микроохладитель

Формула изобретения

1. 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 уплотненным штоком привода - электродвигателем с кривошипно-шатунным механизмом, установленным в герметичном кожухе, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру, поршень со стороны теплой полости содержит регенератор, а со стороны холодной полости - дроссельное отверстие, отверстие большего сечения и перепускной клапан в теплую полость, причем теплая полость цилиндра посредством редуктора соединена с емкостью, заполненной сжатым газом, отличающийся тем, что перепускной клапан в теплую полость, а также само дроссельное отверстие совмещены в одном клапане, состоящем из корпуса с гнездом и установленном в отверстии большего сечения, причем перепускной клапан в теплую полость плотно прилегает к гнезду, на котором содержится дроссельное отверстие, выполненное в виде дроссельной канавки.

2. Микроохладитель по п.1, отличающийся тем, что дроссельных канавок на гнезде совмещенного клапана может быть несколько.

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 год, 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 движении 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), МПК ⁷ F04В 19/24 от 11.12.2002 г., 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 уплотненным штоком привода от электродвигателя с кривошипно-шатунным механизмом, установленным в герметичном кожухе, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру, поршень со стороны теплой полости содержит регенератор, а со стороны холодной полости - дроссельное отверстие с перепускным клапаном в холодную полость и отверстие 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 низкая надежность перепускного клапана дроссельного канала, как и самого дроссельного канала в целом. При функционировании микроохладителя существует большая вероятность засорения (или замерзания путем образования льда) дроссельного канала и его перепускного клапана. Кроме того, применение двух перепускных клапанов усложняет конструкцию микроохладителя, что также делает ее менее надежной.

Данный недостаток ставит задачу повышения надежности микроохладителя, а также упрощения его конструкции.

Указанная задача решается тем, что в заявляемом устройстве перепускные клапаны дроссельного отверстия и отверстия большого сечения, а также само дроссельное отверстие совмещены в одном клапане, установленном в отверстии большого сечения, причем совмещенный клапан на своем гнезде содержит дроссельный канал, выполненный в виде дроссельной канавки. Кроме того, дроссельных канавок на гнезде совмещенного клапана может быть несколько.

Совмещение двух перепускных клапанов и дроссельного канала в одном совмещенном клапане с дроссельной канавкой на своем гнезде необходимо: во-первых, для упрощения конструкции микроохладителя; во-вторых, для недопущения засорения (или замерзания путем образования льда) дроссельного устройства (канала).

При движении поршня в сторону холодной полости совмещенный клапан открывается и работает как обычный перепускной клапан, а при движении поршня в теплую полость совмещенный клапан закрыт (собственно клапаном закрыты дроссельные канавки на его гнезде, которые в этом режиме выполняют роль дроссельных каналов), и через его дроссельные канавки происходит дросселирование газа в холодную полость.

Периодическое закрытие и открытие совмещенного клапана будет механически «стряхивать» частички возможного мусора и льда с дроссельных каналов, а периодическая смена направления движения газа через совмещенный клапан «сдувать» эти частички возможного мусора и льда из дроссельных канавок.

Выполнение нескольких канавок на гнезде совмещенного клапана необходимо для повышения надежности совмещенного клапана и повышения эффективности самих дроссельных каналов.

Все это в целом существенно повысит надежность работы микроохладителя, упростит его конструкцию, снизит стоимость производства и эксплуатации устройства.

Таким образом:

Выполнение «микроохладителя, содержащего заполненный газом тепло-изолированный 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 уплотненным штоком привода - электродвигателем с кривошипно-шатунным механизмом, установленного в герметичном кожухе, жестко присоединенном к теплоизолированному цилиндру, поршень со стороны теплой полости содержит регенератор, а со стороны холодной полости - дроссельное отверстие, отверстие большего сечения и перепускной клапан в теплую полость, причем теплая полость цилиндра посредством редуктора соединена с емкостью, заполненной сжатым газом, причем перепускной клапан в теплую полость, а также само дроссельное отверстие совмещены в одном клапане, состоящем из корпуса с гнездом и установленном в отверстии большего сечения, причем перепускной клапан в теплую полость плотно прилегает к гнезду, на котором содержится дроссельное отверстие, выполненное в виде дроссельной канавки, которых на гнезде совмещенного клапана может быть несколько», 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, это 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 фиг.1 представлена схема микроохладителя.

На фиг.2 - схематичный разрез совмещенного клапана.

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). На поршне 2 со стороны теплой полости 4 установлен регенератор 9. Поршень 2 имеет отверстие 10 большого сечения с совмещенным клапаном 11. Полость 4 цилиндра 1 посредством редуктора (управляемого клапана) 12 соединена с емкостью 13, заполненной сжатым газом. Шток 8 привода 7 поршня 2 размещен в теплой полости 4 цилиндра 1. Привод 7 выполнен в виде электродвигателя с кривошипно-шатунным механизмом и установлен в герметичный кожух 14, который жестко присоединен к теплоизолированному цилиндру 1. Совмещенный клапан 11 состоит из корпуса с гнездом, к которому плотно прилегает собственно клапан 15 с направляющими 16, подпружиненный пружиной 17 от заглушки 18 с отверстиями 19. На гнезде совмещенного клапана 11 выполнены дроссельные канавки 20, выполняющие роль дроссельного отверстия.

Микроохладитель работает следующим образом:

Первоначально теплоизолированный цилиндр 1 (фиг.1) заполнен газом, поршень 2 находится в своем крайнем правом положении. Переходные режимы работы микроохладителя здесь рассматривать не будем. 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 (небольшим избыточным давлением) совмещенный клапан 11 перетекает через регенератор 9, и нагреваясь при этом, в теплую полость 4.

При движении поршня 2 в обратную сторону, то есть в сторону теплой полости 4, совмещенный клапан 11 закрыт пружиной 17 и избыточным давлением. В теплой полости 4 давление газа растет, и его температура повышается, излишки тепла отводятся из полости 4 теплообменником 6. Газ, проходя через регенератор 9 и охлаждаясь в нем, поступает в прикрытые собственно клапаном 15 дроссельные канавки 20, в которых его давление и температура падают, и далее - в холодную полость 3. 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 редуктор 12, и необходимое количество газа поступает из емкости 13 в цилиндр 1, после чего редуктор 12 закрывается. В качестве редуктора 12 может быть использован автоматический газовый редуктор серийно выпускаемый промышленностью и настроенный на определенное конечное давление - расчетное давление газа в теплоизолированном цилиндре 1.

Объединение перепускных клапанов и дроссельного отверстия, выполненного в виде дроссельных канавок - в одном устройстве (совмещенном клапане) позволяет существенно упростить конструкцию прототипа и повысить его надежность. Кроме того, выполнение нескольких канавок на гнезде совмещенного клапана позволяет повысить эффективность самих дроссельных канавок.

Технический результат достигается не только за счет упрощения конструкции, но и за счет ее работы: так периодическое закрытие и открытие совмещенного клапана будет механически «стряхивать» частички возможного мусора и льда с дроссельных каналов, а периодическая смена направления движения газа через совмещенный клапан «сдувать» эти частички возможного мусора и льда из дроссельных канавок.

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 год, Бюл. №6.

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