Поршневой микродетандер Советский патент 1992 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к микродетандерам с поршнем на упругой подвеске, и может быть использовано в качестве генератора холода о микрокриогенных системах.

Известен свободнопоршневой микроохладитель, содержащий цилиндр, разделенный вытеснителем, снабженным встроенным регенератором и радиальным уплотнением, на холодную и теплую полости, поршень, расположенный в теплой полости на линейной опоре качения, снабженный радиальными и торцовыми уплотнениями и соединенный с вытеснителем с возможностью их осевого взаимного пере- мещения, буферную полость, отделенную от теплой полости перегородкой с дроссель-, ным отверстием, и газораспределительное устройство с автономным электроприводом.

Недостатками свобод но поршневого микроохладителя являются небольшой ресурс работы и сложность конструкции вследствие ударного воздействия на торцовые уплотнения и на буртики подвижного соединения поршня с вытеснителем и наличия газораспределительного устройства с автономным электроприводом.

Известен детандер, содержащий картер с направляющим цилиндром, расширительное устройство в виде цилиндра с впускными и выпускными окнами и поршня в нем с осевым и радиальными отверстиями, соединенными тонкостенной трубкой и полым штоком соответственно с картером и крейцкопфом, механизм движения в виде кривошипно-шатунного механизма, размещенного в картере и состоящего из кривошипного вала и крейцкопфа, подвижно соединенных шатуном, и тормозной узел в виде генератора с ременной передачей.

Недостатками известного детандера являются небольшой ресурс работы, сложность и громоздкость конструкции вследствие наличия кривошипно-шатунного механизма, уплотнения вала, тормозного генератора и ременной передачи.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному, выбранному за прототип, является поршневой детандер, содержащий картер, направляющий цилиндр, крейцкопф, расширительное устройство в виде цилиндра и поршня, соединенных тонкостенными трубками соответственно с картером и крейцкопфом, органы газораспределения и тормозной узел с подвижной и неподвижной частями, причем последняя закреплена в картере, а подвижная жестко соединена с кривошипным валом и выполнена в виде дисков из

ферромагнитного материала и расположенных между ними катушек с. сердечником.

Недостатком прототипа является низкие ресурс и надежность работы.

Целью изобретения является повышение ресурса и надежности работы.

Поставленная цель достигается тем, что известный детандер содержащий картер, направляющий цилиндр с крейцкопфом,

0 расширительное устройство в виде цилиндра и поршня, соединенных тонкостенными трубками соответственно с картером и крейцкопфом, органы газораспределения и тормозной узел с подвижной и неподвижной

5 частями, причем последняя закреплена в картере, согласно изобретению снабжен пусковым устройством, встроенным в картер по общей геометрической оси картера и направляющего цилиндра при обеспечении

0 взаимодействия с крейцкопфом, снабженным упругой подвеской, картер дополнительно содержит теплопередающие элементы, а тормозной узел выполнен маг- нитоиндукционным и его подвижная часть

5 жестко соединена с крейцкопфом посредством электрического изолятора.

Упругая подвеска выполнена в виде двух буферных винтовых пружин, между которыми установлена опорная тарелка, за0 крепленная на крейцкопфе.

Неподвижная часть тормозного узла выполнена в виде постоянного магнита из за- критического материала и ярма с керном из магнитомягкого материала, образующие

5 между собой кольцевой зазор, подвижная часть - в виде короткозамкнутого кольца из немагнитного материала и установлена в кольцевом зазоре с возможностью осевого перемещения, а изолятор выполнен в виде

0 текстолитовой шайбы.

Пусковое устройство выполнено в виде втяжного нейтрального электромагнита, состоящего из неподвижного корпуса и магни- топровода, на котором размещена катушка

5 из подвижных якоря с толкателем и возвратной пружиной и колпака - ограничителя хода якоря.

На фиг. 1 изображен микродетандер, продольный разрез; на фиг. 2 - индикатор0 ная диаграмма и диаграмма газораспределения.

Микродетандер содержит картер 1 с крышкой 2, направляющий цилиндр 3, расширительное устройство 4, крейцкопф 5,

