專利名稱：用于低溫致冷器的低轉(zhuǎn)矩閥的制作方法
用于低溫致冷器的低轉(zhuǎn)矩閥
發(fā)明的背景
本發(fā)明涉及低溫致冷器，尤其涉及吉福德.麥克馬洪(Gifford McMahon) (GM)致冷器、GM型脈管致冷器、以及索爾韋(Solvay) 致冷器。這些低溫致冷器的冷頭均包括一種閥機構(gòu)，該閥機構(gòu)通常由 回轉(zhuǎn)閥碟和閥座構(gòu)成。存在有若干個離散的口，通過不同口的周期性 對齊，容許由壓縮機供給的工作流體通過而到達(dá)回?zé)崞饕约袄漕^的工 作腔、和從回?zé)崞饕约袄漕^的工作腔流出。
GM和索爾韋型致冷器均使用了壓縮機，壓縮機供給處于近乎恒 定高壓下的氣體并且接收處于近乎恒定低壓下的氣體。依靠一個交替 地容許氣體流入和流出往復(fù)式膨脹器的閥機構(gòu)，氣體被供送至該膨脹 器，其中所述膨脹器相對于壓縮機以低速運轉(zhuǎn)。吉福德(Giffo:rd) 的USP 3119237示出了一種早期的氣動式GM膨脹器，和一種多口轉(zhuǎn) 閥，用于控制流向回?zé)崞鞯臍怏w與流向傳動活塞的氣體之間不同相。 在后續(xù)的USP 3205668中，Gifford公開了一種多口轉(zhuǎn)閥，其利用了 從高到低的壓力差在橫跨閥的表面保持嚴(yán)格密封。他指出，這種閥優(yōu) 于所述柱型閥，因為泄漏率更低，即使它已經(jīng)長時間運轉(zhuǎn)并且經(jīng)受一 些磨損之后亦是如此。這種閥己經(jīng)被廣泛用在不同類型的GM致冷器 中，例如在Longsworth的USP 3620029和Chellis的USP 3625015 中示出的GM致冷器。
這種閥的缺點在于，由于需要增大直徑來適應(yīng)較大的口，因此需 要增大轉(zhuǎn)矩量。Lobb的USP 4987743描述了一種用于通過在閥碟的 背面上設(shè)置一個柱塞來降低該閥碟表面上的力的措施，其中所述閥碟 被固連在馬達(dá)軸上。位于柱塞后側(cè)的髙壓氣體和位于柱塞表面與閥碟 背面的中心部之間凹腔內(nèi)的低壓氣體，會在馬達(dá)軸承上施加一個軸向 載荷，但是降低了閥碟表面上的力。這樣會導(dǎo)致使得所述閥碟發(fā)生轉(zhuǎn) 動所需的轉(zhuǎn)矩降低。施加在馬達(dá)軸上的力的方向朝向閥座。
Gifford還構(gòu)想出了一種膨脹器，其利用氣體置換器取代了固體 置換器，并且稱之為"脈管"致冷器。這種膨脹器在Gifford的USP 3237421中首次給予了描述，其中描述了一種連接于閥上的脈管，類 似于早期GM致冷器。該文獻(xiàn)還描述了一種直接連接在壓縮機上的脈 管膨脹器，從而使得其與壓縮機以相同速度脈動。這與斯特林循環(huán)制 冷器等效。
早期的脈管致冷器在效率上不足以與GM型致冷器相抗衡。正如 在1984年報導(dǎo)的那樣(E. I. Mikulin， A.A. Tarasow和M. P. Shkrebyonock， 'Low temperature expansion (orifice type) pulse tube， ， Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 29， 1984: p. 629)， Mikulin等人做出了重大改進(jìn)，對后續(xù)的進(jìn)一步改進(jìn)非常重 要。