ЛИНЕЙНЫЙ КОМПРЕССОР И ПРИВОДНОЙ БЛОК ДЛЯ НЕГО Российский патент 2011 года по МПК F04B35/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к линейному компрессору, особенно с целью применения для сжатия хладагента в холодильном аппарате, а также к приводному блоку для такого линейного компрессора, служащему для приведения в движение поршня.

Уровень техники

Из US 6596032 B2 известен линейный компрессор, приводной блок которого содержит каркас и колеблющееся тело, опирающееся в каркасе посредством диафрагменной пружины. Колеблющееся тело содержит постоянный магнит, поршневой шток, жестко соединенный с постоянным магнитом, а также поршень, который соединен с поршневым штоком и двигается возвратно-поступательно в цилиндре. Движение поршня создается посредством электромагнита, расположенного вокруг цилиндра и взаимодействующего с постоянным магнитом. Пластинчатая диафрагменная пружина закреплена на поршневом штоке посередине, а внешний край диафрагменной пружины соединен с перекладиной, которая окружает цилиндр, электромагнит и постоянный магнит.

Диафрагменная пружина имеет по сравнению со многими другими типами пружин то преимущество, что она тяжело деформируется поперек направления колебаний. Колеблющееся тело имеет поэтому только одну степень свободы в отличие, например, от колеблющегося тела, подвешенного на винтовой пружине, которое в принципе имеет три степени свободы поступательного движения и нуждается в направлении, когда подвижность должна быть ограничена одной-единственной степенью свободы. В случае колеблющегося тела, поддерживаемого диафрагменной пружиной, такое направление не требуется. Поэтому движение такого колеблющегося тела может быть преобразовано с небольшими потерями на трение, при необходимости, в строго линейно направленное движение поршня в компрессоре.

Колеблющееся тело и диафрагменная пружина образуют колебательную систему, собственная частота которой определяется массой колеблющегося тела и диафрагменной пружины, а также жесткостью диафрагменной пружины. Диафрагменная пружина допускает только небольшие амплитуды колебаний, так как каждое отклонение колеблющегося тела связано с расширением диафрагменной пружины. По причине небольшой амплитуды колебаний трудно сделать мертвый объем цилиндра надежно небольшим. Однако чем больше мертвый объем, тем хуже коэффициент полезного действия компрессора. Кроме того, маленький ход вынуждает выполнить цилиндр с диаметром, большим в сравнении с длиной, чтобы достичь заданного рабочего объема цилиндра. Выполнить уплотнение соответственно большей окружности означает большие расходы.

Другая возможность увеличить рабочий объем цилиндра состоит в том, чтобы сделать диафрагменную пружину очень жесткой, чтобы таким образом увеличить резонансную частоту. Чем жестче диафрагменная пружина, тем выше и опасность того, что при заданной амплитуде колебаний возникнет усталость материала. То есть, чтобы избежать усталости, амплитуда должна быть сделана тем меньше, чем жестче пружина, и поэтому таким образом также не создается удовлетворительное увеличение рабочего объема цилиндра.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать приводной блок для линейного компрессора с каркасом и с колеблющемся телом, прикрепленным к каркасу посредством диафрагменной пружины, причем диафрагменная пружина допускает большой ход колеблющегося тела без опасности возникновения усталости материала. Таким образом, может быть достигнут большой рабочий объем при небольшом диаметре поршня.

Задача решается посредством того, что дополнительно к диафрагменной пружине на колеблющемся теле и на каркасе закрепляется спиральная пружина, выполненная с возможностью растяжения и сжатия в направлении движения. Благодаря этому возможно разделить функцию направления колеблющегося тела и функцию временного накопления кинетической энергии колеблющегося тела. Спиральная пружина мало подходит для того, чтобы вынудить колеблющееся тело двигаться по точно определенному прямолинейному пути, однако не трудно выбрать ее размеры таким образом, чтобы она поддерживала как и желаемую амплитуду движения, так и желаемую частоту движения колеблющегося тела без опасности возникновения усталости материала. Диафрагменная пружина может иметь только небольшую толщину материала, чтобы достичь желаемой большой амплитуды колебания. Такая диафрагменная пружина, когда она воспринимает только функцию временного накопления энергии, допускает только низкую собственную частоту колеблющегося тела. Однако благодаря параллельному соединению двух типов пружин одновременно могут быть выполнены все три требования - требование строгого направления колеблющегося тела, требование большой амплитуды и требование высокой частоты колебаний.

