专利名称：涡流管制冷器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及涡流管制冷器的改进，即通过涡流管设计与结构的改进，提高进出口气流温差和制冷效率，降低结构成本。
1931年法国人乔治·朗克(GeorgeJosephRanque)研制了一种装置，通常称为涡流管(又称朗克管、希尔思管、朗克——希尔思管)，至今已有50多年的历史。1945年德国人鲁道夫·希尔思(RudolphHilsch)发表了涡流管的研究成果，引起了人们的很大关注，有许多涡流管的复杂现象的论文发表，随后美国人查理·富尔顿(Charles·D·Fulton)对涡流管作了改进，于1962和1965年申请了美国专利3173273、3208229，使这项研究成果不断地完善并获得工业上应用。
涡流管制冷器是利用涡流制冷原理，其动力是压缩气体，结构为“T”形管，压缩气体从下端管子进入，冷、热气体分别从管子两端流出。对于给定的压缩气体源，涡流管提供了一种最简单，最直接获得冷和热的方法。利用涡流管很容易将20℃的压缩空气降到摄氏零度以下，也可将空气升高到水沸腾温度以上。涡流管制冷器的结构简单紧凑，无运动部件，制作成本低，使用寿命长。如果采用多级联装，就是后一级使用前一级出来的冷气体可以获得更低温度，以致于达到气体的液化点，但是这种方法效率很低，目前在工业上应用多是单级的。
涡流管制冷器的设计是根据能量平衡原理，建立起的下列公式，通过协调三种气流的关系，寻求最佳的制冷效果。
f(Ti－TC－JT)＝(1－f)(Th－Ti＋JT)其中Ti＝进气温度Tc＝排出冷气温度Th＝排出热气流f＝冷气组分＝冷气温量／进气流量JT＝从进气到排气压力，经过绝热节流后的焦耳——汤姆逊温度下降置。
通过上述公式，可以从已知的参数中求得未知的气体温度或比率，也可以计算出需要多大气体压力才能产生给定比率的冷气流量大温差，并对涡流管制冷器作出评价。
但是，要维持上述公式的精确，要求气体是干燥的，涡流管是绝热的。不能从大气中获得或损失热量。事实上，这是难以办到的，为此，必要对其数值根据经验加以修正。
提高涡流管的效率，关键在于优化设计结构与尺寸。涡流管的基本结构形式有两种一种是冷、热气流同向流动，另一种是逆向流动。试验认为冷、热气流逆向流动较为优越。目前，大多数采用这种涡流管。逆向流动涡流管设计优化问题，涉及参数至少有15个尺寸，要实现这些尺寸的最优化任务，需要花费很多时间和很大代价。但是，设计优化工作，正推动涡流管制冷器研究工作的进展。这里，特别要提到的是美国人富尔顿在这方面所作的贡献，他设计和提供了很好的涡流管制冷器，但并不是尽善尽美，还存在温差小、效率低等问题。
本实用新型的任务是设计一种新型的涡流管制冷器，能够扩大进出口气体温差，提高效率，简化结构，降低成本，使之在工业上获得更广泛的应用。
解决任务的方案是改进涡流发生器的设计，提高工作效率；其次是对涡流发生器的端面加强密封，防止产生局部混流；最后是在涡流管热气端制动器前增设热气排出孔，减少热气对冷气温度的影响，采用上述方案后，取得了预期的效果。
众所周知，涡流管制冷器的基本结构是由涡流发生器，涡流管和节流阀组等部件组成。其工作原理是，当压缩气体通过喷嘴以切线方面进入涡流室形成高速旋转的气流，并紧贴周壁沿涡流管的调节阀组的方向移动。由于离心力的作用，靠管壁部分气体受压，并与管壁摩擦发热，而中心部分气体膨胀释放出热量而降温，当沿着管壁高速旋转气流达到制动器时，旋转几乎停止，动能转化为压力，使冷气沿轴心作逆向流动，维持冷气逆向流动的能量是由来自涡流室源源不断的高速旋转气体提供的，热气流沿着热端周边的孔道经消声器排出。从上述涡流管制冷器的基本原理不难看出，要提高涡流管制冷器的工作效率和制冷效果，除了提高压缩气体压力以外，要在涡流管结构上寻找出一种高效率的设计方案，为此，我们对目前各有关资料提供的各种型式不同流道的涡流发生器进行一系列试验，试验结果表明经过尺寸优化和角度正确选择的单流道涡流发生器同多流道(包括多槽多孔)相比，具有工作效率高制冷效果好，制作方便等特点。其次，是在涡流发生器与涡流室端面之间增加密封垫圈，防止少量气体渗入涡流管影响制冷效果，实践证明，接触面间隙大小对制冷温度有很大影响，大到一定程度就完全不能制冷，不加密封垫圈，即使接触面加工质量再高，也难于避免少量气体渗入。第三，在高速旋转气体进入制动器前，先将靠管壁部分热气排放出去，因为在高速旋转气体中靠管壁部分气体温度最高，将它排放出去，就可以减少热气对中心冷气流的影响，降低冷气流温度，提高制冷效率。经过这三方面的结构改进，本实用新型涡流管制冷器的制冷温差可以比美国专利3208229的产品增大10℃左右，在7个大气压情况下，进出口气体温差可达40℃左右，即进气温度为20℃时，冷气流的出口的最低温度可达－20℃左右。
