УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ НАСОС Российский патент 1997 года по МПК F04B17/04 

Изобретение относится к насосо- и компрессоростроению, и может найти применение в химической и нефтяной промышленности.

Известны поршневые объемные насосы, работающие по принципу вытеснения жидкости в результате изменения объема рабочей камеры [1] В этих насосах рабочий орган (поршень) совершает возвратно-поступательное движение, поэтому подача жидкости неравномерна.

К недостаткам поршневых насосов относятся:
высокая металлоемкость конструкции;
ограниченная скорость поршня из-за действия инертных сил;
невысокая надежность и долговечность в связи с наличием клапанов и деталей, совершающих возвратно-поступательное движение;
наличие перетечек между поршнем и корпусом;
значительный образивный износ при работе с жидкостями, содержащими твердые частицы.

Перекрытие жидкости сквозь зазор между корпусом и поршнем устраняют посредством применения различного рода уплотнений: поршневых колец, прокладок и т.п. Данные устройства имеют следующие недостатки:
возрастает тепловыделение на стенках корпуса;
возрастает нагрузка на приводной механизм поршня в связи со значительным трением в зоне уплотнения с корпусом.

Указанные недостатки устраняются в случае применения магнитно-жидкостных уплотнителей [2] В уплотнителях данного типа уплотняющая композиция (магнитная жидкость) удерживается в зазоре за счет силового воздействия со стороны неоднородного магнитного поля создаваемого магнитной системой (постоянным или электромагнитом).

Для формирования магнитного поля необходимой конфигурации применяют магнитопровод с профилированным полюсными насадками, например, треугольной формы [3]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является насос [4] в котором уплотнение поршня осуществляется за счет поясков магнитной жидкости, для удержания которых на корпусе размещен индуктор.

Упомянутое устройство обладает недостатками, присущими поршневым насосам, а также сложностью программного управления подачей перекачиваемой жидкости.

Предлагаемый насос устраняет указанные недостатки.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении является расширение его функциональных возможностей, сопровождаемое упрощением конструкции и унификацией деталей.

Это достигается тем, что трубчатый корпус имеет Т-образную форму, в каждом из трех звеньев которого расположена магнитная жидкость, удерживаемая на внутренней поверхности корпуса электромагнитным индуктором, выполненным с возможностью перемещения вдоль звена корпуса, причем, на внутренней поверхности корпуса выполнены радиальные кольцевые канавки. Еще одно отличие состоит в том, что в заявляемом устройстве при его работе происходит изменение напряженности магнитного поля (тока) в индукторах (электромагнитах) по определенному алгоритму.

Возможность осуществления заявляемого изобретения обусловлена наличием широкого класса электромагнитных устройств (соленоидов) и технологических магнитных жидкостей.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: функциональная схема устройства (фиг. 1); поперечное сечение участка звена корпуса (фиг. 2а и б); функционирование устройства в режиме вентиля (крана) (фиг. 3а и б); распределителя (золотника) (фиг. 4а и б); смесителя (фиг. 5); насоса (фиг. 6).

Универсальный объемный насос (именуемый в дальнейшем для краткости "насос") содержит Т-образный корпус 1, на каждом из трех звеньев которого расположены электромагнитные индукторы 2, выполненные с возможностью относительного перемещения относительно корпуса (показано стрелками), подсоединенные к блоку питания и управления 3 (фиг. 1). Буквами А, В и С обозначены участки трубопровода, в который (или из которого) производится перекачка жидкости.

На фиг. 2а и б представлено расположение магнитной жидкости 4, относительно корпуса (а одном из звеньев) в режимах "индуктор выключен" (фиг. 2а) и "индуктор включен" (фиг. 2б), а также на врезке (увеличено) радиальные кольцевые канавки 5 на внутренней поверхности корпуса. В режиме "индуктор выключен" магнитная жидкость располагается в нижней части корпуса на его внутренней поверхности (фиг. 2а).

