專利名稱：類球腔直通噴射式制冷方法及制冷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制冷裝置。
現(xiàn)有制冷技術(shù)中，以氟里昂為工質(zhì)的制冷技術(shù)發(fā)展最快，應(yīng)用最普遍，效果也最好。但因其對自然生態(tài)和人類生存，發(fā)展的極大危害性，多種國際會議已明確規(guī)定了其限用期。
為了取代氟里昂物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，各種新型制冷技術(shù)如雨后春筍不斷萌生，但均因耗能大，制冷效率低以及制冷量受限等不利因素而不能推廣應(yīng)用。
如，半導(dǎo)體制冷，雖效果好，但耗能大，效率低;電熱式吸、脫附制冷雖耗能較小，但還達(dá)不到深度制冷，顧氏循環(huán)制冷雖效率較好，但仍存在50%以上的氟里昂物質(zhì);氨制冷也因具有毒性，而在限制使用范圍之內(nèi);氣旋式冷熱分離器的制冷存在許多固有缺陷，還達(dá)不到應(yīng)有的制冷效果，從而限制了應(yīng)用的領(lǐng)域。
例如，由法國工程師蘭卡-1933年首先發(fā)明的渦流管制冷技術(shù)，如

圖13-1、13-2所示，其渦流管包括噴管1、渦流管6、分離孔板3及冷熱兩端管5、4，壓縮空氣進(jìn)入噴管后沿切線方向進(jìn)入渦流室6，形成自由渦流，且分離成溫度不相同的兩股氣流中心部分的低溫氣流，經(jīng)分離孔板3的中心孔流出。外圍邊緣部分的高溫氣流，從另一端經(jīng)節(jié)流閥2流出。利用該渦流管可同時獲得冷、熱兩種不同溫度的氣流。但是，由于至今對于這種技術(shù)的冷熱氣流分離機制尚無全面的分析，只是解釋為渦流管中心部分為低溫氣流，外圍部分為高溫氣流，從而限定其制冷器結(jié)構(gòu)形式為冷氣流從渦流管中心排出熱氣流從渦流管內(nèi)周邊導(dǎo)出，這樣，就影響了它的效果和進(jìn)一步開發(fā)。
又如，氣旋式制冷技術(shù)，其冷熱分離器的工作機制實質(zhì)上仍屬蘭卡理論范圍之內(nèi)，所不同之處，只是在膨脹室上多加了一個切向入氣孔，因而可比蘭卡的單旋式結(jié)構(gòu)在膨脹室內(nèi)多一倍的不規(guī)則運動的氣流分子，從而提高了制冷效率，但由于其制冷氣流分離方式與蘭卡式相同，所以其效果仍受到限制。
另外，上述蘭卡式渦流管與氣旋式制冷設(shè)置，其渦旋室都是圓管狀的腔室，這種形狀限制了氣體不規(guī)則分子團(tuán)的形成及冷熱氣流的有效分離;并且，二者所用噴嘴都是一種截流式噴嘴，如圖14所示，當(dāng)氣體通過噴嘴最細(xì)孔徑b之后，壓力隨即顯著降低，噴嘴的a-b段起了緩沖降壓的作用，于是使氣體噴出噴嘴時的膨脹效果大大降低，因而影響了制冷效果。
此外，它們都采用低壓(0.15-0.5MPa)空氣輸出方式，為獲得一定制冷效果，就要求大氣量，從而需要與之匹配的大氣源，這就限制了其制冷能力及應(yīng)用范圍。
針對上述技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出了一種新型制冷技術(shù)。
本發(fā)明的目的是提供一種類球腔直通噴射式制冷技術(shù)，采用球形或類球形內(nèi)腔膨脹室結(jié)構(gòu)以加強膨脹效果和增大氣體不規(guī)則分子運動的體積，并對冷熱氣流進(jìn)行有效的分離。
