單管氣體波製冷器的製作方法
2023-12-06 17:09:41
專利名稱：單管氣體波製冷器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於壓力氣體的射流與氣體波製冷技術領域。
背景技術：
氣波制冷機、多級氣波制冷機以及射流振蕩制冷機，均可歸類於氣體波制冷機械。它們所具有的相同之處均是利用機器上的激波振蕩管產生的冷、熱效應從而達到製冷的目的。工作時，帶有壓力的進口來料氣體通過噴嘴膨脹加速，由噴嘴出口高速噴出，依次間歇地射入前方輻射排布的多根末端封閉的振蕩接受管中，在周期性激振作用下管內氣體接受射入氣體的壓力能，並通過波系-激波、壓縮波和膨脹波的相互作用完成不定常膨脹做功和能量轉換，並消除反射激波的不利影響實現氣體製冷。差異只在於結構上有所不同，其中最顯著的差別體現在噴嘴的運行方式上，氣波制冷機和多級氣波制冷機噴嘴是旋轉的，皆是依靠利用氣體的壓差或電機驅動使氣體分配器——噴嘴旋轉，而射流振蕩制冷機則射流噴嘴是靜止不動的，整機無任何運動部件。雖然另一個關鍵製冷元件——振蕩接受管的數量一般分別為60～80和5～13根，但基本結構是一樣的，氣體波制冷機械的最主要核心問題是激波振蕩接受管內的氣體流動和多種氣體波的形成情況。因此選擇其中一根管子為研究模型，剖析其流場情況流動狀況流場情況，即可全面認識其它接受管的內部流場情況。
發明內容
本實用新型的目的就是要提供一種結構簡單、操作方便和性能穩定的單管氣體波製冷器。
本實用新型的技術解決方案是本實用新型單管式氣波製冷器的基本構造主要包括噴管、氣體分配盤及氣波振蕩管三部分。在氣體分配盤的同一圓周上對稱地設置若干個射氣孔。工作時，電機帶動軸和氣體分配盤高速旋轉，在分配盤射氣孔對準噴管出口之前，射氣孔出氣邊前緣先將氣波振蕩管開口端封閉。一定時間後，射氣孔對準噴管口，氣體射流進入氣波振蕩管。當射氣孔轉離噴管口後射氣停止，同時，射氣孔後緣將開口端封閉。隨後，射氣孔後緣轉離開口端，開口截面與排氣室相通，開始排氣。在充氣階段，噴管通過射氣孔與氣波振蕩管開口端相連通，射流氣體充入氣波振蕩管中。而在排氣階段，氣體分配盤將噴管和氣波振蕩管完全分隔開來。因而該結構方案洩漏量小。
本實用新型的技術解決方案還包括以下幾點結構特徵1、噴管10見
圖12是一個在其內部前面部分加工成由大到小呈漸縮形的錐體，後部則為平直的圓孔段，整體屬於收縮型噴嘴，射流口的尺寸範圍在Φ4～Φ18之間，噴嘴口徑尺寸及形狀依據流量和研究內容的需要確定。噴管外部圓柱體的中間是一個作為固定用的圓形法蘭盤。內錐體大口一端的外部圓柱體上加工有右旋的細牙螺紋。
2、氣體分配盤16是由一組多個外形尺寸相同的系列件組成。它們分別在同一圓周上均布了2個、3個、4個或者更多數量的不同口徑的射氣孔，如Φ6、Φ8、Φ10、Φ12等，射氣孔還可加工成長圓孔，見圖9中的4個射氣孔即為長圓孔，射氣孔的個數及尺寸長短決定了充排氣時間比的大小。舉二個例子一個氣體分配盤盤面上均布了3個Φ10的射氣孔；另一個氣體分配盤盤面上均布了4個Φ8的射氣孔。分配盤16中心設有軸孔71，以與轉軸20配合，該孔的周圍部布置了6個小圓孔，以通過螺栓將分配盤固定到靠背盤18上。在分配盤16上平面一邊，見
圖10有一個深為5mm的環形寬槽，射氣孔68無論是圓孔還是長圓孔均是通透的。該盤下部凹進去敞開一邊內的實體面上，在4個長圓形射氣孔之間，分別設有未加工透的大的長圓形排氣槽66。在這同一個平面上每一個射氣孔的二邊分別設有前緣67、後緣69，前、後緣的長度一般是射氣孔68長度的1～2倍。另外該分配盤外環72是一個寬邊的環狀體，在運轉的過程中它的內壁與機器殼體3和23的內壁及氣體分配盤16的下平面，構成了本製冷器的排氣腔室。
