СПОСОБ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OPERATION OF THE LIQUID COOLING SYSTEM OF THE POSITIVE DISPLACEMENT MACHINE AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области машин объемного действия поршневого типа и может быть использовано при создании компрессоров, способных работать в экстремальных условиях.
Известен способ охлаждения машины объемного действия поршневого типа, в котором для охлаждения цилиндропоршневой группы периодически подают в цилиндр охлаждающую жидкость (см., например, авторское свидетельство СССР № 1079882 «Газораспределительное устройство поршневого компрессора», опубл. 15.03.84. Бюл. № 10).
Известен также способ работы системы жидкостного охлаждения машины объемного действия, заключающийся в попеременной подаче охлаждающей жидкости и рабочего тела в цилиндр машины (см., например, авторское свидетельство СССР № 1019104 «Поршневая машина», опубл. 23.05.83. Бюл. № 19, или патент РФ № 2.658.715 «Способ работы гибридной энергетической машины и устройство для его осуществления», опубл. 22.06.2018. Бюл. № 18).
К недостатку известных конструкций следует отнести жесткое соотношение между газовыми и жидкостными ходами машины, установленное механизмом переключения с одного вида работы на другой без учета фактической температуры цилиндропоршневой группы. В связи этим, чаще всего, ее охлаждение путем перекачки через цилиндр жидкости является излишним, а в отдельных случаях - недостаточным. Все это снижает производительность машины, повышает удельные затраты на сжатие газообразной среды, приводит к работе с повышенной температурой цилиндра, что особенно негативно сказывается в случае использования в поршневом уплотнении композитов, температура работы которых не должна превышать 100-120 °С.
Технической задачей изобретения является снижение удельных затрат мощности на сжатие газообразной среды и обеспечение нормальной работы цилиндропоршневой группы в условиях экстремально высоких температур окружающей среды.
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что при осуществлении способа работы системы жидкостного охлаждения машины объемного действия, заключающегося в попеременной подаче охлаждающей жидкости и рабочего тела в цилиндр машины, согласно изобретению охлаждающую жидкость подают в цилиндр при достижении его температуры заданного критического значения, и после остывания цилиндра переводят машину в основной режим сжатия и нагнетания рабочего тела. Последнее действие могут производить в момент конца нагнетания охлаждающей жидкости.
В машина объемного действия, содержащей цилиндр, размещенный в нем с образованием рабочей полости поршень, соединенный с механизмом привода, всасывающие и нагнетательные клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем рабочего тела, источник охлаждающей жидкости, а также механизм переключения со всасывания, сжатия и нагнетания рабочего тела на всасывание, сжатие и нагнетание охлаждающей жидкости, согласно изобретению, в теле цилиндра или клапанной головки установлен датчик температуры, соединенный с системой управления механизма переключения.
Датчик температуры может быть выполнен в виде делителя напряжения, одно плечо которого представляет собой терморезистор, установленный в теле цилиндра или клапанной головки, а другое - обычный резистор.
Датчик температуры может быть выполнен в виде биметаллической пластины, заключенной в корпус, установленный в теле цилиндра или клапанной головки.
Нагнетательный клапан, предназначенный для прокачки рабочего тела, может быть снабжен устройством, предотвращающим его открытие во время работы машины с охлаждающей жидкостью.
В качестве источника охлаждающей жидкости может использоваться  картер машины.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 и 2 изображена схема машины с механизмом переключения на режим охлаждения с помощью золотника, управляемого электромагнитом, подключенным через усилитель сигнала к делителю напряжения, содержащим термистор, на фиг. 3 - содержащим позистор, а на фиг. 4 - содержащим биметаллическую пластину.
На фиг. 5 и 6 изображена схема машины с механизмом переключения на режим охлаждения с помощью золотника, управляемого электромагнитом, и с устройством, предотвращающим открытие нагнетательного газового клапана во время работы машины с охлаждающей жидкостью, а на фиг. 7 - схема управления золотником и этим устройством.
На фиг. 8 показана схема машины с источником охлаждающей жидкости в виде картера.
На фиг. 9 показана схема машины, в которой датчик температуры выполнен в виде биметаллической пластины, установленной в клапанной головке на стороне нагнетательного клапана.
