SU1041828A1

SU1041828A1 - Cryogenic gas machine

Info

Publication number: SU1041828A1
Application number: SU823444635A
Authority: SU
Inventors: Владимир Александрович Коротченко; Анатолий Владимирович Мартыновский
Original assignee: Предприятие П/Я Г-4371
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1983-09-15

Abstract

КРИОГЕННАЯ ГАЗОВАЯ МАШИНА, содержаща расположенный в цилиндре поршень с газораспределительным узлом на торце, отличающа с тем, что, с целью повышени термодинамической эффективности, машина дополнительно содержит сильфон, торцы которого жестко соединены с поршнем и цилиндром, и втулку с профилированными пазами, закреНлейную внутри сильфона с возможностью осевого перемещени при настройке, а газораспределительный узел выполнен в виде вращающегос золотника со штоком, снабженным поперечной штангой с роликами,расположенными в пазах втулки.A CRYOGENIC GAS MACHINE containing a piston with a gas-distributing unit located at the end, characterized in that, in order to increase thermodynamic efficiency, the machine additionally contains bellows whose ends are rigidly connected to the piston and cylinder, and a sleeve with shaped grooves fixed inside the bellows with the possibility of axial movement during adjustment, and the gas distribution unit is made in the form of a rotating spool with a rod equipped with a transverse rod with rollers arranged in the slots of the sleeve.

Description

ЩЗ гГ f / fS // г /7 fg V фие.1 7SchG gG f / fS // g / 7 fg V fie.1 7

Изобретение относитс к криогенной технике, в частности к криоген ым газовым машинам, и может быть использовано в качестве генератора холода в микрокриогеиных системах.The invention relates to a cryogenic technique, in particular to cryogenic gas machines, and can be used as a cold generator in microceriogeal systems.

Известна криогенна газова ма .шина, содержаща цилиндр с размещенным в нем дифференциальным поршнем, клапанный механизм газораспределени с пневмоприводом и магистрали, трубопроводов,св зывающие клапанный механизм с рабочими полост ми устг ройства 1 JThe cryogenic gas car is known, containing a cylinder with a differential piston placed in it, a valve timing mechanism with a pneumatic actuator and a main pipelines connecting the valve mechanism with the working cavity of the 1 J device.

Недостатками этой машины вл ютс низка термодинамическа эффективность вследствие мертвых объемов, обусловленных наличием магистралей трубопроводов, конструктивна сложность из-за наличи пневмопривода в механизме газораспределени , необходимость строгого согласовани хода поршн и момента открыти и закрыти клапанов, обеспечивающих перемещение поршн относительно цилиндра, что обуславливает выссжую трудоемкость изготовлени и доводки устройства. , Известен микроохладитель свободнопоршневого типа, который содержит цилиндр с размещенным в нем поршнемзолотником с газораспределительными каналами и устройство,.обеспечивающее запуск. В такой машине отсутствуют газораспределительные магистрали, св зывающие клапанное устройство с рабочими полост ми, поскольку газораспределение осуществл етс устройством , расположенным на поршне. Кроме Torq, роль привода газораспределительных клапанЬв выполн ет поршень Czj.The disadvantages of this machine are low thermodynamic efficiency due to dead volumes due to the presence of pipelines, structural complexity due to the presence of a pneumatic drive in the timing mechanism, the need for strict coordination of the stroke of the piston and the moment of opening and closing of the valves that ensure the piston moves relative to the cylinder, which causes high labor intensity manufacturing and finishing device. A free-piston-type microcooler is known, which contains a cylinder with a piston-pistol placed in it with gas distribution channels and a device providing start-up. In such a machine, there are no gas distribution lines connecting the valve device with the working cavities, since the gas distribution is carried out by a device located on the piston. In addition to Torq, the piston Czj plays the role of an actuator for gas distribution valves.

