用於氣波制冷機的轉輪分配器以及該氣波制冷機的製作方法

2023-12-06 17:09:11 2

專利名稱：用於氣波制冷機的轉輪分配器以及該氣波制冷機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種制冷機械，尤其涉及一種氣波制冷機。
背景技術：
現有的低溫製冷技術，多採用多級壓縮製冷劑的方式達到低溫的目的。第一級壓 縮一種製冷劑，在吸收應用第一級壓縮所得的冷量的基礎上第二級壓縮第二種製冷劑，通 過製冷劑的汽化吸熱達到降溫的目的，通常第二級壓縮所使用的製冷劑液化點溫度要比第 一級製冷劑液化點溫度低。採用這種製冷方式有許多缺點首先，由於採用多級壓縮，製冷 效率低；其次，由於須採用製冷劑，不利於環境保護；再次，由於存在製冷劑洩漏的風險，採 用這種製冷技術存在安全隱患。 旋轉式熱分離機是一種根據激波和膨脹波原理，利用氣體壓力進行製冷的設備， 因此亦稱氣波制冷機，具有結構簡單、節能、環保、造價低、適應性強和操作維護方便等特 點，自20世紀70年代問世以來，得到了人們的重視，並在石油化工領域有了實際應用。 但是現有的氣波制冷機，尤其是其轉輪分配器的設計存在一些技術難點 現有的轉輪分配器通常包括主軸和葉輪，葉輪設置在主軸中部，主軸內部設有一 端開口 ， 一端封閉的內腔。通常是在主軸的封閉端連接電機等傳動機構，而開口端作為進氣 口，輸入高壓氣體，因而在主軸另一端需另設高壓腔。這就使整個氣波制冷機的結構臃腫， 不夠緊湊。但是由於受力問題，主軸的開口端也不可能作為傳動端。 另外，現有的轉輪分配器的噴嘴形狀等參數設計不夠合理，導致氣波制冷機製冷 效率不高。

實用新型內容本實用新型實施例所要解決的技術問題在於，提供一種氣波制冷機，使其轉輪分
配器的結構改善，從而使整個氣波制冷機的結構改善，使其結構緊湊，並且具有良好的傳動
性能，並且使其轉輪分配器的結構參數優化，從而提高氣波制冷機的製冷效率。 本實用新型實施例所要解決的另一個技術問題在於，提供一種轉輪分配器，使其
結構改善，並且具有良好的傳動性能，並且使其結構參數優化，從而提高氣波制冷機的製冷效率。 為了解決上述技術問題，本實用新型實施例提供了一種氣波制冷機，其包括機體、 軸承、轉輪分配器、密封結構以及接受管，所述機體上設有進氣孔以及出氣孔，所述密封結 構設置在所述機體上的進氣孔與出氣孔之間，所述轉輪分配器包括主軸和葉輪，所述主軸 內設有軸向延伸的內腔，所述內腔兩端均封閉，所述主軸上還設有連通所述內腔和所述主 軸外部的進氣口 ，所述葉輪設置在所述主軸外部，其包括噴嘴、充氣部以及放氣部，所述充 氣部與放氣部交替排列在葉輪周圍，所述噴嘴是由所述充氣部圍成的孔，所述噴嘴與所述 內腔連通。 為了解決上述技術問題，本實用新型實施例還提供了一種用於氣波制冷機的轉輪分配器，其包括主軸和葉輪，所述主軸內設有軸向延伸的內腔，所述內腔兩端均封閉，所述 主軸上還設有連通所述內腔和所述主軸外部的進氣口 ，所述葉輪設置在所述主軸外部，其 包括噴嘴、充氣部以及放氣部，所述充氣部與放氣部交替排列在葉輪周圍，所述噴嘴是由所 述充氣部圍成的孔，所述噴嘴與所述內腔連通。 實施本實用新型實施例，具有如下有益效果採用本實用新型實施例的轉輪分配 器以及應用該轉輪分配器的氣波制冷機，改善了轉輪分配器的結構，從而改善了整個氣波 制冷機的結構，使其結構緊湊，並且具有良好的傳動效果。對轉輪分配器的結構參數也進行 了優化，從而顯著提高了氣波制冷機的製冷效率。