Машина объемного действия (фиг. 1 и 2), содержит цилиндр 1, размещенный в нем с образованием рабочей газовой полости 2 и жидкостной полости 3, выполняющей функции насоса и источника охлаждающей жидкости, дифференциальный поршень 4 со штоком,  соединенным с кривошипно-шатунным механизмом привода (условно не показан), всасывающие 5 и нагнетательные 6 клапаны, соединенные соответственно с источником и потребителем рабочего тела через каналы 7 и 8, а также содержит механизм управления - переключения со всасывания, сжатия и нагнетания рабочего тела на всасывание, сжатие и нагнетание охлаждающей жидкости, выполненный в виде золотника 9. Клапаны 5 и 6 размещены в клапанной головке 10, а золотник 9 - в крышке 11. В верхней части тела цилиндра 1 установлен датчик температуры  в виде термистора 12 - полупроводникового терморезистора, сопротивление которого снижается при увеличении температуры нагрева, соединенного с системой управления механизма управления. Цилиндр 1 имеет рубашку охлаждения 13, соединенную обратными клапанами 14 и 15 с линиями всасывания 16 и нагнетания 17 жидкости.
Золотник 9 имеет выточки 18 и 19, а в крышке 11 имеются отверстия 20, 21, 22, 23, 24 и 25 для соединения рабочей полости 2 через клапаны 5 и 6 с источником охлаждающей жидкости и с газовыми каналами 7 и 8. Канал 26 соединяет золотник 9 с рубашкой охлаждения 13, а канал 27 - с линией нагнетания 17 жидкости. Отверстия 28 и 29 соединяют рубашку 13 с клапанами 14 и 15.
Золотник 9 поджат пружиной 30 в состояние, при котором машина работает с газовой средой (фиг. 1), канавки 31 и 32 на его стержне вместе с регулируемым фиксатором 33 служат для фиксации золотника в крайних положениях.
1
Термистор 12 входит в состав делителя низкого напряжения U вместе с обычным резистором 34. Напряжение U с термистора 12 подается на усилитель напряжения 35, подключенного к обычной сети питания, и выход которого подсоединен к обмотке 36 электромагнита 37, якорем которого служит золотник 9.
В целом механизм управления состоит из золотника 9, электромагнита 37, якорем которого является золотник 9, делителя напряжения в составе термистора 12 и резистора 34, и усилителя напряжения 35.
2
На фиг. 3, где датчиком является позистор 38 (терморезистор, сопротивление которого изменяется в большую сторону при нагреве), он также включен в цепь делителя напряжения с обычным резистором 34, и с него снимается напряжение U, которое подается на усилитель напряжения 35.
На фиг. 4 показана схема машины, аналогичной изображенной на фиг. 1 и 3, но в которой датчик температуры выполнен в виде защемленной биметаллической пластины 40, заключенной в токопроводящий корпус 41, установленный в теле цилиндра 1. Корпус 41 покрыт термоизоляцией 42, а его полость, в которой размещена пластина 40, заполнена теплопроводной диэлектрической жидкостью, например, минеральным маслом. На свободном конце пластины 40 имеется контакт 43, напротив которого в корпусе 41 установлен электроизолированный от корпуса неподвижный контакт 44 таким образом, что при прогибе пластины 40 при ее нагреве контакт 43 упирается в контакт 44. Один вывод катушки 36 соединен непосредственно с выводом 45 источника питания 46, а другой - с неподвижным контактом 44. Вывод 47 источника питания 46 соединен с электропроводным цилиндром 1.
На фиг. 5 и 6 изображена схема машины, в которой нагнетательный клапан 6, предназначенный для прокачки рабочего газообразного тела, снабжен устройством, предотвращающим его открытие во время работы машины с охлаждающей жидкостью. Это устройство состоит из подпружиненного пружиной 50 якоря 51 с выступом 52 электромагнита 53 с обмотками 54. Ось выступа 52 совпадает с осью выступа 55 клапана 6. Вертикальное перемещение клапана 6 в процессе открытия ограничивается торцом направляющей втулки 56.
Поршень 4 приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом 57 с коленчатым валом 58, размещенным в картере 59, частично заполненным маслом 60.
