ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ Российский патент 1995 года по МПК F04B35/04 

Изобретение относится к свободно-поршневым компрессорам. Свободно-поршневые компрессоры являются составным элементом свободно-поршневых двигателей компрессоров (СПДК), изобретение может быть использовано в качестве компрессора в холодильных машинах компрессионного типа, а также в качестве воздушного компрессора как в промышленных, так и в бытовых компрессорных станциях.

Известны поршневые компрессоры со свободно движущимися поршнями. В известном СПДК энергия, полученная в цилиндре теплового двигателя при сгорании углеводного топлива, частично используется на сжатие воздуха поршнями компрессора, соединенного с рабочими поршнями двигателя ДВС, без промежуточных механизмов. Часть воздуха, сжатого поршнями компрессора СПДК, расходуется на газообмен в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а оставшаяся большая часть сжатого воздуха поступает к потребителю. СПДК полностью уравновешен и может монтироваться без тяжелых фундаментов. СПДК строятся на различные давления воздуха (0,7-40 МПа) и получают широкое распространение. Нормальное осуществление рабочего цикла в двигателях со свободно движущимися поршнями возможно, только при симметричном перемещении поршней обоих комплектов СПДК. Для обеспечения симметричного движения поршней используются синхронизирующие механизмы, которые в отличие от кривошипно-шатунного механизма обычных ДВС воспринимают на всю силу давления газов, а только разность давления газов или сил, действующих не 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, которые комплексуются синхронизирующим механизмом и обеспечивает нормальный термодинамический процесс в двигателе СПДК. Все СПДК работают по двухтактному циклу с прямоточной схемой газообмена. Открытие и закрытие выпускных окон осуществляется двумя противоположно движущимися поршнями. Синхронизирующие механизмы бывают шатунно-шарнирными, применяемые на тихоходных СПДК, и реечно-шестерные, применяемые на быстроходных СПДК, является необходимость использования термодинамического цикла ДВС, двухтактного дизеля и связанного с ним оборудования, необходимого для осуществления нормального термодинамического процесса в двигателе СПДК.

Известен свободно-поршневой электромагнитный компрессор (СПЭМК), в котором положительная работа сжатия газовой смеси осуществляется за счет того, что свободный магнитный поршень взаимодействует с электромагнитным полем эл. магнитов 11, которые периодически изменяют свою полярность на противоположную при достижении магнитным поршнем (10; 20) верхней мертвой точки (ВМТ) или нижней мертвой точки (НМТ). Изменение полярности полюсов эл.магнитов 11, происходит при изменении направления тока в обмотках эл.магнитов 11, ток в обмотках эл. магнитов изменяется на противоположный с помощью переключателя направления тока 49 при перемещении магнитным поршнем (10; 20) штока и поршня гидроцилиндра. Положительная работа газовой смеси СПЭМК осуществляется при более высоком КПД за счет того, что в СПЭМК отсутствует источник энергии, применяющийся в СПДК, термодинамический цикл двухтактного дизеля; теоретический КПД двухтактного дизеля 0,4.

СПЭМК выполняет положительную работу, используя энергию эл.тока, но без применения кривошипно-шатунного механизма (КШМ), который необходим в компрессорных станциях с приводом от эл.двигателя (для преобразования вращательного движения ротора эл.двигателя в возвратно-поступательное движение поршня компрессора). Отсутствие КШМ в СПЭМК определяет более высокий КПД и одновременно более высокие весовые показатели, т.е. (при равной производительности по сравнению с компрессорной станцией СО 2А с приводом от эл.двигателя, а также по сравнению с СПДК) обладает значительно меньшей массой и металлоемкостью, соответственно меньшими габаритами и шумообразованием, одновременно СПЭМК имеет более высокий КПД по сравнению с компрессорной станцией СО-2А и с СПДК.

