Поршневой микродетандер Советский патент 1992 года по МПК F25B9/00 

1

(21)4736443/06 (22)11.09.89 (46)30.10.92. Бюл. №40

(71)Специальное конструкторско-техноло- гическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-техниче- кого института низких тимператур АН УССР

(72)А.В.Борисенко и В.Н.Замошников (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 1245817, кл. D 25 В 9/00. 1984.

2.Авторское свидетельство СССР № 1041828, кл. F 25 В 9/00. 1982.

3.Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники, ч. II. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 75, рис. 111-29.

(54) ПОРШНЕВОЙ МИКРОДЕТАНДЕР (57) Использование1 микрокриогенная техника, бесклапанные поршневые микродетандеры. Сущность изобретения: кривошипный вал выполнен с косым коленом и соединен с крейцкопфом посредством карданной передачи, а окна поршня выходят в криволинейные канавки, которые выполнены на цилиндрической поверхности поршня. 5 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к бесклапанным поршневым микродетандерам, например к генераторам холода в микросистемах.

Известна поршневая машина, содержащая цилиндр с поршнем, кривошипный вал с шатуном, золотниковый механизм газораспределения, дифференциальный механизм и рычаги управления газораспределением 1.

Недостатками являются сложность конструкции и пониженный изоэнтропический

кпд

Известна криогенная газовая машина, содержащая цилиндр, поршень с газораспределительным узлом, связанным через поперечную штангу с механизмом перемещения, и сильфон 2

Машина имеет низкие ресурс работы и изоэнтропический КПД

СП

с

Прототипом является поршневой бесклапанный микродетандер с кривошипно- шатунным механизмом, содержащий картер, соединенный с направляющим цилиндром, тормозной генератор на кривошипном валу и расширительное устройство в виде цилиндра, золотника с впускными и выпускными окнами и поршня в нем с осевым и радиальными отверстиями, связанного полым штоком с крейцкопфом, шарнирно связанным шатуном с кривошипным валом 3.

Недостатком является пониженный (до 55%) изоэнтропический КПД вследсткир уменьшения пэлноты индикаторной диаграммы, т.е. рабочего расширения, за счет увеличения мертвого объема рабочей полости и повышенных утечек газа через большое количество впускных и выпускных окон.

VJ Х|

ю ел

N

Целью изобретения является повышение изоэнтропического КПД путем обеспечения полноты индикаторной диаграммы.

Эта цель достигается тем, что в поршневом микродетандере, содержащем картер с тормозным генератором, установленным на кривошипном валу, и расширительное устройство в виде цилиндра с впускными и выпускными окнами и поршня в нем, на цилиндрической поверхности которого имеются радиальные, а на торцевой - осевое отверстия, соединенного с крейцкопфом, установленным в направляющем цилиндре и шарнирно связанным шатуном с кривошипным валом, на цилиндрической поверхности поршня выполнены криволинейные канавки, проходящие через радиальные отверстия поршня, ось колена кривошипного оала с осью коренных шеек образует угол 90° ух 180°, на колене с возможностью вращения установлена втулка, крейцкопф установлен в направляющем цилиндре также с возможностью вращения и соединен с кривошипным валом посредством карданной передачи, один шарнир которой соединяет крейцкопф с шатуном, а другой-шатун с втулкой, ось которого перпендикулярно пересекает ось колена на расстоянии R 0 от оси коренных шеек кривошипно.г вала.

Сущность H3n6rjTenH пгясня тсг iep тем чми, где пафиг. 1 схемат р гопзобр.джев оощч 1 вид уст|.йства на Јиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. L - разрез Б-ь на фиг. 1; нафи. 4- положенье поршня в цилиндре через каждые йгу° поворота кривошиш-1 jro вале и полох°ниг. в скннх и очг ных каналов относь 1вльно оком на фиг.Ь - индикатор.- ая циаграмма и диаграмма распределения

Поршчег ч- микродегандер содержи ьстроенный тормозной генератор 1, кор. ус I которого выполнен заодно с картером 3,

КрИВОШИПНО-ШсТун.НЫ №v-4sn ИЗМ С ПООП1вовесог, 4, преобразующий возврат но-.ю- ступагсльноо движение поршня 5 в враилтельное движение кривошип и ;го вг ла 6, а ьращательное движение кривоши1. ного ьала 6 з неполнопс-орптноз движение- поршня 5относительно продольной егпосч и pact чтрительное устройс, во .и р озмои генератор 1 состоит ьо сепарэтхпа 8, зь прессованного в корг с 2, п дшипни, овою щита. 9, радиальных подшипников 10, ротора 1 ,установленного н кривошипном залу 6 с крииоиипно-шат умного м хзнизма. Ось колена 12 f осью коренных ojeeK вала Ь образует угол 90° - р 180° равны; половине максимального угла ограниченного поворота поршня 5. Кривошипно-шатунный механизм размещен в картере 3 с крышкой 13, соединенном с направляющим цилиндром 14, и его кривошип 12 снабжен втулкой

15 с двумя оппозитными шипами 16, установленной с возмжностью вращения на колене, например, через радиально-упорные подшипники 17 (фиг, 2).

