RU2095699C1

RU2095699C1 - Vortex air-conditioner

Info

Publication number: RU2095699C1
Application number: RU94044949A
Authority: RU
Inventors: Фарадей Филиппович Ерыкалов; Виктор Николаевич Носков; Юрий Анатольевич Гилев
Original assignee: Фарадей Филиппович Ерыкалов; Виктор Николаевич Носков; Юрий Анатольевич Гилев
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 1997-11-10
Also published as: RU94044949A

Abstract

FIELD: refrigeration equipment; air-conditioning systems for cars or cabins of other transport facilities. SUBSTANCE: compressor is provided with two-chamber cylinder with shorter piston which consists of two parts rigidly interconnected and tightly connected with rod. Piston grooves are used for sealing rings made from self-lubricating materials with rubber rings pressed by means of steel ring with the aid of pressure screws located in upper portion of piston over perimeter of rings and separating rings made from self-lubricating materials and located on both sides from sealing rings. Second end of rod is rigidly connected with slider containing two bearing rollers engageable with guides rigidly secured on cover. Nozzle inlet of vortex tube volute is provided with inclined slot located in such position that upper edge of nozzle lies in one plane with edge of inclined slot. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к холодильному оборудованию и может найти применение в автомобильной промышленности для кондиционирования воздуха в салоне легковых автомобилей или в кабинах других видов транспорта. The invention relates to refrigeration equipment and may find application in the automotive industry for air conditioning in the passenger compartment of cars or in the cabs of other modes of transport.

Известны компрессионные кондиционеры воздуха для автомобилей с использованием хладоагентов, например фреона, которые конструктивно сложнее и дороже, чем вихревые трубы с воздушным компрессором. Кроме того, применение фреона или аммиака нежелательно, т.к. они экологически вредны и в настоящее время эти хладоагенты заменяются другими. Known compression air conditioners for cars using refrigerants, such as freon, which are structurally more complex and more expensive than vortex tubes with an air compressor. In addition, the use of freon or ammonia is undesirable, because they are environmentally harmful and these refrigerants are currently being replaced by others.

Известны также вихревые кондиционеры, которые применяются в разных областях народного хозяйства, например, в пищевой промышленности, авиации, космонавтике, шахтных забоях, где температура окружающего воздуха доходит до 50^oC и т.п. Однако применения в автомобильной промышленности вихревые кондиционеры не нашли по причине значительного расхода сжатого воздуха и отсутствия малогабаритных высокопроизводительных компрессоров дающих сжатый воздух свободный от масла и пыли, т.е. экологически чистый.Vortex air conditioners are also known, which are used in various fields of the national economy, for example, in the food industry, aviation, astronautics, mine faces, where the ambient temperature reaches 50 ^o C, etc. However, vortex air conditioners did not find application in the automotive industry due to the significant consumption of compressed air and the lack of small-sized high-performance compressors giving compressed air free of oil and dust, i.e. ecologically pure.

Вихревые кондиционеры с большой холодопроизводительностью экономически выгодно применять там, где есть постоянный источник сжатого воздуха, хорошо очищенного от пыли и масла. It is economically viable to use vortex air conditioners with high cooling capacity where there is a constant source of compressed air, well cleared of dust and oil.

Для кондиционеров малой холодопроизводительности, например, салонов легковых автомобилей, целесообразно иметь вихревой кондиционер с малыми габаритами, высокопроизводительным компрессором дающим чистый сжатый воздух, свободный от пыли и масла. For air conditioners with low cooling capacity, for example, passenger compartment cars, it is advisable to have a vortex air conditioner with small dimensions, high-performance compressor giving clean compressed air, free from dust and oil.

В отечественном автомобилестроении вихревые кондиционеры не применяются, поэтому сравнительную оценку можно сделать по степени сложности и экологической чистоте с обычным компрессионным кондиционером, работающим с хладоагентами, например, фреоном или аммиаком. Vortex air conditioners are not used in the domestic automotive industry, therefore, a comparative assessment can be made by the degree of complexity and environmental cleanliness with a conventional compression air conditioner that works with refrigerants, for example, freon or ammonia.

