專利名稱：渦流管制冷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及渦流管制冷器的改進(jìn)，即通過渦流管設(shè)計與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高進(jìn)出口氣流溫差和制冷效率，降低結(jié)構(gòu)成本。
1931年法國人喬治·朗克(GeorgeJosephRanque)研制了一種裝置，通常稱為渦流管(又稱朗克管、希爾思管、朗克——希爾思管)，至今已有50多年的歷史。1945年德國人魯?shù)婪颉は査?RudolphHilsch)發(fā)表了渦流管的研究成果，引起了人們的很大關(guān)注，有許多渦流管的復(fù)雜現(xiàn)象的論文發(fā)表，隨后美國人查理·富爾頓(Charles·D·Fulton)對渦流管作了改進(jìn)，于1962和1965年申請了美國專利3173273、3208229，使這項(xiàng)研究成果不斷地完善并獲得工業(yè)上應(yīng)用。
渦流管制冷器是利用渦流制冷原理，其動力是壓縮氣體，結(jié)構(gòu)為“T”形管，壓縮氣體從下端管子進(jìn)入，冷、熱氣體分別從管子兩端流出。對于給定的壓縮氣體源，渦流管提供了一種最簡單，最直接獲得冷和熱的方法。利用渦流管很容易將20℃的壓縮空氣降到攝氏零度以下，也可將空氣升高到水沸騰溫度以上。渦流管制冷器的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無運(yùn)動部件，制作成本低，使用壽命長。如果采用多級聯(lián)裝，就是后一級使用前一級出來的冷氣體可以獲得更低溫度，以致于達(dá)到氣體的液化點(diǎn)，但是這種方法效率很低，目前在工業(yè)上應(yīng)用多是單級的。
渦流管制冷器的設(shè)計是根據(jù)能量平衡原理，建立起的下列公式，通過協(xié)調(diào)三種氣流的關(guān)系，尋求最佳的制冷效果。
f(Ti－TC－JT)＝(1－f)(Th－Ti＋JT)其中Ti＝進(jìn)氣溫度Tc＝排出冷氣溫度Th＝排出熱氣流f＝冷氣組分＝冷氣溫量／進(jìn)氣流量JT＝從進(jìn)氣到排氣壓力，經(jīng)過絕熱節(jié)流后的焦耳——湯姆遜溫度下降置。
通過上述公式，可以從已知的參數(shù)中求得未知的氣體溫度或比率，也可以計算出需要多大氣體壓力才能產(chǎn)生給定比率的冷氣流量大溫差，并對渦流管制冷器作出評價。
但是，要維持上述公式的精確，要求氣體是干燥的，渦流管是絕熱的。不能從大氣中獲得或損失熱量。事實(shí)上，這是難以辦到的，為此，必要對其數(shù)值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以修正。
提高渦流管的效率，關(guān)鍵在于優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)與尺寸。渦流管的基本結(jié)構(gòu)形式有兩種一種是冷、熱氣流同向流動，另一種是逆向流動。試驗(yàn)認(rèn)為冷、熱氣流逆向流動較為優(yōu)越。目前，大多數(shù)采用這種渦流管。逆向流動渦流管設(shè)計優(yōu)化問題，涉及參數(shù)至少有15個尺寸，要實(shí)現(xiàn)這些尺寸的最優(yōu)化任務(wù)，需要花費(fèi)很多時間和很大代價。但是，設(shè)計優(yōu)化工作，正推動渦流管制冷器研究工作的進(jìn)展。這里，特別要提到的是美國人富爾頓在這方面所作的貢獻(xiàn)，他設(shè)計和提供了很好的渦流管制冷器，但并不是盡善盡美，還存在溫差小、效率低等問題。
本實(shí)用新型的任務(wù)是設(shè)計一種新型的渦流管制冷器，能夠擴(kuò)大進(jìn)出口氣體溫差，提高效率，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，使之在工業(yè)上獲得更廣泛的應(yīng)用。
解決任務(wù)的方案是改進(jìn)渦流發(fā)生器的設(shè)計，提高工作效率；其次是對渦流發(fā)生器的端面加強(qiáng)密封，防止產(chǎn)生局部混流；最后是在渦流管熱氣端制動器前增設(shè)熱氣排出孔，減少熱氣對冷氣溫度的影響，采用上述方案后，取得了預(yù)期的效果。