圖1是本實用新型氣波制冷機的截面結構示意圖； 圖2是本實用新型氣波制冷機的轉輪分配器的立體結構示意圖； 圖3是本實用新型氣波制冷機的轉輪分配器的主視圖； 圖4是圖3中的轉輪分配器沿A-A線的截面結構示意圖； 圖5是圖3中的轉輪分配器X向的結構示意圖； 圖6是圖3中的轉輪分配器沿C-C線的截面結構示意圖； 圖7是本實用新型氣波制冷機的密封結構的截面結構示意圖； 圖8是本實用新型氣波制冷機的密封結構中動環的側視圖； 圖9是氣波制冷機的接受管以及部分第一機殼的截面結構示意圖。
具體實施方式為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新 型作進一步地詳細描述。 請參照圖1所示，本實用新型實施例的氣波制冷機包括機體1，轉輪分配器2，密封 結構3，接受管4，軸承50、52以及密封圈60、62、64。 機體1包括第一端蓋12、第一機殼14、第二機殼16以及第二端蓋18。第一機殼 14、第二機殼16均大致為兩端開口的中空圓柱體，其中第一機殼14上設有貫通的出氣孔 142以及均勻分布在第一機殼14周圍的多個貫通的接受管接口 144，在本實施例中接受管 接口 144為階梯狀的通孔。第二機殼16上設有貫通的進氣孔162。第一端蓋12覆蓋在第 一機殼14的一端，第二機殼16固定連接在第一機殼14的另一端，第二端蓋18覆蓋在第二 機殼16不與第一機殼14連接的一端。在第一端蓋12與第一機殼14之間、第一機殼14與 第二機殼16之間以及第二機殼16與第二端蓋18之間分別採用螺絲釘192、 194、 196進行 固定連接，並且在第一端蓋12與第一機殼14之間、第一機殼14與第二機殼16之間以及第 二機殼16與第二端蓋18之間的連接處分別設置密封圈60、62、64進行密封。 請一併參照圖2到圖6所示，轉輪分配器2設置在機體1內，其包括主軸22、葉輪 24以及堵頭26。 主軸22為圓柱形軸體，如圖3中所示其外部自左到右依次設置第一擋圈槽220，第 二擋圈槽222以及鍵槽224，鍵槽224設置在主軸22的一端。在主軸22未設鍵槽224的一 端開設沿主軸22軸向延伸的內腔226，內腔226並不貫通到主軸22的另一端，而是延伸到
4主軸22的中部即截止，在主軸22中部垂直軸向開設有貫通的進氣口 228，並且進氣口 228 與內腔226連通。 堵頭26設置在主軸22內的內腔226的開口端內，通過螺紋結構與該開口端固定， 將內腔226的開口端封閉。 葉輪24設置在主軸22上第一擋圈槽220和進氣口 228之間，大致呈盤狀，包括多 個噴嘴240、充氣部242以及放氣部244，其中充氣部242與放氣部244交替排列在葉輪24 周圍，充氣部242的半徑與機體1第一機殼14的內部半徑相同，而放氣部244的半徑小於 機體1第一機殼14的內部半徑，亦即放氣部244的半徑小於充氣部242的半徑。充氣部 242在葉輪24的外周上延伸的角度為a ，而放氣部244在葉輪24的外周上延伸的角度為 13。噴嘴240是由充氣部242圍成的孔，其截面大致呈梯形，該梯形的兩腰的夾角為Y，噴 嘴240與主軸22的內腔226相通。在本實施例中，葉輪24上設有三組噴嘴240、充氣部242 以及放氣部244， a 、 13以及Y的角度如圖所示。 轉輪分配器2設置在機體1內，其設置堵頭26的一端通過軸承50固定在機體1 的第一端蓋12上，而另一端穿過第二端蓋18並且通過軸承52固定在第二端蓋18上，葉輪 24的噴嘴240的軸線與第一機殼14的接受管接口 144的軸線位於同一平面上。