有弹性体100，所述弹性体100沿着凸轮柄31中心轴向方向以被压缩方式安装。

具体地，请同时参照图2-图3所示，本实施例中，低温制冷机包含压缩机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，从而带动推移活塞在气缸13内上下运动。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，且与旋转阀7同轴布置。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中心轴线上的高压气孔62传递给与之气密贴合的旋转阀7上的高压槽72内，高压槽72不与低压孔71连通。旋转阀7上开有低压孔71，且低压孔71与罩体2内的低压通路22连通。高压槽72沿着旋转轴O径向向外延伸，偏心布置在旋转7上。低压孔71相对高压槽72，对置布置在轴线O另外一侧。

按照图2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，旋转阀7上的低压孔71、配气阀6上的配气阀气孔63以及罩体2上的罩体气孔21三者连通，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(未画出该配合关系)，此刻压缩机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依靠背面上的正压力和弹簧15的弹力，与旋转阀7紧紧贴合起来形成气密的滑动接触面。旋转阀7和配气阀6均设计为沿着旋转轴的回转体结构，其中旋转阀7被轴承14能够旋转的支撑与罩体2内；配气阀6与旋转阀7同轴布置在罩体2内，配气阀6由阀体定位销16固定成不能旋转，但是可沿着中心轴O的轴向方向装卸。

配气阀6和旋转阀7绕轴O(虚线)同轴相对布置在制冷机罩体2内，旋转阀7的切换面73和配气阀的配气阀面61正向紧贴，通过配气阀6背离配气阀面61的背面上的高压气体以及中心端安装的弹簧15进行正向按压。旋转阀7切换面73上加工有高压槽72，一般成“腰型”，从旋转阀7的旋转中心轴O开始加工，沿着自身径向方向向外延伸。高压槽72未穿透旋转阀7本体，不与插孔74连通。低压孔71相对高压槽72，在旋转轴O相对的位置上，沿着固定的半径加工成“扇环”状，贯穿旋转阀7，与罩体2内的低压通路22连通。当旋转阀7沿着自身旋转轴O旋转时，高压槽72与低压孔71间隔与配气孔63气密连通，形成阀门切换形式。

旋转阀7背面75上有插孔74，偏心凸轮柄31插入其中，在电机12的驱动下，可进行绕旋转轴O旋转。凸轮柄31中心线与插孔74中心线重合，并且通过连杆5的转化，可将其圆周运动转化成活塞10上下直线往复运动。

需要说明的是，本实施例所提到的“上方”或“下方”均是指相对旋转阀7的旋转轴O，或是配气阀6的中心轴O的方位。可以理解的是，旋转阀7的旋转轴O与配气阀6的中心轴O为同轴。

本发明的旋转阀机构中配气阀6上的高压气孔62一般为中心轴线O布置的通孔，配气阀气孔63在偏离中心轴O的“下方”靠近热腔8一侧，并与罩体2上的气孔21气密连通。

为了使得低温制冷机能形成制冷效应，膨胀腔9内的容积变化和压力变化必须依据图4所述的循环方式，即顺时针循环。b→c过程标示低压阀门开启，进行低压排气过程，膨胀9容积此刻最大，活塞10处于往复行程最上端的位置，如图3左图所示，凸轮柄31相对旋转轴O处于“上方”。由于配气阀6上的配气孔63布置在中心轴O的“下方”，即靠近热腔8一侧，此刻旋转阀7上的高压槽72不与配气孔63连通，高压槽72径向延伸方向必须处于旋转轴O的“上方”，否则高压气流将导通。这时，插孔74与高压槽72相对旋转轴O同处于“上方”。同理，d→a过程表示高压阀门开启，进行高压进气过程，膨胀9容积此刻最小，活塞10处于往复行程最下端的位置，如图3右图所示，凸轮柄31相对旋转轴O处于“下方”。此刻旋转阀7上的高压槽72必须与配气孔63连通，高压槽72径向延伸方向必须相对旋转轴O的处于“下方”，否则低压气流将导通。这时，插孔74与高压槽72相对旋转轴O同处于“下方”。

