МЕМБРАННЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1998 года по МПК F04B45/47 

Заявляемое изобретение относится к области компрессорной техники и может быть использовано в конструкциях компрессоров с эластичными рабочими органами и электромагнитным приводом.

Известен компрессор /насос/ с эластичным рабочим органом, называемым мембранным или диафрагменным. Типичная конструкция мембранного компрессора включает в себя рабочую /нагнетательную/ камеру, связанную через впускной и выпускной клапаны с всасывающей /входной/ и нагревательной /выходной/ магистралями соответственно. В одну из стенок рабочей камеры встроена гибкая мембрана, способная прогибаться как в сторону внутреннего объема камеры, так и в противоположную сторону.

Компрессор приводится в действие с помощью привода, в качестве которого используется стандартный электродвигатель с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное /SU, авторское свидетельство 1694984, кл. F 04 B 45/04, 1991/.

По совокупности конструктивных признаков наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является мембранный компрессор, который содержит выполненную из немагнитного материала камеру, мембрану, установленную в камере с образованием двух рабочих полостей, всасывающий и нагревательный клапаны, магнитопровод с полюсными наконечниками и навитой на него катушкой индуктивности, круглый постоянный магнит, установленный на мембране и снабженный перепускным клапаном /SU, авторское свидетельство 1756614, кл. F 04 B 35/04/.

Недостатком компрессора-аналога являются неудовлетворительные габаритные характеристики. Еще одним его недостатком является низкий КПД, что обусловлено значительными потерями энергии в воздушном зазоре между полюсными наконечниками из-за большой величины последнего.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение габаритов мембранного компрессора с электромагнитным приводом возвратно-поступательного движения при одновременном повышении его КПД.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в мембранном компрессоре, содержащем ограниченную эластичной мембраной рабочую камеру с впускным и выпускным клапанами, питаемую переменным током катушки индуктивности, и магнитопровод, в воздушном зазоре между полюсными наконечниками которого размещен связанный с центральной частью мембраны круглый постоянный магнит, согласно изобретению магнитопровод выполнен в виде пустотелого цилиндра с осесимметричным отверстием в одной из его торцовых стенок, края которого являются первым полюсным наконечником, и с установленным на его противоположной торцовой стенке внутренним осесимметричным стержнем, свободный торец которого является вторым полюсным наконечником, катушка индуктивности размещена в полости цилиндра, а магнит - в отверстии торцовой стенки цилиндра соосно со стержнем, при этом магнит установлен с зазором между ним и торцом стержня. так, что обеспечивается возможность его перемещения в осевом направлении цилиндра.

Совокупность вновь введенных признаков позволяет обеспечить высокую плотность монтажа элементов конструкции компрессора. Как видно из показанного на фиг.1 схематического разреза предлагаемого компрессора, занимаемый элементами его конструкции объем практически не имеет незаполненных полостей /кроме полости рабочей камеры, наличие которой принципиально необходимо/.

Такая конструкция позволяет существенно уменьшить габариты компрессора, что является основным техническим результатом заявляемого изобретения. Дополнительным преимуществом предлагаемого решения является возможность придания всей конструкции компрессора простой геометрической формы - цилиндрической, что в ряде случаев облегчает условия его компоновки с другими устройствами.

Кроме того, значительно меньшая величина воздушного зазора между полюсными наконечниками магнитопровода компрессора позволяет сократить потери энергии и тем самым повысить КПД устройства.

В первом частном случае реализации компрессора согласно изобретению постоянный магнит выполнен состоящим из связанных между собой цилиндрического элемента с постоянной намагниченностью и магнитопроводной вставки большего диаметра, при этом соединение магнита с мембраной выполнено со стороны вставки.

Такая частная форма выполнения устройства допускает использование в его составе широкой номенклатуры типоразмеров постоянных магнитов без необходимости их механической обработки для подгонки их габаритов к габаритам мембраны и магнитопровода. Тем самым достигается упрощение технологии реализации устройства.

Во втором частном случае реализации компрессора согласно заявляемому изобретению в свободном торце внутреннего стержня выполнено осесимметричное отверстие, в котором закреплена связанная с магнитом цилиндрическая пружина.

Подобная частная форма выполнения позволяет исключить появление механических напряжений в мембране из-за наличия постоянного притягивающего усилия между постоянным магнитом и сердечником в обесточенном состоянии компрессора. Тем самым снижается вероятность появления остаточных деформаций мембраны и связанное с этим падение производительности компрессора с течением времени. Кроме того, как это следует из приводимого ниже описания работы заявляемого компрессора, упругая энергия сжатия цилиндрической пружины, запасаемая за время действия одного из полупериодов питающего напряжения, используется в следующий интервал времени. Тем самым обеспечивается работоспособность компрессора при его питании однополупериодным /импульсным/ напряжением. Это обстоятельство является важным техническим преимуществом заявляемого компрессора в условиях его питания от вторичных источников.

