CN1818510A - 一种单管式气波制冷器及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

一种单管式气波制冷器及其制冷方法属于压力气体的射流与气体波制冷技术领域。该制冷器由喷管、气体分配盘及气波振荡管三大关键部件组成。能够模拟反映不同类型波机器振荡管的使用性能，准确测取流场内波的运动规律和状况，为相关机理研究提供有价值的数据。能够进行各种变工况以及单因素的实验研究，满足了气体波制冷研究的需要并拓展气体波制冷技术的应用范围。本发明结构简单，操作简便、性能稳定，运行参数易于调控，既适用于一般小型的制冷用途及场合，也能够供研究之用。

Description

一种单管式气波制冷器及其制冷方法

技术领域

本发明属于压力气体的射流与气体波制冷技术领域。

背景技术

气波制冷机、多级气波制冷机以及射流振荡制冷机，均可归类于气体波制冷机械。它们所具有的相同之处：均是利用机器上的激波振荡管产生的冷、热效应从而达到制冷的目的。工作时，带有压力的进口来料气体通过喷嘴膨胀加速，由喷嘴出口高速喷出，依次间歇地射入前方辐射排布的多根末端封闭的振荡接受管中，在周期性激振作用下管内气体接受射入气体的压力能，并通过波系—激波、压缩波和膨胀波的相互作用完成不定常膨胀做功和能量转换，并消除反射激波的不利影响实现气体制冷。差异只在于结构上有所不同，其中最显著的差别体现在喷嘴的运行方式上，气波制冷机和多级气波制冷机喷嘴是旋转的，皆是依靠利用气体的压差或电机驱动使气体分配器——喷嘴旋转，而射流振荡制冷机则射流喷嘴是静止不动的，整机无任何运动部件。虽然另一个关键制冷元件——振荡接受管的数量一般分别为60～80和5～13根，但基本结构是一样的，气体波制冷机械的最主要核心问题是激波振荡接受管内的气体流动和多种气体波的形成情况。因此选择其中一根管子为研究模型，剖析其流场情况流动状况流场情况，即可全面认识其它接受管的内部流场情况。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构简单、操作方便和性能稳定的单管式气波制冷器及其制冷方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明单管式气波制冷器的基本构造主要包括喷管、气体分配盘及气波振荡管三部分。在气体分配盘的同一圆周上对称地设置若干个射气孔。工作时，电机带动轴和气体分配盘高速旋转，在分配盘射气孔对准喷管出口之前，射气孔出气边前缘先将气波振荡管开口端封闭。一定时间后，射气孔对准喷管口，气体射流进入气波振荡管。当射气孔转离喷管口后射气停止，同时，射气孔后缘将开口端封闭。随后，射气孔后缘转离开口端，开口截面与排气室相通，开始排气。在充气阶段，喷管通过射气孔与气波振荡管开口端相连通，射流气体充入气波振荡管中。而在排气阶段，气体分配盘将喷管和气波振荡管完全分隔开来。因而该结构方案泄漏量小。

本发明的技术解决方案还包括以下几点结构特征：

1、喷管10见图12是一个在其内部前面部分加工成由大到小呈渐缩形的锥体，后部则为平直的圆孔段，整体属于收缩型喷嘴，射流口的尺寸范围在Φ4～Φ18之间，喷嘴口径尺寸及形状依据流量和研究内容的需要确定。喷管外部圆柱体的中间是一个作为固定用的圆形法兰盘。内锥体大口一端的外部圆柱体上加工有右旋的细牙螺纹。

2、气体分配盘16是由一组多个外形尺寸相同的系列件组成。它们分别在同一圆周上均布了2个、3个、4个或者更多数量的不同口径的射气孔，如：Φ6、Φ8、Φ10、Φ12等，射气孔还可加工成长圆孔，见图9中的4个射气孔即为长圆孔，射气孔的个数及尺寸长短决定了充排气时间比的大小。举二个例子：一个气体分配盘盘面上均布了3个Φ10的射气孔；另一个气体分配盘盘面上均布了4个Φ8的射气孔。分配盘16中心设有轴孔71，以与转轴20配合，该孔的周围部布置了6个小圆孔，以通过螺栓将分配盘固定到靠背盘18上。在分配盘16上平面一边，见图10有一个深为5mm的环形宽槽，射气孔68无论是圆孔还是长圆孔均是通透的。该盘下部凹进去敞开一边内的实体面上，在4个长圆形射气孔之间，分别设有未加工透的大的长圆形排气槽66。在这同一个平面上每一个射气孔的二边分别设有前缘67、后缘69，前、后缘的长度一般是射气孔68长度的1～2倍。另外该分配盘外环72是一个宽边的环状体，在运转的过程中它的内壁与机器壳体3和23的内壁及气体分配盘16的下平面，构成了本制冷器的排气腔室。