В клапанной коробке 10 и крышке 11 имеется отверстие 61, перекрытое золотником 62. Отверстие 61 соединено с полостью 63, которая через всасывающий клапан 64 и канал 65 с фильтром 66 соединена с источником охлаждающей жидкости в виде емкости 67, и через нагнетательный клапан 68, теплообменник 69 и канал 70 - соединена с этой же емкостью.
Золотник 62 является якорем электромагнита 71 с обмотками 72 и подпружинен пружиной 73.
В клапанной головке 10 установлено двухпозиционное термореле 74. На шкиве 75 коленчатого вала 58 с приводным ремнем 76 закреплен постоянный магнит 77, а напротив него на картере 59 закреплен геркон 78 таким образом, что он срабатывает, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке (см. также фиг. 7).
Крышка 11 изготовлена из стали и имеет стальной выступ 79, ось которого совпадает с осью клапана 5.
На фиг. 7 показана схема включения и выключения электромагнитов 53 и 71. Схема состоит из источника питания постоянного тока 80, отрицательный вывод которого припаян к «массе», а к положительному выводу подключены геркон 78 и биметаллическая пластина 81 термореле 74, имеющая на конце контакт 82. В зоне действия этого контакта в изоляторах корпуса термореле 74 по обе стороны от пластины 81 установлены неподвижные контакты 83 и 84, имеющие изолированные выводы, соединенные с нормально открытыми контактами КК1 обмотки реле К1 и КК3 обмотки реле К3, которая подключена к геркону 78. Обмотка реле К2 подключена последовательно контактам КК3, а его нормально закрытые контакты КК2 включены в цепь питания обмоток 54 и 72 электромагнитов 53 и 71.
На фиг. 8 показана схема машины. аналогичная изображенной на фиг. 5 и 6, но в которой в качестве источника охлаждающей жидкости используется картер 59 машины. В этом случае картер 59 снабжен дополнительной емкостью 90, имеющей заливную горловину 91 с крышкой 92. Кроме того, в этом варианте нагнетание охлаждающей жидкости из полости 63 в картер 59 происходит через рубашку 93 и сливной канал 94.
На фиг. 9 показана схема машины, аналогичная изображенной на фиг. 5 и 6, в которой датчик температуры установлен в клапанной головке 10 на стороне нагнетательного клапана 6. В данном примере датчик температуры выполнен в виде биметаллической пластины 81 с контактами 82 и с неподвижными контактами 83 и 84 в корпусе термореле 74. Отверстия 95 в корпусе термореле 74 служат для прохода нагнетаемого воздуха в нагнетательный канал 8.
Система охлаждения работает следующим образом (фиг. 1 и 2).
В том случае, когда температура цилиндра находится в допустимых пределах, электромагнит 7 выключен (фиг. 1), и при возвратно-поступательном движении поршня 4 газ всасывается через канал 7, выточку 18, отверстие 24 и клапан 5 в полость 2 цилиндра 1, сжимается в ней, и при достижении давления нагнетания нагнетается через клапан 6, отверстие 25, выточку 19 и канал 8 потребителю. Одновременно охлаждающая жидкость из линии всасывания 16 через отверстия 29 всасывается в полость 3, сжимается в ней и через рубашку 13 и линию нагнетания 17 подается потребителю, попутно охлаждая цилиндр 1.
1
При нормальной (сравнительно низкой) температуре цилиндра 1 у размещенного в нем термистора 12 сопротивление высокое, и, соответственно, на нем имеет место высокое падение напряжения, а на резисторе 34 - низкое падение напряжения U, которого недостаточно для включения электромагнита 37, в связи с чем золотник 9 остается прижатым пружиной 30 в крайнем правом положении, зафиксированным фиксатором 33.
