СПОСОБ РАБОТЫ МАГНИТОЖИДКОСТНОГО НАСОСА Российский патент 1998 года по МПК F04B43/12 

Изобретение относится к области насосостроения и может найти применение в химической промышленности.

Известны объемные насосы, в которых перемещение жидкости (или газа) осуществляется в результате изменения объема рабочей камеры [1, c. 324]. Основными типами объемных насосов являются поршневые, роторные и диафрагменные насосы.

Так, в поршневых насосах рабочим органом является поршень - подвижная деталь, плотно перекрывающая поперечное сечение цилиндра и перемещающаяся (возвратно-поступательно) в направлении его оси [1, с. 382].

Главным недостатком поршневых насосов является наличие зазора между поршнем и стенками цилиндра, сквозь который происходит утечка перекачиваемой жидкости. Для устранения утечек необходимо применять уплотнения.

В диафрагмовых насосах (другое название - диафрагменные или мембранные насосы) роль поршня выполняет гибкая пластина - диафрагма, закрепленная по краям и изгибающаяся под действием рычажного механизма [1, с. 142]. Закрепление диафрагмы существенно снижает утечки, поэтому диафрагмовые насосы применяют для перекачки загрязненных, химически активных и воспламеняющихся жидкостей. К недостаткам диафрагмовых насосов относятся усталостные деформации диафрагмы.

Еще более надежно перекачиваемая среда изолируется от механизма насоса в т. н. перистальтических (или шланговых) насосах, работающих на принципе выталкивания жидкости при постепенном расплющивании стенок эластичного шланга (трубки) [1, с. 354].

Некоторые указанные недостатки устраняются применением магнитожидкостных уплотнений (МЖУ) [2, 3]. В качестве примера укажем на следующие технические решения: МЖУ используются в качестве клапанов в электромагнитном компрессоре [4], в качестве поршня - в гидроприводном насосе [5].

Типичная схема МЖУ представлена на фиг. 1. Магнитная жидкость 1 удерживается магнитным полем в зазоре между валом 2 и полюсной насадкой 3 магнита 4. Магнитная система закреплена на корпусе 5. Как показано в монографии [3], перепад давления Δ P, удерживаемый МЖУ, определяется значением намагниченности магнитной жидкости M и напряженностью магнитного поля H в зазоре. Таким образом, имеется возможность управлять величиной ΔP, например, посредством изменения в зазоре.

Применение магнитных жидкостей в технике (в частности, в МЖУ) основано на их способности взаимодействовать с магнитным полем [2]. Так, под действием магнитного поля объем (капля) магнитной жидкости может как изменять свою форму, так и перемещаться в пространстве.

Указанное свойство магнитных жидкостей используется в перистальтическом насосе [6] , содержащем корпус, заполненный ферромагнитной жидкостью, в котором размещена эластичная насосная трубка, и генератор бегущего магнитного поля, взаимодействующий с ферромагнитной жидкостью. В данном устройстве ферромагнитная жидкость стягивается к полюсам подковообразных магнитов, охватывающих корпус, частично или полностью пережимая при этом эластичную насосную трубку. Фактически магнитная жидкость, управляемая магнитным полем, выполняет роль кулачков (или роликов), пережимающих трубку (как в традиционной конструкции перистальтического насоса).

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является поршневой компрессор с электродинамическим приводом [7], содержащий поршень, выполненный из ферромагнитной жидкости, и удерживаемый в цилиндре кольцевым постоянным магнитом, и приводные электромагнитные катушки, перемещающие поршень вдоль цилиндра.

Проанализируем данное устройство. Из описания устройства следует, что поршень 4 из ферромагнитной жидкости и постоянный магнит 8 (нумерация соответствует описанию устройства [7] образуют типичное магнитожидкостное уплотнение (см., например, [2], [3], [5]). Таким образом, указанное решение является известным (в то время) техническим решением, равно как и способ перемещения магнитного поршня электромагнитными катушками 7 (см., например, [4] ).

Далее. В устройстве [7] положение катушек 7 и постоянного магнита 8 фиксировано относительно корпуса, в то время как поршень 4 при работе устройства перемещается вдоль корпуса, т.е. при этом меняется (запомним на будущее) и положение поршня 4 относительно катушки 7 и катушек 8.

