旋喷制冷机制造技术

一种旋喷制冷机，其基本结构为：包括1个压缩机、1个散热器、1个换热器、1个膨胀头、1个转子。压缩机的进气口接换热器的热端，压缩机的排气口与散热器的一端连接，散热器的另一端接换热器的热端，膨胀头的进气口、排气口接换热器的冷端。压缩机将工质压缩进入散热器排热，然后经换热器降温，进入膨胀头，再进入转子，经喷嘴喷出，通过特制的带有气体轴承的转子旋转喷气实现膨胀做功降温，同时带动膨胀头内的发电机发电。然后工质进入换热器换热后进入压缩机，完成一个循环。完成一个循环。完成一个循环。

【技术实现步骤摘要】
旋喷制冷机


[0001]本专利技术涉及制冷


技术介绍

[0002]随着新能源发展，对制冷技术的要求也越来越高。以氢能为例，液氢储运是较有潜力的技术方案之一，但液氢的生产能耗超过氢气释能的三分之一，能耗较高。目前液氢生产主流技术是采用克劳德循环，将氢气压缩，散热，然后经换热器后进入膨胀机做功，将温度降至30K，再经过焦耳
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汤姆孙膨胀，降温至20K，将氢气液化。焦耳
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汤姆孙膨胀是热效率低的节流膨胀。目前全球液氢产量约360吨/天，如果将来能源结构以氢能为主体且采用液氢，则产能至少要扩大1万倍，节能任务艰巨。另外，液氢储运需要严格保温，长距离运输不便且会不断释放氢气。如果沿途制冷，则面临克劳德循环设备体积过大而其它小型制冷设备不适用的问题。目前小型低温制冷机主要机型有两种：G
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M制冷机和斯特林制冷机。G
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M制冷机结构简单、制冷温度低，在4K～50K温区获得广泛应用。但是G
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M制冷机每隔1、2年要检修制冷头，更换冷头密封件、滤芯等关键零部件，G
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M制冷机还需要水冷、滤油、储气罐，体积也不小。G
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M制冷头的制冷采用西蒙膨胀(绝热放气)原理，这是一个不可逆过程，其热效率不高，在4.2K液氦温区下，每获得1W的制冷量，须消耗2KW以上的功率。斯特林制冷机使用寿命长、体积小，在77K以上温区获得广泛应用。但是斯特林制冷机振动较大，热效率也不高，在20K时热效率低于G
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>M制冷机。

