Криогенная газовая машина Советский патент 1983 года по МПК F25B9/00 

ЩЗ гГ f / fS // г /7 fg V фие.1 7

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к криогеняым газовым машинам, и может быть использовано в качестве генератора холода в микрокриогеиных системах.

Известна криогенная газовая ма.шина, содержащая цилиндр с размещенным в нем дифференциальным поршнем, клапанный механизм газораспределения с пневмоприводом и магистрали, трубопроводов,связывающие клапанный механизм с рабочими полостями устг ройства 1 J

Недостатками этой машины являются низкая термодинамическая эффективность вследствие мертвых объемов, обусловленных наличием магистралей трубопроводов, конструктивная сложность из-за наличия пневмопривода в механизме газораспределения, необходимость строгого согласования хода поршня и момента открытия и закрытия клапанов, обеспечивающих перемещение поршня относительно цилиндра, что обуславливает выссжую трудоемкость изготовления и доводки устройства. , Известен микроохладитель свободнопоршневого типа, который содержит цилиндр с размещенным в нем поршнемзолотником с газораспределительными каналами и устройство,.обеспечивающее запуск. В такой машине отсутствуют газораспределительные магистрали, связывающие клапанное устройство с рабочими полостями, поскольку газораспределение осуществляется устройством, расположенным на поршне. Кроме Torq, роль привода газораспределительных клапанЬв выполняет поршень Czj.

Недостатками известного микроохладителя являются зависимость длины газораспределительных каналов, на золотнике от хода поршня, что снижа.ет термодинамическую эффективность микроохладителя с большим ходом поршня, отсутствие регулировки, обеспечивающей согласование хода поршня с газораспределителем, что обуславливает большую трудоемкость изготовления и доводки микроохладителя, Кроме того, усложняет конструкцию устройство, обеспечивающее запуск-микроохладителя.

Известна также криогенная газовая машина, содержащая расположенный в цилиндре поршень с газораспределительным узлом на торце. Перемещение поршня обеспечивается разностью давлений в рабочих полостях. При достижении поршнем одной из мертвых точек происходит переключение поршнем клапанов, при этом холодная рабочая полость поочередно сообщается с магистралью нагнетания (поршень движется при этом от нижней мертв.ой точки) либо с магистралью выхлопа (поршень движется от верхней мертвой точки) fj

Недостатком данной машины является низкая термодинамическая эффективность устройства, обусловленная большим удельным расходом газа вследствие принципиальной невозможности осуществления термодинамического цикла с отсечкой впуска и выпуска газа (открытие,закрытие клапанов возможно только в конце хода поршня, в определенный момент времени открыты оба клапана, при этом происходит прямая перетечка газа){большим удельным расходом газа из-за наличия полостей, в которых осуществляется осевое перемещение клапанов при их переключении (увеличенный мертвый объем, обусловленный функционированием газораспределительных клапанов); перетечками газа в уплотнениях. Важным условием п{эавильной работы устройства является согласование величины хода поршня и момента открытия, закрытия клапанов. При рассогласовании поршень может не доходить до крышки цилиндра, что сопряжено с увеличением мертвого объема устройства и снижением его термодинамической эффективности.

Согласование расчетным путем малоэффективно, поскольку на динамику поршня влияют многие факторы (газодинамические силы, силы трения в уплотнениях, инерционные-силы и .другие), .которые в процессе эксплуатации устройства изменяются в широких пределах (силы трения в уплотнениях по мере износа колец, газодинамические силы при изменении параметров рабочего газа, увеличении перетечек через, уплотнения по мере износа уплотнительных колец).