Устройство [7] нельзя признать удачным по следующим соображениям. Укажем вначале на следующие факты:
как указано в монографии [3], для надежной работы МЖУ необходима оптимальная конфигурация магнитного поля - в противном случае работоспособность МЖУ понижается, например магнитная жидкость не будет удерживаться в рабочем зазоре;
напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой, зависит от расстояния до центра катушки [8];
магнитная сила, действующая на единицу объема намагничивающегося вещества, пропорциональна градиенту магнитного поля (см., например, [3]).

Как следует из описания [7], на магнитожидкостной поршень 4 действует магнитное поле постоянного магнита 8 и изменяющиеся во времени магнитные поля катушек 7. Следовательно, при перемещении поршня 4 вдоль цилиндра 2 на поршень 4 в каждой точке будет действовать разное магнитное поле, что будет нарушать оптимальный режим уплотнения цилиндра 2 поршнем 4. В данном случае перепад давления, удерживаемый поршнем 4, неизбежно будет изменяться при работе устройства.

Следует также отметить, при перемещении поршня 4 вдоль цилиндра 2 магнитные поля магнита 8 и катушек 7 действуют на поршень 4 с противоположных направлений. Таким образом, из-за эффекта топологической неустойчивости объема магнитной жидкости [2] устройство [7] не гарантировано и от изменения самой формы магнитожидкостного поршня 4 - в наихудшем случае поршень может распасться на отдельные капли, что, естественно, приведет к полному пробою поршня.

Далее. Как было указано выше, напряженность поля (а следовательно, и градиент поля), создаваемый электромагнитной катушкой, зависит от расстояния до центра катушки. Следовательно, при перемещении поршня 4 вдоль цилиндра 2 на поршень 4 в каждой точке будет действовать разная сила, что также будет влиять на перепад давления, удерживаемый поршнем 4, неизбежно будет изменяться при работе устройства.

Поскольку электромагнитная катушка допускает изменение только одного параметра (изменения силы тока в ее обмотке), оптимально регулировать два параметра (напряженность поля и его градиент) при помощи только одного (силы тока) в устройстве [7] представляется принципиально невозможным.

Итак, способ работы магнитожидкостного насоса, реализуемый в устройстве [7], обладает принципиальными недостатками.

Предлагаемый способ устраняет указанные недостатки.

Предлагается способ работы магнитожидкостного насоса, содержащего корпус, внутрь которого помещают магнитную жидкость, и магнитную систему, взаимодействующую с магнитной жидкостью, заключающийся в том, что в средней части корпуса путем наложения магнитного поля создают магнитожидкостную перегородку, герметизирующую сечение корпуса, и перемещают перегородку вдоль оси корпуса магнитным полем.

Отличие заявляемого способа состоит в том, что после перемещения перегородки вдоль корпуса из своего начального положения в конечное, наложением магнитного поля на концах корпуса создают магнитожидкостные перегородки, герметизирующие сечение корпуса на его концах, затем подвижную перегородку разрушают выключением магнитного поля, после чего вновь создают подвижную магнитожидкостную перегородку в ее начальном положении, а затем разрушают перегородки на концах корпуса выключением магнитного поля, причем подвижную перегородку перемещают бегущим магнитным полем.

Изобретение поясняется фиг. 2 - 5, на которых представлены:
на фиг. 2 - поперечное сечение насоса, реализующего заявляемый способ работы;
на фиг. 3 - 5 - этапы работы насоса.

Пример устройства, реализующего способ
Насос (см. фиг. 2) содержит корпус 1, внутри которого находится магнитная жидкость 2, две электромагнитные катушки 3, размещенные на противоположных концах корпуса и охватывающие корпус, а также электромагнитную катушку 4, размещенную между катушками 3 с возможностью перемещения вдоль корпуса (указано на фиг. 2 стрелками) и охватывающую корпус. Электромагнитные катушки 3 и 4 автономно подключены к регулируемым источникам электропитания (не показаны). Источники могут быть произвольного типа (они не являются предметом изобретения) и должны обеспечивать необходимую силу тока в электромагнитных катушках с возможностью включения и выключения тока в обмотке катушки. Механизм перемещения катушки 4 вдоль корпуса также может быть произвольным (также не является предметом изобретения), например, с механическим приводом (на фиг. 2 также не указан).

Отметим, что представленное устройство отличается предельной простотой - никакой механики внутри корпуса (внутри корпуса находится только капля магнитной жидкости), а также высокой технологичностью (отсутствие деталей сложной геометрии, простота сборки).

Способ работы магнитожидкостного насоса осуществляется следующим образом. Для удобства рассмотрения заявляемого способа разобьем его работу на несколько этапов. Будем считать, что жидкость необходимо перекачивать слева направо (направление указано на фиг. 2 большой стрелкой).

