ХОЛОДИЛЬНЫЙ КОМПРЕССОР ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
DOUBLE-ACTING REFRIGERATING COMPRESSOR

Изобретение относится к холодильному компрессору двойного действия.
В области вторичного использования хладагентов из холодильных установок, прежде всего из кондиционеров, требуется применение внешних компрессоров, которые могут в существующих на месте эксплуатации кондиционера условиях откачивать хладагент из кондиционера и перекачивать в соответствующий транспортный контейнер.
Необходимые компрессоры должны при этом создавать в баллоне такое давление газа, которое выше давления паров хладагента при соответствующих температурах окружающей среды. Это давление газа в экстремальном случае может намного превышать 30 бар, так что в дальнейших допущениях исходят из рабочего давления максимум до 40 бар.
В известных аппаратах для вторичного использования с целью передачи хладагента в контейнер для вторичного использования аппарат для вторичного использования снабжен компрессором и перемыкающей компрессор байпасной линией. Линия компрессора и байпасная линия соответственно снабжены клапанами, причем сначала находящийся под давлением хладагент по байпасной линии течет в контейнер для вторичного использования. После происшедшего выравнивания давления между контейнером для вторичного использования и холодильником хладагент с помощью компрессора аппарата для вторичного использования передается в контейнер для вторичного использования, причем байпасная линия закрыта.
В основе изобретения лежит задача создать холодильный компрессор простой и оптимальный по затратам, в частности по затратам на уплотнение, конструкции и с необходимой для регенерации хладагента высокой компрессионной мощностью.
Для решения поставленной задачи предложен холодильный компрессор двойного действия, содержащий поршень, свободно установленный с возможностью направленного перемещения с опорой на два противолежащих друг другу и взаимно неподвижных участка цилиндра и имеющий проходящий внутри него насквозь проточный канал, причем каждый участок цилиндра и поршень имеют вдоль проточного канала по меньшей мере по одному обратному клапану, а обратные клапаны расположены таким образом, что их направление протекания направлено одинаково, т.е. все обратные клапаны пропускают среду в одном и том же направлении. В первом варианте предлагаемого в изобретении компрессора участки цилиндра отстоят друг от друга таким образом, что зона поршня свободно доступна снаружи участков цилиндра. Во втором варианте предлагаемого в изобретении компрессора по меньшей мере один участок цилиндра окружен снаружи поршнем (в этом случае участок цилиндра служит инверсным поршнем, расположенным в собственно подвижном поршне). В третьем варианте предлагаемого в изобретении компрессора поршень на одной торцевой стороне имеет компрессионную поверхность низкого давления, а на противолежащей стороне имеет компрессионную поверхность высокого давления, которая меньше, чем компрессионная поверхность низкого давления, причем между компрессионной поверхностью низкого давления и компрессионной поверхностью высокого давления поршень имеет вспомогательную компрессионную поверхность, которая вместе с образующим рабочий объем низкого давления участком цилиндра образует вспомогательный объем, выполненный таким образом, чтобы при ходе поршня под действием движущей силы создавать восстанавливающую силу, противодействующую движущей силе, и тем самым помогать управлению поршнем.
Под свободной установкой поршня понимается то, что он установлен без соединения с такими деталями, как поршневые штоки, с возможностью направленного перемещения в двух противолежащих друг другу и взаимно неподвижных участках цилиндра.
При осуществлении изобретения обеспечивается доступ к поршню снаружи, что дает возможность механического воздействия на поршень, например, для сообщения ему движения, особенно первого движения, причем привод поршня является абсолютно независимым от проточного тракта, по которому среда поступает в компрессор, проходит через поршень и выходит из компрессора, что позволяет отказаться от подвижных уплотнений. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения для вариантов предлагаемого компрессора, заключается в повышении надежности компрессора за счет отказа от уплотнений, используемых для воздействия на поршень через цилиндры с целью привода поршня в движение.
Участки цилиндра могут быть компонентами цельного цилиндра или отдельными деталями. Решающим является то, что участки цилиндра взаимно неподвижны и что поршень в участках цилиндра направлен с уплотнением и свободно, то есть без соединения с другими деталями, такими как, например, поршневые штоки. Через весь поршень полностью насквозь проходит расположенный внутри проточный канал от одного конца поршня до противолежащего ему конца поршня. Поршень в зоне проточного канала имеет по меньшей мере один обратный клапан. Каждый участок цилиндра также имеет по меньшей мере один обратный клапан. Предпочтительно, проточный канал выполнен вдоль прямой продольной оси, вдоль которой расположены также обратные клапаны. Направления протекания обратных клапанов направлены одинаково, то есть при протекании через поршень хладагента в первом направлении течения обратные клапаны открыты, а при протекании через поршень во втором направлении протекания, противоположном первому направлению протекания, обратные клапаны закрыты.
