МЕМБРАННЫЙ НАСОС, СНАБЖЕННЫЙ КЛАПАНОМ ПОПОЛНЕНИЯ УТЕЧЕК С ИНЕРЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 2016 года по МПК F04B43/06 

ОПИСАНИЕ

Изобретение касается мембранного насоса, снабженного клапаном пополнения утечек с инерционным управлением, а также способа выбора размера клапана пополнения утечек.

Мембранные насосы в общем случае имеют отделенную мембраной от гидравлической камеры нагнетательную камеру, при этом нагнетательная камера соединена соответственно с всасывающим присоединением и напорным присоединением. Наполняемая рабочей жидкостью гидравлическая камера может в этом случае нагружаться пульсирующим давлением рабочей жидкости. Посредством пульсирующего давления рабочей жидкости создается пульсирующее движение мембраны, благодаря чему объем нагнетательной камеры периодически увеличивается и уменьшается. Благодаря этому можно через всасывающее присоединение, которое соответствующим обратным клапаном соединено с нагнетательной камерой, всасывать нагнетаемую среду, когда объем нагнетательной камеры увеличивается, и через напорное присоединение, которое тоже соответствующим обратным клапаном соединено с нагнетательной камерой, снова выпускать ее под давлением, когда объем нагнетательной камеры уменьшается.

В качестве рабочей жидкости, как правило, применяется гидравлическое масло. В принципе, могут, однако, также применяться другие надлежащие жидкости, такие как, например, вода с растворимой в воде минеральной добавкой.

С помощью мембраны подлежащая нагнетанию среда отделяется от привода, благодаря чему, с одной стороны, привод огражден от вредных влияний нагнетаемой среды, а с другой стороны, также нагнетаемая среда ограждена от вредных влияний привода, например загрязнений.

Пульсирующее давление рабочей жидкости часто обеспечивается с помощью подвижного поршня, который находится в контакте с рабочей жидкостью.

Поршень при этом, например, совершает возвратно-поступательное движение в полом цилиндрическом элементе, благодаря чему объем гидравлической камеры уменьшается и увеличивается, что приводит к повышению и понижению давления в гидравлической камере, а также в результате к движению мембраны.

Несмотря на самые разные меры, которые должны препятствовать обтеканию поршня рабочей жидкостью, на практике нельзя исключить, что при каждом процессе хода небольшое количество рабочей жидкости будет теряться через узкий остающийся зазор между поршнем и полым цилиндрическим элементом, из-за чего постепенно количество рабочей жидкости в гидравлической камере уменьшается. Вследствие этого нагнетательный ход выполняется мембраной уже не полностью, так как уже недостаточно рабочей жидкости имеется в распоряжении для движения напора мембраны.

Поэтому, например, в DE 1034030 уже предлагалось соединить гидравлическую камеру через промежуточный клапан, так называемый клапан пополнения утечек, с запасом рабочей жидкости.

Благодаря этому клапану пополнения утечек рабочая жидкость в гидравлической камере может при необходимости пополняться. При этом, однако, необходимо следить за тем, чтобы не слишком много рабочей жидкости поступало в гидравлическую камеру, так как тогда мембрана в нагнетательном ходе слишком далеко движется внутрь нагнетательной камеры и при известных обстоятельствах попадает в контакт с клапанами или другими конструктивными элементами и повреждается.

С этой целью клапан пополнения утечек имеет, как правило, замыкающий орган, который может совершать возвратно-поступательное движение между закрытым положением, в котором проход клапана закрыт, и открытым положением, в котором проход клапана открыт, например, в виде замыкающего шарика. Этот замыкающий орган с помощью нажимного элемента, например пружины, предварительно натянут в закрытом положении. Этот нажимной элемент рассчитан таким образом, что только тогда, когда давление в гидравлической камере меньше, чем установочное давление p_L, замыкающий орган перемещается в направлении открытого положения.

Так как во время хода всасывания, т.е. во время движения поршня назад, принудительно происходит уменьшение давления в гидравлической камере, установочное давление p_L должно быть отрегулировано таким образом, чтобы во время хода всасывания жидкость не могла попадать через клапан пополнения утечек в гидравлическую камеру. Только в конце хода всасывания, когда поршень уже почти не движется, через клапан пополнения утечек должна пополняться возможно недостающая рабочая жидкость.