Свободно-поршневой электромагнитный компрессор имеет ряд преимуществ по сравнению с компрессорной станцией СО-2А с приводом от эл.двигателя, а также по сравнению с СПДК, совершающим положительную работу сжатия газовой смеси, применяя термодинамический цикл двухтактного дизеля. В то же время и СПЭМК имеет определенный недостаток, который состоит в том, что в СПЭМК поршень, совершающий положительную работу сжатия газовой смеси, состоит из двух цилиндрических постоянных магнитов, которые в конструкции магнитного поршня (10; 20) обращены навстречу друг к другу одноименными полюсами, а между ними стоит третий цилиндр, не обладающий магнитными свойствами. Магнитное взаимодействие постоянных магнитов поршня, соединенных с цилиндром, не обладающим магнитными свойствами, с помощью соединительной резьбовой шпильки осуществляется под влиянием периодически изменяющегося магнитного поля внешних эл. магнитов 11, имеющих сравнительно высокое активное и реактивное сопротивление и в связи с этим возрастающие потери на перемагничивание, зависящее от частоты изменения направления тока, от величины реактивного сопротивления и от размеров магнитоводов (потери стали). Большее активное и реактивное сопротивление оказывает значительную нагрузку на работу переключателя направления тока 49 и требует такого технического исполнения (переключателя направления тока 49), при котором его эл.контактные системы должны быть рассчитаны на прохождение больших типов при большой разности потенциалов, что требует увеличения размеров переключателя направления тока 49. Это в свою очередь сопряжено с увеличением массы и габаритов переключателей направления тока 49.

Таким образом, периодически изменяющееся эл.магнитное поле эл.магнитов 11, имеющее высокое активное и реактивное сопротивление, в целом ведет к снижению хоть и незначительному КПД свободно-поршневого электромагнитного компрессора СПЭМК.

Цель изобретения более экономичная работа СПК СЭМП по сравнению со СПЭМК, а также применение более малогабаритного переключателя направления тока 49 при одинаковой мощности компрессоров за счет того, что в обмотках поршневых эл.магнитов течет ток, меньший, чем в эл.магнитах 11 СПЭМК. Кроме того, обеспечение работы переключателя направления тока 49 в более благоприятных условиях, т.е. при применении одинаковых переключателей направления тока 49 в СПЭМК и СПК-СЭМП работа его в СПК-СЭМП будет более надежной и продолжительной при равной производительности компрессоров СПЭМК и СПК СЭМП.

Это осуществляется благодаря тому, что в СПК-СЭМП поршень состоит из вдух электромагнитов, соединенных последовательно и обращенных одноименными полюсами навстречу друг к другу. По отношению к внешним эл.магнитам 11, поршневые эл.магниты соединены параллельно с источником постоянного тока.

Уменьшение токов и напряжений, происходящее в системе изменения направления тока 49 с одновременным уменьшением массы и габаритов, достигается тем, что эл. магниты 11 в СПК СЭМП не изменяют свою полярность и выполняют функции эл.магнитов с постоянной полярностью, одновременно свободный магнитный поршень СПЭМК заменяется на свободный эл.магнитный поршень в СПК СЭМП. Осуществление работы СПК-СЭМП требует и некоторых конструктивных отличий от прототипа СПЭМК, состоящих не только в конструкции поршня, но и в некотором отличии клапанных плит, магнитных головок и конструкции гидропоршней, которые в СПК-СЭМП содержат шток, имеющий внутреннее осевое отверстие, в котором проходит латунный или медный стержень, являющийся одним из проводников эл. тока, обеспечивающий эл.питание эл.магнитов поршня. Аналогичный стержень проходит через осевое отверстие штока другого гидропоршня. Оба стержня изолированы изолирующей втулкой в центральной части цилиндра. Противоположные концы стержней имеют внутреннее осевое отверстие и боковое отверстие в надпоршневом пространстве гидроцилиндра (это отверстие необходимо для выхода или поступления жидкости в надпоршневую полость), жидкость осуществляет перемещение гидропоршней (боковая поверхность гидропоршней медное или латунное кольцо осуществляет эл. контакт эл.магнитных систем 30, 31, переключателя направления тока 49). С помощью его направление тока в обмотках эл.магнитов поршня периодически изменяется на противоположное при подходе поршня к ВМТ и НМТ, изменившееся направление тока в обмотке поршневого эл.магнита влечет изменение магнитной ориентации полюсов магнитного поршня, а вследствие этого и изменение направления движения поршня, совершающего положительную работу сжатия газовой смеси.

На фиг. 1 изображен СПК-СЭМП, вид спереди, на котором показаны все основные узлы и детали; на фиг. 2 вид сверху СПЭМК; на фиг. 3 разрез цилиндропоршневой группы А-А на фиг. 1; на фиг. 4 эл.схема СПК-СЭМП и схематический разрез переключателя направления тока 49 (электросхема эл.магнитного взаимодействия эл.магнитного поля свободного эл.магнитного поршня с эл.магнитным полем эл.магнитов 11).

