本發(fā)明涉及一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機，屬于氣體膨脹制冷與深冷低溫技術領域。

背景技術：

氣波制冷技術是二十世紀八十年代興起的制冷工藝技術，該技術發(fā)展至今，逐漸形成了以壓力振蕩管為核心部件的各種氣波制冷設備，其中早期的旋轉式氣波制冷機是廣泛應用在工業(yè)生產中的典型代表。旋轉式氣波制冷機采用的壓力振蕩管是一端封閉型的，其制冷機理是高壓氣體經旋轉的進氣噴嘴周期性地射入壓力振蕩管內，形成入射激波向前運動，入射激波將高壓氣體的能量傳遞給管內原有氣體，使其溫度升高，即高壓氣體的壓力能轉化成了熱能，這部分熱能通過較長的管壁進行耗散，與此同時輸出能量后的高壓氣體將在壓力振蕩管入口端膨脹至低溫低壓狀態(tài)，從而實現(xiàn)制冷過程。

但是，這種旋轉式氣波制冷機僅僅依靠較長的管壁進行熱能的耗散，由于其耗散能力有限，使得入射激波運動到封閉端時強度依然很大，進而發(fā)生固壁反射，形成反射激波，壓縮壓力振蕩管開口處已制冷的氣體，使其壓力及溫度升高，降低了制冷機的制冷效率。

因此，研究人員大多針對削弱反射激波對制冷效率的影響進行研究，以達到提高氣波制冷機制冷效率的目的。如鄒久朋等人在壓力振蕩管的封閉端加入蓄冷填料，這種方法是利用阻尼介質與入射激波之間的摩擦來消耗能量，削弱反射激波的強度；方曜奇等人通過在壓力振蕩管封閉端加入激波吸收腔，利用入射激波在凸擴截面發(fā)生膨脹，產生膨脹波返回管內，從而削弱了反射激波的強度；于偉等人通過在壓力振蕩管的封閉端加入多級孔板，利用入射激波在多級孔板內形成漩渦，實現(xiàn)能量耗散，削弱了反射激波的強度；劉培啟等人通過在壓力振蕩管封閉端加入對沖阻尼結構，利用阻尼腔通過容易返回難的特點，實現(xiàn)入射激波在阻尼腔內來回反射多次耗散，削弱了反射激波的強度；胡大鵬等人將一端封閉壓力振蕩管的封閉端移除，增加了排氣噴嘴，提出了通道均直的兩端開口壓力振蕩管結構，使得入射激波直接經排氣噴嘴排出管外，隔斷了入射激波在封閉端進行固壁反射的反射路線，削弱了反射激波的強度。

以上研究內容都具有一定的特點，促進了氣波制冷技術的發(fā)展，其中通道均直的兩端開口壓力振蕩管由于裝置體積小、熱能便于回收利用、帶液能力強，目前已成為氣波制冷技術主要研究方向。

通道均直的兩端開口壓力振蕩管制冷過程中，壓力振蕩管與排氣噴嘴的接通過程是漸開漸閉過程。研究發(fā)現(xiàn)，當入射激波到達壓力振蕩管右側端口時，若壓力振蕩管未與排氣噴嘴完全接通，管內仍產生反射激波；若壓力振蕩管已與排氣噴嘴完全接通，由于排氣噴嘴處的壓力高于壓力振蕩管內入射激波作用前的氣體壓力，排氣噴嘴內氣體會壓縮管內氣體，產生反向壓縮波?？梢钥闯觯ǖ谰钡膬啥碎_口壓力振蕩管在右側端口處仍存在反射激波或反向壓縮波現(xiàn)象，仍影響設備的制冷效率。如何削弱通道均直的兩端開口壓力振蕩管內反射激波或反向壓縮波對制冷效率的影響是目前氣波制冷技術研究的關鍵問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效削弱反射激波和反向壓縮波，提高制冷效率的變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機。它的核心部件是由與主軸合為一體的變截面兩端開口壓力振蕩管環(huán)向均布而成的轉轂，工作時，高壓氣體經進氣噴嘴周期性地射入壓力振蕩管的左側端口，將能量通過入射激波傳遞給管內原有氣體后，溫度降低；接受能量后的管內原有氣體在壓力振蕩管與排氣噴嘴接通時排出壓力振蕩管，在外部進行集中換熱后經氣體回流腔回到壓力振蕩管內，推動管內已制冷的氣體排出壓力振蕩管；排出壓力振蕩管的冷氣經低溫排氣腔及低溫排氣管排出機體，完成整個制冷過程。

