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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION
EMI1.1
la Société dite: FRANKFURTER MASCHINENBAUA.KTIEP1GESELLSÇHA.FT VOMIÏPOKORNY:& WITTEKIND. pour:Dispositif refroidisseur pour chambres de compression de compres- seurs d'air et de gaz. Demande de brevet allemand en sa faveur du 4 Août 1943.
La présente invention a pour objet un dispositif refroidisseur pour les chambres de compression des compresseurs d'air et de gaz dont les soupapes d'aspiration et de refoulement sont disposées dans la culasse à la manière des soupapes étagées connues, comportant des entrées, respectivement des sorties, superposées pour le fluide à comprimer, respectivement comprimé.
Dans les compresseurs de ce genre on a réalisé une réfrigération efficace du fluide - dans le but d'abaisser la température finale de la compression - en refroidissant l'espace libre à l'intérieur des soupapes,traversé par le fluide, au moyen de pièces d'insertion s'étendant dans cet espace et renfermant un liquide réfrigérant.
Dans ce dispositif refroidisseur connu l'agent réfrigérant est constitué par un liquide réfrigérant que l'on fait passer par les pièces d'insertion. Dans maints domaines d'application du compresseur, par exemple dans l'armée, on ne dispose pas d'un liquide réfrigérant, de sorte qu'il faut recourir à la réfrigération à l'air. Pour ne pas arriver à des températures excessivement élevées on a soumis l'air dans les compresseurs refroidis à l'air,connus jusqu'à présent, à une compression par étages tout en appliquant une réfrigération intermédiaire. Malgré cela il fallait souvent remplacer les soupapes, parce qu'elles gauchissaient à cause des températures tout de même élevées. En outre, les compresseurs de ce genre étaiènt fort encombrants et les ventilateurs fournissant l'air réfrigérant absorbent beaucoup d'énergie.
Si, dans le dispositif refroidisseur connu, on voulait faire passer par les pièces d'insertion, s'étendant dans les soupapes étagées, de l'air réfrigérant au lieu d'un liquide réfrigérant,cela demanderait une très grande quantitéd'air, parce que la capacité d'absorption de chaleur de l'air atmosphérique, comparativement à celle d'un liquide réfrigérant, est très faible.
Pour chasser cette grande quantité d'air à travers les sections transversales disponibles dans la pièce d'insertion, l'air devrait avoir une vitesse très élevée, ce qui demanderait un ventilateur de grande puissance. La puissance du ventilateur serait même plus élevée que celle du compresseur lui-même.
Ces défauts sont supprimés suivant la présente invention par le fait que les pièces d'insertion, qui s'étendent dans l'espace libre à l'intérieur des soupapes étagées, sont constituées
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par des corps creux fermés, remplis partiellement d'une substan- ce réfrigérante d'un bas point d'ébullition, respectivement de fusion, et munis en dehors de l'espace à l'intérieur des soupa- pes, d'ailettes de refroidissement ou de radiation situées dans des canaux traversés par l'air réfrigérant. La chaleur cédée par le fluide comprimé dans l'espace compris entre les soupapes étagées et l'extrémité de fond tournée vers la chambre de compres- sion et appartenant à la pièce d'insertion, chauffe cette extré- mité, ce qui a pour effet que la substance réfrigérante dans la pièce d'insertion commence à bouillir.
Le liquide bouillant monte dans la tête de la pièce d'insertion, - tête qui est située en dehors des soupapes étagées et qui est munie d'ailettes de refroi- dissertent ou de radiation, - et cède sa chaleur à ces ailettes de refroidissement. Ces dernières étant baignées par l'air réfrigé- rant sur de grandes surfaces, l'air réfrigérant absorbe la chaleur d'une manière très efficace. Il se produit par conséquent un trans- port continuel de chaleur de l'extrémité de fond de la pièce d'in- sertion, extrémité de fond tournée du côté de la chambre de com- pression du cylindre, vers la tête de la pièce d'insertion oui transmet la chaleur a l'air réfrigérant.
