RU2320940C2 - Способ изготовления криогенного охладителя и криогенный охладитель, изготовленный этим способом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам изготовления криогенных охладителей, применяемых в миниатюрных газовых криогенных машинах, работающих по замкнутому обратному циклу Стирлинга. Способ изготовления криогенного охладителя, содержащего перемещающийся в гильзе вытеснитель с гибким газонепроницаемым сцеплением соосно расположенных узлов, включает последовательную сборку узлов вытеснителя, герметичное соединение их гибким газонепроницаемым звеном сцепления и сборку криогенного охладителя. Гибкое газонепроницаемое звено сцепления выполняют в виде трубки из материала, обладающего ползучестью при нагреве. Криогенный охладитель в сборе нагревают до температуры ползучести материала трубки и выдерживают необходимое время для снятия напряжений в трубке вследствие ползучести материала. Криогенный охладитель содержит гильзу с теплым и холодным концами, втулку и направляющую, перемещающийся в гильзе вытеснитель, включающий корпус регенератора с теплообменной насадкой и поршень со штоком, имеющий с направляющей щелевое уплотнение, который соединен с корпусом регенератора гибким газонепроницаемым звеном сцепления. Техническим результатом является расширение диапазона эксплуатационных температур криогенного охладителя, повышение его надежности и эффективности. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Группа изобретений относится к криогенной технике, а именно к способам изготовления и устройствам криогенных охладителей, применяемых в миниатюрных газовых криогенных машинах раздельного типа, работающих по замкнутому обратному циклу Стирлинга, которые предназначены для охлаждения в оптико-электронной аппаратуре инфракрасных детекторов и датчиков фотоприемных устройств.

Известен способ изготовления криогенного охладителя, в котором соосно расположенные узлы вытеснителя жестко соединены между собой (см. патент США №5,351,490, кл. F25B 9/14, опубл. 10.04.1994 г.), включающий точную механическую обработку гильзы и вытеснителя для обеспечения их прямолинейности и последующую их прецизионную сборку с фиксацией вытеснителя упругими элементами. Недостатком этого способа является высокая стоимость изготовления, обусловленная высокой точностью выполнения прямолинейности гильзы и вытеснителя, а также высокой точностью сборки. Отклонения от прямолинейности выполнения гильзы и вытеснителя, а также их деформации при изменении температур приводят к трению вытеснителя о гильзу, что снижает его эффективность, надежность, уменьшает диапазон эксплуатационных температур.

Известен криогенный охладитель, в котором вытеснитель имеет жестко соединенный с корпусом регенератора и со штоком поршень с отверстием для прохода газа в корпус регенератора. Поршень имеет щелевое уплотнение с направляющей и связан с корпусом охладителя пружинами, исключающими его вращение (см. патент США №5,351,490, кл. F25B 9/14, опубл. 10.04.1994 г.). Для компенсации отклонений прямолинейности гильзы и вытеснителя в этом криогенном охладителе приходится увеличивать зазоры в щелевых уплотнениях поршня и штока. Увеличенные зазоры увеличивают перетечки рабочего газа в уплотнениях, которые снижают эффективность криогенного охладителя. Деформации гильзы и вытеснителя при изменении температуры могут приводить к трению вытеснителя о гильзу, что уменьшает диапазон эксплуатационных температур и надежность его работы.

Известен способ изготовления криогенного охладителя, в котором поршень, имеющий щелевое уплотнение с направляющей, жестко соединен с теплым концом корпуса регенератора и имеет подвижное соединение со штоком (см. патент США №5,966,936, кл. F25B 9/14, опубл. 19.10.1999 г.). Способ включает точную механическую обработку гильзы и вытеснителя, обеспечивающую их прямолинейность, соединение штока с поршнем гибким соединением и последующую их сборку. Недостатком этого способа является высокая стоимость изготовления, обусловленная высокой точностью выполнения прямолинейности гильзы и вытеснителя.

Отклонения от прямолинейности выполнения гильзы и вытеснителя, а также их деформации при изменении температур приводят к трению вытеснителя о гильзу, что снижает его эффективность, надежность, уменьшает диапазон эксплуатационных температур.

