микроохладитель

Формула изобретения

Микроохладитель, содержащий заполненный газом теплоизолированный цилиндр, разделенный поршнем из теплоизоляционного материала на холодную и теплую полости с размещенными в них теплообменниками, соответственно, с охлаждаемой и охлаждающей средой, поршень со стороны теплой полости снабжен регенератором и уплотненным штоком привода от электродвигателя с кривошипно-шатунным механизмом, установленным в герметичном кожухе, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру, а со стороны холодной полости - дроссельным отверстием с перепускным клапаном в холодную полость и отверстием большого сечения с перепускным клапаном в теплую полость, полость цилиндра посредством управляемого клапана (редуктора) соединена с емкостью, заполненной сжатым газом, отличающийся тем, что кривошипно-шатунный механизм электродвигателя дополнительно снабжен пружиной растяжения, один конец которой закреплен при помощи дополнительного шатуна на шейке коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма, а другой - на внутренней части герметичного кожуха в кронштейне, установленном в месте, противоположном месту входа уплотненного штока в цилиндр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в холодильной и в микрокриогенной технике.

Известен микроохладитель [1] - книга: Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981, с.273, рис.9.25., содержащий корпус, поршень с приводом и дроссельным отверстием.

Недостатком известного микроохладителя является недостаточная холодопроизводительность.

Известен микроохладитель [2] - авторское свидетельство СССР № 1543203, кл. F25В 9/00, 9/02, 1990, Бюл. №6, содержащий заполненный газом теплоизолированный цилиндрический корпус, разделенный поршнем из теплоизоляционного материала на первую и вторую полости, в которых размещены змеевики (теплообменники) соответственно с охлаждаемой и охлаждающей средой, привод поршня с герметично уплотненным штоком, поршень имеет два отверстия: одно небольшого сечения дроссельное; другое большого сечения с перепускным клапаном, микроохладитель снабжен емкостью, заполненной сжатым газом и соединенной с полостью теплоизолированного цилиндра посредством управляемого клапана.

Недостатками известного микроохладителя являются:

- недостаточная холодопроизводительность из-за использования для охлаждения одного только дроссель-эффекта без регенерации тепла (холода);

- неэффективное использование самого дроссельного отверстия, которое работает в две стороны, при движения поршня в ту или иную сторону;

- неудачное расположение штока привода поршня в холодной полости, что приведет к быстрому его выходу из строя или же заклиниванию, в случае гарантированного зазора невозможно будет создать в цилиндре необходимое рабочее давление для эффективной работы микроохладителя;

- большие расходы рабочей среды (сжатого газа) ввиду его утечек через уплотнение штока.

Прототипом предлагаемого изобретения является микроохладитель [3] - положительное решение на выдачу патента по заявке №2002103773/06 (003624), МПК7 F04В 19/24 от 11.12.2002, содержащий заполненный газом теплоизолированный цилиндр, разделенный поршнем из теплоизоляционного материала на две полости (холодную и теплую) с размещенными в них теплообменниками соответственно, с охлаждаемой и охлаждающей средой, поршень со стороны теплой полости снабжен регенератором и уплотненным штоком привода от электродвигателя с кривошипно-шатунным механизмом, установленным в герметичном кожухе, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру, а со стороны холодной полости - дроссельным отверстием с перепускным клапаном в холодную полость и отверстием большого сечения с перепускным клапаном в теплую полость, полость цилиндра посредством управляемого клапана (редуктора) соединена с емкостью, заполненной сжатым газом.

Недостатком известного устройства-прототипа является неравномерность работы его привода - электрического двигателя. Так, при движении поршня в сторону холодной полости микроохладителя двигатель затрачивает усилие только на преодоление сил трения в уплотнителе, поршневых кольцах и на аэродинамическое сопротивление открытого в этот момент перепускного клапана. При движении поршня в обратную сторону (теплую полость) электрический двигатель работает на полную мощность: усилия тратятся на преодоление сил трения и выполнение работы по сжатию газа в теплой полости для его дросселирования в холодную полость. Такая неравномерность работы электрического привода приводит к быстрому выходу его из строя, а также к излишним вибрациям устройства в целом.

