一种一体式高速旋转冷却机的制作方法

本发明属于高速旋转冷却机领域，具体涉及一种一体式高速旋转冷却机。

背景技术：

高速旋转冷却机应用于中子发生器中，是中子发生器的关键设备，其性能直接决定了中子发生器的中子强度和稳定性。当氘离子束通过加速以后传输到高速旋转冷却机内的氚靶靶片处，并与靶片中的氚原子核发生氘氚聚变反应产生中子，产生的中子可应用于中子治癌等特定行业中。由于靶片处的氘氚聚变反应会带来巨大热量，目前期望的做法是采用大轴径高转速的冷却机，从而通过相同的时间内热量交换的次数的增多，进而保证装置的散热。然而，目前应用的大轴径的冷却机受制于增速箱的尺寸和体积较大，受力比较复杂，稳定性较差，非常不适合应用于精细化的中子发生作业中。而传统的高转速冷却机的轴径都比较小，一旦应用至上述领域内，就会导致氘离子束通道变窄，进而使得靶片的利用率比较低。如何寻求一种结构紧凑而小巧化的新型冷却系统，使之能够兼具大轴径冷却机和高转速冷却机的性能优势，从而使之既能够满足高速旋转的目的，又能够稳定的承受一定的径向力和轴向力，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的设计目的即为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而简洁的一体式高速旋转冷却机。本发明兼具大轴径冷却机和高转速冷却机的性能优势，既能够满足高速旋转的目的，又能够承受一定的径向力和轴向力，其工作稳定性及可靠性均可得到有效保证。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种一体式高速旋转冷却机，其特征在于：本装置包括二段式阶梯套筒状的外壳体以及用于封闭外壳体的大口径段筒口的外壳盖，所述外壳盖与外壳体大口径段筒壁共同围合形成用于容纳旋转靶片组件的容纳空间；所述旋转靶片组件包括阶梯套筒状的旋转腔体以及螺纹固接于旋转腔体大直径段筒口处的靶片，所述旋转腔体同轴套设于外壳体内且旋转腔体上设置有用于配合外壳体处小口径段的小直径段，小直径段处套设空气轴承从而与小口径段间构成同轴回转配合；本装置还包括回转轴，回转轴以简支梁方式并通过滚动轴承而同轴回转配合于外壳盖处，回转轴轴端沿靶片轴线向靶片靶面处延伸并与靶片靶面间形成固接配合；所述回转轴轴径小于旋转腔体的小直径段外径；本装置还包括用于驱动旋转靶片组件转动的驱动部。

旋转腔体为直径径逐渐减小的四段式阶梯套筒状构造，相对的外径最小的一段筒腔构成上述小直径段；以旋转腔体上的与小直径段相邻的直径段为第二直径段，所述第二直径段上箍设有转子，外壳体处小口径段的孔壁处布置有与转子间构成配合的定子；所述定子与转子构成用于驱动旋转腔体转动的驱动部。

所述空气轴承的一端面抵靠于小直径段与第二直径段衔接处的轴肩处，空气轴承的另一端面处设置用于端面密封小直径段及小口径段的干气密封，所述干气密封的进气路径与空气轴承进气路径均径向贯穿外壳体壳壁。

沿回转轴的轴向由靶片所在轴端向另一轴端方向,在回转轴的轴身处依次箍设有接触式机械密封、深沟球轴承以及圆柱滚子轴承；深沟球轴承与圆柱滚子轴承共同构成托撑回转轴的简支梁式支承结构。

所述外壳盖的朝向靶片的一面沿径向均布有多个安装孔，安装孔内安设有雾化喷头，所述雾化喷头的喷口指向靶片靶面处。

所述回转轴轴径小于65mm，旋转腔体的小直径段外径大于65mm。

所述靶片上的用于配合回转轴轴端的靶面处内凹有沉孔部，沉孔部的孔腔内同轴凸设有定位圆环，回转轴的轴端面处内凹有用于卡嵌定位圆环的环形凹槽；所述定位圆环的内环面处布置内螺纹，环形凹槽上的与上述内螺纹配合的内侧槽面处布置外螺纹，两者间构成螺纹固接配合。

沉孔部的孔壁处沿其轴线方向开设有键槽，回转轴轴端的外壁处凹设有相配合的定位槽，花键穿入定位槽与键槽围合形成的区域内从而形成回转轴与靶片间的键连接式传动配合。

本发明的主要优点在于：

1)、通过上述方案，本发明一方面运用空气轴承承受大轴径端也即旋转腔体的小直径段的径向力，另一方面，再通过力的分配使径向力和轴向力主要由细轴端也即回转轴处的的滚动轴承来承受，从而可靠的解决了冷却机受力的问题。本发明整体结构显得更为紧凑，通过巧妙的兼具大轴径冷却机和高转速冷却机的性能优势，进而实现了冷却机在大轴径下的高速旋转目的，其工作稳定性及可靠性均可得到有效保证。

2)、作为上述方案的进一步优选方案，本发明还将用来驱动的定子和转子直接装在冷却机的外壳和旋转腔体上，从而进一步的紧凑化冷却机的结构。定子与转子可优选高速永磁、屏蔽式的定转子结构，通过直接把该定子和转子直接的裸装在旋转腔体外壁处，这样就免去了设置增速箱的问题，自然也就不存在所谓的增速箱尺寸及体积过大的缺陷。通过贯穿外壳体而引电源线至定子，然后以外部电源对定子通电，即可通过定子而带动转子与旋转腔体产生高速的旋转运动，最终达到狭窄空间下的驱动部相对旋转靶片组件的主动驱动目的。