3、氣波振蕩管43為一根一端敞口而另一端封閉的均直管或在尾端連接一個突擴管，突擴管的尾端仍是封閉的。在距管敞口端500～1000mm處設有一個可拆卸的接頭體64，以連接後續振蕩管。管接頭有金屬制的，也使用工程塑料加工製作的隔熱接頭，氣波振蕩管43的總長度一般在1500～6000mm之間選取變化，管壁厚度一般在1～2mm之間選取。管徑選取範圍為Φ6～Φ18mm。
4、裝夾固定氣波振蕩管43的管套夾具，見
圖14，其結構為內部兩側為不等徑敞開式圓孔，其間有一階梯臺，以供更換不同規格振蕩管配裝相應的內套管時定位用。管套夾具外部中間位置是一法蘭式的圓盤件，遠離機體一端的外部是一個只設二孔的菱形法蘭。在機架平臺上還裝有通過豎立的絲杆螺紋的管卡40，可調後續振蕩管的高度並固定。
5、為能夠方便準確快速地更換不同管徑的氣波振蕩管43和找正對心制有專門的其中外套管始終不變，只是內套管根據氣波振蕩管43管徑的大小不同製備了多種規格的配套件即套管夾具內套管45，其外部尺寸不變，內部尺寸隨管徑改變，結構形式見
圖17和
圖18，使用時根據需要作相應的更換。
6、機器殼體是由兩個半圓體殼體下部3和殼體上部23構成，見圖4和圖5，上下兩部分在中間對接組成一個完整主機體，內部是一個合為一體後加工的圓形腔室，機體一面為敞口，另一面為實體器壁，實體一面中間設一Φ70圓孔，供軸承和軸承壓蓋28安裝，距中心45°斜上方位置開一Φ25圓孔，以連接排氣管61。
7、轉軸20是一階梯軸，見
圖19，其上設有多處軸肩，細軸一端設置一鍵槽。靠背轉盤18與中間軸段採取烘裝形式裝配。以供、氣體分配盤16、軸承19、測速齒輪30和皮帶輪31安裝定位。軸的安裝位置在殼體23的中心，轉軸20的中心線與殼體23的中心線重合。該轉動軸以軸兩端各一套軸承作為支撐，轉軸20的細軸一端從機器殼體的封閉一側中心開孔伸出8、端蓋4是一個完整的圓盤件，其一邊為平面，另一邊設有一個小於端蓋外徑的環形凸臺，凸臺的中間是凹心的，凸臺的外圓與機器殼體的內腔壁面作間隙配合併起定位作用，其上設有放置O形圈7的環形溝槽，端蓋上凸臺以外的四周邊緣均布了8個螺栓通孔。另外在端蓋面上設有三圓孔，處於中間位置的大圓孔Φ65，與大圓孔平行的是小圓孔Φ30，在端蓋4上開Φ14孔接出一根導出管62。
本實用新型所達到的有益效果和益處是1.既可做研究之用，也適用於一般小型的製冷場合。
2.結構簡單，易於加工、安裝和拆卸。
3.互換性好，更換實驗件方便快捷。
4.運行參數易於調控，可進行各種變工況以及單因素的實驗研究。
如轉速、溫度、壓力、流量、流場內的氣速、壓力波形等等測試。
5.採用工程塑料製作隔熱接頭及在氣波振蕩管內插非金屬套管，以隔阻管壁的熱量反饋。對提高製冷效率，效果顯著。
6.因單管式結構簡單，通過加水套管或風冷等強制換熱手段，可以實現製冷效率的顯著提高。
7.流量、壓力和膨脹比可調範圍大。
8.耗氣及原材料少，製造、使用及維護容易，故可節省經費。
以往開展此類波制冷機械機理方面的研究一般只能在製冷整機上完成一部分數據採集的工作。由於實驗件更換數量多，難度大，且整機實驗耗氣量大且不穩定，所以對於諸多影響波制冷機效率的因素進行實驗研究和綜合分析較難進行，特別是有一些涉及機理研究的內容，例如振蕩接受管內各種波的形成過程；波的強弱如何？激波能否形成？壓縮波、激波、膨脹波在何處形成？反射激波能否完全消除？會否返回入口膨脹端降低製冷效率？波機器在不同的運行工況、不同的壓力及膨脹比、不同的轉速下性能和效率如何？不同管徑及管長對轉速及效率的影響？結構及工況的最佳匹配等等。
