RU1772544C - Поршневой микродетандер - Google Patents

Description

1

(21)4736443/06 (22)11.09.89 (46)30.10.92. Бюл. №40

(71)Специальное конструкторско-техноло- гическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-техниче- кого института низких тимператур АН УССР

(72)А.В.Борисенко и В.Н.Замошников (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 1245817, кл. D 25 В 9/00. 1984.

2.Авторское свидетельство СССР № 1041828, кл. F 25 В 9/00. 1982.

3.Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники, ч. II. М.: Легка  и пищева  промышленность, 1982, с. 75, рис. 111-29.

(54) ПОРШНЕВОЙ МИКРОДЕТАНДЕР (57) Использование1 микрокриогенна  техника , бесклапанные поршневые микродетандеры . Сущность изобретени : кривошипный вал выполнен с косым коленом и соединен с крейцкопфом посредством карданной передачи, а окна поршн  выход т в криволинейные канавки, которые выполнены на цилиндрической поверхности поршн . 5 ил.

Изобретение относитс  к криогенной технике, в частности к бесклапанным поршневым микродетандерам, например к генераторам холода в микросистемах.

Известна поршнева  машина, содержаща  цилиндр с поршнем, кривошипный вал с шатуном, золотниковый механизм газораспределени , дифференциальный механизм и рычаги управлени  газораспределением 1.

Недостатками  вл ютс  сложность конструкции и пониженный изоэнтропический

кпд

Известна криогенна  газова  машина, содержаща  цилиндр, поршень с газораспределительным узлом, св занным через поперечную штангу с механизмом перемещени , и сильфон 2

Машина имеет низкие ресурс работы и изоэнтропический КПД

СП

с

Прототипом  вл етс  поршневой бесклапанный микродетандер с кривошипно- шатунным механизмом, содержащий картер, соединенный с направл ющим цилиндром , тормозной генератор на кривошипном валу и расширительное устройство в виде цилиндра, золотника с впускными и выпускными окнами и поршн  в нем с осевым и радиальными отверсти ми, св занного полым штоком с крейцкопфом, шарнирно св занным шатуном с кривошипным валом 3.

Недостатком  вл етс  пониженный (до 55%) изоэнтропический КПД вследсткир уменьшени  пэлноты индикаторной диаграммы , т.е. рабочего расширени , за счет увеличени  мертвого объема рабочей полости и повышенных утечек газа через большое количество впускных и выпускных окон.

VJ Х|

ю ел

N

Целью изобретени   вл етс  повышение изоэнтропического КПД путем обеспечени  полноты индикаторной диаграммы.

Эта цель достигаетс  тем, что в поршневом микродетандере, содержащем картер с тормозным генератором, установленным на кривошипном валу, и расширительное устройство в виде цилиндра с впускными и выпускными окнами и поршн  в нем, на цилиндрической поверхности которого имеютс  радиальные, а на торцевой - осевое отверсти , соединенного с крейцкопфом, установленным в направл ющем цилиндре и шарнирно св занным шатуном с кривошипным валом, на цилиндрической поверхности поршн  выполнены криволинейные канавки, проход щие через радиальные отверсти  поршн , ось колена кривошипного оала с осью коренных шеек образует угол 90° ух 180°, на колене с возможностью вращени  установлена втулка, крейцкопф установлен в направл ющем цилиндре также с возможностью вращени  и соединен с кривошипным валом посредством карданной передачи, один шарнир которой соедин ет крейцкопф с шатуном, а другой-шатун с втулкой, ось которого перпендикул рно пересекает ось колена на рассто нии R 0 от оси коренных шеек кривошипно.г вала.

Сущность H3n6rjTenH пг сн  тсг iep тем чми, где пафиг. 1 схемат р гопзобр.джев оощч 1 вид уст|.йства на Јиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. L - разрез Б-ь на фиг. 1; нафи. 4- положенье поршн  в цилиндре через каждые йгу° поворота кривошиш-1 jro вале и полох°ниг. в скннх и очг ных каналов относь 1вльно оком на фиг.Ь - индикатор .- а  циаграмма и диаграмма распределени 

Поршчег ч- микродегандер содержи ьстроенный тормозной генератор 1, кор. ус I которого выполнен заодно с картером 3,