本实用新型涡流管制冷器适用于密封柜式降温，特别适用于装有微型计算机，集成电路板，可控硅元件等密封式电器控制柜内部降温或温度调节，由于控制柜内始终保持正压，可以有效防止外部灰尘或有害气体侵入，对确保电子元件良好工作环境使之能安全可靠地进行工作起到重要作用，对于生产现场使用的各种电子自动控制检测装置的降温，目前常采用隔间封闭空调方式，如果采用涡流管制冷器具有不占地又节能的效果，但是车间必须要有气源，如果，为此增加设备，就不经济了。
利用下面的附图，对本实用新型作进一步的说明。
图1是涡流管制冷器的外观图图2是涡流管制冷器的纵剖面图图3是单流道喷嘴和涡流室的正视图图4是单流道涡流发生器的正视图图5是环和制动器的外形图图6是制动器的正视图图7是六流道涡流发生器的正视图图8是六孔涡流发生器的剖视图图9是双流道漏斗形喷嘴和涡流室的剖视图。
图1描述一种改进型涡流管制冷器1，它由压缩气体进口管3，涡流室外壳2，涡流发生器8，涡流管5，调节阀装置6等部分组成，压缩气体由进口管3进入涡流室外壳2内的环形空间，再由环形空间通过切向喷嘴30进入涡流室28，冷气流从涡流室28经冷气阀孔17和扩散器16到冷气出口，热气流从涡流室28经涡流管5，一部分由热气出口孔22排出，另一部分热气由阀孔23经通道24、25进入四个出口26再经阀孔27通过消声装置排到大气中。
参照图2，涡流管制冷器1的左边为涡流室外壳2，它是一个杯状元件，下部与压缩气体进口管3相联，右边与涡流管5相通，涡流发生器8和密封垫圈9装在涡流器外壳2内，固紧螺母4右边有外螺纹和锥面将O形垫圈7和涡流发生器8，密封垫圈9固定在涡流室外壳2内，固紧螺母4是中空元件，左边有外螺纹可以将整个涡流管制冷器，固定在使用场所，中间有六方头，右边有外螺纹和锥面，内孔亦可作为冷气出口。涡流管5是圆筒形长管，要求内壁光滑，用不锈钢材料制成，其右端与前调节阀体10相连，阀体10是管状元件，中部有四个热气出口孔22，前调节阀塞13是套筒状元件装在阀体10内，其左端外径略小于阀体10的内径，有热气通道21与热气流出口孔22相通，中段有外螺纹与阀体10的内螺纹啮合，前调节阀塞13左边内孔装有环11和制动器12，右边中心孔23端头有45°倒角。后调节阀体14是台阶形套状元件，左边有内螺纹与前阀体10的外螺纹相连，后调节阀塞15为瓶状元件，左端有45°倒角与前阀塞13的内孔23倒角之间形成可调节的热气通道24，后阀塞15左段外径比后阀体14的内径小形成热气通道25，中段有外螺纹和后阀体14的内螺纹啮合，可以调节后阀塞15位置，后阀塞15中部有四个热气出口孔26与中心孔27相通，经过消声装置排入大气中。
参照图3、图4，涡流发生器8是阶梯状圆柱体，右边圆柱体外径小于涡流器外壳2的内径，中间法兰的外径与外壳2的内径名义尺寸相同，三者形成了环形空间，为了防止泄漏，在涡流发生器8右端面和外壳2垂直内表面之间加一个密封垫圈9。
涡流发生器8右端面是环形面，中间是涡流室28，环形面开槽形成喷嘴30，喷嘴30与涡流室28的圆周相切，喷嘴的数量在使用时不作限制，可以从一个到八个，对于大直径涡流管制冷器，喷嘴数目也可以增加到十至十二个。图3，图4中单流道喷嘴30的一边与涡流室28的圆周相切，另一边有一些倾斜角度。
涡流室28中心有冷气阀孔17，锥形扩散器16和冷气出口相通，锥形扩散器16的作用是把流入冷气阀孔17的冷气流逐步减压，因此使气流稳定地流出，并保持较低温度，其锥度范围为8°～16°。
图4是单流道喷嘴30和涡流室28的正视图，根据尺寸优化的选择，我们采用单流道，梯形喷嘴涡流发生器，获得较高的制冷效果。