Вихревой кондиционер может быть использован не только для охлаждения воздуха, но и для обогрева салона автомобиля, где двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, так как температура горячего воздуха в вихревой трубе может достигать 70-80^oC при тех же коэффициентах расхода "μ" по холодному потоку. Таким образом, целесообразность применения вихревого кондиционера очевидна. Надежность самой вихревой трубы очень велика, т.к. она не содержит подвижных частей и практически не изнашивается, а надежность кондиционера будет зависеть от компрессора и его привода.The vortex air conditioner can be used not only for cooling the air, but also for heating the passenger compartment, where air-cooled internal combustion engines, since the temperature of the hot air in the vortex tube can reach 70-80 ^o C at the same flow coefficients "μ" cold flow. Thus, the feasibility of using a vortex air conditioner is obvious. The reliability of the vortex tube itself is very high, because it does not contain moving parts and practically does not wear out, and the reliability of the air conditioner will depend on the compressor and its drive.

Известны воздушные компрессоры, применяемые в автомобилестроении (см. например, Устройство и ремонт автомобилей. М. Высшая школа 1972, стр. 172-174), и бытовые, конструктивно, в большинстве случаев поршневые с одной рабочей полостью и обязательно с системой смазки всех трущихся деталей узлов и уплотнительных колец. Поэтому сжатый воздух от них содержит пары масла, что недопустимо для кондиционера. Air compressors used in the automotive industry are known (see, for example, Device and Car Repair. M. Higher School 1972, p. 172-174), and domestic, structurally, in most cases reciprocating with one working cavity and always with a lubrication system for all friction parts of assemblies and o-rings. Therefore, the compressed air from them contains oil vapor, which is unacceptable for the air conditioner.

Кроме того, удельная производительность на единицу веса компрессора при одинаковых оборотах и объеме цилиндра невелика, т.к. используется только полость цилиндра над поршнем. In addition, the specific productivity per unit weight of the compressor at the same speed and cylinder volume is small, because only the cylinder cavity above the piston is used.

Недостатком прототипа компрессора являются большие габариты, малая удельная производительность и наличие паров масла в сжатом воздухе. The disadvantage of the prototype compressor is the large size, low specific productivity and the presence of oil vapor in compressed air.

В предлагаемой же конструкции компрессора используются две полости цилиндра (над поршнем и под поршнем штоковая) т.к. цилиндр от картера отделен герметичной крышкой с уплотнительным узлом из самосмазывающегося материала под шток поршня. In the proposed compressor design, two cylinder cavities are used (above the piston and below the piston the rod piston) since the cylinder is separated from the crankcase by a sealed cap with a sealing assembly of self-lubricating material under the piston rod.

На один оборот коленчатого вала компрессора приходится два рабочих цикла. Таким образом, габариты и вес компрессора значительно меньше, чем у обычных поршневых компрессоров. Кроме этого, применение уплотнительных трущихся деталей из самосмазывающихся материалов, обеспечивают получение сжатого воздуха свободного от масла. There are two duty cycles per revolution of the crankshaft of the compressor. Thus, the dimensions and weight of the compressor are much smaller than that of conventional reciprocating compressors. In addition, the use of sealing rubbing parts made of self-lubricating materials provides compressed air free of oil.

Задачей изобретения является повышение удельной производительности компрессора, получение чистого, свободного от масла и пыли сжатого воздуха, а также повышение удельной холодопроизводительности неохлаждаемой вихревой трубы. The objective of the invention is to increase the specific productivity of the compressor, to obtain clean, free of oil and dust compressed air, as well as to increase the specific refrigerating capacity of an uncooled vortex tube.