КрИВОШИПНО-ШсТун.НЫ №v-4sn ИЗМ С ПООП1вовесог , 4, преобразующий возврат но-.ю- ступагсльноо движение поршн  5 в враилтельное движение кривошип и ;го вг ла 6, а ьращательное движение кривоши1. ного ьала 6 з неполнопс-орптноз движение- поршн  5относительно продольной егпосч и pact чтрительное устройс, во .и р озмои генератор 1 состоит ьо сепарэтхпа 8, зь прессованного в корг с 2, п дшипни, овою щита. 9, радиальных подшипников 10, ротора 1 ,установленного н кривошипном залу 6 с крииоиипно-шат умного м хзнизма. Ось колена 12 f осью коренных ojeeK вала Ь образует угол 90° - р 180° равны; половине максимального угла ограниченного поворота поршн  5. Кривошипно-шатунный механизм размещен в картере 3 с крышкой 13, соединенном с направл ющим цилиндром 14, и его кривошип 12 снабжен втулкой

15 с двум  оппозитными шипами 16, установленной с возмжностью вращени  на колене , например, через радиально-упорные подшипники 17 (фиг, 2).

Точка пересечени  общей оси шипов 16

и оси отверсти  втулки 15 лежит на оси кривошипа 12 на рассто нии R & 0 от оси коренных шеек вала 6, равном половине хода поршн  5, и описывает при вращении кривошипного вала 6 окружность, плоскость которой лежит на оси отверсти  направ- л ющего цилиндра 14. Крейцкопф 18 установлен в направл ющем цилиндре 14 также с возможностью вращени , например , через линейный шарикоподшипник 19,

содержащий рубашку-кольцо 20, шарики 21 и сепаратор 22, и соединен с кривошипным валом 1 посредством карданной передачи, один карданный шарнир которой соедин ет крейцкопф 18 с шатуном 23, а другой - шатун 23 с втулкой 15, обща  ось которого перпендикул рно пересекает ось колена 12 на рассто нии R з4 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, соединенных с щипамл 26 крестовины при помощи игольчатых подшипников 27 с ролиьамч 28, закрепленных пружинными кольца л 29 Соединение шатуна 23 с втулкой 15

включает колено 12 крмаошипного вала 6 с установленной на нем втулкой 15 и вилку 30 шатуна 23, соединенную с шипами 16 зтул- ки 15 игольчатыми подшипниками 31 с ро- ликэми 32, закрепленными пружинными

кольцами 33. Расширительное устройство 7 состоит из цилинлра 34 с впускными 35 и выпускными 36 окнами, поршн  5 в нем, на цилиндрической поверхности которого вы- полнены радиальное 37, а на торцевой осевые 38 отверсти , и юнкостеннй трубы 39, герметично соедин ющей цилиндр 34 с натравл ющим цилиндром 14. Поршень 5 о абжен криволинейными канавками 0 и 41, нарезанными на цилиндрической поверюности по кривым - следам окон 35 и 36 (фиг. Q; на участках, сзотзетствующих участкам диаграммы газораспределени  детандера с клапанш м газораспределением (фиг. 5). Поршень F и крейцкопф 18 соединены по/ibiM тонкостенным штоком 42. Впускные 35 и выпускные 36 окна должны быть расположены на равных рассто ни х по окружности Цилиндр 34 должен содержать не менее мвух впускных 35 и не менее двух выпускных

36 окон, смещенных на 90° относительно друг друга.

Микродетандер работает следующим образом. Кривошипно-шатунный механизмы 4 преобразует возвратно-поступатель- ное движение поршн  5 во вращательное движение кривошипного вала 6, при этом точка пересечени  общей оси шипов 16 с сью отверсти  втулки 15 описывает окружность радиуса R, равного половине хода поршн  5, а косое колено 12 и ось вращени  втулки 15 описывает коническую поверхность , вершина которой лежит на общей оси коренных шеек кривошипного вала 6 с углом р между образующей конуса и осью вращени  кривошипного вала 6. При этом вращательное движение кривошипного вала 6 преобразуетс  в ограниченно-поворт- ное движение поршн  5 относительно продольной оси поршн  5 с амплитудой, равной . в результате чего поршень 5 совершает сложное возвратно-поступательное и ограничен- но-поворотное гармоническое движение в цилиндре 34. Текущий угол поворота поршн  5 равен проекции угла р на плоскость, перпендикул рную продольной оси поршгн  5. При положении поршн  5 в ВМТ (фиг. 4) и НМТ угол р ограниченного поворота поршн  5 равен нулю. По ходу движени  от ВМТ до НМТ поршень 5 поворачиваетс  в цилиндре 34 в одну сторону , угол поворота сначала увеличиваетс  от нул  до максимального значени  в среднем положении поршн  5 в цилиндре 34, а затем обратно уменьшаетс  до нул . По ходу движени  от НМТ до ВМТ поршень 5 поворачиваетс  в цилиндре 34 в другую сторону , угол поворота также сначала увеличиваетс  от нул  до максимального значени  в среднем положении поршн  5 в цилиндре 34, а затем обратно уменьшаетс  до нул . Направление ограниченного поворота поршн  5 зависит от направлени  вращени  кривошипного вала 6. При таком сложном движении поршн  5 в цилиндре 34 каждое впускное окно 35 и каждое выпускное окно 36 оставл ют на поверхности поршн  5 кривую (след), близкую по форме к эллипсу. Кривошипные канавки 40 и 41 совмещаютс  при этом с впускными 35 и выпускными 36 окнами и осуществл ют газораспределение согласно диаграмме газораспределени  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 находитс  в ВМТ (в точке 1), кривошипный вал 6 вращаетс  по часовой стрелке . При повороте вала 6 на угол 55° поршень 5 перемещаетс  в точку 2, впускные каналы 38 (фиг. 4) совмещены с впускными окнами

