ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАСОС
PIEZOELECTRIC PUMP

Изобретение относится к устройствам для перекачивания текучих сред и может быть использовано в промышленности, на транспорте и в быту при перекачивании жидкостей, а также иных несжимаемых и сжимаемых текучих сред.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является пьезоэлектрический насос для отбора проб среды, описанный в патенте ЕА 011817 В1, 30.06.2009, МКЭ F04B 17/03. Насос содержит вытеснитель перекачиваемой среды, корпус, расположенные в корпусе задний распорный пьезоэлектрический блок, пьезоэлектрический блок движения, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса, а также передний распорный пьезоэлектрический блок. Распорные пьезоэлектрические блоки и пьезоэлектрический блок движения выполнены из материала, способного изменять свою длину при подведении к ним электрического потенциала, в том числе из пьезокерамического материала. С пьезоэлектрическим блоком движения соединены штоки, проходящие сквозь распорные блоки.
Поступающие на распорные пьезоэлектрические блоки электрические импульсы вызывают поочередную фиксацию штоков относительно корпуса. Пьезоэлектрический блок движения под воздействием поступающего к нему электрического импульса осуществляет периодическое перемещение другого штока на один шаг. Это приводит к пошаговому перемещению вытеснителя относительно корпуса в одном направлении.
Для обеспечения достаточного для уверенной работы насоса хода вытеснителя, распорные блоки ближайшего аналога имеют ограниченную длину. Это приводит к малому распорному усилию и, как следствие, к ограниченному напору насоса.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в создании эффективного и надежного пьезоэлектрического насоса.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении напора пьезоэлектрического насоса, а также в увеличении ресурса его работы.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном пьезоэлектрическом насосе, содержащем вытеснитель перекачиваемой среды, корпус, расположенные в корпусе задний распорный пьезоэлектрический блок, пьезоэлектрический блок движения, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины, а также передний распорный пьезоэлектрический блок, согласно заявленному изобретению задний распорный пьезоэлектрический блок, пьезоэлектрический блок движения и передний распорный пьезоэлектрический блок соединены последовательно, а вытеснитель перекачиваемой среды соединен с передним распорным пьезоэлектрическим блоком.
За счет новой формы выполнения связи между задним распорным пьезоэлектрическим блоком, пьезоэлектрическим блоком движения, передним распорным пьезоэлектрическим блоком, а также вытеснителем перекачиваемой среды удается создать надежный и эффективный пьезоэлектрический насос. Пространства, не занятого конструктивными элементами, в новом насосе, имеющем одинаковые с ближайшим аналогом габаритные размеры и ход вытеснителя, существенно меньше. Все дополнительное пространство заполнено распорными пьезоэлектрическими блоками. При поступлении на эти блоки электрического потенциала они создают повышенное распорное усилие. А вследствие повышения распорного усилия вытеснитель имеет возможность с большей силой давить на перекачиваемую жидкость, то есть повышается напор насоса.
На пьезоэлектрические блоки насоса новой конструкции можно подавать импульсы пониженного потенциала по сравнению с ближайшим аналогом, обеспечив при этом, помимо геометрических размеров, такие же, как у ближайшего аналога, напор и подачу. В таком случае возрастет надежность насоса. Это произойдет потому, что ресурс работы пьезокерамики зависит от величины потенциала поступающих электрических импульсов.
Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются лучшими вариантами выполнения со ссылками на чертежи.
Фиг.1 изображает пьезоэлектрический насос с плунжерной парой в качестве вытеснителя перекачиваемой среды;
Фиг.2 - разрез пьезоэлектрического насоса в области распорного пьезоэлектрического блока (провода не изображены);
Фиг.3 - разрез пьезоэлектрического насоса в области пьезоэлектрического блока движения (провода не изображены);
Фиг.4 - пьезоэлектрический насос с сильфоном в качестве вытеснителя перекачиваемой среды (провода не изображены);
Фиг.5 - вырыв на блоке движения для демонстрации сжимающего стержня;
Фиг.6 - вариант исполнения сжимающего стержня крупным планом;
Фиг.7 - разрез пьезоэлектрического насоса в области пьезоэлектрического блока движения (провода не изображены). Корпус выполнен частично из высокомодульной керамики.