Недостатками известного микроохладител вл ютс зависимость длины газораспределительных каналов, на золотнике от хода поршн , что снижа.ет термодинамическую эффективность микроохладител с большим ходом поршн , отсутствие регулировки, обеспечивающей согласование хода поршн с газораспределителем, что обуславливает большую трудоемкость изготовлени и доводки микроохладител , Кроме того , усложн ет конструкцию устройство , обеспечивающее запуск-микроохладител .The disadvantages of the known microcooler are the dependence of the length of the gas distribution channels on the spool on the piston stroke, which reduces the thermodynamic efficiency of the microcooler with a large stroke of the piston, the lack of adjustment ensuring the coordination of the piston stroke with the gas distributor complicates the design of the device, providing start-up micro-cooler.

Известна также криогенна газова машина, содержаща расположенный в цилиндре поршень с газораспределительным узлом на торце. Перемещение поршн обеспечиваетс разностью давлений в рабочих полост х. При достижении поршнем одной из мертвых точек происходит переключение поршнем клапанов , при этом холодна рабоча полость поочередно сообщаетс с магистралью нагнетани (поршень движетс при этом от нижней мертв.ой точки) либо с магистралью выхлопа (поршень движетс от верхней мертвой точки) fjA cryogenic gas machine is also known, containing a piston located in a cylinder with a gas distribution unit at the end. The movement of the piston is provided by the pressure difference in the working cavities. When the piston reaches one of the dead points, the piston switches the valves, while the cold working cavity communicates alternately with the discharge line (the piston moves from the bottom dead point) or the exhaust line (the piston moves from the upper dead center) fj

Недостатком данной машины вл етс низка термодинамическа эффективность устройства, обусловленна большим удельным расходом газа вследствие принципиальной невозможности осуществлени термодинамического цикла с отсечкой впуска и выпуска газа (открытие,закрытие клапанов возможно только в конце хода поршн , в определенный момент времени открыты оба клапана, при этом происходит пр ма перетечка газа){большим удельным расходом газа из-за наличи полостей , в которых осуществл етс осевое перемещение клапанов при их переключении (увеличенный мертвый объем, обусловленный функционированием газораспределительных клапанов); перетечками газа в уплотнени х. Важным условием п{эавильной работы устройства вл етс согласование величины хода поршн и момента открыти , закрыти клапанов. При рассогласовании поршень может не доходить до крышки цилиндра, что сопр жено с увеличением мертвого объема устройства и снижением его термодинамической эффективности .The disadvantage of this machine is the low thermodynamic efficiency of the device, due to the high specific gas flow rate due to the impossibility in principle of carrying out a thermodynamic cycle with gas cut-off and opening (opening and closing of valves is possible only at the end of the piston stroke, at the same time direct gas leakage) {high specific gas flow rate due to the presence of cavities in which axial movement of the valves takes place when switching them (y the magnitude of the dead volume due to the operation of gas distribution valves); gas overflows in seals. An important condition for the device to operate is to agree on the magnitude of the stroke of the piston and the moment of opening and closing of the valves. If there is a mismatch, the piston may not reach the cylinder cover, which is associated with an increase in the dead volume of the device and a decrease in its thermodynamic efficiency.

Согласование расчетным путем малоэффективно, поскольку на динамику поршн вли ют многие факторы (газодинамические силы, силы трени в уплотнени х, инерционные-силы и .другие), .которые в процессе эксплуатации устройства измен ютс в широких пределах (силы трени в уплотнени х по мере износа колец, газодинамические силы при изменении параметров рабочего газа, увеличении перетечек через, уплотнени по мере износа уплотнительных колец).Coordination by calculation is ineffective, since many factors affect the dynamics of the piston (gas-dynamic forces, frictional friction forces, inertial forces, and others), which during operation of the device vary over a wide range (friction forces at seals ring wear, gas-dynamic forces when changing the parameters of the working gas, increasing leakage through, sealing as the sealing rings wear).