Это достигается тем, что цилиндр компрессора выполнен с двумя рабочими полостями, а поршень выполнен коротким и состоит из двух частей, соединенных жестко и герметично одним концом штока, в каналах которого расположены уплотнительные кольца из самосмазывающихся материалов с резиновыми кольцами, поджатыми стальным кольцом при помощи нажимных винтов, расположенных в верхней части поршня по периметру кольца, и разделительные кольца, выполненные из самосмазывающихся материалов и расположенные по обе стороны от уплотнительных колец, а через второй конец штока жестко соединен с ползуном, содержащим два опорных ролика, контактирующих с направляющими, жестко закрепленными на крышке, а ползун подвижно соединен с шатуном, другой конец которого соединен с кривошипном коленчатого вала, установленного в опорном поршневом узле, жестко соединенным с картером, а выходной конец вала жестко соединен с фрикционным диском при помощи шпонки и гайками, коническая поверхность которого взаимодействует с конической поверхностью приводного шкива, подвижно соединенного через втулку с коленчатым валом и подводковой муфтой, которая соединена тягами со штоком пневмопривода через коромысло, который взаимодействует с мембраной, упруго и герметично закрепленной в корпусе, жестко закрепленным на картере компрессора, а сопловый ввод улитки вихревой трубы выполнен с наклонным пазом, расположенным таким образом, что верхняя кромка сопла лежит в одной плоскости с кромкой наклонного паза. This is achieved by the fact that the compressor cylinder is made with two working cavities, and the piston is made short and consists of two parts connected rigidly and hermetically to one end of the rod, in the channels of which there are O-rings made of self-lubricating materials with rubber rings, pressed by a steel ring using pressure screws located in the upper part of the piston around the perimeter of the ring, and spacer rings made of self-lubricating materials and located on both sides of the o-rings, and black h the second end of the rod is rigidly connected to the slider containing two support rollers in contact with the guides rigidly mounted on the cover, and the slider is movably connected to the connecting rod, the other end of which is connected to the crank of the crankshaft mounted in the supporting piston assembly rigidly connected to the crankcase, and the output end of the shaft is rigidly connected to the friction disk by means of dowels and nuts, the conical surface of which interacts with the conical surface of the drive pulley, movably connected through the sleeve from the knees one shaft and an inlet coupling, which is connected by rods to the pneumatic actuator rod through a rocker arm, which interacts with a membrane that is elastically and hermetically fixed in the housing, rigidly fixed to the compressor crankcase, and the nozzle inlet of the vortex tube cochlea is made with an inclined groove located so that the upper the nozzle edge lies in the same plane with the edge of the inclined groove.

На фиг. 1 и 2 показана конструкция вихревого кондиционера; на фиг. 3 - сечение улитки по сопловому вводу; на фиг 4 конструкция поршня; на фиг. 5 - ползун с опорными роликами. In FIG. 1 and 2 show the design of a vortex air conditioner; in FIG. 3 - section of the cochlea at the nozzle inlet; Fig. 4 design of the piston; in FIG. 5 - slider with support rollers.

