ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Российский патент 1994 года по МПК F04B35/04 

Изобретение относится к свободно-поршневым компрессорам. Свободно-поршневые компрессоры являются составным элементом свободно-поршневых двигателей компрессоров.

Изобретение - СПЭМК, может быть использовано, как в промышленных, так и в бытовых холодильных установках, а также в качестве воздушного компрессора в промышленных и в бытовых компрессорных станциях.

В известном СПДК энергия, получаемая в цилиндре теплового двигателя при сгорании углеводородного топлива, расходуется частично на сжатие воздуха поршнями компрессора, соединенными с рабочими поршнями двигателя без промежуточных механизмов. Часть сжатого воздуха расходуется на газообмен в цилиндре двигателя, а большая часть сжатого воздуха поступает к потребителю. СПДК полностью уравновешены и могут монтироваться без тяжелых и сложных фундаментов. СПДК, строящиеся на различные давления воздуха (0,7-40 МПа), получили широкое распространение. Нормальное осуществление рабочего цикла в двигателях со свободно-движущимися поршнями возможно только при симметричном перемещении поршней обоих комплектов. Для обеспечения симметричного движения поршней используются специальные синхронизирующие механизмы, которые в отличие от кривошипно-шатунного механизма обычных двигателей внутреннего сгорания воспринимают не всю силу давления газов, а только разность давлений газов и сил, действующих на поршень двигателя и на поршень компрессора. Различие в силах, действующих на оба комплекта поршней, является следствием разного значения сил трения и утечек через поршневые уплотнения, которое компенсируется синхронизирующим механизмом и обеспечивает нормальный термодинамический процесс. СПДК, имеющий ряд положительных качеств по сравнению с дизель-компрессором, имеет и ряд отрицательных качеств, делающих невозможным применение СПДК в бытовых холодильных машинах (высокое шумообразование, применение углеводородного топлива и ГСМ, являющихся пожароопасными веществами), кроме того, двигатель - СПДК имеет более низкие экономические характеристики по сравнению с четырехтактным дизелем.

Указанные недостатки устранены в свободно-поршневых электромагнитных компрессорах, работающих с применением электроэнергии, преобразуемой в электромагнитное поле, которое совершает положительную работу всасывания и нагнетания газовой смеси.

Известный электродинамический компрессор имеет цилиндр с поршнем, датчики положения поршня и катушки электромагнитов, охватывающих боковую поверхность цилиндра, систему смазки с маслоотстойником и с отверстиями для залива масла, а также с пробкой в отстойнике для замены масла и удаления механических примесей.

Улучшение условий смазки с удалением механических примесей делает работу электромагнитного герметичного компрессора, более надежной, а вследствие уменьшения потерь на трение, и более экономичной. Улучшение условий смазки и удаление механических примесей достигается тем, что кольца имеют в верхней части вырезы, а по периметру - маслораспределительные осевые отверстия.

В электромагнитном герметичном компрессоре, имеющем катушки электромагнитов намотанные на стенки цилиндра и систему смазки, которую можно считать пассивной, есть определенные недостатки, предопределенные положением обмоток электромагнитов, а также заключенные в пассивной системе смазки.

Положение обмоток электромагнитов при работе компрессора не дает возможности получить сравнительно однородный магнитный поток, т. к. магнитный поток будет рассеиваться при удалении от полюса электромагнита и будет уплотняться при приближении к полюсу. Поэтому при таком расположении обмоток электромагнитов будут возникать дополнительные потери энергии магнитного потока, что в свою очередь отрицательно влияет на общий КПД компрессора.

Пассивная система смазки, применяемая в электромагнитном герметичном компрессоре, не дает возможность избавиться от мех. примесей, обладающих нулевой плавучестью в смазывающей среде, отрицательное влияние этих примесей на абразивный износ поверхностей поршня и цилиндра несомненно.

Пассивная система смазки не позволяет применить в системе смазки компрессора теплообменные элементы и блок фильтрующих элементов.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение КПД за счет применения электромагнитной системы с ясновыраженными полюсами, а также улучшение системы смазки и охлаждения за счет применения циркуляционной системы смазки и охлаждения.