进一步说明基于上述旋转阀机构的结构实施方式，插孔74始终与旋转阀7上的高压槽72径向延伸方向处于相对旋转轴O同一侧。在凸轮柄31与插孔74之间空隙内安装有弹性体100。该弹性体100具有沿着凸轮柄31中心轴线(点划线)方向以被压缩状态安装。

弹性体100受到凸轮柄31的挤压，产生的预紧力将作用在插孔74的底部。由于插孔74相对旋转轴O是偏心布置，并且与高压槽72径向延伸方向对应一侧的背面75上，因此该预紧力将由正面按压旋转阀7的切换面73，紧贴于配气阀6配气阀面61上，并且切换面73在高压槽72径向延伸方向一侧更容易压紧于配气阀面61。这与高压槽72内高压气流产生的作用力，即前述的“非对称压力”产生相反的效果。

所述的弹性体100选择具有沿着凸轮柄31中心轴线压缩特性的部件，例如弹簧、垫圈，也可以是O圈，橡胶垫等，不限于上述部件类型。进一步说，所述弹性体100对材质并无要求，可以是金属、塑料或橡胶等，只要具有规定方向上的压缩特性部件即可，例如截面为“V”型或“U”的张力夹。

本发明中所述弹性体100以被压缩方式产生的预紧力，与直接采用凸轮柄31刚性作用于插孔74上比较，可根据“非对称压力”在一个周期内的变化进行自适应变化，即按照最大压力区域，具有更大的预紧作用力以抑制阀门的泄漏，并且本发明中，仅仅在凸轮柄31和插孔74之间加入可压缩的弹性体100，依靠其压缩变形的预紧力将旋转阀7作用于配气阀面61的“非对称压力”抵消掉，降低了所述双方作用区域发生分离、气体泄漏的风险。

相应于本发明实施例一的旋转阀机构，本发明实施例二提供一种低温制冷机，包括所述的旋转阀机构。

进一步地，配气阀6通过阀体定位销16偏心固定在罩体2上，背离配气阀6的端侧嵌置有弹簧15，旋转阀7通过轴承14定位在罩体2内。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。

通过上述说明可知，本发明实施例的有益效果在于：旋转阀加工几乎与传统工艺一致，仅仅增加了价格低廉的弹性体，通过弹性体在凸轮柄与插孔之间压缩变形为旋转阀高压槽一侧的切换面，提供偏心的预紧力，在全周期内降低“非对称压力”的影响，降低该区域上制冷剂气体泄漏风险。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种旋转阀机构，包括：同轴安装在低温制冷机的罩体（2）内的配气阀（6）和旋转阀（7），其特征在于，配气阀（6）上的高压气孔（62）气密地将压缩机（1）排出的高压气流与旋转阀（7）上的具有径向方向延伸的高压槽（72）在旋转轴对应的中心侧连通；相对于旋转阀（7）上的切换面（73），在所述旋转阀（7）的背面（75）上有用于安插偏心凸轮柄（31）的插孔（74），所述插孔（74）相对旋转轴偏心布置，并且与所述高压槽（72）径向延伸方向对应；在所述凸轮柄（31）与插孔（74）内的空隙中安装有弹性体（100），所述弹性体（100）沿着凸轮柄（31）中心轴向方向以被压缩方式安装。

2.根据权利要求1所述的旋转阀机构，其特征在于，配气阀（6）由阀体定位销（16）限制其绕自身轴旋转运动，旋转阀（7）安装在轴承（14）上，沿着配气阀（6）轴线同轴正面紧压于配气阀（6）。

3.根据权利要求1所述的旋转阀机构，其特征在于，旋转阀（7）径向方向上相对于高压槽（72）的另外一侧的低压孔（71）与罩体（2）内的低压通路（22）气密连通。

4.根据权利要求1所述的旋转阀机构，其特征在于，所述弹性体（100）为弹簧或垫圈。

5.根据权利要求1所述的旋转阀机构，其特征在于，所述的弹性体（100）为O圈或非金属垫。

6.一种低温制冷机，其特征在于，包括如权利要求1~5任一项所述的旋转阀机构。

7.根据权利要求6所述的低温制冷机，其特征在于，配气阀（6）通过阀体定位销（16）偏心固定在罩体（2）上，背离配气阀（6）的端侧嵌置有弹簧（15），旋转阀（7）通过轴承（14）定位在罩体（2）内。