專利名稱：?jiǎn)喂軞怏w波制冷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于壓力氣體的射流與氣體波制冷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣波制冷機(jī)、多級(jí)氣波制冷機(jī)以及射流振蕩制冷機(jī)，均可歸類于氣體波制冷機(jī)械。它們所具有的相同之處均是利用機(jī)器上的激波振蕩管產(chǎn)生的冷、熱效應(yīng)從而達(dá)到制冷的目的。工作時(shí)，帶有壓力的進(jìn)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(nèi)氣體接受射入氣體的壓力能，并通過波系-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(zhuǎn)換，并消除反射激波的不利影響實(shí)現(xiàn)氣體制冷。差異只在于結(jié)構(gòu)上有所不同，其中最顯著的差別體現(xiàn)在噴嘴的運(yùn)行方式上，氣波制冷機(jī)和多級(jí)氣波制冷機(jī)噴嘴是旋轉(zhuǎn)的，皆是依靠利用氣體的壓差或電機(jī)驅(qū)動(dòng)使氣體分配器——噴嘴旋轉(zhuǎn)，而射流振蕩制冷機(jī)則射流噴嘴是靜止不動(dòng)的，整機(jī)無任何運(yùn)動(dòng)部件。雖然另一個(gè)關(guān)鍵制冷元件——振蕩接受管的數(shù)量一般分別為60～80和5～13根，但基本結(jié)構(gòu)是一樣的，氣體波制冷機(jī)械的最主要核心問題是激波振蕩接受管內(nèi)的氣體流動(dòng)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(chǎng)情況流動(dòng)狀況流場(chǎng)情況，即可全面認(rèn)識(shí)其它接受管的內(nèi)部流場(chǎng)情況。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和性能穩(wěn)定的單管氣體波制冷器。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型單管式氣波制冷器的基本構(gòu)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(duì)稱地設(shè)置若干個(gè)射氣孔。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)軸和氣體分配盤高速旋轉(zhuǎn)，在分配盤射氣孔對(duì)準(zhǔn)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(shí)間后，射氣孔對(duì)準(zhǔn)噴管口，氣體射流進(jìn)入氣波振蕩管。當(dāng)射氣孔轉(zhuǎn)離噴管口后射氣停止，同時(shí)，射氣孔后緣將開口端封閉。隨后，射氣孔后緣轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)方案泄漏量小。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案還包括以下幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征1、噴管10見


圖12是一個(gè)在其內(nèi)部前面部分加工成由大到小呈漸縮形的錐體，后部則為平直的圓孔段，整體屬于收縮型噴嘴，射流口的尺寸范圍在Φ4～Φ18之間，噴嘴口徑尺寸及形狀依據(jù)流量和研究?jī)?nèi)容的需要確定。噴管外部圓柱體的中間是一個(gè)作為固定用的圓形法蘭盤。內(nèi)錐體大口一端的外部圓柱體上加工有右旋的細(xì)牙螺紋。
2、氣體分配盤16是由一組多個(gè)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(gè)、3個(gè)、4個(gè)或者更多數(shù)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(zhǎng)圓孔，見圖9中的4個(gè)射氣孔即為長(zhǎng)圓孔，射氣孔的個(gè)數(shù)及尺寸長(zhǎng)短決定了充排氣時(shí)間比的大小。舉二個(gè)例子一個(gè)氣體分配盤盤面上均布了3個(gè)Φ10的射氣孔；另一個(gè)氣體分配盤盤面上均布了4個(gè)Φ8的射氣孔。分配盤16中心設(shè)有軸孔71，以與轉(zhuǎn)軸20配合，該孔的周圍部布置了6個(gè)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(gè)深為5mm的環(huán)形寬槽，射氣孔68無論是圓孔還是長(zhǎng)圓孔均是通透的。該盤下部凹進(jìn)去敞開一邊內(nèi)的實(shí)體面上，在4個(gè)長(zhǎng)圓形射氣孔之間，分別設(shè)有未加工透的大的長(zhǎng)圓形排氣槽66。在這同一個(gè)平面上每一個(gè)射氣孔的二邊分別設(shè)有前緣67、后緣69，前、后緣的長(zhǎng)度一般是射氣孔68長(zhǎng)度的1～2倍。另外該分配盤外環(huán)72是一個(gè)寬邊的環(huán)狀體，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中它的內(nèi)壁與機(jī)器殼體3和23的內(nèi)壁及氣體分配盤16的下平面，構(gòu)成了本制冷器的排氣腔室。