對自1984年以來重大改進(jìn)的描述可以在下述文獻(xiàn)中找到S. Zhu 禾口 P. Wu， (Double inlet pulse tube refrigerator: an important improvement' ， Cryogenics, vol. 30， 1990, p. 514; Y. Matsubara, J". L. Gao ， K. Tanida ， Y. Hiresaki 以及M. Kaneko， 'An experimental and analytical investigation of 4K (four valve) pulse tube refrigerator， ， Proc. 7th Intl Cryocooler Conf., Air Force Report PL-(P_93—101) ， 1993， p. 166-186; S. W. Zhu, Y. Kakami， K. Fujioka以及Y. Matsubara, 'Active-buffer pulse tube refrigerator' ， Proceedings of the 16th Cryogenic Engineering Conference, 1997， p. 291-294;以及J. Yuan和J. M. Pfotenhauer, <A single stage five valve pulse tube refrigeratorreaching32K， ,Advancesin Cryogenic
Engineering, Vol. 43， 1998， p. 1983-1989。
所有這些脈管均可以作為GM型膨脹器來運行，其利用閥來使得 氣體循環(huán)流入和流出脈管，但是僅有單孔和雙孔脈管已經(jīng)被用作斯特 林型膨脹器。斯特林型脈管由于以相對高的速度進(jìn)行工作，體積較小。 但是這種高的速度使得難以達(dá)到較低溫度，從而使得以低速運轉(zhuǎn)的 GM型脈管一般用于低于約20K的應(yīng)用。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用在Gao的USP 6256998的附圖9中示出的脈管，己經(jīng)實現(xiàn)了在4K的最佳性能。這 種設(shè)計具有六個閥，它們按照Gao的附

圖11中所示順序打開和關(guān)閉。
為了使得閥碟與閥座保持接觸，在大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)中，閥碟均 位于一個腔中，該腔內(nèi)填充有高壓工作流體。通常，這個腔與壓縮機 的供纟合側(cè)連通。這方面內(nèi)容在Gifford的USP 3205668、 Longsworth 的USP 3620029、 Chellis的USP 3625015以及Lobb的USP 4987743 中示出。
由于閥碟位于與壓縮機供給側(cè)連通的腔中，因此來自于閥碟的 磨損粉塵往往被吹入其自身的冷頭內(nèi)，使得性能受損。與常規(guī)的GM 致冷器相比，脈管致冷器對粉塵更為敏感，因為這種粉塵趨于粘附到 用于調(diào)節(jié)脈管暖端處的孔的打開量的針的表面上，或者聚積在所述孔 和流道中。脈管致冷器的性能對所述孔的打開量是敏感的，由此最好 使它們免遭粉塵的影響。將粉塵吹入閥碟上的口內(nèi)的趨勢是由于外側(cè) 的高壓氣體將粉塵徑向向內(nèi)吹向閥碟中心中的低壓區(qū)域造成的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果穿過閥碟的流動發(fā)生逆轉(zhuǎn)，那么由于閥碟發(fā)生 磨損產(chǎn)生的粉塵很少會聚積在回?zé)崞鞯呐艘约懊}管孔中。也就是 說，使得高壓氣體通過閥碟表面的中心進(jìn)入，并且徑向排放至閥碟后 側(cè)的低壓區(qū)域。Asami等人的USP 5361588示出了一種用于GM致冷 器的配置方案，其中來自于壓縮機的高壓氣體作用在一個閥座上，以 推動閥座進(jìn)入回轉(zhuǎn)閥的表面之內(nèi)。還示出了一個軸承，用于抵抗所述 閥座的軸向力保持住所述閥碟，而并非將其作為馬達(dá)軸上的軸向載荷
進(jìn)行傳送。在這種配置方案中，氣體的流動與在早先專利中示出的常
