Газовая криогенная машина Советский патент 1984 года по МПК F25B9/00 

Изобретение отноеится к энергетике, в частноети к низкотемпературной технике.

Известна газовая криогенная машина, работающая по обратному циклу. Стирлинга в которой имеется не менее двух рабочих полостей, находящихся при различных температурах, причем изменение объема полостей осуществляется поршнями I .

Недостатком этой машины является сложный технический привод, обеспечивающий взаимозависимое движение двух поршней.

Известна также газовая криогенная мащина, содержащая цилиндр и размещенные в нем вытеснитель и поршень, соединенные с механизмом привода 2.).

Недостаток известной газовой криогенной мащины вытеснительного типа состоит в том, что энергетическая эффективность ее существенно уменьшается вследствие эффекта теплопереноса вытеснителя.

Цель изобретения - повышение холодопроизводительности.

Указанная цель достигается тем, что в газовой криогенной машине, содержащей цилиндр и размещенные в нем вытеснитель и nopnJeHb, соединенные с механизмом привода, между .цилиндром и вытеснителем дополнительно установлены энерготрансформирующие элементы из сегнетоэлектрических материалов, соединенные с механизмом привода посредством дополнительно введенного в мащину блока управления электрической связью.

На фиг. 1 изображена предлагаемая газовая криогенная машина; на фиг. 2 - предельное распределение температур в стенке цилиндра и корпусе вытеснителя при прямом и обратном движении вытеснителя в в известной машине без энерготрансформирующих элементов и предлагаемой машине.

Газовая криогенная машина содержит цилиндр 1 и размещенные в нем вытеснитель 2 с регенератором 3, разделяющий объем цилиндра на холодную 4 и теплую 5 полости, и поршень 6. Цилиндр 1 снабжен рубащкой 7 охлаждения. Между цилиндром 1 и вытеснителем 2 дополнительно установлены энерготрансформирующие элементы 8 из сегнетоэлектрических материалов, соединенные с механизмом 9 привода посредством дополнительно введенного в мащину блока 10 управления электрической связью. Блок 10 управления через выводы 11 обеспечивает согласованную работу элементов 8 с механизмом 9 привода в зависимости от положения вытеснителя 2. Элементы 8 представляют собой электрические конденсаторы из сегнетоэлектрических материалов в виде колец с электродами на цилиндрических или торцевых поверхностях. Материал электродов различен по длине цилиндра. Он подбирается таким образом, чтобы его точка Кюри соответствовала средней температуре стенки цилиндра при работе мащины.

Газовая криогенная машина работает следующим образом.

В процессе выработки холода в машине при движении поршня 6 вверх идет повышение давления рабочего тела в машине, тепло сжатия при этом отводится из полости 5 во вне посредством охлаждающей рубашки 7. В процессе сжатия вытеснитель 2 находится вблизи верхней (фиг. 1) мертвой точки. В то время, когда порщень 6 проходит верхнюю мертвую точку, вытеснитель 2 движется вниз, переталкивая газ (рабочее тело) из полости 5 в полость 4,- при этом газ охлаждается в регенераторе 3.

При последующем совместном движении

вниз вытеснителя 2 и поршня 6 увеличивается объем холодной полости 4, в результате чего осуществляется расширение газа в , этой полости и, как следствие, снижение температуры. Следовательно, в холодную полость 4 становится возможным подвести

тепло от криостатируемого объекта (реализация холодопроизводительности). Расшире}: ие газа осуществляется также в тот период, когда вытеснитель 2 находится вблизи нижней мертвой точки, а, порщень 6 продолжает движение вниз. После реверса вытеснитель 2 движется вверх (порщень 6 находится вблизи нижней мертвой точки), переталкивая газ из полости 4 через регенератор 3 в полость 5. Затем фазы процесса повторяются.

В процессе теплопереноса в предлагае,.мой конструкции имеется градиент температуры по корпусу по корпусу вытеснителя 2 и стенке цилиндра 1, а также по энерготрансфор1У1ирующим элементам 8. Поэтому при возвратно-поступательном движении вытеснителя 2 и.меет место теплообмен между корпусом вытеснителя 2 и элементами 8, приводящий к явлению теплопереноса из по-, лости 5 в полость 4. При этом теплообмене каждый элемент 8 то нагревается, то охлаждается относительно условной средней температуры. Этот периодический нагрев и охлаждение используется в элементе для выработки электроэнергии, которая выводится из машины (процессы в элементах 8 рассматриваются ниже). В результате выработки электроэнергии от каждого элемента 8 отводится тепла меньше, чем подводится к нему на более высоком температурном уровне. Поэтому тепловой поток, переносимый вытеснителем 2 в холодную полость 4 уменьшается, что отражается в уменьшении амплитуды колебания температуры как корпуса вытеснителя 2, так и стенки цилиндра 1 (элементов 8). Уменьшение величины теплопереноса приводит к увеличению полезной холодопроизводительности машины, а следовательно, и к росту эффективности ее работы.

Характер изменения температуры вдоль

оси машины иллюстрируют линии (фиг. 2):

а - условная средняя температура корпуса вытеснителя 2 и стенок цилиндра 1 (элементов 8), если прекратить движение вытеснителя 2; б ч в характеризуют температуру корпуса вытеснителя 2; г и d - температуру стенки цилиндра у машины без энерготрансформирующих элементов; е it ж - темлературу корпуса вытеснителя 2 в машине; 3 и ы - соответственно температуру цилиндра 1 (элементов 8). При этом линии д к в относятся к моменту, когда вытеснитель находится в нижней мертвой точке, а линии б и г - в верхней мертвой точке (фиг. 1). При движении вытеснителя 2 вниз элементы 8 отдают тепло корпусу вытеснителя 2, т.е. охлаждаются. Часть энергии теплового потока при этом затрачивается на поляризацию элементов 8, которые в этой фазе цикла отключены от механизма привода 9 блоком 10 управления. При движении вытес-, нителя 2 вверх элементы 8 наоборот нагреваются. В результате спонтанная поляризация элементов 8 переходит в индуцируемую с увеличением напряжения на обкладках элементов 8, и в крайнем верхнем положении вытеснителя 2 электрическая энергия с электродов элементов 8 отводится в блок 10 управления, где трансформируется по частоте и напряжению и передается, например, на электродвигатель механизма привода 9. Термический КПД энерготрансформирующих элементов, выполненных из сегнетоэлектриков, составляет примерно 10°/о, на эту же величину в предлагаемой конструкции уменьшен теплоперенос. Уменьшение теплопереноса приводит к увеличению полез.....х-,.-, -- j ной холодопроизводительности и эффективности машины в целом, т.е. к достижению поставленной цели.

ГАЗОВАЯ КРИОГЕННАЯ МАШИНА, содержащая цилиндр и размещенные в нем вытеснитель и порщень, соединенные с механизмом привода, отличающаяся тем, что, с целью повь1щения холодопроизводительности, между цилиндром и вытеснителем дополнительно установлены энерготрансформирующие элементы из сегнетоэлектрических материалов, соединенные с механизмом привода посредством дополнительно введенного в машину блока управления электрической связью. (Л О) со

Уч УчЧ

6