Поршневой микродетандер

 

СОЮЗ COBE ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1772544 А1

{!9) (1|) {я)5 F 25 В

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4

«4

М (л .фь

4ъ

> (3j.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ . ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4736443/06 (22) 11.09.89 (46) 30.10,92. Бюл. N 40 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-техничекого института низких тимператур АН УССР (72) А,В.Борисенко и В.Н.Замашникав (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 1245817, кл. 0 25 В 9/00. 1984.

2. Авторское свидетельства СССР

К. 104",828, кл. F 25 В 9/00. 1982.

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

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

Известйа поршневая машина, содержащая цилиндр с поршнем, кривошипный вал с шатунам, золатникавый механизм газораспределейия, 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 сильфан (2), Машина имеет низкие ресурс работы и изоэнтропический КПД. (54) ПОРШНЕВОЙ МИКРОДЕТАНДЕР (57) Использование: микрокриогенная техника, бесклапанные поршневые микродетандеры. Сущность изобретения: кривощипный 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.

Прототипом является поршневой бесклапанный микродетандер с кривошипношатунным 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, связанноГа полым штоком с крейцкопфом, IUBpHHpHQ связанным шатуном с кривошипным валом

Недостатком является пониженный (да

55 p) изаэнтрапический КПД вследствие уменьшения полноты индикаторной диаграммы, т.е. рабочего расширения, за счет увеличения мертвого объема рабочей полости и повышенных. утечек газа через большое количество впускных и выпускных окон.

1772544

20

Целью изобретения является повышение изознтропическог0 КПД путем обеспечения полноты индикаторной диаграммы.

Эта цель достигается тем, что в поршневом микродетаидере, 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, ась колена кривошипного вала с осью коренных шеек образуег угол

90 «р< 180О, на колене с возможностью вращения установлена втулка, крейцкопф установлен в направляющем цилиндре так>ке с возможностью вращения и соединен с кривошипным валом посредством карданной передачи, один шарнир которой соединяет крейцкопф с шатуном, а другой — шатун с втулкой, общая ось которого перпендикулярно пересекает ось колена иа расстоянии

R 0 от оси коренных шеек кривошипного вала.

Сущность изобсетени.: поясняется чер те ка . и, где на фиг. I схемати", о изобра>кен общий вид ус-ройства; на фиг. 2 — pa.".ðåç

А — А на фиг. 1; иа фиг.3 -разрез Б — ьив фиг.

1; на фиг. 4 — положение гюршня в цилиндре через каждыс 45 поворота кривошипного вала и поло>кение в.. скиых и выг ..,кных канагов отнес ггельно оксн; на фиг.5 — индикаторная диаграмма и диаграмма газораспределения, Поршнег з и микродетандер содержи: ьстроенный тормозной генератор 1, кор;ус

2 которого выполнен заодно с картером 3, кривошипно-шатуí;Iblv; м-х.-, .изм с поотивовесом 4, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня 5 в> врашательиое дьижение кривошипного ва ла 6,:. ьращательное движение кривоши.,ного ;ana 6 з неполнопоьоротное движение поршня 5относительно продольной егооси, и расг.ирительное устройс BQ Тс:.рмозной генератор 1 состоит иэ сепаратора 8, за прессованного в корг; с 2, псдшипиикового щита 9, радиальных подшипников 10, ротора 1 I, установлен oro на кривошип ном валу

6 с кривошипно-шатунного м::хаиизма. Ссь колена 12 с осью коренных шеек вала 6 образует угол 90 «n < 180, равный 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 оппоэитными 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 э 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 направляющего 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 ". 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 иа расстоянии R Ф 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, соедин.нных с шипами 26 крестовины при помощи игольчатых подшипников 27 с роликами

28, закрепленных пружинными кольца .и

29. Соединение шатуна 23 с втулкой 15 включает ко гено 12 кривошипного вала 6 с установленной на ием втулкой 15 и вилку 30 шатуна 23, соединенную с шинами 16 втулки 15 игольчатыми подшипниками 31 с роликами 32, закрепленнь,ми пружинными ког.ьцами 33. Расширительное устройство 7 состоит иэ цилиндра 34 с впускиыми 35 и выпускными 36 окнами, поршня 5 в нем, на цилиндрической поверхности которого выполнены радиальи 1е 37, а на торцевой— осевые 38 отверстия, и тонкостеннй трубы

39, гермети .но соединяющей цилиндр 34 с иап;завляющим цилиндром 14. Поршень 5 с;-:абжен криволинейными канавками 40 и

41, нарезанными на цилиндрической повер,:ч.ости по кривым- следам окон 35 и 36 (фиг.