Вихревой кондиционер состоит из вихревой трубы, содержащей цилиндрическую трубу 1, внутри которой жестко установлена крестовина 2, герметично соединенную одним концом с корпусом 3, внутри которого расположена улитка 4 с наклонным пазом 5, расположенным таким образом, что верхняя кромка сопла лежит в одной плоскости с кромкой наклонного паза, и диафрагма 6, штуцер 7, угольник 8 с теплоизоляционной втулкой 9, соединенный с трубой 10 с теплоизоляционной втулкой 11, другой конец которой соединен с крышкой 12 глушителя 13, соединенного болтом 14 с крышкой, крепежные гайки 15, фиксирующие вихревую трубу на стенке воздуховода 16, а другой конец трубы соединен с втулкой 17, внутри которой расположен регулирующий клапан 18 с гайкой 19 и контргайкой 20, и компрессора, содержащего цилиндр 21 с гильзой 22, всасывающие клапаны 23 и нагнетательные клапаны 24, крышку 25 (отделяющую штоковую полость цилиндра от картера) с направляющей втулкой 26 и уплотнительным узлом по штоку 27 выполненных из самосмазывающихся материалов, поршень 28, состоящий из двух частей, соединенных жестко и герметично штоком 29, в канавках поршня расположены уплотнительные кольца 30 из самосмазывающихся материалов с резиновыми кольцами 31 поджатыми стальным кольцом 32 при помощи нажимных винтов 33, расположенных в верхней части поршня по периметру кольца и разделительные кольца 34 выполненные так же из самосмазывающихся материалов и расположенные по обе стороны от уплотнительных колец, второй конец штока жестко соединен с ползуном 35, содержащим два опорных ролика 36, контактирующих с направляющими 37 жестко закрепленными на крышке, а ползун 33 подвижно соединен с шатуном 38, другой конец которого соединен подвижно с кривошипом коленчатого вала 39, установленного в опорном подшипниковом узле 40, жестко соединенном с картером 41, а выходной конец вала 39 жестко соединен с фрикционным диском 42 при помощи шпонки 43 и гайки 44, коническая поверхность которого взаимодействует с конической поверхности приводного шкива 45, подвижно соединенного через втулку 46 с коленчатым валом, а ступица шкива соединена с поводковой муфтой 47, которая соединена тягами (не показано) с коромыслом 48, соединенным со штоком 49, взаимодействующим с мембраной 50 и пружиной 51, укрепленной упруго и герметично в корпусе 52 закрепленного на корпусе картера. The vortex air conditioner consists of a vortex tube containing a cylindrical pipe 1, inside of which a crosspiece 2 is rigidly mounted, hermetically connected at one end to the housing 3, inside of which there is a snail 4 with an inclined groove 5, so that the upper edge of the nozzle lies in the same plane with the edge of the inclined groove, and the diaphragm 6, fitting 7, an elbow 8 with a heat-insulating sleeve 9, connected to a pipe 10 with a heat-insulating sleeve 11, the other end of which is connected to the cover 12 of the muffler 13 connected by a bolt 14 to the cover th, fixing nuts 15, fixing the vortex tube on the wall of the air duct 16, and the other end of the pipe is connected to a sleeve 17, inside of which there is a control valve 18 with a nut 19 and a lock nut 20, and a compressor containing a cylinder 21 with a sleeve 22, suction valves 23 and pressure valves 24, a cover 25 (separating the rod cavity of the cylinder from the crankcase) with a guide sleeve 26 and a sealing assembly along the rod 27 made of self-lubricating materials, the piston 28, consisting of two parts connected rigidly and tightly by the rod 29, in grooves along The piston has O-rings 30 made of self-lubricating materials with rubber rings 31 pressed by a steel ring 32 using pressure screws 33 located in the upper part of the piston around the perimeter of the ring and spacer rings 34 made of self-lubricating materials and located on both sides of the O-rings, second the end of the rod is rigidly connected to the slider 35, containing two support rollers 36 in contact with the guides 37 rigidly mounted on the cover, and the slider 33 is movably connected to the connecting rod 38, the other the end of which is movably connected to the crank of the crankshaft 39 mounted in the support bearing assembly 40, rigidly connected to the crankcase 41, and the output end of the shaft 39 is rigidly connected to the friction disk 42 by means of a key 43 and a nut 44, the conical surface of which interacts with the conical surface of the drive a pulley 45 movably connected through a sleeve 46 with a crankshaft, and the hub of the pulley is connected to a drive clutch 47, which is connected by rods (not shown) to a beam 48 connected to a rod 49 interacting with the membranes Any 50 and a spring 51, mounted elastically and tightly in the housing 52 mounted on the housing.