Точка пересечения общей оси шипов 16

и оси отверстия втулки 15 лежит на оси кривошипа 12 на расстоянии R & 0 от оси коренных шеек вала 6, равном половине хода поршня 5, и описывает при вращении кривошипного вала 6 окружность, плоскость которой лежит на оси отверстия направ- ляющего цилиндра 14. Крейцкопф 18 установлен в направляющем цилиндре 14 также с возможностью вращения, например, через линейный шарикоподшипник 19,

содержащий рубашку-кольцо 20, шарики 21 и сепаратор 22, и соединен с кривошипным валом 1 посредством карданной передачи, один карданный шарнир которой соединяет крейцкопф 18 с шатуном 23, а другой - шатун 23 с втулкой 15, общая ось которого перпендикулярно пересекает ось колена 12 на расстоянии R з4 0 от оси коренных шеек кривошипного вала 6. Соединение крейцкопфа 18 с шатуном 23 состоит из вилки 24

крейцкопфа 18 и вилки 25 шатуна 23, соединенных с щипамл 26 крестовины при помощи игольчатых подшипников 27 с ролиьамч 28, закрепленных пружинными кольца л 29 Соединение шатуна 23 с втулкой 15

включает колено 12 крмаошипного вала 6 с установленной на нем втулкой 15 и вилку 30 шатуна 23, соединенную с шипами 16 зтул- ки 15 игольчатыми подшипниками 31 с ро- ликэми 32, закрепленными пружинными

кольцами 33. Расширительное устройство 7 состоит из цилинлра 34 с впускными 35 и выпускными 36 окнами, поршня 5 в нем, на цилиндрической поверхности которого вы- полнены радиальное 37, а на торцевой осевые 38 отверстия, и юнкостеннй трубы 39, герметично соединяющей цилиндр 34 с натравляющим цилиндром 14. Поршень 5 о абжен криволинейными канавками 0 и 41, нарезанными на цилиндрической поверюности по кривым - следам окон 35 и 36 (фиг. Q; на участках, сзотзетствующих участкам диаграммы газораспределения детандера с клапанш м газораспределением (фиг. 5). Поршень F и крейцкопф 18 соединены по/ibiM тонкостенным штоком 42. Впускные 35 и выпускные 36 окна должны быть расположены на равных расстояниях по окружности Цилиндр 34 должен содержать не менее мвух впускных 35 и не менее двух выпускных

36 окон, смещенных на 90° относительно друг друга.

Микродетандер работает следующим образом. Кривошипно-шатунный механизмы 4 преобразует возвратно-поступатель- ное движение поршня 5 во вращательное движение кривошипного вала 6, при этом точка пересечения общей оси шипов 16 с сью отверстия втулки 15 описывает окружность радиуса R, равного половине хода поршня 5, а косое колено 12 и ось вращения втулки 15 описывает коническую поверхность, вершина которой лежит на общей оси коренных шеек кривошипного вала 6 с углом р между образующей конуса и осью вращения кривошипного вала 6. При этом вращательное движение кривошипного вала 6 преобразуется в ограниченно-поворт- ное движение поршня 5 относительно продольной оси поршня 5 с амплитудой, равной . в результате чего поршень 5 совершает сложное возвратно-поступательное и ограничен- но-поворотное гармоническое движение в цилиндре 34. Текущий угол поворота поршня 5 равен проекции угла р на плоскость, перпендикулярную продольной оси поршгня 5. При положении поршня 5 в ВМТ (фиг. 4) и НМТ угол р ограниченного поворота поршня 5 равен нулю. По ходу движения от ВМТ до НМТ поршень 5 поворачивается в цилиндре 34 в одну сторону, угол поворота сначала увеличивается от нуля до максимального значения в среднем положении поршня 5 в цилиндре 34, а затем обратно уменьшается до нуля. По ходу движения от НМТ до ВМТ поршень 5 поворачивается в цилиндре 34 в другую сторону, угол поворота также сначала увеличивается от нуля до максимального значения в среднем положении поршня 5 в цилиндре 34, а затем обратно уменьшается до нуля. Направление ограниченного поворота поршня 5 зависит от направления вращения кривошипного вала 6. При таком сложном движении поршня 5 в цилиндре 34 каждое впускное окно 35 и каждое выпускное окно 36 оставляют на поверхности поршня 5 кривую (след), близкую по форме к эллипсу. Кривошипные канавки 40 и 41 совмещаются при этом с впускными 35 и выпускными 36 окнами и осуществляют газораспределение согласно диаграмме газораспределения детандера с клапанным газораспределением, приведенной на фиг. 5 (открытие впускных окон 35 в точке 6 и закрытие их в точке 2, открытие выпускных окон 36 в точке 3 и закрытие их в точке 5),