Пьезоэлектрический насос 1 (фиг.1 и 4) содержит корпус 2, задний распорный пьезоэлектрический блок 3, пьезоэлектрический блок движения 4, передний распорный пьезоэлектрический блок 5. Задний распорный пьезоэлектрический блок 3 состоит из скобы 6, пьезомодулей 7 и 8. Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 состоит из рамки 9, пьезомодулей 10 и 11. В зависимости от требуемого напора применяют необходимое количество пьезомодулей в распорных блоках насоса. В передней части насоса расположен вытеснитель перекачиваемой среды 12. Для обеспечения циклической работы применены впускные клапаны 13, 14 и выпускной клапан 15.
Для насоса, изображенного на фиг.1, в качестве вытеснителя перекачиваемой среды 12 выбрана плунжерная пара, состоящая из плунжера 16 и корпуса плунжера 17. Для предотвращения утечек применен сальник 18. Сильфон 19, добавленный в изображенную на фиг.1 конструкцию, полностью изолирует перекачиваемую плунжерной парой среду от области корпуса 1, в которой движутся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5. Плунжер 16 соединен с рамкой 9 при помощи пластинчатой пружины 20, выполненной заодно с рамкой 9. Пластинчатая пружина 20 уменьшает передающиеся на плунжер 16 вибрационные колебания, образующиеся при поступательном движении переднего пьезоэлектрического распорного блока 5.
Электрический провод 21 присоединен к пьезомодулям 7 и 8 заднего распорного пьезоэлектрического блока 3. Электрический провод 22 присоединен к пьезоэлектрическому блоку движения 4. Электрический провод 23 присоединен к пьезомодулям 10 и 11 заднего распорного пьезоэлектрического блока 3. Электрические провода 21, 22 и 23 подключены к электрическому разъему 24.
Корпус 2 содержит две пластины трения 24 и две щеки 25 (фиг.2), скрепленных болтами 26. В пластины трения 24 упираются своими торцами пьезомодули 7, 8, 10, 11 заднего 3 и переднего 5 распорных блоков через планки скобы 6 (для заднего блока 3) или рамки 9 (для переднего блока 5). Размер щек 25 между контактирующими с пластинами трения 24 гранями выполнен с очень высокой точностью. На фиг.2 в разрез попал пьезомодуль 10 переднего распорного пьезоэлектрического блока 9. Также в разрез попал датчик обратной связи 27 по положению переднего распорного пьезоэлектрического блока 9. Внутри пьезоэлектрического блока движения 4 находится сжимающий стержень 28 (фиг.4 и 5). На сжимающем стержне 28 выполнены надрезы 29 (фиг.6), что уменьшает его жесткость в продольном направлении.
Для насоса, изображенного на фиг.4, в качестве вытеснителя перекачиваемой среды выбран сильфон. Растягивающая и сжимающая сила передается на активный сильфон 30 от рамки 9 через пластинчатую пружину 20 и шток 31. Для исключения застойных зон при перекачивании сред, содержащих механические примеси, вблизи основания активного сильфона 30 в корпусе выполнены дополнительные впускные клапаны 32 и 33.
Одно из возможных применений заявленной конструкции насоса - перекачка жидкостей при изменяющемся в широких пределах давлении окружающей среды. Для этого внутреннюю полость корпуса 2, в которой находятся задний распорный пьезоэлектрический блок 3, пьезоэлектрический блок движения 4, передний распорный пьезоэлектрический блок 5, заполняют жидкостью. Также насос 1 в этом случае содержит пассивный сильфон 34, закрепленный на перегородке 35. Для исключения задевания его за корпус 2 предусмотрен соединенный с дном сильфона задний шток 36, выполненный с возможностью продольного скольжения в одном из отверстий перегородки 35.
Поскольку для эффективной работы пьезоэлектрического насоса 1 огромное значение имеет жесткость щек 25, в случае ограничений по массе или габаритам возможно применение керамики или камня с высоким значением модуля упругости 1-го рода в качестве материала щек. Для этого потребуется крепление деталей корпуса 2 при помощи длинных болтов 37 (фиг.7). Также большое значение для эффективности насоса имеет высокое значение коэффициента трения между скобой 6, рамкой 9, с одной стороны, и пластинами трения 24 корпуса 2, с другой стороны. Для увеличения этого коэффициента на пластины трения 24 нанесено покрытие 38 (фиг.7). Также покрытие может быть нанесено на скользящие поверхности скобы 6 и рамки 9.