Недостатком устройства также вл етс низка надежность устройства, обусловленна ударной работой рабочих органов газораспределительного устройства а момент переключени « Кроме того, при наличии рассогласовани .хода поршн и момента открыти закрыти клапанов поршень может стучать в крышки цилиндра, что вызыва- ет вибрацию, снижа надежность и эксплуатационные характеристики уст ройства. Данное устройство характеризуетс также отсутствием регулировочного устройства, обеспечивающего согласование хода поршн и газораспредедени , что сопр жено с высокой трудоемкоеtью изготовлени и довод ки криогенного охладител . Высока трудоемкость обусловлена необходимостью выполнени строгого термодинамического расчета цикла; изготовлени высокоточных элементов констйт ции (поршн , цилиндра, деталей газо распределительного устройства и его привода), а также необходимостью экспериментальных работ по доводке газораспределительного устройства, НДелью изобретени вл етс повышение термодинамической эффективнос ти, надежности и уменьшени трудоем кости изготовительных и доводочных работ. Поставленна цель достигаетс|Г тем, что машина, содержаща расположен в цилиндре поршень с газораспределительным узлом на торце, дополнительно содержит сильфон, тор цы которого жестко соединены с порш нем и цилиндром, и втулку с профилированными пазами, закрепленную внутри сильфона с возможностью осевого перемещени при настройке, а газораспределительный узел выполнен в виде вращающегос золотника со истоком, снабженным поперечной штанго с роликами, расположенными в пазах втулки.; На фиг. 1 показана предлагаема машина, продольный разрез; на фиг,2 разре.з А-А на фиг. 1 (положение распределительных каналов в момент выхлопа газа из холодной рабочей полости); на фиг. 3 - то же, в момех впуска газа в холодную рабочую полость; на фиг. k - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 - форма профили рованного отверсти , развернута на плоскость. Криогенна газова машина содержит расположенный в цилиндре 1 поршень 2с газораспределительным узлом 3 на торце, а также сильфон 4, торцы которого жестко соединены с поршнем 2 и цилиндром 1, и втулку 5 с пр филированными пазами 6, закрепленную внутри сильфона с возможностью осе вого перемещени при настройке. Газо 84 распределительный узел 3 выполнен в виде вращающегос золотника со штоком 7, снабженным поперечной штангой 8 с роликами 9 расположенными в пазах 6 втулки 5. Цилиндр 1 содержит отверстие дл впуска газа 10 и выпуска газа 11, а поршень 2 - встроенный регенератор 12, по сторонам которого расположены холодна рабоча полость 13, тепла рабоча полость Т и демпферна полость 15. Полость Н посредством . отверсти 11 св зана с линией выхлопа . На -торце поршн 2 со стороны теплой рабочей полости И выполнено отверстие 16 впуйка газа в холодную рабочую полость 13 и отверсти 17 и .18 выхлопа газа из холодной рабочей полости 13 и установлен диск 19 с газораспределител-ьными каналами 20 и 21. Дл обеспечени возможности свободного поворота диска установлен упорный подшипник 22. Перемещение втулки при настройке обеспечиваетс с помощью регулировочного элемента 23. Машина может содержать тормоз 2k механического, пневматического или электромагнитного принципа действи . Машина работает следующим образом. В исходном состо нии положение порш н в цилиндре определ етс силой упругости сильфона . При подаче давлени газа через отверстие 10. поршень 2 выводитс в нижнюю мерт- . вую точку НМТ (обгем полости 13 миг нимален). Ролики 9 в процессе движе| и поршн 2 взаимодействуют с профилированными отверсти ми 6 втулки 5, поворачивают диск 19 в положение (фиг, 3)f когда открыто отверстие 16 и закрыто отверстие 18, Таким образом происходит самозапуск устройства . Через отверстие 16 газ поступает в полость 13. По мере увеличени давлени в полости 13 силы давлени газа на поршень 2 в этой полости преврсход т силу давлени газа на поршень 2 со стороны полостей И и 15, и поршень .2 начинает движение к в ерхней мертвой точке (ВМТ) при открытом отверстии 1б происходит процесс наполнени , В точке 5 фиг. 5 ролик взаимодействует с наклонным участком профилированного отверсти втулки 5 и начинает проворачивать диск 19, а в точке в закрывает отверстие 16, На участке в г закрыты оба отверсти 16 и 17 - происходит отсечка выпуска газа. 8 точке х канал .. 