轉輪分配 器2穿過第二端蓋18的一端與外部電機相連。 請參照圖1、圖7和圖8所示，本實施例包括兩組密封結構3，設置在轉輪分配器2 的主軸22與第二機殼16之間，位於主軸22上的進氣口 228兩側。這兩組密封結構3結構 相同，對稱設置，因而僅對其中一組進行詳細描述。 密封結構3包括軸套30，動環31，靜環32，推環33，彈簧34，固定體35，集裝塊36， 卡環37，定位環38，銷釘390，銷392、393以及0型環394、396、397、398、399。 軸套30套設在轉輪分配器2的主軸22上，其截面呈T形，包括套筒部302以及自 套筒部302 —端垂直其軸線向外側延伸的壁部304，壁部304在其外端軸向延伸一定長度， 從而與套筒部302形成一個用以容納動環31的容置空間(圖未標)。軸套30通過銷釘390 以及卡環37固定在轉輪分配器2的主軸22上，因此可隨主軸22轉動，並且通過0型環394 在軸套30與主軸22之間形成密封。 動環31呈環狀，套設在軸套30的套筒部302外側，並與壁部304相鄰，其通過銷 392與軸套30的壁部304卡固，因此可隨同軸套30與轉輪分配器2的主軸22 —同轉動，因 而稱之為"動環"。通過0型環396和398在動環31與軸套30之間形成密封。動環31的 一側與靜環32接觸，該接觸面的表面精度較高，並且在該接觸面上設有均勻分布螺旋狀的 螺旋槽312(見圖6)。 固定體35大致呈環狀，其外部通過螺絲釘197固定在機體1的第二機殼16上，其 內部套設在軸套30的套筒部302外側，並且沿套筒部302外側延伸有內延伸壁352，在固 定體35中部沿軸向延伸有外延伸壁354，在內延伸壁352和外延伸壁354之間形成容置空 間，用以容納靜環32和推環33，並且在位於該容置空間內側的壁面開設與轉輪分配器2的 主軸22的軸線平行的孔，彈簧34容置在其中，並且一端抵頂該孔的底壁。通過0型環399 在固定體35與第二機殼16之間形成密封。 推環33套設在固定體35的內延伸壁352外側，位於內延伸壁352和外延伸壁354 之間形成的容置空間內，其一側抵頂彈簧34的一端，另一側靠接靜環32。通過O型環397
5在推環33與固定體35之間形成密封。 靜環32呈環狀，在本實施例中，靜環32的內圈和外圈均設置成臺階狀，其內圈的 下部臺階套設在軸套30的套筒部302外側，並且與套筒部302之間具有一定間隙，而上部 臺階套設在固定體35的內延伸壁352外側。靜環32夾設在動環31與推環33之間，其與 動環31靠接，並且靠接的側面具有較高的精度，其與推環33部分靠接，並且與推環33形成 狹槽323。由於靜環32與套筒部302之間具有一定間隙，其不會與套筒部302以及轉輪分 配器2的主軸22 —同轉動，因此稱之為"靜環"，但是它可以與推環33 —起抵抗彈簧34預 設的推力在定位環38和固定體35的內延伸壁352之間做微小位移。 銷393穿過靜環32卡固於固定體35，以使靜環32不會相對固定體35產生相對轉 動。 定位環38卡固在固定體35的外延伸壁354內，其內圈半徑小於靜環32的外圈臺 階半徑，因而可對靜環32進行定位。 集裝塊36是四片金屬片，分別通過螺絲釘362固定在固定體35不設容置空間的 一側，並且卡扣於軸套30，其作用是使密封結構3組裝為一體，以便於將其組裝到氣波製冷 機內，並且在密封結構3裝入氣波制冷機之後，可限制轉輪分配器2的轉動，以便於氣波制 冷機的運輸以及組裝。