Известен охладитель, содержащий вытеснитель, в котором поршень, имеющий щелевое уплотнение с направляющей, жестко соединен с теплым концом корпуса регенератора и имеет подвижное соединение со штоком (см. патент США №5,146,124, кл. Н02К 33/16, опубл. 09.08.1992 г.). Так же известен охладитель, содержащий вытеснитель, в котором поршень, имеющий щелевое уплотнение, жестко соединен с теплым концом корпуса регенератора и имеет гибкое соединение со штоком (см. патент США №5,966,936, кл. F25В 9/14, опубл. 19.10.1999 г.). В этих охладителях существенно уменьшен зазор между штоком и втулкой, но для компенсации отклонений прямолинейности гильзы и вытеснителя приходится увеличивать зазор в щелевом уплотнении поршня, что снижает эффективность охладителя. Для уменьшения зазоров требуется высокая точность изготовления прямолинейности гильзы и вытеснителя, повышающая стоимость охладителя. К недостаткам следует отнести сложность и ненадежность подвижного или гибкого соединения штока с поршнем. Деформации гильзы и вытеснителя при изменении температуры могут приводить к трению вытеснителя о гильзу, что уменьшает диапазон эксплуатационных температур и надежность его работы.

Известен охладитель с вытеснителем, содержащий на теплом конце гильзы цилиндрическую направляющую с отверстиями, которая образует с поршнем щелевое уплотнение (см. патент США №4,543,792, кл. F25В 9/00, опубл. 10.01.1985 г.). Так же известен охладитель с вытеснителем, содержащий цилиндрическую направляющую с отверстиями, которая герметично соединена с теплым концом гильзы, выполнена заодно с втулкой и образует с поршнем и со штоком щелевые уплотнения (см. патент США №5,036,670, кл. F25B 9/00, опубл. 08.06.1991 г.). Недостатком является то, что щелевой канал между направляющей и корпусом не имеет достаточной поверхности теплообмена, а это приводит к разогреву рабочего газа в корпусе охладителя. Разогрев рабочего газа снижает эффективность работы охладителя и вызывает изменение зазора в щелевом уплотнении поршня за счет разной температуры нагрева поршня и направляющей. Поршень полностью находится в газовой среде и принимает температуру рабочего газа. В то время как направляющая, имея малую поверхность теплообмена с рабочим газом и хороший контакт с корпусом охладителя, который имеет большую поверхность теплообмена с окружающей средой, принимает температуру, близкую к температуре корпуса и окружающей среды. Компенсировать изменение зазора в щелевом уплотнении поршня приходится за счет увеличения этого зазора, что так же уменьшает холодопроизводительность охладителя, снижая его эффективность. Либо, чтобы не увеличивать зазор, необходимо применять для изготовления поршня и направляющей специальные материалы с малыми температурными деформациями, например керамику, что повышает стоимость охладителя. Деформации гильзы и вытеснителя при изменении температуры могут приводить к трению вытеснителя о гильзу, что уменьшает диапазон эксплуатационных температур и надежность его работы.

Известен охладитель с вытеснителем, в котором корпус регенератора на холодном конце имеет конусную вставку, уменьшающую объем регенератора и позволяющую уменьшить мощность источника переменного давления (компрессора) за счет снижения его производительности (см. патент Японии №4-124,561, кл. F25B 9/14, F25B 9/00, опубл. 24.04.1992 г.). К недостаткам следует отнести применение для заполнения конусной втулки насыпной насадки, которая по своим рабочим характеристикам уступает насадке в виде проволочной сетки и снижает холодопроизводительность охладителя, снижая его эффективность. В этом охладителе вследствие жесткого соединения поршня с корпусом регенератора зазор в щелевом уплотнении поршня приходится увеличивать для компенсации отклонений прямолинейности гильзы и вытеснителя, что так же снижает его эффективность. Деформации гильзы и вытеснителя при изменении температуры могут приводить к трению вытеснителя о гильзу, что уменьшает диапазон эксплуатационных температур и надежность его работы.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений по совокупности признаков является способ изготовления криогенного охладителя, содержащего перемещающийся в гильзе вытеснитель с гибким газонепроницаемым звеном сцепления соосно расположенных узлов. Способ включает последовательную сборку узлов вытеснителя, герметичное соединение их гибким газонепроницаемым звеном сцепления и установку вытеснителя в криогенный охладитель (см. патент США №4505119 А, кл. F25B 9/00, опубл. 19.03.1985 г.), принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе требуется высокая точность выполнения прямолинейности гильзы и вытеснителя. Для обеспечения прямолинейности вытеснителя требуется высокая точность изготовления звена сцепления и высокая точность соединения узлов вытеснителя этим звеном.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений по совокупности признаков является криогенный охладитель, содержащий гильзу с теплым и холодным концами, втулку и направляющую, перемещающийся в гильзе вытеснитель. Вытеснитель включает корпус регенератора с теплообменной насадкой и поршень со штоком, имеющий щелевое уплотнение с направляющей. Поршень соединен с корпусом регенератора гибким газонепроницаемым звеном сцепления (см. патент США №4505119 А, кл. F25B 9/00, опубл. 19.03.1985 г.), принят за прототип.