規(guī)配置方案相反。從理論上講，如果在Longsworth的USP 3620029 的附圖7中示出的彈簧施加足夠的力來保持閥碟固定，那么圖7中示 出的這種常規(guī)閥碟可以使流動反向。
所希望的是，提供這樣一種閥裝置，其減少吹入冷頭內(nèi)的粉塵 量，同時減輕在閥上的磨損，并且需要更低的轉(zhuǎn)矩。

發(fā)明內(nèi)容
目前己經(jīng)研發(fā)出一種回轉(zhuǎn)閥裝置，它與在Lobb的USP 4987743 中所描述的回轉(zhuǎn)閥明顯不同，并且降低了使得閥碟發(fā)生轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn) 矩和吹入冷頭內(nèi)的磨損粉塵的量。這種閥裝置使用若干個有差別的氣 動力來保持閥碟與閥座接觸，這樣使得能夠設(shè)計出較大直徑的閥碟， 并且將其應(yīng)用于在閥碟表面上具有較小的力的多口脈管。施加在閥碟 表面上的較小的力會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低并且磨損率下降。
本發(fā)明提供了一種用于通過保持使得閥碟表面與閥座接觸的凈 力、降低使得密封多個口的轉(zhuǎn)閥發(fā)生轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩的改進(jìn)手段。相 對于常規(guī)的閥碟來說，這個力得以降低，因為其在中心處具有低壓氣 體，其中所述常規(guī)閥碟由于作用在該閥碟后部的高壓大于施加在該閥 碟表面上的力，所以依賴于所述力。本發(fā)明通過使兩種不同壓力作用 在閥組件中的兩個不同表面上，提供了用于降低軸向密封力的手段。 所述密封力的方向使得將會導(dǎo)致閥碟頂離閥座，而相對于馬達(dá)軸或者 獨立軸承上的軸向力將阻止它。
可以使高壓氣體處于所述閥座的中心，以及使低壓氣體位于所 述閥碟的外側(cè)上。這樣就提供了一個主要優(yōu)點，尤其是在多口脈管中， 明顯減少了由于閥碟磨損而產(chǎn)生的被吹入脈管內(nèi)的粉塵的量。在所述 閥碟表面的中心內(nèi)具有高的壓力而在外側(cè)具有低的壓力，會導(dǎo)致大多 數(shù)粉塵被直接吹向低壓空間，并且決不會進(jìn)入脈管內(nèi)。密封力的降低
也會導(dǎo)致產(chǎn)生較少的粉塵并且延長閥碟的使用壽命。
本發(fā)明包括具有兩個帶有兩種不同壓力的不同表面，這兩個表 面或者位于回轉(zhuǎn)閥碟上，或者位于固定的閥座上。必須不同的氣體壓 力可以選自于高壓、低壓、脈管緩沖壓力、大氣壓、密閉容積中的壓 力或者被控制在壓縮機中的高壓與低壓之間的壓力。也可以比如借助 于彈簧以機械式使力偏向。
應(yīng)用差值力來將閥座推靠在閥碟上的原理也可以被應(yīng)用于常規(guī) 的配置方案，其中在常規(guī)的配重方案中閥碟的外側(cè)具有高壓氣體，而 在閥表面的中心處具有低壓氣體。這樣就降低了使得閥碟發(fā)生轉(zhuǎn)動所 需的轉(zhuǎn)矩，但是不會降低所產(chǎn)生的粉塵進(jìn)入脈管內(nèi)的比例。本發(fā)明的
大多數(shù)實施例不同于Lobb的USP 4987743之處在于，其中馬達(dá)軸上 的力不會處于朝向密封表面的方向上，而是處于相反方向上。這樣不 僅能夠使得大量的磨損粉塵被吹出，而且能夠使用獨立軸承取代所述 馬達(dá)軸承來承載軸向載荷。減少進(jìn)入脈管內(nèi)的粉塵的量也會改善溫度 的穩(wěn)定性。
附圖簡述
圖1是按照本發(fā)明的閥組件的剖面圖，其中包括了壓縮機的小 簡圖和單級雙入口脈管致冷器，用以表示流動關(guān)系。閥碟中的壓差會 產(chǎn)生密封力；