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(gè)突擴(kuò)管，突擴(kuò)管的尾端仍是封閉的。在距管敞口端500～1000mm處設(shè)有一個(gè)可拆卸的接頭體64，以連接后續(xù)振蕩管。管接頭有金屬制的，也使用工程塑料加工制作的隔熱接頭，氣波振蕩管43的總長(zhǎng)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。管徑選取范圍為Φ6～Φ18mm。
4、裝夾固定氣波振蕩管43的管套夾具，見
圖14，其結(jié)構(gòu)為內(nèi)部?jī)蓚?cè)為不等徑敞開式圓孔，其間有一階梯臺(tái)，以供更換不同規(guī)格振蕩管配裝相應(yīng)的內(nèi)套管時(shí)定位用。管套夾具外部中間位置是一法蘭式的圓盤件，遠(yuǎn)離機(jī)體一端的外部是一個(gè)只設(shè)二孔的菱形法蘭。在機(jī)架平臺(tái)上還裝有通過豎立的絲桿螺紋的管卡40，可調(diào)后續(xù)振蕩管的高度并固定。
5、為能夠方便準(zhǔn)確快速地更換不同管徑的氣波振蕩管43和找正對(duì)心制有專門的其中外套管始終不變，只是內(nèi)套管根據(jù)氣波振蕩管43管徑的大小不同制備了多種規(guī)格的配套件即套管夾具內(nèi)套管45，其外部尺寸不變，內(nèi)部尺寸隨管徑改變，結(jié)構(gòu)形式見
圖17和
圖18，使用時(shí)根據(jù)需要作相應(yīng)的更換。
6、機(jī)器殼體是由兩個(gè)半圓體殼體下部3和殼體上部23構(gòu)成，見圖4和圖5，上下兩部分在中間對(duì)接組成一個(gè)完整主機(jī)體，內(nèi)部是一個(gè)合為一體后加工的圓形腔室，機(jī)體一面為敞口，另一面為實(shí)體器壁，實(shí)體一面中間設(shè)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(zhuǎn)軸20是一階梯軸，見
圖19，其上設(shè)有多處軸肩，細(xì)軸一端設(shè)置一鍵槽。靠背轉(zhuǎn)盤18與中間軸段采取烘裝形式裝配。以供、氣體分配盤16、軸承19、測(cè)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(zhuǎn)軸20的中心線與殼體23的中心線重合。該轉(zhuǎn)動(dòng)軸以軸兩端各一套軸承作為支撐，轉(zhuǎn)軸20的細(xì)軸一端從機(jī)器殼體的封閉一側(cè)中心開孔伸出8、端蓋4是一個(gè)完整的圓盤件，其一邊為平面，另一邊設(shè)有一個(gè)小于端蓋外徑的環(huán)形凸臺(tái)，凸臺(tái)的中間是凹心的，凸臺(tái)的外圓與機(jī)器殼體的內(nèi)腔壁面作間隙配合并起定位作用，其上設(shè)有放置O形圈7的環(huán)形溝槽，端蓋上凸臺(tái)以外的四周邊緣均布了8個(gè)螺栓通孔。另外在端蓋面上設(shè)有三圓孔，處于中間位置的大圓孔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(dǎo)出管62。
本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果和益處是1.既可做研究之用，也適用于一般小型的制冷場(chǎng)合。
2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工、安裝和拆卸。
3.互換性好，更換實(shí)驗(yàn)件方便快捷。
4.運(yùn)行參數(shù)易于調(diào)控，可進(jìn)行各種變工況以及單因素的實(shí)驗(yàn)研究。
如轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、流場(chǎng)內(nèi)的氣速、壓力波形等等測(cè)試。
5.采用工程塑料制作隔熱接頭及在氣波振蕩管內(nèi)插非金屬套管，以隔阻管壁的熱量反饋。對(duì)提高制冷效率，效果顯著。
6.因單管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過加水套管或風(fēng)冷等強(qiáng)制換熱手段，可以實(shí)現(xiàn)制冷效率的顯著提高。
7.流量、壓力和膨脹比可調(diào)范圍大。
8.耗氣及原材料少，制造、使用及維護(hù)容易，故可節(jié)省經(jīng)費(fèi)。
以往開展此類波制冷機(jī)械機(jī)理方面的研究一般只能在制冷整機(jī)上完成一部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的工作。由于實(shí)驗(yàn)件更換數(shù)量多，難度大，且整機(jī)實(shí)驗(yàn)耗氣量大且不穩(wěn)定，所以對(duì)于諸多影響波制冷機(jī)效率的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和綜合分析較難進(jìn)行，特別是有一些涉及機(jī)理研究的內(nèi)容，例如振蕩接受管內(nèi)各種波的形成過程；波的強(qiáng)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(huì)否返回入口膨脹端降低制冷效率？波機(jī)器在不同的運(yùn)行工況、不同的壓力及膨脹比、不同的轉(zhuǎn)速下性能和效率如何？不同管徑及管長(zhǎng)對(duì)轉(zhuǎn)速及效率的影響？結(jié)構(gòu)及工況的最佳匹配等等。