本實用新型的裝置及技術能夠完成諸如變換機器結構、噴管口徑尺寸，變管長、管徑、變換彎管部位、氣波振蕩管後部異徑管連接變換、改變反射激波吸收腔的結構和尺寸、改變壓力工況及膨脹比等一系列組合匹配重要實驗。由於轉速對波機器的效率影響很大，所以本機通過調節轉速來研究在不同膨脹比等條件下轉速對製冷效率的影響，可以獲得最佳轉速等有價值的數據。通過採集振蕩管內流場的各種壓力波形和溫度數據，用以揭示其中速度場、密度場、溫度場的形成規律與分布狀況等等。這些有關機理特性方面的研究內容對於進一步提高波制冷機的製冷效率及性能都極有價值。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。
圖1是單管式氣波製冷器結構示意圖。
圖2是單管式氣波製冷器裝置主視圖。
圖3是單管式氣波製冷器裝置側視圖。
圖4是機器殼體主視圖。
圖5是機器殼體俯視圖。
圖6是機器殼體A-A向剖視圖。
圖7是製冷器端蓋的主視圖。
圖8是製冷器端蓋的側視圖。
圖9是製冷器氣體分配盤主視圖。
圖10是製冷器氣體分配盤A-A向視圖。
圖11是製冷器氣體分配盤B向視圖。
圖12是製冷器噴管的主視圖。
圖13是製冷器噴管的俯視圖。
圖14是氣波振蕩管固定套管主視圖。
圖15是固定套管夾具俯視圖。
圖16是固定套管夾具A-A向剖視圖。
圖17是套管夾具Φ16管內套結構示意圖。
圖18是套管夾具Φ12管內套結構示意圖。
圖19是製冷器轉軸的結構示意圖。
圖20是轉軸的側視圖。
圖21是轉軸的A-A向剖視圖。
圖22是轉軸的B向剖視圖。
圖23是氣波振蕩管開口端封閉時內部工作原理圖。
圖24是氣波振蕩管開口端敞開時內部工作原理圖。
圖1中1.定位銷，2.支架頂板，3.殼體下部，4.大端蓋，5.進氣閥門，6.溫度和壓力表，7.O形密封圈，8.進氣管，9.管接頭，10.噴管，11.雙頭螺柱，12.螺母，13.墊片，14.調整墊，15.四氟環形墊圈，16.氣體分配盤，17.螺栓，18.靠背轉盤，19.軸承，20.轉軸，21.小端蓋，22.螺栓，23.殼體上部，24.螺母，25.螺栓，26.墊圈，27.彈簧墊片，28.軸承壓蓋，29.墊圈，30.測速齒輪，31.小帶輪，32.彈簧擋圈，33.鍵，34.密封填料，35.填料壓蓋，36.O形密封圈，37.螺栓，38.螺母，39.墊圈，40.管卡，41.螺栓，42.螺母，43.氣波振蕩管，44.螺栓，45.存套，46.導向定位管套，47.底座板，48.支架，49.螺母，50.電機，51.大帶輪，52.鍵，53.皮帶，54.墊圈，55.螺母，56.螺栓，57.V形鐵架，58.測速傳感器，59.支杆，60.測溫傳感器，61.排氣管，62.導出管，63排氣閥門，64.接頭體，65.激波吸收腔，66.排氣槽，67.射氣孔前緣，68.射氣孔，69.射氣孔後緣，70.進氣端環形凹槽，71.軸孔，72.分配盤外環，73.接觸面，74.激波，75.右行膨脹波。
具體實施方式
見
圖1，實施本實用新型的一種單管氣波製冷器裝置主要由噴管10、氣體分配盤16、氣波振蕩管43、主機體殼體23、轉軸20、電機50、皮帶輪51、測速齒輪30、大端蓋4及軸承19等零部件組成。
其中作為本實用新型的關鍵部件的噴管10、氣體分配盤16上的射氣孔68及氣波振蕩管43三者的軸線中心必須要在同一直線上，同心與否對於本製冷器的作用發揮和效能十分重要。鑑於此，也為了便於安裝調試和滿足實驗研究的要求，本機進氣管路的管接頭9採用細牙螺紋與噴管10連接，以實現微量調距和減小偏差；噴管10見
圖12，是一個前部製成由大到小呈漸縮形的內錐體，後部則為平直的圓孔段，整體屬於收縮型噴嘴，射流口的尺寸範圍在Φ4～Φ18之間，噴嘴口徑尺寸及形狀依據流量和研究內容的需要確定。內錐體大口一端的外部圓柱體上加工有右旋的細牙螺紋。噴管外部圓柱體的中間是一個作為固定用的圓形法蘭盤。用螺栓通過該法蘭盤將噴管10固定在大端蓋4上，噴管10的位置與轉軸20在一個水平面上，氣波振蕩管43通過管套庫和夾具固定，其與噴管10一樣均為靜止件，而氣體分配盤16則隨轉軸20旋轉。
