一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的制作方法

本发明涉及一种变截面两端开口压力振荡管制冷机，属于气体膨胀制冷与深冷低温技术领域。

背景技术：

气波制冷技术是二十世纪八十年代兴起的制冷工艺技术，该技术发展至今，逐渐形成了以压力振荡管为核心部件的各种气波制冷设备，其中早期的旋转式气波制冷机是广泛应用在工业生产中的典型代表。旋转式气波制冷机采用的压力振荡管是一端封闭型的，其制冷机理是高压气体经旋转的进气喷嘴周期性地射入压力振荡管内，形成入射激波向前运动，入射激波将高压气体的能量传递给管内原有气体，使其温度升高，即高压气体的压力能转化成了热能，这部分热能通过较长的管壁进行耗散，与此同时输出能量后的高压气体将在压力振荡管入口端膨胀至低温低压状态，从而实现制冷过程。

但是，这种旋转式气波制冷机仅仅依靠较长的管壁进行热能的耗散，由于其耗散能力有限，使得入射激波运动到封闭端时强度依然很大，进而发生固壁反射，形成反射激波，压缩压力振荡管开口处已制冷的气体，使其压力及温度升高，降低了制冷机的制冷效率。

因此，研究人员大多针对削弱反射激波对制冷效率的影响进行研究，以达到提高气波制冷机制冷效率的目的。如邹久朋等人在压力振荡管的封闭端加入蓄冷填料，这种方法是利用阻尼介质与入射激波之间的摩擦来消耗能量，削弱反射激波的强度；方曜奇等人通过在压力振荡管封闭端加入激波吸收腔，利用入射激波在凸扩截面发生膨胀，产生膨胀波返回管内，从而削弱了反射激波的强度；于伟等人通过在压力振荡管的封闭端加入多级孔板，利用入射激波在多级孔板内形成漩涡，实现能量耗散，削弱了反射激波的强度；刘培启等人通过在压力振荡管封闭端加入对冲阻尼结构，利用阻尼腔通过容易返回难的特点，实现入射激波在阻尼腔内来回反射多次耗散，削弱了反射激波的强度；胡大鹏等人将一端封闭压力振荡管的封闭端移除，增加了排气喷嘴，提出了通道均直的两端开口压力振荡管结构，使得入射激波直接经排气喷嘴排出管外，隔断了入射激波在封闭端进行固壁反射的反射路线，削弱了反射激波的强度。

以上研究内容都具有一定的特点，促进了气波制冷技术的发展，其中通道均直的两端开口压力振荡管由于装置体积小、热能便于回收利用、带液能力强，目前已成为气波制冷技术主要研究方向。

通道均直的两端开口压力振荡管制冷过程中，压力振荡管与排气喷嘴的接通过程是渐开渐闭过程。研究发现，当入射激波到达压力振荡管右侧端口时，若压力振荡管未与排气喷嘴完全接通，管内仍产生反射激波；若压力振荡管已与排气喷嘴完全接通，由于排气喷嘴处的压力高于压力振荡管内入射激波作用前的气体压力，排气喷嘴内气体会压缩管内气体，产生反向压缩波。可以看出，通道均直的两端开口压力振荡管在右侧端口处仍存在反射激波或反向压缩波现象，仍影响设备的制冷效率。如何削弱通道均直的两端开口压力振荡管内反射激波或反向压缩波对制冷效率的影响是目前气波制冷技术研究的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够有效削弱反射激波和反向压缩波，提高制冷效率的变截面两端开口压力振荡管制冷机。它的核心部件是由与主轴合为一体的变截面两端开口压力振荡管环向均布而成的转毂，工作时，高压气体经进气喷嘴周期性地射入压力振荡管的左侧端口，将能量通过入射激波传递给管内原有气体后，温度降低；接受能量后的管内原有气体在压力振荡管与排气喷嘴接通时排出压力振荡管，在外部进行集中换热后经气体回流腔回到压力振荡管内，推动管内已制冷的气体排出压力振荡管；排出压力振荡管的冷气经低温排气腔及低温排气管排出机体，完成整个制冷过程。

