Поршневой насос

Полезная модель относится к области оборудования для перекачки текучих сред, а точнее к области поршневых насосов с непрерывной подачей текучей среды в обеих фазах возвратно-поступательного движения поршня. Насос может быть использован для перекачивания, дозирования и смешивания пищевых, токсичных, агрессивных, стерильных жидкостей и жидкостей с твердыми компонентами и биологическими объектами. Насос может применяться в медицинской технике, в искусственных органах, средствах протезирования органов. Также насос может применяться в качестве дренажных насосов, в гидросистемах оросительных каналов, для прокачки водных ресурсов в каналах.
Известен поршневой насос, содержащий корпус, поршень, расположенный внутри корпуса, шток, который соединен с поршнем, входное отверстие и выходное отверстие, которые расположены в корпусе, в поршне выполнены каналы с перепускными клапанами (см. патент на изобретение RU 2553849 С1, опубл. 20.06.2015, принят за прототип). Недостатком данного насоса является наличие элементов конструкции, в частности каналов с перепускными клапанами, которые в жестких условиях эксплуатации, например, при наличии твердых частиц, могут выходить из строя, что не сможет обеспечить непрерывную перекачку жидкости при работе насоса, открытого для проникновения твердых частиц и/или биообъектов.
При этом в ряде применений, например в медицине, извлечение насоса для его замены или ремонта опасно или трудоемко.
Цель полезной модели - создание поршневого насоса, позволяющего перекачивать жидкость, содержащую твердые частицы и/или биообъекты.
Технический результат - обеспечение непрерывной перекачки жидкости, содержащей твердые частицы и/или биообъекты.
Технический результат достигается тем, что поршневой насос содержит корпус, поршень, расположенный внутри корпуса, шток, соединенный с поршнем, входное отверстие и выходное отверстие, расположенные в корпусе, в поршне выполнены каналы, входное отверстие и выходное отверстие расположены с противоположных сторон в корпусе, каналы выполнены коническими, при этом меньшими площадями каналы сориентированы в сторону выходного отверстия, а угол уклона каналов от 20 до 40 градусов.
Конструкция насоса обеспечивает прокачку жидкости без циклического изменения сечения каналов, по которым прокачивается жидкость, обеспечивая тем самым постоянное свободное проникновение твердых частиц и/или биообъектов в прямом и обратном направлениях тем самым обеспечивая непрерывную перекачку жидкости, содержащую твердые частицы и/или биообъекты
При перекачке жидкости элементы конструкции насоса не должны выходить из строя, а должны обеспечивать возможность непрерывной перекачки жидкости, содержащей твердые частицы и/или биообъекты в прямом и обратном направлении по отношению к общему направлению перекачки.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан поршневой насос;
на фиг. 2 показано движение поршня и жидкости на первом такте работы насоса;
на фиг. 3 показан конический канал, обеспечивающий ламинарный ток жидкости в прямом направлении;
на фиг. 4 показано гидравлическое сопротивление поршня насоса на втором такте работы;
на фиг. 5 показан конический канал, обеспечивающий турбулентный ток жидкости в обратном направлении.
На фиг. 1 поршневой насос содержит корпус (2) внутри которого расположен поршень (7) с жестко соединенным штоком (3). С противоположных сторон корпуса расположены входное отверстие (5) и выходное отверстие (4). К штоку (3) присоединен привод поршня (1). В поршне (7) выполнены конические каналы (6). Конические каналы (6) направленны в одну сторону. Площадь поперечного сечения конических каналов (6) на одной поверхности поршня (7) от 5 до 20 раз меньше площади поперечного сечения на другой поверхности поршня (7). При этом меньшими площадями поперечного сечения конические каналы (6) сориентированы в сторону выходного отверстия (4). Угол уклона (α) конических каналов (6) от 20 до 40 градусов. Чем меньше угол уклона (α), тем меньше разность площадей и тем менее эффективен насос, поскольку количество перекачиваемой жидкости в прямом и обратном направлении становится эквивалентным. Меньший угол уклона (α) снижает эффективность работы насоса за счет тенденции к уравниванию количества жидкости, проталкиваемой как в прямом, так и в обратном направлении. Увеличение же угла выше указанного диапазона приводит к потере ламинарности потока жидкости при проталкивании в прямом направлении, что также приводит к снижению разности объемов, прокачиваемых в прямом и обратном направлениях.