本發(fā)明采用的技術方案是：一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機，它包括外殼、轉轂、以及主軸和電機，它還包括進氣噴嘴、排氣噴嘴、氣體回流腔和低溫排氣腔，所述外殼內設有一個轉轂，轉轂與電機驅動的主軸固定連接，外殼的左端與左端蓋連接形成一個低溫排氣腔，外殼的右端與右端蓋連接形成一個氣體回流腔，所述轉轂的周向設有30-280個均布的變截面壓力振蕩制冷管，每個變截面壓力振蕩制冷管中設有1-10級壓力振蕩管截面突變段與壓力振蕩管截面擴張段，設置在左端蓋上的進氣噴嘴及右端蓋上的排氣噴嘴與變截面壓力振蕩制冷管的徑向位置相配合，所述排氣噴嘴的出口通過管道經排氣閥、換熱器與氣體回流腔連接。

所述壓力振蕩管截面突變段的變截面形狀包括突擴型和漸擴型，其中漸擴型又包含直線漸擴和曲線漸擴。

所述壓力振蕩管截面擴張段的長度占管總長的1/50-1/2；截面擴張段的截面積與非擴張段截面積之比在1.1-8之間。

上述技術方案的指導思想是：利用兩端開口壓力振蕩管的變截面設計，能夠使入射激波在排出壓力振蕩管前壓力梯度降低，讓整個排出過程平穩(wěn)流暢，并且結合變截面通過容易返回難的特點，可以有效削弱反射激波或反向壓縮波對壓力振蕩管制冷效果的影響；變截面的設計也使得反射膨脹波早于反向壓縮波或反射激波發(fā)生，避免了它們的干擾，增強了反射膨脹波的強度；同時變截面的結構設計也保證了壓力振蕩管環(huán)向均布的緊湊性。

本發(fā)明的有益效果是：這種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機，利用兩端開口壓力振蕩管內氣體壓力的交換特性，實現(xiàn)其制冷過程；利用壓力振蕩管內變截面的結構，使入射激波壓力梯度降低，同時結合變截面通過容易返回難的特點，削弱了反射激波和反向壓縮波對制冷效果的影響，提高了制冷效率；利用壓力振蕩管內變截面的結構，使得反射膨脹波在不受反射激波或反向壓縮波干擾的情況下發(fā)生，增強了反射膨脹波的強度，增加了制冷氣體的溫降，提高了綜合制冷效益，保證了轉轂上壓力振蕩管通道的緊湊性，提高了轉轂的利用率。

附圖說明

圖1為一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機的工作流程圖。

圖2為一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機的總體結構簡圖。

圖3為一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機的轉轂結構主視圖。

圖4為一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機的轉轂結構左視圖。

圖5為一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機的轉轂結構右視圖。

圖6為入射激波在壓力振蕩管變截面處膨脹后的波系變化圖。

圖7為變截面兩端開口壓力振蕩管內幾種變截面的形狀圖。

圖8為三級變截面兩端開口壓力振蕩管內截面變化的示意圖。

圖中：1、進氣噴嘴，2、變截面壓力振蕩制冷管，3、氣體回流腔，4、換熱器，5、排氣閥，6、排氣噴嘴，7、低溫排氣腔，8、外殼，8a、左端蓋，8b、右端蓋，9、轉轂，10、壓力振蕩管截面突變段，10a、直角突變段，10b、斜角突變段，10c、凹弧突變段，10d、凸弧突變段，11、壓力振蕩管截面擴張段，12、回流進氣管，13、聯(lián)軸器，14、電機，15、軸承，16、主軸，17、低溫排氣管，18、隔板，19、反射膨脹波，20、入射壓縮波，21、高壓進氣在制冷管內的流動路線，22、管內原有氣體在制冷管內的流動路線。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，下面對本發(fā)明做進一步介紹。