За счет этого обеспечивается, что находящийся под высоким давлением, например 40 бар, хладагент холодильной установки может быть передан в контейнер для вторичного использования с низким давлением, не прибегая к отдельной байпасной линии. При происшедшем выравнивании давления между холодильной установкой и контейнером для вторичного использования поршень во время хода всасывает хладагент из холодильной установки в направлении контейнера для вторичного использования через обратный клапан той области цилиндра, которая обращена к холодильной установке. При последующем противоположном ходе поршня от контейнера для вторичного использования в направлении холодильной установки обратный клапан поршня открывается и всосанный перед тем из холодильной установки хладагент течет по расположенному внутри проточному каналу насквозь через поршень на его противолежащую, обращенную к контейнеру для вторичного использования сторону. При новом изменении направления хода обратный клапан поршня запирается, и поршень нагнетает хладагент через обратный клапан участка цилиндра, обращенного к контейнеру для вторичного использования, в направлении контейнера для вторичного использования.
Преимущество холодильного компрессора согласно изобретению заключается в том, что не требуется отдельная байпасная линия для отбора хладагента из холодильной установки в контейнер для вторичного использования до выравнивания давления. Расположенный внутри проточный канал можно изготовить простым образом, например сверлением. Благодаря соответственно свободно направленному в участках цилиндра поршню не требуются уплотнения для соединения наружного механизма с поршнем через цилиндры. Уплотнения предусмотрены только в области обратных клапанов и в зонах контакта между поршнем и участками цилиндра.
В случае осесимметричных участков цилиндра и поршня с обратными клапанами и проточным каналом на центральной продольной оси изготовление холодильного компрессора согласно изобретению посредством точения и сверления является особо простым.
Предпочтительно, между участками цилиндра предусмотрено такое расстояние, что область поршня является свободно доступной снаружи для того, чтобы обеспечить доступ к поршню для его привода, не прибегая к уплотнениям через участки цилиндра.
Предпочтительным образом, поршень между обеими торцовыми компрессионными поверхностями снабжен вспомогательной компрессионной поверхностью, которая вместе с обоими участками цилиндра образует вспомогательный объем, который при ходе поршня под действием движущей силы создает силу, противодействующую движущей силе.
Особо выгодно, когда по меньшей мере один из обоих участков цилиндра направлен в поршне в виде инверсного поршня, так что поршень охватывает соответствующий участок цилиндра снаружи и свободно доступен там, например для его привода. Прежде всего, оба участка цилиндра могут быть направлены в поршне в виде инверсных поршней, причем оба участка цилиндра взаимно неподвижны, и только поршень совершает движение.
Поршень может бесконтактно приводиться в движение двумя работающими в противофазе электромагнитами, например как приводом с плоским якорем или как приводом с втяжным якорем. В случае привода с плоским якорем пластинчатый якорь, предпочтительным образом, выступает наружу через промежуток между обоими участками цилиндра в созданное электромагнитами магнитное поле. При этом теоретически, в принципе, возможно заменить один из обоих электромагнитов пружинным приводом. В случае привода с втяжным якорем поршень может целиком приводиться в движение как втяжной якорь внутри в цельный цилиндр.
В качестве альтернативы, через промежуток между обоими участками цилиндра с поршнем может быть соединена эксцентрическая направляющая кривошипно-шатунного механизма или ротационный привод может шипом входить в зацепление с 8-образной направляющей кулисы на поверхности поршня.
Далее примеры осуществления изобретения подробнее поясняются с помощью чертежей, где показано:
Фиг. 1 - первый пример осуществления в первом рабочем состоянии,
Фиг. 2 - первый пример осуществления во втором рабочем состоянии,
Фиг. 3 - второй пример осуществления в первом рабочем состоянии,
Фиг. 4 - второй пример осуществления во втором рабочем состоянии,
Фиг. 5 - третий пример осуществления в первом рабочем состоянии,
Фиг. 6 - третий пример осуществления во втором рабочем состоянии,
Фиг. 7 - четвертый пример осуществления в первом рабочем состоянии,
Фиг. 8 - четвертый пример осуществления во втором рабочем состоянии,
Фиг. 9 - пятый пример осуществления,
Фиг. 10 - шестой пример осуществления,
Фиг. 11 - седьмой пример осуществления,
Фиг. 12 - восьмой пример осуществления и
Фиг. 13 - девятый пример осуществления.