В режиме "индуктор включен" (фиг. 2б) индуктор образует неоднородное магнитное поле внутри корпуса, которое формирует из магнитной жидкости перетяжку, которая герметизирует поперечное сечение канала, т.е. образуется типичное магнитожидкостное уплотнение. При относительном движении индуктора 2 относительно корпуса 1 (указано стрелками на фиг. 2б) магнитная жидкость 4 будет следовать за индуктором (из-за силового воздействия магнитного поля), т.е. перемещающаяся перемычка из магнитной жидкости будет выполнять роль подвижного поршня. Поскольку при перемещении магнитожидкостной перемычки часть магнитной жидкости будет уноситься за счет смачивания стенок корпуса, на внутренней поверхности корпуса выполнены радиальные кольцевые канавки 5, в которых магнитная жидкость удерживается за счет капиллярных сил. Наличие магнитной жидкости в канавках обеспечивает пополнение жидкости в перемычке (компенсацию уноса) при относительном ее перемещении относительно корпуса, т.е. движение перемычки происходит по предварительно смоченной поверхности.

На фиг. 3а и б представлена работа устройства в режиме "вентиль". Обесточенные индукторы звеньев А и В устройства обеспечивают свободное сообщение (перемычку жидкости) между трубопроводами А и В (направление перетечки указанного стрелкой, (фиг. 3а). Третий индуктор находится во включенном состоянии, обеспечивая герметизацию соответствующего звена корпуса насоса. При включении индуктора В (фиг. 4б) или обоих индукторов А и В, образующиеся перемычки надежно герметизируют сечение корпуса насоса - осуществляется режим "вентиль закрыт".

Переключая напряжение на индукторах В и С с помощью блока управления, возможно осуществление работы устройства в режиме "распределитель" (золотник). При открытом звене В корпуса насоса и закрытом звене С перетекание жидкости происходит из трубопровода А и В (указано стрелкой на фиг. 4а), при открытом С и закрытом звене В в направлении от A и С. (фиг. 4б).

Устройство также позволяет работать в режиме "пропорциональный смеситель". Жидкости из трубопроводов А и В поступают в трубопровод С (фиг. 5). Скрывая звено насоса A на интервале времени t₁, а звено B на время t₂, в трубопроводе С получают смесь жидкостей, поступающих из трубопроводов А и В, например, одной и той же жидкости, находящейся в трубопроводах А и В с разными температурами, или разных жидкостей. Регулируя времена t₁ и t₂ с помощью блока управления, добиваются различного процентного содержания компонент в смеси.

На фиг. 6 представлены фазы работы устройства в режиме "Насос". На первой стадии (фаза "всасывание") индуктор А выключен, а В включен. Индуктор С также находится во включенном состоянии и совершает поступательное движение вдоль звена корпуса от начального положения 1 в конечное положение 11 (фиг. 6). При этом полость корпуса заполняется жидкость из трубопровода А.

Отметим, что регулируя величину L перемещения индуктора С вдоль корпуса, возможно осуществление регулирования производительности насоса (величина объема засасываемой жидкости), а изменением зависимости положения индуктора во времени осуществляют программную подачу жидкости.

При второй фазе фазе "нагнетания" индуктор В обесточивается, а индуктор А включается. При этом перекрывается секция насоса, соединенная с трубопроводом А, и при возвратном движении индуктора С из положения 11 в положение 1 (фиг. 6б) происходит выдавливание жидкости из полости насоса в трубопровод С (направление движения жидкости в насосе указано стрелками).

Заявляемое устройство может функционировать как насос и другим способом (при другой последовательности взаимодействия деталей устройства);
I фаза ("всасывание) аналогичен предыдущему случаю (см. фиг. 6а);
II фаза ("отсечка) включается индуктор А, при этом звено корпуса А герметизируется магнитной перемычкой (фиг. 6в);
III фаза ("перемещение жидкого поршня") индуктор С выключается и в обеспеченном состоянии перемещается из положения 11 в положение 1 (фиг. 6г). Герметизирующая перемычка при этом исчезает; магнитная жидкость локализуется на внутренней стенке корпуса вблизи индуктора (см. фиг. 2а);
Отметим, что если при перемещении индуктора его не полностью обесточивать, а подавать в обмотку ток по величине меньшей, чем ток образования герметизирующей перемычки, то магнитная жидкость при перемещении индуктора будет следовать за ним.