Принцип работы вихревого кондиционера состоит в следующем: приводной шкив 45 соединен с двигателем при помощи клинового ремня. При работающем двигателе и отсутствии управляющего пневматического сигнала "Ру" на пневмопривод 52, под действием пружины 51 шток 49 с коромыслом 48, соединенные двумя тягами ( не показано), с проводкой муфтой 47, соединенной со ступицей шкива 45 через подшипник качения, напрессованный на ступицу, переместит шкив вправо и разъединит его с фрикционным диском 42, жестко соединенным с коленчатым валом 39, и компрессор работать не будет, а приводной шкив будет вращаться от двигателя вхолостую. При подаче же давления в пневмопривод 52 шкив 45 войдет в зацепление и фрикционным диском 42, и коленчатый вал 39 начнет вращаться. При этом вращательное движение вала преобразуется в поступательное при помощи кривошипа и шатуна 38, подвижного соединенного с ползуном 35, который снабжен двумя роликами 36 (см. фиг.5), контактирующими с направляющими 37, чем исключается воздействие боковых усилий на шток 29 и подшипниковой узел 26 с уплотнителем 27. Ползун 35 жестко соединен со штоком 29, а шток с поршнем 28 и таким образом поршень в цилиндре 21 с гильзой 22 движется возвратно-поступательно. The principle of operation of the vortex air conditioner is as follows: the drive pulley 45 is connected to the engine using a V-belt. When the engine is running and there is no pneumatic control signal "Ru" to the pneumatic actuator 52, the spring 51 has a rod 49 with a rocker 48 connected by two rods (not shown), with a wiring clutch 47 connected to the hub of the pulley 45 through a rolling bearing pressed onto the hub , move the pulley to the right and disconnect it from the friction disk 42, rigidly connected to the crankshaft 39, and the compressor will not work, and the drive pulley will rotate idle from the engine. When applying pressure to the pneumatic actuator 52, the pulley 45 will engage with the friction disk 42, and the crankshaft 39 will begin to rotate. In this case, the rotational movement of the shaft is converted into translational using a crank and connecting rod 38, movably connected to the slider 35, which is equipped with two rollers 36 (see Fig. 5) in contact with the guides 37, which excludes the impact of lateral forces on the rod 29 and the bearing assembly 26 with the seal 27. The slider 35 is rigidly connected to the rod 29, and the rod with the piston 28 and thus the piston in the cylinder 21 with the sleeve 22 moves reciprocally.

При движении поршня в нижнее крайнее положение открывается всасывающий клапан 23 и воздух из атмосферы через фильтр "ф" засасывается в полость цилиндра над поршнем. Одновременно в нижней полости под поршнем происходит сжатие воздуха и подача сжатого воздуха через нагнетательный клапан 24 в трубопровод. За следующий полуоборот произойдет сжатие в верхней полости над поршнем и подача через второй нагнетательный клапан 24 в трубопровод, соединенный с вихревой трубой. Таким образом, за один оборот вала компрессора совершается два рабочих хода. When the piston moves to the lower extreme position, the suction valve 23 opens and air from the atmosphere through the filter "f" is sucked into the cylinder cavity above the piston. At the same time, in the lower cavity under the piston, air is compressed and compressed air is supplied through the discharge valve 24 into the pipeline. Over the next half-turn, compression will occur in the upper cavity above the piston and supply through the second discharge valve 24 to the pipeline connected to the vortex tube. Thus, in one revolution of the compressor shaft two working strokes are made.

Сжатый воздух поступает по трубопроводу через штуцер 7 (см. фиг. 3) в сопловой ввод улитки 4, имеющий наклонный паз 5 и в собранном виде (корпус, улитка и диафрагма) образует вакуумный мешок, который способствует увеличению расхода воздуха через сопло и позволяет уменьшить толщину выходящего потока за счет изменения высоты и увеличения ширины прямоугольного сопла до отношения 1:5, хотя рекомендуемое отношение 1:2. Увеличение периметра выходного прямоугольного сечения не уменьшит расход, так как вакуумный мешок 5 постоянно создает подсос и расход через такое сопло увеличивается. Воздух с большой скоростью входя в трубу 1 по спиральному вводу улитки 4, приобретает сложное вихревое движение, характеризующееся винтовым перемещением, внешние слои воздуха вращаясь подвигаются в осевом направлении от сечения через сопло к сечению, проходящему через отверстие гнездо во втулке 17 регулирующего клапана, разогреваются и через отверстия во втулке 17 сбрасываются в атмосферу. Внутренние слои воздуха, вращаясь в ту же сторону что и наружные, движутся в осевом направлении в противоположную сторону. Compressed air flows through the pipe through the nozzle 7 (see Fig. 3) into the nozzle inlet of the cochlea 4, which has an inclined groove 5 and when assembled (the housing, the cochlea and the diaphragm) forms a vacuum bag, which helps to increase the air flow through the nozzle and reduces the thickness of the outlet stream by changing the height and increasing the width of the rectangular nozzle to a ratio of 1: 5, although the recommended ratio is 1: 2. Increasing the perimeter of the output rectangular section will not reduce the flow rate, since the vacuum bag 5 constantly creates a suction and the flow rate through such a nozzle increases. Air at high speed entering the pipe 1 through the spiral input of the scroll 4, acquires a complex vortex movement, characterized by screw movement, the outer layers of air rotate axially from the section through the nozzle to the section passing through the hole in the socket in the sleeve 17 of the control valve, heat up and through the holes in the sleeve 17 are discharged into the atmosphere. The inner layers of air, rotating in the same direction as the outer ones, move axially in the opposite direction.