圖2是圖1的閥裝置的閥碟成形部分的表面輪廓； 圖3是圖1的閥裝置的閥座成形部分的表面輪廓； 圖4是按照本發(fā)明的閥組件的第二實施例的剖面圖，其中來自 于脈管的緩沖氣體提供若干密封壓力之一；
圖5是圖4的閥裝置的閥碟成形部分的表面輪廓； 圖6是圖4的閥裝置的閥座成形部分的表面輪廓； 圖7和8是按照本發(fā)明的閥組件的第三和第四實施例的剖面圖，
其中有差值密封力位于閥座中；
圖9和10是按照本發(fā)明的閥組件的第五和第六實施例的剖面 圖，其中來自于脈管的緩沖氣體提供若干個作用在閥座中密封壓力之
圖11是按照本發(fā)明的閥組件的第七實施例的剖面圖，其中差值 密封力位于閥座中，但是氣體的流動與前述實施例相反；
圖12是按照本發(fā)明的閥組件的第八實施例的剖面圖，該實施例 是第七實施例的變型；
圖13是按照本發(fā)明的閥組件的第九實施例的剖面圖，該實施例
是第六實施例的一種特例，其中來自于脈管的緩沖氣體提供了作用在
閥座的一個表面上的密封壓力；
圖14是按照本發(fā)明的閥組件的第十實施例的剖面圖，該實施例
是第八實施例的一種特例，其中來自于脈管的緩沖氣體提供了作用在
閥座的一個表面上的密封壓力。
發(fā)明的詳細(xì)說明
本發(fā)明能夠適用于其中利用閥裝置來使得氣體循環(huán)流入和流出 膨脹器的任何類型致冷器，包括GM致冷器、索爾韋致冷器以及GM 型脈管致冷器。它在應(yīng)用于具有多級和多口的低溫脈管時具有特殊的 價值。
圖1示出了閥組件29的剖面、以及壓縮機的小簡圖和單級雙入 口脈管致冷器，用以表示流動關(guān)系。
閥裝置29具有閥馬達(dá)組件5、閥殼體7以及閥基座17,所有這 些部件均借助于各種"0"形環(huán)密封件并且利用若干個螺栓1進(jìn)行密 封。在所述閥基座和閥殼體的內(nèi)部有各種組成部件。閥座21被保持 和密封在所述閥殼體的內(nèi)部。閥碟4通過馬達(dá)軸6和貫穿軸6的銷3 由閥馬達(dá)5進(jìn)行轉(zhuǎn)動。閥碟4相對于軸3軸向自由移動。閥碟4與閥
座21發(fā)生接觸。銷3還保持住閥固定件2，該閥固定件2利用"0" 形環(huán)9密封在閥碟4中。彈簧8被用來在致冷器停止工作時保持閥碟 4與閥座21接觸。
出口 10通過氣體管路18與壓縮機20的返回側(cè)連通。壓縮機20 的供給側(cè)通過氣體管路19和入口 14與閥組件29連通。隨后，髙壓 下的氣體通過通道13流向閥碟4的中部。
圖2示出了閥碟4的表面中的氣流凹腔。圖1中所示的剖面在 圖2和3中由剖面箭頭A—A指示。來自于通道13的高壓Ph氣體被 分布在凹腔40中，同時通道41使得高壓氣體與圖1中所示的凹腔 11連通。在閥碟4的外邊緣中凹切割的區(qū)域12連通于返回至壓縮機 的低壓Pl氣體。當(dāng)它進(jìn)行工作時，閥碟4與閥座21的接合表面上的 磨損往往被從凹腔40中的高壓區(qū)域吹向環(huán)繞在閥碟4外邊緣周圍的 低壓區(qū)域和凹腔12。
圖3示出了閥座21的表面。盡管對于理解本發(fā)明并不是必要的， 但是仍將參照圖l、 2和3對這種孔口排布的特性進(jìn)行簡要描述。圖 1示出了利用本發(fā)明的閥裝置驅(qū)動的雙入口型脈管致冷器。它由回?zé)?器22、帶有暖端流動穩(wěn)定器26和冷端流動穩(wěn)定器27的脈管25、冷 端熱交換器23、包括緩沖節(jié)流口 27的相位調(diào)整器、雙入口閥30以 及緩沖容積28。通過借助于閥馬達(dá)5和軸6使得閥碟4相對閥座21 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，孔15和16交替地利用流過切槽40的氣體進(jìn)行增壓和通 過流過凹腔12進(jìn)行減壓。在圖2和3中示出的孔口排布會產(chǎn)生兩個 完整循環(huán)，以便針對閥碟4的每次旋轉(zhuǎn)對所述脈管進(jìn)行增壓和減壓。 需要明白的是，通過合適地安排閥碟4和閥座21上的供給孔口和返 回孔口排布，膨脹器可以在所述回轉(zhuǎn)閥的每次循環(huán)下以一個或者多于 一個循環(huán)進(jìn)行工作。流體從所述膨脹器排放入馬達(dá)殼體內(nèi)具有這樣一 種趨勢，即將磨損粉塵從所述膨脹器中吹出，由此提高了致冷器的可 靠性。