При изменении режима работы машины, например, в результате повышения давления нагнетания потребителя, или повышении температуры окружающей среды, температура конца сжатия газа повышается, повышается и температура стенок цилиндра 1, и если она становится выше нормы, то сопротивление термистора 12 снижается настолько, что падение напряжения на нем сильно падает, что приводит к соответствующему повышению падения напряжения на резисторе 34, которого становится достаточно для срабатывания электромагнита 37 и перемещения золотника из крайнего правого положения в крайнее левое (фиг. 2), и фиксации этого положения фиксатором 33. При этом происходит перекрытие каналов 7 и 8, предотвращающее возможность попадания газа в полость 2, и открытие отверстий 20 и 22, в связи с чем открывается путь для прохода жидкости из рубашки 3 через канал 26, выточку 18, отверстие 24 и клапан 5 в полость 2, а через клапан 6, отверстие 25, выточку 19, отверстие 22 и канал 27 - в линию нагнетания 17. Это приводит к тому, что прекращается работа полости 2 машины с газом, и начинается работа полости 2 с охлаждающей жидкостью, что приводит к сравнительно быстрому охлаждению цилиндра 1 в связи с тем, что жидкость имеет сравнительно низкую температуру и высокую по сравнению с газом плотность и, соответственно - теплоемкость.
1
После того, как температура стенок цилиндра 1 станет равна или ниже допустимой, термистор 12 остынет, его сопротивление возрастет, возрастет и падение на нем напряжения, а напряжение U на резисторе 34 уменьшится настолько, что питания катушки 36 электромагнита станет недостаточным для удержания золотника 9 в крайнем левом положении, и пружина 30 возвратит его в крайнее правое положение.  Машина снова начнет сжимать газ и нагнетать его потребителю.
Система охлаждения, изображенная на фиг. 3, работает аналогично вышеописанной с той разницей, что в качестве датчика температуры стенки цилиндра 1 используется позистор, сопротивление которого растет при увеличении его температуры (у термистора - падает). В этом случае на усилитель 35, который формирует напряжение, подаваемое к катушке 46 электромагнита 7, подается напряжение с позистора. Повышение его сопротивления при увеличении его температуры приводит к увеличению падения на нем напряжения и включению электромагнита 37.
Схема охлаждения, изображенная на фиг. 4, работает аналогично вышеописанным, однако здесь переключение режимов работы производится за счет перемещения контакта 43 биметаллической пластины 40, которая в данном случае выполняет функцию датчика температуры. На фиг. 4 изображено состояние, при котором цилиндр 1 имеет температуру в пределах допустимого, контакты 43 и 44 разомкнуты, катушка 36 обесточена, золотник 9 находится в крайнем правом положении, полость 2 машины работает с газом, полость 3 -  с жидкостью.
При повышении температуры сверх допустимой биметаллическая пластина изгибается, и контакты 43 и 44 замыкаются, замыкается и цепь питания катушки 36, электромагнит 47 срабатывает, и его якорь - золотник 9 втягивается, перемещаясь влево, в результате чего полость 2, как было описано выше, начинает работать с жидкостью. При этом стенки цилиндра 1 охлаждаются, понижается температура и пластины 40, она выпрямляется, контакты 43 и 44 размыкаются, катушка 36 обесточивается, и золотник 9 пружиной 30 возвращается в исходное состояние, при котором полость 2 снова начинает работать с газом.
На фиг. 5 и 6 изображена схема охлаждения машины с тронковым поршнем 4, в которой для охлаждения цилиндра используется жидкость, находящаяся в емкости 67, и теплота от которой отводится в теплообменнике 69. Здесь подпружиненный золотник 62 в исходном состоянии, когда температура стенок цилиндра 1 находится в допустимых пределах, перекрывает отверстие 61, соединяющее полость 63 с рабочей полостью 2. А полость 63 соединена через обратные клапаны 64 и 68 с емкостью 67. При закрытом отверстии 61 машина работает с газом, поступающим через клапаны 5 и после сжатия в полости 2 нагнетаемым потребителю через клапан 6.
В качестве датчика температуры используется термореле 74, биметаллическая пластина 81 которого (см. также фиг. 7), имеет контакт 82, который при прогибе пластины в ту или иную сторону замыкается с контактом 83 или 84. Термореле 74 в этом примере установлено в теле клапанной головки 10.
Кроме того, на шкиве 75, который приводится во вращение ремнем 76 от электродвигателя (на чертеже условно не показан) установлен постоянный магнит 77, который при проходе поршнем 4 положения верхней мертвой точки, замыкает контакты геркона 79.
Схема управления, изображенная на фиг. 7, работает следующим образом.