5 снабженный упругой подвеской в виде двух буферных винтовых пружин 6 сжатия, поджимаемых крышкой 7 и опорной тарелкой 8, закрепленной на крейцкопфе 5. последний установлен в направляющем цилиндре 3 на подшипнике 9 (в приведенном варианте исполнения микродетандера - на линейном шарикоподшипнике), имеющем два ряда шариков 10, собранных в сепараторе 11, магнитоиндукционный тормозной узел 12 и пусковое устройство 13. Расширительное устройство 4 содержит рабочий цилиндр 14 с впускными и выпускными окнами 15 и 16 соответственно и поршень 17, установленный в цилиндре 14 со щелевым уплотнением и имеющий радиальное и осевое отверстия 18 и 19 соответственно для впуска газа. Цилиндр 14 герметично присоединен к картеру 1 при помощи крышки 7 и тонкостенной трубки 20. Поршень 17 соединен с крейцкопфом 5 при помощи также тонкостенной трубки или полого штока 21. Магнитоиндукционный тормозной узел 12 включает неподвижную часть,жестко установленную в картере 1 по одной оси с направляющим цилиндром 3 и имеющую постоянный магнит 22, изготовленный из закритического материала, например из кобальт-самарие- вого сплава, ярмо 23 и керн 24, образующие между собой рабочий кольцевой зазор, и подвижную часть, установленную в рабочем кольцевом зазоре с возможностью осевого перемещения, выполненную в виде корот- козамкнутого кольца 25 из немагнитного материала с небольшим электрическим сопротивлением, например меди, короткозам- кнутое кольцо 25 закреплено на крейцкопфе 5 при помощи электрического изолятора 26, изготовленного в виде шайбы из текстолита. Пусковое устройство 13 встроено в картер 1, о его крышку 2 по общей геометрической оси картера и направляющего цилиндра 3 представляет собой втяжной нейтральный электромагнит, содержащий неподвижный корпус 27, магнитопровод 28, катушку 29, расположенную на магнитопроводе 28, намотанную из медного эмалированного проводника. Внутри магнитопровода 28 помещен якорь 30 с толкателем 31. Якорь 30 имеет возвратную пружину 32 с упором в якорь и торец магнитопровода 28 и колпак 33 - ограничитель хода.

Картер 1 имеет ребра 34 для отвода тепла в окружающую среду.

В неработающем микродетандере поршень 17 находится вточке5(фиг. 2), смещен в cjopony нижней мертвой точки (нмт) от центра колебаний на некоторое расстояние Д5, определяемое средним давлением рабочего тела в цилиндре 14, якорь 30 пускового устройства 13 прижат возвратной пружиной 32 к колпаку 33. При перемещении поршня 17 в верхнюю мертвую точку (вмт) между опорными торцами крейцкопфа 5 и толкателя 31 всегда имеется гарантированный зазор в несколько десятых миллиметра.

Микродетандер работает следующим образом.

При подаче постоянного тока в катушку

29 якорь 30 втягивается до упора в стоп магнитопровода 28 и перемещает крейцкопф 5, соответственно, и поршень 17 в нмт. При перемещении поршня 17 (фиг. 2)отточ0 ки 5п в точку 6п происходит предварительное сжатие рабочего тела в цилиндре 14 от давления Рк Рбп до давления Рбп, температура рабочего тела повышается по политропе до температуры Тп. В точке бп

5 радиальные впускные отверстия 18 в поршне 17 соединяются с впускными окнами 15 в цилиндре 14 и рабочее тело поступает в цилиндр 14. К моменту достижения поршнем 17 нмт точки 1 в цилиндре устанавлива0 ется начальное давление Рн PI, температура рабочего тела равна температуре Ti смешения поселившего через окна рабочего тела с оставшимся в цилиндре 14, поджатым поршнем до давления PL Элект5 ромагнитная сила тяги якоря 30 совершает работу сжатия, преодолевая действие буферных пружин 6, возвратной пружины 32 и силу магнитоиндукционного торможения, возникающую вследствие взаимодействия с

0 магнитным потоком тока короткою замыкания, наводимого в короткозамкнутом кольце 25 при пересечении магнитных силовых линий в рабочем зазоре ярма 23 и кернз 24, При отключении источника тока от катушки

5 29 якорь 30 под действием пружины.32 возвращается в исходное положение.

Поршень 17, освобожденный от силового давления якорл 30 в нмт, испытывает действие давления рабочего тела и сил сжатия

0 буферных пружин 6, которые сообщают поршню 17 в сборе с крейцкопфом 5 ускоренное движение к ЕМТ. При перемещении поршня 5 в сборе с крейцкопфом 5 от точки 1 до точки 2 происходит наполнение цилин5 дра 14 рабочим телом под начальным давлением Рн - Р2, температура Т2 рабочего тела равна температуре смещения поступившего рабочего тела с остаточным. В точке 2 происходит отсечка впуска. При перемещении

0 поршня 17 от точки 2 до точки 3 рабочее тело расширяется, давление понижается до Рз, в точке 3 выпускные окна 16 цилиндра 14 соединяются с рабочей полостью цилиндра

5 14, начинается истечение холодного рабочего тела со звуковой скоростью из рабочей полости цилиндра 14 через выпускные окна 16. К приводу поршня 17 в вмт в точку 4 давление рабочего тела понижается до конечного давления Р4, а температура - до Т-ц. При этом рабочее тело совершает работу.

