一種活塞式氦氣壓縮機的製作方法

2023-05-01 04:10:41

專利名稱：一種活塞式氦氣壓縮機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及製冷與低溫技術領域的壓縮機，特別涉及一種特為小型制冷機配套使用的活塞式氦氣壓縮機。
背景技術：
隨著衛星通訊技術、高溫超導技術、超高真空技術的發展以及MRI設備、SQUIDs器件、紅外探測儀器在醫療、科研、軍事等方面的廣泛應用，小型低溫制冷機的需求量將會越來越大。G-M型、脈衝管型和斯特林型制冷機為小型制冷機中最主要的應用機型。其中G-M低溫制冷機以其性能穩定可靠、結構緊湊、使用維護方便，廣泛應用於通訊、電子和高真空技術領域。特別是制冷機冷卻的真空低溫泵，可獲得大抽速、無油清潔超高真空，而且結構緊湊，使用維護方便，它為應用於空間環境模擬設備、真空鍍膜、半導體材料生產加工等清潔無油超高真空設備的發展創造了極為有利的條件。G-M低溫制冷機一直是低溫泵中的絕對主力機型，佔據著絕大部分的市場。現代真空低溫泵研究發展的重點早提高其可靠性。其關鍵環節就是G-M氦制冷機。
現代真空低溫泵要求制冷機工作要穩定、可靠性要高，維修方便、運行壽命長、製冷溫度要低，製冷功率要大。而制冷機工作需要的基本條件如供氣量、壓力比.高純度的工質氦氣等均需壓縮機來提供。壓縮機的一些性能指標將直接影響制冷機的性能指標，因此氦氣壓縮機是系統中的關鍵設備之一。
小型氦氣壓縮機的研究工作，十幾年來國內外科學工作者都經歷了研究、設計製造、和改制三個階段，六十年代美國根據G-M制冷機的要求，研究、設計了半封閉式氦氣壓縮機，用於衛星地面站；半封閉壓縮機的殼體是由螺栓與缸蓋連接在一起的，殼體可以拆卸；僅適用於中、大製冷量機組，而不適合於小型低溫制冷機。70年代末國外利用已大批量生產的氟利昂全封閉製冷壓縮機改制成氦氣全封閉式壓縮機；但由於全封閉壓縮機的散熱問題一直是改造中的瓶頸，故而改造的壓縮機功率都只限於3kW左右，無法滿足現在的大冷量制冷機的要求。
氦氣壓縮機與G-M制冷機組成氦氣制冷機為低溫泵的冷屏提供冷量。它是制冷機的心臟，不僅要為膨脹機提供潔淨的高壓氦氣，而且依賴它實現製冷循環。小型制冷機的氦氣壓縮機的技術難度大、系統複雜、整體結構緊湊，這就要求壓縮機的各部分體積小、效率高。小型制冷機的氦氣壓縮機組的研製，要涉及到壓縮機的冷卻系統、油氣分離系統、回油系統、溢流調節器及電器控制系統、保護系統等。

發明內容
本實用新型的目的在於通過對常規的活塞式製冷壓縮機的改進，提供一種適用於小型低溫制冷機的輸入功率在7.5kW級的活塞式氦氣壓縮機。
本實用新型技術方案如下本實用新型提供的活塞式氦氣壓縮機，如圖4所示，包括壓縮機頭1、外循環油泵2、水冷氣換熱器3、水冷油換熱器4、機械離心式油霧化器A、油氣分離器5、吸附器7和緩衝器11；所述的機械離心式油霧化器A安裝在壓縮機頭1低壓腔的頂端，外循環油泵2與壓縮機頭1的底部油池相連通，在機械離心式油霧化器A與外循環油泵2之間相連通的管路上安裝水冷油換熱器4；所述壓縮機頭1的高壓排氣端依次連通有水冷氣換熱器3、油氣分離器5以及與制冷機8的輸入端相連通的吸附器7；其特徵在於，還包括安裝在制冷機8的排氣端與壓縮機頭1低壓端之間的連接管路上的緩衝器11；所述油氣分離器5的排油端與壓縮機頭1低壓端相連通的連接管路上安裝有回油節流閥。所述的回油節流閥為毛細管節流閥。所述的緩衝器11為一具有一定內容積的壓力容器。
所述的油氣分離器5為一單級油氣分離器或2-3個單級油氣分離器串聯而構成的多級油氣分離器。
還包括安裝在末級油氣分離器與緩衝器11排出端之間的連接管路上的停機卸載裝置13，所述的停機卸載裝置為一常開型電磁閥。
在末級油氣分離器與為緩衝器11排出端之間的連接管路上還安裝有與所述停機卸載裝置13並聯的內部洩放閥14，所述的內部洩放閥14為開氣壓差在1-2Mpa之間的單向閥。所述的多級油氣分離器中的每一級油氣分離器的回油節流閥之後的管路上分別安裝有回油單向閥。
所述的機械離心式油霧化器A包括一個一端封閉的空心圓柱體，其側壁上開有至少2個切向進油小孔A1及與冷油換熱器4出口端相通的霧化出口小孔A2。