К причинам, препятствующим повышению эффективности названного охладителя и надежности его работы в широком диапазоне эксплуатационных температур, относится то, что в известном охладителе гибкое звено сцепления обладает переменной упругостью за счет уплотнительного кольца из эластомерного материала, расположенного в соединении, жесткость которого сильно зависит от температуры. Так как вытеснитель и гильза могут иметь отклонения прямолинейности, а уплотнительное кольцо - отклонения формы, то при малых зазорах в щелевых уплотнениях поршня и штока в звене сцепления возникают силы реакции, зависящие от жесткости уплотнительного кольца. Эти силы реакции вызывают увеличение радиальных сил и сил трения в уплотнениях поршня и штока, а также между гильзой и холодным концом корпуса регенератора, что приводит к снижению эффективности криогенного охладителя и надежности его работы. Уменьшить силы трения можно за счет повышения точности выполнения прямолинейности гильзы и прямолинейности вытеснителя, что увеличивает стоимость криогенного охладителя.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании недорогого, надежного, эффективного криогенного охладителя, работоспособного в широком диапазоне эксплуатационных температур. Проблема состоит в том, что для повышения эффективности криогенного охладителя нужно уменьшить зазоры в щелевых уплотнениях поршня и штока вытеснителя и увеличить длину гильзы и вытеснителя. При этом для повышения надежности работы криогенного охладителя необходимо максимально уменьшить трение вытеснителя в щелевых уплотнениях и в гильзе, что обеспечивается высокой точностью выполнения их прямолинейности, обусловливающей высокую стоимость криогенного охладителя. Применение для соединения узлов вытеснителя поршня с корпусом регенератора гибкого газонепроницаемого звена сцепления позволяет снизить точность выполнения прямолинейности гильзы и вытеснителя. Однако, из-за упругости уплотнительного кольца из эластомерного материала, жесткость которого сильно зависит от температуры, не удается максимально повысить эффективность криогенного охладителя, а так же расширить диапазон эксплуатационных температур, так как силы реакции в звене сцепления вызывают трение вытеснителя в гильзе и в щелевых уплотнениях поршня и штока.

Технический результат заключается в расширении диапазона эксплуатационных температур криогенного охладителя, повышении его надежности и эффективности.

Указанный единый технический результат при осуществлении групп изобретений по объекту-способу достигается тем, что в известном способе изготовления криогенного охладителя, содержащего перемещающийся в гильзе вытеснитель с гибким газонепроницаемым звеном сцепления соосно расположенных узлов, включающем последовательную сборку узлов вытеснителя, герметичное соединение их гибким газонепроницаемым звеном сцепления и сборку криогенного охладителя, особенность заключается в том, что гибкое газонепроницаемое звено сцепления выполняют в виде трубки из материала, обладающего ползучестью при нагреве, криогенный охладитель в сборе нагревают до температуры ползучести материала трубки и выдерживают необходимое время для снятия напряжений в трубке вследствие ползучести материала.

Кроме того, особенность способа изготовления криогенного охладителя заключается в том, что трубку малой жесткости выполняют из фторопласта или материала на его основе, криогенный охладитель в сборе нагревают до температуры (100-250)°С.

Это существенно расширяет диапазон температур эксплуатации криогенного охладителя.

