Газовая холодильная машина с рабочим поршнем, имеющим элементы с памятью формы

 

Использование: в газовых регенеративных машинах, работающих по циклу Стерлинга. Сущность изобретения: при пуске двигателя машины, часть сжимаемого рабочего газа проталкивается через зазоры между уплотнительным кольцом 11 и внутренней поверхностью цилиндра 13 между внутренними уплотнительными кольцами 14 и штоком вытеснителя 15 в картер. Другая часть газа поступает через клапанные устройства 16 и 17 в емкости 3 и 4. В результате сжатия температура газа повышается, вызывая увеличение длины гофрированных пластин из материала с памятью формы, что приводит к перемещению внешнего уплотнительного кольца 11 и внутренних уплотнительных колец 14 к поверхности цилиндра 13 и штока вытеснителя 15, уменьшению зазора между ними. При остановке двигателя газ из емкостей 3 и 4 через отверстия малого диаметра в теле шариков клапанных устройств 16 и 17, за счет разности давлений, перетекает в рабочие полости, вызывая понижение температуры и уменьшение длины гофрированных пластин, приводя устройства в исходное состояние. 1 ил.

Изобретение относится к области газовых регенеративных машин, работающих по циклу Стирлинга.

Известен эффект "памяти формы", явление самопроизвольного формовосстановления при изменении температуры. У некоторых материалов эффект многократнообратимой памяти формы не исчезает после практически любого числа теплосмен. Так, установлено, что в сплавах AuCd многократнообратимая память формы проявляется по крайней мере на протяжении 3·10⁷ термоциклов [1] Известно уплотнительное устройство для поршневого штока двигателя Стирлинга, включающее газовое уплотнение и промежуточные камеры, соединенные с масляным баком [2] Недостатком данного устройства является сложная схема взаимосвязи его элементов, увеличение массогабаритных параметров, связанных с введением дополнительных элементов и трубопроводов.

Известна газовая криогенная машина, содержащая корпус, разделенный поршнем на объем картера и полость сжатия, снабженная для облегчения пуска и уменьшения время выхода на рабочий режим линией связи между полостями сжатия и картера с обратными клапанами [3] Недостатком этого устройства является усложнение конструкции холодильной машины, связанное с введением дополнительных воздушных каналов, датчиков температуры, электронного блока управления.

Известна холодильная криогенная машина, включающая полости сжатия, расширения и картера, вытеснитель, регенератор, теплообменные аппараты, буферную полость, соединенную с рабочей через разгрузочный клапан для уменьшения пускового момента, рабочий поршень с уплотнением штока вытеснителя [4] Недостатком данной холодильной машины является увеличение габаритных размеров, усложнение конструктивного исполнения за счет введения буферной полости для облегчения пуска машины и возможность некоторой утечки рабочих газов из полости сжатия в картер в процессе работы холодильной машины через уплотнение штока вытеснителя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности создания условия декомпрессии в полости сжатия в момент пуска и выхода холодильной машины на рабочий режим, облегчающий пуск и сокращающий время выхода, и в повышении эффективности штока вытеснителя в процессе работы за счет использования элементов с памятью формы в виде предварительно сжатых гофрированных пластин.

Для достижения этого технического результата, газовая холодильная машина, включающая полости сжатия, расширения и картера, вытеснитель, регенератор, теплообменные аппараты, снабжена рабочим поршнем, выполненным в виде корпуса поршня с верхним фигурным торцом и крышки поршня, образующей с корпусом емкости для установки двух динамических уплотнительных узлов, состоящих из упоров и гофрированных пластин из материала с памятью формы, внешнего уплотнительного кольца, имеющего наконечник с металлическим наполнителем, внутренних колец для уплотнения штока вытеснителя, клапанными устройствами, в виде подпружиненных шариков с отверстиями малого диаметра в теле шариков, установленных в конусных отверстиях крышки, крепящейся к верхнему торцу корпуса поршня с помощью крепежных болтов.