При этом следует следить за тем, чтобы в конце нагнетательного хода в нагнетательной камере действовало максимальное давление. Теперь, когда начинается ход всасывания, мембрана будет двигаться в направлении гидравлической камеры, пока давление в нагнетательной камере не упадет до статического давления на всасывающем присоединении. Когда ход всасывания продолжается, то это приводит к гидравлическому удару, так называемому удару Жуковского, так как в нагнетательной камере теперь нагнетаемая среда подводится через всасывающее присоединение, что приводит к резкому изменению скорости во всасывающем трубопроводе. Этот гидравлический удар приводит к высокочастотному колебанию давления в гидравлической камере. Кратковременно давление в гидравлической камере чрезмерно уменьшается.

Чтобы предотвратить открытие клапана пополнения утечек во время этого гидравлического удара и вместе с тем возможность течения рабочей жидкости в гидравлическую камеру, установочное давление p_L должно устанавливаться соответственно небольшим, что означает, что нажимной элемент клапана пополнения утечек должен иметь относительно большие размеры.

Однако у известных мембранных насосов это является недостатком, так как в конце хода всасывания теперь трудно установить давление ниже установочного давления клапана пополнения утечек. Поэтому должны приниматься соответственно конструктивные меры, чтобы обеспечить, чтобы в конце хода всасывания клапан пополнения утечек действительно открывался, когда в гидравлической камере содержится слишком мало рабочей жидкости. Это повышает стоимость мембранного насоса.

В документе US 5,655,894 раскрыт гидравлический мембранный насос с клапаном пополнения утечек. При этом установлен с возможностью перемещения поршень, с помощью которого клапан пополнения утечек может отсоединяться от гидравлической камеры или соединяться с ней.

Поэтому, исходя из описанного уровня техники, задачей настоящего изобретения является предложить мембранный насос, снабженный клапаном пополнения утечек, который уменьшит или даже преодолеет названные недостатки. Кроме того, задачей настоящего изобретения является предложить способ выбора размеров клапана пополнения утечек, который уменьшит или даже устранит названные недостатки.

Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью уже упомянутого мембранного насоса, у которого масса замыкающего органа имеет такую величину, что замыкающий орган при продолжающемся не больше одной миллисекунды гидравлическом ударе вследствие падения давления в гидравлической камере перемещается в направлении открытого положения не больше чем на 0,2 мм.

Причем было установлено, что гидравлический удар, так называемый удар Жуковского, который возникает в тот момент, когда давление в нагнетательной камере падает до давления на всасывающем присоединении, является высокочастотным, т.е. возникает в течение интервала времени менее одной миллисекунды. В соответствии с изобретением теперь замыкающий орган выполняется таким образом, что его масса и вместе с тем его инерция массы имеет такую величину, что при таком гидравлическом ударе вследствие инерции массы замыкающий орган не может двигаться в направлении открытого положения более чем на 0,2 мм. Так как по истечении одной миллисекунды давление уже снова поднялось, движение замыкающего органа прекращается. Обычно движение замыкающего органа менее чем на 0,2 мм настолько мало, что получающийся при этом открытый зазор для рабочей жидкости слишком мал, чтобы пропустить значительное количество рабочей жидкости в гидравлическую камеру.

В случае если это небольшое количество все же нежелательно, в одном из предпочтительных вариантов осуществления предусмотрено, что замыкающий орган при продолжающемся не более одной миллисекунды гидравлическом ударе вследствие падения давления в гидравлической камере движется не более чем на 0,1 мм в направлении открытого положения.

Разумеется, что вследствие удара Жуковского гидравлический удар может привести максимально к опусканию давления в гидравлической камере до 0 бар. Пример расчета массы замыкающего органа приводится ниже.

Фактически, несмотря на гидравлический удар, давление в гидравлической камере будет опускаться не до 0 бар, а до некоторого минимального давления p_min. Это минимальное давление p_min зависит от выбранных параметров процесса, таких как, например, статическое давление на всасывающем присоединении насоса, скорость поршня и объемы гидравлической камеры и нагнетательной камеры.

В то время как в уровне техники обычно установочное давление p_L меньше p_min, в одном из предпочтительных вариантов осуществления теперь p_L может быть больше p_min. Поэтому возвратная пружина клапана пополнения утечек может иметь меньшие размеры, что значительно упрощает обращение с насосом.

С точки зрения способа выбора размеров клапана пополнения утечек мембранного насоса вышеназванная задача решается за счет того, что массу замыкающего органа выбирают таким образом, чтобы замыкающий орган при продолжающемся не более одной миллисекунды гидравлическом ударе вследствие падения давления в гидравлической камере перемещался не более чем на 0,2 мм, предпочтительно не более чем на 0,1 мм, в направлении открытого положения.

