ГАЗОВАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильно-морозильной технике, а точнее к газовым холодильным машинам, и может быть использовано при строительстве холодильных машин для оборудования бытовых и промышленных холодильников, морозильников и кондиционеров.

Известно устройство, содержащее газовый контур с линиями сжатого и расширенного газа и включенные в него детандер и основной теплообменник, а также два двухполостных теплообменника, первый из которых одной полостью подключен к линии сжатого газа перед детандером, а другой полостью к линии расширенного газа после основного теплообменника, второй теплообменник подключен к линии расширенного газа после первого.

Недостатком такого устройства является усложненность конструкции, наличие трущихся пар в условиях полусухого трения и большая металлоемкость.

Известна также холодильно-газовая машина, работающая по обратному циклу Стирлинга, содержащая поршневые компрессор и вытеснитель с механическими приводами. Вытеснитель выполнен со встроенными, не менее двух, секциями регенераторов, подпружиненных между собой, причем первая секция соединена с приводом со стороны компрессора, а последняя дополнительно подпружинена со стороны нагрузки.

Недостатком этой конструкции является сложность уплотнений штоков, наличие трущихся пар работающих в условиях сухого трения и сложность привода, обеспечивающего гармонические колебания поршня и вытеснителя.

Наиболее близкой конструкцией к изобретению является газовая холодильная машина, работающая по обратному циклу Стирлинга, содержащая детандерную и компрессорную рабочие полости, выполненные в виде сильфонных цилиндров, сообщенных между собой через регенератор и снабженных раздельными механическими приводами, обеспечивающими их гармонические колебания. При этом детандерный сильфон заключен в теплоизолированный кожух и сообщен через посредство обратных клапанов с холодильной камерой. Отвод тепла от охлаждаемого объекта осуществляется через промежуточное рабочее тело (р.т.), что существенно сужает область применения этой машины.

Недостатком является сложность механического привода (раздельного для компрессора и детандера), следовательно, громоздкость конструкции машины относительно охлаждаемой площади, а также наличие регенератора, необходимость которого обусловлена возвратно-поступательным движением газообразного р.т. в тракте холодильной машины. Кроме того, при вытеснении р.т. из объема охлаждения в холодильную камеру происходит некоторое сжатие его, т.е. нежелательное повышение температуры, что значительно снижает термодинамический КПД и удельную хладопроизводительность.

Предлагаемое изобретение призвано решить задачу упрощения конструкции, снижения относительного веса и габаритов, а также расширения области ее применения.

Поставленная задача решается тем, что в машине реализовано однонаправленное движение газообразного р.т. по тракту, образованному приемными и рабочими объемами сильфонов компрессора и детандера, сообщенных через холодильник и теплообменник морозильной камеры, благодаря чему надобность в регенераторе отпадает.

На фиг. 1 изображена предлагаемая газовая холодильная машина; на фиг.2 изображена круговая циклограмма ее работы, где стрелками показано направление движения р.т. а цифрами обозначены сильфоны.

Машина содержит приемный сильфон 1 компрессора и рабочий компрессорный сильфон сжатия 2, которые сообщены друг с другом через посредство обратного клапана 3, а рабочий детандерный сильфон расширения 4 сообщен с приемным сильфоном детандера 5 через посредство управляемого клапана 6.

Сильфоны 1 и 2 компрессора установлены на общей крышке-вытеснителе 7, неподвижно закрепленной в теплоизолирующем кожухе 8, а сильфоны 4 и 5 детандера установлены на общей крышке-вытеснителе 9, также установленной в кожухе 8. Диаметры сильфона 2 компрессора и сильфона 5 детандера равны друг другу, но меньше, чем диаметры сильфонов 1 компрессора и 4 детандера. Кроме того, сильфоны 2 и 5 сообщены друг с другом через посредство холодильника 10, и управляемого клапана 11, а сильфоны 1 и 4 сообщены друг с другом через посредство обратного клапана 12 и магистраль теплообменника 13, расположенную в морозильной камере 14.

