CZ2010570A3 - Rozvodový systém vzdušinového objemového pístového stroje - Google Patents

Abstract

Rozvodový systém je urcený pro vzdušinové objemové pístové stroje, jež obsahují alespon jeden dutý válec (1) se suvne uloženým pístem (2). Ve stene (12) válce (1) je vyhotoven tlakový kanál (13), který je upraven pro trvalé napojení na tlakový prostor (5), uzpusobený pro stlacenou vzdušinu. Tlakový kanál (13) ve spolupráci s trubicí (23) nebo komorou (24), usporádanými v pístu (2), je pri poloze pístu (2) v horní úvrati spojen s pracovním prostorem (3) mezi hlavou (11) válce (1) a vrcholem (22) pístu (2). Pri poloze pístu (2) v dolní úvrati je pracovní prostor (3) spojen s beztlakovým prostorem (6).

Description

Rozvodový systém vzdušinového objemového pístového stroje

Oblast techniky

Vynález se týká rozvodového systému vzdušinového objemového pístového stroje, jenž obsahuje alespoň jeden dutý válec, uzavřený na jednom konci hlavou, a ve válci v rozsahu mezi horní úvratí a dolní úvratí suvně uložený píst.

Dosavadní stav techniky

Rozvodovým systémem, nebo též zkráceně rozvodem, se v technické praxi označuje soustava prvků, která ve spolupráci se základními dílci objemového pístového stroje zajišťuje přívod vzdušiny do pracovního prostoru objemového pístového stroje a po energetické přeměně vzdušiny její odvod. Za energetickou přeměnu je označena expanze dodávané stlačené vzdušiny, což se děje u motorů, nebo v opačném případě stlačování nestlačené vzdušiny, což nastává u kompresorů. Vzdušinou se myslí stlačený vzduch, stlačený plyn, např. CO₂. a nebo vodní či jiná pára.

Vzdušinové objemové pístové stroje obsahují alespoň jeden dutý válec, uzavřený na jednom konci hlavou. Ve válci v rozsahu mezi horní úvratí a dolní úvratí je suvně uložen píst, který je spřažen na straně odvrácené od hlavy válce přes klikový mechanismus s rotačním hřídelem. Mezi vrcholem pístu a hlavou válce je vytvořen pracovní prostor, jehož objem jev horní úvratí minimální, zatímco v dolní úvratí maximální.

Jsou známy objemové pístové motory uvedeného typu, v nichž se předává energie stlačené vzdušiny pístu, který ji přes klikový mechanismus převede na pohyb rotačního hřídele. U jednoho známého provedení se stlačená vzdušina přivádí do pracovního prostoru nad píst pomocí ventilu ovládaného pístem a otevřeného v okamžiku, kdy je píst v horní úvratí. Po odevzdání využitelné energie stlačené vzdušiny se energeticky oslabená vzdušina z pracovního prostoru vyfoukne při poloze pístu v dolní úvratí.

Dále jsou známy objemové pístové motory, u nichž je přívod stlačené vzdušiny a odvod energeticky oslabené vzdušiny zajištěn pomocí Šoupátek, jejichž pohyb je odvozen od pohybu rotačního hřídele. Na obdobném, byť reverzním principu pracují i objemové pístové kompresory.

Ač vzdušinové objemové pístové stroje mají řadu výhod, jako je jednoduchost obsluhy a spolehlivost provozu i v extrémním prostředí, např. mokrém, výbušném apod., jejich největší nevýhodou je náchylnost ventilů a šoupátek k poruchám.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody jsou podstatně zmenšeny rozvodovým systémem vzdušinového objemového pístového stroje podle vynálezu, kde stroj obsahuje alespoň jeden dutý válec, uzavřený na jednom konci hlavou, a ve válci v rozsahu mezi horní úvratí a dolní úvratí suvně uložený píst. Píst je na straně odvrácené od hlavy válce spřažen přes klikový mechanismus s rotačním hřídelem. Mezi vrcholem pístu a hlavou válce je vytvořen pracovní prostor, jehož objem je v horní úvrati minimální, zatímco v dolní úvrati maximální. Pracovní prostor je spojen v horní úvrati s tlakovým prostorem, uzpůsobeným pro stlačenou vzdušinu, a v dolní úvrati s beztlakovým prostorem, vyhrazeným pro nestlačenou vzdušinu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že ve stěně válce je vyhotoven tlakový kanál, jehož první konec je upraven pro napojení na tlakový prostor a jehož druhý konec je vyveden k boku pístu. Píst je opatřen průtokovou soustavou upravenou tak, že při poloze pístu v horní úvrati je druhý konec tlakového kanálu propojen s pracovním prostorem.

