专利名称：一种活塞式氦气压缩机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及制冷与低温技术领域的压缩机，特别涉及一种特为小型制冷机配套使用的活塞式氦气压缩机。
背景技术：
随着卫星通讯技术、高温超导技术、超高真空技术的发展以及MRI设备、SQUIDs器件、红外探测仪器在医疗、科研、军事等方面的广泛应用，小型低温制冷机的需求量将会越来越大。G-M型、脉冲管型和斯特林型制冷机为小型制冷机中最主要的应用机型。其中G-M低温制冷机以其性能稳定可靠、结构紧凑、使用维护方便，广泛应用于通讯、电子和高真空技术领域。特别是制冷机冷却的真空低温泵，可获得大抽速、无油清洁超高真空，而且结构紧凑，使用维护方便，它为应用于空间环境模拟设备、真空镀膜、半导体材料生产加工等清洁无油超高真空设备的发展创造了极为有利的条件。G-M低温制冷机一直是低温泵中的绝对主力机型，占据着绝大部分的市场。现代真空低温泵研究发展的重点早提高其可靠性。其关键环节就是G-M氦制冷机。
现代真空低温泵要求制冷机工作要稳定、可靠性要高，维修方便、运行寿命长、制冷温度要低，制冷功率要大。而制冷机工作需要的基本条件如供气量、压力比.高纯度的工质氦气等均需压缩机来提供。压缩机的一些性能指标将直接影响制冷机的性能指标，因此氦气压缩机是系统中的关键设备之一。
小型氦气压缩机的研究工作，十几年来国内外科学工作者都经历了研究、设计制造、和改制三个阶段，六十年代美国根据G-M制冷机的要求，研究、设计了半封闭式氦气压缩机，用于卫星地面站；半封闭压缩机的壳体是由螺栓与缸盖连接在一起的，壳体可以拆卸；仅适用于中、大制冷量机组，而不适合于小型低温制冷机。70年代末国外利用已大批量生产的氟利昂全封闭制冷压缩机改制成氦气全封闭式压缩机；但由于全封闭压缩机的散热问题一直是改造中的瓶颈，故而改造的压缩机功率都只限于3kW左右，无法满足现在的大冷量制冷机的要求。
氦气压缩机与G-M制冷机组成氦气制冷机为低温泵的冷屏提供冷量。它是制冷机的心脏，不仅要为膨胀机提供洁净的高压氦气，而且依赖它实现制冷循环。小型制冷机的氦气压缩机的技术难度大、系统复杂、整体结构紧凑，这就要求压缩机的各部分体积小、效率高。小型制冷机的氦气压缩机组的研制，要涉及到压缩机的冷却系统、油气分离系统、回油系统、溢流调节器及电器控制系统、保护系统等。
发明内容
本实用新型的目的在于通过对常规的活塞式制冷压缩机的改进，提供一种适用于小型低温制冷机的输入功率在7.5kW级的活塞式氦气压缩机。
本实用新型技术方案如下本实用新型提供的活塞式氦气压缩机，如图4所示，包括压缩机头1、外循环油泵2、水冷气换热器3、水冷油换热器4、机械离心式油雾化器A、油气分离器5、吸附器7和缓冲器11；所述的机械离心式油雾化器A安装在压缩机头1低压腔的顶端，外循环油泵2与压缩机头1的底部油池相连通，在机械离心式油雾化器A与外循环油泵2之间相连通的管路上安装水冷油换热器4；所述压缩机头1的高压排气端依次连通有水冷气换热器3、油气分离器5以及与制冷机8的输入端相连通的吸附器7；其特征在于，还包括安装在制冷机8的排气端与压缩机头1低压端之间的连接管路上的缓冲器11；所述油气分离器5的排油端与压缩机头1低压端相连通的连接管路上安装有回油节流阀。所述的回油节流阀为毛细管节流阀。所述的缓冲器11为一具有一定内容积的压力容器。
所述的油气分离器5为一单级油气分离器或2-3个单级油气分离器串联而构成的多级油气分离器。
还包括安装在末级油气分离器与缓冲器11排出端之间的连接管路上的停机卸载装置13，所述的停机卸载装置为一常开型电磁阀。
在末级油气分离器与为缓冲器11排出端之间的连接管路上还安装有与所述停机卸载装置13并联的内部泄放阀14，所述的内部泄放阀14为开气压差在1-2Mpa之间的单向阀。所述的多级油气分离器中的每一级油气分离器的回油节流阀之后的管路上分别安装有回油单向阀。
所述的机械离心式油雾化器A包括一个一端封闭的空心圆柱体，其侧壁上开有至少2个切向进油小孔A1及与冷油换热器4出口端相通的雾化出口小孔A2。