3、气波振荡管43为一根一端敞口而另一端封闭的均直管或在尾端连接一个突扩管，突扩管的尾端仍是封闭的。在距管敞口端500～1000mm处设有一个可拆卸的接头体64，以连接后续振荡管。管接头有金属制的，也使用工程塑料加工制作的隔热接头，气波振荡管43的总长度一般在1500～6000mm之间选取变化，管壁厚度一般在1～2mm之间选取。管径选取范围为Φ6～Φ18mm。

4、装夹固定气波振荡管43的管套夹具，见图14，其结构为：内部两侧为不等径敞开式圆孔，其间有一阶梯台，以供更换不同规格振荡管配装相应的内套管时定位用。管套夹具外部中间位置是一法兰式的圆盘件，远离机体一端的外部是一个只设二孔的菱形法兰。在机架平台上还装有通过竖立的丝杆螺纹的管卡40，可调后续振荡管的高度并固定。

5、为能够方便准确快速地更换不同管径的气波振荡管43和找正对心制有专门的其中外套管始终不变，只是内套管根据气波振荡管43管径的大小不同制备了多种规格的配套件即套管夹具内套管45，其外部尺寸不变，内部尺寸随管径改变，结构形式见图17和图18，使用时根据需要作相应的更换。

6、机器壳体是由两个半圆体壳体下部3和壳体上部23构成，见图4和图5，上下两部分在中间对接组成一个完整主机体，内部是一个合为一体后加工的圆形腔室，机体一面为敞口，另一面为实体器壁，实体一面中间设一Φ70圆孔，供轴承和轴承压盖28安装，距中心45°斜上方位置开一Φ25圆孔，以连接排气管61。

7、转轴20是一阶梯轴，见图19，其上设有多处轴肩，细轴一端设置一键槽。靠背转盘18与中间轴段采取烘装形式装配。以供、气体分配盘16、轴承19、测速齿轮30和皮带轮31安装定位。轴的安装位置在壳体23的中心，转轴20的中心线与壳体23的中心线重合。该转动轴以轴两端各一套轴承作为支撑，转轴20的细轴一端从机器壳体的封闭一侧中心开孔伸出

8、端盖4是一个完整的圆盘件，其一边为平面，另一边设有一个小于端盖外径的环形凸台，凸台的中间是凹心的，凸台的外圆与机器壳体的内腔壁面作间隙配合并起定位作用，其上设有放置O形圈7的环形沟槽，端盖上凸台以外的四周边缘均布了8个螺栓通孔。另外在端盖面上设有三圆孔，处于中间位置的大圆孔Φ65，与大圆孔平行的是小圆孔Φ30，在端盖4上开Φ14孔接出一根导出管62。

本发明所达到的有益效果和益处是：

1.既可做研究之用，也适用于一般小型的制冷场合。

2.结构简单，易于加工、安装和拆卸。

3.互换性好，更换实验件方便快捷。

4.运行参数易于调控，可进行各种变工况以及单因素的实验研究。

如：转速、温度、压力、流量、流场内的气速、压力波形等等测试。

5.采用工程塑料制作隔热接头及在气波振荡管内插非金属套管，以隔阻管壁的热量反馈。对提高制冷效率，效果显著。

6.因单管式结构简单，通过加水套管或风冷等强制换热手段，可以实现制冷效率的显著提高。

7.流量、压力和膨胀比可调范围大。

8.耗气及原材料少，制造、使用及维护容易，故可节省经费。

以往开展此类波制冷机械机理方面的研究一般只能在制冷整机上完成一部分数据采集的工作。由于实验件更换数量多，难度大，且整机实验耗气量大且不稳定，所以对于诸多影响波制冷机效率的因素进行实验研究和综合分析较难进行，特别是有一些涉及机理研究的内容，例如：振荡接受管内各种波的形成过程；波的强弱如何？激波能否形成？压缩波、激波、膨胀波在何处形成？反射激波能否完全消除？会否返回入口膨胀端降低制冷效率？波机器在不同的运行工况、不同的压力及膨胀比、不同的转速下性能和效率如何？不同管径及管长对转速及效率的影响？结构及工况的最佳匹配等等。

