ОБЪЕМНЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ) И КОМПРЕССОР С ТАКИМ НАСОСОМ
POSITIVE DISPLACEMENT PUMP (VERSIONS) AND COMPRESSOR INCORPORATING SUCH PUMP

Данное изобретение относится к объемному насосу, который может найти применение в различных областях деятельности, например для производства медикаментов, в системе подачи жидкой среды (инфузионный насос, капельница, энтеральный насос, парентеральный насос), в пищевой, химической или другой промышленности, например, совместно с компрессором или двигателем внутреннего сгорания.
Поршневые насосы с отсеками для жидкой среды уже являются частью предшествующей области техники. В патентном документе США № 2004/101426 приведено описание устройства, содержащего цилиндрическую поршневую камеру, профиль верхнего и нижнего конца которой имеет особый наклон, причем указанная поршневая камера содержит насосный поршень, выполненный с возможностью совершения поворота и осевого перемещения. Конструктивное решение профиля поверхностей верхнего и нижнего концов поршня обеспечивает согласованное прохождение в контакте с соответствующими поверхностями двух концов камеры по мере поворота поршня. Такой поворот приводит к попеременному перемещению поршня вверх и вниз, что позволяет создавать однонаправленное втягивание и однонаправленное выталкивание жидкой среды соответственно в насосную камеру и из нее. Поворот поршня выполняет функцию клапана, попеременно открывающего и закрывающего впускное и выпускное отверстия. Недостаток подобной системы обусловлен, по существу, трудностями, с которыми сталкиваются при сборке поршня с цилиндрической камерой.
В патентных документах Великобритании № 2060131, США № 4767399 и № 4850980 приведено описание устройства насосного механизма, в котором этапы втягивания и выталкивания достигаются посредством реверсивного линейного перемещения поршня внутри камеры. В отличие от патентного документа США №2004/101426, подобный насосный механизм содержит устройство, выполняющее функцию клапана на впускном/выпускном отверстиях, которое не зависит от перемещения поршня. Следовательно, работа клапана, а также ее синхронизация с перемещением поршня требует больше деталей, что увеличивает стоимость насосного механизма.
Целью данного изобретения является создание недорогого объемного насоса, содержащего меньшее количество деталей, сборка поршня с камерой которого не вызывает затруднений.
Эта цель достигается тем, что предложен объемный насос, содержащий по меньшей мере один поршень, который расположен внутри первой полой цилиндрической части, и имеющий по меньшей мере одно впускное отверстие, через которое жидкость может быть втянута по меньшей мере в одну насосную камеру во время впускного хода указанного поршня, и по меньшей мере одно выпускное отверстие, через которое жидкость может быть вытеснена во время выпускного хода поршня. В предложенном насосе, согласно изобретению, напротив первого поршня расположен по меньшей мере один второй поршень внутри второй полой цилиндрической части, при этом обе цилиндрические части собраны встык обращенными друг к другу с образованием корпуса, в котором внутри посередине установлен элемент, предпочтительно диск, имеющий указанные впускное и выпускное отверстия и расположенный с возможностью приведения его в действие реверсивным перемещением, включающим линейное перемещение, с обеспечением относительного возвратно-поступательного перемещения скольжения между цилиндрическим корпусом и поршнями вдоль оси указанных поршней с синхронным закрытием впускного и выпускного отверстий для обеспечения подачи непрерывного потока.
Первый и второй поршни могут быть расположены неподвижно внутри корпуса, а корпус выполнен с возможностью скольжения вдоль осей двух поршней.
В соответствии с другой формой выполнения изобретения корпус может быть неподвижным, а первый и второй поршни выполнены с возможностью скольжения внутри корпуса.
Реверсивное перемещение, которым приводится в действие указанный элемент, может включать также угловое перемещение.
Насос может содержать средство, обеспечивающее разделение линейного перемещения корпуса или поршней и углового перемещения указанного элемента, а также первый ротор для сообщения относительного линейного перемещения корпусу или поршням, и второй ротор для независимого сообщения углового перемещения указанному элементу.
Поршни, диск и корпус могут являться элементами одноразового использования.
В соответствии с изобретением предложен также объемный насос, содержащий поршень, который расположен в цилиндрической камере, имеющей открытый верхний конец, впускное отверстие и выпускное отверстие, и который приводится в действие по меньшей мере одним ротором, при этом насос, согласно изобретению, содержит вал, функционально соединенный либо непосредственно с поршнем и при этом имеющий сферический конец, выполненный с возможностью фиксации в гнезде смежно с верхней частью указанного поршня, либо с помощью промежуточных средств посредством головки поршня, выполненной в торцевой части поршня, с обеспечением совершения указанным поршнем возвратно-поступательного перемещения скольжения внутри цилиндрической камеры наряду с совершением реверсивного углового перемещения, обеспечивающего впускной ход поршня  для втягивания текучей среды из впускного отверстия через первый канал в насосную камеру, за которым следует выпускной ход указанного поршня для вытеснения текучей среды через второй канал к выпускному отверстию, при этом впускное и выпускное отверстия попеременно открываются и закрываются благодаря реверсивному угловому перемещению указанного поршня, который выполняет функцию клапана для указанных впускного и выпускного отверстий.