В холодильном компрессоре показанного на фиг. 1 и 2 первого примера осуществления компрессорная система состоит из ступенчатого цилиндра 1, в котором в аксиальном направлении направлен поршень 7 с центральным перепускным каналом 9. Цилиндр закрыт пластиной 2 впускного клапана и пластиной 3 выпускного клапана, в которых установлены впускной клапан 10 и выпускной клапан 12. Перепускной канал 8 на сопряженной с выпускным отверстием стороне закрыт еще одним клапаном 11.
При этом левый участок с увеличенным диаметром ступенчатого цилиндра 1 образует первый участок 41 цилиндра, а правый участок с уменьшенным диаметром образует второй участок 42 цилиндра. Оба участка 41 и 42 цилиндра также соединены между собой как одно целое и образуют цилиндр 1.
Основная функция свободнопоршневого линейного компрессора двойного действия описывается следующим образом.
Поршень посредством не показанного здесь привода приводится в линейное колебательное движение. Это может происходить как резонансное колебание или как вынужденное колебание.
Функционально компрессор имеет три типичных объема, влияющих на работу системы и определяющих характер изменения нагрузки:
- рабочий объем 4 низкого давления,
- рабочий объем 6 высокого давления,
- вспомогательный объем 5, помогающий управлять поршнем (лучше всего посредством байпаса влево перед клапаном 10 или вправо от клапана 12).
Когда поршень 7 движется влево, рабочая среда вытесняется их рабочего объема 4 низкого давления. Поскольку клапан 10 вследствие повышения давления закрывается, рабочая среда через перепускной канал 8 и перепускной клапан 11 нагнетается в увеличивающийся рабочий объем 6 высокого давления. За счет этого достигается предварительное сжатие рабочей среды, причем предварительное сжатие приблизительно определено отношением поперечного сечения рабочего цилиндра 4 низкого давления к поперечному сечению рабочего цилиндра 6 высокого давления.
Когда поршень достигает левой точки возврата, движение изменяется на обратное. Теперь рабочая среда вытесняется из рабочего объема 6 высокого давления и через выпускной клапан 12 поступает в выпускное отверстие. Одновременно увеличивается рабочий объем 4 низкого давления. Падение давления в рабочем объеме 4 низкого давления и повышение давления в рабочем объеме 6 высокого давления 6 ведут к запиранию перепускного клапана 11. Одновременно через впускной клапан 10 всасывается рабочая среда из впускного отверстия.
Когда поршень достигает правой точки возврата, движение снова меняется на обратное и процесс повторяется.
В режиме работы для вторичного использования хладагента данная конструкция имеет то преимущество, что происходит пассивное выравнивание давления между впускным отверстием и выпускным отверстием. В таком применении обычно от необходимого согласно уровню техники байпаса можно отказаться. Благодаря конструкции свободнопоршневого линейного компрессора двойного действия рабочая среда может непосредственно перетекать через впускной клапан 10, перепускной клапан 11 и выпускной клапан 12. Это может происходить как с жидкой, так и с газообразной фракцией.
После выравнивания давления в рабочем объеме 4 низкого давления и в рабочем объеме 6 высокого давления будет существовать давление паров хладагента, которое в данном случае принято равным 40 бар. Давление во вспомогательном объеме 5 существенно влияет на характеристику усилие-путь системы.
Вариант 1: объем сообщается с окружающей средой. Таким образом, давление всегда является атмосферным давлением в 1 бар.
0
Вариант 2: объем является герметичным и выполнен как газонаполненный амортизатор с постоянным предварительным давлением р.
Вариант 3: объем соединяется с впускным трубопроводом, так что предварительное давление равно рабочему давлению в холодильной установке.
Вариант 4: объем соединяется с выпускным трубопроводом, так что предварительное давление во вспомогательном объеме равно рабочему давлению в контейнере для вторичного использования.
Модификация первого примера осуществления получается с помощью отверстия по центру цилиндра, так что в качестве второго примера осуществления получается конструкция согласно фиг. 3 и 4, в которой первый участок 41 цилиндра отстоит от второго участка 42 цилиндра. Путем разделения цилиндра на два отстоящих между собой участка 41, 42 цилиндра обеспечивается прямой механический доступ к поршню и тем самым также привод с применением кинематического замыкания.