Při tomto uspořádání je pomocí jednoduchých a spolehlivých prostředků zajištěno, že stlačená vzdušina se v požadovaný okamžik nachází v pracovním prostoru nad pístem, kam se při Činnosti objemového pístového stroje ve funkci motoru dostane tlakovým kanálem a průtokovou soustavou. Je-li objemový pístový stroj použit jako kompresor, pak po dosažení horní úvratě se po předcházejícím stlačení stlačená vzdušina reverzní cestou dostane do tlakového prostoru, kde je shromažďována.

Jedno výhodné provedení průtokové soustavy spočívá v tom, že průtoková soustava je tvořena trubicí vedenou v pístu od prvního ústí, vyhotoveného na boku pístu, k druhému ústí, vyhotovenému na vrcholu pístu, přičemž při poloze pístu v horní úvrati je první ústí trubice v zákrytu s druhým koncem tlakového kanálu.

Jiné výhodné uspořádání průtokové soustavy je založeno na tom, že průtoková soustava je tvořena v pístu uzavřenou komorou, na niž je napojena jednak ve směru osy pístu na boku pístu provedená štěrbina a jednak průchozí kanál. Štěrbina je zaústěna proti druhému konci tlakového kanálu. Průchozí kanál je zaústěn ke stěně válce. Ve válci je vytvořen přestupní kanál. První vyústění přestupního kanálu je upraveno v horní části pracovního prostoru. Druhé vyústění přestupního kanálu je při poloze pístu v horní úvrati v zákrytu s průchozím kanálem.

Pro rovnoměrné rozptýlení stlačené vzdušiny je první vyústění přestupního kanálu upraveno v hlavě válce.

Aby při funkci stroje jako motoru mohla být do pracovního prostoru dodána nová stlačená vzdušina, je nutno vypustit využitou, tj. energeticky oslabenou vzdušinu, která již odevzdala nezbytné množství energie pro vykonání práce pístu. U rozvodového systému obsahujícího trubici v pístu je výhodné takové prostorové uspořádání, že při poloze pístu v dolní úvrati je první ústí trubice vyústěno do beztlakového prostoru. To lze realizovat např. otvorem ve stěně válce, napojeným na beztlakový prostor, přičemž při poloze pístu v dolní úvrati je otvor v zákrytu s prvním ústím trubice. Beztlakovým prostorem může být jímací ústrojí, z něhož lze energeticky oslabenou vzdušinu vést k dalšímu energetickému využití, což může být výhodné např. u vodní páry.

Nejjednodušším beztlakovým prostorem je atmosféra, čehož je využito k tomu, že první ústí trubice je vyvedeno do volného prostoru pod stěnou válce. Této úpravy bez jímacího ústrojí je možno s výhodou využít pro případ, že objemový pístový stroj pracuje jako kompresor.

Zejména u rozvodového systému s komorou v pístu, ale i u rozvodového systému s trubicí v pístu v případě, že první ústí trubice nedosáhne pod stěnu válce, je nej vhodnější úprava, v jejímž rámci je ve stěně válce vytvořen beztlakový kanál, který je vyveden do beztlakového prostoru. Vstup beztlakového kanálu je situován tak, že při poloze pístu v dolní úvrati je beztlakový kanál napojen na pracovní prostor.

Rozvodový systém podle vynálezu v jakémkoliv provedení, založený na tom, že objemový pístový stroj nemá ventily a šoupátka, tj. klasické rozvodové ústrojí, dává stroji velkou spolehlivost. Stroj je navíc konstrukčně jednoduchý, a tudíž i jeho výrobní a provozní náklady jsou nízké.

Seznam vyobrazení

Na připojeném výkrese jsou znázorněny tři příklady provedení rozvodového systému objemového pístového stroje podle vynálezu, pracujícího ve verzi jako motor, kde značí obr. 1 až 4 první příklad provedení, obr. 5 až 8 druhý příklad provedení a obr. 9 až 12 třetí příklad provedení, přičemž je zobrazena poloha pístu na obr. 1, 5 a 9 při pohybu mezi dolní a horní úvratí, na obr. 2, 6 a 10 v horní úvrati, na obr. 3, 7 a 11 při pohybu pístu z horní do dolní úvrati a na obr. 4, 8 a 12 v dolní úvrati.