В таком насосе попеременное открытие и закрытие указанных впускного и выпускного отверстий может либо быть синхронизовано с циклами втягивания и выталкивания объемного насоса, либо осуществляться в любой момент времени во время хода указанного поршня.
Каналы могут быть изогнуты для обеспечения потока жидкости попеременно из впускного отверстия к камере во время впускного хода поршня и из указанной камеры к выпускному отверстию во время выпускного хода поршня.
Поршень и цилиндрическая камера могут являться элементами одноразового использования.
Вокруг впускного и выпускного отверстий могут быть расположены несколько особых прокладок или стандартные кольцевые уплотнения.
Поршень и цилиндрическая камера могут быть изготовлены литьем под давлением.
Вал может быть установлен на пружине.
В соответствии с изобретением предложен также компрессор, содержащий предложенный объемный насос, выпускное отверстие которого герметично соединено с резервуаром.
В отличие от патентного документа США № 2004/101426 совместное реверсивное линейное и угловое перемещение, переданное ротором, обеспечивает, как следствие, постоянный расход жидкости из объемного насоса. Кроме того, данный объемный насос представляет собой устройство высокой точности, так как количество жидкости, которое поставляется указанным насосом, тесно связано с относительным положением поршня и полого цилиндрического корпуса.
Данное изобретение будет более понятным благодаря нижеприведенному подробному описанию нескольких вариантов выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса с поршнем, расположенным в полом цилиндре, в соответствии с первым вариантом выполнения данного изобретения, с удаленным ротором;
фиг.2 представляет собой вид в аксонометрии ротора, содержащего эксцентриковый вал, согласно первому варианту выполнения;
фиг.3 представляет собой поперечный разрез, показывающий захват этого эксцентрикового вала в гнезде, смежном с верхней частью поршня;
фиг.3а изображает фрагмент на фиг.3;
фиг.4 представляет собой вид в аксонометрии первого варианта выполнения объемного насоса в начале цикла поворота ротора;
фиг.4а представляет собой продольный разрез сзади вида, показанного на фиг.4, а фиг.4b представляет собой поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.4а;
фиг.5 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса после поворота ротора на 90°;
фиг.5а представляет собой продольный разрез сзади вида, показанного на сриг.5, а фиг.5b представляет собой поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.5а;
фиг.6 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса после поворота ротора на 180°;
фиг.6а представляет собой продольный разрез сзади вида, показанного на фиг.6, а фиг.6b представляет собой поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.6а;
фиг.7 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса после поворота ротора на 270°;
фиг.7а представляет собой продольный разрез сзади вида, показанного на фиг.7, а фиг.7b представляет собой поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.7а;
фиг.8 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса в соответствии со вторым вариантом выполнения данного изобретения, содержащего головку поршня;
фиг.8а представляет собой вид в аксонометрии указанной головки поршня, присоединенной к валу ротора;
фиг.8b представляет собой вид в аксонометрии поршня согласно второму варианту выполнения данного изобретения;
фиг.9 представляет собой вид в аксонометрии сверху объемного насоса в соответствии с третьим вариантом выполнения, иллюстрирующий насос, показанный прозрачным, без ротора;
фиг.9а представляет собой вид в аксонометрии снизу третьего варианта выполнения, иллюстрирующий объемный насос снаружи без ротора;
фиг.10 представляет собой вид в аксонометрии одной из двух цилиндрических частей, составляющих полый цилиндрический корпус согласно третьему варианту выполнения;
фиг.10а представляет собой вид в аксонометрии другого элемента, выполненного с возможностью поворота и установленного в цилиндрическую часть, показанную на фиг.10;
фиг.11 представляет собой вид спереди указанного элемента, выполненного с возможностью поворота, а фиг.11а является поперечным разрезом указанного элемента по линии А-А, показанной на фиг.11;
фиг.12а представляет собой вид с торца фиг.9, а фиг.12b является поперечным разрезом по линии А-А в начале цикла;
фиг.13а представляет собой вид с торца фиг.9, а фиг.13b является поперечным разрезом по линии А-А, показанной на фиг.13а, после поворота ротора на 90°;
фиг.14а представляет собой вид с торца фиг.9, а фиг.14b является поперечным разрезом по линии А-А, показанной на фиг.14а, после поворота ротора на 180°;
фиг.15а представляет собой вид с торца фиг.9, а фиг,15b является поперечным разрезом по линии А-А, показанной на фиг.15а, после поворота ротора на 270°;
фиг.16 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса в соответствии с четвертым вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.16а представляет собой продольный разрез фиг.16, взятый вдоль вала, присоединенного по меньшей мере к одному ротору;
фиг.17 представляет собой вид в аксонометрии объемного насоса в соответствии с дополнительным вариантом выполнения;
фиг.17а представляет собой продольный разрез фиг.17, взятый вдоль вала, присоединенного по меньшей мере к одному ротору.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения данного изобретения фиг.1 иллюстрирует объемный насос (1), содержащий цилиндрический поршень (2) и полый цилиндр (3), установленный на опоре (4). Цилиндр (3) имеет верхний открытый конец, в котором с возможностью скольжения вставлен поршень (2). Поршень (2) приводится в движение ротором (5), несущим эксцентриковый вал (6), который установлен на пружине (7).