Les ailettes de refroi- disse@ent de la tête de la pièce d'insertion peuvent être très longues, parce que, par suite de la transmission de chaleur assurée par la substance réfrigérante, elles reçoivent une grande quantité de chaleur. De ce fait l'air réfrigérant trouve une très grande surface dont il peut absorber la chaleur et le canal dans lequel ces ailettes de refroidissement sont logées peut recevoir une section de passage libre tellement grande rue l'air de refroidissement ne rencontre ou'un minimum de résistance.
Ceci conduit à une fible consommation de force par le ventilateur.
Dans le domaine des moteurs à combustion interne on a déjà proposé de retirer la chaleur d'une soupape en remplissant la tige creuse de la soupape partiellement de mercure, qui subit alternativement une vaporisation sous l'effet de la chaleur des gaz d'échappement et une condensation sous l'effet des ailettes ou nervures de refroidissement. Ceci a uniquement pour but de maintenir la soupape en bon état de travail, tandis que dans le cas d'un compresseur la réfrigération a pour but d'abaisser la température de compression.
Les pièces d'insertion sont utilement munies intérieure- ment de nervures ou d'ailettes radiales, afin de favoriser l'é- coulement de la substance réfrigérante vers la tête de la pièce d'insertion.
Il est, d'une part, nécessaire que les canaux d'aspira- tion et de refoulement du compresseur, dans lesouels sont logées les soupapes étagées, soient bien étanches par rapport aux canaux traversés par l'air réfrigérsnt et dans lesquels se trouvent les têtes, garnies d'ailettes, des pièces d'insertion, tandis que, d'autre part, il est nécessaire, pour éviter un gauchissement des soupapes étagées, par suite des tensions thermiques qui se pro- duisent, pendant le travail, entre les soupapes et la culasse, qu'il puisse se produire une compensation de ces tensions.
Ces deux conditions nécessaires sont remplies suivant la présente invention, tout en assurant l'évacuation de la chaleur des sou- papes étagées, en disposant la surface annulaire extérieure des soupapes étagées à fleur d'une surface extérieure de la. culasse et en interposant entre ces surfaces et une bride de le tête des pièces d'insertion un joint mou entouré par une bande métallioue, cette dernière s'étendant sur les faces extérieures disposées à' fleur '-'une de l'autre des soupapes étagées et de la culasse.
On établit ainsi une bonne étanchéité entre les soupapes étagées, la culasse et les pièces d'insertion, tandis que l'élasticité du joint mou compense les tensions thermiques et que le revêtement métallique du joint transmet la chaleur qu'il absorbe des soupa- pes étagées à la tête des pièces d'insertion et partant à l'air réfrigérant.
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La fixation des pièces d'insertion dans la culasse est réalisée au moyen de boulons qu'il faut serrer très fort, de sorte que l'élasticité du joint mou est diminuée. C'est pourquoi on dispose avantageusement, dans le but d'assurer la compensation des tensions thermiques, entre les soupapes étagées et le joint à revêtement métallique, un anneau métallique élastique présentant une section transversale en forme d'U.
Le dessin annexé représente une forme d'exécution du dispositif refroidisseur suivant la présente invention.
La figure 1 est une coupe transversale du dispositif refroidisseur.
La figure 2 est une vue en plan du dispositif suivant la figure 1, avec coupe horizontale suivant la ligne A-B, le capot étant enlevé.
La figure 3 est une vue de côté partielle du dispositif suivant la figure'1.
La figure 4 représente en coupe une partie du dispositif suivant la figure 1, à une échelle agrandie.
