Поршневой микродетандер

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК уп5 РЯ5 В 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКН1 СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4 . о

С)

Ю о

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4840383/06 (22) 18,06.90 (46) 07,09.92. Бюл, N 33 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-технического института низких температур АН УССР (72) А.В.Борисенко, В.Н.Замошников, Н.П.Краснова и А,В.Купко (56) Авторское свидетельство СССР

М 1231336, кл. F 25 В 9/00, 1985.

Архаров А.М, Криогенные поршневые детандеры. М., Машиностроение, 1974, с.

196, рис. 89.

Авторское свидетельство СССР

N 1239475, кл. F 25 В 9/00, 1984. (54) ПОРШНЕВОЙ МИКРОДЕТАНДЕР (57) 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 к" ðòåðå 1, в крышке 2 и выполнено в виде втяжного нейтрального. Ы 1760261 А1.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.

1760261

50 лЕния

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

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

Недостатками свободнопоршневого микроохладителя являются небольшой ресурс работы.и сложность конструкции вследствие ударного воздействия на торцовые уплотнения и на буртики подвижного соединения поршня с вытеснителем и наличия гаэораспределительного устройства с автономным электроприводом, Известен д тандер, 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 известногодетандера 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 эа 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 ккааррттееррее, 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, 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, согласно изобретению снабжен пусковым устройством. встроенным в картер по общей геометрической оси картера и направляющего цилиндра при обеспечении взаимодействия с крейцкопфом, снабженным упругой подвеской, картер дополнительно содержит теплопередающие элементы, а тормозной узел выполнен магнитоиндукционным и его подвижная часть жестко соединена с крейцкопфом посредством электрического изолятора.

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

Неподвижная часть тормозного узла выполнена в виде постоянного магнита из закритического материала и ярма с керном из магнитомягкого материала. образующие 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 текстолитовой шайбы.

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

На фиг. 1 изображен микродетандер, продольный разрез; на фиг. 2 — индикаторная диаграмма и диаграмма газораспредеМикродетандер содержит картер 1 с крышкой 2, направляющий цилиндр 3, расширительное устройство 4, крейцкопф 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 ис1760261

25

35

50 полнения 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 п рисоединеп 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-самариевого 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 короткозамкнутого кольца 25 из немагнитного материала с небольшим электрическим сопротивлением, например меди. короткоэамкнутое кольцо 25 закреплено на крейцкопфе

5 при помощи электрического изолятора 26, изготовленного в виде шайбы из текстолита.

Пусковое устройство 13 встроено в картер

1, 0 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 в точке 5 (фиг. 2), смещен в сторону нижней мертвой точки (нмт) от центра колебаний на некоторое расстояние

М, 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 десять1х 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, сдответственно, и поршень 17 в нмт.

При перемещении поршня 17 (фиг. 2) от точки 5п в точку 6п происходит предварительное сжатие рабочего тела в цилиндре 14 от давления PK = Р5п до давления Рбп, температура рабочего тела повышается по политропе до температуры Тп. В точке 6п радиальные впускные отверстия 18 D поршне 17 соединяютсл с впускными окнами 15 в цилиндре 14 и рабочее тело поступает в цилиндр 14. K момен у достижения поршнем 17 нмт точки 1 в цилиндре устанавливается начальное давление Р„ = Р, температура рабочего тела равна температуре Т1 смешения пос упившего через окна рабочего тела с оставшимсл в цилиндре 14, поджатым поршнем до давления Р1. Электромагнитная сила тяги якоря 30 совершает работу сжатия, преодолевал действие буферных пружин 6, возвратной пружины 32 и силу магнитоиндукционнога торможения, возникающую вследствие взаимодействия с магнитньпи потоком тока коро; кого замыкания. наводимого в короткоэамкнутом кольце 25 при пересечении магнитных силовых линий в рабочем зазоре ярма 23 и керна 24, При отключении источника тока от катушки

29 лкорь 30 под действием пружины,32 возвращается в исходное поло>кение.

Поршень 17, освобожденный от силовогодавления якорл 30 в нмт, испытываетдействие давления рабочего тела и сил сжатия буферных пружин 6, которые сообщают поршню 17 в сборе с крейцкопфом 5 ускоренное движение к вмт. При перемещении поршня 5 в сборе с крейцкопфом 5 от точки

1 до точки 2 происходит наполнение цилиндра 14 рабочим телом под начал ьн ым давлением Рн = Рг, температура Т2 рабочего тела равна температуре смещения поступившего рабочего тела с остаточным. В точке 2 происходит отсечка впуска. При перемещении поршнл 17 от точки 2 до точки 3 рабочее тело расширяется, давление понижаетсл до Рз, в точке 3 выпускные окна 16 цилиндра 14 соединяются с рабочей полостью цилиндра

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 давгения Р4, а температура — до! 4.

При этом рабочее тело совершает работу, 1760261 которая расходуется на аккумулирование потенциальной энергии сжатия буферных пружин 6 и на преодоление силы магнитоиндукционного 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 = Тв из цилиндра

14 под давлением P4 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 Рв до давления Р6, температура рабочего тела политропически повышается до Тв. 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 PH = Р1, температура рабочего тела равна температуре Т1 смещения поступившего рабочего тела с остаточным, сжатым до давления Р1.

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 магнитоиндукционного 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 магнитоиндукционным 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

10 ного магнита из закритического материала

40 и ярма с керном из магнитомягкого матери50

55 ка-ограничителя хода якоря.

35 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 вследствие гарантированного зазора между торцами в мертвых точках.

Формула изобретения

1. Поршневой микродетандер, содержащий 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, о т л и ч аю шийся 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 дополнительно содержит теплопередающие элементы, а тормозной узел выполнен магнитоиндукционным и его подвижная часть жестко соединена с крейцкопфом посредством электрического изолятора.

2, Микродетандер по п. 1, 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 ич а ю шийся тем, что неподвижная часть тормозного узла выполнена в виде постоянала, образующих между собой кольцевой зазор, подвижная часть выполнена в аиде короткоэамкнутого кольца иэ немагнитного материала и установлена на кольцевом зазоре с воэможностью осевого перемещения, а изолятор выполнен в виде текстолитоной шайбы.

4. Микродетандер по пп. 1-3, о т л и ч аю шийся тем, что пусковое устроиство 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 колпа1760261

Составитель А.Федотов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Лукач

Редактор Л.Волкова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 3174 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5