В третьем частном случае реализации компрессора согласно заявляемому изобретению отверстие в центральном стержне выполнено сквозным и снабжено резьбой со стороны, противоположной стороне установки пружины, а в резьбовом участке отверстия установлен связанный с пружиной регулировочный винт.

В этом случае смешением регулировочного винта достигается возможность изменения амплитуды прогиба мембраны и тем самым регулировка производительности и компрессора.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
на фиг.1 показан разрез общего вида заявляемого мембранного компрессора в основной форме его реализации;
на фиг.2 показан разрез общего вида заявляемого мембранного компрессора в первой, второй и третьей частных формах его реализации.

Заявляемый компрессор /фиг. 1/ содержит рабочую камеру 1, ограниченную эластичной мембраной 2 и снабженную всасывающим и нагнетательным клапанами 5 и 6 соответственно. С камерой 1 связан магнитопровод 7 в форме пустотелого цилиндра с осесимметричным отверстием в торцовой стенке, края которого образуют полюсный наконечник 8, и с коаксиально установленным внутри цилиндра стержнем, свободный торец которого образует полюсный наконечник 9. Длина центрального стержня меньше, чем высота цилиндра, в результате чего образуется свободная полость 13.

Внутри магнитопровода 7 размещена катушка 10 индуктивности, а на мембране 2 укреплен круглый постоянный магнит 11. Соединение магнитопровода 7 с камерой 1 осуществлено таким образом, что постоянный магнит 11 оказывается размещенным в полости 13 с зазором между ним и полюсными наконечниками 8 и 9.

В первой частной форме выполнения компрессора постоянный магнит 11 /на фиг. 2 он условно показан пунктиром/ выполнен состоящим из цилиндрического намагниченного элемента 14 и магнитопроводной вставки 15, непосредственно связанной с мембраной 2 /фиг.2/.

Во второй и третьей частных формах выполнения компрессора постоянный магнит 11 связан с цилиндрической пружиной 16, установленной в отверстии центрального стержня сердечника 7 и опирающейся на неподвижный упор /на фиг. 2 не показан/ или на регулировочный винт 17.

Компрессор работает следующим образом.

При подаче на катушку 10 индуктивности переменного напряжения полюсные наконечники 8 и 9 сердечника 7 намагничиваются, попеременно приобретая роли северного и южного полюсов электромагнита. Пусть, например, в текущий момент времени полюсный наконечник 8 является южным полюсом электромагнита, а полюсный наконечник 9 - его северным полюсом. Тогда, если постоянный магнит 11 закреплен на мембране 2 так, как это показано на фиг.1 /т.е. северным полюсом к мембране/, то в этот момент времени на магнит 11 будет действовать сила, втягивающая его в глубину полости 13 по направлению к полюсному наконечнику 9. Благодаря связи магнита 11 с мембраной 2 эта сила будет приложена также и к мембране 2. Мембрана 2 прогнется в сторону, противоположную полости 3 камеры 1. Давление рабочей среды в полости 3 камеры 1 будет снижаться. Откроется клапан 6 и в полость 3 поступит порция рабочей среды.

По мере смещения магнита 11 и прогиба мембраны 2 начнет возрастать сила, противодействующая смещению магнита 11 и обусловленная жесткостью мембраны 2 /в частной форме выполнения компрессора сила противодействия смешению магнита 11 будет дополнительно возрастать за счет сжатия пружины 16 - см. фиг.2/. В какой-то момент времени магнитная сила, втягивающая магнит 11 в полость 13, и сила, противодействующая его смешению, сравниваются и смещение магнита 11 прекратится. В этот момент прогиб мембраны 2 достигнет своего максимального значения.

В последующий период времени сила, обусловленная жесткостью мембраны 2 /а в частной форме выполнения компрессора и жесткостью пружины 16/, начнет превышать силу магнитного взаимодействия магнита 11 и сердечника 7 тем более, что в это же время сила магнитного взаимодействия будет уменьшаться из-за спада амплитуды первой полуволны напряжения питания. Под действием упругих сил мембрана 2 начнет возвращение к своему исходному ненапряженному состоянию. По мере возвращения мембраны 2 в исходное положение начнет возрастать давление рабочей среды в полости 3 камеры 1. При этом клапан 6 закроется, а клапан 5 откроется. Начнется фаза изгнания рабочей среды из полости 3 камеры 1 и ее нагнетания в выходную магистраль компрессора /на фиг. 1, 2 не показана/.