Недостатком устройства также является низкая надежность устройства, обусловленная ударной работой рабочих органов газораспределительного устройства а момент переключения« Кроме того, при наличии рассогласования .хода поршня и момента открытиязакрытия клапанов поршень может стучать в крышки цилиндра, что вызыва- ет вибрацию, снижая надежность и эксплуатационные характеристики уст ройства. Данное устройство характеризуется также отсутствием регулировочного устройства, обеспечивающего согласование хода поршня и газораспредедения, что сопряжено с высокой трудоемкоеtью изготовления и довод ки криогенного охладителя. Высокая трудоемкость обусловлена необходимостью выполнения строгого термодинамического расчета цикла; изготовления высокоточных элементов констйт ции (поршня, цилиндра, деталей газо распределительного устройства и его привода), а также необходимостью экспериментальных работ по доводке газораспределительного устройства, НДелью изобретения является повышение термодинамической эффективнос ти, надежности и уменьшения трудоем кости изготовительных и доводочных работ. Поставленная цель достигаетс|Г тем, что машина, содержащая расположен в цилиндре поршень с газораспределительным узлом на торце, дополнительно содержит сильфон, тор цы которого жестко соединены с порш нем и цилиндром, и втулку с профилированными пазами, закрепленную внутри сильфона с возможностью осевого перемещения при настройке, а газораспределительный узел выполнен в виде вращающегося золотника со истоком, снабженным поперечной штанго с роликами, расположенными в пазах втулки.; На фиг. 1 показана предлагаемая машина, продольный разрез; на фиг,2 разре.з А-А на фиг. 1 (положение распределительных каналов в момент выхлопа газа из холодной рабочей полости); на фиг. 3 - то же, в момех впуска газа в холодную рабочую полость; на фиг. k - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - форма профили рованного отверстия, развернутая на плоскость. Криогенная газовая машина содержит расположенный в цилиндре 1 поршень 2с газораспределительным узлом 3 на торце, а также сильфон 4, торцы которого жестко соединены с поршнем 2 и цилиндром 1, и втулку 5 с пр филированными пазами 6, закрепленную внутри сильфона с возможностью осе вого перемещения при настройке. Газо 84 распределительный узел 3 выполнен в виде вращающегося золотника со штоком 7, снабженным поперечной штангой 8 с роликами 9 расположенными в пазах 6 втулки 5. Цилиндр 1 содержит отверстие для впуска газа 10 и выпуска газа 11, а поршень 2 - встроенный регенератор 12, по сторонам которого расположены холодная рабочая полость 13, теплая рабочая полость Т и демпферная полость 15. Полость Н посредством . отверстия 11 связана с линией выхлопа. На -торце поршня 2 со стороны теплой рабочей полости И выполнено отверстие 16 впуйка газа в холодную рабочую полость 13 и отверстия 17 и .18 выхлопа газа из холодной рабочей полости 13 и установлен диск 19 с газораспределител-ьными каналами 20 и 21. Для обеспечения возможности свободного поворота диска установлен упорный подшипник 22. Перемещение втулки при настройке обеспечивается с помощью регулировочного элемента 23. Машина может содержать тормоз 2k механического, пневматического или электромагнитного принципа действия. Машина работает следующим образом. В исходном состоянии положение порш ня в цилиндре определяется силой упругости сильфона . При подаче давления газа через отверстие 10. поршень 2 выводится в нижнюю мерт- . вую точку НМТ (обгем полости 13 миг нимален). Ролики 9 в процессе движе| ия поршня 2 взаимодействуют с профилированными отверстиями 6 втулки 5, поворачивают диск 19 в положение (фиг, 3)f когда открыто отверстие 16 и закрыто отверстие 18, Таким образом происходит самозапуск устройства. Через отверстие 16 газ поступает в полость 13. По мере увеличения давления в полости 13 силы давления газа на поршень 2 в этой полости преврсходят силу давления газа на поршень 2 со стороны полостей И и 15, и поршень .2 начинает движение к в ерхней мертвой точке (ВМТ) при открытом отверстии 1б происходит процесс наполнения, В точке 5 фиг. 5 ролик взаимодействует с наклонным участком профилированного отверстия втулки 5 и начинает проворачивать диск 19, а в точке в закрывает отверстие 16, На участке в г закрыты оба отверстия 16 и 17 - происходит отсечка выпуска газа. 8 точке х канал.. 