本實(shí)用新型的裝置及技術(shù)能夠完成諸如變換機(jī)器結(jié)構(gòu)、噴管口徑尺寸，變管長(zhǎng)、管徑、變換彎管部位、氣波振蕩管后部異徑管連接變換、改變反射激波吸收腔的結(jié)構(gòu)和尺寸、改變壓力工況及膨脹比等一系列組合匹配重要實(shí)驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)速對(duì)波機(jī)器的效率影響很大，所以本機(jī)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來研究在不同膨脹比等條件下轉(zhuǎn)速對(duì)制冷效率的影響，可以獲得最佳轉(zhuǎn)速等有價(jià)值的數(shù)據(jù)。通過采集振蕩管內(nèi)流場(chǎng)的各種壓力波形和溫度數(shù)據(jù)，用以揭示其中速度場(chǎng)、密度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的形成規(guī)律與分布狀況等等。這些有關(guān)機(jī)理特性方面的研究?jī)?nèi)容對(duì)于進(jìn)一步提高波制冷機(jī)的制冷效率及性能都極有價(jià)值。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1是單管式氣波制冷器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是單管式氣波制冷器裝置主視圖。
圖3是單管式氣波制冷器裝置側(cè)視圖。
圖4是機(jī)器殼體主視圖。
圖5是機(jī)器殼體俯視圖。
圖6是機(jī)器殼體A-A向剖視圖。
圖7是制冷器端蓋的主視圖。
圖8是制冷器端蓋的側(cè)視圖。
圖9是制冷器氣體分配盤主視圖。
圖10是制冷器氣體分配盤A-A向視圖。
圖11是制冷器氣體分配盤B向視圖。
圖12是制冷器噴管的主視圖。
圖13是制冷器噴管的俯視圖。
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(nèi)套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖18是套管夾具Φ12管內(nèi)套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖19是制冷器轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖20是轉(zhuǎn)軸的側(cè)視圖。
圖21是轉(zhuǎn)軸的A-A向剖視圖。
圖22是轉(zhuǎn)軸的B向剖視圖。
圖23是氣波振蕩管開口端封閉時(shí)內(nèi)部工作原理圖。
圖24是氣波振蕩管開口端敞開時(shí)內(nèi)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(jìn)氣閥門，6.溫度和壓力表，7.O形密封圈，8.進(jìn)氣管，9.管接頭，10.噴管，11.雙頭螺柱，12.螺母，13.墊片，14.調(diào)整墊，15.四氟環(huán)形墊圈，16.氣體分配盤，17.螺栓，18.靠背轉(zhuǎn)盤，19.軸承，20.轉(zhuǎn)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(cè)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(dǎo)向定位管套，47.底座板，48.支架，49.螺母，50.電機(jī)，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(cè)速傳感器，59.支桿，60.測(cè)溫傳感器，61.排氣管，62.導(dǎo)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.射氣孔后緣，70.進(jìn)氣端環(huán)形凹槽，71.軸孔，72.分配盤外環(huán)，73.接觸面，74.激波，75.右行膨脹波。
具體實(shí)施方式
見
圖1，實(shí)施本實(shí)用新型的一種單管氣波制冷器裝置主要由噴管10、氣體分配盤16、氣波振蕩管43、主機(jī)體殼體23、轉(zhuǎn)軸20、電機(jī)50、皮帶輪51、測(cè)速齒輪30、大端蓋4及軸承19等零部件組成。
其中作為本實(shí)用新型的關(guān)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(duì)于本制冷器的作用發(fā)揮和效能十分重要。鑒于此，也為了便于安裝調(diào)試和滿足實(shí)驗(yàn)研究的要求，本機(jī)進(jìn)氣管路的管接頭9采用細(xì)牙螺紋與噴管10連接，以實(shí)現(xiàn)微量調(diào)距和減小偏差；噴管10見
圖12，是一個(gè)前部制成由大到小呈漸縮形的內(nèi)錐體，后部則為平直的圓孔段，整體屬于收縮型噴嘴，射流口的尺寸范圍在Φ4～Φ18之間，噴嘴口徑尺寸及形狀依據(jù)流量和研究?jī)?nèi)容的需要確定。內(nèi)錐體大口一端的外部圓柱體上加工有右旋的細(xì)牙螺紋。噴管外部圓柱體的中間是一個(gè)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(zhuǎn)軸20在一個(gè)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(zhuǎn)軸20旋轉(zhuǎn)。