眾所周知，渦流管制冷器的基本結(jié)構(gòu)是由渦流發(fā)生器，渦流管和節(jié)流閥組等部件組成。其工作原理是，當(dāng)壓縮氣體通過噴嘴以切線方面進(jìn)入渦流室形成高速旋轉(zhuǎn)的氣流，并緊貼周壁沿渦流管的調(diào)節(jié)閥組的方向移動。由于離心力的作用，靠管壁部分氣體受壓，并與管壁摩擦發(fā)熱，而中心部分氣體膨脹釋放出熱量而降溫，當(dāng)沿著管壁高速旋轉(zhuǎn)氣流達(dá)到制動器時，旋轉(zhuǎn)幾乎停止，動能轉(zhuǎn)化為壓力，使冷氣沿軸心作逆向流動，維持冷氣逆向流動的能量是由來自渦流室源源不斷的高速旋轉(zhuǎn)氣體提供的，熱氣流沿著熱端周邊的孔道經(jīng)消聲器排出。從上述渦流管制冷器的基本原理不難看出，要提高渦流管制冷器的工作效率和制冷效果，除了提高壓縮氣體壓力以外，要在渦流管結(jié)構(gòu)上尋找出一種高效率的設(shè)計方案，為此，我們對目前各有關(guān)資料提供的各種型式不同流道的渦流發(fā)生器進(jìn)行一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過尺寸優(yōu)化和角度正確選擇的單流道渦流發(fā)生器同多流道(包括多槽多孔)相比，具有工作效率高制冷效果好，制作方便等特點(diǎn)。其次，是在渦流發(fā)生器與渦流室端面之間增加密封墊圈，防止少量氣體滲入渦流管影響制冷效果，實(shí)踐證明，接觸面間隙大小對制冷溫度有很大影響，大到一定程度就完全不能制冷，不加密封墊圈，即使接觸面加工質(zhì)量再高，也難于避免少量氣體滲入。第三，在高速旋轉(zhuǎn)氣體進(jìn)入制動器前，先將靠管壁部分熱氣排放出去，因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)氣體中靠管壁部分氣體溫度最高，將它排放出去，就可以減少熱氣對中心冷氣流的影響，降低冷氣流溫度，提高制冷效率。經(jīng)過這三方面的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，本實(shí)用新型渦流管制冷器的制冷溫差可以比美國專利3208229的產(chǎn)品增大10℃左右，在7個大氣壓情況下，進(jìn)出口氣體溫差可達(dá)40℃左右，即進(jìn)氣溫度為20℃時，冷氣流的出口的最低溫度可達(dá)－20℃左右。
本實(shí)用新型渦流管制冷器適用于密封柜式降溫，特別適用于裝有微型計算機(jī)，集成電路板，可控硅元件等密封式電器控制柜內(nèi)部降溫或溫度調(diào)節(jié)，由于控制柜內(nèi)始終保持正壓，可以有效防止外部灰塵或有害氣體侵入，對確保電子元件良好工作環(huán)境使之能安全可靠地進(jìn)行工作起到重要作用，對于生產(chǎn)現(xiàn)場使用的各種電子自動控制檢測裝置的降溫，目前常采用隔間封閉空調(diào)方式，如果采用渦流管制冷器具有不占地又節(jié)能的效果，但是車間必須要有氣源，如果，為此增加設(shè)備，就不經(jīng)濟(jì)了。
利用下面的附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。


圖1是渦流管制冷器的外觀圖圖2是渦流管制冷器的縱剖面圖圖3是單流道噴嘴和渦流室的正視圖圖4是單流道渦流發(fā)生器的正視圖圖5是環(huán)和制動器的外形圖圖6是制動器的正視圖圖7是六流道渦流發(fā)生器的正視圖圖8是六孔渦流發(fā)生器的剖視圖圖9是雙流道漏斗形噴嘴和渦流室的剖視圖。
圖1描述一種改進(jìn)型渦流管制冷器1，它由壓縮氣體進(jìn)口管3，渦流室外殼2，渦流發(fā)生器8，渦流管5，調(diào)節(jié)閥裝置6等部分組成，壓縮氣體由進(jìn)口管3進(jìn)入渦流室外殼2內(nèi)的環(huán)形空間，再由環(huán)形空間通過切向噴嘴30進(jìn)入渦流室28，冷氣流從渦流室28經(jīng)冷氣閥孔17和擴(kuò)散器16到冷氣出口，熱氣流從渦流室28經(jīng)渦流管5，一部分由熱氣出口孔22排出，另一部分熱氣由閥孔23經(jīng)通道24、25進(jìn)入四個出口26再經(jīng)閥孔27通過消聲裝置排到大氣中。
