Газораспределитель газовой холодильной машины Советский патент 1992 года по МПК F25B9/00 

00

CJ

Исггальзовэниегмикрокриогенная техника ,а именно микрокриогенные установки, лредназнаценные для криостатирования элементов радиоэлектронного оборудования. Сущность изобретения: газораспределитель 6 содержит дискообразный полый корпус 8 с герметичными подшипниковыми узлами 9, в которых на валу 10 посажен диск 11с профилированным секторным вырезом, и установленным в нем лопаточным аппаратом в виде расположенных ПОД УГЛОМ 45° К ПЛОСКОСТИ ДИСКа ТОНКО стенных пластин 12, при этом диск 11 снабжен возвратной пружиной 13. 4 ил.

ы

Изобретение относится к микрокриогенной технике, а именно к микрокриогенным установкам, предназначенным для криостатиробания элементов радиоэлектронного оборудования,

Известна газовая холодильная машина, содержащая установленные последовательно бесклапанный компрессор-детандер, кольцевой холодильник, регенератор, пористую перегородку, пульсационную трубку, дополнительный регенератор, концевой холодильник с линией теплоносителя.

Недостатком известной газовой холодильной машины являются большие потери энергии пульсации газа в магистралях (трубопроводах).

Известно также охлаждающее устройство, содержащее распределитель с газо- подводящим и выпускным каналами с установленными ё них клапанами в виде вращающихся золотников.

Недостатком известного устройства является использование в нем в качестве впускного и выпускного клапанов вращаю- щихся золотников, что требует для них собственный привод и систему управления ими, а это, е свою очередь, значительно усложняет конструкцию, а также увеличивает ее энергопотребление.х

Цель изобретения - повышение экономичности путем исключения привода.

Указанная цель достигается тем, что газораспределитель газовой холодильной ма- шины выполнен в виде автономного автоколебательного устройства, содержащего цилиндрический корпус, в полости которого расположены два внешних герметичных подшипниковых узла с установленной в них осью с подпружиненным спиралеобразной пружиной диском, имеющим профилированный секторный вырез, в котором установлен лопаточный аппарат в виде расположенных под углом 45° к полости диска тонкостенных пластин. К корпусу параллельно его оси и диаметрально противоположно в одной плоскости с обеих сторон расположены ho два соосных патрубка Магистралей впуска и выпуска газа, диск при отсутствии движения газа (в нерабочем состоянии поддерживается (установлен) спиралеобразной возвратной пружиной профилированным секторным вырезом с лопаточным аппаратом между магистралями впуска и выпуска газа так, что он откры- эает (приоткрывает) входную магистраль (так, что входная магистраль направлена на лопаточный аппарат диска, который при движении газа начнет совершать автоколебательные движения). Газораспределитель

позволяет автономно, без дополнительных источников энергии и систем управления генерировать пульсации газа, необходимые для осуществления термодинамического процесса получения холода в пульсацион- ной трубке.

На фиг.1 представлена газовая холодильная машина, с предлагаемым распределителем; на фиг,2 - дисковый автоколебательный газораспределитель с магистралями впуска и выпуска газа: на фиг.З - то же, сбоку; на фиг.4 - схема работы газорасп редеяител я.

Газовая холодильная машина с газораспределителем содержит последовательно расположенные концевой холодильник (ресивер) с линией теплоносителя 2, дополнительный регенератор 3, пульсационную трубку 4, регенератор 5, газораспределитель 6, компрессор 7. Газораспределитель 6 содержит дискообразный полый корпус 8 с герметичными подшипниковыми узлами 9, в которых на оси (валу) 10 посажен диск 11с профилированным секторным вырезом, В вырезе установлены под углом 45° к плоскости диска лопатки 12 в виде тонких прямоугольных пластин. Диск 11 соединен с корпусом 8 с помощью возвратной пружины 13 и находится при отсутствии движения газа в таком положении, что он приоткрывает профилированным вырезом с лопатками 12 входную магистраль. Диск 11 сбалансирован по вращению, например, при помощи сверлений по его торцовой поверхности (не показано). Зазор между поверхностью диска и его корпусом должен быть гарантированным и минимальным.

Газовая холодильная машина работает следующим образом,

В исходном состоянии вся система заполнена газом (исходное положение диска 11 относительно корпуса в газораспределителе б изображено на рис.4а).

На начальном этапе газ из компрессора 7 проходит через газораспределитель 6 и наполняет трубку, при этом газ, проходя через лопатки 12 диска 11, раскручивает его, например, против часовой стрелки (в это время выходное отверстие закрыто диском 11). После наполнения пульсационной трубки газом его давление перед и после клапана (диска) 11 становится одинаковым и диск возвращается в исходное положение, приобретая при этом запас кинетической энергии, (то есть, раскручиваясь), и открывает выпускное отверстие из пульсационной трубки (трубы). Газ, проходя обратно через те же лопатки 12, раскручивает диск 11 в обратную сторону, закручивая по часовой стрелке пружину 13. При этом газ выходит

из лульсационной трубки и после выравнивания давления по обе стороны диска во всасывающей магистрали компрессора, сила газа, действующая на лопатки 12 диска 11 .становится равной нулю, а сила упругости пружины - максимальной и под ее воздействием диск 11 останавливается и начинает вращаться в обратную сторону. (рис.4б. в, г), то есть, против часовой стрелки. При этом весь цикл повторяется.

Таким образом газ проходит через лопатки (выполненные в виде тонких прямоугольных пластин и установленный под углом 45° к плоскости диска) от источника сжатого газа, будет раскручивать диск в одну сторону. В случае прохождения газа те же лопатки к входу в источник сжатого газа диск будет раскручиваться в другую (обратную) сторону, так как при этом угол наклона лопаток относительно потока газа изменится на противоположный (45° изменится на 45° минус), следовательно проекция раскручивающей диск аэродинамической силы на плоскость диска изменится на противоположную.