Данный недостаток ставит задачу обеспечения равномерности работы электрического двигателя, продления его ресурса работы и снижения вибраций при работе микроохладителя.

Указанная задача решается тем, что в устройстве-прототипе кривошипно-шатунный механизм электродвигателя дополнительно снабжен пружиной растяжения, один конец которой закреплен при помощи дополнительного шатуна на шейке коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма, а другой на внутренней части герметичного кожуха в кронштейне, установленном в месте, противоположном месту входа уплотненного штока в цилиндр.

Введение пружины растяжения, закрепленной между шатуном и герметичным кожухом в месте, противоположном месту входа уплотненного штока в цилиндр, необходимо для того, чтобы обеспечить равномерность работы по вращающему моменту привода (электродвигателя с редуктором или без него).

Установка пружины в герметичном кожухе с приводом, а не в теплоизолированном корпусе микроохладителя необходима для того, чтобы не нарушить тепловой баланс работы микроохладителя, так как при растяжении-сжатии пружины последняя будет интенсивно выделять теплоту.

При движении поршня в сторону холодной полости усилие электрического двигателя будет идти как на преодоление небольших сил трения, так и на растяжение пружины, которая будет выполнять в этом случае роль аккумулятора механической энергии (пружина будет запасать механическую энергию). При движении поршня в обратную сторону усилия электрического двигателя расходуются на сжатие газа для его дросселирования в холодную полость, и в этом случае электродвигателю будет помогать первоначально растянутая пружина (пружина, сжимаясь, будет отдавать запасенную механическую энергию). То есть применение пружины позволит электрическому двигателю работать в облегченном режиме и уменьшить неравномерность работы.

Таким образом, выполнение "микроохладителя, содержащего заполненный газом теплоизолированный цилиндр, разделенный поршнем из теплоизоляционного материала на холодную и теплую полости с размещенными в них теплообменниками соответственно, с охлаждаемой и охлаждающей средой, поршень со стороны теплой полости снабжен регенератором и уплотненным штоком привода от электродвигателя с кривошипно-шатунным механизмом, установленным в герметичном кожухе, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру, а со стороны холодной полости - дроссельным отверстием с перепускным клапаном в холодную полость и отверстием большого сечения с перепускным клапаном в теплую полость, полость цилиндра посредством управляемого клапана (редуктора) соединена с емкостью, заполненной сжатым газом, причем кривошипно-шатунный механизм электродвигателя дополнительно снабжен пружиной растяжения, один конец которой закреплен при помощи дополнительного шатуна на шейке коленчатого вала кривошипно-шатунного механизма, а другой - на внутренней части герметичного кожуха в кронштейне, установленном в месте, противоположном месту входа уплотненного штока в цилиндр", является новым для микроохладителей, что соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность признаков не известна в настоящее время из уровня техники и не следует из общеизвестных правил конструирования микроохладителей, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация микроохладителя с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, отсюда следует соответствие критерию промышленная применимость".

На чертеже представлена схема микроохладителя.