本發(fā)明的目的是提供一種類球腔直通噴射式制冷技術(shù)，采用射流噴射方式，以加強膨脹效果，增大氣體不規(guī)則分子運動體積。
本發(fā)明又一目的是提供一種類球腔直通噴射制冷技術(shù)，改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)，使高壓氣體不經(jīng)緩沖地直接噴入膨脹室，以加強制冷效果。
本發(fā)明的另一目的是提供一種類球腔直通噴射式制冷技術(shù)，用高壓輸入氣體，形成大壓差，以達(dá)到良好的制冷效果。
本發(fā)明制冷技術(shù)首先是建筑在對空氣制冷理論的新貢獻(xiàn)基礎(chǔ)上的。
本發(fā)明制冷器的工作原理與傳統(tǒng)的渦流管或氣旋式制冷的不同點在于
1、傳統(tǒng)的渦流管與氣旋式制冷技術(shù)中，人射氣流在膨脹降溫的同時，還與腔壁碰撞而形成旋流，在此過程中，由于氣體分子與器壁碰撞摩擦，使得腔內(nèi)產(chǎn)生大量熱氣流;從另一方面看，所形成的渦流是一種較規(guī)則的渦旋帶狀氣體流，即僅僅在其渦旋狀氣體帶區(qū)內(nèi)部才存在空氣分子的不規(guī)則運動，也就是說在腔體內(nèi)只能形成有限的不規(guī)則空氣分子運動區(qū)，因此不能形成更大的冷氣分子團(tuán)，不能獲得更高比例的冷氣流。所以，已有技術(shù)雖然可得到一定溫度差的冷和熱氣流，但其冷氣流比例最多只占50%，不可能得到更好的制冷效果。
本發(fā)明與已有技術(shù)根本不同之處，是盡力避免腔內(nèi)渦流的形成，充分利用氣體瞬時絕熱膨脹而降溫的原理以獲得更高的冷氣流比。
本發(fā)明采用球形或類球形膨脹腔和特定結(jié)構(gòu)的射流噴咀，保證入射氣流在腔壁上的碰撞、摩擦降到最小，避免形成渦流，并且，使兩個射氣流束不相重疊，以使氣體分子間的摩擦碰撞降到最低，從而大大地降低了腔內(nèi)所產(chǎn)生的熱氣流的比例;同時，還使入射氣流的邊界層與腔壁之間有一定距離，使得氣體不但不致因與腔壁碰撞而形成渦流，而且還為氣體的膨脹提供了充分的空間，從而加強了膨脹制冷的效果，所以，和同體積的其他形狀膨脹室相比，本發(fā)明的膨脹腔內(nèi)可形成最大的空氣分子不規(guī)則運動區(qū)，即最大的冷氣分子團(tuán)，冷氣流與熱氣流的比例可提高到7∶3，實測結(jié)果為冷空氣流最高可占總量的78%。
圖10示出了壓縮氣體噴入本發(fā)明膨脹腔后的氣流勢場，其中圖10-1為氣體噴入時的初始?xì)饬鲌鰻顟B(tài)，圖10-2為膨脹過程的氣流勢場，圖10-3為所形成的大的不規(guī)則分子團(tuán)的氣流勢場，完成了制冷過程;與之相對照的是圖11-1，11-2，11-3和圖12-1，12-2，12-3示出了氣旋式及卡蘭的單旋渦流管式制冷的氣體膨脹氣流勢場狀態(tài)，可看出后兩者在膨脹腔內(nèi)形成的只是渦流旋狀空氣分子不規(guī)則運動帶。而本發(fā)明則是大的空氣分子不規(guī)則運動區(qū)，即大的冷氣分子團(tuán)。