21 достигает отверсти 18, начи наетс процесс выпуска. В точке д отверстие 18 полностью открыто, диск 19 становитс в положение, изображен нее на фиг. 2. По мере снижени давлени газа в полости 13 сила давлени газа со стороны полостей Н и 15 уравновешивает силу давлени газа на поршень 2 со стороны полости 13 и силу инерции поршн . Поршень 2 достигает ВМТ и останавливаетс . На профилированном отверстии 6 этот момент соответствует положению ролика 9 в точке е. Давление газа в полости 13 снижаетс до уровн давлени гааа в линии выхлопа, поршень 2 начинает движение к ННТ при открытом отверстии 18 - процесс выталкивани , В точке ж ролик 9 воч упает во взаимодействие с наклонным участком профилированного отверсти 6 и проворачивает диск 19, закрыва в точке и отверстие 18. На участкеик за ,крыты оба отверсти 16 и 18 - отсечк впуска газа. В точке к канал 20 достигает отверсти 16, начинаетс Ьроцесс впуска. В точке л отверстие 16 полностью открыто. По мере увеличени давлени в полости 13 силы давлени газа на поршень 2 со сторомы полости 13 уравновешивают силу давлени газа на поршень 2 со стороны полостей Ц, 15 и силу инерции поршн 2. Поршень 2 достигает ННТ (ролик « точке о) и останавливаетСП ,- После этого цикл повтор етс . В процессе возвратно-поступательного движени поршень также взаимодействует с тормозом 2. На фиг. 1 это взаимодействие условно показано стрелкой. При определенном соотношении газодинамически;; сил, вызываЮ1 (их перемещение поршн , и силы трени в уплотнении поршн , газораспределительном устройстве и его гч иводе устройство работает с высокой термодинамической эффективностью без тормоза, при этом конструкци охладител существенно проще. Размер В ,(фиг. 5) равен ходу порш н . Размер t - профильного отверсти выполнен несколько больше хода поршн . Контролиру уровеньвиб аг 1ЦИИ на цилиндре и холодопроизводительность устройства посредством iрегулировочного элемента 23, втулка 5 устанавливаетс в положение, когда термодинамическа эффективность уст ройства максимальна (мертвый объем в НМТ минимален), а уровень вибрации не превышает допустимые эксплуатационные нормы (отсутствуют;удары поршн в крышку цил ндраГ. Таким об-разом данное техническое решение / позвол ет пpoизвectи экспериментальное согласование динамики движени поршн с циклограммой газораспределени дл полу14ени максимальной термодинамической эффективности устройства и уровн вибрации, не пре- у вышающего эксплуатационных требований , и снижает трудоемкость изготовительных и доводочных работ. Измен профиль отверсти во втулке 5 (размер «3, положение точек Э и и и наклон участков 5д,л), можно получить различные , циклограммы газораспределени , оптимизировать газораспределение дл достижени минимального удельного расхо да газа. Измен объем мертвого пространства в НМТ, регулиру положение втулки 5 регулировочным устройством 23, можно измен ть холодопроизводительность устройства с целью регулировки температуры охлаждаемого объекта . Применение изобретени позвол - , ет повысить термодинамическую эффективность за счет выполнени части поршн в виде сильфона, при этом исключаетс перетечка газа через уплотнение и исключаютс потери на трение, а также уменьшаетс удельный расход газа, поскольку в устройстве нет мертвого объема в ВМТ хода поршн . Благодар выполнению газораспределительных клапанов в виде.штока с диском, содержащим газораспределительные каналы, взаимодействующие с отверстием в торце поршн , уменьшаетс мертвый объем полостей газораспределительных клапанов. I, Выполнение приводов газораспределительных клапанов в виде штока с диском, на свободном конце которого установлена штанга с роликами, взаимодействующими с профилированными отверсти ми втулки (при этом исключаетс перетечка газа через клапаны в момент открыти и закрыти , поскольку нет момента во времени, когда открыты оба клапана), позвол ет , организовать термодинамический цикл с отсечкой впуска и выпуска газа.A disadvantage of the device is also a low reliability of the device, due to the shock operation of the working parts of the gas-distributing device and the switching moment. In addition, if there is a mismatch between the piston stroke and the opening of valves, the piston can knock on the cylinder covers, which causes vibration, reducing reliability and operational characteristics of the device. This device is also characterized by the absence