Sur le cylindre 1 du compresseur d'air est montée la culasse 2 comprenant le cana?. d'aspiration 3 et le canal de refoulement 4. Dans ces canaux sont logées la soupape d'aspiration 5 et la soupape de refoulement 6, exécutées toutes deux sous forme de soupapes étagées, à entrées d'air, respectivement à sorties d'air, superposées. Dans l'espace libre à l'intérieur des soupapes s'étendent des pièces d'insertion dont la partie de fond 7 se rétrécit vers le bas, tandis que les têtes 8 de ces pièces d'insertion, têtes disposées en dehors des canaux 3, 4, sont munies d'ailettes de refroidissement 9. Les pièces d'insertion 7, 8 sont fermées, à l'exception d'un orifice de remplissage obturable par un bouchon 10. La partie de fond 7 est munie extérieurement d'ailettes 'ou de nervures radiales 11 et intérieurement d'ailettes ou de nervures radiales 12.
La fixation des soupapes étagées 5, 6 et des pièces d'insertion 7, 8 à la culasse 2 est assurée par des boulons 13. Les pièces d'insertion sont munies, entre les ailettes de refroidissement et la culasse, de brides annulaires 14 s'étendant au-dessus de faces annulaires 15 de la culasse qui entourent les soupapes étagées. Sur l'anneau extérieur de chaque soupape étagée est placé un anneau métallique 16, par exemple en acier, de section transversale en forme d'U, dont les ailes peuvent fléchir élastiquement, par exemple d'environ 1/10 de mm. La face terminale extérieure 17 de l'anneau 16 est disposée à fleur de la face annulaire 15 de la culasse 2.
Entre ces faces et la bride annulaire 14 des pièces d'insertion 7, 8 est interposé un joint mou 18, par exemple en amiante, en klingerite, en carton mou, etc., revêtu d'une bande métallique 19 bonne conductrice de chaleur, par exemple en cuivre, en aluminium ou en fer doux. Le joint 18,19 s'étend sur les deux faces annulaires 15 et 17.
La culasse 2 est recouverte par un capot en tôle 20 qui s'étend au-dessus des deux pièces d'insertion 6, 7 et dont l'intérieur 21 forme les canaux par lesquels passe l'air réfrigérant.
L'air réfrigérant est refoulé à travers le capot 20 par un ventilateur 22 (figure 3).
Les pièces d'insertion 7, 8 sont remplies ou chargées d'une substance réfrigérante convenable quelconque 23, par exemple de sodium métallique, d'huile,de glysantine, etc. et ceci à un point tel qu'il reste encore suffisamment de place libre pour la dilatation thermique. Après le'remplissage la chambre à l'intérieur des pièces d'insertion 7, 8 est solidement fermée une fois pour toutes par un bouchon de manière que l'homme de.service ne puisse jamais influencer ce moyen réfrigérant.
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La chaleur de compression de l'air comprimé entraine pendant le travail une telle élévation de température que la substance réfrigérante 23 enfermée dans les pièces d'insertion 7, 8 commence à bouillir dans la partie du fond et monte, tout en étant conduite par les ailettes ou nervures intérieures 12, dans la tête 8 des dites pièces d'insertion, d'où la chaleur est trans- mise par les ailettes ou nervures de refroidissement 9 à l'air ré- frigérant passant par le capot 20. Il se produit ainsi un échange thermique très considérable, car, d'une part, le coefficient de conductibilité thermique de l'air, du côté de la chambre de com- pression, est relativement petit, tandis qu'il est relativement très grand pour la charge réfrigérante 23.
Il faut y ajouter en- core l'effet de thermosiphon ainsi que la cioison ou paroi sépara- trice relativement mince entre l'air réfrigérant et la chambre renfermant la substance réfrigérante. Par suite des conditions avantageuses au point de vue de la conductibilité thermique on peut prévoir, du côté de l'air réfrigérant, un système d'ailettes 9 de grandeur voulue, de sorte au'on dispose d'une très grande surface d'échange thermique. De plus, la section transversale du canal à air réfrigérant 21 peut recevoir une grandeur telle qu'il suffit d'avoir une pression de 10 à 20 mm de colonne d'eau au lieu d'une pression de 8700 mm de colonne d'eau nécessaire dans le cas d'une réfrigération des pièces d'insertion 7, 8 au moyen d'un liquide réfrigérant.