Этап I. Электромагнит 4 устанавливают в средней части корпуса ближе к левой относительно корпуса катушке 3 (см. фиг. 3). Это положение электромагнита 4 будем считать исходным. Далее обмотку электромагнита 4 подключают к источнику питания. При этом возникающее магнитное поле будет формировать из капли магнитной жидкости магнитожидкостную перегородку, которая при достаточной величине напряженности поля будет герметизировать сечение корпуса в месте положения электромагнита 4. Назовем этот этап работы насоса этапом формирования перегородки.

Этап II. Далее электромагнит 4 в подключенном к источнику питания состоянии перемещают вдоль корпуса в направлении противоположного конца корпуса (см. фиг. 4). Пунктиром обозначено исходное положение электромагнита 4, сплошной линией - его конечное положение. Разница между конечным и исходным положениями электромагнита 4 составляет величину перемещения перегородки вдоль корпуса (обозначено буквой L на фиг. 4). Изменением перемещения L электромагнита 4 вдоль корпуса осуществляют регулировку объема перекачиваемой жидкости. На данном этапе герметизирующая перегородка из магнитной жидкости следует за электромагнитом 4, вытесняя при этом из корпуса насоса жидкость, находящуюся справа от перегородки, и заполняя корпус жидкостью, находящейся слева от перегородки - в насос поступает новая порция жидкости. Назовем этот этап этапом перекачки жидкости.

Следует обратить внимание, что в данном этапе работы насоса магнитожидкостная перегородка, образовавшаяся в результате изменения формы объема (капли) магнитной жидкости 2, следует за электромагнитом 4 (электромагнит тянет за собой магнитожидкостную перегородку). При этом относительное расположение электромагнита 4 и перегородки остается постоянным, поэтому перегородка находится все время в одном и том же магнитном поле (в отличие от устройства-прототипа [7]). Этим обеспечивается оптимальные и постоянные во времени режим уплотнения поперечного сечения канала насоса ( Δ P=const) и форма перегородки.

Также отметим, что магнитное поле, создаваемое перемещающимся электромагнитом 4, является бегущим (перемещающимся в пространстве).

Этап III. По достижении электромагнитом 4 своего конечного положения к источнику питания подключают электромагнитные катушки 3, расположенные на концах корпуса насоса. При этом формируются магнитожидкостные перегородки, герметизирующие сечение корпуса на его концах. Затем электромагнит 4 обесточивают, и подвижная перегородка исчезает (перегородки на концах корпуса остаются) - см. фиг. 5. Перегородки на концах канала предотвращают перетекание жидкости через корпус насоса в направлении, обратном перекачиваемому на время отсутствия подвижной перегородки. Назовем этап этапом запирания сечения канала.

Следует также отметить, что в заявляемом способе герметизирующие перегородки образуются под действием магнитного поля, локализованного определенным образом относительно корпуса насоса: перегородки на концах корпуса - магнитными полями на противоположных концах корпуса (катушками 3), подвижная перегородка - бегущим магнитным полем в средней части корпуса насоса (подвижным электромагнитом 4). Таким образом, перегородки образуются в оптимальных условиях режима магнитожидкостного уплотнения (до минимума снижается взаимовлияние магнитных полей друг на друга), что также отличает заявляемый способ от прототипа [7].

Этап IV. Далее электромагнит 4 возвращают в исходное положение вблизи левой катушки 3. На этом этапе электромагнит 4 обесточен, а катушки 3 остаются подключенными к источнику питания - сечение канала остается герметизированным. Назовем этот этап - этапом холостого хода.

Далее процесс перекачки повторяется: электромагнитом 4 формируют подвижную герметизирующую перегородку, разгерметизируют перегородки на концах корпуса, перемещают подвижную перегородку вдоль корпуса и т.д.

Главным принципиальным отличием заявляемого способа (кроме указанных выше) является то, что наложением магнитного поля из одного объема (капли) магнитной жидкости формируют как подвижную перегородку, так и герметизирующие перегородки на концах корпуса (играющие роль впускного и выпускного клапанов): реализуется принципиально новый способ формирования рабочей камеры насоса. Кроме того, магнитожидкостные перегородки трансформируются в процессе работы насоса (то образуются, то исчезают), причем в определенной последовательности во времени и по местоположению относительно корпуса насоса, для чего прикладывают изменяющееся нужным образом магнитное поле.