Введение в состав рабочего поршня динамических уплотнительных узлов в виде упоров, гофрированных пластин из материала с памятью формы, внешних и внутренних уплотнительных колец, клапанных устройств позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности перемещения внешних и внутренних уплотнительных колец (приводящих к изменению зазора между внутренней поверхностью цилиндра и внешним уплотнительным кольцом, зазора между внутренними уплотнительными кольцами и поверхностью штока вытеснителя) за счет изменения температуры в емкостях с динамическими уплотнительными узлами в период пуска и выхода холодильной машины на рабочий режим.

На чертеже изображена газовая холодильная машина с рабочим поршнем, имеющим элементы с памятью формы.

Газовая холодильная машина содержит корпус рабочего поршня 1 с фигурным верхним торцом, крышку 2, образующую с корпусом 1 емкости 3 и 4, в которых установлены динамические уплотнительные узлы, состоящие из упоров 5, 6, 7, 8, гофрированных пластин 9 и 10, предварительно сжатых, из материала с памятью формы, внешнего уплотнительного кольца 11 с наконечником из металлического наполнителя 12 для уплотнения внутренней поверхности цилиндра 13, внутренних уплотнительных колец 14 для уплотнения штока вытеснителя 15, клапанных устройств 16, 17, установленных в конусных отверстиях крышки 2, выполненных в виде подпружиненных шариков, в теле которых имеются отверстия малого диаметра для обратного прохода газа. В теле крышки 2 выполнены отверстия для прохода крепежных болтов 18, прижимающих крышку 2 к корпусу поршня 1, для чего в корпусе 1 выполнены отверстия с резьбой. Уплотнительные кольца 11 и 14 выполнены из упругого эластичного материала. Между штоком вытеснителя 15 и корпусом поршня 1 находится фиксирующая втулка 13. Упоры 6 и 7 имеют отверстия для прохода рабочего газа в область под гофрированные пластины 9 и 10.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении между внешним уплотнительным кольцом поршня 11 и внутренней поверхностью цилиндра 13 существует зазор, позволяющий перепускать часть рабочего газа из полости сжатия в картер, внутренние уплотнительные кольца 14 неплотно прилегают к поверхности штока вытеснителя 15. При пуске двигателя сжимаемый в полости сжатия рабочий газ частично вытесняется в картер за счет перепада давления, через зазоры, создавая условие декомпрессии для начального периода работы холодильной машины. Другая часть газа также за счет перепада проходит через клапанные устройства 16 и 17 в емкости 3 и 4, увеличивая в нем давление. Увеличение давления сопровождается повышением температуры, что приводит к нагреванию предварительно сжатых гофрированных пластин 9 и 10, увеличению длины пластин за счет эффекта памяти формы, а как следствие этого, перемещению внешнего уплотнительного кольца 11 в сторону внутренней поверхности цилиндра 13, вызывая уменьшение зазора между ними и перемещение внутренних колец 14 к поверхности штока вытеснителя 15, образуя эффективное уплотнение штока вытеснителя 15. Работа в таком режиме происходит до тех пор, пока уплонительные кольца плотно не прижмутся к внутренней поверхности цилиндра 13 и поверхности штока вытеснителя 15, тем самым герметизировав полость сжатия от картера, и давление в емкостях 3, 4 не станет равным давлению в полости сжатия. К этому времени холодильная машина выходит на рабочий режим. При остановке двигателя газ из емкостей 3 и 4 за счет перепада давления в нем и рабочих объемах перетекает через отверстие малого диаметра в теле шариков клапанных устройств 16 и 17 в рабочий объем машины. Уменьшение давления вызовет понижение температуры, что приведет к принятию гофрированными пластинами прежней длины. Упруго растянутые уплотнительные кольца 11, 14 за счет обратного действия сил растяжения перемещаются к центру поршня, образуя необходимый зазор с внутренней поверхностью цилиндра 13 и штока 15, для последующего пуска.

Формула изобретения

Газовая холодильная машина с рабочим поршнем, имеющим элементы с памятью формы, работающая по циклу Стирлинга, включающая полости сжатия, расширения и картера, рабочий поршень, вытеснитель, регенератор, теплообменные аппараты, отличающаяся тем, что в верхний части корпуса рабочего поршня выполнены емкости для установки динамических уплотнительных узлов, содержащих упругие уплотнительные кольца, упоры и пластины, из материалов с памятью формы, клапанные устройства, расположенные в крышке поршня, позволяющие перепускать газ в обоих направлениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1