使用时，外循环油泵2将压缩机1油池内高温油泵出后，经过水冷油气换热器3将油冷却至室温水平；冷却后的油经油雾化器A后变为细微的油雾喷入压缩机1的低压腔，并在压缩机的吸气过程中被带入压缩机气缸内部；由于油雾和压缩机内的高温氦气充分混合，利用油雾的显热和潜热与氦气进行充分的热量交换，使冷却效果较之传统的单纯气缸外冷却有了极大的改善。含油的氦气在经过水冷油气换热器冷却后进入高效油气分离器进行油气分离，分离下来的油份经回油管线重新回到压缩机油池内。通过油气分离器的氦气再通过吸附器以除去其中的微量油蒸汽，从而得到洁净的高压室温氦气。从制冷机返回压缩机的低压室温氦气经缓冲器平滑其压力波动后进入压缩机的低压吸气侧，从而完成氦气的循环流动。
本实用新型的优点在于使用技术极为成熟、性能非常稳定可靠的活塞式空调压缩机作为改造的原型机，保证了机器的运行稳定性与可靠性；由于活塞式压缩机的产量非常大，致使其拥有其他机型所无法比拟的价格优势，如果能实现一定规模的生产量，则由其他部件采购价的大幅下降而带来的整机价格优势将更加明显。
图面说明
图1外油路循环示意图；图2机械离心式油雾化器的剖面示意图；图3机械离心式油雾化器的外形图；图4本实用新型(包括连接制冷机的一实施例)的结构示意图；图5本实用新型(包括连接制冷机的另一实施例)的结构示意图；其中压缩机头1外循环油泵2水冷气换热器3水冷油换热器4第一油气分离器51 第二油气分离器52吸附器7 第一回油节流阀9第二回油节流阀10 缓冲器11闭式循环制冷机(如GM，PT等)8 机械离心式油雾化器A停机卸载装置13 内部泄放阀14第一单向阀15 第二单向阀16切向进油小孔A1 雾化出口小孔A具体实施方式
现面结合附图及实施例进一步描述本实用新型实施例1本实用新型(包括连接制冷机的一实施例)的结构示意图，用于冷却高温超导磁体实验装置的磁体部分，使之能维持在正常超导状态；
如图4所示，包括压缩机头1、外循环油泵2、水冷气换热器3、水冷油换热器4、机械离心式油雾化器A、油气分离器5、吸附器7和缓冲器11；所述的机械离心式油雾化器A安装在压缩机头1低压腔的顶端，外循环油泵2与压缩机头1的底部油池相连通，在机械离心式油雾化器A与外循环油泵2之间相连通的管路上安装水冷油换热器4；所述压缩机头1的高压排气端依次连通有水冷气换热器3、油气分离器5以及与制冷机8的输入端相连通的吸附器7；还包括安装在制冷机8的排气端与压缩机头1低压端之间的连接管路上的缓冲器11；所述油气分离器5的排油端与压缩机头1低压端相连通的连接管路上安装有回油节流阀。所述的回油节流阀为毛细管节流阀。所述的缓冲器11为一空心容器。
所述的油气分离器5可为单级油气分离器(即一个油气分离器)；也可为由2-3个单级油气分离器串联在一起构成的多级油气分离器；如本实施例(图4)中的第一油气分离器51和第二油气分离器52。第一油气分离器51和第二油气分离器52出油端分别安装有第一回油节流阀9和第二回油节流阀10。
其工作过程如下压缩机1下油池内的油经油泵2增压后，通过位于压缩机1低压腔顶端的机械离心式油雾化器A，流经油雾化器A的油被雾化成为细小的油雾后，喷入压缩机1的低压侧；并在压缩机1的吸气过程中和氦气一起进入气缸，在压缩过程中和氦气进行充分的换热。被压缩到高温高压状态的油气混合物，经水第一冷换热器3和第二冷换热器4冷却后变为常温高压状态；再通过串连的第一油气分离器5和第二油气分离器6使绝大部分的油份从气体中分离出来；分离出的油经过安装有回油节流阀9和10的回油管线返回到压缩机头1的油池内，以保证压缩机内油量的稳定以及保证油分离器的正常工作。含有微量油蒸汽的氦气再经吸附器7的吸附后，成为洁净度足够高的高压常温气源，用以驱动低温制冷机8。从低温制冷机8中返回的低压常温氦气经缓冲器11平滑其压力脉动后再次进入压缩机气缸内被压缩，从而完成一个闭式制冷循环。
图1给出了油的外循环示意图。通过计算以及大量的试验，选定了油泵的形式以及额定流量。经过对油雾化器几何参数的优化，最终选定了最佳的参数组合，达到了满意的雾化效果。图2和图3则分别给出了油雾化器的剖面结构图以及实体示意图。
实施例2如图5所示，本实施例的结构大致与实施例相通，所不同的是油换热器、氦气换热器改为空气冷却，使之能适合在缺水的地区使用；在末级油气分离器排气出口与回气缓冲器11出口端之间安装有停机卸载装置13，与停机卸载装置13并联内部泄放阀14，所述的内部泄放阀14为开启压差在1-2Mpa之间可调的单向阀。所述的缓冲器11为一具有一定内容积的耐压空心容器。所述的多级油气分离器中的每一级油气分离器的回油节流阀之后的管路上分别安装有回油单向阀(图中的第一单向阀15和第二单向阀16)。