35, газ поступает в цилиндр 34 под давлением Pt и в цилиндре 34 устанавливаетс  более низкое давление Р2 вследствие гидравлического сопротивлени , а температура Та равна температуре смещени  посту0 лающего газа с остаточным. В точке 2 происходит отсечка впуска газа в цилиндр 34. При повороте вала 6 на угол 55-168° поршень 5 перемещаетс  в точку 3, происходит расширение газа, давление понижа5 етс  до Рз, температура газа адиабатически понижаетс  до температуры Тз, В точке 3 выпускные канавки 41 соедин ютс  с выпускными окнами 36, происходит истечение холодного газа со звуковой скорстью из ци0 линдра 34, к приходу поршн  5 в НМТ при повороте вала 6 на угол 180° давление газа понижаетс  до а температура до ТА. При повороте вала 6 на угол 180-293° поршень 5 приходит в точку 5 и вытесн ет холодный

5 газ из цилиндра 34 при давлении Ps и температуре Т« Ts. В точке 5 происходит отсечка выпуска газа из цилиндра 34, При вращении вала б на угол 293-355° поршень 5 перемещаетс  в точку 6, сжима  остав0 шийс  в цилиндре 34 газ до давлени  PG, температура газа адиабатически повышаетс  до Те. В точке 6 впускные канавки 40 соедин ютс  с впускными окнами 35, газ поступает в цилиндр 34 и к приходу поршн 

5 5 в ВМТ (в точку 1) при повороте вала 6 на 360° давление в цилиндре 34 повышаетс  до Pi, температура газа равна температуре Ti смешени  поступившего газа с остаточным. Далее процесс декомпримировани  газа и

0 генерации холода в цилиндре 34 повтор етс .

Шатунно-кривошипный механизм 44 с косым коленом 12 выполн ет дополнительную функцию - функцию газораспредели5 тельного механизма, а поршень 5 совмещает при этом и функцию поворотного золотника за счет ограниченно-поворотного движени  поршн  5 в цилиндре 34 с амплитудой, равной 2 р - удвоенному углу

0 между осью косого колена 12 и общей осью коренных шеек кривошипного вала 66. Это позвол ет осуществить газораспределение детандера, аналогичное клапанному газораспределению , уменьшить суммарные

5 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 поршн  диамет- ром 10 мм уменьшаетс  с 20 до 10 мм при

Claims (1)

1. одних и тех же давлении впуска, давление выпуска и холодопроизводительности, при одной и той же температуре криостатирова- ни . Все это позвол ет также уменьшить массу микрокриогенной системы на 5-7,5%, Формула изобретени  Поршневой микродеталдер, содержащий картер с тормозным генератором, уста- новленным на кривошипном валу, и расширительное устройство в виде цилиндра с впускными и выпускными окнами и поршн  в нем, на цилиндрической поверхности которого имеютс  радиальные, а на торцевой - осевые отверсти , соединенные с крейцкопфом, установленным в направл ющем цилиндре и шарнирно св занным шатуном с кривошипным валом, отличающийс  тем, что, с целью повышени 

   N 2

   6 toa/ 4f

   0

   5

   изоэнтропического КПД путем обеспечени  полноты индикаторной диаграммы, на цилиндрической поверхности поршн  выполнены криволинейные канавки, проход щие через радиальные отверсти  поршн , ось колена кривошипного вала с осью коренных шеек образует угол 90° р 180°, на колене с возможностью вращени  установлена втулка, крейцкопф установлен в направл ющем цилиндре также с возможностью вращени  и соединен с кривошипным валом посредством карданной передачи, шарниры которого - один соедин ет крейцкопф с шатуном, а другой - шатун с втулкой, обща  ось которого перпендикул рно пересекает ось колена на рассто нии R 0 от оси коренных шеек кривошипного вала.

   а

   II

   s

   V-V

   t SZAil

   SB

   «О .

   «эг

   8L

   рГ

   Фиг. 5