В идеальном случае пружины должны прикладывать на колеблющееся тело только силы, но не крутящие моменты. С этой целью спиральная пружина расположена вокруг мнимой прямой, по которой возвратно-поступательно движется центр тяжести колеблющегося тела. Предпочтительно, прямая совпадает с продольной осью спиральной пружины.

Чтобы предотвратить тот случай, когда диафрагменная пружина прикладывает крутящий момент, или чтобы уменьшить крутящий момент, диафрагменная пружина имеет предпочтительно ось симметрии, которая совпадает с прямой, или плоскость симметрии, в которой проходит прямая.

Чтобы направить силу от спиральной пружины без крутящего момента в колеблющееся тело, предпочтительным будет, если конец спиральной пружины воздействует на периферийную часть пружинной тарелки, на средней точке которой закреплено колеблющееся тело.

Чтобы диафрагменную пружину сделать легко деформируемой в направлении движения, она предпочтительно содержит множество изогнутых плеч, один конец которых закреплен на каркасе, а другой конец закреплен на колеблющемся теле.

Чтобы улучшить точность направления колеблющегося тела вдоль прямой, предпочтительно предусмотрены по меньшей мере две диафрагменные пружины, которые закреплены на участках колеблющегося тела, находящихся на расстоянии в направлении движения колебаний.

Предметом изобретения является также линейный компрессор с рабочей камерой, поршнем, двигающимся возвратно-поступательно в рабочей камере для сжатия рабочей среды, а также с приводным блоком, как описано выше, который соединен с поршнем для создания возвратно-поступательного движения. Чтобы сделать такой линейный компрессор компактным, может быть целесообразным, чтобы рабочая камера по меньшей мере частично была окружена спиральной пружиной.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения вытекают из нижеследующего описания вариантов реализации со ссылкой на прилагаемые фигуры. На них показано следующее.

Фиг.1 - аксонометрическая проекция предложенного изобретением линейного компрессора.

Фиг.2 - одна из двух диафрагменных пружин линейного компрессора из фиг.1.

Фиг.3 - схематичный разрез части линейного компрессора вдоль мнимой прямой G.

Фиг.4 - альтернативный вариант реализации диафрагменной пружины линейного компрессора.

Фиг.5 - еще один упрощенный вариант реализации диафрагменной пружины.

Осуществление изобретения

Каркас 1 линейного компрессора содержит основание 2, от которого отстоят пластинообразные или реброобразные выступы 3, 4, 5. На узких сторонах двух находящихся напротив друг друга выступов 3 привинчены две диафрагменные пружины 6 представленного на фиг.2 типа. Диафрагменные пружины 6 содержат прилегающие к торцам выступов 3 перемычки 7, от концов которых отстоят Z- или S-образные пружинные плечи 8. Удаленные от перемычек 7 концы пружинных плеч 8 сталкиваются друг с другом в среднем участке 9 диафрагменной пружины 6, в котором выполнено три отверстия 10, 11. Колеблющееся тело 12 закреплено между двумя диафрагменными пружинами 6 с помощью непоказанных болтов или заклепок, которые проходят через верхние и нижние отверстия 10 диафрагменных пружин 6. Отверстие 11 образует проход для поршневого штока 13, которое проходит между колеблющимся телом 12 и компрессорным узлом 14, несомым выступом 5.

В полости, ограниченной выступами 3 и диафрагменными пружинами 6, с обеих сторон колеблющегося тела 12, которое выполнено из постоянного магнита, расположены два электромагнита 15, выполненных с возможностью подачи на них тока, чтобы создать между ними два противоположных магнитных поля. Эти магнитные поля отклоняют колеблющееся тело 12 из его показанного на фиг.1 положения равновесия по прямой G, проходящей через центр тяжести колеблющегося тела 12, в одно или в другое направление.