La consommation d'énergie par le ventilateur 22 est réduite en conséquence, elle est de seulement environ 4,2% de la puissance du compresseur même.
Comme le corps des pièces d'insertion 7,8 est relative- ment résistant à la pression, il est possible d'employer aussi un liquide bouillant au-dessous de 100 C, ce qui influence avan- tageusement l'échange thermique par suite de l'effet de condensa- tion du côté de l'nir réfrigérant.
Le joint 18,19 garantit une bonne étanchéité entre les soupapes étagées 5,6, la culasse 2 et le canal d'air réfrigérant 21. Les dilatations thermioues sont compensées par l'élasticité de l'annepu' en amiante 18, secondée par le fléchissement élasticue de l'anneau 16 à section en U. Le revêtement en cuivre 19 de l'anneau en amiante établit simultanément une liaison bonne con- ductrice de la chaleur entre les soupapes étagées 5, 6 et les pièces d'insertion correspondantes 7,8, de sorte Que les soupapes sont soumises à une évacuation de chaleur par conduction thermique.
R E V E N D I C A T 1 0 N S
1 dispositif refroidisseur pour chambres de compression de compresseurs d'air et de gaz dont les soupapes d'aspiration et de refoulement sont disposées dans la culasse a la manière des soupapes étagées connues, pourvues d'entrées, respectivement de sorties, superposées pour le fluide à comprimer, respectivement comprimé, dispositif comprenant des pièces d'insertion réfrigérées s'étendnt dans l'espace libre a l'intérieur des soupapes, caractérisé en ce que les pièces d'insertion qui s'4tendent dans l'espace libre à l'intérieur des soupapes étagées sont constituées par des corps creux fermés, remplis partiellement d'une substance réfrigérante et munis, en dehors de l'espace libre à l'intérieur des soupapes,
d'ailettes de refroidissement logées dans des ca- naux traversas par de l'air réfrigérant.
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DESCRIPTIVE MEMORY
SUBMITTED IN SUPPORT OF A REQUEST
OF INVENTION PATENT
EMI1.1
the Company called: FRANKFURTER MASCHINENBAUA.KTIEP1GESELLSÇHA.FT VOMIÏPOKORNY: & WITTEKIND. for: Cooling device for compression chambers of air and gas compressors. German patent application in his favor of August 4, 1943.
The present invention relates to a cooling device for the compression chambers of air and gas compressors, the suction and discharge valves of which are arranged in the cylinder head in the manner of known stepped valves, comprising inlets, respectively outputs, superimposed for the fluid to be compressed, respectively compressed.
In compressors of this kind, efficient refrigeration of the fluid has been achieved - with the aim of lowering the final compression temperature - by cooling the free space inside the valves, through which the fluid passes, by means of parts insert extending into this space and enclosing a refrigerant liquid.
In this known cooling device, the coolant is constituted by a coolant liquid which is passed through the insert parts. In many areas of application of the compressor, for example in the military, there is no refrigerant liquid, so air refrigeration has to be resorted to. In order not to arrive at excessively high temperatures, the air in the air-cooled compressors, known hitherto, has been subjected to stepwise compression while applying intermediate refrigeration. Despite this it was often necessary to replace the valves, because they buckled due to the high temperatures. In addition, compressors of this kind were very bulky and the fans supplying the cooling air absorb a lot of energy.
If, in the known cooling device, one wanted to pass through the inserts, extending into the step valves, refrigerant air instead of refrigerant liquid, this would require a very large quantity of air, because that the heat absorption capacity of atmospheric air, compared to that of a refrigerant liquid, is very low.
To drive this large amount of air through the cross sections available in the insert, the air would have to have a very high speed, which would require a high powered fan. The power of the fan would be even higher than that of the compressor itself.