氣體分配盤16的安裝是通過螺栓將其固定在轉(zhuǎn)軸20的靠背轉(zhuǎn)盤18上，并隨軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？勘侈D(zhuǎn)盤18與轉(zhuǎn)軸20之間是采用過盈配合并烘裝在一起，且軸上件的受力方向是正面觀視圖自左向右方向，也即轉(zhuǎn)軸20由粗變細(xì)的方向。氣體分配盤16是由一組多個(gè)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(gè)、3個(gè)、4個(gè)和6個(gè)數(shù)量不等以及不同口徑的射氣孔，射氣孔的個(gè)數(shù)及長(zhǎng)度決定了充排氣時(shí)間比的大小。當(dāng)氣體分配盤16上的射氣孔與噴管出口內(nèi)截面重合時(shí)，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(zhuǎn)，每個(gè)射氣孔68都周期性地經(jīng)過噴管10出口截面。當(dāng)射氣孔68經(jīng)過噴管10出口截面時(shí)，從噴管10出來的高速射流經(jīng)射氣孔68進(jìn)入氣波振蕩管43中；當(dāng)射氣孔68轉(zhuǎn)離噴管10出口截面時(shí)，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(lián)通并開始排氣。因此氣體分配盤16起著射流開關(guān)的作用，依靠氣體分配盤16的旋轉(zhuǎn)作用將噴管10產(chǎn)生的連續(xù)射流變?yōu)殚g歇性的脈動(dòng)射流，實(shí)現(xiàn)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(gè)深為5mm的環(huán)形寬凹槽，因大端蓋4上有一環(huán)形凸臺(tái)，當(dāng)氣體分配盤16旋轉(zhuǎn)起來后，它們之間只有很小一點(diǎn)間隙，加上離心力的作用，可以減少噴管10前端面向四周的泄漏。氣體分配盤16上射氣孔68無論是圓孔還是長(zhǎng)圓孔均是通透的，射氣孔68的開孔數(shù)量根據(jù)研究的需要確定。該盤下部凹進(jìn)去敞開一邊內(nèi)的實(shí)體面上，在4個(gè)長(zhǎng)圓形射氣孔之間，分別設(shè)有未加工透的大的長(zhǎng)圓形排氣槽66。在這同一個(gè)平面上每一個(gè)射氣孔68的二邊分別設(shè)有前緣67、后緣69，前、后緣的長(zhǎng)度一般是射氣孔68長(zhǎng)度的1～2倍。另外該分配盤外環(huán)72是一個(gè)寬邊的環(huán)狀體，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中它的內(nèi)壁與機(jī)器殼體3和23的內(nèi)壁及氣體分配盤16的下平面，構(gòu)成了本制冷器的排氣腔室。使得在排氣階段在排氣端一側(cè)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泄漏及充、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(gè)突擴(kuò)管，突擴(kuò)管的尾端仍是封閉的。在距管敞口端500～1000mm處設(shè)有一個(gè)可拆卸的接頭體64，以連接后續(xù)振蕩管。管接頭有金屬制作的，也有用工程塑料加工制作的隔熱接頭，另外內(nèi)插非金屬套管，均為用來阻斷氣波振蕩管管壁熱量傳導(dǎo)和反饋的有效方法手段。氣波振蕩管43的總長(zhǎng)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(qiáng)度要求的情況下盡可能薄，一般在1-2mm之間選取。管徑及管長(zhǎng)由噴嘴口徑大小和數(shù)量、處理氣量、氣流速度等參數(shù)來確定，并且要根據(jù)研究的需要和要求經(jīng)常調(diào)整改變。管徑選取范圍為Φ6-Φ18mm。
為了能夠方便準(zhǔn)確快速地更換不同管徑的氣波振蕩管43和找正對(duì)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(jié)構(gòu)為內(nèi)部?jī)蓚?cè)為不等徑敞開式圓孔，其間有一階梯臺(tái)，以供更換不同規(guī)格振蕩管配裝相應(yīng)的內(nèi)套管時(shí)定位用。管套夾具外部中間位置是一法蘭式的圓盤件，遠(yuǎn)離機(jī)體一端的外部是一個(gè)只設(shè)二孔的菱形法蘭。在機(jī)架平臺(tái)上還裝有通過豎立的絲桿螺紋的管卡40，可調(diào)后續(xù)振蕩管的高度并固定。當(dāng)需換管時(shí)，套管夾具的外體始終不變，只是內(nèi)套管根據(jù)氣波振蕩管43管徑的大小不同制備了多種規(guī)格的配套件即套管夾具內(nèi)套管45，其外部尺寸不變，內(nèi)部尺寸隨管徑改變，結(jié)構(gòu)形式見
圖17和
圖18，使用時(shí)根據(jù)需要作相應(yīng)的更換。本機(jī)振蕩接受管材質(zhì)選取兼顧和滿足了導(dǎo)熱、傳熱性能和強(qiáng)度要求，一般以紫銅管或無縫鋼管為宜。
機(jī)器殼體是由一回轉(zhuǎn)體從中間拋分成上下兩個(gè)半圓體，二個(gè)半圓體與焊接在其兩側(cè)邊緣上的凸臺(tái)構(gòu)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(gè)整機(jī)體，見圖4和圖5，內(nèi)部為一個(gè)合為一體后加工的圓形腔室，以放置與之相配合的氣體分配盤16，機(jī)體一面為敞口，另一面為實(shí)體器壁，實(shí)體一面中間設(shè)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(gè)半圓體構(gòu)成機(jī)器殼體是由于內(nèi)件安裝的需要所致。轉(zhuǎn)軸20是一階梯軸，見