本发明的装置及技术能够完成诸如：变换机器结构、喷管口径尺寸，变管长、管径、变换弯管部位、气波振荡管后部异径管连接变换、改变反射激波吸收腔的结构和尺寸、改变压力工况及膨胀比等一系列组合匹配重要实验。由于转速对波机器的效率影响很大，所以本机通过调节转速来研究在不同膨胀比等条件下转速对制冷效率的影响，可以获得最佳转速等有价值的数据。通过采集振荡管内流场的各种压力波形和温度数据，用以揭示其中速度场、密度场、温度场的形成规律与分布状况等等。这些有关机理特性方面的研究内容对于进一步提高波制冷机的制冷效率及性能都极有价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是单管式气波制冷器结构示意图。

图2是单管式气波制冷器装置主视图。

图3是单管式气波制冷器装置侧视图。

图4是机器壳体主视图。

图5是机器壳体俯视图。

图6是机器壳体A-A向剖视图。

图7是制冷器端盖的主视图。

图8是制冷器端盖的侧视图。

图9是制冷器气体分配盘主视图。

图10是制冷器气体分配盘A-A向视图。

图11是制冷器气体分配盘B向视图。

图12是制冷器喷管的主视图。

图13是制冷器喷管的俯视图。

图14是气波振荡管固定套管主视图。

图15是固定套管夹具俯视图。

图16是固定套管夹具A-A向剖视图。

图17是套管夹具Φ16管内套结构示意图。

图18是套管夹具Φ12管内套结构示意图。

图19是制冷器转轴的结构示意图。

图20是转轴的侧视图。

图21是转轴的A-A向剖视图。

图22是转轴的B向剖视图。

图23是气波振荡管开口端封闭时内部工作原理图。

图24是气波振荡管开口端敞开时内部工作原理图。

图1中：1.定位销，2.支架顶板，3.壳体下部，4.大端盖，5.进气阀门，6.温度和压力表，7.O形密封圈，8.进气管，9.管接头，10.喷管，11.双头螺柱，12.螺母，13.垫片，14.调整垫，15.四氟环形垫圈，16.气体分配盘，17.螺栓，18.靠背转盘，19.轴承，20.转轴，21.小端盖，22.螺栓，23.壳体上部，24.螺母，25.螺栓，26.垫圈，27.弹簧垫片，28.轴承压盖，29.垫圈，30.测速齿轮，31.小带轮，32.弹簧挡圈，33.键，34.密封填料，35.填料压盖，36.O形密封圈，37.螺栓，38.螺母，39.垫圈，40.管卡，41.螺栓，42.螺母，43.气波振荡管，44.螺栓，45.存套，46.导向定位管套，47.底座板，48.支架，49.螺母，50.电机，51.大带轮，52.键，53.皮带，54.垫圈，55.螺母，56.螺栓，57.V形铁架，58.测速传感器，59.支杆，60.测温传感器，61.排气管，62.导出管，63排气阀门，64.接头体，65.激波吸收腔，66.排气槽，67.射气孔前缘，68.射气孔，69.射气孔后缘，70.进气端环形凹槽，71.轴孔，72.分配盘外环，73.接触面，74.激波，75.右行膨胀波。

具体实施方式

见图1，实施本发明的一种单管气波制冷器装置主要由喷管10、气体分配盘16、气波振荡管43、主机体壳体23、转轴20、电机50、皮带轮51、测速齿轮30、大端盖4及轴承19等零部件组成。

其中作为本发明的关键部件的喷管10、气体分配盘16上的射气孔68及气波振荡管43三者的轴线中心必须要在同一直线上，同心与否对于本制冷器的作用发挥和效能十分重要。鉴于此，也为了便于安装调试和满足实验研究的要求，本机进气管路的管接头9采用细牙螺纹与喷管10连接，以实现微量调距和减小偏差；

喷管10见图12，是一个前部制成由大到小呈渐缩形的内锥体，后部则为平直的圆孔段，整体属于收缩型喷嘴，射流口的尺寸范围在Φ4～Φ18之间，喷嘴口径尺寸及形状依据流量和研究内容的需要确定。内锥体大口一端的外部圆柱体上加工有右旋的细牙螺纹。喷管外部圆柱体的中间是一个作为固定用的圆形法兰盘。用螺栓通过该法兰盘将喷管10固定在大端盖4上，喷管10的位置与转轴20在一个水平面上，气波振荡管43通过管套库和夹具固定，其与喷管10一样均为静止件，而气体分配盘16则随转轴20旋转。