Указанная цель достигается тем, что СПЭМК, имеющий электродинамический привод, цилиндр, поршень, установленный в цилиндре, и привод, включающий электромагнитные катушки, датчики положения поршня и устройство переключения направления тока в обмотках электромагнитов, сообщенное с датчиками, снабжен магнитопроводом, выполненным в виде шаровых наконечников, расположенных с охватом торцевых частей цилиндра и стержней, соединяющих наконечники, при этом катушки навиты на стержни и подключены к устройству переключения направления тока в катушках электромагнитов с возможностью создания разноименных полюсов в противоположных наконечниках, поршень выполнен из постоянных магнитов, обращенных одноименными полюсами навстречу друг другу, т. е. поршень имеет в верхнем и в нижнем основаниях одноименные полюса.

С целью повышения надежности путем упрощения конструкции датчики выполнены в виде гильз. Гильзы, не обладающие электропроводными свойствами, имеют закрепленные на стенках электроклеммы, а внутри гильз установлены поршеньки со штоками, штоки установлены так, что имеют возможность взаимодействовать с поршнем компрессора, а поршеньки установлены с возможностью замыкания электроклемм, при этом надпоршневые полости гидравлически сообщены между собой, а устройство переключения направления тока, подключено к датчикам посредством электроклемм. СПЭМК снабжен системой циркуляционной смазки.

Циркуляция смазки в компрессоре осуществляется с помощью гидропоршеньков, посредством невозвратных (обратных) клапанов, взаимодействующих с подпоршневой полостью датчиков, дающих команду (эл. сигнал) катушкам соленоидов переключателя направления тока в обмотках электромагнитов компpессора.

На фиг. 1 изображен СПЭМК, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - электросхема электромагнитного переключателя направления движения тока в обмотках электромагнитов - СПЭМК.

СПЭМК содержит: 1 - гидромагистраль с жидкостью (минеральное масло или другая жидкость, не обладающая электропроводными свойствами) - эта жидкость связывает поршень 5 и поршень 25 (поршни 5 и 25 выполнены из латуни или другого электропроводного материала, а штоки этих поршеньков - шток 6 и шток 22 могут быть выполнены из материала, не обладающего электропроводными свойствами (керамика пластмассы и т. д. ). Поршень и шток могут соединяться с помощью резьбового соединения. Поршень и шток могут быть полностью изготовлены из керамики, если на боковую поверхность поршня одето с натягом медное или латунное кольцо, соответствующее внутреннему диаметру гидроцилиндра.

2, 3, 27, 28 - электроконтакты, изолированные от корпуса магнитной головки 8 (магнитная головка может быть изготовлена из листовой трансформаторной стали или из феррита).

Магнитная головка 8 напрессована в нагретом состоянии ни цилиндр 21 (цилиндр может быть изготовлен из керамики, из латуни, бронзы или другого металла или сплава).

4 - магнитопровод, выполненный из листовой трансформаторной стали или из феррита. Магнитопровод 4, состоящий из двух полуколец, прижимается к магнитным головкам 8 с помощью резьбового соединения, которое находится с двух сторон в ферритовых сердечниках электромагнитов 11.

Клапанная плита 9 с взаимодействующими клапанами может быть изготовлена из феррита или из пермалоя или другого металла, обладающего магнитными свойствами. Клапанные плиты 9 наложены в верхнем и нижнем основании цилиндра, с цилиндром и с магнитной головкой они могут быть соединены с помощью напрессовки или с помощью резьбового соединения.

12, 19 - невозвратный нагнетательный клапан смазочной магистрали, 18 - невозвратный всасывающий клапан смазочной магистрали, 15 - масляная форсунка (распыляющая смазочно-охлаждающую жидкость), 16 - всасывающе-фильтрующая полость смазочной магистрали.

Свободный поршень состоит из четырех основных частей: из двух магнитов 10 и 20, имеющих центральное резьбовое отверстие, среднего цилиндрического поршня 17, изготовленного из материала со слабовыраженными магнитными свойствами, имеющего в центральной части резьбовое отверстие такого же диаметра как и диаметры магнитных поршней, стяжной резьбовой шпильки, соответствующей диаметру и общей высоте поршня.

Постоянные цилиндрические магниты обращены навстречу друг к другу одноименными полюсами.