Выполнение газонепроницаемого звена сцепления в виде трубки малой жесткости из материала, работоспособного в широком диапазоне температур, обладающего ползучестью при нагреве, и осуществление этого нагрева после сборки криогенного охладителя приводят к тому, что в трубке, которой соединяют узлы вытеснителя, происходит снятие напряжений. Это способствует уменьшению изгибных напряжений в звене сцепления и уменьшает радиальные силы в местах трения вытеснителя о гильзу и в направляющей.

Повышается надежность работы криогенного охладителя, его эффективность, снижается стоимость изготовления.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству, достигается тем, что в известном криогенном охладителе, содержащем гильзу с теплым и холодным концами, втулку и направляющую, перемещающийся в гильзе вытеснитель, включающий корпус регенератора с теплообменной насадкой и поршень со штоком, имеющий с направляющей щелевое уплотнение, который соединен с корпусом регенератора гибким газонепроницаемым звеном сцепления, особенность заключается в том, что криогенный охладитель содержит корпус с дополнительным объемом, соединенный с теплым концом гильзы, втулка и направляющая расположены между дополнительным объемом и теплым концом гильзы, в корпусе и направляющей выполнены отверстия, сообщающие объем в гильзе с компрессором, поршень имеет отверстие для прохода газа в корпус регенератора и жестко соединен со штоком, который проходит через втулку в дополнительный объем и имеет с ней щелевое уплотнение, вытеснитель соединен с неподвижными частями криогенного охладителя элементами, исключающими его вращение, а гибкое газонепроницаемое звено сцепления выполнено в виде трубки малой жесткости из материала, обладающего ползучестью при нагреве, при этом для снятия внутренних напряжений в трубке собранный криогенный охладитель нагревают до температуры ползучести материала, из которого выполнена трубка малой жесткости и выдерживают необходимое время.

Кроме того, особенность криогенного охладителя заключается в том, что для закрепления концов трубки малой жесткости корпус регенератора и поршень имеют расточенные отверстия, концы трубки на внешней поверхности имеют хотя бы по одному выступу, а расточенные отверстия, в которых она закрепляется, имеют соответствующие выступам канавки, при этом во внутреннем отверстии трубки напротив выступов расположены упругие элементы, плотно прижимающие трубку к стенкам расточенных отверстий.

Это повышает надежность соединения узлов вытеснителя.

Кроме того, особенность криогенного охладителя заключается в том, что поршень имеет расточенное отверстие, корпус регенератора выполнен с занижением диаметра на конце, при этом трубка имеет телескопическую форму, конец меньшего диаметра которой закрепляется в расточенном отверстии поршня, а конец большего диаметра имеет удлинение, заполненное теплообменной насадкой, диаметр которой больше диаметра теплообменной насадки в корпусе регенератора и плотно охватывает конец корпуса регенератора.

Это позволяет уменьшить объем регенератора и гидравлическое сопротивление теплообменной насадки, что способствует увеличению эффективности криогенного охладителя.

Жесткость кольца из эластомерного материала значительно зависит от температуры. Исключение кольца из узла сцепления вытеснителя и применение для соединения узлов вытеснителя трубки малой жесткости из материала, работоспособного в широком диапазоне температур, например фторопласт-4, расширяет диапазон рабочих температур криогенного охладителя. Дополнительно материал трубки обладает ползучестью при нагреве и позволяет за счет нагрева криогенного охладителя в сборе снять напряжения в трубке, возникающие от погрешностей выполнения прямолинейности вытеснителя и гильзы. Это существенно уменьшает трение в щелевых уплотнениях поршня и штока, между вытеснителем и гильзой. Соединение вытеснителя с неподвижными частями криогенного охладителя элементами, исключающими его вращение, позволяет удерживать вытеснитель в гильзе в том положении, в котором сняты напряжения в узле сцепления, это повышает эффективность криогенного охладителя и надежность его работы, уменьшает его стоимость.

Кроме того, особенность криогенного охладителя заключается в том, что направляющая выполнена в виде продолжения теплого конца гильзы, расположенного в корпусе криогенного охладителя с зазором, в котором образуется кольцевой щелевой канал для прохода газа, сообщающийся через отверстия в направляющей с объемом в гильзе и через отверстие в корпусе - с компрессором.