Микроохладитель содержит заполненный газом теплоизолированный цилиндр 1, разделенный поршнем 2 из теплоизоляционного материала, две полости (холодную 3 и теплую 4) с размещенными в них теплообменниками 5 и 6 соответственно с охлаждаемой и охлаждающей средой. Поршень 2 снабжен приводом 7 с уплотненным штоком 8. В качестве привода 7 может быть использован электродвигатель с участком коленчатого вала (кривошипно-шатунным механизмом). Поршень 2 имеет дроссельное отверстие 9 небольшого сечения и отверстие 10 большого сечения с перепускным клапаном 11. Полость 4 цилиндра 1 посредством управляемого клапана 12 соединена с емкостью 13, заполненной сжатым газом. Шток 8 привода 7 поршня 2 размещен в теплой полости цилиндра 4. Дроссельное отверстие 9 поршня 2 содержит перепускной клапан 14, установленный в противоположную сторону перепускному клапану 11 отверстия 10 большого сечения. На поршне 2 со стороны теплой полости 4 установлен регенератор 15. Привод 7 поршня 2 установлен в герметичном кожухе 16, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру 1. Кривошипно-шатунный механизм привода 7 от электродвигателя дополнительно снабжен пружиной растяжения 17, один конец которой закреплен, например, при помощи дополнительного шатуна 18 на шейке коленчатого вала, а другой на внутренней части герметичного кожуха в кронштейне 19, установленном в месте, противоположном месту входа уплотненного штока 8 в цилиндр 1.

Микроохладитель работает следующим образом.

При работе привода 7 его коленчатый вал посредством шатуна приводит в возвратно-поступательные движения шток 8 и жестко связанный с ним поршень 2. Когда поршень 2 движется внутри цилиндра 1 в сторону холодной полости 3 газ из нее через отверстие 10 большого сечения и открытый перепускной клапан 11 перетекает через регенератор 15, нагреваясь при этом (в установившимся режиме работы регенератора 15 микроохладителя), в теплую полость 4. Переходные режимы работы микроохладителя здесь рассматривать не будем. При этом перепускной клапан 14 дроссельного отверстия 9 закрыт.

При движении поршня 2 в обратную сторону, то есть в сторону теплой полости 4, в последней давление газа и его температура повышаются, излишки тепла отводятся теплообменником 6. Газ, проходя через регенератор 15 и охлаждаясь в нем, поступает через открытый перепускной клапан 14 в дроссельное отверстие 9, в котором его давление и температура падают, и далее в холодную полость 3. При этом перепускной клапан 11 отверстия 10 большого сечения закрыт. При снижении температуры в холодной полости 3 от теплообменника 5 к газу подводится некоторое количество тепла низкого температурного уровня. Далее поршень двигается в обратную сторону, и весь рабочий цикл повторяется. При недостатке газа в цилиндре 1 открывается вентиль 12 и необходимое количество газа поступает в цилиндр 1 из емкости 13, после чего вентиль 12 закрывается. В качестве управляемого вентиля 12 может быть использован автоматический газовый редуктор, настроенный на определенное конечное давление.

При вращении электродвигателя привода 7 его кривошипно-шатунный механизм периодически растягивает пружину 17 (в секторе 0°-180°, которая запасает механическую энергию - выполняет роль аккумулятора механической энергии) - в режиме движения поршня в сторону холодной полости усилие электрического двигателя будет идти как на преодоление сил трения, так и на растяжение пружины. При дальнейшем вращении вала электродвигателя привода 7 пружина 17 (в секторе 180°-360° отдает механическую энергию) - в режиме движения поршня в обратную сторону (в теплую полость) пружина 17 помогает электрическому двигателю сжимать газ для его дросселирования в холодную полость.

Таким образом, применение пружины позволит электрическому двигателю работать в облегченном режиме с меньшей неравномерностью работы. Облегченная работа электрического двигателя позволит значительно повысить его ресурс и снизить вибрации при работе микроохладителя, а также позволит ему потреблять меньше электроэнергии.

В целом, при выполнении микроохладителя в совокупности признаков, приведенных в формуле изобретения, происходит дальнейшее повышение эффективности устройства.

Литература:

1. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981, с.273, рис.9.25.

2. Авторское свидетельство СССР №: 1543203, кл. F25В 9/00, 9/02, 1990, Бюл. №6.

3. Положительное решение на выдачу патента по заявке №2002103773/06 (003624), МПК7 F04В 19/24 от 11.12.2002 - прототип.