49 - переключатель направления тока электромагнитной системы СПЭМК, который является составным элементом СПЭМ, 23 и 24 - контакты электромагнитов 11, 29 - двухполюсный включатель, 30 - кольцевые токосъемники, соединенные с одним из полюсов двухполюсного включателя 29, 31 - кольцевой токосъемник, соединенный с другим полюсом двухполюсного включателя 29, 32 и 33 - электромагниты системы изменения направления тока в обмотках электромагнитов, 34 - токосъемники, имеющие плотный контакт с медными втулками (токоприемниками 41 и 42), 35 - керамический корпус переключателя направления тока 49, 36 и 37 - стальные стержни ферритовые стержни предназначенные для магнитного взаимодействия с электромагнитами 32 и 33, ферритовые стержни крепятся с токоприемниками pезьбового соединения, 39 - перемещающиеся кольцевые контакты, периодически соединяющие источник питания и обеспечивающие то или другое направление электрического тока в системе электромагнитов 11. 43 - проводник электрического тока, 45 - воздухоочистительный фильтр, 47 - нагнетательная магистраль, 48 - всасывающая магистраль, 49 - переключатель направления тока в обмотках электромагнитов компрессора, 50 и 51 - подпоршневые гидрополости, имеющие гидравлическую связь между собой, 52 - подпоршневая полость гидроцилиндра, 53 - источник постоянного тока.

В том случае, если двухполюсный концевой переключатель 29 включен, в эл. цепи обмоток электромагнитов 11 течет ток, происходит магнитное взаимодействие между магнитным поршнем 20 и электромагнитами 11 до тех пор, пока магнитный поршень 20 не переместит гидропоршень 5 (воздействуя на шток 6 гидропоршня 5) до того уровня, при котором контакты 2 и 3 соединятся поршнем 5 (медным или бронзовым). В эл. цепи электромагнита 32 потечет ток, вследствие чего возникает электромагнитное поле, которое, взаимодействуя со стальным стержнем 36, переместит его (стержень 36 притянется к индукционной катушке 32). Произойдет перемещение контактов 39 (+; -) и как следствие, произойдет переориентация магнитного поля электромагнитов 11.

Включение СПЭМК в работу производится контактным переключателем 29 (двухполюсный), который включается на контакты 23 и 24 системы питания электромагнитов 11; таким образом к источнику постоянного тока 53 включается нагрузка - электромагнитная система СПЭМК и система переключения направления эл. тока 49.

В тот момент, когда поршень 5 соединяет контакты 2 и 3, происходит перемещение (как было изложено выше) медных контактов 39 системы питания электромагнитов. Ток в обмотках электромагнитов СПЭМК изменяет направление, вместе с тем изменяется направление магнитного поля (происходит изменение полярности электромагнитов), т. е. положительный полюс магнитной головки взаимодействует с отрицательным полюсом постоянного магнитного поршня (в процессе этого взаимодействия поршень совершает работу - полезную работу сжатия газовой смеси). Изменившееся направление электротока изменяет и полярность магнитной головки 8, поэтому магнитная головка 8 получает (после перемены направления тока в обмотках электромагнитов) отрицательную полярность, т. е. такую же, как и полярность полюса постоянного магнита обращенного к ней поршня (свободного магнитного поршня). Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются, поэтому магнитный поршень начинает совершать движение, соответствующее полярности магнитной головки 8 в данный момент времени, т. е. изменившееся направление тока в обмотках электромагнитов 11 изменит и полярность магнитной головки 8 (она приобретает отрицательную магнитную полярность, т. е. такую же как и головка магнитного поршня). Таким образом поршень начнет противоположное движение, т. е. при взаимодействии отрицательного магнитного полюса магнитной головки 8 и отрицательного полюса магнитного поршня 20 поршень будет отталкиваться в процессе магнитного взаимодействия одноименных полюсов.

Одновременно противоположный полюс электромагнитов 11 имеет положительную полярность и в процессе взаимодействия со свободным магнитным поршнем, имеющим обращенный к нему отрицательный полюс постоянного магнита, начинает притягивать его к себе, совершая работу сжатия газовой смеси одновременно с другой стороны поршня, происходит всасывание газовой смеси через воздушный фильтр 45. Нагнетание воздуха (газовой смеси) производятся через нагнетательный коллектор 47 в воздухосборник 46.

Процесс продолжается до тех пор, пока поршень-магнит компрессора 20 не достигнет штока 22 и не переместит поршень 25 до изолированных контактов 27 и 28, находящихся в цилиндре 51. Поршень 25, соединяющий контакты 27 и 28, изготовлен из меди или бронзы. В момент соединения контактов 27 и 28 с поршнем 25 через обмотку электромагнита 33 потечет ток, появится магнитное поле, которое в процессе взаимодействия со стальным стержнем 37 переместит (притянет) его к себе, вместе с ним переместится контактная система 39 (+; -) источника питания 53 системы переключения направления тока 49. При перемещении контактов 39 (+; -) источника питания в системе электромагнитов произойдет изменение направления тока, изменится полярность электромагнитов 11, а вместе с ней (с изменением полярности электромагнитов 11) изменится и направление движения свободного магнитного поршня 20, процесс снова повторится.