在氣波制冷機安裝到所需要的場所，準備使用之前，須將集裝塊36 以及螺絲釘362拆除，以使氣波制冷機能夠正常工作。 上述兩組密封結構3與第二機殼16和轉輪分配器2的主軸22共同圍成高壓腔7， 而如圖1中左側的一組密封結構3與第一機殼14、第一端蓋12和轉輪分配器2共同圍成低 溫室8。其中高壓腔7與轉輪分配器2的進氣口 228連通。在氣波制冷機運轉之前，密封 結構3的動環31和靜環32互相接觸；而當氣波制冷機開始運轉時，高壓氣體通過第二機殼 16的進氣孔162進入高壓腔7，而轉輪分配器2在外部電機的帶動下高速轉動時，密封結構 3的動環31與軸套30與轉輪分配器2的主軸22 —同轉動，而高壓氣體進入靜環32與推環 33之間的狹槽323，從而推動推環33抵抗彈簧34的推力產生微小位移，同時靜環32也在 高壓氣體的推動下隨同推環33產生微小位移，高壓氣體進入動環31的螺旋槽312並且在 動環31和靜環32之間形成氣膜，從而達到密封氣體的作用。 兩組密封結構3的結構以及密封原理均相同，圖1中左側的一組密封結構3在低 溫室8和高壓腔7之間形成氣體密封，而右側的一組密封結構3在高壓腔7和密封結構3 右側的腔體之間形成氣體密封，以防止高壓氣體外洩。 請參照圖9所示，接受管4是一端開口一端封閉的管狀體，其開口端插接在機體1 第一機殼14的接受管接口 144內，通過螺絲釘41和法蘭42固定在第一機殼14上。 接受管4包括低溫部43、高溫部44以及放大腔45，低溫部43即接受管4與第一 機殼14相接的一段，其外部包覆有保溫層432以減少冷量損失。低溫部43與高溫部44之 間設有隔熱接頭46，其由隔熱材料製成，為中空管狀，其內徑大於等於低溫部43的內徑(在 本實施例中為大於)而小於等於高溫部44的內徑(在本實施例中為小於)。高溫部44 一 端與隔熱接頭46相接，另一端與放大腔45相接，高溫部44內靠近與放大腔45相接的一端 設有阻尼板442，該阻尼板442上設有一個或多個 L。在高溫部44和放大腔45的外部設有 殼體47，殼體47包圍高溫部44和放大腔45，並且在其周圍形成冷卻腔472，在冷卻腔472 內可採用循環水進行冷卻。[0043] 在本實施例中，該氣波制冷機具有兩個接受管4，其裝設在第一機殼14兩側對稱 的位置。 在裝配該氣波制冷機時，需先將兩組密封結構3裝配在第二機殼16上，然後將轉 輪分配器2的主軸22順次插入上述兩組密封結構3，再將第二端蓋18蓋在圖1中第二機 殼16的右端，並且將裝配好接受管4的第一機殼14裝配在第二機殼16的左端，最後將第 一端蓋12蓋在圖1中第一機殼14的左端。裝配好後，轉輪分配器2的噴嘴240的軸線與 接受管4的低溫部43的軸線共面。 當然，在需要使用時還需將氣波制冷機連接相應的外部設備，例如，將轉輪分配器 2的主軸22末端連接到外部電機，將第二機殼16的進氣孔162連接空氣壓縮機的輸出端， 將第一機殼14的出氣孔142連接冷氣導出管等。 請參照圖1所示，在本實用新型實施例氣波制冷機運行時，首先採用空氣壓縮機 將高壓氣體，通常是高壓空氣，通過第二機殼16的進氣孔162輸入高壓腔7。同時或者稍 後啟動外部電機帶動轉輪分配器2高速轉動，密封結構3如上所述形成氣體密封。高壓氣 體從高壓腔7經轉輪分配器2主軸22上的進氣口 228進入其內腔226，並且進入其葉輪24 內的噴嘴240。高壓氣體在噴嘴240中加速，加速後的高壓氣體氣流流速可達到超聲速，成 為超聲速氣流。 