Другие преимущества, признаки и возможности применения настоящего изобретения поясняются с помощью последующего описания одного из предпочтительных вариантов осуществления, а также соответствующих чертежей. Показано:

фиг. 1 - вид с частичным разрезом мембранного насоса уровня техники;

фиг. 2 - изменение давления в зависимости от времени в гидравлической камере во время хода всасывания и

фиг. 3 - вид сечения клапана пополнения утечек по одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 1 показаны основные части мембранного насоса на виде с частичным разрезом. Мембранный насос имеет мембрану 1, которая отделяет гидравлическую камеру 8 от нагнетательной камеры 9. Нагнетательная камера 9 посредством соответствующих обратных клапанов соединена с всасывающим присоединением и напорным присоединением. Гидравлическая камера 8 может с помощью поршня нагружаться пульсирующим давлением рабочей жидкости. В показанном варианте осуществления мембрана 1 соединена со смонтированной в монтажном пространстве 13 пружиной 10, которая служит для того, чтобы мембрана была предварительно напряжена в направлении гидравлической камеры. Вследствие пульсирующего давления рабочей жидкости мембрана также совершает возвратно-поступательное движение между стенками, благодаря чему объем нагнетательной камеры увеличивается и уменьшается. При уменьшении объема нагнетательной камеры находящаяся в нагнетательной камере нагнетаемая текучая среда через обратный клапан выпускается на напорном выходе. Когда объем нагнетательной камеры вследствие обратного движения мембраны 1 увеличивается, через обратный клапан из всасывающего присоединения всасывается нагнетаемая текучая среда. Поэтому при периодическом движении мембраны периодически из всасывающего присоединения всасывается нагнетаемая текучая среда и выпускается через напорное присоединение при более высоком давлении.

Мембрана удерживается между зажимными краями 11, 12. Благодаря возвратной пружине 10 может происходить выпучивание мембраны 1.

Во время эксплуатации при известных обстоятельствах рабочая жидкость может вытекать через зазор 5 у поршня. Чтобы обеспечить, чтобы в гидравлической камере 8 всегда имелось достаточное количество рабочей жидкости, предусмотрен клапан 6 пополнения утечек, через который гидравлическая камера 8 соединена с запасом 15 рабочей жидкости. Этот клапан пополнения утечек имеет небольшой шарик, который прижимается к седлу клапана посредством пружины. Посредством пружины клапана 6 пополнения утечек устанавливается установочное давление p_L. Если давление в гидравлической камере 8 падает ниже установочного давления p_L, то шарик клапана пополнения утечек поднимается от седла клапана, и дополнительная рабочая жидкость из запаса 15 рабочей жидкости, который в общем случае находится под атмосферным давлением (1 бар), может течь в гидравлическую камеру 8, пока давление в гидравлической камере 8 не поднимется выше установочного давления p_L, так как тогда пружина клапана 6 пополнения утечек снова прижмет шарик к седлу клапана и тем самым перекроет проход клапана.

На чертеже, изображенном на фиг. 2, схематично показано давление в гидравлической камере во время входа всасывания в зависимости от времени. В начале хода всасывания давление в гидравлической камере соответствует примерно тому давлению, с которым насос выпускает нагнетаемую текучую среду из напорного присоединения. Это давление значительно выше, чем статическое давление всасывающего трубопровода. Разумеется, что давление в гидравлической камере дополнительно определятся возвратной пружиной 10. Эта разность давлений в дальнейшем, однако, не рассматривается, так как она не существенна для изобретения.

Ход всасывания начинается, когда поршень движется назад, т.е. в показанном на фиг. 1 варианте осуществления движется вправо. Это приводит сначала к тому, что давление в гидравлической камере медленно снижается, и так как давление в нагнетательной камере больше, мембрана будет двигаться вправо, т.е. в направлении гидравлической камеры. При этом давление в нагнетательной камере будет медленно падать, пока оно не достигнет статического давления на всасывающем присоединении p_so. Когда давление упадет еще больше, соответствующий обратный клапан, который соединяет нагнетательную камеру с всасывающим присоединением, откроется, и нагнетаемая текучая среда будет подтекать через всасывающее присоединение. В тот момент, в который давление в нагнетательной камере достигнет, таким образом, статического давления на всасывающем присоединении, во всасывающем трубопроводе произойдет резкое изменение скорости текучей среды. Это изменение Δv скорости приводит к так называемому удару Жуковского Δp_st=ρ·a·Δv, где ρ - плотность нагнетаемой среды, а a - скорость распространения волны в наполненной жидкостью всасывающей трубе.

Этот удар Жуковского в нагнетательной камере приводит к гидравлическому удару в нагнетательной камере, так как обе камеры соединены посредством мембраны.