Příklad provedení vynálezu

Vzdušinový objemový pístový stroj s rozvodovým systémem podle vynálezu sestává alespoň z jednoho dutého válce 1, uzavřeného na jednom konci hlavou 1L V příkladu provedení jsou znázorněny stroje jednoválcové, ale v praxi se může jednat i o stroje víceválcové řadové, ploché nebo s válci do V. Ve válci 1 je v rozsahu mezi horní úvratí a dolní úvratí suvně uložen píst 2. Píst 2 je na straně odvrácené od hlavy 11 válce 1 spřažen přes klikový mechanismus 4 rotačním hřídelem 43. Ve verzi motoru je rotační hřídel 43 zdrojem kroutícího momentu; ve verzi kompresoru je naopak rotační hřídel 43 spřažen s externím poháněcím ústrojím. Mezi vrcholem 22 pístu 2 a hlavou 11 válce 1 je vytvořen pracovní prostor 3, jehož objem je v horní úvrati minimální, zatímco v dolní úvrati maximální Pracovní prostor 3 je spojen v horní úvrati s tlakovým prostorem 5, uzpůsobeným pro stlačenou vzdušinu, a v dolní úvrati s beztlakovým prostorem 6, vyhrazeným pro nestlačenou vzdušinu. Ke vzdušinám patří vzduch, plyn a vodní pára. Tlakovým prostorem 5, z něhož se odebírá stlačená vzdušina pro pohon objemového pístového stroje jako motoru je nejčastěji zásobník vzduchu napojený na externí kompresor, tlaková láhev nebo parní kotel. Tlakovým prostorem 5, v němž se shromažďuje stlačená vzdušina jako produkt práce kompresoru, je zejména tlaková nádoba. Ať už objemový pístový stroj pracuje jako motor, nebo kompresor, beztlakovým prostorem 6 je v případě vzduchu okolní atmosféra. U jiných vzdušin se jedná o oddělený uzavřený prostor, jakým je např. u parního motoru zásobník odpadní páry, kterou lze dále energeticky využít.

Rozvodový systém, který přivádí stlačenou, resp. nestlačenou vzdušinu do stroje a po energetickem zpracovaní ji ze stroje odvádí, obsahuje ve stěně 12 válce 1 vyhotovený tlakový kanál 13, jehož první konec 131 je upraven pro napojení na tlakový prostor 5. Druhý konec 132 tlakového kanálu 13 je vyveden k boku 21 pístu 2. Píst 2 je opatřen průtokovou soustavou upravenou tak, že při poloze pístu 2 v horní úvrati je druhý konec 132 tlakového kanálu 13 propojen s pracovním prostorem 3

Jedno vyhotovení průtokové soustavy spočívá v tom, že průtoková soustava je tvořena trubicí 23 vedenou v pístu 2 od prvního ústí 231 na boku 21 pístu 2 k druhému ústí 232 na vrcholu 22 pístu 2. Umístění trubice 23 v pístu 2 je určeno tím, že při poloze pístu 2 v horní úvrati je první ústí 231 trubice 23 v zákrytu s prvním koncem 131 tlakového kanálu 13. Při tomto uspořádání je výhodné, jestliže trubice 23 je vedena pístem 2 šikmo (obr. 1 až 8), přičemž Šikmou polohu má i tlakový kanál 13, ve stěně 12 válce 1. Je však zřejmé, že poloha tlakového kanálu 13 může v neznázoměné alternativě být i kolmá k dráze pístu 2. Pak je výhodné, jestliže trubice 23 je v oblasti prvního ústí 231 též kolmá k dráze pístu 2, načež je v pístu 2 zalomená tak, aby její druhé ústí 232 bylo zaústěno do pracovního prostoru 3.