使用時，外循環油泵2將壓縮機1油池內高溫油泵出後，經過水冷油氣換熱器3將油冷卻至室溫水平；冷卻後的油經油霧化器A後變為細微的油霧噴入壓縮機1的低壓腔，並在壓縮機的吸氣過程中被帶入壓縮機氣缸內部；由於油霧和壓縮機內的高溫氦氣充分混合，利用油霧的顯熱和潛熱與氦氣進行充分的熱量交換，使冷卻效果較之傳統的單純氣缸外冷卻有了極大的改善。含油的氦氣在經過水冷油氣換熱器冷卻後進入高效油氣分離器進行油氣分離，分離下來的油份經回油管線重新回到壓縮機油池內。通過油氣分離器的氦氣再通過吸附器以除去其中的微量油蒸汽，從而得到潔淨的高壓室溫氦氣。從制冷機返回壓縮機的低壓室溫氦氣經緩衝器平滑其壓力波動後進入壓縮機的低壓吸氣側，從而完成氦氣的循環流動。
本實用新型的優點在於使用技術極為成熟、性能非常穩定可靠的活塞式空調壓縮機作為改造的原型機，保證了機器的運行穩定性與可靠性；由於活塞式壓縮機的產量非常大，致使其擁有其他機型所無法比擬的價格優勢，如果能實現一定規模的生產量，則由其他部件採購價的大幅下降而帶來的整機價格優勢將更加明顯。
圖面說明


圖1外油路循環示意圖；圖2機械離心式油霧化器的剖面示意圖；圖3機械離心式油霧化器的外形圖；圖4本實用新型(包括連接制冷機的一實施例)的結構示意圖；圖5本實用新型(包括連接制冷機的另一實施例)的結構示意圖；其中壓縮機頭1外循環油泵2水冷氣換熱器3水冷油換熱器4第一油氣分離器51 第二油氣分離器52吸附器7 第一回油節流閥9第二回油節流閥10 緩衝器11閉式循環制冷機(如GM，PT等)8 機械離心式油霧化器A停機卸載裝置13 內部洩放閥14第一單向閥15 第二單向閥16切向進油小孔A1 霧化出口小孔A具體實施方式
現面結合附圖及實施例進一步描述本實用新型實施例1本實用新型(包括連接制冷機的一實施例)的結構示意圖，用於冷卻高溫超導磁體實驗裝置的磁體部分，使之能維持在正常超導狀態；
如圖4所示，包括壓縮機頭1、外循環油泵2、水冷氣換熱器3、水冷油換熱器4、機械離心式油霧化器A、油氣分離器5、吸附器7和緩衝器11；所述的機械離心式油霧化器A安裝在壓縮機頭1低壓腔的頂端，外循環油泵2與壓縮機頭1的底部油池相連通，在機械離心式油霧化器A與外循環油泵2之間相連通的管路上安裝水冷油換熱器4；所述壓縮機頭1的高壓排氣端依次連通有水冷氣換熱器3、油氣分離器5以及與制冷機8的輸入端相連通的吸附器7；還包括安裝在制冷機8的排氣端與壓縮機頭1低壓端之間的連接管路上的緩衝器11；所述油氣分離器5的排油端與壓縮機頭1低壓端相連通的連接管路上安裝有回油節流閥。所述的回油節流閥為毛細管節流閥。所述的緩衝器11為一空心容器。
所述的油氣分離器5可為單級油氣分離器(即一個油氣分離器)；也可為由2-3個單級油氣分離器串聯在一起構成的多級油氣分離器；如本實施例(圖4)中的第一油氣分離器51和第二油氣分離器52。第一油氣分離器51和第二油氣分離器52出油端分別安裝有第一回油節流閥9和第二回油節流閥10。
其工作過程如下壓縮機1下油池內的油經油泵2增壓後，通過位於壓縮機1低壓腔頂端的機械離心式油霧化器A，流經油霧化器A的油被霧化成為細小的油霧後，噴入壓縮機1的低壓側；並在壓縮機1的吸氣過程中和氦氣一起進入氣缸，在壓縮過程中和氦氣進行充分的換熱。被壓縮到高溫高壓狀態的油氣混合物，經水第一冷換熱器3和第二冷換熱器4冷卻後變為常溫高壓狀態；再通過串連的第一油氣分離器5和第二油氣分離器6使絕大部分的油份從氣體中分離出來；分離出的油經過安裝有回油節流閥9和10的回油管線返回到壓縮機頭1的油池內，以保證壓縮機內油量的穩定以及保證油分離器的正常工作。含有微量油蒸汽的氦氣再經吸附器7的吸附後，成為潔淨度足夠高的高壓常溫氣源，用以驅動低溫制冷機8。從低溫制冷機8中返回的低壓常溫氦氣經緩衝器11平滑其壓力脈動後再次進入壓縮機氣缸內被壓縮，從而完成一個閉式製冷循環。
圖1給出了油的外循環示意圖。通過計算以及大量的試驗，選定了油泵的形式以及額定流量。經過對油霧化器幾何參數的優化，最終選定了最佳的參數組合，達到了滿意的霧化效果。圖2和圖3則分別給出了油霧化器的剖面結構圖以及實體示意圖。
實施例2如圖5所示，本實施例的結構大致與實施例相通，所不同的是油換熱器、氦氣換熱器改為空氣冷卻，使之能適合在缺水的地區使用；在末級油氣分離器排氣出口與回氣緩衝器11出口端之間安裝有停機卸載裝置13，與停機卸載裝置13並聯內部洩放閥14，所述的內部洩放閥14為開啟壓差在1-2Mpa之間可調的單向閥。所述的緩衝器11為一具有一定內容積的耐壓空心容器。所述的多級油氣分離器中的每一級油氣分離器的回油節流閥之後的管路上分別安裝有回油單向閥(圖中的第一單向閥15和第二單向閥16)。