of an adjusting device that ensures the coordination of the piston stroke and the gas distribution, which is associated with the high labor-consuming manufacture and refinement of the cryogenic cooler. High labor intensity due to the need to perform rigorous thermodynamic calculation of the cycle; manufacturing of high-precision components (piston, cylinder, parts of gas distribution device and its drive), as well as the need for experimental work on fine-tuning the gas distribution device, the aim of the invention is to increase the thermodynamic efficiency, reliability and reduce the labor of the manufacturing and finishing works. The goal is achieved by the fact that the machine containing a piston with a gas-distributing unit located at the end of the cylinder additionally contains a bellows, the ends of which are rigidly connected to the piston and the cylinder, and a sleeve with shaped grooves fixed inside the bellows with the possibility of axial movement when adjustment, and the gas distribution unit is made in the form of a rotating spool with a source equipped with a transverse rod with rollers located in the slots of the sleeve .; FIG. 1 shows the proposed machine, a longitudinal section; in FIG. 2, section A-A in FIG. 1 (the position of the distribution channels at the time of exhaust gas from the cold working cavity); in fig. 3 - the same, in the inlet gas into the cold working cavity; in fig. k is a section BB in FIG. one; in fig. 5 - the shape of the profiled hole, turned on a plane. The cryogenic gas machine contains a piston 2c located in cylinder 1 with a gas distribution unit 3 at the end, as well as bellows 4, the ends of which are rigidly connected to piston 2 and cylinder 1, and sleeve 5 with threaded grooves 6 fixed inside the bellows with the possibility of axial displacement when at the construction site. Gas 84 distribution unit 3 is made in the form of a rotating spool with a rod 7, equipped with a transverse rod 8 with rollers 9 located in the grooves 6 of the sleeve 5. Cylinder 1 contains a hole for gas inlet 10 and gas release 11, and piston 2 - an integrated regenerator 12, the sides of which are located cold working cavity 13, heat the working cavity T and the damper cavity 15. The cavity H by. holes 11 are connected to the exhaust line. At the end of the piston 2, from the side of the warm working cavity I, a hole 16 is made into the gas purika into the cold working cavity 13 and the gas exhaust holes 17 and .18 from the cold working cavity 13 and a disk 19 with gas distribution channels 20 and 21 is installed. free rotation of the disc is installed thrust bearing 22. Moving sleeve during adjustment is provided with the help of the adjusting element 23. The machine may contain brake 2k mechanical, pneumatic or electromagnetic principle of action. The machine works as follows. In the initial state, the position of the pistons in the cylinder is determined by the elastic force of the bellows. When gas pressure is applied through port 10. piston 2 is led out to the bottom dead. The main point of the NMT (circumflex cavity 13 is at a minimum). Rollers 9 in progress | and the piston 2 interacts with the shaped holes 6 of the sleeve 5, turn the disk 19 to the position (FIG. 3) f when the opening 16 is open and the opening 18 is closed. Thus, the device self-starts. Through the opening 16, the gas enters the cavity 13. As the pressure in the cavity 13 increases, the gas pressure force on the piston 2 in this cavity causes the pressure force of the gas on the piston 2 to come from the cavities And 15, and the piston .2 begins to move to the top dead At the point (TDC), with the opening 1b open, a filling process takes place. At point 5 of FIG. 5, the roller interacts with the inclined section of the profiled opening of the sleeve 5 and begins to turn the disk 19, and at the point in closes the opening 16, At the section in r both openings 16 and 17 are closed - gas cutoff occurs. 8 point x channel .. 