В исходном положении (фиг. 2 и 5) поршень 5 находится в ВМТ (в точке 1), кривошипный вал 6 вращается по часовой стрелке. При повороте вала 6 на угол 55° поршень 5 перемещается в точку 2, впускные каналы 38 (фиг. 4) совмещены с впускными окнами

35, газ поступает в цилиндр 34 под давлением Pt и в цилиндре 34 устанавливается более низкое давление Р2 вследствие гидравлического сопротивления, а температура Та равна температуре смещения посту0 лающего газа с остаточным. В точке 2 происходит отсечка впуска газа в цилиндр 34. При повороте вала 6 на угол 55-168° поршень 5 перемещается в точку 3, происходит расширение газа, давление понижа5 ется до Рз, температура газа адиабатически понижается до температуры Тз, В точке 3 выпускные канавки 41 соединяются с выпускными окнами 36, происходит истечение холодного газа со звуковой скорстью из ци0 линдра 34, к приходу поршня 5 в НМТ при повороте вала 6 на угол 180° давление газа понижается до а температура до ТА. При повороте вала 6 на угол 180-293° поршень 5 приходит в точку 5 и вытесняет холодный

5 газ из цилиндра 34 при давлении Ps и температуре Т« Ts. В точке 5 происходит отсечка выпуска газа из цилиндра 34, При вращении вала б на угол 293-355° поршень 5 перемещается в точку 6, сжимая остав0 шийся в цилиндре 34 газ до давления PG, температура газа адиабатически повышается до Те. В точке 6 впускные канавки 40 соединяются с впускными окнами 35, газ поступает в цилиндр 34 и к приходу поршня

5 5 в ВМТ (в точку 1) при повороте вала 6 на 360° давление в цилиндре 34 повышается до Pi, температура газа равна температуре Ti смешения поступившего газа с остаточным. Далее процесс декомпримирования газа и

0 генерации холода в цилиндре 34 повторяется.

Шатунно-кривошипный механизм 44 с косым коленом 12 выполняет дополнительную функцию - функцию газораспредели5 тельного механизма, а поршень 5 совмещает при этом и функцию поворотного золотника за счет ограниченно-поворотного движения поршня 5 в цилиндре 34 с амплитудой, равной 2 р - удвоенному углу

0 между осью косого колена 12 и общей осью коренных шеек кривошипного вала 66. Это позволяет осуществить газораспределение детандера, аналогичное клапанному газораспределению, уменьшить суммарные

5 утечки газа и повысить изоэнтропический КПД генерации холода по сравнению с прототипом от 0,63 (детандер с бесклапанным газораспределением неповоротным поршнем) до 0,68. При этом ход поршня диамет- ром 10 мм уменьшается с 20 до 10 мм при

одних и тех же давлении впуска, давление выпуска и холодопроизводительности, при одной и той же температуре криостатирова- ния. Все это позволяет также уменьшить массу микрокриогенной системы на 5-7,5%, Формула изобретения Поршневой микродеталдер, содержащий картер с тормозным генератором, уста- новленным на кривошипном валу, и расширительное устройство в виде цилиндра с впускными и выпускными окнами и поршня в нем, на цилиндрической поверхности которого имеются радиальные, а на торцевой - осевые отверстия, соединенные с крейцкопфом, установленным в направляющем цилиндре и шарнирно связанным шатуном с кривошипным валом, отличающийся тем, что, с целью повышения

N 2

6 toa/ 4f

0

5

изоэнтропического КПД путем обеспечения полноты индикаторной диаграммы, на цилиндрической поверхности поршня выполнены криволинейные канавки, проходящие через радиальные отверстия поршня, ось колена кривошипного вала с осью коренных шеек образует угол 90° р 180°, на колене с возможностью вращения установлена втулка, крейцкопф установлен в направляющем цилиндре также с возможностью вращения и соединен с кривошипным валом посредством карданной передачи, шарниры которого - один соединяет крейцкопф с шатуном, а другой - шатун с втулкой, общая ось которого перпендикулярно пересекает ось колена на расстоянии R 0 от оси коренных шеек кривошипного вала.

а

II

s

V-V

t SZAil

SB

«О .

«эг

8L

рГ

Фиг. 5