其工作過程如下本實施例和實施例1中所述的工作過程較為相似。由於換熱器使用了空冷換熱器，使整機的體積、重量以及工作時的噪音都有所增大。但其優勢在於，本實施例可應用於用水困難的缺水地區。停機卸載裝置13可以在壓縮機停機的同時，迅速平衡高低壓側的壓力差，以防止氣流在停機瞬間的異常流動導致的汙染現象的發生。內部瀉放閥14的使用可以使本實施例中的壓縮機可以匹配不同製冷量的小型制冷機，而不致產生高低壓壓差過大的情況。安裝在油分離器排油端的單向閥保證了油流向的單一性，同時保證了壓縮機啟、停時，不致因油的反常流動引起排氣的汙染。
權利要求1.一種活塞式氦氣壓縮機，包括壓縮機頭(1)、外循環油泵(2)、水冷氣換熱器(3)、水冷油換熱器(4)、機械離心式油霧化器(A)、油氣分離器(5)、吸附器(7)和緩衝器(11)；所述的機械離心式油霧化器(A)安裝在壓縮機頭(1)低壓腔的頂端，外循環油泵(2)與壓縮機頭(1)的底部油池相連通，在機械離心式油霧化器(A)與外循環油泵(2)之間相連通的管路上安裝水冷油換熱器(4)；所述壓縮機頭(1)的高壓排氣端依次連通有水冷氣換熱器(3)、油氣分離器(5)以及與制冷機(8)的輸入端相連通的吸附器(7)；其特徵在於，還包括安裝在制冷機(8)的排氣端與壓縮機頭(1)低壓端之間的連接管路上的緩衝器(11)；所述油氣分離器(5)的排油端與壓縮機頭(1)低壓端相連通的連接管路上安裝有回油節流閥。
2.按權利要求1所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，所述的油氣分離器(5)為一單級油氣分離器或2-3個單級油氣分離器串聯而構成的多級油氣分離器。
3.按權利要求2所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，還包括安裝在末級油氣分離器與緩衝器(11)排出端之間的連接管路上的停機卸載裝置(13)，所述的停機卸載裝置為一常開式電磁閥。
4.按權利要求3所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，在末級油氣分離器與為緩衝器(11)排出端之間的連接管路上還安裝有與所述停機卸載裝置(13)並聯的內部洩放閥(14)，所述的內部洩放閥(14)為開氣壓差在1-2Mpa之間的單向閥。
5.按權利要求1所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，所述的回油節流閥為毛細管節流閥。
6.按權利要求1所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，所述的緩衝器(11)為一空心容器。
7.按權利要求2所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，所述的多級油氣分離器中的每一級油氣分離器的回油節流閥之後的管路上分別安裝有回油單向閥。
8.按權利要求1所述的活塞式氦氣壓縮機，其特徵在於，所述的機械離心式油霧化器(A)包括一個一端封閉的空心圓柱體，其側壁上開有至少2個切向進油小孔(A1)及與冷油換熱器(4)出口端相通的霧化出口小孔(A2)。
專利摘要本實用新型涉及活塞式氦氣壓縮機，其結構一油霧化器安裝在壓縮機頭低壓腔的頂端，外循環油泵與壓縮機頭的底部油池相連通，在機械離心式油霧化器與外循環油泵之間相連通的管路上安裝水冷油換熱器；壓縮機頭的高壓排氣端依次連通有水冷氣換熱器、油氣分離器以及與制冷機的輸入端相連通的吸附器；還包括安裝在制冷機的排氣端與壓縮機頭低壓端之間的連接管路上的緩衝器；油氣分離器的排油端與壓縮機頭低壓端相連通的連接管路上安裝有回油節流閥。所述的回油節流閥為毛細管節流閥。本機採用內、外冷卻相結合，極大地強化內部的換熱；通過高效除油淨化器，使壓縮機排氣含油量非常低，吸附器的連續運行壽命可超過10000小時，其運行可靠、安全。
文檔編號F25B1/02GK2839637SQ20052000588
公開日2006年11月22日 申請日期2005年3月16日 優先權日2005年3月16日
發明者雷剛, 龔領會, 張亮, 陸文海 申請人:中國科學院理化技術研究所