其工作过程如下本实施例和实施例1中所述的工作过程较为相似。由于换热器使用了空冷换热器，使整机的体积、重量以及工作时的噪音都有所增大。但其优势在于，本实施例可应用于用水困难的缺水地区。停机卸载装置13可以在压缩机停机的同时，迅速平衡高低压侧的压力差，以防止气流在停机瞬间的异常流动导致的污染现象的发生。内部泻放阀14的使用可以使本实施例中的压缩机可以匹配不同制冷量的小型制冷机，而不致产生高低压压差过大的情况。安装在油分离器排油端的单向阀保证了油流向的单一性，同时保证了压缩机启、停时，不致因油的反常流动引起排气的污染。
权利要求1.一种活塞式氦气压缩机，包括压缩机头(1)、外循环油泵(2)、水冷气换热器(3)、水冷油换热器(4)、机械离心式油雾化器(A)、油气分离器(5)、吸附器(7)和缓冲器(11)；所述的机械离心式油雾化器(A)安装在压缩机头(1)低压腔的顶端，外循环油泵(2)与压缩机头(1)的底部油池相连通，在机械离心式油雾化器(A)与外循环油泵(2)之间相连通的管路上安装水冷油换热器(4)；所述压缩机头(1)的高压排气端依次连通有水冷气换热器(3)、油气分离器(5)以及与制冷机(8)的输入端相连通的吸附器(7)；其特征在于，还包括安装在制冷机(8)的排气端与压缩机头(1)低压端之间的连接管路上的缓冲器(11)；所述油气分离器(5)的排油端与压缩机头(1)低压端相连通的连接管路上安装有回油节流阀。
2.按权利要求1所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，所述的油气分离器(5)为一单级油气分离器或2-3个单级油气分离器串联而构成的多级油气分离器。
3.按权利要求2所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，还包括安装在末级油气分离器与缓冲器(11)排出端之间的连接管路上的停机卸载装置(13)，所述的停机卸载装置为一常开式电磁阀。
4.按权利要求3所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，在末级油气分离器与为缓冲器(11)排出端之间的连接管路上还安装有与所述停机卸载装置(13)并联的内部泄放阀(14)，所述的内部泄放阀(14)为开气压差在1-2Mpa之间的单向阀。
5.按权利要求1所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，所述的回油节流阀为毛细管节流阀。
6.按权利要求1所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，所述的缓冲器(11)为一空心容器。
7.按权利要求2所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，所述的多级油气分离器中的每一级油气分离器的回油节流阀之后的管路上分别安装有回油单向阀。
8.按权利要求1所述的活塞式氦气压缩机，其特征在于，所述的机械离心式油雾化器(A)包括一个一端封闭的空心圆柱体，其侧壁上开有至少2个切向进油小孔(A1)及与冷油换热器(4)出口端相通的雾化出口小孔(A2)。
专利摘要本实用新型涉及活塞式氦气压缩机，其结构一油雾化器安装在压缩机头低压腔的顶端，外循环油泵与压缩机头的底部油池相连通，在机械离心式油雾化器与外循环油泵之间相连通的管路上安装水冷油换热器；压缩机头的高压排气端依次连通有水冷气换热器、油气分离器以及与制冷机的输入端相连通的吸附器；还包括安装在制冷机的排气端与压缩机头低压端之间的连接管路上的缓冲器；油气分离器的排油端与压缩机头低压端相连通的连接管路上安装有回油节流阀。所述的回油节流阀为毛细管节流阀。本机采用内、外冷却相结合，极大地强化内部的换热；通过高效除油净化器，使压缩机排气含油量非常低，吸附器的连续运行寿命可超过10000小时，其运行可靠、安全。
文档编号F25B1/02GK2839637SQ20052000588
公开日2006年11月22日 申请日期2005年3月16日 优先权日2005年3月16日
发明者雷刚, 龚领会, 张亮, 陆文海 申请人:中国科学院理化技术研究所