КОМПРЕССОР, СОДЕРЖАЩИЙ ПОРШЕНЬ С ГАЗОВЫМ ПОДШИПНИКОМ
COMPRESSOR CONTAINING PISTON WITH GAS BEARING

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к компрессору, содержащему поршень с газовым подшипником и предназначенному, в частности, для использования в качестве холодильного компрессора в бытовом холодильном аппарате.
Уровень техники
В бытовых приборах обычно применяются компрессоры с поршнями, имеющими вращательный привод, и масляной системой смазки. Благодаря вращательному приводу поршень такого компрессора во время своего возвратно-поступательного движения в рабочей камере испытывает также влияние сил, направленных поперек направления его движения и прижимающих поршень к стенке рабочей камеры. Чтобы защитить компрессор от износа вследствие механического истирания, между поршнем и стенкой камеры постоянно должна находиться масляная пленка. Вязкость масла должна быть достаточно велика для того, чтобы масло между стенкой и поршнем не было вытеснено под действием поперечных сил. Чем больше поперечные силы, тем более вязкотекучим должно быть масло и тем больше будут потери на трение вследствие вязкости масла.
Чтобы улучшить коэффициент полезного действия компрессора, в последнее время усиленно разрабатывался компрессор с приводом от электродвигателя с линейно движущимся ротором. Такой электродвигатель с линейно движущимся ротором оказывает меньшие поперечные усилия на поршень, благодаря чему могут применяться более текучие смазочные материалы, вплоть до собственно сжимаемого газа. В таком компрессоре с газовым подшипником в стенке рабочей камеры, покрывающейся поршнем, выполнены отверстия, которые соединяются с выпуском компрессора. В результате малая часть сжатой среды может попадать из выпуска через отверстия обратно в рабочую камеру и создавать газовую подушку между поршнем и стенкой, которая в идеальном случае позволяет поршню двигаться при полном отсутствии контакта со стенкой и тем самым полностью исключить износ вследствие механического истирания.
Однако такие идеальные условия трудно реализуемы. На практике спустя относительно непродолжительное время эксплуатации компрессор с линейным приводом часто выходит из строя по причине износа вследствие механического истирания между поршнем и стенкой камеры.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка компрессора с газовым подшипником, который позволяет надежно предотвратить износ вследствие механического истирания.
Задача решена компрессором с впуском и выпуском для сжимаемого газа и рабочей камерой, в которой может передвигаться поршень для сжатия газа, причем на стенке рабочей камеры, перекрываемой поршнем, сформированы соединенные с выпуском отверстия; этот компрессор отличается пылевым фильтром, который располагается на пути движения газа через компрессор между впуском и выпуском.
Во время исследования вышедшего из строя компрессора было установлено, что обнаруженные в нем загрязнения были обусловлены не только истиранием поршня и стенки камеры, но и частично поступали из прочих частей холодильного контура. Было сделано предположение, что эти посторонние загрязнения, даже если их количество и размер их частиц сами по себе недостаточны для нарушения подвижности поршня в компрессоре, во время циркуляции с потоком хладагента закупоривают, по меньшей мере, некоторые из отверстий в стенке, в результате чего в защищающей поршень газовой подушке возникают пропуски. В области этих пропусков контакт между поршнем и стенкой более не может быть надежно исключен, вследствие чего возникающее при контактах истирание быстро разрушает компрессор.
Это затруднение устраняется пылевым фильтром согласно изобретению за счет того, что фильтр не пропускает эти посторонние загрязнения к отверстиям в стенке.
Такой пылевой фильтр может быть установлен в различных местах компрессора. Согласно первому варианту исполнения пылевой фильтр располагается между впуском и рабочей камерой. Преимущество такого пылевого фильтра заключается в том, что посторонние загрязнения с самого начала не пропускаются в рабочую камеру. Это особенно желательно в случае крупнозернистых посторонних загрязнений, которые одним своим наличием в рабочей камере способны причинить вред.
Однако недостаток такого размещения пылевого фильтра заключается в том, что обусловленная им фильтрация всего потока газа, проходящего через компрессор, требует большой мощности привода и, следовательно, уменьшает коэффициент полезного действия компрессора. Кроме того, падение давления на таком пылевом фильтре не может быть больше собственно давления на впуске, так что для получения достаточной пропускной способности может потребоваться высокая проводимость и соответственно большое сечение фильтра. В частности, при применении компрессора в холодильной машине важно, чтобы пылевой фильтр не создавал слишком высокого давления подпора, так как оно может нарушить испарение хладагента в испарителе, расположенном перед фильтром.