除了與閥座21接觸的閥碟4的表面之外，閥碟4和閥固定件2 的外表面均被低壓氣體包圍起來。橫跨閥碟4表面的壓力在切槽40 中的較高壓力與外周的較低壓力之間存在若干個梯度。橫跨閥碟4 表面的壓力分布隨著閥碟4發(fā)生旋轉(zhuǎn)而改變，并且交替地具有高壓氣 體流入口 15隨后容許低壓氣體流出。當(dāng)針對高壓氣體密封口 15時， 使得閥碟4針對閥座21的表面密封所需的力最大，當(dāng)閥碟4的表面 針對低壓氣體密封口 15時，所需的力最小。橫跨閥碟4的表面形成 密封所需的力是通過使得該閥碟4的遠(yuǎn)側(cè)面(distal side)上的壓 力與面積的乘積大于該閥碟4的表面上的最大平均壓力與閥碟4的表 面面積的乘積來獲得。這可以表示為方程式形式，其中Ac是在凹腔 11中的閥碟4遠(yuǎn)側(cè)面的面積，As是在Ac周圍的閥碟4遠(yuǎn)側(cè)面的環(huán)形 面積，Av是閥碟4的表面面積，而Pv是作用在Av上的平均壓力(均 包括了凹腔12的面積和壓力)
(Ac X Ph+As X PI) > Av X Pvmax 方程式1
反向力被傳遞至馬達(dá)軸6，并在背離閥碟4的方向上將軸向載荷 加在馬達(dá)軸承上。實際中，凹腔11的直徑通過測試不同尺寸以便在 使得泄漏和轉(zhuǎn)矩最小化之間尋找最佳平衡來進(jìn)行調(diào)節(jié)。使得轉(zhuǎn)矩最小 化也會使磨損率最小。
盡管圖1中所示的膨脹器是一種單級脈管，但是也可以對所述 閥裝置和孔口排布進(jìn)行設(shè)計，從而使得其可以被用來驅(qū)動例如在US 專利6256998的附圖9中所示帶有多個控制口的多級脈管。通合 適地安排閥碟4和閥座21上的孔口排布，并且通過設(shè)置必要的通道 來與脈管25的暖端26連通，本發(fā)明中的閥裝置也可以被用來驅(qū)動任 何類型的脈管致冷器，比如節(jié)流口型、四閥型、有效緩沖型以及五閥 型脈管致冷器。必須指出的是，這種閥裝置也可以用于其它類型的致
冷器，比如GM型或者索爾韋型。
圖4示出了本發(fā)明的另外一個實施例，其中來自于系統(tǒng)內(nèi)另一 部件的氣體被用來對凹腔ll進(jìn)行增壓。在圖4中，與圖l中相同的 附圖標(biāo)記指代相同的部件。假設(shè)在凹腔ll中的壓力為Pc，那么為了 實現(xiàn)密封必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)是
(AcXPc+AsXPl) > AvXPvmax 方程式2
從方程式2可以看出，Pc必須足夠大，從而使得凹腔ll所需的 直徑小于閥碟4的直徑。圖4示出了通過流動通道100、 110和120 使得凹腔11與所述脈管暖端處的壓力為Pb的緩沖器28連通。在脈 管致冷器中，所述緩沖器具有略微高于Ph和Pl的平均值的壓力。還 會認(rèn)識到，所述壓力可以由另外的裝置提供，所述另外的裝置在Ph 和Pl之間將壓力控制在使得閥碟4發(fā)生轉(zhuǎn)動所需轉(zhuǎn)矩最小的值。
圖5和6分別示出了在圖4中的閥碟4和閥座21交界面處的孔 口排布。圖5和6上的箭頭"B—B"指代的是圖4中所示的剖面。高 壓氣體流過閥座21上的口 13，并且進(jìn)入閥碟4中的凹腔50。對閥碟 4上的凹腔11進(jìn)行增壓的氣體從閥座21中心處的孔口 100流動穿過 閥碟4上的中心口 120。