Устройство работает следующим образом.
В первой фазе нагнетания задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1 и 4) пьезоэлектрического насоса 1 находится в распертом состоянии, то есть скоба 6 давит на корпус 2 изнутри в поперечном направлении. Это происходит вследствие подведения к ее пьезомодулям 7 и 8 электрического потенциала от электрического разъема 24 (фиг.1) по проводу 21. Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 (фиг.1 и 4) в этой фазе находится в свободном состоянии, между рамкой 9 и стенками корпуса 2 распорное усилие минимально или вовсе отсутствует. В то же время отсутствует зазор. Наличие зазора свидетельствует о неправильной настройке, неисправности, работе с запредельной температурой либо об износе насоса 1. Зазор приводит к дополнительной вибрации, ухудшению напора и быстрому выходу устройства из строя.
Во второй фазе нагнетания электрический потенциал поступает по проводу 22 (фиг.1) на пьезоэлектрический блок движения 4 (фиг.1 и 4), и этот блок увеличивает свою длину. При этом соединенный с ним передний распорный блок 5 перемещается на небольшое расстояние, преодолевая усилие сжимающего стержня 28 (фиг.3 и 5). Соответственно, передний распорный блок 5 (фиг.1 и 4) перемещает вверх плунжер 16 (фиг.1) или шток 31 (фиг.4) с активным сильфоном 30. Также перемещается перекачиваемая среда, заполняющая пространство перед вытеснителем перекачиваемой среды 12 (фиг.1 и 4), а именно между плунжером 16 и корпусом плунжера 17 (фиг.1) или между корпусом 2 и активным сильфоном 30 (фиг.4). Впускные клапаны 13 (фиг.1) и 14 (фиг.1 и 4) при этом закрыты, закрыты также дополнительные впускные клапаны 32 и 33 (фиг.4). Выпускной клапан 15 (фиг.1 и 4) во второй фазе нагнетания - открыт. Через него перекачиваемая среда выходит из пьезоэлектрического насоса 1 под давлением.
В третьей фазе нагнетания электрический потенциал по проводу 23 (фиг.1) поступает на передний распорный пьезоэлектрический блок 5 (фиг.1 и 4), а именно на его пьезомодули 10 и 11, и рамка 9 начинает давить на корпус 2 изнутри. Иначе говоря, блок 5 переходит в распертое состояние. Одновременно с этим электрический потенциал по проводу 21 (фиг.1) перестает поступать на задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1 и 4), и он переходит в свободное состояние, то есть перестает давить на корпус 2 изнутри, или же оказывает минимально возможное давление. Однако зазор в этом случае между корпусом и рамкой 9 также отсутствует.
В четвертой фазе нагнетания электрический потенциал перестает поступать по проводу 22 (фиг.1) на пьезоэлектрический блок движения 4 (фиг.1 и 4). Блок 4 переходит в свободное состояние, то есть уменьшает свою длину. При этом вперед на небольшое расстояние под действием силы от сжимающего стержня 28 (фиг.3 и 5) перемещается задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1 и 4). В конце четвертой фазы электрический потенциал по проводу 23 (фиг.1) перестает поступать на передний распорный пьезоэлектрический блок 5 (фиг.1 и 4), и он переходит в свободное состояние - перестает давить изнутри на корпус 2.
Подобное чередование фаз при нагнетании повторяется многократно до тех пор, пока рабочий орган вытеснителя перекачиваемой среды 12 (плунжер 16 на фиг.1 или активный сильфон 30 на фиг.4) не достигнет верхней мертвой точки. Момент достижения верхней мертвой точки определяют по кривой изменения электрического тока в проводе 22 (фиг.1). Также этот момент может контролироваться по датчику обратной связи 27 (фиг.2).
После достижения рабочим органом вытеснителя перекачиваемой среды 12 (фиг.1 и 4) верхней мертвой точки начинается всасывание. В первой фазе всасывания задний распорный пьезоэлектрический блок 3 пьезоэлектрического насоса 1 находится в свободном состоянии, то есть скоба 6 не давит на корпус 2 изнутри или давит с минимально возможным усилием. Это происходит вследствие отсутствия электрического потенциала на проводе 21 (фиг.1) и пьезомодулях 7 (фиг.1 и 4) и 8. Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 в этой фазе находится в распертом состоянии, между рамкой 9 и стенками корпуса 2 распорное усилие максимально.