Как показано на фиг.3 и фиг.3а, вал (6) оканчивается сферическим концом (8), вставленным в гнездо (9) поршня с обеспечением преобразования углового перемещения ротора (5) в реверсивное линейное и угловое перемещение поршня (2). Поршень (2) совершает возвратно-поступательное перемещение скольжения внутри цилиндра (3) с одновременным реверсивным угловым перемещением.
Вал (6) передает перемещение поршня (2) внутри цилиндра (3) нижеописанным способом, в то время как пружина (7) обеспечивает постоянное шарнирное соединение конца (8) внутри гнезда (9). При достижении поршнем (2) концов тактов втягивания и выталкивания пружина (7) подвергается сжатию (фиг.4 и фиг.6).
Когда поршень (2) находится в цикле втягивания или выталкивания (фиг.5 и фиг.7), пружина разжимается.
Реверсивное угловое перемещение поршня (2) выполняет функцию клапана для впускного и выпускного отверстий (10, 11), которые расположены на противоположных сторонах полого цилиндра (3). Поршень (2) содержит два канала (12, 13), наличие которых приводит к попеременному открытию и закрытию впускного отверстия (10) и выпускного отверстия (11) при совершении поршнем (2) углового перемещения. Сначала прямой ход (или ход вверх) поршня (2) открывает впускное отверстие (10) и закрывает выпускное отверстие (11), втягивая жидкую среду (15) из впускного отверстия (10) через первый канал (12) в нижнюю часть полого цилиндра (3) (фиг.5а и фиг.5b). Затем обратный ход (или ход вниз) поршня (2) закрывает впускное отверстие (10) и открывает выпускное отверстие (11), вытесняя жидкую среду (15) из указанной нижней части насосной камеры (3) через второй канал (13) к выпускному отверстию (11) (фиг.7а и фиг.7b).
Указанным каналам (12, 13) придана изогнутая форма в соответствии с реверсивным угловым и линейным перемещением поршня (2) для обеспечения постоянно открытого состояния впускного (10) и выпускного (11) отверстий во время соответственно такта прямого и такта обратного хода поршня (2). Такое решение создает постоянный поток жидкости (15) из впускного отверстия (10) через поршень (2) к нижней части цилиндрической камеры (3') во время прямого хода поршня (2), а также постоянный поток жидкости (15) из нижней части насосной камеры (3') к выпускному отверстию во время обратного хода поршня (2).
Вокруг впускного отверстия (10) и выпускного отверстия (11) для уплотнения зазора между наружным диаметром поршня (2) и внутренним диаметром цилиндрической камеры (3') расположено несколько прокладок особой формы или стандартные кольцевые уплотнения (14). Указанные прокладки, которые содержат уплотнительные буртики особой конструкции, являются частью поршня (2) или цилиндра (3).
Данное изобретение может быть выполнено для использования в области медицины в качестве парентеральной системы. Поршень (2) и цилиндрическая камера (3') могут быть деталями одноразового использования. В отличие от существующих насосов с одноразовыми элементами, состоящими из мягких деталей, таких как гибкая мембрана или трубка, как в перистальтическом насосе, одноразовый поршень (2) и цилиндрическая камера (3') могут быть созданы методом литья под давлением в виде твердых деталей из пластмассы, на которые поэтому не оказывают влияние давление и температура. В результате такого решения подобная система обеспечивает точный выпуск конкретного количества лекарственного средства заданием углового смещения ротора (5). Разовая доза создается поворотом указанного ротора (5) на 360°. Несколько доз могут быть выпущены подобной системой через заданные промежутки времени просто приведением в действие ротора.