Согласно второму варианту исполнения пылевой фильтр помещается в трубопроводе, который соединяет выход рабочей камеры с выпуском, между выходом и ответвлением трубопровода, ведущим к отверстиям. Такое размещение фильтра не приводит к нежелательному повышению давления на впуске компрессора. Кроме того, на таком фильтре, расположенном с напорной стороны компрессора, может быть создано более высокое падение давления, чем на описанном ранее фильтре со стороны впуска, в результате чего даже компактный фильтр может иметь достаточную пропускную способность; однако такое высокое падение давления снова уменьшает коэффициент полезного действия компрессора.
Согласно третьему, особенно предпочтительному варианту исполнения, от напорного трубопровода, который соединяет выход рабочей камеры с выпуском, ответвляется трубопровод, ведущий к отверстиям, и пылевой фильтр устанавливается в этом ответвлении. Так как такой пылевой фильтр влияет только на ту часть потока газа, которая необходима для создания газовой подушки, то мощность привода, затрачиваемая на фильтрацию, будет незначительной, даже если падение давления на пылевом фильтре будет равно падению давления согласно второму варианту исполнения.
Фильтр, расположенный в ответвлении трубопровода, хотя и не препятствует проникновению посторонних загрязнений в компрессор, но улавливает их все в ходе работы компрессора, как только они попадают в ответвление фильтра.
Согласно следующему предпочтительному варианту исполнения ответвление трубопровода содержит распределительную камеру и отверстие, соединяющее распределительную камеру с напорным трубопроводом, причем стенка, перекрывающаяся поршнем, образует перегородку между рабочей камерой и распределительной камерой. В таком ответвлении трубопровода малый и компактный фильтр может быть помещен в отверстие, или он может быть расположен в распределительной камере и может закрывать перегородку.
В рабочей камере с поршнем распределительная камера предпочтительно представляет собой пустотелый цилиндр, замыкающий в себе цилиндрическую рабочую камеру.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки и преимущества изобретения следуют из нижеприведенного описания вариантов исполнения с учетом прилагаемых фигур. На фигурах изображено:
Фиг.1: схематичный разрез компрессора согласно изобретению с пылевым фильтром со стороны всасывания.
Фиг.2: разрез (аналогично фиг.1) компрессора согласно изобретению с пылевым фильтром с напорной стороны.
Фиг.3: разрез (аналогично фиг.1) компрессора согласно изобретению с пылевым фильтром, установленным в ответвлении трубопровода.
Фиг.4: разрез варианта компрессора с пылевым фильтром, установленным в ответвлении трубопровода.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен схематичный разрез компрессора согласно первому варианту изобретения. Компрессор является частью холодильной машины бытового холодильного аппарата, которая, по причине известности остальных ее частей, не показана. В цилиндрической рабочей камере 1 компрессора возвратно-поступательное движение поршня 2 возможно при помощи не показанного на фигуре также известного силового агрегата. Силовым агрегатом может быть, например, электродвигатель с линейно движущимся ротором, описанный, например, в DE 102004010849 A1, или любой силовой агрегат, который может развивать приводное усилие, поперечные компоненты которого достаточно малы, чтобы можно было надежно избежать контакта трения между стенками рабочей камеры 1 и поршнем 2.
На торцевой стороне рабочей камеры 1 находится всасывающий клапан 3 и напорный клапан 4, соединяющие рабочую камеру 1 с всасывающим трубопроводом 5 и с напорным трубопроводом 6, а через них - с впуском 12 и выпуском 13. Во всасывающем трубопроводе 5 установлен пылевой фильтр 7. От напорного трубопровода 6 отверстие 8 ведет к распределительной камере 9, которая имеет форму пустотелого цилиндра, охватывающего рабочую камеру 1 таким образом, что перекрываемая поршнем 2 при его движении стенка 10 рабочей камеры 1 является перегородкой между рабочей камерой 1 и распределительной камерой 9. По этой стенке 10 распределено несколько узких отверстий 11.