气体分配盘16的安装是通过螺栓将其固定在转轴20的靠背转盘18上，并随轴一起作旋转运动。靠背转盘18与转轴20之间是采用过盈配合并烘装在一起，且轴上件的受力方向是正面观视图自左向右方向，也即转轴20由粗变细的方向。气体分配盘16是由一组多个同样尺寸外形的系列件组成。在同一圆周上分别均布了2个、3个、4个和6个数量不等以及不同口径的射气孔，射气孔的个数及长度决定了充排气时间比的大小。当气体分配盘16上的射气孔与喷管出口内截面重合时，喷管10、气体分配盘16上的射气孔68及气波振荡管43三者的中心轴线在同一直线上。随着气体分配盘16的的高速旋转，每个射气孔68都周期性地经过喷管10出口截面。当射气孔68经过喷管10出口截面时，从喷管10出来的高速射流经射气孔68进入气波振荡管43中；当射气孔68转离喷管10出口截面时，则气体分配盘16将喷管10和气波振荡管43的开口端分隔开，气波振荡管43开口端通过气体分配盘16上的排气槽66与排气腔室相联通并开始排气。因此气体分配盘16起着射流开关的作用，依靠气体分配盘16的旋转作用将喷管10产生的连续射流变为间歇性的脉动射流，实现气波振荡管43周期性的充、排气切换。见图10在气体分配盘16上平面一边，有一个深为5mm的环形宽凹槽，因大端盖4上有一环形凸台，当气体分配盘16旋转起来后，它们之间只有很小一点间隙，加上离心力的作用，可以减少喷管10前端面向四周的泄漏。气体分配盘16上射气孔68无论是圆孔还是长圆孔均是通透的，射气孔68的开孔数量根据研究的需要确定。该盘下部凹进去敞开一边内的实体面上，在4个长圆形射气孔之间，分别设有未加工透的大的长圆形排气槽66。在这同一个平面上每一个射气孔68的二边分别设有前缘67、后缘69，前、后缘的长度一般是射气孔68长度的1～2倍。另外该分配盘外环72是一个宽边的环状体，在运转的过程中它的内壁与机器壳体3和23的内壁及气体分配盘16的下平面，构成了本制冷器的排气腔室。使得在排气阶段在排气端一侧有效地将射入气与排出气完全分隔开，较好地解决了射流过程中的泄漏及充、排气间的掺混问题。

气波振荡管43为一根一端敞开口而另一端封闭的均直管，或在尾端连接一个突扩管，突扩管的尾端仍是封闭的。在距管敞口端500～1000mm处设有一个可拆卸的接头体64，以连接后续振荡管。管接头有金属制作的，也有用工程塑料加工制作的隔热接头，另外内插非金属套管，均为用来阻断气波振荡管管壁热量传导和反馈的有效方法手段。气波振荡管43的总长度一般在1500～6000mm之间选取变化，管壁厚度考虑散热效果好故在满足强度要求的情况下尽可能薄，一般在1-2mm之间选取。管径及管长由喷嘴口径大小和数量、处理气量、气流速度等参数来确定，并且要根据研究的需要和要求经常调整改变。管径选取范围为Φ6-Φ18mm。

为了能够方便准确快速地更换不同管径的气波振荡管43和找正对心制有专门用来装夹固定气波振荡管43的管套夹具，见图14，其结构为：内部两侧为不等径敞开式圆孔，其间有一阶梯台，以供更换不同规格振荡管配装相应的内套管时定位用。管套夹具外部中间位置是一法兰式的圆盘件，远离机体一端的外部是一个只设二孔的菱形法兰。在机架平台上还装有通过竖立的丝杆螺纹的管卡40，可调后续振荡管的高度并固定。当需换管时，套管夹具的外体始终不变，只是内套管根据气波振荡管43管径的大小不同制备了多种规格的配套件即套管夹具内套管45，其外部尺寸不变，内部尺寸随管径改变，结构形式见图17和图18，使用时根据需要作相应的更换。本机振荡接受管材质选取兼顾和满足了导热、传热性能和强度要求，一般以紫铜管或无缝钢管为宜。

机器壳体是由一回转体从中间抛分成上下两个半圆体，二个半圆体与焊接在其两侧边缘上的凸台构成了壳体下部3和壳体上部23，中间加有密封垫，再通过螺栓将紧固组合成为一个整机体，见图4和图5，内部为一个合为一体后加工的圆形腔室，以放置与之相配合的气体分配盘16，机体一面为敞口，另一面为实体器壁，实体一面中间设一Φ70圆孔，供轴承和轴承压盖28安装，距中心45°斜上方位置开一Φ25圆孔，以连接排气管61。之所以由两个半圆体构成机器壳体是由于内件安装的需要所致。转轴20是一阶梯轴，见图19，其上设有多处轴肩，以供靠背转盘18、气体分配盘16、轴承19、测速齿轮30和皮带轮31安装定位。轴的安装位置在机器壳体的中心，转轴20的中心线与壳体23的中心线重合。该转动轴以轴两端各装一套轴承作为支撑，轴承19分别安装放置在端盖4内和机器壳体的器壁内，右侧轴承19通过轴封端盖28压紧轴承外圈，静止的端盖28与转轴20之间的密封由螺纹压帽35压紧由柔性石墨制成的填料环34完成。转轴20的细轴一端从壳体的封闭一侧中心开孔伸出，轴端通过键联接固定安装由小皮带轮31与计速齿轮30合为一体的组合件，计数齿轮30由60个齿组成，按模数m＝2制造，电机轴上安装大皮带轮，电机50通过皮带传动带动机器转轴20旋转，