Из дальнейшей модификации следует третий пример осуществления на фиг. 5 и 6 с инверсной компрессионной камерой. Компрессор с инверсной компрессионной камерой состоит из поршня 25 с перепускным каналом 8, промежуточным клапаном 11 и инверсной компрессионной камерой 6. Поршень 25 движется в цилиндре 24, который закрыт пластиной 2 впускного клапана. В пластине 2 впускного клапана установлен впускной клапан 10. Пластина 2 впускного клапана, цилиндр 24 и поршень 25 образуют компрессионный объем 4 низкого давления. В обратной компрессионной камере 6 вставлен неподвижный инверсный поршень 23 с выпускным каналом и выпускным клапаном 12. Цилиндр 24 и инверсный поршень 23 с помощью не показанной здесь рамы жестко соединены между собой и образуют стационарную систему компрессора.
Выгодным при таком расположении является прямой механический доступ к поршню при сохранении линейного потока рабочей среды, так что, с одной стороны, привод поршня может происходить также с принудительной подачей, например, посредством кривошипно-шатунного механизма, а с другой стороны, рабочая среда может протекать прямо от впускного отверстия через все клапаны к выпускному отверстию.
В четвертом примере осуществления на фиг. 7 и 8 оба участка 41 и 42 цилиндра установлены в виде инверсных поршней в поршень 25.
В пятом примере осуществления согласно фиг. 9 показан привод с плоским якорем для приведения в движение поршня. Поршень, который сам может быть изготовлен из нерелевантного для привода материала, механически соединяется с изготовленной из магнитно-мягкого железа пластиной 52 якоря. С каждой стороны соответственно расположен электромагнит горшкового типа, состоящий из железного сердечника 50 или 54 и электромагнитной катушки 51 или 53. Посредством попеременной подачи напряжения на катушки между электромагнитом горшкового типа и пластинчатым якорем соответственно создается магнитное поле, приводящее якорь в соответствующее движение. Для управления подачей напряжения требуются датчики положения поршня. В простейшем случае это может быть ползунковый переключатель, который по достижении заданного конечного положения переключает подачу тока на другую катушку.
В других схемах могут применяться дополнительные электронные элементы, которые реализуют не только переключение в зависимости от положения, но также передают на управляющее устройство, например, скорость и нагрузку. Выгодно в этом приводе то, что плоский якорь имеет характеристику усилие-путь, которая может быть хорошо согласована с характеристикой усилие-путь компрессора. С уменьшением воздушного зазора между якорем и магнитом усилие возрастает прогрессивно, так что, прежде всего, в конечных положениях поршня могут прилагаться большие усилия.
В шестом примере осуществления на фиг. 10 для поршня применяется привод с магнитом и пружиной. По принципу действия это осциллятор с подпружиненной массой, причем возбуждается колебательное движение поршня как массы. Работа, которую должна отдавать машина, действует как затухание и должна прилагаться посредством магнита как синхронное возбуждение. Этот принцип для небольших мощностей очень эффективен. Чтобы колебание действительно могло происходить, накопленная в системе с подпружиненной массой кинетическая или потенциальная энергия должна быть больше, чем подлежащая отдаче работа.
В седьмом примере осуществления на фиг. 11 в качестве привода для поршня применяется втяжной якорь. Катушки попеременно создают магнитный поток в левой или в правой области подвижной катушки. Тогда якорь каждый раз втягивается в соответствующее крайнее положение. Здесь также важно оптимизированное управление катушкой для предотвращения незаторможенных ударов якоря. Управление катушками происходит таким же образом, как в случае привода с плоским якорем.
В примере осуществления согласно фиг. 12 поршень 7 приводится в движение эксцентрической направляющей 61 с валом 60 посредством традиционного кривошипно-шатунного механизма. Симметрично расположенный вал 60 ротационного привода посредством также известного способа может преобразовывать [вращение] в принудительные колебания. Этот способ применим как для обычной конструкции, так и для варианта осуществления с инверсной компрессионной камерой. При этом выгодным является применение обычных ротационных приводов и принудительное управление путем перемещения.
В качестве альтернативы как обычный привод, так и представленный на фиг. 13 ротационный привод 71, ось вращения которого соответствует центральной продольной оси поршня 7, могут служить для того, чтобы расположенным внутри шипом 72 входить в зацепление с расположенной на наружной окружной поверхности поршня 7 выполненной в виде восьмерки направляющей 73 кулисы, чтобы за счет вращения ротационного привода 71 приводить поршень 7 в колебательный возвратно-поступательный ход.