Свободно-поршневой компрессор свободный электромагнитный поршень (СПК-СЭМП) состоит из следующих основных элементов конструкции:
1 гидромагистраль, соединяющая надпоршневые полости гидроцилиндров 50 и 51, таким образом, что при перемещении одного из гидропоршней гидросмесь, не обладающая эл. проводными свойствами, вытесняется из одной из полостей (50 или 51), по гидромагистралям 1 поступает в противоположную гидрополость (51 или 50) и под давлением поступающей жидкости перемещает гидропоршень со штоком противоположного гидроцилиндра;
2 и 3 выводы контактов, находящихся в гидроцилиндре, которые во время работы СПК-СЭМП периодически соединяются с помощью медного кольца, которое насажено на гидропоршень, изготовленный из материала, не обладающего эл. проводными свойствами;
8 магнитные головки эл.магнитов; 7 смазочные (нагнетательные и всасывающие) магистрали;
11 внешние эл.магниты, которые во время работы СПК-СЭМП имеют неизменяющееся электромагнитное поле, т.к. такое эл.магнитное поле, которое имеет постоянную направленность;
15 и 16 электроконтакты, обеспечивающие эл.питание свободного эл.магнитного поршня;
23 и 24 эл.контакты соединенных последовательно эл.магнитов 11, эл.питание эл.магнитов 11, осуществляется от источника постоянного тока (или от источника переменного тока через выпрямительное устройство);
26 гидроцилиндр, изготовленный из керамики или другого материала, не обладающего эл.проводными свойствами. В гидроцилиндре 26 стоит гидропоршень 25 со штоком 22. Гидроцилиндры имеют эл.контакты 2 и 3 и эл.контакты 27 и 28, а также изолированную в центральной части цилиндра компрессора электромагистраль 12. Изолирована эл.магистраль керамической втулкой, внешний диаметр которой соответствует диаметру эл.магистрали 12, т.е. равен ему или немного меньше его. 45 воздушный фильтр; 46 емкость для сжатия газа; 47 воздушная нагнетательная магистраль; 48 воздушная всасывающая магистраль. Керамическая втулка 55 обеспечивает эл. изоляцию эл.проводников 12 от стенок гидромагистрали 1, изготовленной из медной трубки. К станине СПК-СЭМП 54, имеющей заземление, крепится изолированный от нее и заземленный корпус СПК-СЭМП и переключатель направления тока 49.

Контакты источника питания 23 и 24 соединяются с внешними эл.магнитами 11. Эл.контакты 27 и 28 (аналогичные контактам 2 и 3) обеспечивают эл.связь с эл.магнитом 33, а электроконтакты 2 и 3 обеспечивают эл.связь с эл.магнитом 32 переключателя изменения направления тока 49. Выключатель эл.питания эл. магнитного поршня соединяет свободный эл.магнитный поршень с источником питания, параллельно с внешними эл.магнитами 11 СПК-СЭМП и последовательно с переключателем изменения направления тока 49. Переключатель изменения направления тока 49 периодически при перемещении штока и поршня гидроцилиндра (поршнем компрессора) гидропоршень (боковой поверхностью) соединяет контакты 2 и 3 или 27 и 28 и обеспечивает то или иное направление эл.тока в системе эл.магнитов СПК-СЭМП с помощью переключателя изменения направления тока 49.

Гидропоршень 5 имеет шток 6 с отверстием вдоль оси, диаметр отверстия равен диаметру эл.проводника 12, проходящего внутри штока поршня, таким образом обеспечивается достаточно плотный скользящий контакт.

Гидропоршень 25 имеет шток 22 с таким же отверстием, как и шток 6 для прохождения эл.проводника 12. Между проводниками 12 находится в центральной части цилиндра компрессора керамическая изоляционная втулка 14, внешний диаметр которой равен диаметру проводников 12 или немного меньше их.

Контакты 15 и 16 обеспечивают эл.связь переключателя изменения тока 40 с эл.проводниками 12, а с их помощью с обмотками эл.магнитов электромагнитного поршня 17. Корпус эл.магнитов поршня 19 изготовлен из феррита или из листовой трансформаторной стали, или из ферромагнитного сплава. Корпус эл.магнита 18 соединен с керамической втулкой 10 с помощью резьбового соединения. Внутренний диметр керамической втулки 10, соответствующий внешнему диаметру эл. проводников 12 и изолирующей втулки 14, одновременно обеспечивает плотный скользящий контакт.