氣體分配盤16的安裝是通過螺栓將其固定在轉軸20的靠背轉盤18上，並隨軸一起作旋轉運動。靠背轉盤18與轉軸20之間是採用過盈配合併烘裝在一起，且軸上件的受力方向是正面觀視圖自左向右方向，也即轉軸20由粗變細的方向。氣體分配盤16是由一組多個同樣尺寸外形的系列件組成。在同一圓周上分別均布了2個、3個、4個和6個數量不等以及不同口徑的射氣孔，射氣孔的個數及長度決定了充排氣時間比的大小。當氣體分配盤16上的射氣孔與噴管出口內截面重合時，噴管10、氣體分配盤16上的射氣孔68及氣波振蕩管43三者的中心軸線在同一直線上。隨著氣體分配盤16的的高速旋轉，每個射氣孔68都周期性地經過噴管10出口截面。當射氣孔68經過噴管10出口截面時，從噴管10出來的高速射流經射氣孔68進入氣波振蕩管43中；當射氣孔68轉離噴管10出口截面時，則氣體分配盤16將噴管10和氣波振蕩管43的開口端分隔開，氣波振蕩管43開口端通過氣體分配盤16上的排氣槽66與排氣腔室相聯通並開始排氣。因此氣體分配盤16起著射流開關的作用，依靠氣體分配盤16的旋轉作用將噴管10產生的連續射流變為間歇性的脈動射流，實現氣波振蕩管43周期性的充、排氣切換。見
圖10在氣體分配盤16上平面一邊，有一個深為5mm的環形寬凹槽，因大端蓋4上有一環形凸臺，當氣體分配盤16旋轉起來後，它們之間只有很小一點間隙，加上離心力的作用，可以減少噴管10前端面向四周的洩漏。氣體分配盤16上射氣孔68無論是圓孔還是長圓孔均是通透的，射氣孔68的開孔數量根據研究的需要確定。該盤下部凹進去敞開一邊內的實體面上，在4個長圓形射氣孔之間，分別設有未加工透的大的長圓形排氣槽66。在這同一個平面上每一個射氣孔68的二邊分別設有前緣67、後緣69，前、後緣的長度一般是射氣孔68長度的1～2倍。另外該分配盤外環72是一個寬邊的環狀體，在運轉的過程中它的內壁與機器殼體3和23的內壁及氣體分配盤16的下平面，構成了本製冷器的排氣腔室。使得在排氣階段在排氣端一側有效地將射入氣與排出氣完全分隔開，較好地解決了射流過程中的洩漏及充、排氣間的摻混問題。
氣波振蕩管43為一根一端敞開口而另一端封閉的均直管，或在尾端連接一個突擴管，突擴管的尾端仍是封閉的。在距管敞口端500～1000mm處設有一個可拆卸的接頭體64，以連接後續振蕩管。管接頭有金屬製作的，也有用工程塑料加工製作的隔熱接頭，另外內插非金屬套管，均為用來阻斷氣波振蕩管管壁熱量傳導和反饋的有效方法手段。氣波振蕩管43的總長度一般在1500～6000mm之間選取變化，管壁厚度考慮散熱效果好故在滿足強度要求的情況下儘可能薄，一般在1-2mm之間選取。管徑及管長由噴嘴口徑大小和數量、處理氣量、氣流速度等參數來確定，並且要根據研究的需要和要求經常調整改變。管徑選取範圍為Φ6-Φ18mm。
為了能夠方便準確快速地更換不同管徑的氣波振蕩管43和找正對心制有專門用來裝夾固定氣波振蕩管43的管套夾具，見
圖14，其結構為內部兩側為不等徑敞開式圓孔，其間有一階梯臺，以供更換不同規格振蕩管配裝相應的內套管時定位用。管套夾具外部中間位置是一法蘭式的圓盤件，遠離機體一端的外部是一個只設二孔的菱形法蘭。在機架平臺上還裝有通過豎立的絲杆螺紋的管卡40，可調後續振蕩管的高度並固定。當需換管時，套管夾具的外體始終不變，只是內套管根據氣波振蕩管43管徑的大小不同製備了多種規格的配套件即套管夾具內套管45，其外部尺寸不變，內部尺寸隨管徑改變，結構形式見
圖17和
圖18，使用時根據需要作相應的更換。本機振蕩接受管材質選取兼顧和滿足了導熱、傳熱性能和強度要求，一般以紫銅管或無縫鋼管為宜。
