CN116907114A - 旋喷制冷机 - Google Patents
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Abstract
一种旋喷制冷机，其基本结构为：包括1个压缩机、1个散热器、1个换热器、1个膨胀头、1个转子。压缩机的进气口接换热器的热端，压缩机的排气口与散热器的一端连接，散热器的另一端接换热器的热端，膨胀头的进气口、排气口接换热器的冷端。压缩机将工质压缩进入散热器排热，然后经换热器降温，进入膨胀头，再进入转子，经喷嘴喷出，通过特制的带有气体轴承的转子旋转喷气实现膨胀做功降温，同时带动膨胀头内的发电机发电。然后工质进入换热器换热后进入压缩机，完成一个循环。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域。
背景技术
随着新能源发展，对制冷技术的要求也越来越高。以氢能为例，液氢储运是较有潜力的技术方案之一，但液氢的生产能耗超过氢气释能的三分之一，能耗较高。目前液氢生产主流技术是采用克劳德循环，将氢气压缩，散热，然后经换热器后进入膨胀机做功，将温度降至30K，再经过焦耳-汤姆孙膨胀，降温至20K，将氢气液化。焦耳-汤姆孙膨胀是热效率低的节流膨胀。目前全球液氢产量约360吨/天，如果将来能源结构以氢能为主体且采用液氢，则产能至少要扩大1万倍，节能任务艰巨。另外，液氢储运需要严格保温，长距离运输不便且会不断释放氢气。如果沿途制冷，则面临克劳德循环设备体积过大而其它小型制冷设备不适用的问题。目前小型低温制冷机主要机型有两种：G-M制冷机和斯特林制冷机。G-M制冷机结构简单、制冷温度低，在4K～50K温区获得广泛应用。但是G-M制冷机每隔1、2年要检修制冷头，更换冷头密封件、滤芯等关键零部件，G-M制冷机还需要水冷、滤油、储气罐，体积也不小。G-M制冷头的制冷采用西蒙膨胀(绝热放气)原理，这是一个不可逆过程，其热效率不高，在4.2K液氦温区下，每获得1W的制冷量，须消耗2KW以上的功率。斯特林制冷机使用寿命长、体积小，在77K以上温区获得广泛应用。但是斯特林制冷机振动较大，热效率也不高，在20K时热效率低于G-M制冷机。
发明内容
本发明旋喷制冷机的目的是：设计一种制冷机，即可适应大规模的液氢生产，热效率高于克劳德循环；也可小型化，适用于液氦温区、液氮温区，包括核磁共振、红外探测、各种科学实验等场景，且热效率不会明显下降。具有热效率高、结构精简、调控方便、易磨损部件少、安装方便、维修量小、寿命长、振动小、工作温区大、适用范围广等特点。
本发明旋喷制冷机的基本结构为：包括1个压缩机、1个散热器、1个换热器、1个膨胀头、1个转子。膨胀头包含发电机。压缩机的进气口接换热器的热端，压缩机的排气口与散热器的一端连接，散热器的另一端接换热器的热端，膨胀头的进气口、排气口接换热器的冷端。
本发明旋喷制冷机的技术方案为：采用布雷顿循环，即克劳德循环免去焦耳-汤姆孙膨胀，通过特制的带有气体轴承的转子旋转喷气实现膨胀做功降温。压缩机将工质压缩进入散热器排热，然后经换热器降温，进入膨胀头，再进入转子，经喷嘴喷出，膨胀降温，同时带动膨胀头内的发电机发电，然后工质进入换热器换热后进入压缩机，完成一个循环。
附图说明
图1为本发明的旋喷制冷机的剖面结构示意图。
图2为本发明的旋喷制冷机膨胀头A-A的剖面结构示意图。
图3为本发明的旋喷制冷机膨胀头B-B的剖面结构示意图。
图4为本发明的旋喷制冷机膨胀头C-C的剖面结构示意图
图例中，11为压缩机、12为散热器、13为换热器、14为膨胀头排气管、15为膨胀头进气管、16为电阻、17为导线、21为膨胀头、22为节流器、221为节流器气腔、23为排气蜗壳、24为节流器供气道、25为固定喷嘴、26为电机定子线圈、31为转子、32为轴承气膜、33为转子气道、34为旋转喷嘴、35为永磁体、36为配平孔。
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例说明。
具体实施方式
旋喷制冷机的结构，见图1。
压缩机11的排气口与散热器12的一端连接，压缩机11的进气口接换热器13的热端，散热器12的另一端接换热器13的热端，膨胀头21通过膨胀头排气管14、膨胀头进气管15与换热器13的冷端连接。
膨胀头21的一个端面的中心接膨胀头进气管15。膨胀头进气管15的气道进入膨胀头21后分为两路：一路直接接固定喷嘴25，另一路拐弯接节流器供气道24，节流器供气道24给各节流器22输送高压气。固定喷嘴25为渐缩型。
膨胀头21中空，内部放转子31，转子31为圆柱体。各节流器22的节流器气腔221分布在膨胀头21内壁的端面、柱面。运行时，高压工质从节流器供气道24不断向节流器气腔221补充，保持较高压强，托起转子31，同时在膨胀头21的内壁与转子31的外壳间形成一个轴承气膜32。
膨胀头21的两端没有气路及节流器22的地方放置电机定子线圈26，电机定子线圈26通过导线17与放置在换热器13热端的电阻16连接。
膨胀头21的内壁柱面中间部位挖一道环槽作为排气蜗壳23，排气蜗壳23的内圈与轴承气膜32相通，排气蜗壳23的出气口与膨胀头排气管14连通。