Источник эл.питания, источник постоянного тока обозначен цифрой 53, поршневая полость гидроцилиндров 26, обеспечивающая смазку и охлаждение цилиндра и поршня компрессора обозначена цифрой 52, надпоршневая полость гидроцилиндров 26, служащая для синхронного перемещения гидропоршней 5 и 25, обеспечивающих периодическое включение и выключение эл.магнитов 32 и 33, обозначена цифрами 51 и 50.

Компрессор содержит переключатель 49 изменения направления тока с разрезом в диаметральной плоскости, керамические изоляторы 41, имеющие внутреннее резьбовое соединение с ферромагнитными стержнями 37 и 36, обеспечивающими магнитное взаимодействие с эл.магнитными 32 и 33. Керамический эл.изолятор 31 соединяет эл.проводники 35 и 34 с помощью резьбового соединения. 40 два крайних, соединенных между собой эл.проводником, электроконтакта, 39 эл.контакт, занимающий среднее положение, т.е. такое положение, при котором он находится между контактами 40. Перемещение эл.контактов 35 и 34 под воздействием эл. магнитов 32 или 33 обеспечивает периодическое изменение направления эл.тока в обмотках эл.магнитов поршня. Переключатель (двухполюсный) 29 обеспечивает включение в работу эл.магнитов поршня. Переключатели 24 и 23 обеспечивают включение в работу внешних эл.магнитов 11.

Свободно-поршневой компрессор свободный электромагнитный поршень (СПК-СЭМП) работает следующим образом.

В тот момент, когда включаются переключатели 29 (23 и 24), эл.магнитные системы внешних эл. магнитов 11 (по которым начинает течь ток от источника питания 53) начинают функционировать, т.е. создают внешнее эл.магнитное поле эл. магнитов 11, которое одноименными полюсами направлено навстречу друг к другу. Это внешнее эл.магнитное поле с помощью магнитоводов 4 и магнитных головок 8 проходит и замыкается внутри цилиндрового пространства компрессора. Одновременно включение переключателей 23 и 24 обеспечивает эл.питанием систему эл. магнитов 20 свободного эл.магнитного поршня через переключатель направления тока 49. В обмотках эл.магнитов 20 при прохождении по ним тока создается эл. магнитное поле, которое в обоих эл.магнитах имеет противоположное направление, так как обмотки в эл.магнитах поршня имеют противоположное направление. Магнитный поршень состоит из двух последовательно соединенных эл. магнитов 20, обмотки которых имеют противоположное направление. Магнитное поле каждого из этих эл.магнитов взаимодействует с эл.магнитным полем внешних эл.магнитов 11, совершая положительную работу сжатия газовой смеси. При подходе к верхней мертвой точке (ВМТ) керамическая втулка поршня перемещает шток 6 с гидропоршнем 5. Гидросмесь (минеральное масло или др.), не обладающая эл. проводными свойствами, из надпоршневой полости 50 поступает в надпоршневую полость 51, под давлением поступающей в гидрополость 51 гидросмеси поршень 25 со штоком 22 перемещается, разъединяя контакты 27 и 28, обеспечивающие эл.питанием эл.магнит 32 системы переключения направления тока 49. Поршень 5 со штоком 6, продолжающий движение под воздействием поршня компрессора, соединяет медным кольцом (боковой поверхностью поршня 5) контакты 2 и 3, обеспечивающие эл.питание эл.магнита 33 системы переключения направления тока 49. Магнитное поле эл.магнита 33, взаимодействуя с ферритовым стержнем 36, перемещает его (притягивает), а вместе с ним перемещает эл. контакты 35 и 34, находящиеся внутри переключателя направления тока. Перемещение эл.контактов 35 и 34 обеспечивает изменение направления тока в обмотках эл.магнитов поршня. Ток от контактов 40 и 39 через переключатель 29 поступает к контактным выводам 15 и 16 на керамической втулке 55. Контакты 15 и 16 соединены с эл.магистралью 12, которая изолирована в центральной части цилиндра керамической втулкой 14. Ток, проходящий по эл.проводникам 12 и через медно-графитовые контакты 13, изолированные от корпуса эл.магнитов 20, осуществляет эл.питание эл.магнитов 20 свободного эл.магнитного поршня.