機器殼體是由一迴轉體從中間拋分成上下兩個半圓體，二個半圓體與焊接在其兩側邊緣上的凸臺構成了殼體下部3和殼體上部23，中間加有密封墊，再通過螺栓將緊固組合成為一個整機體，見圖4和圖5，內部為一個合為一體後加工的圓形腔室，以放置與之相配合的氣體分配盤16，機體一面為敞口，另一面為實體器壁，實體一面中間設一Φ70圓孔，供軸承和軸承壓蓋28安裝，距中心45°斜上方位置開一Φ25圓孔，以連接排氣管61。之所以由兩個半圓體構成機器殼體是由於內件安裝的需要所致。轉軸20是一階梯軸，見
圖19，其上設有多處軸肩，以供靠背轉盤18、氣體分配盤16、軸承19、測速齒輪30和皮帶輪31安裝定位。軸的安裝位置在機器殼體的中心，轉軸20的中心線與殼體23的中心線重合。該轉動軸以軸兩端各裝一套軸承作為支撐，軸承19分別安裝放置在端蓋4內和機器殼體的器壁內，右側軸承19通過軸封端蓋28壓緊軸承外圈，靜止的端蓋28與轉軸20之間的密封由螺紋壓帽35壓緊由柔性石墨製成的填料環34完成。轉軸20的細軸一端從殼體的封閉一側中心開孔伸出，軸端通過鍵聯接固定安裝由小皮帶輪31與計速齒輪30合為一體的組合件，計數齒輪30由60個齒組成，按模數m＝2製造，電機軸上安裝大皮帶輪，電機50通過皮帶傳動帶動機器轉軸20旋轉，端蓋4為本製冷器的機體封蓋，它是一個完整的圓盤件，其上設有二圓孔，打開處於中間位置的大圓孔封蓋可給軸承加注潤滑脂，與大圓孔平行的小圓孔是用來安裝和定位噴管10的，噴管10通過其上的圓盤法蘭用螺栓將其緊固到端蓋4上，法蘭盤與端蓋4之間裝有調整墊14，調整墊片除用作調整噴管10的位置及與氣體分配盤16的配合間隙外，還用於此處的密封防洩漏，端蓋4的內部設有一完整的環形凸臺，凸臺的外圓起定位作用與機器殼體的內腔壁面作間隙配合，其上安裝的O形密封圈7是為防止氣體從邊上縫隙處洩漏，在凸臺的前端鑲嵌有環形的四氟板，是為縮小間隙減少摩擦所設，噴管10的前端剛好穿過四氟板形成的平面，增大了前端面積減少氣體洩漏量，另為了在此處能更進一步減少氣體洩漏，噴管10的前端隨前面提到的端蓋4上的凸臺嵌入到氣體分配盤16上進氣一側專門設置的環形凹槽中，這作為一種密封形式目的也是阻止噴管射流時的未製冷氣體流入盤後與冷氣混合。噴管10的後端通過直通式管接頭9與進氣管8相連，管接頭9內噴管10與進氣管8之間加裝有密封墊片為防螺紋處氣體洩漏。另在端蓋4上開孔接出一根導出管62，並由閥門控制，用以必要時將從噴管10射出，但並沒有進入到氣波振蕩管43內的少量氣體引出，目的仍然是防止和減少冷熱混合，提高製冷效率。另外還通過在氣波振蕩管43外加裝水套管，下進上出，採用強制換熱手段，可以實現製冷效率的顯著提高。
在進氣管8上安裝控制閥門以調節進氣壓力。工作時，未經製冷的常溫氣體經進口閥門5及進氣管8進入噴管10，進氣管8上焊管連接安裝壓力表，並通過安裝測溫傳感器，連接溫度表。排氣管61上也同進氣管一樣以相同的方式連接排氣閥門63、壓力表和溫度表。在氣波振蕩管43上每間隔150mm安裝一定數量的壓力和溫度傳感器。
本單管氣波製冷器安放在鐵架平臺上面的V形鐵之上，見圖2、圖3，電機50安裝在機架中間的斜向角鋼拉筋之上，開有長圓孔槽，供移動電機調節傳動皮帶鬆緊。