Прямая G проходит в осевом направлении через поршневой шток 13 и компрессорный узел 14, и она одновременно является осью симметрии двух пружинных тарелок 16, которые спиральными пружинами 17 придавлены в направлении к внешним сторонам двух диафрагменных пружин 6. Фиг.3 показывает продольный разрез части линейного компрессора вдоль этих прямых G. Пружинные тарелки 16 имеют на краю их вогнутой стороны, обращенной от диафрагменных пружин 6, ребро по окружности, с помощью которого в радиальном направлении фиксируется прилегающий к пружинной тарелке последний виток спиральной пружины 17. Противоположные концы спиральных пружин 17 фиксированы посредством выступов, входящих во внутренность пружин. Одним из выступов является плоский выступ 18 на пластине 4 каркаса 1, другим выступом 19 является часть компрессорного корпуса 14.

Спиральные пружины 17 предварительно сжаты между пружинными тарелками 16 и несущими их выступами 18 или 19 таким образом, что ни в одной из точек изменения направления движения колеблющегося тела 12 одна из спиральных пружин 17 не находится без напряжения. Спиральные пружины 17 держат поэтому пружинные тарелки 16 постоянно нажатыми на диафрагменные пружины 6 также и в том случае, когда компрессор находится в работе, и колеблющееся тело осциллирует. Поэтому не требуется жесткого соединения между пружинными тарелками 16 и касающимися их диафрагменными пружинами 6, чтобы постоянно поддерживать контакт между ними. Так как сила пружин 17, распределенная весьма равномерно по всему охвату пружинных тарелок 16, воздействует на пружинные тарелки 16, получается разве что небольшой крутящий момент, который может способствовать наклону осей пружинных тарелок относительно прямой G. Но даже если бы такой крутящий момент возник, то за недостатком связи между пружинными тарелками 16 и диафрагменными пружинами 6 он не смог бы перенестись на диафрагменные пружины 6. По причине формы пружинных тарелок 16, которая сужена в направлении диафрагменных пружин 6, они передают силу спиральных пружин 17 в диафрагменные пружины 6 очень близко к прямой G. Таким образом, даже при нерегулярном распределении сил результирующий крутящий момент, воздействующий на диафрагменные пружины 6, остается небольшим. Диафрагменные пружины 6 и держащееся ими колеблющееся тело 12 посредством спиральных пружин 17, таким образом, подвержены по существу только силам, ориентированным точно в направлении прямой G, но не каким-либо номинальным крутящим моментам, которые могут инициировать движение центра тяжести колеблющегося тела 12 в сторону от линии G.

Также и высокая симметрия двух диафрагменных пружин 6 содействует тому, чтобы они точно линейно направляли колеблющееся тело 12.

Разрез на фиг.3 показывает также внутреннюю конструкцию компрессорного узла 14. Во внутренней камере 20 компрессорного узла 14 поршень 21, удерживаемый поршневым штоком 13, выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения, чтобы через всасывающий патрубок 22 всасывать хладагент в камеру 20 и вновь выдавать сжатый хладагент на нагнетательном патрубке 23. С нагнетательным патрубком 23 связана кольцевая камера 24, которая чашеобразно проходит вокруг камеры 20. В разделительной стенке 25, которой касаются боковые стороны поршня 21, между камерой 20 и кольцевой камерой 24 выполнено множество мелких проходов 26, через которые часть сжатого хладагента может течь из кольцевой камеры 24 обратно в камеру 20. Текущий обратно хладагент образует между разделительной стенкой 25 и боковыми сторонами поршня 21 газовую подушку, которая во время работы предотвращает прямой скользящий контакт между поршнем 21 и разделительной стенкой 25 и таким образом держит на небольшом уровне износ компрессорного узла 14. Благодаря точно прямолинейному направлению колеблющегося тела 12, причем это прямолинейное направление достигается посредством поддерживания диафрагменными пружинами 6 и спиральными пружинами 17, достаточно небольшого прохождения газа в проходах 26, чтобы создать газовую подушку, надежно защищающую от скольжения.