These defects are eliminated according to the present invention by the fact that the inserts, which extend into the free space inside the step valves, are made
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by closed hollow bodies, partially filled with a cooling substance of a low boiling point, respectively of melting point, and provided outside the space inside the valves, with cooling fins or radiation located in channels crossed by the refrigerant air. The heat given up by the compressed fluid in the space between the stepped valves and the bottom end facing the compression chamber and belonging to the insert part, heats this end, which has the effect of that the coolant in the insert starts to boil.
The boiling liquid rises in the head of the insert, - the head which is located outside the stepped valves and which is provided with cooling or radiating fins, - and transfers its heat to these cooling fins. The latter being bathed by cooling air over large areas, the cooling air absorbs heat in a very efficient manner. There is therefore a continual transfer of heat from the bottom end of the insert, with the bottom end facing the compression chamber side of the cylinder, to the head of the insert. inserting yes transmits heat to the cooling air.
The cooling fins of the head of the insert can be very long, because, due to the heat transfer provided by the coolant, they receive a large amount of heat. As a result, the refrigerant air finds a very large surface from which it can absorb heat and the channel in which these cooling fins are housed can receive a free passage section so large street the cooling air does not meet or 'a minimum resistance.
This leads to low power consumption by the fan.
In the field of internal combustion engines, it has already been proposed to remove the heat from a valve by filling the hollow stem of the valve partially with mercury, which alternately undergoes vaporization under the effect of the heat of the exhaust gases and condensation under the effect of cooling fins or ribs. This is only intended to keep the valve in good working condition, while in the case of a compressor the purpose of refrigeration is to lower the compression temperature.
The inserts are usefully internally provided with radial ribs or fins, in order to promote the flow of the coolant towards the head of the insert.
On the one hand, it is necessary that the suction and delivery channels of the compressor, in which the stepped valves are housed, are well sealed with respect to the channels through which the refrigerant air passes and in which the heads, fitted with fins, of the inserts, while, on the other hand, it is necessary, in order to avoid warping of the stepped valves, as a result of the thermal stresses which are produced, during the work, between the valves and cylinder head, that a compensation of these tensions can occur.
These two necessary conditions are fulfilled according to the present invention, while ensuring the removal of heat from the stage valves, by arranging the outer annular surface of the stage valves flush with an outer surface of the. cylinder head and by interposing between these surfaces and a flange of the head of the insert pieces a soft gasket surrounded by a metal strip, the latter extending over the outer faces arranged 'flush' with one another of the valves stepped and cylinder head.
A good seal is thus established between the stepped valves, the cylinder head and the inserts, while the elasticity of the soft seal compensates for thermal stresses and the metallic coating of the seal transmits the heat which it absorbs from the valves. stepped at the head of the insert pieces and leaving to cooling air.
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The fixing of the inserts in the cylinder head is carried out by means of bolts which must be tightened very tightly, so that the elasticity of the soft gasket is reduced. This is why, in order to ensure compensation for thermal stresses, there is advantageously available between the stepped valves and the metal-coated seal, an elastic metal ring having a U-shaped cross section.
The accompanying drawing shows an embodiment of the cooling device according to the present invention.
Figure 1 is a cross section of the cooler device.
Figure 2 is a plan view of the device according to Figure 1, with horizontal section along line A-B, the cover being removed.
FIG. 3 is a partial side view of the device according to FIG. 1.
FIG. 4 shows in section part of the device according to FIG. 1, on an enlarged scale.
On the cylinder 1 of the air compressor is mounted the cylinder head 2 including the pipe ?. suction 3 and the discharge channel 4. In these channels are housed the suction valve 5 and the discharge valve 6, both executed in the form of stepped valves, with air inlets, respectively air outlets , superimposed. In the free space inside the valves extend insert pieces, the bottom part of which tapers downwards, while the heads 8 of these insert pieces, heads arranged outside the channels 3 , 4, are provided with cooling fins 9. The insert pieces 7, 8 are closed, except for a filling opening which can be closed by a plug 10. The bottom part 7 is provided on the outside with fins 'or radial ribs 11 and internally fins or radial ribs 12.