Кольцевой щелевой канал позволяет за счет достаточной поверхности теплообмена снизить температуру рабочего газа в теплом объеме гильзы, это повышает эффективность криогенного охладителя. Дополнительно за счет активного теплообмена рабочего газа с направляющей, ее температура выравнивается с температурой поршня, что способствует стабильности зазора в кольцевом щелевом канале даже без применения специальных материалов с малым коэффициентом линейного расширения, что повышает надежность работы криогенного охладителя и расширяет диапазон его эксплуатационных температур.

Кроме того, особенность криогенного охладителя заключается в том, что на конце штока в дополнительной полости закреплена опора, а исключающие вращение вытеснителя элементы выполнены в виде двух винтовых цилиндрических пружин сжатия, одна из которых установлена между опорой и втулкой, а другая - между втулкой и поршнем.

Заявленная группа изобретений (см. пп.1,3 формулы изобретения) соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ изготовления криогенного охладителя предназначен для изготовления другого заявленного объекта группы - криогенного охладителя, при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата. Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений, как для объекта-способа, так и для объекта-устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для устройства, характеризующиеся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для способа, так и для устройства - как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата. В частности, в каждом из объектов заявленной группы изобретений не предусматриваются следующие преобразования:

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию «изобретательский уровень».

На чертежах представлено устройство в заявленной группе изобретений, где на фиг.1 изображен в разрезе общий вид криогенного охладителя. На фиг.2 изображен в разрезе тот же криогенный охладитель, содержащий вытеснитель с гибким газонепроницаемым звеном сцепления в виде трубки телескопической формы, цилиндрическую направляющую с отверстиями и кольцевой щелевой канал. На фиг.3 изображен вариант закрепления конца трубки.

Заявленная группа изобретений по объекту-способу осуществляется следующим образом.

При изготовлении тонкостенной длинной гильзы криогенного охладителя жестких требований к выполнению ее прямолинейности не предъявляется. Узлы вытеснителя, корпус регенератора и поршень со штоком выполняют окончательно и соединяют трубкой малой жесткости из материала, обладающего ползучестью при нагреве. Вытеснитель соединяют с неподвижными частями криогенного охладителя элементами, исключающими его вращение, например пружинами сжатия, и устанавливают в гильзу. Так как гильза и вытеснитель имеют отклонения от прямолинейности, то в трубке малой жесткости, вследствие деформации вытеснителя по гильзе, возникают силы реакции (напряжения), вызывающие увеличение радиальных сил в уплотнениях поршня и штока, а так же между гильзой и холодным концом корпуса регенератора. Собранный криогенный охладитель нагревают до температуры ползучести материала, из которого выполнена трубка малой жесткости, и выдерживают необходимое время для снятия напряжений в названной трубке вследствие ползучести материала. Тем самым уменьшают радиальные силы в уплотнениях поршня и между гильзой и корпусом регенератора, уменьшается трение вытеснителя. Это позволяет уменьшить стоимость криогенного охладителя, так как уменьшается точность выполнения прямолинейности гильзы, а точность взаимного расположения узлов вытеснителя формируется в гильзе простой операцией нагрева.

Трубка малой жесткости может быть выполнена из фторопласта или материала на его основе, при этом напряжения в ней могут сняты нагревом вытеснителя в сборе с криогенным охладителем до температуры (100-250)°С.

Заявленная группа изобретений по объекту-устройству осуществляется следующим образом.

Криогенный охладитель (см. фиг.1) имеет гильзу 1 с теплым концом 2 и холодным концом 3, корпус 4 с дополнительным объемом 5, соединенный с теплым концом гильзы, направляющую в виде продолжения теплого конца гильзы и втулку 6, расположенные между дополнительным объемом и теплым концом гильзы, отверстие 7, расположенное в корпусе и сообщающее теплый объем 8 в гильзе с компрессором газовой криогенной машины (не показан). В гильзе с возможностью осевого перемещения расположен вытеснитель, который включает корпус 9 регенератора с теплообменной насадкой 10, сообщающий холодный объем 11 в гильзе с теплым, и поршень 12, жестко соединенный со штоком 13, проходящим через втулку в дополнительный объем. Поршень имеет щелевое уплотнение 14, отверстие 15 для прохода газа в корпус регенератора и соединен с корпусом регенератора гибким газонепроницаемым звеном сцепления в виде трубки 16, направляющей газ из отверстия в поршне в корпус регенератора. Трубка герметично соединена с поршнем и с корпусом регенератора, обладает малой жесткостью, а материал трубки обладает ползучестью при нагреве. Вытеснитель соединен с неподвижными частями криогенного охладителя элементами 17, которые удерживают его от вращения, допуская осевое возвратно-поступательное перемещение в гильзе.