端盖4为本制冷器的机体封盖，它是一个完整的圆盘件，其上设有二圆孔，打开处于中间位置的大圆孔封盖可给轴承加注润滑脂，与大圆孔平行的小圆孔是用来安装和定位喷管10的，喷管10通过其上的圆盘法兰用螺栓将其紧固到端盖4上，法兰盘与端盖4之间装有调整垫14，调整垫片除用作调整喷管10的位置及与气体分配盘16的配合间隙外，还用于此处的密封防泄漏，端盖4的内部设有一完整的环形凸台，凸台的外圆起定位作用与机器壳体的内腔壁面作间隙配合，其上安装的O形密封圈7是为防止气体从边上缝隙处泄漏，在凸台的前端镶嵌有环形的四氟板，是为缩小间隙减少摩擦所设，喷管10的前端刚好穿过四氟板形成的平面，增大了前端面积减少气体泄漏量，另为了在此处能更进一步减少气体泄漏，喷管10的前端随前面提到的端盖4上的凸台嵌入到气体分配盘16上进气一侧专门设置的环形凹槽中，这作为一种密封形式目的也是阻止喷管射流时的未制冷气体流入盘后与冷气混合。喷管10的后端通过直通式管接头9与进气管8相连，管接头9内喷管10与进气管8之间加装有密封垫片为防螺纹处气体泄漏。另在端盖4上开孔接出一根导出管62，并由阀门控制，用以必要时将从喷管10射出，但并没有进入到气波振荡管43内的少量气体引出，目的仍然是防止和减少冷热混合，提高制冷效率。另外还通过在气波振荡管43外加装水套管，下进上出，采用强制换热手段，可以实现制冷效率的显著提高。

在进气管8上安装控制阀门以调节进气压力。工作时，未经制冷的常温气体经进口阀门5及进气管8进入喷管10，进气管8上焊管连接安装压力表，并通过安装测温传感器，连接温度表。排气管61上也同进气管一样以相同的方式连接排气阀门63、压力表和温度表。在气波振荡管43上每间隔150mm安装一定数量的压力和温度传感器。

本单管气波制冷器安放在铁架平台上面的V形铁之上，见图2、图3，电机50安装在机架中间的斜向角钢拉筋之上，开有长圆孔槽，供移动电机调节传动皮带松紧。

二、制冷技术及方法

由喷管10、气体分配盘16及气波振荡管43三大核心部件构成了本发明单管式气波制冷器的主体框架。其中气体分配盘16是装置中完成间歇射气，使气波振荡管43内产生脉动气流和气体波作用，进而实现制冷器冷、热效应的关键部件。其主要作用是将由喷管10产生的连续射流变为间歇性的脉动射流，并使气波振荡管43的开口端周期性地经历封闭—充气—封闭—排气这样一个工作过程。以上三者之间的的完整工作循环实际上包括四个阶段：1、射气前的准备阶段，即射气孔68前缘67结束排气运动的过程；2、射气过程；3、射气后的尾处理阶段，即射气孔后缘结束射气运动的过程；4、排气过程。射气孔前缘67完成的是气波振荡管43中由冷气排放过程向射气过程的切换，即：结束排气，开始射气。其间隔宽度与射气孔的宽度尺寸相当。当冷气排放时，管内气体有一个朝向开口端的惯性运动，这里称作排气运动。继续经射气孔前缘67对气波振荡管的短暂时间封闭，管内气体的排气过程此刻结束。射气前管内气体处于瞬间的相对静止状态，避免了射入的新鲜气与反向流往振荡管开口端的管内循环气直接相撞，造成制冷效率的降低，从而完成了射气前的准备工作。