The staged valves 5, 6 and insert pieces 7, 8 are fastened to the cylinder head 2 by bolts 13. The insert pieces are fitted between the cooling fins and the cylinder head with 14 s ring flanges. extending over annular faces 15 of the cylinder head which surround the stepped valves. On the outer ring of each step valve is placed a metal ring 16, for example of steel, of U-shaped cross section, the wings of which can flex elastically, for example by about 1/10 of a mm. The outer end face 17 of the ring 16 is placed flush with the annular face 15 of the cylinder head 2.
Between these faces and the annular flange 14 of the insert pieces 7, 8 is interposed a soft gasket 18, for example made of asbestos, klingerite, soft cardboard, etc., coated with a metal strip 19 which is a good conductor of heat, for example copper, aluminum or soft iron. The seal 18,19 extends over the two annular faces 15 and 17.
The cylinder head 2 is covered by a sheet metal cover 20 which extends above the two insert pieces 6, 7 and whose interior 21 forms the channels through which the refrigerant air passes.
The refrigerant air is forced through the cover 20 by a fan 22 (Figure 3).
The inserts 7, 8 are filled or charged with any suitable refrigerant 23, for example metallic sodium, oil, glysantine, etc. and this to such an extent that there is still sufficient free space for thermal expansion. After the filling the chamber inside the insert pieces 7, 8 is securely closed once and for all with a stopper so that the service person can never influence this cooling medium.
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The heat of compression of the compressed air causes during work such a rise in temperature that the refrigerant 23 enclosed in the inserts 7, 8 begins to boil in the bottom part and rises, while being conducted by the internal fins or ribs 12, in the head 8 of said insert pieces, from where the heat is transmitted through the cooling fins or ribs 9 to the cooling air passing through the cover 20. It occurs thus a very considerable heat exchange, because, on the one hand, the coefficient of thermal conductivity of the air, on the side of the compression chamber, is relatively small, while it is relatively very large for the refrigerant charge 23.
To this must be added the thermosiphon effect as well as the relatively thin partition or separating wall between the refrigerant air and the chamber containing the refrigerant substance. As a result of the advantageous conditions from the point of view of thermal conductivity, it is possible to provide, on the cooling air side, a system of fins 9 of the desired size, so that a very large exchange surface is available. thermal. In addition, the cross section of the refrigerant air channel 21 can accommodate a size such that it suffices to have a pressure of 10 to 20 mm water column instead of a pressure of 8700 mm water column. necessary in the case of refrigeration of the inserts 7, 8 by means of a cooling liquid.
The energy consumption by the fan 22 is reduced accordingly, it is only about 4.2% of the power of the compressor itself.
As the body of the inserts 7,8 is relatively pressure resistant, it is also possible to use a liquid boiling below 100 C, which advantageously influences the heat exchange as a result of the effect of condensation on the refrigerant ir side.
The seal 18,19 guarantees a good seal between the stepped valves 5,6, the cylinder head 2 and the refrigerant air channel 21. The thermal expansions are compensated by the elasticity of the asbestos ring 18, aided by the elastic deflection of the U-section ring 16. The copper coating 19 of the asbestos ring simultaneously establishes a good heat-conducting connection between the step valves 5, 6 and the corresponding inserts 7, 8, so that the valves are subjected to heat dissipation by thermal conduction.
R E V E N D I C A T 1 0 N S
1 cooling device for the compression chambers of air and gas compressors, the suction and delivery valves of which are arranged in the cylinder head in the manner of known stepped valves, provided with inlets, respectively outlets, superimposed for the fluid for compressing, respectively compressed, device comprising refrigerated inserts extending into the free space inside the valves, characterized in that the inserts which extend into the free space at the interior of the stepped valves are formed by closed hollow bodies, partially filled with a refrigerant substance and provided, apart from the free space inside the valves,
cooling fins housed in channels traversed by refrigerant air.