參照圖2，渦流管制冷器1的左邊為渦流室外殼2，它是一個杯狀元件，下部與壓縮氣體進(jìn)口管3相聯(lián)，右邊與渦流管5相通，渦流發(fā)生器8和密封墊圈9裝在渦流器外殼2內(nèi)，固緊螺母4右邊有外螺紋和錐面將O形墊圈7和渦流發(fā)生器8，密封墊圈9固定在渦流室外殼2內(nèi)，固緊螺母4是中空元件，左邊有外螺紋可以將整個渦流管制冷器，固定在使用場所，中間有六方頭，右邊有外螺紋和錐面，內(nèi)孔亦可作為冷氣出口。渦流管5是圓筒形長管，要求內(nèi)壁光滑，用不銹鋼材料制成，其右端與前調(diào)節(jié)閥體10相連，閥體10是管狀元件，中部有四個熱氣出口孔22，前調(diào)節(jié)閥塞13是套筒狀元件裝在閥體10內(nèi)，其左端外徑略小于閥體10的內(nèi)徑，有熱氣通道21與熱氣流出口孔22相通，中段有外螺紋與閥體10的內(nèi)螺紋嚙合，前調(diào)節(jié)閥塞13左邊內(nèi)孔裝有環(huán)11和制動器12，右邊中心孔23端頭有45°倒角。后調(diào)節(jié)閥體14是臺階形套狀元件，左邊有內(nèi)螺紋與前閥體10的外螺紋相連，后調(diào)節(jié)閥塞15為瓶狀元件，左端有45°倒角與前閥塞13的內(nèi)孔23倒角之間形成可調(diào)節(jié)的熱氣通道24，后閥塞15左段外徑比后閥體14的內(nèi)徑小形成熱氣通道25，中段有外螺紋和后閥體14的內(nèi)螺紋嚙合，可以調(diào)節(jié)后閥塞15位置，后閥塞15中部有四個熱氣出口孔26與中心孔27相通，經(jīng)過消聲裝置排入大氣中。
參照圖3、圖4，渦流發(fā)生器8是階梯狀圓柱體，右邊圓柱體外徑小于渦流器外殼2的內(nèi)徑，中間法蘭的外徑與外殼2的內(nèi)徑名義尺寸相同，三者形成了環(huán)形空間，為了防止泄漏，在渦流發(fā)生器8右端面和外殼2垂直內(nèi)表面之間加一個密封墊圈9。
渦流發(fā)生器8右端面是環(huán)形面，中間是渦流室28，環(huán)形面開槽形成噴嘴30，噴嘴30與渦流室28的圓周相切，噴嘴的數(shù)量在使用時不作限制，可以從一個到八個，對于大直徑渦流管制冷器，噴嘴數(shù)目也可以增加到十至十二個。圖3，圖4中單流道噴嘴30的一邊與渦流室28的圓周相切，另一邊有一些傾斜角度。
渦流室28中心有冷氣閥孔17，錐形擴(kuò)散器16和冷氣出口相通，錐形擴(kuò)散器16的作用是把流入冷氣閥孔17的冷氣流逐步減壓，因此使氣流穩(wěn)定地流出，并保持較低溫度，其錐度范圍為8°～16°。
圖4是單流道噴嘴30和渦流室28的正視圖，根據(jù)尺寸優(yōu)化的選擇，我們采用單流道，梯形噴嘴渦流發(fā)生器，獲得較高的制冷效果。
參照圖5和圖6，環(huán)11是金屬環(huán)狀元件，用來限制高速旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入制動器12的流量，制動器12是用金屬片摺疊成十字形或梅花瓣形裝在前閥塞13的內(nèi)孔，它能使高速旋轉(zhuǎn)的氣流停下來，動能轉(zhuǎn)化成壓力，使冷氣沿軸心產(chǎn)生逆向流動。
圖7是六流道噴嘴30A和渦流室28A，其特點(diǎn)是直噴嘴，只有在外圓柱面上一邊有一小段圓弧倒角，這種渦流發(fā)生器的噴嘴制造方法比較簡便，制冷效果也較好。
圖8是六孔渦流發(fā)生器的剖面圖，其特點(diǎn)是圓形噴嘴30B，外面一段是喇叭形圓弧過渡，這種噴嘴是利用喇叭形使噴射氣流達(dá)到最大可能的速度，即聲速范圍，要求喇叭口寬度大于直線部分三倍以上，噴嘴表面要求光滑以減輕摩擦阻力，這種噴嘴制冷效果也很好，但是制造困難，生產(chǎn)效率低。
圖9是雙流道漏斗形噴嘴30C和渦流管28C的剖面圖，其特點(diǎn)是噴嘴30C一段是渦流室圓周的切線，而靠外面一段象漏斗狀的曲線過渡它也能使噴射氣流達(dá)到最大可能速度，雙流道形成一對力矩加速氣流的旋轉(zhuǎn)，制冷效果也較滿意，但是制造困難，生產(chǎn)效率低。