當葉輪24旋轉到噴嘴240對準第一機殼16的接受管接口 144時，超聲速氣流經 過接受管接口 144進入接受管4，此為充氣階段。進入接受管4的超聲速氣流在接受管4中 產生激波。 然後葉輪24旋轉，使得噴嘴240從第一機殼16的接受管接口 144移開，而充氣部 242移到接受管接口 144，從而將其封閉，此為封閉階段。在封閉階段，在接受管4內產生膨 脹波，膨脹波會產生製冷效果，從而使噴入接受管4的氣流溫度降低成為冷氣。上述激波會 傳到接受管4的高溫部44內，並且被阻尼板442和放大腔45減弱或者消除，以減弱或者消 除反射回低溫部43內的反射激波，提高製冷效率。但是因為在高溫部內入射超聲速氣流通 過激波對其內氣體進行壓縮，進行能量交換，高溫部內的氣體升溫。隔熱接頭46則可減少 高溫部44和低溫部43之間的熱傳導，並且大部分熱量由冷卻腔472內的循環水冷卻，因而 最大限度的減少低溫部43內的冷量損失。 當葉輪24進一步旋轉，使得其放氣部244旋轉到正對接受管接口 144，接受管4內 的冷氣會流入低溫室8內，並且從第一機殼14的出氣孔142排出，並且通過外接的冷氣導 出管導入需要製冷的空間。此為放氣階段。 上述充氣階段、封閉階段以及放氣階段為氣波制冷機的一個工作循環，在本實施 例中轉輪分配器2的葉輪24具有三組噴嘴240、充氣部242以及放氣部244，因而轉輪分配 器2旋轉一周，氣波制冷機經歷三個工作循環。轉輪分配器2不斷旋轉，高壓氣體不斷充入 高壓腔7，則氣波制冷機不斷生成冷氣，並且冷氣不斷從第一機殼14的出氣孔142排出，從 而達到快速製冷的目的。 在本實用新型的其它實施例中，轉輪分配器2的葉輪24上可具有1到6組噴嘴 240、充氣部242以及放氣部244，並且其為軸對稱結構。葉輪24也可以和主軸22分為兩個 部件，通過鍵傳遞扭矩。充氣部242在葉輪24的外周上延伸的角度a與放氣部244在葉 輪24的外周上延伸的角度13的比值在2 : 11到2 : l的範圍內。噴嘴240截面的兩腰夾角Y在2度到20度的範圍內。噴嘴240外端在葉輪24的外周上延伸的弧長(在圖6 中標示為弧IJ)與放氣部244在葉輪24的外周上延伸的弧長(在圖6中標示為弧KP)的 比值在l : 15到l : 3的範圍內，而噴嘴240外端在葉輪24的外周上延伸的弧長即弧IJ 與充氣部242在葉輪24的外周上延伸的弧長(在圖6中標示為弧HK)的比值在1 : 11到 1 : 2的範圍內。也可以不設堵頭26，而採取其它能夠將轉輪分配器2的內腔226開口端 封閉的結構。 機體1的第一機殼14和第二機殼16可以做成一體。密封結構3也可以採取其它 的形式，例如傳統的迷宮式密封。接受管4的結構也可以採取其它的形式，例如可省略冷卻 腔42、阻尼板442、保溫層432以及隔熱接頭46，即將低溫部43與高溫部44直接連接在一 起。 採用本實用新型實施例的氣波制冷機，改善了轉輪分配器2的結構，從而改善了 整個氣波制冷機的結構，使其結構緊湊，並且具有良好的傳動效果。對轉輪分配器2的結構 參數也進行了優化，從而顯著提高了氣波制冷機的製冷效率。 以上所揭露的僅為本實用新型一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本實用 新型之權利範圍，因此依本實用新型權利要求所作的等同變化，仍屬本實用新型所涵蓋的 範圍。