Внутренний холодный поток возникает из внешнего (механизм преобразования потоков см. Мартынов А. В. Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М: Энергия. 1976 г. стр. 19-24. 29-31 (см. стр. 31 строки 6-9 и дальше до конца стр. 32) стр. 44). Из рассмотренного механизма движения потоков воздуха и преобразования энергии видно, что с уменьшением толщины потока воздуха при той же площади поперечного сечения сопла увеличивается Δt $\binom{°}{x}$ (разность температуры холодного потока и температуры воздуха подводимого к соплу) а также увеличится и количество холодного потока т.е. увеличится удельная холодопроизводительность.The internal cold flow arises from the external (the mechanism for converting flows, see Martynov A.V. Brodyansky V.M. What is a vortex tube? M: Energy. 1976, pp. 19-24. 29-31 (see page 31 of the line 6-9 onward to the end of page 32), page 44). From the considered mechanism of the movement of air flows and energy conversion it is seen that with a decrease in the thickness of the air flow with the same nozzle cross-sectional area, Δt $\binom{°}{x}$ (the difference between the temperature of the cold stream and the temperature of the air supplied to the nozzle) as well as the amount of cold stream i.e. specific cooling capacity will increase.

Таким образом холодный поток воздуха через диафрагму 6 угольник 8, трубу 10, корпус 12, фильтр-глушитель поступает в воздуховод и через него, например, в салон автомобиля. Thus, the cold air flow through the diaphragm 6, the square 8, the pipe 10, the housing 12, the filter silencer enters the duct and through it, for example, into the car interior.

Claims

1. Vortex air conditioning for air conditioning, consisting of a vortex tube containing a cylindrical pipe, inside of which a cross is rigidly mounted, hermetically connected at one end to the body, in which there is a snail and a diaphragm tightly connected by a square with a heat-insulating sleeve, the other end of the pipe is connected to the cover a muffler, bolted to the cover, fixing nuts securing the vortex tube to the wall of the duct, and the other end of the cylindrical pipe is connected to a sleeve, inside which is located a control valve with a nut and a lock nut, and a compressor containing a cylinder with a sleeve, suction and discharge valves, a piston with sealing rings connected by a crank mechanism with a crankshaft, a bearing assembly rigidly connected to the crankcase, and a drive pulley connected to the crankshaft characterized in that the compressor comprises a cylinder with a sleeve, suction and discharge valves, a cover separating the rod cavity of the cylinder from the crankcase, with a guide sleeve and a sealing assembly per piece for self-lubricating materials, a piston consisting of two parts connected rigidly and hermetically by a rod, piston grooves have sealing rings of self-lubricating materials with rubber rings pressed by a steel ring with pressure screws located in the upper part of the piston around the ring perimeter, and dividing rings, also made of self-lubricating materials and located on both sides of the o-rings, the second end of the rod is rigidly connected to a slider containing two o ornyh roller contacting the guide firmly fixed to the cover rigidly connected to the crankcase and cylinder.

2. The air conditioner according to claim 1, characterized in that the nozzle inlet of the cochlea is made with an inclined blind groove located in such a way that the upper edge of the nozzle lies in the same plane as the edge of the inclined groove.

3. The air conditioner according to claim 1, characterized in that the drive pulley is movably connected through a rolling bearing and a sliding sleeve with a crankshaft and have a conical bore, the surface of which interacts with a conical friction disk rigidly connected through a key to the shaft, and is pressed onto the pulley hub a rolling bearing with a drive coupling connected by rods to the beam of the pneumatic cylinder rigidly mounted on the crankcase.