Во втором варианте выполнения данного изобретения (фиг.8, 8а) верхний конец поршня (2) содержит шаровой шарнир (16), который прочно присоединен к головке (17) поршня посредством двух выступов (18). Ротор (5), несущий эксцентриковый вал (6), передает поршню (2) через головку (17) поршня совместное реверсивное угловое и линейное перемещение, причем головка (17) поршня имеет отверстие, в которое введен вал (19) в качестве направляющей. В подобном варианте выполнения исключается осевая нагрузка, которая может появиться в первом варианте выполнения данного изобретения между сферическим концом (8) вала (6) и гнездом (9) поршня, когда поршень (2) находится в цикле втягивания или выталкивания, как показано на фиг.5 и фиг.7.
В третьем варианте выполнения (фиг.9-15) первый и второй поршни (20, 21) неподвижно установлены напротив друг друга внутри полого цилиндрического корпуса (22), выполненного с возможностью перемещения, как показано на фиг.9. Указанный корпус (22) состоит из двух одинаковых цилиндрических частей (23, 23'), собранных встык друг с другом. Внутри указанного корпуса (22) посередине между двумя цилиндрическими частями (23, 23') установлен диск (24) (фиг.10а, 11, 11а), имеющий впускное и выпускное отверстия (10, 11), расположенные предпочтительно сбоку под 180° друг к другу, и отверстие (25) на его нижней части (фиг.9а). В результате подобной компоновки образуется первая и вторая камеры (26, 26') (фиг.12b, 14b). Диск (24) выполнен с возможностью углового перемещения относительно корпуса (22), образованного частями (23, 23').
В отверстие (25) введен вал (не показан), который установлен на роторе (5), как описано в первом варианте выполнения изобретения, для передачи диску (24) совместного реверсивного линейного и углового перемещения.
Такое перемещение диска (24) приводит к возвратно-поступательному перемещению скольжения цилиндрического корпуса (22) вдоль оси двух поршней (20, 21), закрывая впускное и выпускное отверстия (10, 11) так, чтобы обеспечивать, с одной стороны, попеременное втягивание жидкой среды (15) из впускного отверстия (10) соответственно к первой и второй камере (26, 26'), а, с другой стороны, попеременное вытеснение жидкой среды (15) из соответственно первой и второй камер (26, 26') к выпускному отверстию (11).
Оптимальная синхронизация циклов втягивания и выталкивания между двумя камерами (26, 26') достигается первым и вторым Т-образным каналами (27, 27'), расположенными внутри диска (24) в его впускной/выпускной части, как показано на фиг.11 а. Каналы (27, 27') попеременно подсоединяют впускное отверстие (10) к первой и второй камерам (26, 26'), а первую и вторую камеры (26, 26') - к выпускному отверстию (11), когда указанные каналы (27, 27') попеременно совмещаются с первым и вторым отверстиями (28, 28'), расположенными на конце обеих цилиндрических частей (23, 23') (фиг.10). Этот частный вариант выполнения изобретения позволяет объемному насосу создавать непрерывный поток.
В четвертом варианте выполнения данного изобретения совместное реверсивное линейное и угловое перемещение поршня (2) сообщается валом (28), который проходит через верхнюю деталь (29), жестко соединенную с головкой (17) поршня, как показано на фиг.16 и 16а. Указанный вал (28) может приводиться в действие по меньшей мере одним ротором (5). Движение вала (28) передается поршню (2) способом, описанным во втором варианте выполнения изобретения.
Подобная передача может быть адаптирована к третьему варианту выполнения изобретения (фиг.17 и 17а).
В дополнительном варианте выполнения данного изобретения (не показанного на чертежах) насос (1) приводится в действие двумя роторами (5, 5'), функционально соединенными с верхней и нижней частями указанного поршня (2), как описано в первом варианте выполнения. Первый ротор (5) передает поршню (2) движение, необходимое для цикла втягивания, тогда как второй ротор (5') передает указанному поршню (2) движение, необходимое для цикла выталкивания.
Все варианты выполнения данного изобретения могут быть адаптированы так, чтобы разделить относительные линейное и угловое движения поршня. Линейное движение может быть передано первым ротором, а угловое движение может быть передано вторым ротором. Движение поршня может быть преобразовано из линейного в угловое движение в любой момент его хода.
В другом варианте выполнения данного изобретения насос (1) может быть использован в качестве компрессора. Герметичный резервуар может быть установлен на выпускном отверстии с втягиванием воздуха через впускное отверстие (10) в камеру и вытеснением воздуха в резервуар механизмом, аналогичным механизму, рассмотренному в первом варианте выполнения.
Механизм объемного насоса (1) также может быть выполнен для двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, аспектом данного изобретения является двигатель внутреннего сгорания, содержащий насос, выполненный согласно изобретению, описание которого приведено в данном документе.
Несмотря на то, что данное изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты выполнения, предлагаемое описание не следует толковать ограничительно. Возможно рассмотрение других различных областей применения данного изобретения без отклонения от объема правовой охраны данного изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.