二、製冷技術及方法由噴管10、氣體分配盤16及氣波振蕩管43三大核心部件構成了本實用新型單管式氣波製冷器的主體框架。其中氣體分配盤16是裝置中完成間歇射氣，使氣波振蕩管43內產生脈動氣流和氣體波作用，進而實現製冷器冷、熱效應的關鍵部件。其主要作用是將由噴管10產生的連續射流變為間歇性的脈動射流，並使氣波振蕩管43的開口端周期性地經歷封閉-充氣-封閉-排氣這樣一個工作過程。以上三者之間的的完整工作循環實際上包括四個階段1、射氣前的準備階段，即射氣孔68前緣67結束排氣運動的過程；2、射氣過程；3、射氣後的尾處理階段，即射氣孔後緣結束射氣運動的過程；4、排氣過程。射氣孔前緣67完成的是氣波振蕩管43中由冷氣排放過程向射氣過程的切換，即結束排氣，開始射氣。其間隔寬度與射氣孔的寬度尺寸相當。當冷氣排放時，管內氣體有一個朝向開口端的慣性運動，這裡稱作排氣運動。繼續經射氣孔前緣67對氣波振蕩管的短暫時間封閉，管內氣體的排氣過程此刻結束。射氣前管內氣體處於瞬間的相對靜止狀態，避免了射入的新鮮氣與反向流往振蕩管開口端的管內循環氣直接相撞，造成製冷效率的降低，從而完成了射氣前的準備工作。
同樣，射氣孔後緣69具有相似的結構形式和尺寸但卻有不同的作用，通過它完成氣波振蕩管43中由射氣向排氣過程的切換，即結束射氣過程，開始排氣過程，不過此時射氣孔後緣69結束氣波振蕩管43內氣體的射氣運動是從射氣運動方向的後面作用的，而前緣結束排氣是從排氣運動方向的前方作用的。射氣運動是指管內氣體，包括新鮮氣和循環氣朝向管子封閉端的運動。射氣運動結束，管內氣體可認為處於均勻的靜止狀態，當然溫度參數除外，新鮮氣的動能和壓力能完成向循環氣的充分傳遞，且管內氣體膨脹充分，完成新鮮氣的管內致冷作用。這就完成了射氣後的尾處理過程。然後進入排氣過程。接著重複上述過程，如此周而復始。實際上氣體分配盤16在中間起了一個切換開關的作用。
本實用新型單管式氣波製冷器的製冷原理主要都是通過氣波振蕩管中氣體波系間的相互作用的關係來實現的。即還可以通過氣波振蕩管的工作機理作進一步的揭示。氣波振蕩管內的工作過程可概要描述為高速氣流射向氣波振蕩管43的瞬間，射入的新鮮氣體與管內原有的滯存氣體之間會形成一接觸面，該接觸面可視為一無質量的氣體「活塞」；由於接觸面兩邊壓力和速度都不相等，故該「活塞」是不斷前後移動的，向前運動時，則在「活塞」的前方將出現同方向運動的激波，激波所產生的能量大大強於壓縮波，激波產生和到達掃過之處，氣體連續受到壓縮，溫度和壓力升高，經過多周期的作用，管內氣體溫度越發升高，並通過管壁散熱，完成能量轉換。由於射入氣體對管內氣體膨脹做功，故使自身能量降低，總溫下降。由於管內壓力大於管外壓力，管內射入氣體反向流出管口，經66排氣槽匯集到排氣腔室後從機器出口排出，完成一個製冷循環。激波的產生是我們希望的，因從能量守衡的理論分析一邊溫度越高，則另一邊溫度就越低，製冷效率將越高，但如果氣波振蕩管43的尾端不變徑，直接封閉，則氣體遇固壁會產生反射激波，反射激波會將部分熱量傳回管口，抵消部分製冷後的溫降，造成效率降低，這是我們不希望的，故在管尾端加裝了激波吸收腔，即是突擴變徑的空心管，以吸收反射激波，提高機器的製冷效率。由於該類波機器所有振蕩接受管的內外部結構均完全相同，因而剖析其中一根振蕩接受管的流場情況均能反映機器上其餘接受管內的流動狀況，本實用新型單管式氣波製冷器及技術能夠完成諸如變換機器結構、噴管口徑尺寸，變管長、管徑、變換彎管部位、氣波振蕩管43後部異徑管連接變換、改變反射激波吸收腔的結構和尺寸、改變壓力工況及膨脹比等一系列組合匹配重要實驗。通過在此根氣波振蕩管43的各個不同部位安裝溫度和壓力傳感器，就可以採集獲取這些關鍵部位的壓力波形和溫度數據。通過將熱線風速儀雙針式探頭安裝在氣波振蕩管43的各處，測定流場內不同部位的氣流速度，以期實時完成變工況條件下的流場數據採集，探測激波發生、發展的運動規律。由於轉速對波機器的效率影響很大，因而變轉速的實驗內容非常重要，本製冷器裝置運用調頻器來調節電機的轉速，還可通過計數齒輪結合計數傳感器讀取實際轉速，這樣便可在其他工況參數不變的情況下，通過調節轉速來研究在不同膨脹比等條件下轉速對製冷效率的影響，以獲得最佳轉速等有價值數據。