圖19，其上設(shè)有多處軸肩，以供靠背轉(zhuǎn)盤18、氣體分配盤16、軸承19、測(cè)速齒輪30和皮帶輪31安裝定位。軸的安裝位置在機(jī)器殼體的中心，轉(zhuǎn)軸20的中心線與殼體23的中心線重合。該轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)和機(jī)器殼體的器壁內(nèi)，右側(cè)軸承19通過軸封端蓋28壓緊軸承外圈，靜止的端蓋28與轉(zhuǎn)軸20之間的密封由螺紋壓帽35壓緊由柔性石墨制成的填料環(huán)34完成。轉(zhuǎn)軸20的細(xì)軸一端從殼體的封閉一側(cè)中心開孔伸出，軸端通過鍵聯(lián)接固定安裝由小皮帶輪31與計(jì)速齒輪30合為一體的組合件，計(jì)數(shù)齒輪30由60個(gè)齒組成，按模數(shù)m＝2制造，電機(jī)軸上安裝大皮帶輪，電機(jī)50通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)軸20旋轉(zhuǎn)，端蓋4為本制冷器的機(jī)體封蓋，它是一個(gè)完整的圓盤件，其上設(shè)有二圓孔，打開處于中間位置的大圓孔封蓋可給軸承加注潤(rùn)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(diào)整墊14，調(diào)整墊片除用作調(diào)整噴管10的位置及與氣體分配盤16的配合間隙外，還用于此處的密封防泄漏，端蓋4的內(nèi)部設(shè)有一完整的環(huán)形凸臺(tái)，凸臺(tái)的外圓起定位作用與機(jī)器殼體的內(nèi)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泄漏，在凸臺(tái)的前端鑲嵌有環(huán)形的四氟板，是為縮小間隙減少摩擦所設(shè)，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泄漏量，另為了在此處能更進(jìn)一步減少氣體泄漏，噴管10的前端隨前面提到的端蓋4上的凸臺(tái)嵌入到氣體分配盤16上進(jìn)氣一側(cè)專門設(shè)置的環(huán)形凹槽中，這作為一種密封形式目的也是阻止噴管射流時(shí)的未制冷氣體流入盤后與冷氣混合。噴管10的后端通過直通式管接頭9與進(jìn)氣管8相連，管接頭9內(nèi)噴管10與進(jìn)氣管8之間加裝有密封墊片為防螺紋處氣體泄漏。另在端蓋4上開孔接出一根導(dǎo)出管62，并由閥門控制，用以必要時(shí)將從噴管10射出，但并沒有進(jìn)入到氣波振蕩管43內(nèi)的少量氣體引出，目的仍然是防止和減少冷熱混合，提高制冷效率。另外還通過在氣波振蕩管43外加裝水套管，下進(jìn)上出，采用強(qiáng)制換熱手段，可以實(shí)現(xiàn)制冷效率的顯著提高。
在進(jìn)氣管8上安裝控制閥門以調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力。工作時(shí)，未經(jīng)制冷的常溫氣體經(jīng)進(jìn)口閥門5及進(jìn)氣管8進(jìn)入噴管10，進(jìn)氣管8上焊管連接安裝壓力表，并通過安裝測(cè)溫傳感器，連接溫度表。排氣管61上也同進(jìn)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(shù)量的壓力和溫度傳感器。
本單管氣波制冷器安放在鐵架平臺(tái)上面的V形鐵之上，見圖2、圖3，電機(jī)50安裝在機(jī)架中間的斜向角鋼拉筋之上，開有長(zhǎng)圓孔槽，供移動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)傳動(dòng)皮帶松緊。
二、制冷技術(shù)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(gòu)成了本實(shí)用新型單管式氣波制冷器的主體框架。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(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)氣流和氣體波作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷器冷、熱效應(yīng)的關(guān)鍵部件。其主要作用是將由噴管10產(chǎn)生的連續(xù)射流變?yōu)殚g歇性的脈動(dòng)射流，并使氣波振蕩管43的開口端周期性地經(jīng)歷封閉-充氣-封閉-排氣這樣一個(gè)工作過程。以上三者之間的的完整工作循環(huán)實(shí)際上包括四個(gè)階段1、射氣前的準(zhǔn)備階段，即射氣孔68前緣67結(jié)束排氣運(yùn)動(dòng)的過程；2、射氣過程；3、射氣后的尾處理階段，即射氣孔后緣結(jié)束射氣運(yùn)動(dòng)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(jié)束排氣，開始射氣。其間隔寬度與射氣孔的寬度尺寸相當(dāng)。當(dāng)冷氣排放時(shí)，管內(nèi)氣體有一個(gè)朝向開口端的慣性運(yùn)動(dòng)，這里稱作排氣運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)經(jīng)射氣孔前緣67對(duì)氣波振蕩管的短暫時(shí)間封閉，管內(nèi)氣體的排氣過程此刻結(jié)束。射氣前管內(nèi)氣體處于瞬間的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，避免了射入的新鮮氣與反向流往振蕩管開口端的管內(nèi)循環(huán)氣直接相撞，造成制冷效率的降低，從而完成了射氣前的準(zhǔn)備工作。