技术实现思路

[0003]本专利技术旋喷制冷机的目的是：设计一种制冷机，即可适应大规模的液氢生产，热效率高于克劳德循环；也可小型化，适用于液氦温区、液氮温区，包括核磁共振、红外探测、各种科学实验等场景，且热效率不会明显下降。具有热效率高、结构精简、调控方便、易磨损部件少、安装方便、维修量小、寿命长、振动小、工作温区大、适用范围广等特点。
[0004]本专利技术旋喷制冷机的基本结构为：包括1个压缩机、1个散热器、1个换热器、1个膨胀头、1个转子。膨胀头包含发电机。压缩机的进气口接换热器的热端，压缩机的排气口与散热器的一端连接，散热器的另一端接换热器的热端，膨胀头的进气口、排气口接换热器的冷端。
[0005]本专利技术旋喷制冷机的技术方案为：采用布雷顿循环，即克劳德循环免去焦耳
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汤姆孙膨胀，通过特制的带有气体轴承的转子旋转喷气实现膨胀做功降温。压缩机将工质压缩进入散热器排热，然后经换热器降温，进入膨胀头，再进入转子，经喷嘴喷出，膨胀降温，同时带动膨胀头内的发电机发电，然后工质进入换热器换热后进入压缩机，完成一个循环。
附图说明
[0006]图1为本专利技术的旋喷制冷机的剖面结构示意图。
[0007]图2为本专利技术的旋喷制冷机膨胀头A
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A的剖面结构示意图。
[0008]图3为本专利技术的旋喷制冷机膨胀头B
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B的剖面结构示意图。
[0009]图4为本专利技术的旋喷制冷机膨胀头C
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C的剖面结构示意图
[0010]图例中，11为压缩机、12为散热器、13为换热器、14为膨胀头排气管、15为膨胀头进气管、16为电阻、17为导线、21为膨胀头、22为节流器、221为节流器气腔、23为排气蜗壳、24为节流器供气道、25为固定喷嘴、26为电机定子线圈、31为转子、32为轴承气膜、33为转子气道、34为旋转喷嘴、35为永磁体、36为配平孔。
[0011]为了能够更清楚地理解本专利技术的
技术实现思路
，特举以下实施例说明。
具体实施方式
[0012]旋喷制冷机的结构，见图1。
[0013]压缩机11的排气口与散热器12的一端连接，压缩机11的进气口接换热器13的热端，散热器12的另一端接换热器13的热端，膨胀头21通过膨胀头排气管14、膨胀头进气管15与换热器13的冷端连接。
[0014]膨胀头21的一个端面的中心接膨胀头进气管15。膨胀头进气管15的气道进入膨胀头21后分为两路：一路直接接固定喷嘴25，另一路拐弯接节流器供气道24，节流器供气道24给各节流器22输送高压气。固定喷嘴25为渐缩型。
[0015]膨胀头21中空，内部放转子31，转子31为圆柱体。各节流器22的节流器气腔221分布在膨胀头21内壁的端面、柱面。运行时，高压工质从节流器供气道24不断向节流器气腔221补充，保持较高压强，托起转子31，同时在膨胀头21的内壁与转子31的外壳间形成一个轴承气膜32。
[0016]膨胀头21的两端没有气路及节流器22的地方放置电机定子线圈26，电机定子线圈26通过导线17与放置在换热器13热端的电阻16连接。
[0017]膨胀头21的内壁柱面中间部位挖一道环槽作为排气蜗壳23，排气蜗壳23的内圈与轴承气膜32相通，排气蜗壳23的出气口与膨胀头排气管14连通。
[0018]转子31的一个端面的中心开孔为转子气道33，另一个端面的中心开一个盲孔作为配平孔36，使转子31的重心尽量与几何中心重合。转子气道33与固定喷嘴25相对，转子气道33进入转子31的中部后拐弯，分几路向转子31的柱面散开，末端接旋转喷嘴34。旋转喷嘴34为渐缩型，出口对准排气蜗壳23。工质沿切线方向从旋转喷嘴34喷出，流入排气蜗壳23。
[0019]永磁体35位于转子31的两端，永磁体35与电机定子线圈26相对，组成电机。
[0020]压缩机11将工质压缩进入散热器12排热，进入换热器13降温，然后经膨胀头进气管15进入膨胀头21，膨胀头进气管15的气道进入膨胀头21后分为两路：一路直接接固定喷嘴25，另一路拐弯接节流器供气道24，接节流器供气道24给各节流器22输送高压气。
[0021]固定喷嘴25为渐缩型，工质流经固定喷嘴25时流速加快，压强降低。工质从固定喷嘴25喷出时压强与轴承气膜32接近，减少工质从轴承气膜32流失。工质进入转子气道33，拐弯后经旋转喷嘴34从转子31喷出。旋转喷嘴34为渐缩型，工质流经旋转喷嘴34时流速进一步加快，温度、压强进一步降低，进入排气蜗壳23，吸收热量，实现制冷。
[0022]工质沿切线方向喷出，推动转子31及永磁体35转动，电机定子线圈26产生感应电流，通过电阻16将工质所做的功耗散掉。调整电阻16的大小，即可控制转子31的转速。
[0023]工质经排气蜗壳23整流后，从膨胀头排气管14进入换热器13，与高温高压工质换
热后又重新进入压缩机11，实现工作循环。如果本机用于液氢生产，则排气蜗壳23还可作为离心气液分离器使用。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋喷制冷机，其特征在于：包括1个压缩机11、1个散热器12、1个换热器13、1个膨胀头21、1个转子31；所述压缩机11的进气口接所述换热器13的热端，所述压缩机11的排气口与所述散热器12的一端连接，所述散热器12的另一端接所述换热器13的热端，所述膨胀头21的进气口、排气口接所述换热器13的冷端。2.根据权利要求1所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述膨胀头21内包括1个固定喷嘴25、多个节流器22、1个排气蜗壳23、多个电机定子线圈26；所述膨胀头21内部中空，内部放所述转子31；多个所述电机定子线圈26位于所述膨胀头21的两端。3.根据权利要求2所述的旋喷制冷机，其特征在于：多个所述节流器22的节流器气腔221分布在所述膨胀头21内壁的端面、柱面；运行时，高压工质不断补充进入所述节流器气腔221，保持较高压强，托起所述转子31，并在所述膨胀头21的内壁与所述转子31的外壳间形成一个轴承气膜32，使所述膨胀头21与所述转子31成为一个气体轴承结构，所述转子31旋转时不与所述膨胀头21接触、摩擦。4.根据权利要求2所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述膨胀头21的固定喷嘴25为渐缩型，工质流经所述固定喷嘴25时流速加快，压强降低；工质从所述固定喷嘴25喷出、进入所述转子31时压强与所述轴承气膜32接近，减少工质从所述轴承气膜32流失。5.根据权利要求2所述的旋喷制冷机，其特征在于：所述排气蜗壳23位于所述膨胀头...

【专利技术属性】
技术研发人员：王捷，
申请(专利权)人：王捷，
类型：发明
国别省市：