本裝置的實際測量操作過程是由電機通過其上安裝的大皮帶輪帶動裝置主軸上的小帶輪，進而帶動轉軸20上的氣體分配盤16分配射流，氣體分配盤16的轉速由皮帶傳動比來確定，傳動比n的範圍為1～2.5，可調轉速範圍在500～7500rpm，涵蓋了多個最佳轉速區段，當轉軸20和氣體分配盤16一起隨電機驅動的皮帶輪作不同旋轉速度的轉動時，轉速由調頻器調節控制，還可通過安裝固定在殼體下部3上的測速傳感器58接收計數齒輪30給出的信號，再通過轉速表讀取轉速值，以校驗調頻器顯示的讀值是否準確。本裝置電機拖動的動力消耗為1.5KW。
首先調節調頻器啟動電機，帶動機器轉軸20及氣體分配盤16轉動，然後再先後打開排氣63和進氣閥門5，必須先打開排氣閥63，以防憋壓。使用時可根據需要調節進、出口閥門的大小，以改變壓力和膨脹比，進、出口壓力通過裝在進口管8和出口管61上的壓力表讀出，進氣壓力可調範圍為0.1～1.6MPa，膨脹比ε＝進口絕對壓力P進/出口絕對壓力P出，膨脹比可調範圍為1.0～10.0，一般情況下，隨著膨脹比的增大，氣波振蕩管產生的溫降也明顯增大，但製冷效率不一定增加。另由於氣體分配盤16上的分別平均設置分布了2～6個射氣孔，在500～7500rpm可調轉速範圍內旋轉，故對氣波振蕩管43的射流激勵頻率可調範圍為15～750Hz。製冷前後的溫度值則通過裝在進、出口管上的溫度傳感器經溫度表讀出。未經製冷的常溫氣體經進口閥門5及進氣管8進入噴管10，從噴管口中射出的壓力氣體間歇周期性地射入到氣波振蕩管43中，由於該管是一端封閉的結構，從管內返出的經製冷後的低溫氣體則通過氣體分配盤16上開出的多個排氣槽66流向機內的低壓腔室，匯集後經出口管61排出使用。本機的處理量為28～55NM3/h，製冷效率η＞45％。
本製冷器可實現在諸多影響效率因素存在情況下，分別只改變其中一種因素或一種工況條件，而其它因素條件均不改變，以完成多個研究項目的內容，例如只改變轉速或頻率，而進、出氣壓力、膨脹比、噴嘴形狀口徑，接受管管長、管徑等均不改變，流場怎樣變化？效率曲線如何？由於該類波機器所有振蕩接受管的內外部結構均完全相同，因而剖析其中一根振蕩接受管的流場情況均能反映機器上其餘接受管內的流動狀況，使氣波振蕩管內的氣體波系，指壓縮波、激波、膨脹波和反射激波的運動等流場流動信號加強，用每隔150mm打孔插入並封裝的熱線風速儀雙針式傳感探頭採集氣流速度信號，在另一根流道和管上用每隔150mm分別相對安裝的壓力傳感器和熱電偶溫度傳感器，以採集壓力信號和溫度信號，壓力信號通過電荷放大器輸入到32通道多功能數據分析儀後可獲得各點的壓力波形，溫度信號則通過計算機的處理作出各點的溫度分布曲線，還須用接觸式溫度測量儀測量接受管壁面各點的溫度。另外在裝置的某些關鍵部位設置測點進行測量，如在氣波振蕩管43敞口端附近安裝測溫傳感器60採集該處的溫度，此位置是最低溫度點。
另外接受管振蕩頻率的高低決定著管壁溫度的分布，同時影響到向外界散發熱量的多少。在振蕩過程中，伴隨著氣體溫度的變化，同時管壁溫度從常溫逐漸按某種規律分布，由於氣體與管間的傳熱膜係數遠小於金屬壁之間的導熱係數，穩定後管壁溫度基本上是沿某曲線分布的定值；由於溫度梯度的存在，熱量沿管壁大量散發到外界，同時部分熱量軸向沿管壁返回到冷氣中；在管內某定點，氣體質點在該點附近振蕩，溫度、壓力呈周期性轉變。為了獲得氣波振蕩管這一關鍵和重要的射流製冷元件內不同位置的壓力及溫度等有價值的研究數據及參數，在該管的相應位置安裝了一組多個壓力傳感器和溫度傳感器，以採集溫度和壓力數據。通過該裝置可以試驗多種新型射流元件對流場或溫度效應影響的研究。可以完成各種管外強制換熱性能狀況研究，隔阻管壁軸嚮導熱的研究，非金屬隔熱管件最佳隔熱位置以及與壁溫梯度的關係。