Количество каналов (6) обуславливается диаметром поршня (7) и углом уклона (α) конических каналов (6), обеспечивая максимальное покрытие площади поршня (7) отверстиями конических каналов (6). Межосевое расстояние каналов (6) находится в пределах от 2 до 3 диаметров большего сечения конического канала (6).
На фиг. 2 показано, как на первом такте работы насоса шток (3) двигается вниз, проталкивая жидкость через конические каналы (6) поршня (7) с минимальным сопротивлением жидкости, при этом в конических каналах (6) возникают ламинарные потоки.
На фиг. 3 показано, что за счет конических каналов (6) поршня (7), двигающихся большими своими площадями навстречу жидкости, вызываются встречные ламинарные потоки, что в результате вызывает интенсивный переток жидкости из нижней части корпуса (2) под поршнем (7) в верхнюю часть над поршнем (7). Как следствие на первом такте совокупный ток жидкости от выходного отверстия (4) ко входному отверстию (5) является незначительным.
На фиг. 4 показано, как на втором такте работы насоса шток (3) двигается вверх, проталкивая жидкость через конические каналы (6) поршня (7) со значительным сопротивлением жидкости, при этом в конических каналах (6) возникают турбулентные потоки. Повышенное гидравлическое сопротивление приводит к значительному току жидкости в направлении вверх через входное отверстие (5) и выходное отверстие (4).
На фиг. 5 показано, что за счет конических каналов (6) поршня (7), двигающихся меньшими своими площадями навстречу жидкости, вызываются встречные турбулентные потоки, что в результате вызывает незначительный переток жидкости из нижней части корпуса (2) под поршнем (7) в верхнюю часть над поршнем (7). Как следствие на втором такте совокупный поток жидкости является значительным.
Два последовательных такта работы насоса приводят к преимущественному перетоку жидкости в направлении от входного отверстия (5) к выходному отверстию (4).
Полезная модель осуществляется следующим образом.
Цикл прокачки жидкости состоит из двух тактов, такты работы показаны на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5. Во входное отверстие (5) насоса подается жидкость. Поршень (7) посредством штока (3) и привода поршня (1) совершает возвратно-поступательные движения, тем самым прокачивая жидкость таким образом, что она перемещается через конические каналы (6) вперед и назад. Конические каналы (6) направленны в одну сторону так, что площадь их сечения на одной поверхности поршня от 5 до 20 раз меньше площади, чем на другой стороне. При этом меньшими площадями каналы сориентированы в сторону выходного отверстия (4). Угол уклона конических каналов (α) от 20 до 40 градусов. Из-за разницы площади отверстий конических каналов (6) возникает гидравлический эффект, обусловленный тем, что на первом такте работы поток перемещается от большей площади каждого конического канала (6) к меньшей площади как ламинарный, а обратно на втором такте - как турбулентный. Возникающая турбулентность существенно замедляет движение жидкости и создает асимметрию в движении потока таким образом, что в одну сторону за один такт работы поршня (7) перекачивается больше жидкости, чем в обратную. Таким образом, на втором такте работы насоса осуществляется перекачка большего объема жидкости в направлении выходного отверстия (4), чем в обратном, сохраняя открытыми отверстия для свободного проникновения твердых частиц и/или биообъектов. За оба такта насос перекачивает в прямом направлении существенно больший объем, чем в обратном.
Постоянная площадь отверстий для протока жидкости обеспечивает беспрепятственное проникновение твердых частиц и/или биообъектов жидкостей по направлению от входного отверстия (5) к выходному отверстию (4), а также возможность прохода в прямом и обратном направлении между отверстиями (4) и (5) твердых частиц и/или биообъектов, способных перемещаться в потоке жидкости самостоятельно. Данная особенность позволяет предотвращать разрушающее воздействие механических элементов насоса на твердые фракции, способствующие износу механической конструкции насоса, а также исключает воздействие на биологические объекты, перемещающиеся в перекачиваемой жидкости, тем самым обеспечивая непрерывную перекачку жидкости, содержащую твердые частицы и/или биообъекты.