Видно, что через определенное время после начала хода s всасывания давление p_н в гидравлической камере внезапно опускается на короткий интервал времени (Δp_st). Вскоре после этого оно снова сильно поднимается, так что получается высокочастотное быстро затухающее колебание давления. Сразу видно, что гидравлический удар может привести к снижению давления максимум до p=0. Фактически, однако, давление в гидравлической камере будет опускаться не до 0, а до некоторого минимального давления p_min, которое задано рабочими параметрами и конструкцией мембранного насоса.

Чтобы предотвратить открытие клапана пополнения утечек при падающем до p_min гидравлическом ударе, в уровне техники предусмотрено, что установочное давление p_L меньше, чем p_min.

Благодаря предлагаемой изобретением мере установочное давление p_L может, однако, выбираться значительно больше, чем p_min, пока p_L меньше, чем среднее давление p_m в гидравлической камере.

В основу изобретения положен известный факт, что гидравлический удар возникает только в течение очень короткого интервала времени Δts<1 миллисекунды.

Масса замыкающего органа в соответствии с изобретением выбирается такой величины, чтобы такой гидравлический удар приводил только к ходу, равному менее чем 0,2 мм или, соответственно, предпочтительно менее чем 0,1 мм.

Один из предлагаемых изобретением клапанов пополнения утечек изображен на фиг. 3.

Этот клапан пополнения утечек имеет помещенный в корпусе 18 клапана замыкающий орган 16, который имеет замыкающий элемент 20, перекрывающий в закрытом положении отверстие в корпусе 18 клапана так, чтобы трубопровод 19 рабочей жидкости был отделен от гидравлической камеры 8. Замыкающий орган с помощью пружинного элемента 17 приводится с предварительным натягом в закрытое положение, которое показано на фиг. 3. Давление рабочей жидкости в объеме рабочей жидкости и вместе с тем давление в трубопроводе 19 остается по существу постоянным. Когда давление в гидравлической камере 8 опускается ниже установочного давления p_L, которое по существу задается пружиной 17, то замыкающий орган 16 в показанном на фиг. 3 положении движется вверх, так что соединение между трубопроводом 19 и гидравлической камерой 8 открывается. В принципе, исходят из того, что когда замыкающий орган движется только на 0,2 мм, что зазора между корпусом 18 клапана и замыкающим элементом 20 недостаточно, чтобы выпустить значительное количество рабочей жидкости через трубопровод 19 в гидравлическую камеру.

Длина хода замыкающего органа Δs рассчитывается:

При этом Δt - продолжительность гидравлического удара, a b - ускорение, которое приобретает замыкающий орган вследствие гидравлического удара. Ускорение рассчитывается:

где F - сила, действующая на замыкающий орган, а m - масса замыкающего органа. Таким образом, получается:

или, соответственно,

Если исходить из того, что гидравлический удар продолжается не больше 1 миллисекунды, т.е. Δt_s=1 миллисекунде, что движение замыкающего органа должно быть максимум 0,1 мм, т.е. Δs_s=0,1 мм, и что гидравлический удар вызывает уменьшение давления до 0 бар, т.е. гидравлический удар имеет величину установочного давления p_L, например, 0,7 бар, то получается при диаметре замыкающего элемента, равном 8 мм, т.е. соответствующей площади, равной приблизительно 0,5 см²:

и таким образом

Поэтому в показанном примере масса замыкающего органа должна составлять по меньшей мере 17,5 г, чтобы препятствовать движению замыкающего органа более чем на 0,1 мм.

Если масса замыкающего органа выбирается такой величины, то даже гидравлический удар до 0 бар не может сдвинуть замыкающий орган так далеко, чтобы значительное количество рабочей жидкости вышло в гидравлическую камеру.

Описанный способ может быть еще более усовершенствован, если учесть, что гидравлический удар в общем случае приводит к снижению давления не до 0 бар, а только до некоторого минимального давления p_min. В вышеназванное равенство (5) можно тогда вместо установочного давления p_L подставить разность p_L-p_min между установочным давлением p_L и минимальным давлением p_min вследствие гидравлического удара, благодаря чему масса может быть дополнительно снижена. Альтернативно этому может повышаться установочное давление p_L, благодаря чему пружина 17 может быть выполнена более слабой, что упрощает обращение с насосом.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Мембрана