参照图5和图6，环11是金属环状元件，用来限制高速旋转气流进入制动器12的流量，制动器12是用金属片摺叠成十字形或梅花瓣形装在前阀塞13的内孔，它能使高速旋转的气流停下来，动能转化成压力，使冷气沿轴心产生逆向流动。
图7是六流道喷嘴30A和涡流室28A，其特点是直喷嘴，只有在外圆柱面上一边有一小段圆弧倒角，这种涡流发生器的喷嘴制造方法比较简便，制冷效果也较好。
图8是六孔涡流发生器的剖面图，其特点是圆形喷嘴30B，外面一段是喇叭形圆弧过渡，这种喷嘴是利用喇叭形使喷射气流达到最大可能的速度，即声速范围，要求喇叭口宽度大于直线部分三倍以上，喷嘴表面要求光滑以减轻摩擦阻力，这种喷嘴制冷效果也很好，但是制造困难，生产效率低。
图9是双流道漏斗形喷嘴30C和涡流管28C的剖面图，其特点是喷嘴30C一段是涡流室圆周的切线，而靠外面一段象漏斗状的曲线过渡它也能使喷射气流达到最大可能速度，双流道形成一对力矩加速气流的旋转，制冷效果也较满意，但是制造困难，生产效率低。
权利要求1.涡流管制冷器，由进气管、涡流发生器、涡流管和调节阀组等部件组成，压缩气体由T形管下端引入，冷气流由管子一端排出，热气流由管子另一端排入大气中，本实用新型的特点是涡流管5的一端是圆柱形中空的涡流器外壳2，下面装有进气管3，涡流发生器8装在外壳2内，发生器8左端部有单个或多个喷嘴30，中间是圆形涡流室28，发生器8左端面与外壳2之间装有密封垫圈9、发生器右边有O形密封圈7和固紧螺母4，涡流管5的另一端有两个调节阀，前调节阀有阀体10、阀塞13，阀塞13内装有环11和制动器12，后调节阀有阀体14，阀塞15，前后调节阀均可进行调节，热气流由前调节阀体10的四个孔20和后调节阀塞15的孔27排入大气。
2.根据权利要求1的涡流管制冷器，其特征是涡流发生器8是阶梯形圆柱体，右边外径小于涡流器外壳2的内径，中间一段法兰外径与外壳2内径名义尺寸相同，右边圆柱体外径较小，发生器8右端为环形面。中间为圆形涡流室28，环形面上有喷嘴30呈切线与涡流室28圆周相切。喷嘴数量为1～12个，涡流室28有冷气阀孔17，锥形孔16通向冷气出口，锥孔角度为8°～16°。
3.根据权利要求1的涡流管制冷器，其特征是前调节阀体10为管状元件，左边套在涡流管5上，中部有四个热气出口孔22，前调节阀塞13是台阶形套，左端外径略小于前阀体10的内径形成热气流通道，中部为外螺纹与前阀体10内螺纹啮合，右端为法兰，前阀塞13左端内孔装有环11和制动器12，中部内孔23直径小于左端孔，内孔23右端为45°倒角。
4.根据权利要求1的涡流管制冷器，其特征是后调节阀体14是台阶状套筒元件，左边有内螺纹与前调节阀体10的外螺纹啮合，后调节阀塞15是瓶状元件，左端45°倒角与前调节阀塞13的右端孔23倒角形成可调节的热气通道24，阀塞15中间有四个热出口孔26与中心孔27相通，排出热气流，阀塞15左端外径小于阀体14内径，中段有外螺纹与阀体13的内螺纹啮合，可以调节热气通道24的大小。
5.根据权利要求1的涡流管制冷器，其特征是环11是金属元件，制动器12是四瓣或六瓣十字形或梅花状元件用金属片摺叠而成，二者一道装在前调节阀塞13的内孔中。
6.根据权利要求1的涡流管制冷器，其特征是固紧螺母4是中空元件，两端有外螺纹，中间为六方形，其右端的锥形面压住O形密封圈7和涡流发生器8，密封垫圈9，有外螺纹与涡流器外壳2的内螺纹啮合使涡流发生器8固定在外壳2内，固紧螺母4的左边外螺纹可以把整个涡流制冷器固定在使用场所。
7.根据权利要求1的涡流管制冷器，其特征是涡流发生器8的喷嘴，其形状是矩形、梯形、喇叭形，数量可以是单个或多个。
专利摘要涡流管制冷器是一种气体制冷装置，它是由涡流发生器、涡流管和调节阀组件等组成，结构呈“T”字形，只要从管子下端引入压缩气体，就可以在管子一端排放出比室温低25～40℃的冷气流，冷气流的温度和比率可以调节，该装置结构精巧、使用方便、无需维护，使用寿命长，特别适用于装有微型计算机、集成电路板、可控硅等密封式电器控制柜的内部降温和空气调节。
文档编号F25B9/02GK2049328SQ8920096
公开日1989年12月13日 申请日期1989年1月20日 优先权日1989年1月20日
发明者郭贤俊 申请人:福州变压器厂