同样，射气孔后缘69具有相似的结构形式和尺寸但却有不同的作用，通过它完成气波振荡管43中由射气向排气过程的切换，即结束射气过程，开始排气过程，不过此时射气孔后缘69结束气波振荡管43内气体的射气运动是从射气运动方向的后面作用的，而前缘结束排气是从排气运动方向的前方作用的。射气运动是指管内气体，包括新鲜气和循环气朝向管子封闭端的运动。射气运动结束，管内气体可认为处于均匀的静止状态，当然温度参数除外，新鲜气的动能和压力能完成向循环气的充分传递，且管内气体膨胀充分，完成新鲜气的管内致冷作用。这就完成了射气后的尾处理过程。然后进入排气过程。接着重复上述过程，如此周而复始。实际上气体分配盘16在中间起了一个切换开关的作用。

本发明单管式气波制冷器的制冷原理主要都是通过气波振荡管中气体波系间的相互作用的关系来实现的。即还可以通过气波振荡管的工作机理作进一步的揭示。气波振荡管内的工作过程可概要描述为：高速气流射向气波振荡管43的瞬间，射入的新鲜气体与管内原有的滞存气体之间会形成一接触面，该接触面可视为一无质量的气体“活塞”；由于接触面两边压力和速度都不相等，故该“活塞”是不断前后移动的，向前运动时，则在“活塞”的前方将出现同方向运动的激波，激波所产生的能量大大强于压缩波，激波产生和到达扫过之处，气体连续受到压缩，温度和压力升高，经过多周期的作用，管内气体温度越发升高，并通过管壁散热，完成能量转换。由于射入气体对管内气体膨胀做功，故使自身能量降低，总温下降。由于管内压力大于管外压力，管内射入气体反向流出管口，经66排气槽汇集到排气腔室后从机器出口排出，完成一个制冷循环。激波的产生是我们希望的，因从能量守衡的理论分析：一边温度越高，则另一边温度就越低，制冷效率将越高，但如果气波振荡管43的尾端不变径，直接封闭，则气体遇固壁会产生反射激波，反射激波会将部分热量传回管口，抵消部分制冷后的温降，造成效率降低，这是我们不希望的，故在管尾端加装了激波吸收腔，即是突扩变径的空心管，以吸收反射激波，提高机器的制冷效率。由于该类波机器所有振荡接受管的内外部结构均完全相同，因而剖析其中一根振荡接受管的流场情况均能反映机器上其余接受管内的流动状况，

本发明单管式气波制冷器及技术能够完成诸如：变换机器结构、喷管口径尺寸，变管长、管径、变换弯管部位、气波振荡管43后部异径管连接变换、改变反射激波吸收腔的结构和尺寸、改变压力工况及膨胀比等一系列组合匹配重要实验。通过在此根气波振荡管43的各个不同部位安装温度和压力传感器，就可以采集获取这些关键部位的压力波形和温度数据。通过将热线风速仪双针式探头安装在气波振荡管43的各处，测定流场内不同部位的气流速度，以期实时完成变工况条件下的流场数据采集，探测激波发生、发展的运动规律。由于转速对波机器的效率影响很大，因而变转速的实验内容非常重要，本制冷器装置运用调频器来调节电机的转速，还可通过计数齿轮结合计数传感器读取实际转速，这样便可在其他工况参数不变的情况下，通过调节转速来研究在不同膨胀比等条件下转速对制冷效率的影响，以获得最佳转速等有价值数据。本装置的实际测量操作过程是由电机通过其上安装的大皮带轮带动装置主轴上的小带轮，进而带动转轴20上的气体分配盘16分配射流，气体分配盘16的转速由皮带传动比来确定，传动比n的范围为1～2.5，可调转速范围在500～7500rpm，涵盖了多个最佳转速区段，当转轴20和气体分配盘16一起随电机驱动的皮带轮作不同旋转速度的转动时，转速由调频器调节控制，还可通过安装固定在壳体下部3上的测速传感器58接收计数齿轮30给出的信号，再通过转速表读取转速值，以校验调频器显示的读值是否准确。本装置电机拖动的动力消耗为1.5KW。

首先调节调频器启动电机，带动机器转轴20及气体分配盘16转动，然后再先后打开排气63和进气阀门5，必须先打开排气阀63，以防憋压。使用时可根据需要调节进、出口阀门的大小，以改变压力和膨胀比，进、出口压力通过装在进口管8和出口管61上的压力表读出，进气压力可调范围为0.1～1.6MPa，膨胀比ε＝进口绝对压力P_进/出口绝对压力P_出，膨胀比可调范围为1.0～10.0，一般情况下，随着膨胀比的增大，气波振荡管产生的温降也明显增大，但制冷效率不一定增加。另由于气体分配盘16上的分别平均设置分布了2～6个射气孔，在500～7500rpm可调转速范围内旋转，故对气波振荡管43的射流激励频率可调范围为15～750Hz。制冷前后的温度值则通过装在进、出口管上的温度传感器经温度表读出。未经制冷的常温气体经进口阀门5及进气管8进入喷管10，从喷管口中射出的压力气体间歇周期性地射入到气波振荡管43中，由于该管是一端封闭的结构，从管内返出的经制冷后的低温气体则通过气体分配盘16上开出的多个排气槽66流向机内的低压腔室，汇集后经出口管61排出使用。本机的处理量为28～55NM³/h，制冷效率η＞45％。

