ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ГАЗОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к криогенным установкам, предназначенным для криостатирования оборудования.

Известна газовая холодильная машина [1], содержащая последовательно установленные бесклапанный компрессор-детандер, кольцевой холодильник (теплообменник), регенератор, пористую перегородку и пульсационную трубу.

Недостатком известного устройства является то, что в нем происходят большие потери энергии пульсации газа в магистралях (трубопроводах), а также в нем невозможно применение в качестве источников сжатого газа компрессоров другого типа и аккумуляторов давления сжатого газа.

Известен газораспределитель газовой холодильной машины [2], содержащей входящий в охлаждающее устройство газораспределитель с магистралями впуска и выпуска газа, объем постоянной величины (пульсационную трубку), на котором имеется теплообменник.

Недостатком известного устройства является его недостаточная холодопроизводительность, а также использование в качестве впускного и выпускного клапанов вращающихся золотников, требующих для них собственный привод и систему управления, а это, в свою очередь, значительно усложняет конструкцию и увеличивает ее энергопотребление.

Известен газораспределитель газовой холодильной машины [3], содержащий корпус с расположенными в нем магистралями ввода и вывода газа и устройство для их поочередного прикрытия, выполненное в виде диска с профилированным секторным вырезом, в котором установлен лопаточный аппарат, при этом диск установлен с возможностью вращения и снабжен возвратной спиральной пружиной.

Недостатком известного устройства является большая инерционность диска с профилированным секторным вырезом и лопаточным аппаратом, что, в свою очередь, не позволяет увеличивать частоту газораспределителя. А это не дает возможности повышать эффективность, в частности, холодопроизводительность газовой холодильной машины путем увеличения частоты пульсаций. Кроме того, тонкие пластины, установленные под углом 45^o к плоскости диска, обладают сравнительно низкой эффективностью преобразования кинетической энергии газового потока по сравнению, например, с турбинными лопатками.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является газораспределитель газовой холодильной машины [4], содержащий корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которого расположено устройство для их поочередного перекрытия, приводимое в действие проходящим через него потоком газа, устройство для поочередного перекрытия магистралей выполнено в виде двух дисковых зубчатых колес, установленных с возможностью вращения во взаимном зацеплении, имеющих профилированные секторные вырезы с углом раскрытия 180^o и ориентированные в одном направлении, в которых установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дисковых зубчатых колес в противоположные стороны.

Недостатком наиболее близкого аналога является сложность и материалоемкость конструкции ввиду установки двух зубчатых колес со своими подшипниковыми узлами и зубчатыми венцами, а также низкой надежностью, связанной с необходимостью обеспечения антифрикционного режима работы зацепления зубчатых венцов дисковых колес.

Указанные недостатки ставят задачу повышения надежности газораспределителя, а также упрощения его конструкции и снижения ее материалоемкости, и, как следствие, дальнейшее повышение эффективности устройства.

Указанная задача решается тем, что в газораспределителе газовой холодильной машины, содержащей корпус с магистралями вводами вывода газа, внутри которого расположено устройство для их поочередного перекрытия, приводимое в действие проходящим через него потоком газа, устройство для поочередного перекрытия магистралей выполнено в виде одного дискового колеса, установленного с возможностью вращения и имеющее профилированные секторные вырезы с углом раскрытия 180^o, ориентированные в одном направлении, в которых установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса в одну сторону (направление).

Введение одного колеса, установленного в корпусе с возможностью вращения с минимальным гарантированным зазором и имеющего профилированные секторные вырезы, в которых установлены лопаточные аппараты, необходимо для повышения частоты коммутации /газораспределения/ газовых потоков (так как инерционность одного колеса меньше чем двух, а гидравлическое сопротивление в зазорах меньше), что в конечном итоге приведет к повышению эффективности, в частности, повышению скорости вращения и, следовательно, холодопроизводительности газовой холодильной машины.

Введение секторных вырезов цилиндрического зубчатого колеса углом раскрытия 180^o, ориентированных в одном направлении, необходимо для обеспечения поочередного перекрытия магистралей пуска газораспределителя в работу, т.к. при угле раскрытия 180^o (при самом неблагоприятном положении дисковых зубчатых колес) впускная и выпускная магистраль будут приоткрыты секторными вырезами наполовину, а это даст возможность дисковым зубчатым колесам начать вращение. При меньшем угле раскрытия магистрали будут закрыты, а при большем - газораспределитель будет работать нерационально, пропуская газовый поток сквозь себя обратно.

Введение лопаточных аппаратов с турбинными лопатками, ориентированных на проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение зубчатых колес в противоположные стороны, необходимо для повышения эффективности преобразования кинетической энергии газовых потоков во вращательное движение зубчатых колес коммутирующего устройства, а следовательно, повышения эффективности газораспределителя газовой холодильной машины в целом. По размерам сечения впускных и выпускных магистралей и расчетной скорости проходящего через распределитель газа определяются тип лопаточных аппаратов и их конструкционные размеры.

Таким образом, обеспечивается выполнение устройства для поочередного перекрытия магистралей в виде дискового сбалансированного колеса, установленного с возможностью вращения в корпусе и имеющего профилированные секторные вырезы с углом раскрытия 180^o, ориентированных в одном направлении. В профилированных секторных вырезах установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса, является новым для газораспределителей газовых холодильных машин, что соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна в настоящее время из уровня техники и не следует из общеизвестных правил конструирования холодильных машин и их вспомогательного оборудования, это доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация газораспределителя газовой холодильной машины с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, отсюда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена схема газовой холодильной машины.