本发明采用的技术方案是：一种变截面两端开口压力振荡管制冷机，它包括外壳、转毂、以及主轴和电机，它还包括进气喷嘴、排气喷嘴、气体回流腔和低温排气腔，所述外壳内设有一个转毂，转毂与电机驱动的主轴固定连接，外壳的左端与左端盖连接形成一个低温排气腔，外壳的右端与右端盖连接形成一个气体回流腔，所述转毂的周向设有30-280个均布的变截面压力振荡制冷管，每个变截面压力振荡制冷管中设有1-10级压力振荡管截面突变段与压力振荡管截面扩张段，设置在左端盖上的进气喷嘴及右端盖上的排气喷嘴与变截面压力振荡制冷管的径向位置相配合，所述排气喷嘴的出口通过管道经排气阀、换热器与气体回流腔连接。

所述压力振荡管截面突变段的变截面形状包括突扩型和渐扩型，其中渐扩型又包含直线渐扩和曲线渐扩。

所述压力振荡管截面扩张段的长度占管总长的1/50-1/2；截面扩张段的截面积与非扩张段截面积之比在1.1-8之间。

上述技术方案的指导思想是：利用两端开口压力振荡管的变截面设计，能够使入射激波在排出压力振荡管前压力梯度降低，让整个排出过程平稳流畅，并且结合变截面通过容易返回难的特点，可以有效削弱反射激波或反向压缩波对压力振荡管制冷效果的影响；变截面的设计也使得反射膨胀波早于反向压缩波或反射激波发生，避免了它们的干扰，增强了反射膨胀波的强度；同时变截面的结构设计也保证了压力振荡管环向均布的紧凑性。

本发明的有益效果是：这种变截面两端开口压力振荡管制冷机，利用两端开口压力振荡管内气体压力的交换特性，实现其制冷过程；利用压力振荡管内变截面的结构，使入射激波压力梯度降低，同时结合变截面通过容易返回难的特点，削弱了反射激波和反向压缩波对制冷效果的影响，提高了制冷效率；利用压力振荡管内变截面的结构，使得反射膨胀波在不受反射激波或反向压缩波干扰的情况下发生，增强了反射膨胀波的强度，增加了制冷气体的温降，提高了综合制冷效益，保证了转毂上压力振荡管通道的紧凑性，提高了转毂的利用率。

附图说明

图1为一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的工作流程图。

图2为一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的总体结构简图。

图3为一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的转毂结构主视图。

图4为一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的转毂结构左视图。

图5为一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的转毂结构右视图。

图6为入射激波在压力振荡管变截面处膨胀后的波系变化图。

图7为变截面两端开口压力振荡管内几种变截面的形状图。

图8为三级变截面两端开口压力振荡管内截面变化的示意图。

图中：1、进气喷嘴，2、变截面压力振荡制冷管，3、气体回流腔，4、换热器，5、排气阀，6、排气喷嘴，7、低温排气腔，8、外壳，8a、左端盖，8b、右端盖，9、转毂，10、压力振荡管截面突变段，10a、直角突变段，10b、斜角突变段，10c、凹弧突变段，10d、凸弧突变段，11、压力振荡管截面扩张段，12、回流进气管，13、联轴器，14、电机，15、轴承，16、主轴，17、低温排气管，18、隔板，19、反射膨胀波，20、入射压缩波，21、高压进气在制冷管内的流动路线，22、管内原有气体在制冷管内的流动路线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，下面对本发明做进一步介绍。

图1、2、3、4、5示出了一种变截面两端开口压力振荡管制冷机的工作原理与结构图。图中，这种变截面两端开口压力振荡管制冷机包括外壳8、转毂9、以及主轴16、电机14、进气喷嘴1、排气喷嘴6、气体回流腔3和低温排气腔7。外壳8内设有一个转毂9，转毂9与电机14驱动的主轴16固定连接，外壳8的左端与左端盖8a连接形成一个低温排气腔7，外壳8的右端与右端盖8b连接形成一个气体回流腔3。转毂9的周向设有40个均布的变截面压力振荡制冷管2，每个变截面压力振荡制冷管2中设有1级压力振荡管截面突变段10与压力振荡管截面扩张段11，设置在左端盖8a上的进气喷嘴1及右端盖8b上的排气喷嘴6与变截面压力振荡制冷管2的径向位置相配合。排气喷嘴6的出口通过管道经排气阀5、换热器4与气体回流腔3连接。

主轴16通过螺栓和转毂9连接固定，并通过联轴器13与电机14相连。转毂9的一周均布着变截面压力振荡制冷管2，其数目为40个，在变截面压力振荡制冷管2中的压力振荡管截面突变段10的右侧端口设置压力振荡管截面扩张段11。具体实施中应先通过线切割在转毂9上加工出矩形截面的压力振荡管流道，再在铣床上加工出压力振荡管右侧端口的截面扩张段11。排气喷嘴6的径向高度应与压力振荡管截面扩张段11的径向高度相同，保证压力振荡管内的气体顺利排出。采用锻造加焊接结构的外壳和机体，得到具有各个气体进口、出口、腔体、端盖及轴承座等结构。

工作时，电机14通过主轴16带动转毂9转动，高压气体经进气喷嘴1加速成射流，随着转毂9的转动而依次射入各个变截面压力振荡制冷管2的左侧端口中，在管中产生入射激波，高压气体通过入射激波将能量传递给管内原有气体。入射激波运动至变截面后发生变化，产生右行的入射压缩波20和左行的反射膨胀波19（如图6所示）。接受能量的管内原有气体在变截面压力振荡制冷管2与排气喷嘴6接通的过程中，经由排气喷嘴6排出管外，随后经换热器4进行耗散和回收利用。能量耗散后管内原有气体经过回流进气管12进入气体回流腔3，最后回到变截面压力振荡制冷管2内，推动已制冷的气体排出管外，管内原有气体则留在变截面压力振荡制冷管2内接受下一个循环。已制冷的气体通过低温排气腔7和低温排气管17排出变截面压力振荡制冷管2，完成整个制冷过程。

图7为变截面压力振荡制冷管内几种变截面的形状图。压力振荡管截面突变段10的变截面形状包括突扩型（图7中的（a）所示直角突变段10a）和渐扩型，渐扩型又包含直线渐扩（图7中的（b）所示斜角突变段10b）和曲线渐扩（图7中的（a）所示凹弧突变段10c、图7中的（d）所示凸弧突变段10d）。

图8为三级压力振荡管截面突变段与压力振荡管截面扩张段的示意图。

采用上述的技术方案的工作原理是：

1.入射激波运动到压力振荡管内截面变化处时发生膨胀，激波弱化成一系列入射压缩波20继续向前运动。入射压缩波20到达压力振荡管右侧端口时，若压力振荡管未与排气喷嘴完全接通，入射压缩波20仍会有一部分发生固壁反射，但是由于相比于入射激波，入射压缩20的压力梯度减小，因此所产生的反射压缩波强度也会减小；若压力振荡管已与排气喷嘴接通，排气喷嘴处的气体仍会压缩压力振荡管内的气体，产生反向压缩波，但是这些反向压缩波运动至压力振荡管内变截面处，由于截面的变化，会有一部分发生反射，并不能全部运动至压力振荡管的左侧端口。

2.入射激波在压力振荡管内变截面处发生膨胀，不仅将入射激波的强度弱化，变成入射压缩波20继续向前运动，而且也使入射激波在变截面处发生开口反射，产生反射膨胀波19。反射膨胀波19向左运行，并且早于其它左行波系（反射压缩波和反向压缩波）作用于压力振荡管内已制冷的气体，使得其温度和压力下降的更低。

3.本发明所设计的变截面结构是保证两端开口压力振荡管的宽度不变，只改变管的径向高度。