Термодинамический процесс получения холода в устройстве такой же, как и в прототипе. Газ, поступая в пульсационную трубку, охлаждается первоначально в регенераторе 5. Одновременно часть газа из пульсационной трубки 4 поступает в холодильник 1, предварительно охлаждая материал насадки и второго регенератора 3. В холодильнике 1 теплота сжатия снижается теплоносителем, протекающим по линии теплоносителя 2. По окончании заполнения газом пульсационной трубки, начинается обратное движение газа, которое сопровождается расширением и охлаждением газа. Причем газ, поступавший в пульсационную трубку 4 из концевого холодильника 1, охлаждается в дополнительном регенераторе 3, после чего продолжается его расширение, сопровождающееся дальнейшим снижением его температуры, затем он нагревается в регенераторе 5 и поступает на вход в компрессор 7.

Для расчета газораспределителя можно применить следующую функциональную зависимость:

М Раэр Гер,

где М - момент силы, действующей иа диск;

Раэр - проекция аэродинамической силы на плоскость диска;

гср - средний радиус (по лопаткам диска).

В свою очередь

Раэр (п, S, V, /0),

где п - число лопаток, обдуваемых в данный момент времени;

s - площадь поверхности одной лопатки;

v - скорость потока газа, обдувающего лопатки;

р- плотность газа

Скорость потока газа также зависимая величина:

v-f(Ap.F)/

где Др- перепад давления на газораспределителе;

F - площадь сечения патрубка магистрали.

В виду того, что в конкретной конструкции величины; v, s, F - постоянные, то

Fa3p f(n Ар).

Величина Раэр при предлагаемых малых Др будет незначительная, но сна и не требуется большой, так как диск совершает колебания и момент силы М необходим при установившемся режиме только для компенсации энергии, затрачиваемой диском на трение. В этом случае практически вся

энергия сжатого газа будет использоваться на термодинамических процессах генерации холода. Что касается выхода диска по крутильным колебаниям на рабочий режим, то здесь необходим определенный промежуток времени, в течение которого почти вся энергия сжатого газа будет расходоваться на Раэр. Расположение в полом корпусе диска позволит диску начать постоянно увеличивающиеся по амплитуде крутильные кслебания и выйти в автоколебательный режим, подпитываемый в его прямом и обратном ходе энергией потока газа (резонансный режим) со строго определенной амплитудой, то есть диск будет совершать

незатухающие колебания. Расчет необходимых параметров диска (клапана), совершающего крутильные колебания, необходимо производить по формулам

р-,М уОГ1 /IT.

и in

где D- угловая жесткость спиралеобразной пружины,

М - момент силы в установившийся период времени;

р- угол поворота диска; 2 3t f - 2 - угловая частота;

. 1

1 -частота;

Т - -f - период (длительность полного

колебания); i

I - момент инерции тела, совершающего крутильные колебания относительно оси.

Необходимость выбора угла наклона лопаток к плоскости диска обуславливается следующим. Если бы диск вращался только в одну сторону, то оптимальным вариантом выполнения лопаток был бы вариант лопаток активной турбины. Но так как вращение циека Проходит. .ериодически в ту и другую сторону (он совершает автоколебательное вращательное движение), то оптимальный профиль лопаток для обеспечения одинакового режима течения сквозь них газа в прямом и обратном направлении будет только тонкая прямоугольная пластина с закругленными кромками, то есть сами лопатки будут представлять собой плоские прямоугольные пластины. Турбинные лопатки криволинейны и поэтому они характеризуются двумя углами наклона:

а - угол выхода газа из лопаток, обычно «1 16-17°;

#2 - угол входа газа в лопатки, обычно 05 85-90°.

Усредняя угол наклона, получаем, что он равен приблизительно 45°, что видно даже визуально, если провести хорду через вершины профиля лопатки. Кроме того, при угле 45° попадающие между лопатки частиЦы газа, обладающие вектором скорости, параллельным продольной оси магистрали на выходе из межлопаточного пространства, также будут обладать векторами .скорости, параллельными продольной магистрали, а также при угле приблизительно 45° на них

Вход газа

ffu/xffu газа L j

%./

0

возникает максимальная аэродинамическая сила при еще малых гидравлических потерях.

Применение в газовой холодильной машине в качестве газораспределителя дискового клапана, совершающего автоколебательные движения под действием энергии проходящего сквозь него газа, позволяет сделать процесс коммутации (газо- распределения) впуска и выпуска автоматическим, обеспечить экономич- ность газовой машины холодильной, ввиду исключения из нее специальных приводов газораспре делителя и использование ав- 5 то колебательной системы, которая при выходе на рабочий режим потребляет энергию только на восполнение ничтожных потерь на трение в подшипниковых узлах и в газовом зазоре между диском и полым корпусом, а также повысить униве0сальность газовой холодильной машины за счет возможности использования в ней любых компрессоров.

Формула изобретения Газораспределитель газовой холодильной машины, содержащий корпус, расположенные в нем магистрали ввода и вывода газа, и устройство для их поочередного перекрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности путем исключения привода, устройство для поочередного перекрытия магистралей выполнено в виде диска с профилированным секторным вырезом, в котором установлен лопаточный аппарат в виде расположенных под углом 45° к плоскости диска тонкостенных пластин, диск установлен с возможностью вращения и снабжен возвратной спиральной пружиной.

0

5

0

5

Вход mewoносителя

4 А

Выход теплоносители

Фиг. 5

-7--Гfyffp& F(&p Ftjripyt

t

Ј fwjy