同樣，射氣孔后緣69具有相似的結(jié)構(gòu)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(jié)束射氣過程，開始排氣過程，不過此時(shí)射氣孔后緣69結(jié)束氣波振蕩管43內(nèi)氣體的射氣運(yùn)動(dòng)是從射氣運(yùn)動(dòng)方向的后面作用的，而前緣結(jié)束排氣是從排氣運(yùn)動(dòng)方向的前方作用的。射氣運(yùn)動(dòng)是指管內(nèi)氣體，包括新鮮氣和循環(huán)氣朝向管子封閉端的運(yùn)動(dòng)。射氣運(yùn)動(dòng)結(jié)束，管內(nèi)氣體可認(rèn)為處于均勻的靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)然溫度參數(shù)除外，新鮮氣的動(dòng)能和壓力能完成向循環(huán)氣的充分傳遞，且管內(nèi)氣體膨脹充分，完成新鮮氣的管內(nèi)致冷作用。這就完成了射氣后的尾處理過程。然后進(jìn)入排氣過程。接著重復(fù)上述過程，如此周而復(fù)始。實(shí)際上氣體分配盤16在中間起了一個(gè)切換開關(guān)的作用。
本實(shí)用新型單管式氣波制冷器的制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(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。即還可以通過氣波振蕩管的工作機(jī)理作進(jìn)一步的揭示。氣波振蕩管內(nèi)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(nèi)原有的滯存氣體之間會(huì)形成一接觸面，該接觸面可視為一無質(zhì)量的氣體“活塞”；由于接觸面兩邊壓力和速度都不相等，故該“活塞”是不斷前后移動(dòng)的，向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在“活塞”的前方將出現(xiàn)同方向運(yùn)動(dòng)的激波，激波所產(chǎn)生的能量大大強(qiáng)于壓縮波，激波產(chǎn)生和到達(dá)掃過之處，氣體連續(xù)受到壓縮，溫度和壓力升高，經(jīng)過多周期的作用，管內(nèi)氣體溫度越發(fā)升高，并通過管壁散熱，完成能量轉(zhuǎn)換。由于射入氣體對(duì)管內(nèi)氣體膨脹做功，故使自身能量降低，總溫下降。由于管內(nèi)壓力大于管外壓力，管內(nèi)射入氣體反向流出管口，經(jīng)66排氣槽匯集到排氣腔室后從機(jī)器出口排出，完成一個(gè)制冷循環(huán)。激波的產(chǎn)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，制冷效率將越高，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(huì)產(chǎn)生反射激波，反射激波會(huì)將部分熱量傳回管口，抵消部分制冷后的溫降，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(kuò)變徑的空心管，以吸收反射激波，提高機(jī)器的制冷效率。由于該類波機(jī)器所有振蕩接受管的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)均完全相同，因而剖析其中一根振蕩接受管的流場(chǎng)情況均能反映機(jī)器上其余接受管內(nèi)的流動(dòng)狀況，本實(shí)用新型單管式氣波制冷器及技術(shù)能夠完成諸如變換機(jī)器結(jié)構(gòu)、噴管口徑尺寸，變管長(zhǎng)、管徑、變換彎管部位、氣波振蕩管43后部異徑管連接變換、改變反射激波吸收腔的結(jié)構(gòu)和尺寸、改變壓力工況及膨脹比等一系列組合匹配重要實(shí)驗(yàn)。通過在此根氣波振蕩管43的各個(gè)不同部位安裝溫度和壓力傳感器，就可以采集獲取這些關(guān)鍵部位的壓力波形和溫度數(shù)據(jù)。通過將熱線風(fēng)速儀雙針式探頭安裝在氣波振蕩管43的各處，測(cè)定流場(chǎng)內(nèi)不同部位的氣流速度，以期實(shí)時(shí)完成變工況條件下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，探測(cè)激波發(fā)生、發(fā)展的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于轉(zhuǎn)速對(duì)波機(jī)器的效率影響很大，因而變轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容非常重要，本制冷器裝置運(yùn)用調(diào)頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可通過計(jì)數(shù)齒輪結(jié)合計(jì)數(shù)傳感器讀取實(shí)際轉(zhuǎn)速，這樣便可在其他工況參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來研究在不同膨脹比等條件下轉(zhuǎn)速對(duì)制冷效率的影響，以獲得最佳轉(zhuǎn)速等有價(jià)值數(shù)據(jù)。本裝置的實(shí)際測(cè)量操作過程是由電機(jī)通過其上安裝的大皮帶輪帶動(dòng)裝置主軸上的小帶輪，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸20上的氣體分配盤16分配射流，氣體分配盤16的轉(zhuǎn)速由皮帶傳動(dòng)比來確定，傳動(dòng)比n的范圍為1～2.5，可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍在500～7500rpm，涵蓋了多個(gè)最佳轉(zhuǎn)速區(qū)段，當(dāng)轉(zhuǎn)軸20和氣體分配盤16一起隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶輪作不同旋轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速由調(diào)頻器調(diào)節(jié)控制，還可通過安裝固定在殼體下部3上的測(cè)速傳感器58接收計(jì)數(shù)齒輪30給出的信號(hào)，再通過轉(zhuǎn)速表讀取轉(zhuǎn)速值，以校驗(yàn)調(diào)頻器顯示的讀值是否準(zhǔn)確。本裝置電機(jī)拖動(dòng)的動(dòng)力消耗為1.5KW。