V rámci jiného vyhotovení průtoková soustava je tvořena komorou 24, uzavřenou v pístu 2 (obr. 9 až 12). Na komoru 24 je napojena štěrbina 241, která je provedena ve směru osy pístu 2 na jeho boku 2L Je výhodné, je-li štěrbina 241 po celé své délce spojena s komorou 24. Štěrbina 244 je natolik dlouhá, že v průběhu celého pracovního zdvihu je zaústěna proti druhému konci 132 tlakového kanálu Γ3. Tlakový kanál 13 může mít v tělese válce 1 šikmou polohu, anebo ve shodě s příkladem provedení může být proveden kolmo k dráze pístu 2. Na komoru 24 je též napojen v pístu 2 vyhotovený průchozí kanál 242, který je zaústěn ke stěně 12 válce 1. Válec 1 je opatřen přestupním kanálem 141 majícím první vyústění 141 a druhé vyústění 142. První vyústění 144 je vyvedeno do horní části pracovního prostoru 3 s výhodou tak, že je upraveno v hlavě H válce 1. Druhé vyústění 142 je při poloze pístu 2 v horní úvrati v zákrytu s průchozím kanálem 242.

K rozvodovému systému s trubicí 23 patří úprava spočívající v tom, že při poloze pístu 2 v dolní úvrati je první ústí 231 trubice 23 vyústěno do beztlakového prostoru 6. Nejjednodušší provedení této úpravy spočívá v tom, že vstupní otvor 231 trubice 23 je vyveden do volného prostoru pod stěnou 12 válce X (obr. 4).

V jiném případě (obr. 8), kdy první ústí 231 trubice 23 je v dolní úvrati pístu 2 nasměrováno proti stěně 12 válce X, je ve stěně 12 válce X vytvořen beztlakový kanál 15. Vstup 151 beztlakového kanálu 15 je situován tak, že při poloze pístu 2 v dolní úvrati je beztlakový kanál 15 propojen s pracovním prostorem 3. Beztlakový kanál 15 je vyveden do beztlakového prostoru 6. Shodná úprava je provedena i u pístu 2 opatřeného komorou 24 (obr. 12).

Při činnosti vzdušinového objemového pístového stroje s rozvodovým systémem podle vynálezu, pracuje-li stroj ve funkci motoru, je při poloze pístu 2 v horní úvrati pracovní prostor 3 napojen na tlakový prostor 5 přes tlakový kanál 13 a dále buď pomocí trubice 23 (obr. 2 a 6) nebo přes komoru 24 a přestupní kanál 14 (obr. 10). Stlačená vzdušina se v pracovním prostoru 3 začne rozpínat, následkem čehož posouvá píst 2 směrem k dolní úvrati. Bok 21 pístu 2 přitom uzavře přítok stlačené vzdušiny do pracovního prostoru 3 (obr. 3, 7, 11). Když se píst 2 dostane do dolní úvrati, pracovní prostor 3 se napojí na beztlakový prostor 6. K napojení dojde v jednom případě (obr. 4) tak, že první ústí 231 trubice 23 se dostane pod stěnu 12 válce 2, čímž se pracovní prostor 3 propojí s atmosférou, jakožto nejběžnějším beztlakovým prostorem 6. V jiném případě (obr. 8 a 12) píst 2 v dolní úvrati odkryje vstup 151 do odpadního kanálu 15. jímž energeticky oslabená vzdušina vyteče do beztlakového prostoru 6, jímž i v těchto příkladech provedení je atmosféra. V neznázoměné alternativě, zejména při použití páry coby stlačené vzdušiny, beztlakovým prostorem 6 může být zařízení k jímání vyfouknuté páry za účelem jejího dalšího využití. Po dosažení dolní úvrati píst 2 pokračuje v důsledku setrvačnosti s ním spřaženého klikového mechanismu 4 v pohybu směrem k horní úvrati (obr. 1, 5, 9). Při tomto pohybu jsou jak beztlakový kanál 15, tak tlakový kanál 13, resp. přestupní kanál 14 uzavřeny. Po dosažení homí úvrati se pracovní prostor 3 opět po napojení na tlakový prostor 5 naplní stlačenou vzdušinou a celý cyklus se opakuje.

Popsaný pohybový cyklus vychází z polohy pístu 2 jedno válcového motoru v homí úvrati. Při poloze pístu 2 jinde než v homí úvrati lze u tohoto typu jedno válcového motoru dosáhnout jeho rozběhu pomocným pohybovým impulsem s libovolným smyslem otáčení. Motor totiž pracuje v obou smyslech otáčení. I u víceválcového motoru je účelné opatřit jej startovacím zařízením, protože nemusí být zaručeno, že klidová poloha aspoň jednoho pístu 2 bude totožná s horní úvrátí.