2、已有技術(shù)冷熱氣流的分離，是利用氣體分子在渦流運動中的運動速度不同，即離心力的不同而對冷熱氣流進(jìn)行分離，自然，所產(chǎn)生的熱氣流在外，冷氣流在中心本發(fā)明的工作原理與已有技術(shù)不同，氣體在腔內(nèi)膨脹形成不規(guī)則的分子團(tuán)而不是形成氣體渦流，所以，所產(chǎn)生的冷熱氣流的流向自然因其密度的不同，而熱氣往上，冷氣往下，因此，本發(fā)明將熱、冷氣流導(dǎo)管分別裝設(shè)在膨脹腔的上部與下部，從而得到了很好的冷熱氣流分離效果。
3、采用高壓輸入氣體，形成進(jìn)出口大壓差，從而可加強膨脹速度和增大氣體不規(guī)則分子運動的體積。
依據(jù)上述原理，本發(fā)明制冷器的基本方案，是將壓縮空氣以迅速減壓方式噴射進(jìn)一球形或類球形膨脹腔，所述壓縮空氣從球形腔的兩側(cè)，相對于球形腔軸線以平行且對稱的方式送入該球形或類球形腔內(nèi)，在該膨脹腔內(nèi)形成的熱氣流從球形腔的上部導(dǎo)出，冷氣從下部排出。
本發(fā)明制冷器在制冷量，氣量效率及效能比等各個方向面均優(yōu)于與現(xiàn)有其他制冷技術(shù)，達(dá)到和超過了氟里昂工質(zhì)制冷技術(shù)的各項指標(biāo)(見后附數(shù)據(jù)表)，從而完全可以取代氟里昂制冷。并且，本發(fā)明制冷器制造工藝簡單，成本低，尤其是在絕對無污染這一重要方面，大大優(yōu)于氟里昂等現(xiàn)有制冷技術(shù)，因此，本發(fā)明制冷器可廣泛應(yīng)用于各種制冷設(shè)備。
本發(fā)明制冷技術(shù)與其他制冷技術(shù)的效果比較，列表如下
下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1為本發(fā)明制冷器俯視示意圖。
圖2為圖1中A-A，B-B，C-C剖面圖。
圖3為本發(fā)明制冷器正視示意圖。
圖4為本發(fā)明制冷器噴咀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明制冷器另一實施例正視示意圖。
圖6為本發(fā)明制冷器再一實施例正視示意圖。
圖7為本發(fā)明制冷器又一實施例正視示意圖。
圖8為本發(fā)明制冷器又一實施例俯視示意圖。
圖9為本發(fā)明制冷器又一實施例外固體另一形式示意圖。
圖10-1，10-2，10-3為本發(fā)明制冷器內(nèi)氣流勢場圖。
圖11-1、11-2、11-3為氣旋式制冷器氣流勢場圖。
圖12-1、12-2、12-3為蘭卡式渦旋管氣流勢場圖。
圖13-1，13-2為蘭卡式渦流管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為蘭卡式，氣旋式噴咀示意圖。
圖10、11、12中的1為氣體噴入時初始?xì)饬鲃輬觯?為膨脹過程中的氣流勢場，3為膨脹后氣流勢場。
如圖1，2，3所示，本發(fā)明制冷器包括一對開式膨脹腔外固體1，該外固體1內(nèi)部為一球形膨脹腔2，球形腔2內(nèi)有隔熱防腐內(nèi)襯3，在外固體1的相對兩側(cè)各裝設(shè)一高壓送氣管4，該高壓送氣管4內(nèi)固裝有噴嘴5，噴嘴5伸至球形腔內(nèi)壁，為了增強壓縮氣體的膨脹效果，噴咀5如圖4所示，其前部為一細(xì)徑直管6，使進(jìn)入的高壓氣體在噴嘴內(nèi)不被緩沖減壓而直至噴嘴出口端才驟然減壓膨脹，在所述球形腔2的正下方有一冷氣排出孔，裝設(shè)一冷導(dǎo)管7，冷導(dǎo)管7外包有保溫套8，在球形腔2的正上方有一熱氣排出孔，裝設(shè)一熱導(dǎo)管9，在該熱導(dǎo)管9之外設(shè)置一上氣腔10，上氣腔10上具有一熱氣出口11，并安裝一調(diào)整桿12，用以調(diào)整熱氣流量，以調(diào)節(jié)冷、熱氣流的比例和溫度，該調(diào)整桿12用緊固套環(huán)13鎖緊;所述對開外固體1的兩半部具有緊固通孔14(圖3)，螺栓通過該通孔將外固體1栓緊，外固體1還有安狀孔15(圖1)，以便將制冷器安裝于所應(yīng)用的制冷設(shè)備上。