圖7示出了本發(fā)明的第三實施例。在圖7中，與圖1中相同的 附圖標(biāo)記指代相同的部件。本實施例采用了相同的原理，即使兩個不 同的壓力作用在兩個不同表面上，以便影響在閥碟34與閥座33之間 的密封力。在這種情況下，閥碟34被固定在馬達(dá)軸6上，并且閥座 33使不同氣體壓力施加在兩個不同表面上，以便使得其軸向移動而 與閥碟34發(fā)生接觸。
閥座33的遠(yuǎn)端表面被分成兩個區(qū)域。氣密性密封部43將這兩 個區(qū)域分開。面積為Ac的中心區(qū)域39通過通道14和氣體管路19與壓縮機20的供給側(cè)連通。面積為As的肩形部區(qū)域31通過通道32、 出口 10以及氣體管路18與返回側(cè)壓力Pl連通。彈簧8被用來在致 冷器停止工作時使得閥碟34與閥座33保持接觸，并且產(chǎn)生一個初始 力來在啟動時用閥碟34密封閥座33。閥碟34與圖1的閥盤閥碟4 的不同之處在于，它不具有閥固定件2、中心孔41或者凹腔11。氣 體的流動則相同。
具有足夠的力相對閥座33在閥碟34的表面上形成密封的標(biāo)準(zhǔn) 與方程式3給出的標(biāo)準(zhǔn)類似。Ac指的是在凹腔39中的閥座33端部 處的表面面積，As指的是肩形凹腔31中的圓環(huán)面積，而Asa指的是 處于環(huán)繞在閥碟34周圍的壓力下、在閥座33表面的表面面積。在本 實施例中，環(huán)繞在閥碟34周圍的壓力為P1。
(AcXPh+AsXP1—AsaXPl) 〉 AvX (Pvmax—Pl) 方程式3
本發(fā)明的第四實施例在圖8中示出，其中與圖7中相同的附圖 標(biāo)記指代相同的部件。除了施加在中心區(qū)域39中和肩形部表面As 上的壓力顛倒之外，基本的組成部件與在圖7所示出的閥裝置中的部 件類似。中心區(qū)域39通過孔32與低壓P1接通，同時肩形部區(qū)域31 通過通道14和氣體管路19與Ph連通。用于具有密封力的標(biāo)準(zhǔn)是
(AcXPl+AsXPh—AsaXPl) 〉 AvX (Pvmax—Pl)方程式4
圖8示出了選擇在闊碟34的遠(yuǎn)側(cè)面與馬達(dá)5的表面之間具有軸 承36。利用軸承36而不是馬達(dá)軸承之一來承載等于方程式4左側(cè)的 軸向力。
圖9示出了本發(fā)明的第五實施例，其中利用了來自于另一個源 的氣體對肩形凹腔31進(jìn)行增壓。在圖9中，與圖7中相同的附圖標(biāo)記指代相同的部件。假設(shè)凹腔31中的壓力為Ps，那么為了實現(xiàn)密封 必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)是
(AcXPh+AsXPs—AsaXPl) 〉 AvX (Pvmax—Pl)方程式5
與圖4中示出的實施例2不同，Ac可以大于Av，因為閥座33 的直徑不存在設(shè)定限制。這就意味著Ps的值可以降低，并且仍舊形 成密封。圖9示出了凹腔31通過流動通道110與處于壓力Pb的緩沖 器28連通。
本發(fā)明的第六實施例在圖10中示出，其中與圖9中相同的附圖 標(biāo)記指代相同的部件。除了在中心區(qū)域39和肩形區(qū)域31中的壓力顛 倒之外，基本的組成部件與在圖9所示出的閥裝置中的部件類似。圖 10示出了利用壓力為Pb的緩沖氣體提供Pc，其通過通道200與中心 區(qū)域39連通。密封力所要求的關(guān)系為
(AcXPc+AsXPh—AsaXPl) 〉 AvX (Pvmax—Pl)方程式6
還會認(rèn)識到，對于第五和第六實施例來說，壓力Pc和Ps可以 利用另外一個裝置提供，其中所述裝置可以處于一個低至真空的壓 力。其可以是低于Ph的任何壓力供給源，或者甚至是利用某些低于 Ph的固定壓力進(jìn)行密封。所選取的壓力必須足夠高，從而使得彈簧8 在致冷器進(jìn)行工作時不會強加過大的力，其中彈簧8是在致冷器停止 工作時使閥碟密封所必需的。