21 reaches hole 18, the release process begins. At point e, the hole 18 is fully open, the disk 19 becomes in the position shown in FIG. 2. As the pressure of gas in cavity 13 decreases, the pressure of gas from the cavities H and 15 balances the pressure of gas on the piston 2 from the cavity 13 and the inertia of the piston. The piston 2 reaches TDC and stops. At the profiled bore 6, this moment corresponds to the position of the roller 9 at point e. The gas pressure in cavity 13 decreases to the pressure level in the exhaust line, piston 2 begins to move toward the low-pressure section with open bore 18 - pushing out process. interaction with the inclined section of the profiled orifice 6 and rotates the disk 19, closing at the point and the opening 18. In the area behind, both openings 16 and 18 are closed - gas cutoffs. At point k, channel 20 reaches port 16, the inlet process begins. At point l, hole 16 is fully open. As the pressure in the cavity 13 increases, the pressure force of the gas on the piston 2 from the cavity 13 balances the pressure force of the gas on the piston 2 from the side of the cavities 15, and the inertia force of the piston 2. The piston 2 reaches NNT (roller o) and stops the PS, - After that, the cycle repeats. During the reciprocating process, the piston also interacts with brake 2. In FIG. 1, this interaction is conventionally shown by an arrow. At a certain ratio of gas ;;; forces, causing U1 (their piston movement, and friction forces in the piston seal, gas distribution device and its gearbox), the device works with high thermodynamic efficiency without a brake, while the design of the cooler is much simpler. Size B, (Fig. 5) is equal to the piston stroke. The size t - of the profile hole is made somewhat larger than the stroke of the piston. By controlling the level of vibration on the cylinder and the cooling capacity of the device by means of an adjusting element 23, the sleeve 5 is set to the position when the thermodynamic The device’s efficiency is maximum (dead volume in BDC is minimal), and the vibration level does not exceed the permissible operating standards (no; piston strikes the cylinder head cover. Thus, this technical solution / allows for experimental coordination of the movement dynamics of the piston with the timing diagram for obtaining the maximum thermodynamic efficiency of the device and the level of vibration that does not exceed the operational requirements, and reduces the laboriousness of manufacturing and finishing works. By changing the profile of the hole in the bushing 5 (size 3, the position of points E and and and the slope of the sections 5d, l), it is possible to obtain different timing patterns, to optimize the distribution to achieve the minimum specific gas consumption. Changing the amount of dead space in the BDC, adjusting the position of the sleeve 5 by the adjusting device 23, you can change the cooling capacity of the device to adjust the temperature of the object to be cooled. The application of the invention allows to increase the thermodynamic efficiency by performing a part of the piston in the form of a bellows, while eliminating gas leakage through the seal and eliminating friction losses, and also reducing the specific gas consumption, since the device does not have a dead volume in the TDC piston stroke. Due to the implementation of gas distribution valves in the form of a rod with a disk containing gas distribution channels that interact with a hole in the end of the piston, the dead volume of the cavities of the gas distribution valves is reduced. I, Execution of gas distribution valve actuators in the form of a rod with a disk, on the free end of which there is a rod with rollers that interact with the shaped openings of the sleeve (this prevents gas from flowing through the valves at the time of opening and closing). valve), allows you to organize a thermodynamic cycle with the cutoff of the inlet and outlet of gas.

Claims

CRYOGENIC GAS MACHINE, containing a piston located in the cylinder with a gas distribution unit 'at the end, characterized in that, in order to increase the thermal *' dynamic efficiency, the machine further comprises a bellows, the ends of which are rigidly connected to the piston and cylinder, and a sleeve with profiled grooves fixed inside the bellows with the possibility of axial movement during adjustment, and the gas distribution unit is made in the form of a rotating spool with a rod equipped with a transverse rod with grooves by rollers, ¹ located mi into the bushings.

J

SU, "1041828

1 _