Поршневой микродетандер

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 72544 А(55 Р 25 В ЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное конгическое бюро по копытным производсткого института низких(56) 1. Авторское свидМ 1245817, кл. О 25 В2. Авторское свидК. 1041828 кл Р 25 В3. Усюкин И.П. Уаппараты криогеннойкая и пищевая п ромырис. И. структорско-технолориогенной технике с вом Физико-техничетимператур АН УССР В,Н.Замошников етельство СССР 9/00. 1984.етельство СССР 9/00. 1982,становки, машины и техники, ч, И. М.: Легшленность, 1982, с. 75,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 шатуном, золатниковый 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.(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, связанно- гО полым штоком с крейцкопфом, шарнирно связанным шатуном а кривошипным валом 3. Недостатком является пониженныи (до 55,) изоэнтропический 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.10 20 Целью изобретения является повышение изознтропического 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 вь 1 пускными окнами и поршня в нем, на цилиндрической поверхности которого имеются радиальнь 1 е, а на торцевой - осевое отверстия, соединенного с крейцкопфом, установленным в направляюцем цилиндре и шарнирно связанным шатуном с кривошипным валом, на цилиндрической поверхности поршня выполнены криволинейные канавки, проходящие через радиальные отверстия поршня, ось колена кривошипного вала с осью коренных шеек образуег угол 90 р 180 О, на колене с возможностью вращения установлена втулка, крейцкопф установлен в напоавляющем цилиндре такке 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 В 0 от оси коренных шеек кривошипного вала.Сущность изобсетени., поясняется чер те:а.и, где на фиг. 1 схемати,о изобракен общий вид ус-ройства; на фиг. 2 - разрез А - А на фиг.1; иа фиг.3 -разрез Б - Бив фиг, 1; на фиг. 4 - положение гюршня в цилиндре через каждыс 45 поворота кривошипного вала и положение в. скиых и выгкньх каналов отнес ггельно окси; на фиг,5 - индикаторная диаграмма и диаграмма газораспределения,Поршнег зй микродетандер содержи; ьстроенный тормозной генератор 1, кор;ус 2 которого выполнен заодно с картером 3, кривошипно-шатунный м-х;изм с поотивовесом 4, преобразующий возвратно.поступательное движение поршня 5 в вращательное дьижение кривошипного ва ла 6, а вращательное движение кривоши, ного вала 6 з неполнопоьоротное движение поршня 5 относительно продольной егооси, и расгзирительное устройс;во . Тс:.рмозной генератор 1 состоит иэ сепаратора 8, за прессованного в корг; с 2, псдшипилкового щита 9, радиальных подшипников 10, ротора 11, установленного на криаошипном валу 6 с кривошипно-шатунного м:хаиизма. Ссь колена 12 с осью коренных шеек вала 6 образует угол 90ч180, 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 й Ф 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 л 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 В Ф О 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 кольцами 33. Расширительное устройство 7 состоит из цилиндра 34 с впускиыми 35 и выпускными 36 окнами, поршня 5 в нем, на цилиндрической поверхности которого выполнены радиальи 1 е 37, а на торцевой - осевые 38 отверстия, и тонкостеннй трубы 39, герметично соединяющей цилиндр 34 с направляющим цилиндром 14, Поршень 5 снабжен криволинейными канавками 40 и 41, нарезанными на цилиндрической поверхности по кривым-следам окон 35 и 36(фиг.4) на участках, соответствующих участкам диаграммы газораспределения детандера с клапани м газораспределением (фиг, 5), Горшень 5 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 выпускных36 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 Й, 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 б 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 р, 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 поворота поршня 5 равен нулю.По ходу движения от ВМТ до НМТ поршень5 поворачивается в цилиндре 34 в одну сторону, угол поворота сначала увеличивается от нуля до максимального значения в среднем положении поршня 5 в цилиндре 34, азатем обратно уменьшается до нуля, Походу движения от НМТ до ВМТ поршень 5 поворачивается в цилиндре 34 в другую сторону, угол поворота также сначала увеличивается от нуля до максимального значенияв среднем положении поршня 5 в цилиндре34, а затем обратно уменьшается до нуля, Направление ограниченного поворота поршня 5 зависит от направления вращениякривошипного вала 6. При таком сложномдвижении 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 впускныхокон 35 в точке б 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), криво 5 10 15 20 25 30 35 55 шипный 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 1 и в цилиндре 34 устанавливается более низкое давление Р 2 вследствие гидравлического сопротивления, а температура Т 2 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 б 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 = Р 5 и температуре Т 4 = ТБ. В точке 5 происходит отсечка выпуска газа иэ цилиндра 34, При вращении вала 6 на угол 293 - 355 поршень 5 перемещается в точку б, сжимая оставшийся в цилиндре 34 газ до давления Р 5, температура газа адиабатически повышается до Т 6. В точке б впускные канавки 40 соединяются с впускными окнами 35, газ поступает в цилиндр 34 и к приходу поршня 5 в ВМТ (в точку 1) при повороте вала 6 на 360 давление в цилиндре 34 повышается до Р 1, температура газа равна температуре Т 1 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 функци 1 о 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 бб. 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 10 мм приодних 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 микродетьндер, 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 ющ и й с я 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, оськолена кривошипного вала с осью коренных шеек образует угол 90у 180, на колене с возможностью вращения установлена втулка, крейцкопф установлен в направляю 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 пересекаетось колена на расстоянии Я 0 от оси коренных шеек кривошипного вала,1772544 Составитель В.ЗамошниковТехред М.Моргентал Корректор Н.Ревская кт Производс геенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина,аказ 3833 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по113035. Москва, ЖПодписноебретениям и открытиям при ГКНТ СССушская наб., 4/5