權(quán)利要求1.渦流管制冷器，由進(jìn)氣管、渦流發(fā)生器、渦流管和調(diào)節(jié)閥組等部件組成，壓縮氣體由T形管下端引入，冷氣流由管子一端排出，熱氣流由管子另一端排入大氣中，本實(shí)用新型的特點(diǎn)是渦流管5的一端是圓柱形中空的渦流器外殼2，下面裝有進(jìn)氣管3，渦流發(fā)生器8裝在外殼2內(nèi)，發(fā)生器8左端部有單個或多個噴嘴30，中間是圓形渦流室28，發(fā)生器8左端面與外殼2之間裝有密封墊圈9、發(fā)生器右邊有O形密封圈7和固緊螺母4，渦流管5的另一端有兩個調(diào)節(jié)閥，前調(diào)節(jié)閥有閥體10、閥塞13，閥塞13內(nèi)裝有環(huán)11和制動器12，后調(diào)節(jié)閥有閥體14，閥塞15，前后調(diào)節(jié)閥均可進(jìn)行調(diào)節(jié)，熱氣流由前調(diào)節(jié)閥體10的四個孔20和后調(diào)節(jié)閥塞15的孔27排入大氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流管制冷器，其特征是渦流發(fā)生器8是階梯形圓柱體，右邊外徑小于渦流器外殼2的內(nèi)徑，中間一段法蘭外徑與外殼2內(nèi)徑名義尺寸相同，右邊圓柱體外徑較小，發(fā)生器8右端為環(huán)形面。中間為圓形渦流室28，環(huán)形面上有噴嘴30呈切線與渦流室28圓周相切。噴嘴數(shù)量為1～12個，渦流室28有冷氣閥孔17，錐形孔16通向冷氣出口，錐孔角度為8°～16°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流管制冷器，其特征是前調(diào)節(jié)閥體10為管狀元件，左邊套在渦流管5上，中部有四個熱氣出口孔22，前調(diào)節(jié)閥塞13是臺階形套，左端外徑略小于前閥體10的內(nèi)徑形成熱氣流通道，中部為外螺紋與前閥體10內(nèi)螺紋嚙合，右端為法蘭，前閥塞13左端內(nèi)孔裝有環(huán)11和制動器12，中部內(nèi)孔23直徑小于左端孔，內(nèi)孔23右端為45°倒角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流管制冷器，其特征是后調(diào)節(jié)閥體14是臺階狀套筒元件，左邊有內(nèi)螺紋與前調(diào)節(jié)閥體10的外螺紋嚙合，后調(diào)節(jié)閥塞15是瓶狀元件，左端45°倒角與前調(diào)節(jié)閥塞13的右端孔23倒角形成可調(diào)節(jié)的熱氣通道24，閥塞15中間有四個熱出口孔26與中心孔27相通，排出熱氣流，閥塞15左端外徑小于閥體14內(nèi)徑，中段有外螺紋與閥體13的內(nèi)螺紋嚙合，可以調(diào)節(jié)熱氣通道24的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流管制冷器，其特征是環(huán)11是金屬元件，制動器12是四瓣或六瓣十字形或梅花狀元件用金屬片摺疊而成，二者一道裝在前調(diào)節(jié)閥塞13的內(nèi)孔中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流管制冷器，其特征是固緊螺母4是中空元件，兩端有外螺紋，中間為六方形，其右端的錐形面壓住O形密封圈7和渦流發(fā)生器8，密封墊圈9，有外螺紋與渦流器外殼2的內(nèi)螺紋嚙合使渦流發(fā)生器8固定在外殼2內(nèi)，固緊螺母4的左邊外螺紋可以把整個渦流制冷器固定在使用場所。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的渦流管制冷器，其特征是渦流發(fā)生器8的噴嘴，其形狀是矩形、梯形、喇叭形，數(shù)量可以是單個或多個。
專利摘要渦流管制冷器是一種氣體制冷裝置，它是由渦流發(fā)生器、渦流管和調(diào)節(jié)閥組件等組成，結(jié)構(gòu)呈“T”字形，只要從管子下端引入壓縮氣體，就可以在管子一端排放出比室溫低25～40℃的冷氣流，冷氣流的溫度和比率可以調(diào)節(jié)，該裝置結(jié)構(gòu)精巧、使用方便、無需維護(hù)，使用壽命長，特別適用于裝有微型計算機(jī)、集成電路板、可控硅等密封式電器控制柜的內(nèi)部降溫和空氣調(diào)節(jié)。
文檔編號F25B9/02GK2049328SQ8920096
公開日1989年12月13日 申請日期1989年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月20日
發(fā)明者郭賢俊 申請人:福州變壓器廠