Průmyslová využitelnost

Objemový pístový stroj s rozvodovým systémem podle vynálezu nalezne uplatnění v širokém výkonovém rozmezí. Může být totiž použit jak pro průmyslové aplikace, zejména při víceválcovém uspořádání, tak i např. jako jedno válcový motor o rozměrech v řádu centimetrů, např. pro pohon leteckých modelů. Jeho průmyslové aplikace jsou předurčeny zejména do prostředí, kde lze využít jednak skutečnosti, že neprodukuje spaliny, jiskření ani elektromagnetické záření a jednak toho, že je funkční v jakékoliv poloze. To znamená, že válec (1), resp. jeho válce (1) mohou mít svislou, vodorovnou, ale i šikmou polohu, což umožňuje i sestavu válců (1) v hvězdicovém uspořádání. V reverzním režimu, tj. je-li poháněn cizím zdrojem kroutícího momentu, může stroj pracovat jako kompresor, kdy z beztlakového prostoru (6) se odebírá vzdušina určená ke stlačování, jež se ve stlačené formě dodá do tlakového prostoru (5).

Claims (7)

1. Patentové nároky

   1. Rozvodový systém vzdušinového objemového pístového stroje, jenž obsahuje alespoň jeden dutý válec (1), uzavřený na jednom konci hlavou (11), a ve válci (1) v rozsahu mezi horní úvratí a dolní úvratí suvně uložený píst (2), který je spřažen na straně odvrácené od hlavy (11) válce (1) přes klikový mechanismus (4) s rotačním hřídelem (43), přičemž mezi vrcholem (22) pístu (2) a hlavou (11) válce (1) je vytvořen pracovní prostor (3), jehož objem je v horní úvrati minimální, zatímco v dolní úvrati maximální a pracovní prostor (3) je spojen v horní úvrati s tlakovým prostorem (5), uzpůsobeným pro stlačenou vzdušinu, a v dolní úvrati s beztlakovým prostorem (6), vyhrazeným pro nestlačenou vzdušinu, vyznačující se tím, že ve stěně (12) válce (1) je vyhotoven tlakový kanál (13), jehož první konec (131) je upraven pro napojení na tlakový prostor (5) a jehož druhý konec (132) je vyveden k boku (21) pístu (2), jenž je opatřen průtokovou soustavou upravenou tak, že při poloze pístu (2) v horní úvrati je druhý konec (132) tlakového kanálu (13) propojen s pracovním prostorem (3).
2. 2. Rozvodový systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že průtoková soustava je tvořena trubicí (23) vedenou v pístu (2) od prvního ústí (231), vyhotoveného na boku (21) pístu (2), k druhému ústí (232), vyhotovenému na vrcholu (22) pístu (2), přičemž při poloze pístu (2) v horní úvrati je první ústí (231) trubice (23) v zákrytu s druhým koncem (132) tlakového kanálu (13).
3. 3. Rozvodový systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že průtoková soustava je tvořena v pístu (2) uzavřenou komorou (24), na niž jsou napojeny jednak ve směru osy pístu (2) na boku (21) pístu (2) provedená štěrbina (241), která je zaústěna proti druhému konci (132) tlakového kanálu (13), a jednak průchozí kanál (242), zaústěný ke stěně (12) válce (1), v kterémžto válci (1) je vytvořen přestupní kanál (14), jehož první vyústění (141) je upraveno v horní části pracovního prostoru (3) a jehož druhé vyústění (142) je při poloze pístu (2) v horní úvrati v zákrytu s průchozím kanálem (242).
4. 4. Rozvodový systém podle nároku 3, vyznačující se tím, že první vyústění (141) přestupního kanálu (14) je upraveno v hlavě (11) válce (1).
5. 5. Rozvodový systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že při poloze pístu (2) v dolní úvrati je první ústí (231) trubice (23) vyústěno do beztlakového prostoru (6).
6. 6. Rozvodový systém podle nároku 5, vyznačující se tím, že první ústí (231) trubice (23) je vyvedeno do volného prostoru pod stěnou (12) válce (1).
7. 7. Rozvodový systém podle jednoho z nároků 2 a 3, vyznačující se tím, Že ve stěně (12) válce (1) je vytvořen beztlakový kanál (15), vyvedený do beztlakového prostoru (6) a při poloze pístu (2) v dolní úvrati napojený na pracovní prostor (3).