Плоские внешние крышки сильфонов 1 и 4 жестко соединены друг с другом штоком 15, подвижно расположенным во втулках 16 и 17, а его свободный конец 18 пропущен через нижнюю крышку 19 теплоизолирующего кожуха 8 и сочленен с электромеханическим приводом возвратно-поступательного движения (на чертеже условно не показан). Сильфоны 2 компрессора и 5 детандера связаны друг с другом через разделительную диафрагму 20. Внутренние (рабочие) полости сильфонов 1, 2, 4 и 5, магистрали холодильника 10 и теплообменника 13 герметизированы и заполнены под избыточным давлением газообразным р.т. например гелием, азотом и т.д. а внутренняя полость герметичного теплоизолирующего кожуха 8 вакуумирована для обеспечения теплоизоляции сильфонов.

Газовая холодильная машина работает следующим образом.

На фиг.1 система изображена в крайнем верхнем положении, когда закончился процесс расширения р.т. в детандере и процесс сжатия р.т. в компрессоре, что соответствует поз.4 и 2 на циклограмме, фиг.2. В этом случае все охлажденное р.т. находится в полости большего сильфона 4 детандера, а все сжатое р. т. находится в полости меньшего рабочего сильфона 2 компрессора. При движении штока 15 вниз под действием привода (на чертеже не показан) полость рабочего сильфона 4 детандера уменьшается, а полость приемного сильфона 1 компрессора увеличивается, вследствие чего холодное р.т. перетекает из рабочего сильфона расширения 4 детандера в приемный сильфон 1 компрессора, что соответствует такту перепуска холодного р.т. 4 ->> 1 (см. фиг.2). Проходя по магистрали теплообменника 13, холодное р.т. отбирает теплоту из морозильной камеры 14. В конце хода обратный клапан 12 закрывается. Одновременно при движении штока вниз из рабочей полости меньшего сильфона сжатия 2 компрессора сжатое р. т. вытесняется через магистраль холодильника 10 и открытый управляемый клапан 11 в полость меньшего приемного сильфона 5 детандера, отдавая по пути теплоту в холодильнике 10 окружающей среде, что соответствует на циклограмме такту перепуска сжатого р.т. 2 ->> 5 (см. фиг.2). Далее при движении штока 15 вверх, р.т. будет перетекать из меньшего приемного сильфона 5 детандера в больший рабочий сильфон расширения 4 детандера. Температура р. т. в результате расширения понижается, что соответствует такту расширения р. т. 5 ->> 4, (см. фиг.2). Одновременно р.т. с запасом холода, нереализованного в морозильной камере, вытесняется из большего приемного сильфона 1 компрессора через обратный клапан 3 в меньший рабочий сильфон сжатия 2 компрессора, подвергаясь сжатию, что соответствует такту 1 ->> 2 (см. фиг.2).

На циклограмме, фиг.2, видно, что такт 1 ->> 2 протекает одновременно с тактом 5 ->> 4, а такт 2 ->> 5 протекает одновременно с тактом 4 ->> 1. Таким образом, через посредство однонаправленных управляемых и обратных клапанов р.т. совершает круговое однонаправленное движение.

Из вышеизложенного следует, что запас холода, не реализованный в морозильной камере, позволяет эффективно осуществить сжатие р.т. в компрессоре при минимальной затрате работы, что исключает надобность в регенераторе и, следовательно, позволяет уменьшить паразитное пространство, а это приводит к повышению удельной хладопроизводительности и позволяет снизить удельный вес и уменьшить габариты предлагаемой газовой холодильной машины.

Использование: газовые холодильные машины, бытовые и промышленные холодильники. Сущность изобретения: в машине реализован замкнутый круговой цикл при одновременном движении газообразного рабочего тела по тракту, образованному приемным 5 и рабочим 4 сильфонами детандера, сообщенными через управляемый клапан 6, теплообменником 13 морозильной камеры 14 и рабочим 2 и приемным 1 сильфонами компрессора, сообщенными через обратный клапан 3 и холодильник 10. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ГАЗОВАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА, содержащая расположенные на общем штоке сильфоны, образующие рабочие компрессорную и детандерную полости, отличающаяся тем, что она содержит дополнительные сильфоны, размещенные на штоке и образующие компрессорную и детандерную полости, причем приемная компрессорная полость сообщена с рабочей компрессорной полостью сжатия, рабочая компрессорная полость сжатия - с приемной детандерной полостью, а приемная детандерная полость сообщена с рабочей детандерной полостью расширения, рабочая детандерная полость расширения - с приемной компрессорной полостью. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что все сильфоны расположены в герметичном вакуумированном теплозащитном кожухе.