В вытеснителе концы соединительной трубки 16 могут быть закреплены в расточенных отверстиях поршня 12 и корпуса 9 регенератора. Соединительная трубка 16 может иметь на концах хотя бы по одному выступу 18, а расточенные отверстия, в которых она закрепляется, соответствующие канавки 19, при этом во внутреннем отверстии трубки напротив выступов расположены распирающие трубку упругие элементы 20 (см. фиг.3).

В вытеснителе корпус 9 регенератора может быть выполнен с занижением диаметра на конце 21, а поршень 12 иметь расточенное отверстие. При этом соединительная трубка 16 может иметь телескопическую форму, конец меньшего диаметра которой закрепляется в расточенном отверстии поршня 12, а конец большего диаметра может иметь удлинение, заполненное теплообменной насадкой 22, диаметр которой больше диаметра теплообменной насадки 10 в корпусе 9 регенератора и плотно охватывает конец 21 корпуса 9 регенератора (см. фиг.2).

Гильза на теплом конце может иметь цилиндрическую направляющую 23 с отверстиями 24, образующую с поршнем щелевое уплотнение 14, при этом направляющая расположена в корпусе криогенного охладителя с кольцевым зазором так, что между стенками корпуса 4 и направляющей 23 образуется щелевой канал 25 для прохода газа (см. фиг.2). Щелевой канал 25 сообщается через отверстия 24 в направляющей с теплым объемом 8 в гильзе 1, а через отверстие 7 в корпусе 4 с компрессором газовой криогенной машины (не показан).

Дополнительно на конце штока в дополнительном объеме 5 может быть закреплена опора 26, а элементами 17, которые удерживают вытеснитель от вращения, допуская его осевое возвратно-поступательное перемещение в гильзе, могут являться две винтовые цилиндрические пружины сжатия, одна из которых установлена между опорой 26 и втулкой 6, а другая - между втулкой 6 и поршнем 12 (см. фиг.1, 2).

Криогенный охладитель работает следующим образом.

Компрессор газовой криогенной машины, прокачивая рабочий газ через отверстие 7 в корпусе 4, создает в теплом объеме 8 гильзы 1 переменное давление, изменяющееся по синусоидальному закону, которое действует на шток 13, проходящий через втулку 6 в дополнительный объем 5, имеющий приблизительно постоянное давление газа. Разница давлений между объемами 5 и 8 создает силу, действующую на шток 13, изменяющуюся по синусоидальному закону и пропорциональную площади его поперечного сечения. Эта сила движет вытеснитель, в котором шток 13 жестко соединен с поршнем 12, связанным с корпусом 9 регенератора трубкой 16. При возвратно-поступательном движении вытеснителя в гильзе 1 газ, находящийся в теплом объеме 8, перетекает через отверстие 15 в поршне по трубке 16 и теплообменную насадку 10 регенератора в холодный объем 11 и обратно, создавая сопротивление силе, действующей на шток. При этом щелевое уплотнение 14 поршня 12 и герметично соединенная с поршнем и корпусом регенератора трубка 16 препятствуют перетеканию газа в обход корпуса 9 регенератора, заставляя его перетекать через теплообменную насадку в корпусе регенератора. При определенном соотношении диаметров штока, поршня и гидравлического сопротивления теплообменной насадки достигается такой закон движения вытеснителя, при котором сжатие газа с повышением давления в гильзе 1 происходит, когда вытеснитель находится ближе к холодному концу 3 гильзы 1 и объем газа в гильзе 1 максимален со стороны теплого конца 2, а расширение газа с понижением давления происходит, когда вытеснитель находится ближе к теплому концу 2 гильзы 1 и объем газа в гильзе 1 максимален со стороны холодного конца 3. В результате такого движения вытеснителя большая часть газа в гильзе сжимается в теплом объеме 8 со стороны теплого конца 2 гильзы 1, выделяя тепло, а расширяется в холодном объеме 11 со стороны холодного конца 3 гильзы 1, охлаждая его. Силы инерции, возникающие при торможении и разгоне вытеснителя в крайних положениях, компенсируются реакцией элементов 17, обеспечивающих безударное движение вытеснителя в гильзе и удерживающих его от вращения, а силы трения вытеснителя в гильзе после термической обработки криогенного охладителя настолько малы, что не оказывают влияния на его движение. Этим обеспечивается надежная работа криогенного охладителя.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявленной группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в криогенной технике;

- для заявленной группы изобретений в том виде, как она охарактеризована в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов.

Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».

Claims (7)

1. Способ изготовления криогенного охладителя, содержащего перемещающийся в гильзе вытеснитель с гибким газонепроницаемым сцеплением соосно расположенных узлов, включающий последовательную сборку узлов вытеснителя, герметичное соединение их гибким газонепроницаемым звеном сцепления и сборку криогенного охладителя, отличающийся тем, что гибкое газонепроницаемое звено сцепления выполняют в виде трубки из материала, обладающего ползучестью при нагреве, криогенный охладитель в сборе нагревают до температуры ползучести материала трубки и выдерживают необходимое время для снятия напряжений в трубке вследствие ползучести материала.

2. Способ изготовления криогенного охладителя по п.1, отличающийся тем, что трубку выполняют из фторопласта или материала на его основе, криогенный охладитель в сборе нагревают до температуры (100-250)°С.

3. Криогенный охладитель, содержащий гильзу с теплым и холодным концами, втулку и направляющую, перемещающийся в гильзе вытеснитель, включающий корпус регенератора с теплообменной насадкой и поршень со штоком, имеющий с направляющей щелевое уплотнение, который соединен с корпусом регенератора гибким газонепроницаемым звеном сцепления, отличающийся тем, что криогенный охладитель содержит корпус с дополнительным объемом, соединенный с теплым концом гильзы, втулка и направляющая расположены между дополнительным объемом и теплым концом гильзы, в корпусе и направляющей выполнены отверстия, сообщающие объем в гильзе с компрессором, поршень имеет отверстие для прохода газа в корпус регенератора и жестко соединен со штоком, который проходит через втулку в дополнительный объем и имеет с ней щелевое уплотнение, вытеснитель соединен с неподвижными частями криогенного охладителя элементами, исключающими его вращение, а гибкое газонепроницаемое звено сцепления выполнено в виде трубки малой жесткости из материала, обладающего ползучестью при нагреве, при этом для снятия внутренних напряжений в трубке собранный криогенный охладитель нагревают до температуры ползучести материала, из которого выполнена трубка малой жесткости, и выдерживают необходимое время.

4. Криогенный охладитель по п.3, отличающийся тем, что для закрепления концов трубки малой жесткости корпус регенератора и поршень имеют расточенные отверстия, концы трубки на внешней поверхности имеют хотя бы по одному выступу, а расточенные отверстия, в которых она закрепляется, имеют соответствующие выступам канавки, при этом во внутреннем отверстии трубки напротив выступов расположены упругие элементы, плотно прижимающие трубку к стенкам расточенных отверстий.

5. Криогенный охладитель по п.3, отличающийся тем, что для закрепления концов трубки малой жесткости поршень имеет расточенное отверстие, корпус регенератора выполнен с занижением диаметра на конце, при этом трубка имеет телескопическую форму, конец меньшего диаметра которой закрепляется в цилиндрическом углублении поршня, а конец большего диаметра имеет удлинение, заполненное теплообменной насадкой, диаметр которой больше диаметра теплообменной насадки в корпусе регенератора, и плотно охватывает конец корпуса регенератора.

6. Криогенный охладитель по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что направляющая выполнена в виде продолжения теплого конца гильзы, расположенного в корпусе криогенного охладителя с зазором, в котором образуется кольцевой щелевой канал для прохода газа, сообщающийся через отверстия в направляющей с объемом в гильзе и через отверстие в корпусе с компрессором.

7. Криогенный охладитель по п.6, отличающийся тем, что на конце штока в дополнительной полости закреплена опора, а исключающие вращение вытеснителя элементы выполнены в виде двух винтовых цилиндрических пружин сжатия, одна из которых установлена между опорой и втулкой, а другая между втулкой и поршнем.

Images