Чтобы взаимно компенсировать незначительные неточности при центровке приводного блока и компрессорного узла, которые в ином случае также могут привести к затирке поршня 21 на стенке 25, в поршневом штоке 13 выполнены два эластично изгибаемых суженных участка 27. Легкий изгиб этих суженных участков 27 позволяет скомпенсировать небольшой сдвиг между прямой G, на которой двигается центр тяжести колеблющегося тела 12, и продольной средней осью камеры 20 или скомпенсировать их небольшую непараллельность.

Упрощенные варианты реализации диафрагменных пружин показаны на фиг.4 и 5. Пружина 6' из фиг.4 соответствует, по существу, разделенной пополам диафрагменной пружине из фиг.3, только с двумя S- или Z-образно изогнутыми плечами 8, которые проходят от перемычки 7 к среднему участку 9. В случае пружины 6'' из фиг.5 изогнутые плечи заменены на прямолинейное плечо 8''. Его свободный конец хотя и двигается, строго говоря, не точно по прямой, а по дуге окружности, но этим отклонением можно пренебречь, когда амплитуда колеблющегося тела ограничена так, что боковая составляющая движения колеблющегося тела меньше, чем боковой зазор поршня.

Устройство предназначено для использования в холодильном агрегате для сжатия хладагента. Приводной блок линейного компрессора содержит каркас (1) и колеблющееся тело (12), соединенное с каркасом (1) с помощью по меньшей мере одной диафрагменной пружины (6) и направляемое для прямолинейного возвратно-поступательного движения относительно каркаса. Спиральная пружина (17) закреплена на колеблющемся теле (12) и каркасе и выполнена с возможностью растяжения и сжатия в направлении движения. Достигается большой рабочий объем при небольшом диаметре поршня. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Приводной блок для линейного компрессора с каркасом (1) и колеблющемся телом (12), соединенным с каркасом (1) с помощью по меньшей мере одной диафрагменной пружины (6) и направляемым для прямолинейного возвратно-поступательного движения относительно каркаса, отличающийся тем, что на колеблющемся теле (12) и каркасе (1) закреплена спиральная пружина (17), выполненная с возможностью растяжения и сжатия в направлении движения.

2. Приводной блок по п.1, отличающийся тем, что спиральная пружина (17) проходит вокруг прямой G, по которой возвратно-поступательно движется центр тяжести колеблющегося тела (12).

3. Приводной блок по п.2, отличающийся тем, что прямая (G) совпадает с продольной осью спиральной пружины (17).

4. Приводной блок по п.2 или 3, отличающийся тем, что прямая (G) является осью симметрии или частью плоскости симметрии диафрагменной пружины (6).

5. Приводной блок по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что конец спиральной пружины (17) воздействует на периферийную часть пружинной тарелки (16), средняя точка которой надавливает на колеблющееся тело (12).

6. Приводной блок по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что диафрагменная пружина (6) содержит множество изогнутых плеч (8), один конец которых закреплен на каркасе (1), а другой конец (9) закреплен на колеблющемся теле (12).

7. Приводной блок по п.6, отличающийся тем, что каждое плечо (8) содержит два участка, изогнутых в различных направлениях.

8. Приводной блок по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере одну вторую диафрагменную пружину (6) и что первая и вторая диафрагменные пружины (6) закреплены на участках колеблющегося тела (12), находящихся на расстоянии в направлении движения колебаний.

9. Линейный компрессор с рабочей камерой (20), поршнем (21), двигающимся возвратно-поступательно в рабочей камере (20) для сжатия рабочей среды, а также с заявленным в одном из предыдущих пунктов приводным блоком, соединенным с поршнем (21) для создания возвратно-поступательного движения.

10. Линейный компрессор по п.9, отличающийся тем, что поршневой шток (13) проходит между поршнем (21) и колеблющимся телом (12) на прямой (G).

11. Линейный компрессор по п.9 или 10, отличающийся тем, что рабочая камера (20) по меньшей мере частично окружена спиральной пружиной (17).