ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ
CYLINDER-PISTON ASSEMBLY

Область техники
Изобретение касается цилиндропоршневого узла, в частности, для компрессора, служащего для создания рабочей среды под давлением, с цилиндром, поршнем, установленным с возможностью возвратно-поступательного движения в направлении оси цилиндра между первым положением поршня, в котором объем в цилиндре, заключенный между цилиндром и поршнем, является максимальным, и вторым положением поршня, в котором этот объем в цилиндре минимален, а также с предусмотренной между поршнем и цилиндром опорой, образованной рабочей средой, посредством которой поршень опирается в цилиндре с возможностью осевого перемещения и которая определяет рабочую поверхность поршня, охватывающую поршень по его окружности по меньшей мере на части продольной протяженности поршня, причем опора, образованная рабочей средой, включает в себя множество выпускных отверстий для рабочей среды, предусмотренных во внутренней боковой стенке цилиндра.
Уровень техники
Такой цилиндропоршневой узел известен из патентного документа US 5525845 A. В этом известном цилиндропоршневом узле предусмотрены выпускные отверстия в стенках цилиндра, которые поддерживают поршень как в первом положении поршня, так и в его втором положении. Чтобы осуществить это, выпускные отверстия расположены относительно далеко от днища цилиндра, то есть от торцевой внутренней стенки отверстия цилиндра. В результате этого прослойка рабочей среды для поддержания поршня в цилиндре, образованная между боковой поверхностью поршня и внутренней боковой поверхностью цилиндра, становится в передней, граничащей с днищем поршня части, тем тоньше, чем дальше поршень продвигается в свое второе положение, то есть в положение сжатия. Одновременно вследствие высокого давления, возникающего при сжатии в рабочем объеме цилиндра, сжатая рабочая среда из рабочего объема цилиндра проникает в зазор между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью цилиндра, что при асимметричном распределении этого проникновения по окружности ведет к отклонению поршня и, таким образом, к нежелательному перекашиванию поршня.
Из патентного документа JP 2002-349435 А известен цилиндропоршневой узел, который приводится в действие линейным электродвигателем и в котором поршень без поршневого кольца свободно передвигается на газовой подушке. Для стабилизации этой газовой подушки поршень снабжен пазом, проходящим по всей его окружности. Этот паз должен уменьшать возможность перекашивания поршня в цилиндре. Проходящий по окружности паз ослабляет не только нежелательную для сохранения расположения поршня силу, действующую в поперечном направлении, но и воздушный подшипник в целом, так что эффект от воздействия проходящего по окружности паза на воздушный подшипник скорее отрицательный.
Раскрытие изобретения
Поэтому задачей данного изобретения является такая реализация обычного цилиндропоршневого узла (называемого также часто цилиндропоршневая группа), что даже тогда, когда поршень передвигается в положение сжатия или находится в положении сжатия, обеспечивается достаточно надежное расположение поршня в цилиндре и тем самым предотвращается отклонение поршня в стороны.
Эта задача решена в цилиндропоршневом узле с признаками, указанными в пункте 1 формулы изобретения.
Такое расположение выпускных отверстий, когда при нахождении поршня в его втором положении первые выпускные отверстия снабжают рабочей средой, находящейся под давлением, переднюю или среднюю относительно продольной оси поршня часть рабочей поверхности поршня, а вторые выпускные отверстия снабжают рабочей средой, находящейся под давлением, среднюю относительно продольной оси поршня часть рабочей поверхности поршня, обеспечивает надежное положение поршня в цилиндре и его радиальное позиционирование без возможности соприкосновения поршня с цилиндром. Путем расположения выпускных отверстий в средней части или в передней и средней части достигается то, что центр тяжести подшипника при проникновении давления из камеры сжатия в окружающий поршень зазор подшипника остается в средней или передней части поршня и во всяком случае только незначительно, перемещается назад, вследствие чего обеспечивается надежная радиальная поддержка (опирание) поршня рабочей средой в средней, а также в передней части поршня, так что влияние давления в камере сжатия на давление в зазоре подшипника существенно ниже по сравнению с обычными решениями.
При этом предпочтительным является тот вариант, когда отверстия расположены таким образом, при котором и в области внутренней боковой стенки цилиндра, лежащей напротив поршня во втором его положении, но не в первом его положении, предусмотрены выпускные отверстия. Тем самым также в состоянии сжатия надежно образуется прослойка рабочей среды между внутренней боковой стенкой цилиндра и внешней боковой стенкой поршня, не будучи при этом вытиснутой из объема цилиндра из-за проникновения сжатой рабочей среды. При такой форме реализации поршень во втором своем положении, т.е. в положении сжатия, еще надежнее опирается на внутренней боковой стенке цилиндра на подушке рабочей среды.