Периодически изменяющееся направление эл.тока в обмотках поршневых эл. магнитов создает реальные условия (при эл.магнитном взаимодействии с внешним постоянным эл.магнитным полем, созданным эл.магнитами 11) для выполнения положительной работы, т.е. для сжатия газовой смеси свободным эл.магнитным поршнем СПК-СЭМП.

Технико-экономическая эффективность достигается следующим образом.

В связи с тем, что индуктивное сопротивление эл.магнитной системы 11 значительно больше индуктивного сопротивления эл.магнитной системы 11 значительно больше индуктивного сопротивления эл.магнитной системы эл.магнитного поршня, потери, возникающие в процессе работы этих эл.магнитных систем, соответствуют сопротивлениям этих эл.магнитных систем.

В прототипе СПЭМК эл. магнитная система 11, периодически изменяющая в процессе работы эл.магнитную полярность, обладает большими потерями эл.энергии, возрастающими с увеличением частоты изменения направления тока и в связи с тем, что эл.магнитная система 11 имеет достаточно большую массу магнитоводов.

В СПК-СЭМП эл.магнитная система внешних эл.магнитов 11 имеет при одинаковой производительности компрессоров СПЭМК и СПК-СЭМП одинаковое активное и реактивное сопротивление с эл.магнитной системой 11 СПЭМК, но потери эл.магнитной энергии в эл.магнитной системе 11 СПК-СЭМП по сравнению с ней значительно меньше, так как в эл.магнитной системе 11 СПК-СЭМП электромагнитное поле в процессе работы не изменяет периодически свою полярность, поэтому не возникают и потери эл.энергии, сопряженные с этим.

В СПК-СЭМП эл. магнитная система эл.магнитов 20 поршня СПК-СЭМП имеет периодически изменяющееся в процессе работы эл.магнитное поле. Индуктивное и активное сопротивление эл.магнитной системы эл.магнитов 20 поршня значительно меньше индуктивного и активного сопротивления эл.магнитной системы 11 СПЭМК, поэтому потери эл.энергии в эл.магнитной системе эл.магнитного поршня СПК-СЭМП меньше потерь, возникающих в эл.магнитной системе 11 СПЭМК, при одинаковой частоте изменения направления тока. Одновременно в эл.магнитной системе эл.магнитов поршня уменьшаются потери в стали из-за того, что поршень имеет меньшую магнитную массу по сравнению с магнитной массой внешних эл. магнитов (-) 11 СПЭМК.

Сущность изобретения: шаровые ферромагнитные наконечники установлены с охватом торцов цилиндра и связаны друг с другом ферромагнитными стержнями. Датчики конечного положения поршня связаны с клеммами источника постоянного тока соответствующей обмоткой передвижения якоря. Обмотки индуктивности навиты на стержни с возможностью образования разноименных полюсов на наконечниках. Поршень выполнен в виде двух магнитопроводов с последовательно сообщенными катушками индуктивности. Магнитопроводы разделены изолятором, их катушки навиты с возможностью образования одноименных полюсов на торцах поршня и подключены к клеммам переключателя направления тока. Обмотки индуктивности подключены к клеммам источника постоянного тока. Электропроводные стержни установлены по оси цилиндра и разделены изолятором. Концы стержней подключены к клеммам источника постоянного тока. Катушки индуктивности подключены к клеммам источника скользящими контактами на электропроводных стержнях. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ, содержащий цилиндр с поршнем, шаровые ферромагнитные наконечники, установленные с охватом торцов цилиндра и связанные друг с другом ферромагнитными стержнями, переключатель направления напряжения с обмотками передвижения якоря, датчики конечного положения поршня, связанные с клеммами источника постоянного тока посредством соответствующей обмотки передвижения якоря и обмотки индуктивности, навитые на стержни с возможностью образования разноименных полюсов на ферромагнитных наконечниках, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения реактивного сопротивления электромагнитов, поршень выполнен в виде двух магнитопроводов с последовательно сообщенными катушками индуктивности, причем магнитопроводы разделены изолятором, а их катушки навиты с возможностью образования одноименных полюсов на торцах поршня и подключены к клеммам переключателя направления тока, при этом обмотки индуктивности подключены к клеммам источника постоянного тока. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен электропроводными стержнями, установленными по оси цилиндра и разделенными изолятором, при этом концы стержней подключены к клеммам источника постоянного тока, а катушки индуктивности подключены к клеммам источника постоянного тока посредством скользящих контактов на электропроводных стержнях.