首先調(diào)節(jié)調(diào)頻器啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)軸20及氣體分配盤16轉(zhuǎn)動(dòng)，然后再先后打開排氣63和進(jìn)氣閥門5，必須先打開排氣閥63，以防憋壓。使用時(shí)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)進(jìn)、出口閥門的大小，以改變壓力和膨脹比，進(jìn)、出口壓力通過裝在進(jìn)口管8和出口管61上的壓力表讀出，進(jìn)氣壓力可調(diào)范圍為0.1～1.6MPa，膨脹比ε＝進(jìn)口絕對(duì)壓力P進(jìn)/出口絕對(duì)壓力P出，膨脹比可調(diào)范圍為1.0～10.0，一般情況下，隨著膨脹比的增大，氣波振蕩管產(chǎn)生的溫降也明顯增大，但制冷效率不一定增加。另由于氣體分配盤16上的分別平均設(shè)置分布了2～6個(gè)射氣孔，在500～7500rpm可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，故對(duì)氣波振蕩管43的射流激勵(lì)頻率可調(diào)范圍為15～750Hz。制冷前后的溫度值則通過裝在進(jìn)、出口管上的溫度傳感器經(jīng)溫度表讀出。未經(jīng)制冷的常溫氣體經(jīng)進(jìn)口閥門5及進(jìn)氣管8進(jìn)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，由于該管是一端封閉的結(jié)構(gòu)，從管內(nèi)返出的經(jīng)制冷后的低溫氣體則通過氣體分配盤16上開出的多個(gè)排氣槽66流向機(jī)內(nèi)的低壓腔室，匯集后經(jīng)出口管61排出使用。本機(jī)的處理量為28～55NM3/h，制冷效率η＞45％。
本制冷器可實(shí)現(xiàn)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(gè)研究項(xiàng)目的內(nèi)容，例如只改變轉(zhuǎn)速或頻率，而進(jìn)、出氣壓力、膨脹比、噴嘴形狀口徑，接受管管長(zhǎng)、管徑等均不改變，流場(chǎng)怎樣變化？效率曲線如何？由于該類波機(jī)器所有振蕩接受管的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)均完全相同，因而剖析其中一根振蕩接受管的流場(chǎng)情況均能反映機(jī)器上其余接受管內(nèi)的流動(dòng)狀況，使氣波振蕩管內(nèi)的氣體波系，指壓縮波、激波、膨脹波和反射激波的運(yùn)動(dòng)等流場(chǎng)流動(dòng)信號(hào)加強(qiáng)，用每隔150mm打孔插入并封裝的熱線風(fēng)速儀雙針式傳感探頭采集氣流速度信號(hào)，在另一根流道和管上用每隔150mm分別相對(duì)安裝的壓力傳感器和熱電偶溫度傳感器，以采集壓力信號(hào)和溫度信號(hào)，壓力信號(hào)通過電荷放大器輸入到32通道多功能數(shù)據(jù)分析儀后可獲得各點(diǎn)的壓力波形，溫度信號(hào)則通過計(jì)算機(jī)的處理作出各點(diǎn)的溫度分布曲線，還須用接觸式溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量接受管壁面各點(diǎn)的溫度。另外在裝置的某些關(guān)鍵部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，如在氣波振蕩管43敞口端附近安裝測(cè)溫傳感器60采集該處的溫度，此位置是最低溫度點(diǎn)。
另外接受管振蕩頻率的高低決定著管壁溫度的分布，同時(shí)影響到向外界散發(fā)熱量的多少。在振蕩過程中，伴隨著氣體溫度的變化，同時(shí)管壁溫度從常溫逐漸按某種規(guī)律分布，由于氣體與管間的傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬壁之間的導(dǎo)熱系數(shù)，穩(wěn)定后管壁溫度基本上是沿某曲線分布的定值；由于溫度梯度的存在，熱量沿管壁大量散發(fā)到外界，同時(shí)部分熱量軸向沿管壁返回到冷氣中；在管內(nèi)某定點(diǎn)，氣體質(zhì)點(diǎn)在該點(diǎn)附近振蕩，溫度、壓力呈周期性轉(zhuǎn)變。為了獲得氣波振蕩管這一關(guān)鍵和重要的射流制冷元件內(nèi)不同位置的壓力及溫度等有價(jià)值的研究數(shù)據(jù)及參數(shù)，在該管的相應(yīng)位置安裝了一組多個(gè)壓力傳感器和溫度傳感器，以采集溫度和壓力數(shù)據(jù)。通過該裝置可以試驗(yàn)多種新型射流元件對(duì)流場(chǎng)或溫度效應(yīng)影響的研究?？梢酝瓿筛鞣N管外強(qiáng)制換熱性能狀況研究，隔阻管壁軸向?qū)岬难芯?，非金屬隔熱管件最佳隔熱位置以及與壁溫梯度的關(guān)系。