В одной предпочтительной форме реализации выпускные отверстия расположены таким образом, что в случае, когда поршень находится в своем втором положении, первые выпускные отверстия снабжают рабочей средой, находящейся под давлением, переднюю относительно продольной оси поршня часть рабочей поверхности поршня, а вторые выпускные отверстия снабжают рабочей средой, находящейся под давлением, среднюю или заднюю относительно продольной оси поршня часть рабочей поверхности поршня. Если при этом выпускные отверстия предусмотрены в передней или задней части рабочей поверхности поршня, то в положении сжатия поршня будет достигнуто особо равномерное поддержание поршня над его продольной осью. Предпочтительным является, однако, и тот вариант, когда предусмотрены первые выпускные отверстия в передней части и вторые выпускные отверстия в средней части рабочей поверхности поршня, в результате чего центр тяжести подшипника распространяется вперед, то есть к днищу поршня. Тем самым в области переднего конца кольцевого зазора между поршнем и цилиндром, то есть в области, обращенной к объему в цилиндре, формируется более высокое давление в жидкостной или газовой опоре между поршнем и цилиндром, которое дает давлению сжатия в объеме цилиндра более высокое сопротивление и тем самым еще больше препятствует проникновению рабочей среды, находящейся под давлением, из объема в цилиндре в зазор жидкостной или газовой опоры. В следующей опциональной конструктивной форме реализации выпускные отверстия расположены таким образом, что когда поршень находится в своем первом положении, переднюю относительно продольной оси поршня часть рабочей поверхности поршня снабжают рабочей средой под давлением вторые выпускные отверстия, а заднюю относительно продольной оси поршня часть рабочей поверхности поршня снабжают третьи выпускные отверстия. Эти третьи выпускные отверстия в задней области, предусмотренные в качестве опции, позволяют улучшить опирание поршня в его возвращенном назад положении.
Особенно предпочтителен вариант, когда опора или опирание, образованное рабочей средой, выполнено в виде газового подшипника, причем выпускные отверстия образованы газовыпускными отверстиями; предпочтительной и особенно удобной конструктивной формой является воздушный подшипник.
Большие количества выпускных отверстий предпочтительно образуют группы выпускных отверстий.
Группы выпускных отверстий предпочтительно размещены на расстоянии друг от друга в направлении оси цилиндропоршневого узла и предпочтительно расположены кольцеобразно вокруг оси цилиндра. Благодаря этому между поршнем и цилиндром образуется особенно равномерная подушка из рабочей среды или газовая подушка.
Для образования особенно равномерной подушки из рабочей среды или газовой подушки между поршнем и цилиндром предпочтительным является также расположение, при котором каждое образованное отверстиями кольцо содержит выпускные отверстия, распределенные по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга.
Выпускные отверстия предпочтительно образованы микроотверстиями, предпочтительно конусообразными, изготовленными при помощи луча с высокой энергией, причем их минимальное поперечное сечение расположено со стороны выхода к рабочей поверхности цилиндра. Микроотверстия, проделанные таким образом, образуют подушки из рабочей среды или газовую подушку, имеющую высокую степень однородности и высокую устойчивость к нагрузкам.
Эти микроотверстия предпочтительно просверливаются при помощи лазерного луча.
Если находящаяся под давлением рабочая среда для снабжения выпускных отверстий отводится от потока рабочей среды, созданного сжатием объема цилиндра, например от выпускного канала, то это позволяет получить простую конструкцию цилиндропоршневого узла и при этом одновременно отказаться от дополнительного устройства, создающего давление рабочей среды для снабжения выпускных отверстий, что способствует экономичности производства такого цилиндропоршневого узла.
Этот цилиндропоршневой узел особенно предпочтителен в том случае, когда в качестве приводного элемента для возвратно-поступательного движения поршня служит подвижная часть линейного привода
Та область применения цилиндропоршневого узла согласно изобретению, которую следует особо отметить и которая дает особые преимущества, - это компрессор, служащий для получения рабочей среды под давлением, предпочтительно линейный компрессор с приводом от линейного двигателя.
Дальнейшие предпочтительные варианты реализации изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткий перечень фигур чертежей
Ниже изобретение более подробно поясняется на основе примера реализации со ссылкой на фигуры чертежей. На них показано следующее:
фиг.1 - схематичный продольный разрез цилиндропоршневого узла согласно изобретению с поршнем, находящимся в первом положении, и
фиг.2 - тот же цилиндропоршневой узел с поршнем, находящимся в положении сжатия.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан продольный разрез цилиндропоршневого узла 1 с цилиндром 2 и поршнем 3. Цилиндр 2 имеет отверстие 10, в котором с возможностью свободного возвратно-поступательного движения в направлении продольной оси Х отверстия 10 помещен поршень 3. Объем 18 в цилиндре ограничивают выполненная со стороны головки 23 цилиндра передняя торцевая стенка 12 отверстия 10 цилиндра, внутренняя боковая стенка 14 отверстия 10 цилиндра и днище 16 поршня.