本發(fā)明制冷器的另一實施例，如圖5所示，裝設(shè)在外固體(1)兩側(cè)的高壓送氣管(4)位于與冷熱氣流出口軸線垂直的球腔的赤道平面上，在該平面上，仍如圖1所示，兩送氣管(4)的軸線不在一條直線上，而是在球腔的切線之內(nèi)，相對于球腔軸線平行對稱設(shè)置;兩送氣管(4)的裝設(shè)位置其結(jié)構(gòu)是這樣設(shè)計的使空氣以圓形直通射流形式射入膨脹腔，初始射入時，形成邊界層不重疊的兩圓錐狀氣流束，以避免兩氣流束的氣體分子之間的對撞、摩擦;同時，錐形氣流的邊界層與球腔內(nèi)壁之間留有空間，以避免氣體與腔壁的碰撞，摩擦而形成旋流，并為氣體的膨脹提供更大的空間。
本發(fā)明制冷器的再一實施例，如圖6所示，其外固體(1)與圖5所示不同的是可由斜形對開方式的兩部分組成，兩部分之間仍可利用螺栓固定。
本發(fā)明制冷器的又一實施例，如圖7、8所示，其外固體(1)可由如下三部分組成裝設(shè)有送氣管(4)的外固體中段(1-1)，裝設(shè)熱導(dǎo)管(9)的外固體上段(1-2)和裝設(shè)冷導(dǎo)管(7)的外固體下段(1-3)，中段(1-1)的內(nèi)腔(2-1)為球臺形，上、下段(1-2)(1-3)的內(nèi)腔(2-2)(2-3)為球缺形，三段外固體合起來內(nèi)部形成一球形腔或類球形腔;三段外固體的連接可采用上、下段(1-2)(1-3)通過螺紋擰緊于中段(1-1)的方式;其噴咀裝設(shè)方式與圖5所示實施例相同。
本實施例的膨脹腔形狀還可有多種形式變化，如圖9所示，外固體上段(1-2)和下段(1-3)內(nèi)腔凹面的曲率半徑可不相等，可根據(jù)需要對冷、熱氣流提供不同的膨脹空間。
另外、上下段外固體的內(nèi)凹面形狀也可以不是同一球面的一部分，而是橢球面或拋物面的一部分。
本發(fā)明這種獨特的腔體和噴咀結(jié)構(gòu)，使氣體入射后產(chǎn)生的勢流場如圖10-1所示，其發(fā)展如圖10-2、10-3所示，可清楚地看出，與圖11，12不同，在球形腔內(nèi)不形成以渦流為主的氣流勢場，而是形成大不規(guī)則分子團(tuán)，即冷氣分子團(tuán)。
上述制冷器的工作過程如下將＞0.7MPa的高壓空氣經(jīng)兩送氣管4和噴嘴5送入球形或類球形腔2后，立即減壓膨脹，經(jīng)圖10所示的膨脹過程，迅速形成一個大冷氣分子團(tuán)，冷氣由于密度較大，迅速由冷導(dǎo)管7排出，這股連續(xù)不斷的冷氣流溫度可低于-8℃;又由于高壓高速噴射，空氣在球形腔2內(nèi)壁碰撞和沿內(nèi)壁流動摩擦以及分子間的碰撞摩擦的結(jié)果，在腔內(nèi)產(chǎn)生了一股熱氣流，由于熱氣流密度小，很快由熱氣管9在調(diào)整桿12調(diào)整下沿?zé)釟獬隹?1排出，可得到連續(xù)不斷的熱氣流，溫度可達(dá)40℃以上。