本制冷器可实现在诸多影响效率因素存在情况下，分别只改变其中一种因素或一种工况条件，而其它因素条件均不改变，以完成多个研究项目的内容，例如：只改变转速或频率，而进、出气压力、膨胀比、喷嘴形状口径，接受管管长、管径等均不改变，流场怎样变化？效率曲线如何？由于该类波机器所有振荡接受管的内外部结构均完全相同，因而剖析其中一根振荡接受管的流场情况均能反映机器上其余接受管内的流动状况，使气波振荡管内的气体波系，指：压缩波、激波、膨胀波和反射激波的运动等流场流动信号加强，用每隔150mm打孔插入并封装的热线风速仪双针式传感探头采集气流速度信号，在另一根流道和管上用每隔150mm分别相对安装的压力传感器和热电偶温度传感器，以采集压力信号和温度信号，压力信号通过电荷放大器输入到32通道多功能数据分析仪后可获得各点的压力波形，温度信号则通过计算机的处理作出各点的温度分布曲线，还须用接触式温度测量仪测量接受管壁面各点的温度。另外在装置的某些关键部位设置测点进行测量，如：在气波振荡管43敞口端附近安装测温传感器60采集该处的温度，此位置是最低温度点。

另外接受管振荡频率的高低决定着管壁温度的分布，同时影响到向外界散发热量的多少。在振荡过程中，伴随着气体温度的变化，同时管壁温度从常温逐渐按某种规律分布，由于气体与管间的传热膜系数远小于金属壁之间的导热系数，稳定后管壁温度基本上是沿某曲线分布的定值；由于温度梯度的存在，热量沿管壁大量散发到外界，同时部分热量轴向沿管壁返回到冷气中；在管内某定点，气体质点在该点附近振荡，温度、压力呈周期性转变。为了获得气波振荡管这一关键和重要的射流制冷元件内不同位置的压力及温度等有价值的研究数据及参数，在该管的相应位置安装了一组多个压力传感器和温度传感器，以采集温度和压力数据。通过该装置可以试验多种新型射流元件对流场或温度效应影响的研究。可以完成各种管外强制换热性能状况研究，隔阻管壁轴向导热的研究，非金属隔热管件最佳隔热位置以及与壁温梯度的关系。

在实现上述功能后，使用本制冷器除可极大地提高实验研究效率，满足开展波机器基础研究的需要外。重要的是提供了一种新的制冷方法和技术手段。

Claims (9)

1.一种单管式气波制冷器，其特征在于，包括喷管、气体分配盘及气波振荡管三部分；喷管10是收缩型喷嘴，射流口的尺寸是Φ4-Φ18，喷管外部圆柱体的中间是一个作为固定用的圆形法兰盘，内锥体大口一端的外部圆柱体上有右旋的细牙螺纹；在气体分配盘16的同一圆周上对称地设置2-6个射气孔，分配盘16中心设有轴孔71，以与转轴20配合，该孔的周围部布置了6个小圆孔，以通过螺栓将分配盘固定到靠背盘18上，在分配盘16上平面一边，见图10有一个深为5mm的环形宽槽，射气孔68是通透的，该盘下部凹进去敞开一边内的实体面上，在4个长圆形射气孔之间，分别设有未加工透的长圆形排气槽66，其长度是射气孔长度的3-6倍，宽度是射气孔宽度的1.5-2倍，在这同一个平面上每一个射气孔的二边分别设有前缘67、后缘69，前、后缘的长度是射气孔68长度的1-2倍；另外该分配盘外环72是一个宽边的环状体，在运转的过程中它的内壁与机器壳体3和23的内壁及气体分配盘16的下平面，构成了本制冷器的排气腔室；气波振荡管43为一根一端敞口而另一端封闭的均直管，在距管敞口端500-1000mm处设有接头体64，以连接后续振荡管，气波振荡管43的总长度为1500-6000mm，管壁厚度为1-2mm，管径为Φ6-Φ18mm。