5 Зазор

6 Клапан пополнения утечек

8 Гидравлическая камера

9 Нагнетательная камера

10 Возвратная пружина

11 Зажимной край

12 Зажимной край

13 Монтажное пространство

15 Запас рабочей жидкости

16 Замыкающий орган

17 Пружина

18 Корпус клапана

19 Трубопровод

20 Замыкающий элемент

Изобретение относится к области насосостроения и касается мембранного насоса. Насос включает в себя отделенную мембраной 1 от гидравлической камеры 8 нагнетательную камеру 9. Нагнетательная камера 9 соединена посредством соответствующих обратных клапанов соответственно с всасывающим присоединением и напорным присоединением. Гидравлическая камера 8 нагружается пульсирующим давлением рабочей жидкости. Гидравлическая камера 8 через клапан 6 пополнения утечек соединена с запасом 15 рабочей жидкости. Клапан 6 пополнения утечек имеет замыкающий орган, который может совершать возвратно-поступательное движение между закрытым положением, в котором проход клапана закрыт, и открытым положением, в котором проход клапана открыт, и который с помощью нажимного элемента удерживается в закрытом положении. Нажимной элемент рассчитан таким образом, что когда давление в гидравлической камере 8 меньше, чем установочное давление p_L, замыкающий орган 16 перемещается в направлении открытого положения. Масса замыкающего органа 16 должна иметь величину, чтобы замыкающий орган 16, при продолжающемся не больше одной миллисекунды падении давления вследствие гидравлического удара в гидравлической камере 8, перемещался в направлении открытого положения не больше чем на 0,2 мм. Уменьшаются утечки, увеличивается надежность. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мембранный насос, включающий в себя отделенную мембраной (1) от гидравлической камеры (8) нагнетательную камеру (9), при этом нагнетательная камера (9) соединена соответственно с всасывающим присоединением и напорным присоединением, и наполняемая рабочей жидкостью гидравлическая камера (8) может нагружаться пульсирующим давлением рабочей жидкости, при этом гидравлическая камера (8) через клапан (6) пополнения утечек соединена с запасом (15) рабочей жидкости, при этом клапан (6) пополнения утечек имеет замыкающий орган, который выполнен с возможностью совершать возвратно-поступательное движение между закрытым положением, в котором проход клапана закрыт, и открытым положением, в котором проход клапана открыт, и который с помощью нажимного элемента удерживается в закрытом положении, при этом нажимной элемент рассчитан таким образом, что когда давление в гидравлической камере (8) меньше, чем установочное давление p_L, замыкающий орган (16) перемещается в направлении открытого положения, отличающийся тем, что масса замыкающего органа (16) имеет такую величину, что замыкающий орган (16) при продолжающемся не больше одной миллисекунды падении давления до 0 бар вследствие гидравлического удара в гидравлической камере (8) перемещается в направлении открытого положения не больше чем на 0,2 мм.

2. Мембранный насос по п.1, отличающийся тем, что масса замыкающего органа (16) выбирается таким образом, чтобы замыкающий орган (16) при продолжающемся не более одной миллисекунды падении давления вследствие гидравлического удара в гидравлической камере (8) перемещался не более чем на 0,1 мм в направлении открытого положения.

3. Мембранный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что замыкающий орган (16) при продолжающемся не более одной миллисекунды падении давления до минимального давления p_min вследствие гидравлического удара в гидравлической камере (8) перемещается не более чем на 0,2 мм, предпочтительно не более чем на 0,1 мм, в направлении открытого положения, при этом p_min представляет собой минимальное возникающее в гидравлической камере давление вследствие гидравлического удара при изменении скорости текучей среды через всасывающее присоединение во время хода всасывания.

4. Мембранный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что p_L больше, чем минимальное давление в гидравлической камере (8).

5. Мембранный насос по п.3, отличающийся тем, что p_L больше, чем минимальное давление в гидравлической камере (8).

6. Способ выбора размера клапана (6) пополнения утечек мембранного насоса, включающего в себя отделенную мембраной (1) от гидравлической камеры (8) нагнетательную камеру (9), при этом нагнетательная камера (9) соединена соответственно с всасывающим присоединением и напорным присоединением, и наполняемая рабочей жидкостью гидравлическая камера (8) может нагружаться пульсирующим давлением рабочей жидкости, при этом гидравлическая камера (8) соединена через клапан (6) пополнения утечек с запасом (15) рабочей жидкости, при этом клапан (6) пополнения утечек имеет замыкающий орган, который выполнен с возможностью совершать возвратно-поступательное движение между закрытым положением, в котором проход клапана закрыт, и открытым положением, в котором проход клапана открыт, отличающийся тем, что массу замыкающего органа (16) выбирают таким образом, чтобы замыкающий орган (16) при продолжающемся не более одной миллисекунды гидравлическом ударе вследствие падения давления в гидравлической камере (8) перемещался не более чем на 0,2 мм, предпочтительно не более чем на 0,1 мм, в направлении открытого положения.