При достижении клапанной головкой 10 предельной верхней допускаемой температуры, пластина 81 прогибается вверх и ее контакт 82 касается контакта 83, и замыкается цепь (источник питания 80 → контакты 82-83 → обмотка реле К1 → нормально замкнутые контакты КК2 → обмотки 54 и 72 электромагнитов 53 и 71). При этом золотник 62, преодолевая усилие пружины 73, втягивается в электромагнит 71 и открывает отверстие 61, соединяя полость 63 с полостью 2, а якорь 51, преодолевая усилие пружины 50, втягивается в электромагнит 53, блокируя своим выступом 52 возможность открытия нагнетательного клапана 6. Кроме того, обмотка 51 намагничивает стальную крышку 11, и ее выступ 79 притягивает к себе клапан 5, блокируя возможность его открытия. Одновременно электрический ток, проходя через обмотку К1, включает контакт КК1.
Теперь полость 2 оказывается отрезанной от каналов 7 и 8 и подключена к полости 63. В связи с этим дальнейшее движение поршня 4 приводит к всасыванию через клапан 64 охлаждающей жидкости из емкости 67, ее сжатию и возвращению в эту емкость. Жидкость активно отводит теплоту от стенок цилиндра 1 и отдает ее в окружающую среду через теплообменник 69.
При остывании стенок цилиндра 1 температура пластины 81 снижается, она прогибается вниз, контакты 82 и 83 размыкаются, но цепь питания обмоток 54 и 72 остается замкнутой, т.к. питающий их ток продолжает идти через контакты КК1, удерживаемые в замкнутом состоянии обмоткой реле К1, которая в данном случае выполняет функции «подхватывающего реле».
При достижении стенками цилиндра 1 заданной низкой температуры, контакт 82 достигает замкнутого состояния с контактом 84, и как только поршень 4 приходит на очередном ходу в положение верхней мертвой точки, магнит 77 оказывается напротив геркона 78, происходит замыкание его контактов, электрический ток проходит по обмотке реле К3, его нормально открытый контакт КК3 замыкается, и электрический ток начинает течь через обмотку реле К2, которое размыкает свои нормально замкнутые контакты КК2. При этом питание обмоток 54 и 72 прекращается, золотник 62 под действием усилия пружины 73 возвращается в исходное состояние, перекрывая доступ жидкости в полость 2, якорь 2 отжимается пружиной 50 вверх, освобождая нагнетательный газовый клапан 6, а исчезнувшее магнитное поле в крышке 11 освобождает для движения вниз на открытие всасывающий газовый клапан 5. Машина снова начинает работать с газом.
В отличие от предыдущих конструкций в данном случае практически полностью исключается попадание охлаждающей жидкости в сжимаемый газ при смене режима работы, что может в отдельных случаях быть очень важным условием работы машины.
Конструкция, схема которой изображена на фиг. 8, отличается от предыдущей тем, что в качестве емкости для охлаждающей жидкости используется увеличенный за счет дополнительной емкости 90 картер 59 машины, а в качестве охлаждающей жидкости используется масло 60.
В конструкции, схема которой изображена на фиг. 9, термореле 74 установлено в клапанной головке 10 на стороне нагнетательного клапана 6 и фактически является частью нагнетательного канала 8. В этом случае биметаллическая пластина получает тепловые потоки и от клапанной головки 10 и от нагнетаемого газа. То есть ее температура и, соответственно -  прогиб, зависят от комплексного показателя, характеризующего тепловое состояние цилиндропоршневой группы. Работает эта система охлаждения так же, как изображенная на фиг. 5 и 6.
Приведенные выше конструктивные решения системы жидкостного охлаждения машин объемного действия, по сравнению с известными конструкциями, позволяют точно дозировать жидкостные ходы рабочего органа в соответствии с фактической теплонапряженностью стенок и деталей, окружающих рабочее тело. Это дает возможность снизить затраты механической энергии на охлаждение, что снижает удельные затраты энергии на сжатие газообразной среды, а также обеспечить нормальный тепловой режим работы машины в условиях экстремально высоких температур окружающей среды.
Таким образом, следует считать, что поставленные перед изобретением технические задачи полностью выполнены.