在實(shí)現(xiàn)上述功能后，使用本制冷器除可極大地提高實(shí)驗(yàn)研究效率，滿足開展波機(jī)器基礎(chǔ)研究的需要外。重要的是提供了一種新的制冷方法和技術(shù)手段。
權(quán)利要求1.單管氣體波制冷器，其特征在于，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(gè)作為固定用的圓形法蘭盤，內(nèi)錐體大口一端的外部圓柱體上有右旋的細(xì)牙螺紋；在氣體分配盤16的同一圓周上對(duì)稱地設(shè)置2-6個(gè)射氣孔，分配盤16中心設(shè)有軸孔71，以與轉(zhuǎn)軸20配合，該孔的周圍部布置了6個(gè)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(gè)深為5mm的環(huán)形寬槽，射氣孔68是通透的，該盤下部凹進(jìn)去敞開一邊內(nèi)的實(shí)體面上，在4個(gè)長(zhǎng)圓形射氣孔之間，分別設(shè)有未加工透的長(zhǎng)圓形排氣槽66，其長(zhǎng)度是射氣孔長(zhǎng)度的3-6倍，寬度是射氣孔寬度的1.5-2倍，在這同一個(gè)平面上每一個(gè)射氣孔的二邊分別設(shè)有前緣67、后緣69，前、后緣的長(zhǎng)度是射氣孔68長(zhǎng)度的1-2倍；另外該分配盤外環(huán)72是一個(gè)寬邊的環(huán)狀體，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中它的內(nèi)壁與機(jī)器殼體3和23的內(nèi)壁及氣體分配盤16的下平面，構(gòu)成了本制冷器的排氣腔室；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(shè)有接頭體64，以連接后續(xù)振蕩管，氣波振蕩管43的總長(zhǎng)度為1500-6000mm，管壁厚度為1-2mm，管徑為Φ6-Φ18mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管氣體波制冷器，其特征在于，氣波振蕩管43尾端連接一個(gè)突擴(kuò)管，突擴(kuò)管的尾端是封閉的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管氣體波制冷器，其特征在于，裝夾固定氣波振蕩管43的管套夾具結(jié)構(gòu)為內(nèi)部?jī)蓚?cè)為不等徑敞開式圓孔，其間有一階梯臺(tái)，管套夾具外部中間位置是一法蘭式的圓盤件，遠(yuǎn)離機(jī)體一端的外部是一個(gè)只設(shè)二孔的菱形法蘭，在機(jī)架平臺(tái)上設(shè)置有通過豎立的螺紋絲桿可調(diào)高低的管卡40。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管氣體波制冷器，其特征在于，機(jī)器殼體是由兩個(gè)半圓體即殼體下部3和殼體上部23構(gòu)成，上下兩部分在中間對(duì)接組成一個(gè)完整主機(jī)體，內(nèi)部是一個(gè)合為一體后加工的圓形腔室，機(jī)體一面為敞口，另一面為實(shí)體器壁，實(shí)體一面中間設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的單管氣體波制冷器，其特征在于，轉(zhuǎn)軸20是一階梯軸，其上設(shè)有6處軸肩，細(xì)軸一端設(shè)置一鍵槽，靠背轉(zhuǎn)盤18與中間軸段采取烘裝形式裝配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管氣體波制冷器，其特征在于，端蓋4是一個(gè)完整的圓盤件，其一邊為平面，另一邊設(shè)有一個(gè)小于端蓋外徑的環(huán)形凸臺(tái)，凸臺(tái)的中間是凹心的，其上設(shè)有放置O形圈7的環(huán)形溝槽，端蓋上凸臺(tái)以外的四周邊緣均布了8個(gè)螺栓通孔，在端蓋面上設(shè)有三圓孔，處于中間位置的大圓孔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(gè)以接出一根氣體導(dǎo)出管62。
專利摘要單管氣體波制冷器屬于壓力氣體的射流與氣體波制冷技術(shù)領(lǐng)域。該制冷器由噴管、氣體分配盤及氣波振蕩管三大關(guān)鍵部件組成。能夠模擬反映不同類型波機(jī)器振蕩管的使用性能，準(zhǔn)確測(cè)取流場(chǎng)內(nèi)波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和狀況，為相關(guān)機(jī)理研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。能夠進(jìn)行各種變工況以及單因素的實(shí)驗(yàn)研究，滿足了氣體波制冷研究的需要并拓展氣體波制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定，運(yùn)行參數(shù)易于調(diào)控，既適用于一般小型的制冷用途及場(chǎng)合，也能夠供研究之用。
文檔編號(hào)F25B9/08GK2896141SQ20062008943
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2006年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月25日
發(fā)明者朱徹, 胡大鵬, 銀建中, 史啟才, 代玉強(qiáng), 劉學(xué)武, 張大為, 張禮明 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)