圖11示出了第七實施例，其中閥組件29的構(gòu)造非常類似于圖7 中所示構(gòu)造，但是流過閥碟的氣體在相反的方向上。高壓氣體管路 19與閥組件29上的口 10連通，并且低壓氣體通過口 14和管路18 返回至壓縮機20。這樣就會導(dǎo)致利用外部的高壓氣體使氣體以常規(guī)
方式流過閥碟34。由于閥碟34通過銷3銷接在馬達(dá)軸6上，所以軸 向載荷由馬達(dá)軸承在朝向閥表面的方向承載。圖11示出了在肩形區(qū) 域31中的肩形面積As被加壓至Ph，而在中心凹腔39中的表面面積 Ac利用Pl進(jìn)行加壓。在常規(guī)的閥組件中，回轉(zhuǎn)閥碟沒有被銷接起來, 并且軸向力為AvX (Ph —Pv avg)的乘積。通過使兩個不同壓力作 用于閥座33中的兩個不同表面上，可以使得所述閥碟發(fā)生轉(zhuǎn)動所需 的轉(zhuǎn)矩相對于常規(guī)的單件閥碟降低。為了降低閥碟34相對閥座33 的力但是仍舊使其密封，必須遵守下述關(guān)系式
0 < (AcXPl+AsXPh—AsaXPh) < AvX (Ph—Pv max)方程式7
如圖12中所示的本發(fā)明的第八實施例類似于前述實施例。與圖 11中相同的附圖標(biāo)記指代相同的部件。本實施例與第七實施例之間 的不同之處在于，肩形區(qū)域31中的壓力為P1，而中心凹腔39中的 壓力為Ph。為了降低閥碟34相對閥座33的力但是仍舊使其密封， 必須遵守的關(guān)系式類似于方程式7:
0 < (AcXPh+AsXP1—AsaXPh) < AvX (Ph—Pv max)方程式8
顯然，對于第三實施例至第八實施例來說，可以添加一個或者 多個相互密封并且利用其它供給源獨立增壓的附加肩形部，其中第三 實施例至第八實施例均使兩個不同壓力作用于閥座中的兩個不同表 面上。在第一實施例和第二實施例中，好象向閥碟添加處于不同壓力 的額外表面并不實際，但是并非不可能。
本發(fā)明的第九實施例在圖13中示出，其中與圖10中相同的附 圖標(biāo)記指代相同的部件。本實施例是圖10中所示第六實施例的一種 特例，當(dāng)方程式6所描述的標(biāo)準(zhǔn)利用As=0滿足時出現(xiàn)。如圖13中所示， 一種實際可行的設(shè)計方案是利用緩沖氣體來在凹腔39中使Ac 增壓。也可以使用來自于其它供給源的其它壓力。
本發(fā)明的第十實施例在圖14中示出，其中與圖12中相同的附 圖標(biāo)記指代相同的部件。本實施例是圖12中所述第八實施例的一種 特例，當(dāng)方程式8的標(biāo)準(zhǔn)以As = 0滿足并且凹腔39中的壓力是低于 Ph的壓力時出現(xiàn)。如圖14中所示，可以利用緩沖氣體來在凹腔39 中使Ac增壓。也可以利用來自于其它供給源的其它壓力。
在圖11、 12和14中示出的第七、第八和第十實施例，均在閥 碟的外側(cè)具有高壓氣體，而在閥碟表面的中心處具有低壓氣體。由于 來自于閥碟34的磨損粉塵往往會吹入脈管或者其它膨脹器內(nèi)，所以 它們并不如在閥碟表面的中心處具有高壓的實施例那樣具有吸引力。 但是，它確實提供了一種降低馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的手段，這一點在具有比圖2、 3、 5和6中所示的口有更多口的閥中尤其重要。
權(quán)利要求
1、在GM致冷器、索爾韋致冷器或者GM型脈管致冷器中的一種閥組件，包括馬達(dá)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)閥碟，和不旋轉(zhuǎn)的閥座，其中，對所述閥座的至少兩個表面施加的不同壓力導(dǎo)致的凈力使得所述回轉(zhuǎn)閥碟在朝向閥馬達(dá)的方向上受力。