Автор считает, что предлагаемый способ также является оригинальным и уникальным по причине неожиданного эффекта (действительно, внутри корпуса находится только капля магнитной жидкости), а также поскольку представляет собой принципиально новое техническое решение. Кроме того, автор утверждает, что не существует более простой последовательности операций, позволяющей осуществлять перекачку жидкости устройством, содержащим только корпус, магнитную жидкость внутри корпуса и магнитную систему, взаимодействующую с магнитной жидкостью.

Для пояснения позиции автора рассмотрим устройство указанных типов насосов с точки зрения теории деталей машин. Напомним, что
деталью называется изделие, изготовленное из однородного материала без применения сборочных операций [1, c. 138],
а также:
детали машин - это составные части машин, каждая из которых изготовлена без применения сборочных операций [9, c. 5]. Неподвижные и взаимно неподвижные скрепленные между собой детали называют звеньями [9, c. 5], а совокупность совместно работающих деталей, представляющие собой конструктивно оформленные единицы и обычно объединяемые одним назначением, называют узлами [9, c. 5].

С данной точки зрения, например, в поршневом насосе (см. [1] рис. на с. 382) можно выделить поршень, цилиндр, приводной механизм поршня и два клапана - всасывающий и нагнетательный. Поршень, цилиндр и клапаны образуют рабочую камеру насоса - изолированное пространство, образованное деталями насоса с периодически увеличивающимся и уменьшающимся при работе насоса объемом и сообщающейся с нагнетательным и всасывающим каналами [10]. В некоторых конструкциях поршневых насосов, например в механических вакуумных насосах [1, c. 288], поршень и один из клапанов совмещают в одно звено.

С учетом вышесказанного в заявляемом способе подвижная перегородка если и напоминает поршень, "поршнем" ее можно назвать лишь условно, поскольку на этапах запирания сечения канала и холостого хода "поршня" фактически не существует.

Кроме того, принимая во внимание определение детали, как изделия, изготовленного из однородного материала (см. выше) и то, что все перегородки при работе насоса формируются из одного объема (капли) магнитной жидкости, все перегородки следует рассматривать, как одну деталь, изменяющую свою форму под действием магнитного поля (что несколько напоминает формирование ложноножек у амеб).

Итак заявляемый способ существенно отличается от способа прототипа как по режиму и последовательности операций, так и по принципу формирования рабочей камеры насоса: рабочую камеру насоса, периодически изменяющую свой объем, образуют только стенки корпуса и поверхность капли магнитной жидкости, меняющей свою форму по действием магнитного поля.

Источники информации
1. Политехнический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1977.

2. Берковский В.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1985.

3. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. М.: Мир, 1993.

4. А.с. СССР N 1245748, кл. F 04 B 35/04, Б.И. N 27, 1986.

5. А.с. СССР N 505819, кл. F 04 B 9/10, Б.И. N 9, 1976.

6. А.с. СССР N 907300, кл. F 04 B 43/12, Б.И. N 7, 1982.

7. А.с. СССР N 1622619, кл. F 04 B 35/04, Б.И. N 3, 1991 (прототип).

8. Калашников Э.Г. Электричество. М.: Наука, 1977.

9. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение. 1972.

10. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение. 1971.

Использование: в химической промышленности. Сущность изобретения: внутри корпуса путем наложения магнитного поля создают магнитожидкостные перегородки, герметизирующие сечение корпуса, перемещают и разрушают перегородки магнитным полем в определенной последовательности. Новым является принцип формирования рабочей камеры насоса из одного объема магнитной жидкости. Способ прост в реализации и высоко технологичен. 5 ил.

Способ работы магнитожидкостного насоса, содержащего корпус, внутрь которого помещают магнитную жидкость, и магнитную систему, взаимодействующую с магнитной жидкостью, заключающийся в том, что в средней части корпуса путем наложения магнитного поля создают магнитожидкостную перегородку, герметизирующую сечение корпуса, и перемещают перегородку вдоль оси корпуса магнитным полем, отличающийся тем, что после перемещения перегородки вдоль корпуса из своего начального положения в конечное наложением магнитного поля на концах корпуса создают магнитожидкостные перегородки, герметизирующие сечение корпуса на его концах, затем подвижную перегородку разрушают выключением магнитного поля, после чего вновь создают подвижную магнитожидкостную перегородку в ее начальном положении, а затем разрушают перегородки на концах корпуса выключением магнитного поля, причем подвижную перегородку перемещают бегущим магнитным полем.