Во второй фазе всасывания электрический потенциал поступает по проводу 22 (фиг.1) на пьезоэлектрический блок движения 4 (фиг.1 и 4), и блок увеличивает свою длину. При этом задний распорный блок 3 перемещается назад на небольшое расстояние, противодействуя силе сжимающего стержня 28 (фиг.3 и 5).
В третьей фазе всасывания электрический потенциал исчезает на проводе 23 (фиг.1), на переднем распорном пьезоэлектрическом блоке 5 (фиг.1 и 4), а именно на его пьезомодулях 10 и 11, и рамка 9 перестает давить на корпус 2 изнутри. Иначе говоря, блок 5 переходит в свободное состояние. Одновременно с этим электрический потенциал по проводу 21 (фиг.1) поступает на задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1 и 4), и он переходит в распертое состояние, то есть начинает давить на корпус 2 изнутри.
В четвертой фазе всасывания электрический потенциал перестает поступать по проводу 22 (фиг.1) на пьезоэлектрический блок движения 4 (фиг.1 и 4). Блок под действием сжимающего стержня 28 (фиг.3 и 5) переходит в свободное состояние, то есть уменьшает свою длину. При этом назад на небольшое расстояние перемещается передний распорный пьезоэлектрический блок 5 (фиг.1 и 4). Соответственно, он перемещает вниз плунжер 16 (фиг.1) или шток 31 (фиг.4) с активным сильфоном 30. Впускные клапаны 13 (фиг.1) и 14 (фиг.1 и 4) при этом открыты, открыты и дополнительные впускные клапаны 32 и 33 (фиг.4). Через открытые клапаны перекачиваемая среда заполняет пространство между плунжером 16 (фиг.1) и корпусом плунжера 17 или между активным сильфоном 30 (фиг.4) и корпусом 2. Перекачиваемая среда, попадающая в область под активным плунжером 30 (фиг.4) через дополнительные впускные клапаны 32 и 33, размывает и переносит наверх к выпускному клапану 15 механические примеси, осевшие в этой области.
Выпускной клапан 15 (фиг.1 и 4) в четвертой фазе всасывания - закрыт. В конце четвертой фазы всасывания электрический потенциал по проводу 21 (фиг.1) перестает поступать на задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1 и 4), и он переходит в свободное состояние.
Подобное чередование фаз при всасывании повторяется многократно до тех пор, пока рабочий орган вытеснителя перекачиваемой среды 12 (плунжер 16 на фиг.1 или активный сильфон 30 на фиг.4) не достигнет нижней мертвой точки. Момент достижения нижней мертвой точки определяют по нарастанию тока в проводе 22 (фиг.1). Также этот момент может контролироваться по датчику обратной связи нижнего положения рамки (на фигурах не показан).
Колебания плунжера 16 (фиг.1) или штока 31 (фиг.4) с активным сильфоном 30 вследствие колебаний распорного пьезоэлектрического блока 5 (фиг.1 и 4) сглаживаются вследствие соответствующего изгиба и распрямления пластинчатой пружины 20, выполненной на рамке 9. Это уменьшает возможность возникновения кавитации перекачиваемой среды, а также продольную вибрацию насоса 1.
При перекачке жидкостей в условиях высокого или переменного давления окружающей среды жидкость, заполняющая внутреннюю полость корпуса 2 (фиг.4), в которой движутся задний распорный пьезоэлектрический блок 3, пьезоэлектрический блок движения 4, передний распорный пьезоэлектрический блок 5, вытесняется в пассивный сильфон 34. Вследствие несжимаемости жидкости этот сильфон вместе с задним штоком 36 вследствие колебаний активного сильфона 30 синхронно с ним колеблется вперед-назад. Задний шток 36 при этом скользит в одном из отверстий перегородки 35, не позволяя гофрам пассивного сильфона 34 задевать за корпус 2.
Наиболее успешно заявленный пьезоэлектрический насос промышленно применим на транспорте и в промышленности при перекачивании жидкостей с высоким напором и относительно небольшой подачей, где по массогабаритным показателям и показателям эффективности использование насосов других типов затруднено.