На фиг. 2 представлен схематический разрез газораспределителя газовой холодильной машины в двух видах: в плоскости прохождения сквозь него газовых потоков и в плоскости дисковых колес.

Газораспределитель входит в газовую холодильную машину, содержащую последовательно установленные /фиг. 1/ концевой холодильник 1 с линией теплоносителя 2, дополнительные регенератор 3, пульсационную трубу 4, регенератор 5, газораспределитель 6 и компрессор 7.

Газораспределитель 6 содержит /фиг. 2/ полый корпус 8 с магистралями 9 - входными для впуска газа, - выходными 10 для выпуска газа, и двумя внешними герметичными подшипниковыми узлами 11, в которых во внутренней плоскости корпуса 8 на валу 12 установлено дисковое колесо 13, имеющее секторные вырезы 14 и 16 с углом раскрытия 180^o и ориентированные в одном угловом направлении относительно оси вращения своего колеса. В секторных вырезах зубчатого колеса 14 и 16 установлены лопаточные аппараты с турбинными лопатками 15 и 17, которые ориентированы в каждом секторном вырезе 14 и 16 на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивают вращение дискового колеса 13 в одну сторону.

Дисковое колесо 13 установлено в полом корпусе 8 с минимальным зазором, исключающим трение о внутренние стенки корпуса 8. Материал дискового колеса 13 может быть любым.

Работает газораспределитель в составе газовой холодильной машины следующим образом. В исходном состоянии вся система заполнена газом. Первоначальное положение дискового зубчатого колеса 13 безразлично. С началом работы компрессор 7 на входе и выходе газораспределителя 6 создает разность давления газа. Таким образом газ, проходя через турбинные лопатки 18, нагнетаясь через секторный вырез 14 или всасываясь через секторный вырез 16, воздействует на них с начала движения поочередно и совместно, раскручивает дисковое колесо 13. В результате его вращения впускная магистраль 9 и выпускная 10 поочередно открывается секторными вырезами 14 и 16 и закрывается телом дискового колеса 13. В результате этого газораспределитель 6 автоматически переходит в режим работы пульсатора сжатого газа. Газ поочередно входит и выходит через основной регенератор 5 в пульсационную трубку 4. Частота коммутации газовых потоков газораспределителем зависит от величины /скорости/ проходящего сквозь него газового потока. Чем больше скорость потока, тем больше скорость вращения дискового колес, и, следовательно, больше частота коммутации газового потока. Однако при увеличении скорости вращения дискового колеса 13 будет возрастать и гидравлическое сопротивление трения в зазоре между корпусом 8 и колесом 13, на преодоление которого необходимо будет затрачивать больше энергии. Поэтому колесо 13 не сможет раскручиваться до очень большой скорости, вызывающей его повреждение, при больших перепадах давлений на газораспределителе 6 вращение будет происходить в установившемся режиме. Дисковое колесо предполагается сбалансировать отдельно перед установкой в газораспределитель /не показано/. Газ, поступая в пульсационную трубку 4, охлаждается первоначально в регенераторе 5 и одновременно часть газа из пульсационной трубки 4 поступает в холодильник 1, предварительно охлаждая материал насадка второго регенератора 3. В холодильнике 1 теплота сжатия снимается теплоносителем, протекающим по линии теплоносителя 2. По окончании заполнения газом пульсационной трубки 4 начинается обратное движение газа, сопровождающееся расширением и охлаждением газа. Причем газ, поступающий в пульсационную трубку 4 из концевого холодильника 1, охлаждается в дополнительном регенераторе 3, после чего продолжается его расширение, сопровождающееся дальнейшим снижением температуры. Затем газ нагревается в регенераторе 5 и поступает через газораспределитель 6 на вход компрессора 7. После чего весь цикл повторяется. Частота циклов зависит от перепада давлений сжатого газа на газораспределитель 6 и подбирается таким образом, чтобы получить максимальную холодопроизводительность газовой холодильной машины при определенном роде газа или смесей газов.

Применение предложенного газораспределителя дает возможность значительно повысить частоту циклов газовой холодильной машины и довести их до оптимального значения, что позволяет резко повысить эффективность устройства в целом. Также повышается эффективность самого газораспределителя в результате использования в его лопаточных аппаратах турбинных лопаток.

Источники информации, использованные при написании заявки на изобретение
1. Авторское свидетельство СССР N 979804, кл. F 25 B 9/00, 1981 г.;
2. Авторское свидетельство СССР N 527569, кл. F 25 B 9/00, 1975 г.;
3. Авторское свидетельство СССР N 1758363, кл. F 25 B 9/00, 1992 г.;
4. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке N 98104748/06 (004898) от 12.03.98 г., кл. F 25 B 9/00.

В корпусе 8 газораспределителя установлены магистрали 9 и 10 для подвода и отвода газа соответственно и устройство для их поочередного перекрытия, выполненное в виде дискового зубчатого колеса 13, размещенного с возможностью вращения. Колесо 13 имеет профилированные секторные вырезы 14 и 16 на разных радиусах с углом раскрытия 180° и ориентированных в одном направлении. В секторных вырезах 14 и 16 установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток 15 и 17, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса. Использование изобретения позволяет повысить надежность газораспределителя, упростить конструкцию и снизить материалоемкость. 2 ил.

Газораспределитель газовой холодильной машины, содержащий корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которого расположено устройство для их поочередного перекрытия, приводимое в действие проходящим через него потоком газа, отличающийся тем, что устройство для поочередного перекрытия магистралей выполнено в виде дискового колеса, установленного с возможностью вращения в корпусе, имеющего два профилированных секторных выреза на разных радиусах с углом раскрытия 180° и ориентированных в одном направлении, в секторных вырезах установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса.