БЕСШАТУННЫЙ МОТОР-КОМПРЕССОР
MOTOR-COMPRESSOR WITHOUT CONROD

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности созданию поршневых нагнетателей, используемых в холодильных машинах, кондиционерах и накопительных емкостях для хранения различных газов с давлением более одной атмосферы.
Общеизвестны компрессоры КХ - 1005 и ФГ - 0.100 - основные модели отечественных бытовых холодильников, использующие в приводе поршня от электромотора кривошипно-шатунный или кривошипно-кулисный механизм. Главным недостатком этих типов привода является наличие существенной боковой силы в паре поршень-цилиндр, что приводит к реализации механического КПД привода на весьма низком уровне (менее 70%), в связи с чем суммарный КПД привода (при учете КПД электродвигателей, применяемых мощностей, в пределах 74-78%) снижается до уровня менее 50%. Кроме этого инерционная неуравновешенность привода влечет за собой высокий уровень вибраций и шумности механизма, особенно при пуске и остановке, что требует применения соответствующих средств амортизации.
Известен также мотор-компрессор (патент РФ №2246039С1, 10.02.2005), являющийся типичным представителем вышеупомянутых типов моторов-компрессоров, который принят в качестве прототипа заявляемому изобретению.
Заявляемый бесшатунный мотор-компрессор (в дальнейшем БМК) содержит герметичный кожух, размещенный в нем мотор-компрессор, включающий головку цилиндра с глушителями нагнетания и всасывания, маслоотделитель, цилиндр, передаточный механизм, поршень, всасывающе-нагнетательное устройство, выполненное в виде самодействующих всасывающих и нагнетательных клапанов, лепестки которых перекрывают поверхности седел, образованных вокруг всасывающего и нагнетательного отверстий клапанной плиты.
Задачей изобретения было: существенное повышение механического КПД передаточного механизма, снижение уровня вибраций и шумности механизма, а также повышение экономичности и производительности БМК.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном мотор-компрессоре статор электродвигателя зажимается между двумя корпусами цилиндров, оппозитно и соосно расположенными относительно оси его ротора, выступающие из статора концы которой с обеих сторон снабжены устройством для обеспечения перемещения поршней вдоль оси на величину своего хода и передачи крутящего момента, причем внутренняя полость цилиндров образована из двух соосных полостей разных диаметров, ступенчато сочлененных между собой так, что внешняя полость меньшего диаметра предназначена для поршня, а большего - для его юбки, смонтированной на подшипнике в основании корпуса юбки, на внешней цилиндрической поверхности которой образованы замкнутые зигзагообразные канавки полукруглого поперечного сечения, амплитуда отклонений которых от плоскости симметрии равна половине хода поршня, сочлененные подвижным соединением с корпусом юбки через два ролика с полусферическими контактными торцами, соосно смонтированными на подшипниках в приливах на нем, а образующаяся полость во время хода всасывания между внутренним торцом юбки и уступом цилиндра служит в качестве цилиндра насоса системы смазки через трубопровод и впускной клапан в нижней части цилиндра из картера герметичного кожуха и два выпускных клапана во внутренней торцевой части юбки через каналы к зигзагообразным канавкам и устройству перемещения поршней, при этом принудительное охлаждение мотор-компрессора осуществляется с помощью двух крыльчаток, закрепленных по обе стороны ротора на его оси.
На фиг. 1 изображен (наружный герметичный кожух условно снят) разрез БМК по стрелке «А» левой части компрессора от плоскости симметрии, нормальной оси ротора, и правой части вдоль стрелки «Б» (в формате 3D); на фиг. 2 изображен вариант формы зигзагообразной канавки.
БМК состоит из корпуса цилиндра 1, корпуса юбки поршня 2, поршня 3, юбки поршня 4, на внешней поверхности которой образованы замкнутые зигзагообразные канавки 5 полукруглого поперечного сечения, амплитуда отклонений которых от плоскости симметрии равна половине хода поршня 3 (см. фиг. 2), сочлененные подвижным соединением через ролики 6 с корпусом юбки 2, опор 7, стяжек 8, статора 9, ротора 10, смонтированного на составной оси 11 с двумя крыльчатками 12 на обоих его торцах, пазов 13 устройства перемещения поршней 3, двух подшипников юбок поршней 14, двух пальцев поршней 15, двух полостей масляного насоса 16, двух впускных клапанов с трубопроводами 17, выпускных клапанов 18 (по два на каждой юбке поршня 4), двух головок цилиндров 19, двух клапанных пластин 20, двух маслоотделителей 21 на всасывающих каналах головок 19 цилиндров 1, двух выхлопных трубопроводов сжатого газа 22.
Бесшатунный мотор-компрессор работает следующим образом. Как только на обмотки статора подается напряжение, ротор 10 начинает вращаться вместе с осью 11, передавая крутящий момент на пальцы поршней 15, которые приводят во вращательное движение юбку 4 и поршень 3. Юбки поршней 4, взаимодействуя через канавки 5 полукруглого поперечного сечения, со сферическими торцами роликов 6, смонтированными в подшипниках приливов корпусов юбок поршней 2, которые, вращаясь, передают осевую составляющую реакции на появившейся момент через юбки 4 на поршни 3, заставляющие поршни перемещаться вдоль пазов 13 устройства перемещения поршней, через которые проходят вращающиеся вокруг своей оси пальцы 15, совершая ход всасывания или сжатия (в зависимости от положения роликов на ветви канавки). Конструкция привода поршней предусматривает движение поршней на встречу друг другу при ходе всасывания и в противоположном направлении при ходе сжатия, что обеспечивает взаимоуничтожение реакций осевых сил, действующих на корпуса юбок 2 при движении поршней 3 вдоль оси цилиндров 1. Динамическая балансировка ротора в сборе с крыльчатками, пальцами и поршнями сводит радиальные вибрации к минимуму. В результате вибрации по обеим упомянутым осям не превышают 0,05 мм на всех режимах (пуск, работа, остановка). Размещение хвостовой части юбок поршней 4 в подшипниках корпусов юбок 2 обеспечивает надежную центровку ротора 10 относительно статора 9, что позволяет осуществить бесконтактное перемещение поршня 3 относительно внутренней поверхности корпуса цилиндра 1 с заданным минимальным зазором.
Смазка всех подвижных частей БМК осуществляется принудительно путем использования полости 16, образующейся при ходе всасывания, в качестве цилиндра поршневого масляного насоса, в который при ходе всасывания поступает масло из картера кожуха через трубопровод и впускной клапан 17, вытесняющееся при ходе сжатия через два выпускных клапана 18 во внутренних торцах юбок 4 по предусмотренным каналам на подвижные узлы привода. Отсутствие гидравлических ударов в насосе обеспечивается соответствующей балансировкой расхода масла через впускные и выпускные клапана и гарантированного наличия газовой подушки определенного объема в верхней части полости корпуса юбки. Масляная пленка в зазоре между поршнем 3 и корпусом цилиндра 1 со стабильным перепадом давления между полостью насоса и нагнетательной полостью цилиндра, исключающим попадание масла в нагнетательную полость цилиндра, который обеспечивается заданным зазором между поршнем и цилиндром, а также заданным расходом масла через впускные и выпускные клапана, создает условия поддержания постоянства компрессии (за счет отсутствия износа сопрягающихся поверхностей) в течение всего ресурса работы БМК. Принудительное охлаждение с помощью двух центробежных крыльчаток 12 при работе БМК, путем создания циркуляционного течения с обеих сторон статора БМК, поддерживает интенсивный теплосъем с компрессора и теплопередачу на внутреннюю поверхность герметичного кожуха, что улучшает тепловой режим работы БМК.
Проведенные оценки показывают, что БМК данной конструкции может иметь механический КПД более 94%, и, при одинаковых электрических мощностях применяемых электродвигателей с традиционной схемой привода, дает увеличение производительности в 1,5 раза, уменьшение вибраций до уровня менее 0,05 мм по всем осям и практически бесшумную работу на всех режимах.