Магнитный поршень СПЭМК состоит из двух постоянных магнитов 10 и 20, расположенных таким образом, что положительные полюсы постоянных магнитов имеют встречное направление. Между одноименными (положительными) полюсами постоянных магнитов 10 и 20 помещена керамическая или текстолитовая втулка 17, ослабляющая взаимное магнитное влияние положительных полюсов постоянных магнитов 10 и 20; постоянные магниты свободного поршня также представляют из себя втулку, имеющую внутри резьбовое отверстие, такое же, как у керамической втулки 17. Магнитный поршень соединен с помощью соединительной шпильки 14. Шпилька 14 изготовлена из алюминия или из бронзы, или из другого материала с ослабленными магнитными свойствами. Поршень может не иметь уплотнительных колец, т. к. стабильно сориентирован в пространстве, т. е. не испытывает влияния кривошипно-шатунного механизма (достаточно хорошо уравновешен).

Технико-экономическая или иная эффективность.

Наличие в СПЭМК электромагнитной системы с явно-выраженными полюсами, при взаимодействии с переключателем направления тока в обмотках электромагнитов, повышает КПД электродинамического компрессора из-за уменьшения потери энергии электромагнитного потока, возникающего между магнитными головками (наконечниками) во внутрицилиндровом пространстве компрессора.

Наличие датчиков, выполненных в виде гильз с установленными в них поршеньками со штопами и с закрепленными на стенках гильз клеммами, повышает надежность и упрощает конструкцию компрессора в совокупности с переключателем направления тока в обмотках электромагнитов.

Наличие циркуляционной системы смазки позволяет с помощью невозвратных клапанов производить во время работы более качественную смазку цилиндра и более эффективную фильтрацию смазочно-охлаждающей жидкости, циркулирующей в замкнутом объеме. (56) Авторское cвидетельство СССР N 960463, кл. F 04 B 35/04, 1980.

Поршневой компрессор с электродинамическим приводом. Использование: в промышленных и бытовых компрессорных станциях. Сущность изобретения: в цилиндре установлен поршень. Привод содержит электромагнитные катушки, датчики положения поршня и устройство переключения напряжения в катушках, сообщенных с датчиками. Магнитопровод выполнен в виде шаровых наконечников, расположенных с охватом торцевых частей цилиндра. Стержни соединяют наконечники. Катушки навиты на стержни, подключены к устройству и создают разноименные полюса в наконечниках. Поршень выполнен из постоянных магнитов с одноименными полюсами на его торцах. Датчики выполнены в виде гильз с установленными в них поршеньками с штоками. На стенках гильз закреплены электроклеммы. Штоки взаимодействуют с поршнем. Поршеньки замыкают электроклеммы. Надпоршневые полости гидравлически сообщены между собой. Устройство подключено к датчикам электроклеммами. Устройство подвода и отвода смазки сообщено обратными клапанами с подпоршневой полостью датчиков. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ, содержащий цилиндр, поршень, установленный в цилиндре, и привод, включающий электромагнитные катушки, датчики положения поршня и устройство переключения напряжения в катушках, сообщенное с датчиками, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе путем усиления электромагнитных сил привода, он снабжен магнитопроводом, выполненным в виде шаровых наконечников, расположенных с охватом торцевых частей цилиндра, и стержней, соединяющих наконечники, при этом катушки навиты на стержни и подключены к устройству переключения напряжения с возможностью создания разноименных полюсов в наконечниках, а поршень выполнен из постоянных магнитов с одноименными полюсами на его торцах. 2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем упрощения конструкции, датчики выполнены в виде гильз из неэлектропроводного материала с установленными в них поршеньками со штоками, причем на стенках гильз закреплены электроклеммы, штоки расположены с возможностью взаимодействия с поршнем, а поршеньки установлены с возможностью замыкания электроклемм, при этом надпоршневые полости гидравлически сообщены между собой, а устройство переключения подключено к датчикам посредством электроклемм. 3. Компрессор по п. 2, отличающийся тем, что он снабжен устройствами подвода и отвода смазки к цилиндру компрессора, при этом устройство подвода и отвода смазки сообщено посредством обратных клапанов с подпоршневой полостью датчиков.