转子31的一个端面的中心开孔为转子气道33，另一个端面的中心开一个盲孔作为配平孔36，使转子31的重心尽量与几何中心重合。转子气道33与固定喷嘴25相对，转子气道33进入转子31的中部后拐弯，分几路向转子31的柱面散开，末端接旋转喷嘴34。旋转喷嘴34为渐缩型，出口对准排气蜗壳23。工质沿切线方向从旋转喷嘴34喷出，流入排气蜗壳23。
永磁体35位于转子31的两端，永磁体35与电机定子线圈26相对，组成电机。
压缩机11将工质压缩进入散热器12排热，进入换热器13降温，然后经膨胀头进气管15进入膨胀头21，膨胀头进气管15的气道进入膨胀头21后分为两路：一路直接接固定喷嘴25，另一路拐弯接节流器供气道24，接节流器供气道24给各节流器22输送高压气。
固定喷嘴25为渐缩型，工质流经固定喷嘴25时流速加快，压强降低。工质从固定喷嘴25喷出时压强与轴承气膜32接近，减少工质从轴承气膜32流失。工质进入转子气道33，拐弯后经旋转喷嘴34从转子31喷出。旋转喷嘴34为渐缩型，工质流经旋转喷嘴34时流速进一步加快，温度、压强进一步降低，进入排气蜗壳23，吸收热量，实现制冷。
工质沿切线方向喷出，推动转子31及永磁体35转动，电机定子线圈26产生感应电流，通过电阻16将工质所做的功耗散掉。调整电阻16的大小，即可控制转子31的转速。
工质经排气蜗壳23整流后，从膨胀头排气管14进入换热器13，与高温高压工质换热后又重新进入压缩机11，实现工作循环。如果本机用于液氢生产，则排气蜗壳23还可作为离心气液分离器使用。
Claims (9)
1.一种旋喷制冷机，其特征在于：包括1个压缩机11、1个散热器12、1个换热器13、1个膨胀头21、1个转子31；所述压缩机11的进气口接所述换热器13的热端，所述压缩机11的排气口与所述散热器12的一端连接，所述散热器12的另一端接所述换热器13的热端，所述膨胀头21的进气口、排气口接所述换热器13的冷端。
2.根据权利要求1所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述膨胀头21内包括1个固定喷嘴25、多个节流器22、1个排气蜗壳23、多个电机定子线圈26；所述膨胀头21内部中空，内部放所述转子31；多个所述电机定子线圈26位于所述膨胀头21的两端。
3.根据权利要求2所述的旋喷制冷机，其特征在于：多个所述节流器22的节流器气腔221分布在所述膨胀头21内壁的端面、柱面；运行时，高压工质不断补充进入所述节流器气腔221，保持较高压强，托起所述转子31，并在所述膨胀头21的内壁与所述转子31的外壳间形成一个轴承气膜32，使所述膨胀头21与所述转子31成为一个气体轴承结构，所述转子31旋转时不与所述膨胀头21接触、摩擦。
4.根据权利要求2所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述膨胀头21的固定喷嘴25为渐缩型，工质流经所述固定喷嘴25时流速加快，压强降低；工质从所述固定喷嘴25喷出、进入所述转子31时压强与所述轴承气膜32接近，减少工质从所述轴承气膜32流失。
5.根据权利要求2所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述排气蜗壳23位于所述膨胀头21的内壁柱面中间，所述排气蜗壳23的内圈与所述轴承气膜32相通；所述转子31将工质喷入所述排气蜗壳23时，也将所述轴承气膜32内的工质不断带出，使所述轴承气膜32内的压强低于所述节流器气腔221内的压强。
6.根据权利要求1所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述转子31为圆柱体，所述转子31内包括转子气道33、多个旋转喷嘴34、多个永磁体35、1个配平孔36；所述转子31的两端放置所述永磁体35，所述永磁体35与所述电机定子线圈26相对，组成电机；所述转子气道33进入所述转子31的中部后拐弯，分几路向所述转子31的柱面散开，所述转子气道33的末端接所述旋转喷嘴34。
7.根据权利要求6所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述旋转喷嘴34为渐缩型，位置与排气蜗壳23相对；工质从旋转喷嘴34沿切线方向喷出，反推所述转子31转动，工质流速进一步加快，温度、压强进一步降低。
8.根据权利要求6所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述配平孔36位于所述转子气道33相对的另一个端面的中心，所述配平孔36为盲孔，使所述转子31的重心尽量与几何中心重合。
9.根据权利要求1所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述电机定子线圈26通过导线17与放置在所述换热器13热端的电阻16连接，工质推动所述转子31及所述永磁体35转动，所述电机定子线圈26产生感应电流，通过所述电阻16将工质所做的功耗散掉；调整所述电阻16的大小，即可控制所述转子31的转速。
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