В переднюю торцевую стенку 12 отверстия 10 цилиндра со стороны головки входит впускной канал 22, снабженный схематически показанным клапаном 20. В той же передней торцевой стенке 12 со стороны головки предусмотрен выпускной канал 24, который имеет соответствующий клапан 26; этот выпускной канал также входит в отверстие 10 цилиндра.
Кроме того, на фиг.1 показано, что цилиндрическая опорная поверхность 15 цилиндра ограничена передней ограничивающей плоскостью Z1, которая совпадает с передней ограничивающей плоскостью К1 опорной поверхности 38 поршня, когда поршень 3 находится в своем втором положении, показанном на фиг.2, и задней ограничивающей плоскостью Z2, которая совпадает с задней, противоположной днищу 16 поршня ограничивающей линией К2 опорной поверхности 38 поршня, когда поршень 3 находится в своем первом положении, показанном на фиг.1. Длина L опорной поверхности 15 цилиндра делится срединной плоскостью Е рабочей поверхности, расположенной под прямым углом к опорной поверхности 15 цилиндра, на две половины с длиной каждой, равной L/2.
Фиг.1 показывает также, что в передней области опорной поверхности 15 цилиндра предусмотрено больше выпускных отверстий 30', 32', чем в ее задней области, где представлены только опционально предусмотренные выпускные отверстия 34'. Такое асимметричное расположение выпускных отверстий относительно срединной плоскости Е опорной поверхности приводит к тому, что распределение площадей поперечного сечения выходных отверстий по длине L опорной поверхности 15 цилиндра относительно срединной плоскости Е также асимметрично. Такая асимметрия может быть достигнута не только путем различного количества выпускных отверстий в передней или задней области опорной поверхности 15 цилиндра, но, например, и тем, что выходные отверстия в передней области опорной поверхности 15 цилиндра имеют больший диаметр и тем самым большую площадь поперечного сечения, чем те выпускные отверстия, что находятся в задней области опорной поверхности 15 цилиндра.
При движении поршня 3 на фиг.2 влево рабочая среда всасывается в объем 18 в цилиндре, а при движении поршня 3 вправо эта рабочая среда выталкивается в сжатом состоянии через выпускной клапан 26 и выпускной канал 24. Показанный цилиндропоршневой узел 1 является частью поршневой рабочей машины, у которой вытесняемая рабочая среда газообразная, как это имеет место, например, в случае компрессора. Настоящее изобретение может быть в принципе применимо и для других поршневых рабочих машин, как, например, для двигателей внутреннего сгорания или насосов.
Часть выталкиваемой газообразной рабочей среды проводится из выпускного канала 24 через соединительный канал 28, который предусмотрен в головке 23 цилиндра и в корпусе 21 цилиндра 2, в кольцевые каналы 30, 32, 34, которые также предусмотрены в корпусе 21 цилиндра 2 и которые окружают отверстие 10 цилиндра в форме колец. Кольцевые каналы 30, 32, 34 расположены на расстоянии друг от друга в направлении продольной оси Х отверстия 10 цилиндра. Каждый из кольцевых каналов 30, 32, 34 снабжен множеством микроотверстий 30', 32', 34', которые равномерно распределены по окружности отверстия 10 цилиндра и связывают каждый из кольцевых каналов 30, 32, 34 с внутренней частью отверстия 10 цилиндра, проходя при этом через внутреннюю стенку 14 цилиндра. Таким образом, микроотверстия 30', 32', 34' каждого кольцевого канала 30, 32, 34 образуют кольцеобразные группы 30'', 32'', 34'' выпускных отверстий. Сжатый газ, который проводится через соединительный канал 28 в кольцевые каналы 30, 32, 34, может таким образом выходить через микроотверстия 30', 32', 34' и образовывать поддерживающую поршень по боковой поверхности газовую подушку между опорной поверхностью 15 цилиндра на внутренней боковой стенке 14 цилиндра 2 и опорной поверхностью 38 поршня на внешней боковой стенке 36 поршня 3.
Первый кольцевой канал 30 с относящимися к нему микроотверстиями 30' расположен в области, в которой поршень перекрывает микроотверстия 30' только тогда, когда он находится вблизи положения сжатия, то есть тогда, когда объем 18 в цилиндре минимален, как показано на фиг.2. В этом случае поршень 3 перекрывает опорной поверхностью 38 передние, первые микроотверстия в пределах передней области 3''.