4) на участках, соответствующих участкам диаграммы газораспределения детандера с клапаниг м газораспределением (фиг, 5), Г оршень Е и крейцкопф 18 соединены полым тонкостенным штоком 42. Впускные 35 и выпускные 36 окна должны быть расположены на равных расстояниях по окружности. Цилиндр 34 должен содержать не менее двух влускиых 35 и не менее двух выпускных

1772544

30

55

36 окон, смещенных на 90 относительно друг друга.

Микродетандер работает следующим образом. Кривошипно-шатунный механизмы 4 преобразует возвратно-поступательное 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-повортное движение поршня 5 относительно продольной оси поршня 5 с амплитудой, равной 2, 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 ВЧТ (фиг. 4) и НМТ угол рограниченного подпорота поршня 5 равен нулю.

По ходу движения от BMT до HMT 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, Кривошип ные 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 Р и в цилиндре 34 устанавливается более низкое давление Р вследствие гидравлического сопротивления, а температура Т равна температуре смещения поступающего 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 понижается 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 цилиндра 34, к приходу поршня 5 в НМТ при повороте вала 6 на угол 180 давление газа понижается до Р, а температура до Т . При повороте вала 6 на угол 180 — 293 поршень

5 приходит в точку 5 и вытесняет холодный газ из цилиндра 34 при давлении Р = Ps u температуре Tp = Тз. В точке 5 происходит отсечка выпуска газа иэ цилиндра 34, При вращении вала 6 на угол 293 — "55 поршень

5 перемещается в точку 6, сжимая оставшийся в цилиндре 34 газ до давления Ps, 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 в ВМТ (B точку 1) при повороте вала 6 на

360 давление в цилиндре 34 повышается до

Р1, температура газа равна температуре Т1 смешения поступившего газа с остаточным.

Далее процесс декомпримирования газа и генерации холода в цилиндре 34 повторяется.

Шатунно-кривошипный механизм 44 с косым коленом 12 выполняет дополнительную функцию — функцию газораспределительного механизма, а поршень 5 совмещает при этом и функци1о поворотного золотника за счет ограниченно-поворотного движения поршня 5 в цилиндре 34 с амплитудой, равной 2 р — удвоенному углу между осью косого колена 12 и общей осью коренных шеек кривошипного вала 66. Это позволяет осуществить газораспределение детандера, аналогичное клапанному газораспределению, уменьшить суммарные 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 диаметром 10 мм уменьшается с 20 до t0 мм при

1772544 одних и тех же давлении впуска, давление выпуска и холодопроизводительности, при одной и той >ке температуре криостатирования. Все это позволяет также. уменьшить массу микрокриогенной системы на 5-7,5, Формула изобретения

Поршневой микродетандер, содержащий 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 — осевые отверстия, соединенные с крейцкопфом, установленным в направляющем цилиндре и шарнирно связанным шатуном с кривошипным валом, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью. повышения изоэнтропического КПД путем обеспечения полноты индикаторной диаграммы, на цилиндрической поверхности поршня выполнены криволинейные канавки, проходящие

5 через радиальные отверстия поршня, ось колена кривошипного вала с осью коренных шеек образует угол 90 < p< 180, на колене с возможностью вращения установлена втулка, крейцкопф установлен в направляю10 щем 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

15 ось которого перпендикулярно пересекает ось колена на расстоянии R 0 от оси коренных шеек кривошипного вала.

1772544

A-A

1 .

4

Л. +

1772544

Составитель В.Замошников

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор

Производсгвенно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина. 101

Заказ 3833 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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