2.根据权利要求1所述的一种单管式气波制冷器，其特征在于，气波振荡管43尾端连接一个突扩管，突扩管的尾端是封闭的。

3.根据权利要求1所述的一种单管式气波制冷器，其特征在于，装夹固定气波振荡管43的管套夹具结构为：内部两侧为不等径敞开式圆孔，其间有一阶梯台，管套夹具外部中间位置是一法兰式的圆盘件，远离机体一端的外部是一个只设二孔的菱形法兰，在机架平台上设置有通过竖立的螺纹丝杆可调高低的管卡40。

4.根据权利要求1所述的一种单管式气波制冷器，其特征在于，机器壳体是由两个半圆体即壳体下部3和壳体上部23构成，上下两部分在中间对接组成一个完整主机体，内部是一个合为一体后加工的圆形腔室，机体一面为敞口，另一面为实体器壁，实体一面中间设置Φ70圆孔，供轴承和轴承压盖28安装，距中心45°斜上方位置开Φ25圆孔，接排气管61。

5.根据权利要求1所述的一种单管式气波制冷器，其特征在于，转轴20是一阶梯轴，其上设有6处轴肩，细轴一端设置一键槽，靠背转盘18与中间轴段采取烘装形式装配。

6.根据权利要求1所述的一种单管式气波制冷器，其特征在于，端盖4是一个完整的圆盘件，其一边为平面，另一边设有一个小于端盖外径的环形凸台，凸台的中间是凹心的，其上设有放置O形圈7的环形沟槽，端盖上凸台以外的四周边缘均布了8个螺栓通孔，在端盖面上设有三圆孔，处于中间位置的大圆孔Φ65，与大圆孔平行的是小圆孔Φ30，在端盖4上还开有Φ14孔一个以接出一根气体导出管62。

7.使用权利要求1所述的一种单管式气波制冷器进行制冷的方法，其特征在于，通过气波振荡管中气体波系间的相互作用实现制冷，气波振荡管内的工作过程为：高速气流射向气波振荡管43的瞬间，射入的新鲜气体与管内原有的滞存气体之间会形成一接触面，该接触面向前运动时，则在前方将出现同方向运动的激波，激波所产生的能量大大强于压缩波，激波产生和到达扫过之处，气体连续受到压缩，温度和压力升高，经过多周期的作用，管内气体温度越发升高，并通过管壁散热，完成能量转换；射入气体对管内气体膨胀做功，自身能量降低，总温下降，管内压力大于管外压力，管内射入气体反向流出管口，经排气槽66汇集到排气腔室后从机器出口排气管61排出，完成一个制冷循环。

8.根据权利要求7所述的一种单管式气波制冷的方法，其特征在于，由喷管10、气体分配盘16及气波振荡管43三大核心部件构成了本发明单管式气波制冷器的主体框架，其中，气体分配盘16是将由喷管10产生的连续射流变为间歇性的脉动射流，并使气波振荡管43的开口端周期性地经历封闭—充气—封闭—排气这样一个工作过程，以上三者之间的完整工作循环包括四个阶段：1、射气前的准备阶段，即射气孔68的前缘67结束排气运动的过程；2、射气过程；3、射气后的尾处理阶段，即射气孔后缘结束射气运动的过程；4、排气过程；工作时，电机带动气体分配盘16高速旋转，在射气孔68对准喷管10出口之前，该盘上射气孔68出气一端平面上的射气孔前缘67先将气波振荡管43开口端封闭；一定时间后，射气孔68对准喷管10出口，射流气体进入气波振荡管43中，当射气孔68转离喷管10出口后射气停止，同时射气孔后缘69气波振荡管43开口端封闭；随后射气孔后缘69转离气波振荡管43开口端，此时，该开口端敞口与气体分配盘16上的排气槽66相通，开始排气。

9.根据权利要求7所述的一种单管式气波制冷的方法，其特征在于，调节调频器启动电机，带动机器转轴20及气体分配盘16在500～7500rpm转速范围内旋转，然后再先后打开排气阀门63和进气阀门5，进气压力可调范围为0.1-1.6MPa，膨胀比ε＝进口绝对压力P进/出口绝对压力P出，膨胀比可调范围为1.0-10.0，气波振荡管43的射流激励频率可调范围为15-750Hz，未经制冷的常温气体经进口阀门5及进气管8进入喷管10，从喷管口中射出的压力气体间歇周期性地射入到气波振荡管43中，由于该管是一端封闭的结构，从管内返出的经制冷后的低温气体则通过气体分配盘16上开出的多个排气槽66流向机内的低压腔室，汇集后经出口管61排出使用，处理量为28-55NM³/h，制冷效率

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