圖1、2、3、4、5示出了一種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機的工作原理與結構圖。圖中，這種變截面兩端開口壓力振蕩管制冷機包括外殼8、轉轂9、以及主軸16、電機14、進氣噴嘴1、排氣噴嘴6、氣體回流腔3和低溫排氣腔7。外殼8內設有一個轉轂9，轉轂9與電機14驅動的主軸16固定連接，外殼8的左端與左端蓋8a連接形成一個低溫排氣腔7，外殼8的右端與右端蓋8b連接形成一個氣體回流腔3。轉轂9的周向設有40個均布的變截面壓力振蕩制冷管2，每個變截面壓力振蕩制冷管2中設有1級壓力振蕩管截面突變段10與壓力振蕩管截面擴張段11，設置在左端蓋8a上的進氣噴嘴1及右端蓋8b上的排氣噴嘴6與變截面壓力振蕩制冷管2的徑向位置相配合。排氣噴嘴6的出口通過管道經排氣閥5、換熱器4與氣體回流腔3連接。

主軸16通過螺栓和轉轂9連接固定，并通過聯(lián)軸器13與電機14相連。轉轂9的一周均布著變截面壓力振蕩制冷管2，其數(shù)目為40個，在變截面壓力振蕩制冷管2中的壓力振蕩管截面突變段10的右側端口設置壓力振蕩管截面擴張段11。具體實施中應先通過線切割在轉轂9上加工出矩形截面的壓力振蕩管流道，再在銑床上加工出壓力振蕩管右側端口的截面擴張段11。排氣噴嘴6的徑向高度應與壓力振蕩管截面擴張段11的徑向高度相同，保證壓力振蕩管內的氣體順利排出。采用鍛造加焊接結構的外殼和機體，得到具有各個氣體進口、出口、腔體、端蓋及軸承座等結構。

工作時，電機14通過主軸16帶動轉轂9轉動，高壓氣體經進氣噴嘴1加速成射流，隨著轉轂9的轉動而依次射入各個變截面壓力振蕩制冷管2的左側端口中，在管中產生入射激波，高壓氣體通過入射激波將能量傳遞給管內原有氣體。入射激波運動至變截面后發(fā)生變化，產生右行的入射壓縮波20和左行的反射膨脹波19（如圖6所示）。接受能量的管內原有氣體在變截面壓力振蕩制冷管2與排氣噴嘴6接通的過程中，經由排氣噴嘴6排出管外，隨后經換熱器4進行耗散和回收利用。能量耗散后管內原有氣體經過回流進氣管12進入氣體回流腔3，最后回到變截面壓力振蕩制冷管2內，推動已制冷的氣體排出管外，管內原有氣體則留在變截面壓力振蕩制冷管2內接受下一個循環(huán)。已制冷的氣體通過低溫排氣腔7和低溫排氣管17排出變截面壓力振蕩制冷管2，完成整個制冷過程。

圖7為變截面壓力振蕩制冷管內幾種變截面的形狀圖。壓力振蕩管截面突變段10的變截面形狀包括突擴型（圖7中的（a）所示直角突變段10a）和漸擴型，漸擴型又包含直線漸擴（圖7中的（b）所示斜角突變段10b）和曲線漸擴（圖7中的（a）所示凹弧突變段10c、圖7中的（d）所示凸弧突變段10d）。

圖8為三級壓力振蕩管截面突變段與壓力振蕩管截面擴張段的示意圖。

采用上述的技術方案的工作原理是：

1.入射激波運動到壓力振蕩管內截面變化處時發(fā)生膨脹，激波弱化成一系列入射壓縮波20繼續(xù)向前運動。入射壓縮波20到達壓力振蕩管右側端口時，若壓力振蕩管未與排氣噴嘴完全接通，入射壓縮波20仍會有一部分發(fā)生固壁反射，但是由于相比于入射激波，入射壓縮20的壓力梯度減小，因此所產生的反射壓縮波強度也會減?。蝗魤毫φ袷幑芤雅c排氣噴嘴接通，排氣噴嘴處的氣體仍會壓縮壓力振蕩管內的氣體，產生反向壓縮波，但是這些反向壓縮波運動至壓力振蕩管內變截面處，由于截面的變化，會有一部分發(fā)生反射，并不能全部運動至壓力振蕩管的左側端口。

2.入射激波在壓力振蕩管內變截面處發(fā)生膨脹，不僅將入射激波的強度弱化，變成入射壓縮波20繼續(xù)向前運動，而且也使入射激波在變截面處發(fā)生開口反射，產生反射膨脹波19。反射膨脹波19向左運行，并且早于其它左行波系（反射壓縮波和反向壓縮波）作用于壓力振蕩管內已制冷的氣體，使得其溫度和壓力下降的更低。

3.本發(fā)明所設計的變截面結構是保證兩端開口壓力振蕩管的寬度不變，只改變管的徑向高度。