權利要求一種氣波制冷機，其包括機體、軸承、轉輪分配器、密封結構以及接受管，所述機體上設有進氣孔以及出氣孔，所述密封結構設置在所述機體上的進氣孔與出氣孔之間，所述轉輪分配器包括主軸和葉輪，其特徵在於所述主軸內設有軸向延伸的內腔，所述內腔兩端均封閉，所述主軸上還設有連通所述內腔和所述主軸外部的進氣口，所述葉輪設置在所述主軸外部，其包括噴嘴、充氣部以及放氣部，所述充氣部與放氣部交替排列在葉輪周圍，所述噴嘴是由所述充氣部圍成的孔，所述噴嘴與所述內腔連通。
2. 如權利要求l所述的氣波制冷機，其特徵在於所述轉輪分配器的葉輪上具有1至IJ6 組噴嘴、充氣部以及放氣部，並且它們為軸對稱結構。
3. 如權利要求1所述的氣波制冷機，其特徵在於所述噴嘴的截面呈梯形，所述梯形的 兩腰的夾角在2度到20度的範圍內。
4. 如權利要求1所述的氣波制冷機，其特徵在於所述充氣部在所述葉輪的外周上延伸的角度與所述放氣部在所述葉輪的外周上延伸的角度的比值在2 : ii到2 : i的範圍內。
5. 如權利要求1所述的氣波制冷機，其特徵在於所述噴嘴外端在所述葉輪的外周上延伸的弧長與所述放氣部在所述葉輪的外周上延伸的弧長的比值在i : 15到i : 3的範圍內，而所述噴嘴外端在所述葉輪的外周上延伸的弧長與所述充氣部在所述葉輪的外周上延伸的弧長的比值在i : ii到i : 2的範圍內。
6. —種用於氣波制冷機的轉輪分配器，其包括主軸和葉輪，其特徵在於所述主軸內設有軸向延伸的內腔，所述內腔兩端均封閉，所述主軸上還設有連通所述內腔和所述主軸 外部的進氣口 ，所述葉輪設置在所述主軸外部，其包括噴嘴、充氣部以及放氣部，所述充氣 部與放氣部交替排列在葉輪周圍，所述噴嘴是由所述充氣部圍成的孔，所述噴嘴與所述內 腔連通。
7. 如權利要求6所述的用於氣波制冷機的轉輪分配器，其特徵在於所述轉輪分配器的葉輪上具有1到6組噴嘴、充氣部以及放氣部，並且它們為軸對稱結構。
8. 如權利要求6所述的用於氣波制冷機的轉輪分配器，其特徵在於所述噴嘴的截面呈梯形，所述梯形的兩腰的夾角在2度到20度的範圍內。
9. 如權利要求6所述的用於氣波制冷機的轉輪分配器，其特徵在於所述充氣部在所述葉輪的外周上延伸的角度與所述放氣部在所述葉輪的外周上延伸的角度的比值在2 : 11到2 : 1的範圍內。
10. 如權利要求6所述的用於氣波制冷機的轉輪分配器，其特徵在於所述噴嘴外端在所述葉輪的外周上延伸的弧長與所述放氣部在所述葉輪的外周上延伸的弧長的比值在i : 15到i : 3的範圍內，而所述噴嘴外端在所述葉輪的外周上延伸的弧長與所述充氣部 在所述葉輪的外周上延伸的弧長的比值在i : ii到i : 2的範圍內。
專利摘要一種用於氣波制冷機的轉輪分配器，其包括主軸和葉輪，所述主軸內設有軸向延伸的內腔，所述內腔兩端均封閉，所述主軸上還設有連通所述內腔和所述主軸外部的進氣口，所述葉輪設置在所述主軸外部，其包括噴嘴、充氣部以及放氣部，所述充氣部與放氣部交替排列在葉輪周圍，所述噴嘴是由所述充氣部圍成的孔，所述噴嘴與所述內腔連通。採用本實用新型實施例的轉輪分配器以及應用該轉輪分配器的氣波制冷機，改善了轉輪分配器的結構，從而改善了整個氣波制冷機的結構，使其結構緊湊，並且具有良好的傳動效果。對轉輪分配器的結構參數也進行了優化，從而顯著提高了氣波制冷機的製冷效率。
文檔編號F25B9/00GK201503163SQ200920132178
公開日2010年6月9日 申請日期2009年5月22日 優先權日2009年5月22日
發明者單希壯, 邢小月 申請人:深圳市力科氣動科技有限公司