IV фаза ("формирование поршня") к индуктору, находящемуся в положении 1, прикладывается напряжение. Образующаяся при этом герметизирующая перегородка отсекает объем жидкости V (фиг. 6д), который при следующем перемещении перегородки из положения 1 в положение 11 (фиг. 6а) будет закачан в трубопровод С. Магнитная герметизирующая перегородка С выполняет роль поршня, перегородка А роль клапана.

Очевидно, что если индуктор В также будет работать в режиме клапана (аналогично индуктору А), что насос будут перекачивать жидкость одновременно из трубопроводов А и В в трубопровод С (насос-смеситель), а если при этом изменить времена, в течение которых клапаны будут открыты, то устройство будет работать в режиме "насос пропорциональный смеситель".

Следует отметить, что в заявляемом устройстве все звенья унифицированы: каждое звено может функционировать и как вентиль, и как поршень, поэтому, изменяя как их функции в процессе работы, так и порядок включения, можно изменить направление потока жидкости в устройстве. Например, меняя порядок включения индуктора А и В (фиг. 6а и б), можно осуществить работу устройства в режиме "реверсивный насос" жидкость будет перекачиваться то из трубопровода А и В, то из В в А.

Таким образом, заявляемое устройство работает как многофункциональный объемный насос, возможности которого существенно превышают как возможности прототипа, так и иных аналогов. Следует отметить, предельную унификацию деталей устройства и возможность программного управления устройством.

Также необходимо отметить, что в заявленном устройстве перекачиваемая жидкость контактирует только со стенками корпуса и с магнитной жидкостью, и применение инертных материалов (например, пластмасс, фторопласт) для изготовления корпуса резко увеличивает возможности применения как для перекачки агрессивных сред, так и биологически стерильных растворов. Аналогично, также повышается износоустойчивость устройства за счет уменьшения количества деталей, их упрощения, отсутствия трения между поршнем и корпусом. Естественно, повышается и ресурс работы устройства при перекачке запыленных и абразивных жидкостей. Отметим, что за счет эффекта выталкивания инородных тел из магнитных жидкостей (используется при магнитожидкостной сепарации) полностью отсутствует загрязнение герметизирующей магнитной жидкости твердыми частицами.

Очевидно, что при увеличении числа звеньев в устройстве или соединении устройств в пакеты (например, при каскадном включении) возможности устройства существенно расширяются.

Отметим, что каждое звено является также и магнитожидкостным герметизатором с регулируемым (посредством изменения величины тока в обмотке индуктора) значением пробойного давления, что позволяет устройству функционировать и в режиме "предохранительный клапан". Уплотнение пробивается при превышении давления над критическим (задаваемым посредством подачи необходимого значения тока в обмотку индуктора).

Таким образом, поскольку заявляемое устройство может функционировать как поршневой насос, как перистальтический, как их комбинация, а также как вентиль, смеситель, предохранительный клапан, по-видимому, необходимо классифицировать устройство в особый класс.

Использование: в насосо- и компрессоростроении. Сущность изобретения: трубчатый корпус имеет Т-образную форму. В каждом из трех звеньев корпуса расположена магнитная жидкость, удерживаемая на его внутренней поверхности электромагнитным индуктором, выполненным с возможностью перемещения вдоль звена корпуса и регулирования тока в обмотке. На внутренней поверхности корпуса выполнены радиальные кольцевые канавки. 6 ил.

Универсальный объемный насос, состоящий из корпуса, на внутренней поверхности которого расположена магнитная жидкость, удерживаемая индуктором, расположенным на внешней стороне корпуса поршня, и двух клапанов в корпусе, отличающийся тем, что корпус имеет Т-образную форму, в каждом из трех звеньев которого расположена магнитная жидкость, удерживаемая электромагнитным индуктором, выполненным с возможностью перемещения вдоль корпуса и регулирования тока в обмотке, причем на внутренней поверхности корпуса выполнены радиальные кольцевые канавки.