在實現上述功能後，使用本製冷器除可極大地提高實驗研究效率，滿足開展波機器基礎研究的需要外。重要的是提供了一種新的製冷方法和技術手段。
權利要求1.單管氣體波製冷器，其特徵在於，包括噴管、氣體分配盤及氣波振蕩管三部分；噴管10是收縮型噴嘴，射流口的尺寸是Φ4-Φ18，噴管外部圓柱體的中間是一個作為固定用的圓形法蘭盤，內錐體大口一端的外部圓柱體上有右旋的細牙螺紋；在氣體分配盤16的同一圓周上對稱地設置2-6個射氣孔，分配盤16中心設有軸孔71，以與轉軸20配合，該孔的周圍部布置了6個小圓孔，以通過螺栓將分配盤固定到靠背盤18上，在分配盤16上平面一邊，見
圖10有一個深為5mm的環形寬槽，射氣孔68是通透的，該盤下部凹進去敞開一邊內的實體面上，在4個長圓形射氣孔之間，分別設有未加工透的長圓形排氣槽66，其長度是射氣孔長度的3-6倍，寬度是射氣孔寬度的1.5-2倍，在這同一個平面上每一個射氣孔的二邊分別設有前緣67、後緣69，前、後緣的長度是射氣孔68長度的1-2倍；另外該分配盤外環72是一個寬邊的環狀體，在運轉的過程中它的內壁與機器殼體3和23的內壁及氣體分配盤16的下平面，構成了本製冷器的排氣腔室；氣波振蕩管43為一根一端敞口而另一端封閉的均直管，在距管敞口端500-1000mm處設有接頭體64，以連接後續振蕩管，氣波振蕩管43的總長度為1500-6000mm，管壁厚度為1-2mm，管徑為Φ6-Φ18mm。
2.根據權利要求1所述的單管氣體波製冷器，其特徵在於，氣波振蕩管43尾端連接一個突擴管，突擴管的尾端是封閉的。
3.根據權利要求1所述的單管氣體波製冷器，其特徵在於，裝夾固定氣波振蕩管43的管套夾具結構為內部兩側為不等徑敞開式圓孔，其間有一階梯臺，管套夾具外部中間位置是一法蘭式的圓盤件，遠離機體一端的外部是一個只設二孔的菱形法蘭，在機架平臺上設置有通過豎立的螺紋絲杆可調高低的管卡40。
4.根據權利要求1所述的單管氣體波製冷器，其特徵在於，機器殼體是由兩個半圓體即殼體下部3和殼體上部23構成，上下兩部分在中間對接組成一個完整主機體，內部是一個合為一體後加工的圓形腔室，機體一面為敞口，另一面為實體器壁，實體一面中間設置Φ70圓孔，供軸承和軸承壓蓋28安裝，距中心45°斜上方位置開Φ25圓孔，接排氣管61。
5.根據權利要求1所述的單管氣體波製冷器，其特徵在於，轉軸20是一階梯軸，其上設有6處軸肩，細軸一端設置一鍵槽，靠背轉盤18與中間軸段採取烘裝形式裝配。
6.根據權利要求1所述的單管氣體波製冷器，其特徵在於，端蓋4是一個完整的圓盤件，其一邊為平面，另一邊設有一個小於端蓋外徑的環形凸臺，凸臺的中間是凹心的，其上設有放置O形圈7的環形溝槽，端蓋上凸臺以外的四周邊緣均布了8個螺栓通孔，在端蓋面上設有三圓孔，處於中間位置的大圓孔Φ65，與大圓孔平行的是小圓孔Φ30，在端蓋4上還開有Φ14孔一個以接出一根氣體導出管62。
專利摘要單管氣體波製冷器屬於壓力氣體的射流與氣體波製冷技術領域。該製冷器由噴管、氣體分配盤及氣波振蕩管三大關鍵部件組成。能夠模擬反映不同類型波機器振蕩管的使用性能，準確測取流場內波的運動規律和狀況，為相關機理研究提供有價值的數據。能夠進行各種變工況以及單因素的實驗研究，滿足了氣體波製冷研究的需要並拓展氣體波製冷技術的應用範圍。本實用新型結構簡單，操作簡便、性能穩定，運行參數易於調控，既適用於一般小型的製冷用途及場合，也能夠供研究之用。
文檔編號F25B9/08GK2896141SQ20062008943
公開日2007年5月2日 申請日期2006年2月25日 優先權日2006年2月25日
發明者朱徹, 胡大鵬, 銀建中, 史啟才, 代玉強, 劉學武, 張大為, 張禮明 申請人:大連理工大學