由于本發(fā)明制冷器的獨特結(jié)構(gòu)-球形膨脹腔和特定的噴咀設(shè)置位置及其結(jié)構(gòu)，減少了氣流在腔內(nèi)與器壁的摩擦、及兩股氣流分子之間的碰撞，因而可使產(chǎn)生的熱氣流比例降低，冷氣流比例增大。從而達(dá)到高效制冷的目的。
本發(fā)明制冷器實驗數(shù)據(jù)如下表
實驗是在一種往復(fù)式懸掛體壓縮機上進(jìn)行的，產(chǎn)氣量0.35m/min，最大壓力1.0MPa，功率700W。
根據(jù)上述實驗，可知本發(fā)明制冷技術(shù)的一般性能指標(biāo)為制冷效率＞3500KCal/h.km;
制冷系數(shù)(效能比)＞3.5;
氣量效率(輸氣率)＞65%;
冷輸出溫差(與環(huán)境溫度比)＞35℃;
冷氣溫度低于-12℃在氣源溫度降至25℃以下時，冷氣溫度降至-12℃-14℃以下，在利用冷氣循環(huán)時，冷氣溫度則降至-15℃--20℃以下。完全可以滿足初冷和中冷產(chǎn)品的冷源要求。
實驗結(jié)果還表明，輸氣壓力與制冷效果成正相關(guān)，一般情況下壓力在0.7-1.4MPa范圍內(nèi)，且可根據(jù)需要調(diào)控。進(jìn)一步的實驗證明，為了滿足深冷的冷源的要求，使用壓力可在0.7-40MPa范圍內(nèi)調(diào)控，在加大壓力時，只要按本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行抗壓材料和外型尺寸的變換，就可獲得所需冷源、同時，通過分離的熱氣流也可作為熱源綜合利用。
權(quán)利要求
1.一種類球形腔直通噴射式制冷方法，將壓縮空氣以迅速減壓方式噴射進(jìn)一常壓容器；在該容器內(nèi)膨脹并形成冷、熱氣流，使該冷、熱氣流分別從所述容器兩端流出，其特征在于所述常壓容器為一類球形膨脹腔，所述壓縮空氣從該類球形腔的兩側(cè)，相對于該球形腔軸線以平形且對稱的方式送入腔內(nèi)；所述類球形腔內(nèi)形成的熱氣流從上部流出，冷氣流從下部流出；在熱氣流出口處對熱氣流流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)冷、熱氣流的流量比。
2.一種如權(quán)利要求1所述的類球形腔直通噴射式制冷方法，其特征在于所述相對于類球形腔軸線平行且對稱送入腔內(nèi)的兩束壓縮空氣，是在與熱氣流、冷氣流出口軸線相垂直的類球腔赤道平面上從兩側(cè)向球形腔內(nèi)噴入;壓縮空氣以圓形直通射流形式噴入類球形膨脹腔，初始噴入時，在腔內(nèi)形成兩束邊界層不相重疊的圓錐狀氣流，且氣流的錐面邊界層與類球形腔內(nèi)壁之間留有空間。
3.一種如權(quán)利要求1、2所述的類球形腔直通噴射式制冷方法，其特征在于壓縮空氣的壓力在0.7-40Mpa范圍內(nèi)，該高壓空氣無緩沖地直接降壓膨脹于類球形腔內(nèi)。
4.一種類球形腔直通噴射式制冷器，包括壓縮空氣噴管、噴咀、膨脹腔室、冷、熱氣體導(dǎo)出管，其特征在于所述膨脹室由對開式兩半外固體構(gòu)成，該外固體內(nèi)部為一球形腔;在外固體的相對兩側(cè)各裝一高壓送氣管，兩高壓送氣管相對于球腔軸線以平行且對稱的方式裝設(shè);兩高壓送氣管內(nèi)各固裝一噴咀，以向球形腔內(nèi)送入高壓膨脹空氣;在所述球形腔下方裝設(shè)一冷氣導(dǎo)管，以排出冷氣，在該球形腔上方裝設(shè)一熱導(dǎo)管，以排出熱氣，在該熱導(dǎo)管出口處安裝一調(diào)整桿，以調(diào)節(jié)冷熱氣流流量的比例。