которая расходуется на аккумулирование потенциальной энергии сжатия буферных пружин 6 и на преодоление силы магнито- индукционного торможения. Силы сжатия буферных пружин 6 останавливают поршень 17 в сборе с крейцкопфом 5 в вмт в точке 4 и сообщают поршню 17 в сборе с крейцкопфом 5 ускоренное движение к нмт. При перемещении поршня 17 от точки 4 до точки 5 он вытесняет холодное рабочее тело при температуре Т4 Tg из цилиндра 14 под давлением Р4 Ps. В точке 5 происходит отсечка вытеснения рабочего тела. При перемещении поршня 17 от точки 5 до точки 6 происходит предварительное сжатие рабочего тела от давления PS до давления Ре, температура рабочего тела политропически повышается до Те. В точке 6 радиальные и впускные отверстия 18 поршня 17 соединяются с впускными окнами 15 цилиндра 14, рабочее тело поступает в цилиндр 14 и к приходу поршня 17 в нмт в точку 1 заканчивается окончательное сжатие рабочего тела и в цилиндре 14 устанавливается начальное давление Рн Pi, температура рабочего тела равна температуре Ti смещения поступившего рабочего тела с остаточным, сжатым до давления Pi. При этом силы сжатия буферных пружин 6 в вмт расходуются на работу сжатия рабочего тела, на аккумулирование потенциальной энергии сжатия буферных пружин 6 в нмт и на преодоление силы магнитоиндукционно- го торможения. В нмт силы давления рабочего тела действующие на поршень 17 и силы сжатия буферных пружин 6 в нмт уравновешивают силу инерции поршня 17 в сборе с крейцкопфом 5 и он останавливается. Далее процессы декомпримирования рабочего тела и генерации холода повторяются. Механическая мощность, развиваемая микродетандером при генерации холода, полностью поглощается мэгнитоиндукци- онным торможением, сопровождающимся выделением тепла при прохождении тока короткого замыкания по кольцу 25 в соответствии с законом Ленца-Джоуля и отводом его в окружающую среду ребрами 34 воздушного охлаждения. Частота колебаний поршня 17 определяется массой возвратно-поступательно движущихся частей, жесткостью буферных пружин 6 и амплитудой колебаний поршня 17, которая зависит от величины начального и конечного давлений рабочего тела в цилиндре 14. Точность

хода поршня, т.е. амплитуда колебаний, на работу микродетандера не влияет, удары поршня 17 в головку цилиндра 14 и крейцкопфа 5 в толкатель 31 отсутствуют вследст- вне гарантированного Зазора между торцами в мертвых точках.

Формула изобретения

1.Поршневой микродетандер, содержа- щий картер, направляющий цилиндр с крейцкопфом, расширительное устройство в виде цилиндра и поршня, соединенных тонкостенными трубками соответственно с картером и крейцкопфом, органы

газораспределения и тормозной узел с подвижной и неподвижной частями, причем последняя закреплена в картере, отличающийся тем. что, с целью повышения ресурса и надежности работы, микродетандер снабжен пусковым устройством, встроенным в картер по общей геометрической оси картера и направляющего цилиндра при обеспечении взаимодействия с крейцкопфом, снабженным упругой подвеской, картер дополнительносодержит

теплопередающие элементы, а тормозной узел выполнен магнитоиндукционным и его подвижная часть жестко соединена с крейцкопфом посредством электрического изолятора.

2.Микродетандер по п. отличающийся тем. что упругая подвеска выполнена в виде двух буферных винтовых пружин, между которыми установлена опорная тарелка, закрепленная на крейцкопфе.

3.Микродетандер по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что неподвижная часть тормозного узла выполнена в виде постоянного магнита из закритического материала

и ярма с керном из магнитомягкого материала, образующих между собой кольцевой зазор, подвижная часть выполнена в виде короткозамкнутого кольца из немагнитного материала и установлена на кольцевом зазоре с возможностью осевого перемещения, а изолятор выполнен в виде текстолитовой шайбы.

4.Микродетандер по пп. 1-3, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что пусковое устройство

выполнено в виде втяжного нейтрального электромагнита, состоящего из неподвижного корпуса и магнитопровода, на котором размещена катушка из подвижных якоря с толкателем и возвратной пружиной и колпака-ограничителя хода якоря.

Использование: в качестве генератора холода в микрокриогенных системах. Сущность изобретения: поршневой микродетандер снабжен пусковым устройством 13, встроенным в картер 1 по общей оси картера и направляющего цилиндра 3, при обес-. печении взаимодействия с крейцкопфом 5 снабженным упругой подвеской, выполненной в виде двух буферных винтовых пружин 6. Картер оборудован теплопередающими элементами, а тормозной узел выполнен магнитоиндукционным, подвижная часть которого смонтирована на крейцкопфе, а неподвижная часть 12 установлена в картере 1 с теплопередающими элементами 34 и выполнена в виде постоянного магнита 22 с ярмом 23 и керном 24, образующими кольцевой рабочий зазор, в котором расположено с возможностью движения коротко замкнутое кольцо 25, соединенное жестко при помощи электрического изолятора 26 с крейцкопфом 5. Пусковое устройство 13 смонтировано в картере 1. в крышке 2 и выполнено в виде втяжного нейтрального, электромагнита, содержащего неподвижный корпус 27 и магнитопровод 28 с катушкой 29, подвижные якорь с толкателем 31 и возвратной пружиной 32 и колпак 33, ограничивающий ход якоря. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. XI О О Ю С Фиг.1