Поршневой микродетандер

: .Ж 1760 515 ГЯ 5 В 9/ ОП НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ржащего неподвижтопровод 28 с катушрь с толкателем 31 и 32 и колпак 33, огра. 3 з.п. ф-лы,2 ил,л. ощ л ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКН 1 СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-техническогоинститута низких температур АН УССР(56) Авторское свидетельство СССРйг 1231336, кл. Р 25 В 9/00, 1985,Архаров А.М, Криогенные поршневыедетандеры. М., Машиностроение, 1974, с.196, рис. 89.Авторское свидетельство СССРМ 1239475, кл. Е 25 В 9/00, 1984.(57) Использование: в качестве генераторахолода 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 пружин6. Картер оборудован теплопередающимиэлементами, а тормозной узел выполненмагнитоиндукционным, подвижная частькоторого смонтирована на крейцкопфе, анеподвижная часть 12 установлена в картере 1 с теплопередающими элементами 34 ивыполнена в виде постоянного магнита 22 сярмом 23 и керном 24, образующими кольцевой рабочий зазор, в котором расположено с возможностью движения короткозамкнутое кольцо 25, соединенное жестко:при помощи электрического изолятора 26 скрейцкопфом 5. Пусковое устройство 13смонтировано в картере 1, в крышке 2 ивыполнено в виде втяжного нейтрального.электромагнита, соде ный корпус 27 и магни кой 29, подвижные яко возвратной пружиной ничивающий ход якоря10 15 20 25 30 35 40 50 55 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 свободнопоршнеоого 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 ддтандер, 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 о картере, а подвижная жестко соединена с кривошипным валом и выполнена в виде дисков из ферромагнитного материала и расположенных между ними катушек с, сердечникомНедостатком 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 катушкаиз 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 газораспределЕния.Микродетандер содержит картер 1 с крышкой 2, направляющий цилиндр 3, расширительное устройство 4, крейцкопф 5,снабженный упругой подвеской в виде двухбуферных 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 ис 17602615 10 15 20 30 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 рисоединен 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 2 б, изготовленного в виде шайбы из текстолита. Пусковое устройство 13 встроено в картер 1, в 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 ЬЯ, 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 десять 1 х 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 5 п в точку бп происходит предварительное сжатие рабочего тела в цилиндре 14 от давления Рк = Р 5 п до давления Реп, температура рабочего тела повышается по политропе до температуры Тп. В точке бп радиальные впускные отверстия 18 в поршне 17 соединяютсл с впускными окнами 15 в цилиндре 14 и рабочее тело поступает в цилиндр 14. К момену достижения поршнем 17 нмт точки 1 в цилиндре устанавливается начальное давление Рн = Р 1, температура рабочего тела равна температуре Т 1 смешения пос упившего через окна рабочего тела с оставшимсл в цилиндре 14, поджатым поршнем до давления Р 1. Электромагнитная сила тяги якоря 30 совершает работу сжатия, преодолевал действие буферных пружин 6, возвратной пружины 32 и силу магнитоиндукционнога торможения, возникающую вследствие взаимодействия с магнитным потоком тока коро; кого замыкания. наводимого в короткоэамкнутом кольце 25 при пересечении магнитнь 1 х силовых линий в рабочем зазоре ярма 23 и керна 24, При отключении источника тока от катушки 29 якорь 30 под действием пружины,32 возвращается в исходное положение.Поршень 17, освобожденный от силовогодавления якорл 30 в нмт, испытываетдействие давления рабочего тела и сил сжатия буферных пружин б, 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 цилиндрг 14 рабочим телом под начальным давлением Рн = Р 2, температура Т 2 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 давления Р 4, а температура - до Т 4. При этом рабочее тело совершает работу, 176026110 15 20 25 30 35 45 50 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 Т 4 = Тв из цилиндра 14 под давлением Р 4 Рь. 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 Рв, температура рабочего тела политропически повышается до Тб. 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 = Р 1, температура рабочего тела равна температуре Т 1 смещения поступившего рабочего тела с остаточным, сжатым до давления Р 1. 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 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 щ и й с я 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, о т л и ч а ю щи й с я 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 щ и й с я тем, что неподвижная часть тормозного узла выполнена в виде постоянного магнита из закритического материала40 и ярма с керном из магнитомягкого материала, 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 щ и й с я 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 колпа 55 кз-ограничителя хода якоря.Составитель А.федотоТехред М.Моргентал Тираж Подписное осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5