В положении, показанном на фиг.1, в котором объем 18 в цилиндре является максимальным, самые передние микроотверстия 30' не участвуют в образовании газовой подушки между внутренней боковой стенкой 14 цилиндра 2 и внешней боковой стенкой 36 поршня. Тем не менее, вследствие крайне незначительного поперечного сечения микроотверстий 30' возникающая таким образом потеря давления не существенна. Однако может быть предусмотрено также (не показан) расположение клапанов, которое подвергает первый кольцевой канал 30 воздействию сжатого газа только тогда, когда поршень 3 перекрывает микроотверстия 30'.
Второй кольцевой канал 32 расположен таким образом, что относящиеся к нему микроотверстия 32' всегда перекрыты поршнем 3, так что микроотверстия 32' на протяжении всего пути осевого движения поршня 3 участвуют в образовании газовой подушки между внутренней боковой стенкой 14 цилиндра 2 и внешней боковой стенкой 36 поршня 3.
Третий кольцевой канал 34 находится на самом большом удалении от торцевой стенки 12 отверстия 10 цилиндра, расположенной со стороны головки. Таким образом, микроотверстия 34', относящиеся к третьему кольцевому каналу 34, перекрыты поршнем 3, а именно опорной поверхностью 38 в пределах задней части 3' поршня, только тогда, когда поршень 3 находится в области его заднего положения, в котором объем 18 в цилиндре является максимальным. Третий кольцевой канал 34 с относящимися к нему микроотверстиями 34' предусматривается в качестве опционального варианта и служит только для дальнейшего улучшения рабочих качеств поршня 3 в отверстии 10 цилиндра.
При этом задняя часть 3' поршня определена как область, противоположная днищу 16 поршня относительно перпендикулярной к опорной поверхности 38 поршня вертикальной срединной плоскости М (фиг.2). Передней частью 3'' поршня 3 является в соответствии с этим область, обращенная относительно срединной плоскости М к переднему концу поршня, расположенному со стороны днища поршня. Meжду задней частью 3' поршня и передней частью 3'' поршня находится средняя часть 3''' поршня, которая определена как область перед и за срединной плоскостью М поршня. Срединная плоскость М поршня расположена перпендикулярно к опорной поверхности 38 поршня, а относительно длины а опорной поверхности 38 поршня находится в центре на расстоянии половины длины опорной поверхности, равной а/2. Средняя часть поршня 3''' отграничивается от передней части поршня 3'' передней окружной линией U1, которая представляет собой воображаемую окружную линию, проходящую в плоскости, параллельной срединной плоскости М поршня.
Таким же образом средняя часть 3''' поршня отграничивается от задней части 3' поршня задней окружной линией U2, которая представляет собой воображаемую окружную линию, проходящую в плоскости, параллельной срединной плоскости М поршня. Передняя окружная линия U1 и задняя окружная линия U2 соответственно отстоят от срединной плоскости М поршня в осевом направлении на величину до 20%, предпочтительно до 15%, еще более предпочтительно до 10% длины а рабочей поверхности. При этом расстояние от передней окружной линии U1 до срединной плоскости М поршня не обязательно равно расстоянию от задней окружной линии U2 до срединной плоскости М поршня, хотя предпочтительно симметричное расположение линий U1, U2 относительно срединной плоскости М поршня.
Между кольцевыми каналами 30, 32, 34 с соответствующими микроотверстиями 30', 32', 34', которые образуют кольцеобразные группы выпускных отверстий 30'', 32'' и 34'' соответственно, во внутренней стенке 14 отверстия 10 цилиндра могут предусматриваться дальнейшие кольцеобразные группы выпускных отверстий, сформированные таким же образом.
В одном варианте реализации цилиндропоршневого узла согласно изобретению, нашедшем практическое применение, первые выпускные отверстия 30' и вторые выпускные отверстия 32' расположены таким образом, что во втором, переднем положении поршня, которое представлено на фиг.2, они подвергают воздействию рабочей среды под давлением среднюю часть 3''' поршня 3, в то время как задняя часть 3' поршня в этом положении совсем не подвергается воздействиям со стороны выпускных отверстий. При этом выпускные отверстия 30', 32' могут быть незначительно смещены, как показано на фиг.2, относительно срединной плоскости поршня М в направлении к передней части 3' поршня.
Изобретение не ограничено вышеприведенным вариантом реализации, который служит лишь для общего пояснения основной идеи изобретения. В пределах правовой охраны устройство согласно изобретению скорее всего примет иные формы реализации, чем описанные выше. Устройство может иметь при этом, в частности, признаки, которые представляют собой сочетания отдельных признаков по пунктам формулы изобретения.
Обозначения в пунктах формулы изобретения, в описании и на фигурах служат лишь для лучшего понимания изобретения и не должны ограничивать объем правовой охраны.