5.一種如權(quán)利要求4所述的類球形腔直通噴射式制冷器，其特征在于所述高壓送氣噴咀為圓形直通式射流噴咀，其裝設(shè)位置及構(gòu)造是如此設(shè)計的，即兩噴咀位于與冷、熱氣流出口軸線相垂直的球腔赤道平面上，在該平面上，兩噴咀的軸線在球腔的切線之內(nèi)，與球腔軸線等距離對稱平行設(shè)置，使初始噴射氣流在腔內(nèi)形成邊界層不相重疊的兩圓錐狀氣流，且氣流的錐面邊界層與球腔內(nèi)壁之間留有空間。
6.一種如權(quán)利要求4、5所述的類球形腔直通噴射式制冷器，其特征在于所述噴咀的出口部分為一小孔徑直管，以使高壓氣體無緩沖地進(jìn)入球形腔而迅速膨脹。
7.一種如權(quán)利要求6所述的類球形腔直通噴射式制冷器，其特征在于所述對開式外固體為斜形對開兩部分組成。
8.一種類球形腔直通噴射式制冷器，包括壓縮空氣噴管、噴咀、膨脹腔室、冷、熱氣體排出管，其特征在于所述膨脹腔室由上、中、下三段外固體組合而成，在該三段外固體內(nèi)部形成類球形腔;外固體中段內(nèi)部為一球臺型類球形腔，在其外部相對兩側(cè)各裝一高壓送氣管，兩送氣管裝設(shè)在球形腔的最大圓形截面上，在該平面上兩噴咀的軸線在球腔的切線之內(nèi)，與球腔軸線等距離對稱平行設(shè)置;外固體下段的上部為一與外固體中段內(nèi)腔相配合的類球形凹面，在其正中向下裝設(shè)一冷氣導(dǎo)管，以排出冷氣;外固體上段的下部為一與外固體中段內(nèi)腔相配合的類球形凹面，在其正中向上裝設(shè)一熱氣導(dǎo)管，以排出熱氣，在該熱導(dǎo)管出口處安裝一調(diào)整桿，以調(diào)節(jié)冷熱氣流流量的比例;噴咀與類球腔配合，使初始噴射氣流在腔內(nèi)形成邊界不相重疊的兩圓錐狀氣流，且氣流的錐面邊界層與球腔內(nèi)壁之間留有空間。
9.一種如權(quán)利要求7、8所述的類球形腔直通噴射式制冷器，其特征在于所述噴咀出口部分為一小孔徑直管，以使高壓氣體無緩沖地進(jìn)入類球形腔而迅速膨脹。
10.一種如權(quán)利要求8所述的類球形腔直通噴射式制冷器，其特征在于所述外固體下段類球腔的空間體積與外固體上段類球腔的空間體積不相等。
全文摘要
類球形腔直通噴射式制冷器以空氣為工質(zhì)，將高壓空氣從兩側(cè)噴射至類球形腔內(nèi)膨脹降溫，同時形成冷熱兩股氣流，分別從設(shè)在該類球形腔下部的冷導(dǎo)管和設(shè)在類球形腔上部的熱導(dǎo)管排出，熱導(dǎo)管處裝有調(diào)整桿以調(diào)節(jié)冷熱氣流比例；類球形腔內(nèi)裝有絕熱防腐內(nèi)襯。本制冷器在制冷量、效率及效能比等各個方面均已達(dá)到或超過氟里昂工質(zhì)制冷技術(shù)的各項指標(biāo)，且制造工藝簡單、成本低、無污染，可廣泛應(yīng)用于各種制冷領(lǐng)域。
文檔編號F25B9/08GK1079292SQ9310276
公開日1993年12月8日 申請日期1993年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月25日
發(fā)明者劉加才, 吳祖發(fā), 梅大銳, 鄒家祥, 饒正富, 匡淑英 申請人:吳祖發(fā)