21 достигает отверстия 18, начи нается процесс выпуска. В точке д отверстие 18 полностью открыто, диск 19 становится в положение, изображен нее на фиг. 2. По мере снижения давления газа в полости 13 сила давления газа со стороны полостей Н и 15 уравновешивает силу давления газа на поршень 2 со стороны полости 13 и силу инерции поршня. Поршень 2 достигает ВМТ и останавливается. На профилированном отверстии 6 этот момент соответствует положению ролика 9 в точке е. Давление газа в полости 13 снижается до уровня давления гааа в линии выхлопа, поршень 2 начинает движение к ННТ при открытом отверстии 18 - процесс выталкивания, В точке ж ролик 9 воч упает во взаимодействие с наклонным участком профилированного отверстия 6 и проворачивает диск 19, закрывая в точке и отверстие 18. На участкеик за,крыты оба отверстия 16 и 18 - отсечк впуска газа. В точке к канал 20 достигает отверстия 16, начинается Ьроцесс впуска. В точке л отверстие 16 полностью открыто. По мере увеличения давления в полости 13 силы давления газа на поршень 2 со сторомы полости 13 уравновешивают силу давления газа на поршень 2 со стороны полостей Ц, 15 и силу инерции поршня 2. Поршень 2 достигает ННТ (ролик « точке о) и останавливаетСП,- После этого цикл повторяется. В процессе возвратно-поступательного движения поршень также взаимодействует с тормозом 2. На фиг. 1 это взаимодействие условно показано стрелкой. При определенном соотношении газодинамически;; сил, вызываЮ1(их перемещение поршня, и силы трения в уплотнении поршня, газораспределительном устройстве и его гч иводе устройство работает с высокой термодинамической эффективностью без тормоза, при этом конструкция охладителя существенно проще. Размер В ,(фиг. 5) равен ходу порш ня. Размер t - профильного отверсти выполнен несколько больше хода поршня. Контролируя уровеньвиб аг 1ЦИИ на цилиндре и холодопроизводительность устройства посредством iрегулировочного элемента 23, втулка 5 устанавливается в положение, когда термодинамическая эффективность уст ройства максимальна (мертвый объем в НМТ минимален), а уровень вибрации не превышает допустимые эксплуатационные нормы (отсутствуют;удары поршня в крышку цил ндраГ. Таким об-разом данное техническое решение / позволяет пpoизвectи экспериментальное согласование динамики движения поршня с циклограммой газораспределения для полу14ения максимальной термодинамической эффективности устройства и уровня вибрации, не пре- у вышающего эксплуатационных требований, и снижает трудоемкость изготовительных и доводочных работ. Изменяя профиль отверстия во втулке 5 (размер «3, положение точек Э и и и наклон участков 5д,л), можно получить различные, циклограммы газораспределения, оптимизировать газораспределение для достижения минимального удельного расхо да газа. Изменяя объем мертвого пространства в НМТ, регулируя положение втулки 5 регулировочным устройством 23, можно изменять холодопроизводительность устройства с целью регулировки температуры охлаждаемого объекта. Применение изобретения позволя- , ет повысить термодинамическую эффективность за счет выполнения части поршня в виде сильфона, при этом исключается перетечка газа через уплотнение и исключаются потери на трение, а также уменьшается удельный расход газа, поскольку в устройстве нет мертвого объема в ВМТ хода поршня. Благодаря выполнению газораспределительных клапанов в виде.штока с диском, содержащим газораспределительные каналы, взаимодействующие с отверстием в торце поршня, уменьшается мертвый объем полостей газораспределительных клапанов. I, Выполнение приводов газораспределительных клапанов в виде штока с диском, на свободном конце которого установлена штанга с роликами, взаимодействующими с профилированными отверстиями втулки (при этом исключается перетечка газа через клапаны в момент открытия и закрытия, поскольку нет момента во времени, когда открыты оба клапана), позволяет, организовать термодинамический цикл с отсечкой впуска и выпуска газа.

КРИОГЕННАЯ ГАЗОВАЯ МАШИНА, содержащая расположенный в цилиндре поршень с газораспределительным узлом на торце, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, машина дополнительно содержит сильфон, торцы которого жестко соединены с поршнем и цилиндром, и втулку с профилированными пазами, закреНлейную внутри сильфона с возможностью осевого перемещения при настройке, а газораспределительный узел выполнен в виде вращающегося золотника со штоком, снабженным поперечной штангой с роликами,расположенными в пазах втулки.