2、 按照權(quán)利要求l中所述的閥組件，其中所述不旋轉(zhuǎn)的閥座可 以軸向移動，而所述回轉(zhuǎn)閥碟的軸向移動被制止。
3、 按照權(quán)利要求2中所述的閥組件，其中 所述閥座的至少兩個表面中的第一表面處于該閥座中的中心凹腔內(nèi)，所述凹腔接通系統(tǒng)高壓氣體；所述閥座的至少兩個表面中的第 二表面是在該閥座中的中心凹腔與該閥座的外部之間的環(huán)形區(qū)域中， 其中該第二表面接通系統(tǒng)低壓氣體或者處于系統(tǒng)高壓與真空之間的 壓力下的氣體中的一種氣體；并且所述至少兩個表面中的第一表面和 第二表面均在相對所述閥碟的表面的遠(yuǎn)側(cè)。
4、 按照權(quán)利要求3中所述的閥組件，其中所述至少兩個表面中 的第二表面接通脈管緩沖氣體壓力。
5、 按照權(quán)利要求2中所述的閥組件，其中a.所述閥座的至少兩個表面中的第一表面處于該閥座中的中心 凹腔內(nèi)，所述凹腔接通系統(tǒng)低壓氣體或者處于系統(tǒng)高壓與真空之間的 壓力下的氣體中的一種氣體； b. 所述閥座的至少兩個表面中的第二表面位于該閥座的中心凹 腔與該陶座的外部之間的環(huán)形區(qū)域中，其中該第二表面接通系統(tǒng)高 壓；c. 所述至少兩個表面中的第一表面和第二表面均在相對所述閥 碟的表面的遠(yuǎn)側(cè)。
6、 按照權(quán)利要求5中所述的閥組件，其中所述第一表面接通脈 管緩沖氣體壓力。
7、 按照權(quán)利要求l中所述的閥組件，其中 所述閥座的第一表面是該閥座的遠(yuǎn)端，該第一表面接通脈管緩沖氣體壓力，所述閥座的第二表面位于所述閥碟與該閥座的外部之間 的環(huán)形區(qū)域中，并且該第二表面接通系統(tǒng)低壓氣體或者高壓氣體中的 一種氣體。
8、 按照權(quán)利要求1中所述的閥組件，其中所述軸向力由閥馬達(dá) 軸承和獨立軸承中的一種來承受。
9、 在GM致冷器、索爾韋致冷器或者GM型脈管致冷器中的一種 閥組件，包括a. 軸向不可移動的馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)閥碟，和b. 不旋轉(zhuǎn)的軸向可移動的閥座，c. 其中對所述閥座的至少兩個表面施加的不同壓力導(dǎo)致的凈力 使得所述回轉(zhuǎn)閥碟在朝向所述閥馬達(dá)的方向和離開所述閥馬達(dá)的方 向中的一個方向上受力。
10、 按照權(quán)利要求9中所述的閥碟，其中所述力在離開所述閥 馬達(dá)的方向上推動該閥碟。
11、按照權(quán)利要求9中所述的閥座，其中a. 第一表面是所述閥碟與所述閥座的外部之間的環(huán)形區(qū)域，該 第一表面接通高壓；b. 至少一個第二表面在所述第一表面的遠(yuǎn)側(cè)，所述第二表面接 通來自于脈管緩沖罐的氣體壓力或者低壓中的一種。
全文摘要
一種回轉(zhuǎn)閥裝置，其利用不同的氣體壓力來保持閥碟與閥座接觸，降低了使得閥碟發(fā)生轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩以及吹入冷頭內(nèi)的磨損粉塵的量，并且該回轉(zhuǎn)閥裝置能夠使較大直徑的閥碟用于在閥碟表面上具有較小的力的多口脈管，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低并且磨損率下降。
文檔編號F16K31/02GK101099066SQ200580002849
公開日2008年1月2日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者埃里克·塞茨, 齋藤元和, 許名堯, 高金林 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社