3)、本发明的大轴径端密封由干气密封来承担，细轴端处的密封由接触式机械密封来承担。由于干气密封为密封非接触式运行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，适合做为高速高压设备的轴端密封。而接触式机械密封则作为封闭回转轴与外壳盖的配合间隙所使用，从而隔离开外壳体筒腔与滚动轴承所在腔，以保证滚动轴承的正常可靠运行。

4)、由于本装置的热量来源于靶片处，因此，通过径向且多个并列设置的雾化喷头，在旋转腔体高速旋转并带动靶片一起旋转时，雾化喷头将水喷在靶片外侧表面，并依托旋转腔体的高速旋转而增加水与靶片的热交换次数，最终可有效的提高装置的热交换的效率。

5)、本发明通过在靶片的球面状靶面的靶心处布置沉孔部，从而与回转轴间构成面抵靠配合。同时的，在沉孔部内设置带内螺纹的定位圆环，从而能同与之配合的回转轴处的环形凹槽间构成螺纹固接配合。花键的设置，则保证在回转轴与靶片构成配合后，不依托两者间的螺纹紧固力而产生转动动作，而是依托两者的键连接来保证力矩的传递，以确保两者的动作可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图2的I部分局部放大图；

图4为图2的II部分局部放大图。

图示各标号与本发明的各部件名称的对应关系如下：

a-连接法兰 b-操作窗 c-薄壁

d-紧固螺钉 e-紧固螺栓 f-止转销

10-外壳体 11-小口径段 20-外壳盖

30-旋转腔体 31-小直径段 32-第二直径段

40-靶片 41-定位圆环 50-空气轴承 60-回转轴 61-环形凹槽

70-滚动轴承 71-深沟球轴承 72-圆柱滚子轴承

81-转子 82-定子

90-干气密封 100-接触式机械密封

110-雾化喷头 120-花键

具体实施方式

为便于理解，此处结合附图，以对本发明的具体实施结构作以下进一步说明：

本发明的具体结构，如图1-4所示，其整体结构为两端支承结构，主要由空气轴承50、滚动轴承70、干气密封90、接触式机械密封100、定子82、转子81、旋转腔体30、冷却机外壳(也即外壳体10)、外壳盖20、雾化喷头110、靶片40和连接法兰a等组成。其中，如图1所示，本装置的动力装置主要由定子82和转子81配合构成。转子81直接箍在旋转腔体30上面，这样保证了驱动部的可靠性和紧凑性。本装置的径向支撑力和轴向力则由位于图2结构右侧处的空气轴承50和位于图2结构左侧处的滚动轴承70来共同承受。

如图4所示的，由于空气轴承50能够满足大轴径旋转的要求，因此应用于旋转腔体30与外壳体10的回转配合处，该处旋转腔体30的配合轴径大于65mm。使用时，空气轴承50与外部的高压空气相连，且由于空气轴承50在径向方向上开有径向节流孔，因此外部的高压气体可进入径向节流孔。空气轴承50与旋转腔体30之间有一个微小间隙，高压气体通过向径向节流孔吹入而进入空气轴承50与旋转腔体30之间间隙，从而将旋转腔体30托浮起来。此时，一旦旋转腔体30高速运行，空气轴承50即可稳定的为其提供一定的径向托浮力。

滚动轴承70应用于回转轴60与外壳盖20的配合段处，该处轴径较小，通常轴径低于65mm，因此在该轴径下滚动轴承70能够满足转速为10000r/mimn的高转速要求。构成滚动轴承70的深沟球轴承71和圆柱滚子轴承72均固定在回转轴60上，然后回转轴60固定在靶片40上，靶片40再固定在旋转腔体30上并随之转动，这样旋转腔体30的转动就会带着深沟球轴承71、圆柱滚子轴承72和靶片40一起转动。由于空气轴承50的承载力较小，此处的深沟球轴承71和圆柱滚子轴承72主要承受冷却机所承受的轴向力和径向力。

上述空气轴承50的外侧处布置用于端面密封的干气密封90，而回转轴60处滚动轴承70与靶片40之间处的密封由接触式机械密封100来承担。旋转腔体30高速旋转时带动靶片40一起旋转，雾化喷头110将水喷在靶片40外侧表面，从而以靶片40的高速旋转来增加水与靶片40的热交换次数，提高了热交换的效率。上述靶片40的热量来源于氘离子束。连接法兰a位于图2所示结构的最右侧，用于外接氘离子束管道。

在上述结构下，如图1所示，本装置还包括设置于外壳盖20上的操作窗b，操作窗b为两道且对称布置在作为中子出口的薄壁c的两侧。靶片40与旋转腔体30通过紧固螺钉d紧固，外壳盖20与外壳体10间通过紧固螺栓c紧固。而如图2-3所示的，在外壳体10的外壁处螺纹固接有止转销e，止转销e沿外壳体10的径向插至旋转腔体30的外壁处，并与旋转腔体30外壁处预设的定位沉孔33间构成定位配合。回转轴60外形呈二段式的阶梯轴状，而靶片40整体呈现向外壳盖20方向突出的球面片板状结构。此外，如图4所示，靶片40的轴心处布置用于配合回转轴60的大直径段轴端的沉孔部，沉孔部内设置定位圆环41，从而与回转轴60的轴端面处的环形凹槽61间构成卡嵌式的螺纹配合。沉孔部的孔壁处还设置键槽，以便于与回转轴60轴端外壁处凹设的定位槽一起形成供花键120沿轴向置入的键孔构造。