Во время работы поршень 2 во время движения вправо всасывает в рабочую камеру 1 хладагент из впуска 12 через всасывающий трубопровод 5, пылевой фильтр 7 и всасывающий клапан 3. При движении поршня 2 влево содержимое рабочей камеры 1 сначала сжимается до давления, преобладающего в напорном трубопроводе 6, после чего открывается напорный клапан 4 и сжатый газ перетекает в напорный трубопровод 6. Малая часть перетекающего в напорный трубопровод 6 газа через отверстие 8 попадает в распределительную камеру 9, а оттуда через отверстия 11 в стенке 10 обратно в рабочую камеру 1, где она образует газовую подушку между поршнем 2 и стенкой 10.
Посторонние частицы, содержавшиеся в прочих компонентах холодильной машины еще до ее монтажа, или возникшие в ходе монтажа, улавливаются пылевым фильтром 7 до того, как они вместе с потоком хладагента могут попасть в рабочую камеру 1. Таким образом отверстия 11 защищаются от закупоривания посторонними частицами. Так как газовая подушка между поршнем 2 и стенкой 10 в результате не имеет пропусков, то не происходит истирания между поршнем и стенкой и не образуются частицы, которые со своей стороны могли бы попасть через отверстие 8 и распределительную камеру 9 к отверстиям 11 и закупорить их.
Вариант исполнения, представленный на фиг.2, отличается от описанного согласно фиг.1 тем, что пылевой фильтр 7 установлен не во всасывающем трубопроводе 5, а в напорном трубопроводе 6 между напорным клапаном 4 и отверстием 8. Как и в варианте, представленном на фиг.1, весь проходящий через компрессор хладагент проходит сквозь пылевой фильтр 7. Вследствие размещения пылевого фильтра 7 в напорном трубопроводе 6, на пылевом фильтре 7 может быть создано более высокое падение давления, чем в варианте согласно фиг.1, то есть даже компактный фильтр позволит получить достаточную пропускную способность.
Вариант исполнения, представленный на фиг.3, отличается от обоих вышеописанных вариантов тем, что пылевой фильтр 7 находится в распределительной камере 9. Там фильтр прилегает к стенке 10, то есть он прижимается к стенке 10 за счет разницы давлений на внешней и внутренней сторонах фильтра. Так как только часть потока хладагента, идущего через компрессор, проходит через фильтр, а затрачиваемая на фильтрацию мощность привода соответствует произведению пропускной способности фильтра и падения давления на фильтре, то избыточные затраты мощности на фильтрацию в этом варианте исполнения составляют лишь небольшую долю от избыточных затрат в двух первых вариантах исполнения.
Преимущество размещения пылевого фильтра 7 в распределительной камере 9 заключается в том, что пылевой фильтр 7 на очень большой площади своего сечения может пропускать хладагент, так что даже при использовании фильтра с очень узкими порами может быть получена пропускная способность, достаточная для поддержания газовой подушки.
Для обеспечения равномерного распределения газа по отверстиям 11 пылевой фильтр 7 предпочтительно имеет здесь слоистую структуру с мелкопористым внешним слоем 7а и крупнопористым, хорошо проводящим внутренним слоем, который предназначен в основном для поддержания расстояния между мелкопористым слоем 7а и стенкой 10, на котором газ может равномерно распределяться по отверстиям 11.
Предпочтительный в настоящее время вариант исполнения изобретения представлен на фиг.4. Этот вариант отличается от вышеописанных вариантов тем, что отверстие 8, соединяющее распределительную камеру 9 с напорным трубопроводом 6, имеет длину и ширину, достаточную для размещения пылевого фильтра 7 в виде фильтрующего патрона 14. Фильтрующий патрон вводится в отверстие 8 со стороны, обращенной к напорному трубопроводу 6. Напорный фланец 15 фильтрующего патрона опирается на плечо 16, образованное во входе отверстия 8, так что фильтрующий патрон 14 прижимается к плечу 16 падением давления, вызванным проходящим сквозь фильтр хладагентом.
Согласно следующему не показанному на чертежах варианту исполнения изобретения пылевой фильтр 7 со стороны всасывания (по варианту согласно фиг.1) может применяться в комбинации с пылевым фильтром, установленным на пути хладагента от напорного трубопровода 6 к отверстиям 11 (согласно фиг.3 или 4). В этом случае пылевой фильтр со стороны всасывания может представлять собой крупнопористый фильтр с малым гидравлическим сопротивлением, служащий лишь для улавливания грубых частиц загрязнений и препятствующий их попаданию в рабочую камеру 1, в то время как мелкие частицы загрязнений улавливаются пылевым фильтром с напорной стороны.