При действии следующей полуволны напряжения полярность полюсных наконечников 8 и 9 изменится на противоположную - наконечник 8 станет северным полюсом электромагнита, в наконечник 9 - его южным полюсом. В результате на постоянный магнит 11 будет действовать сила, выталкивающая его из полости 13 - /в частной форме выполнения компрессора сила выталкивания магнита 11 из полости 13 будет дополняться силой упругой деформации цилиндрической пружины 16/. Эта сила будет приложена и к мембране 2. Мембрана 2, которая к этому моменту времени под действием упругих сил уже практически вернется к своему исходному ненапряженному состоянию, начнет прогибаться внутрь полости 3 камеры 1. В результате процесс изгнания рабочей среды из полости 3 через открытый клапан 5 будет продолжаться.

Так же, как и при действии первой полуволны питающего напряжения, по мере смещения магнита 11 и прогиба мембраны 2 начнет возрастать сила, противодействующая смещению магнита 11 и обусловленная жесткостью мембраны 2 /в частной форме выполнения компрессора сила противодействия смещению магнита 11 будет дополнительно возрастать за счет растяжения пружины 16 - см. фиг. 2/. В какой-то момент времени магнитная сила, выталкивающая магнит 11 из полости 13 и сила, противодействующая его смещению, сравниваются и смещение магнита 11 прекратится. В этот момент прогиб мембраны 2 внутрь полости 3 достигнет своего максимального значения.

Далее подобно тому, как это было описано выше, вновь начнется возврат мембраны 2 к своему исходному ненапряженному состоянию и весь цикл работы компрессора повторится.

Работа компрессора в первой частной форме его реализации не отличается от рассмотренной выше. Особенностью работы компрессора во второй и третьей частных формах его реализации является то, что благодаря наличию упругой энергии, запасаемой в цилиндрической пружине 16 за время действия первого полупериода питающего напряжения, все механические перемещения элементов конструкции компрессора, обусловленные в приведенном выше описании действием второй полуволны питающего напряжения, будут происходить и без наличия упомянутой второй полуволны. Тем самым работоспособность компрессора будет обеспечена при его питании однополупериодным /импульсным/ напряжением. Регулировка развиваемых пружиной 16 усилий обеспечивается перемещением регулировочного винта 17 в отверстии центрального стержня сердечника 7.

Относится к однокамерным микропроцессорам с эластичными рабочими органами. Приводится в действие магнитоэлектрическим приводом возвратно-поступательного движения. Обмотка возбуждения размещена неподвижно в статоре-магнитопроводе. Подвижный якорь выполнен в виде круглого постоянного магнита и укреплен в центре эластичной мембраны. Магнитопровод выполнен в виде пустотелого цилиндра с осесимметричным отверстием в одной из его торцовых стенок и с установленным внутри цилиндра на другой его торцовой стенке коаксиальным стержнем меньшей, чем высота цилиндра, длины. Края отверстия и свободный торец стержня являются полюсными наконечниками магнитопровода, между которыми размещается связанный с мембраной постоянный магнит. В частной форме выполнения магнит связан с цилиндрической пружиной, установленной в осесимметричном отверстии коаксиального стержня и фиксируемой с помощью регулировочного винта. Конструкция компрессора позволяет минимизировать его габариты и потери энергии в магнитных зазорах. Питание компрессора может осуществляться как от источника симметричного переменного тока, так и от импульсных (однополупериодных) источников. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Мембранный компрессор, содержащий ограниченную эластичной мембраной рабочую камеру с впускным и выпускным клапанами, питаемую переменным током катушку индуктивности и магнитопровод, в воздушном зазоре между полюсными наконечниками которого размещен связанный с центральной частью мембраны круглый постоянный магнит, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде пустотелого цилиндра с осесимметричным отверстием в одной из его торцовых стенок, края которого является первым полюсным наконечником, и с установленным на его противоположной торцовой стенке внутренним осесимметричным стержнем, свободный торец которого является вторым полюсным наконечником, катушка индуктивности размещена в полости цилиндра, а магнит - в отверстии торцовой стенки цилиндра соосно со стержнем, при этом магнит установлен с зазором между ним и торцом стержня так, что обеспечивается возможность его перемещения в осевом направлении цилиндра. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что постоянный магнит выполнен состоящим из связанных между собой цилиндрического элемента с постоянной намагниченностью и магнитопроводной вставки большего диаметра, при этом соединение составного магнита с мембраной выполнено со стороны вставки. 3. Компрессор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в свободном торце внутреннего стержня выполнено осесимметричное отверстие, в котором закреплена связанная с магнитом цилиндрическая пружина. 4. Компрессор по п.3, отличающийся тем, что отверстие выполнено сквозным и снабжено резьбой со стороны, противоположной стороне установки пружины, а в резьбовом участке отверстия установлен связанный с пружиной регулировочный винт.