НАСОС С ДИСКООБРАЗНОЙ ПОЛОСТЬЮ
PUMP WITH DISK-SHAPED CAVITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится в целом к насосу для текучей среды, и, в частности, к насосу, имеющему по существу дискообразную полость с по существу круглыми торцевыми стенками и боковой стенкой и клапан для управления потоком текучей среды через насос.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Генерации колебаний давления большой амплитуды в замкнутых полостях уделяется большое внимание в областях термоакустики и компрессоров насосного типа. Последние разработки в области нелинейной акустики позволили генерировать волны давления с более высокими амплитудами, чем было возможно раньше.
Известно применение акустического резонанса для обеспечения нагнетания текучей среды от заданных входов и выходов. Для этого может использоваться цилиндрическая полость с акустическим приводным устройством на одном конце, которое приводит акустическую стоячую волну. В цилиндрической полости волна акустического давления имеет ограниченную амплитуду. Полости с различными формами поперечного сечения, такие как конические, в форме рога, грушевидные, использовались для получения колебаний давления большой амплитуды, чтобы тем самым значительно увеличить эффективность нагнетания. В волнах большой амплитуды подавляются нелинейные механизмы с рассеиванием энергии. Однако акустический резонанс большой амплитуды не применялся в дискообразных полостях, в которых до последнего времени возбуждались радиальные колебания давления. Международная заявка на патент номер PCT/GB2006/001487, опубликованная под номером WO2006111775 (заявка '487), раскрывает насос, имеющий по существу дискообразную полость с большим отношением размеров, т.е. отношением радиуса полости к высоте полости.
Этот насос имеет по существу цилиндрическую полость, содержащую боковую стенку, закрытую с каждого торца торцевыми стенками. Насос также содержит исполнительный механизм, который приводит любую одну из торцевых стенок в колебательное движение в направлении, по существу перпендикулярном поверхности приводимой в движение торцевой стенки. Пространственный профиль движения приводимой в движение торцевой стенки соответствует пространственному профилю колебаний давления текучей среды в полости, это состояние называется здесь согласованием мод. Когда насос находится в состоянии согласования мод, работа, выполняемая исполнительным механизмом с текучей средой в полости, суммируется арифметически по поверхности приводимой в движение торцевой стенки, тем самым увеличивается амплитуда колебания давления в полости и обеспечивается высокая эффективность насоса. В насосе, который не находится в состоянии согласования мод, могут существовать области торцевой стенки, в которых работа, выполняемая торцевой стенкой с текучей средой, вместо увеличения уменьшает амплитуду колебания давления текучей среды в полости. Тем самым полезная работа, выполняемая исполнительным механизмом с текучей средой, уменьшается, и насос становится менее эффективным. Эффективность насоса с согласованием мод зависит от границы между приводимой в движение торцевой стенкой и боковой стенкой. Желательно поддерживать эффективность такого насоса посредством формирования структуры границы таким образом, чтобы она не уменьшала или не ослабляла движение приводимой в движение торцевой стенки, тем самым минимизируя любое уменьшение амплитуды колебаний давления текучей среды в полости.
Эти насосы также требуют использовать клапан для управления потоком текучей среды через насос, и, в частности, клапан, выполненный с возможностью работы с высокими частотами. Обычные клапаны типично работают с низкими частотами, ниже 500 Гц для множества областей применения. Например, многие обычные компрессоры типично работают с частотами 50 или 60 Гц. Известные компрессоры с линейным резонансом работают с частотами между 150 и 350 Гц. Однако многие переносные электронные устройства, включая медицинские устройства, требуют использовать насосы для подачи положительного давления или обеспечения вакуума, которые являются относительно небольшими по размеру, и эти насосы предпочтительно должны быть бесшумными при работе, чтобы не мешать работе. Для достижения этих целей указанные насосы должны работать с очень высоким частотами, для чего требуются клапаны, способные работать с частотой порядка 20 кГц и выше, которые не являются общедоступными. Для работы с такими высокими частотами клапан должен реагировать на колеблющееся с высокой частотой давление, которое может быть скорректировано для создания чистого потока текучей среды через насос.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному варианту осуществления, исполнительный механизм описанного выше насоса вызывает колебательное движение приводимой в движение торцевой стенки («колебания смещения») в направлении, по существу перпендикулярном указанной торцевой стенке или по существу параллельном продольной оси цилиндрической полости, далее называемые «осевые колебания» приводимой в движение торцевой стенки в полости. Осевые колебания приводимой в движение торцевой стенки генерируют по существу пропорциональные «колебания давления» текучей среды в полости, формируя радиальное распределение давления приближенно описываемое посредством функции Бесселя первого рода, как описывается в Заявке '487, которая включена сюда путем ссылки, эти колебания называются далее «радиальные колебания» давления текучей среды в полости. Часть приводимой в движение торцевой стенки между исполнительным механизмом и боковой стенкой образует границу с боковой стенкой насоса, которая уменьшает ослабление колебаний смещения, чтобы минимизировать любое уменьшение колебаний в полости, эта часть будет называться далее «изолятор». Согласно иллюстративным вариантам осуществления изолятор оперативно связан с периферической частью приводимой в движение торцевой стенки для уменьшения ослабления колебаний смещения.
Согласно другому варианту осуществления изобретения насос содержит корпус насоса, имеющий по существу цилиндрическую форму, ограничивающий полость, образованную боковой стенкой, закрытой на обоих торцах по существу круглыми торцевыми стенками, по меньшей мере одна торцевая стенка является приводимой в движение торцевой стенкой, имеющей центральную часть и периферическую часть, смежную боковой стенке, в полости размещается текучая среда во время работы. Насос дополнительно содержит исполнительный механизм, оперативно связанный с центральной частью приводимой в движение торцевой стенки, который вызывает колебательное движение приводимой в движение торцевой стенки в направлении, перпендикулярном ей, с максимальной амплитудой приблизительно в центре приводимой в движение торцевой стенки, тем самым вызывая колебания смещения приводимой в движений торцевой стенки во время работы. Насос дополнительно содержит изолятор, оперативно связанный с периферической частью приводимой в движение торцевой стенки, чтобы уменьшить ослабление колебаний смещения, вызываемое соединением торцевых стенок с боковой стенкой полости. Насос дополнительно содержит первое отверстие, расположенное приблизительно в центре одной из торцевых стенок, и второе отверстие, расположенное в любом другом месте в корпусе насоса, в результате чего колебания смещения вызывают радиальные колебания давления текучей среды в полости указанного корпуса насоса, заставляющие текучую среду течь через указанные отверстия.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения насос содержит клапан, расположенный или в первом, или во втором отверстии, для управления потоком текучей среды через насос. Клапан содержит первую пластину, имеющую отверстия, продолжающиеся через нее в целом перпендикулярно, и вторую пластину, также имеющую отверстия, продолжающиеся через нее в целом перпендикулярно, отверстия второй пластины по существу смещены относительно отверстий первой пластины. Клапан дополнительно содержит боковую стенку, расположенную между первой и второй пластинами, боковая стенка охватывает по периметру первую и вторую пластины, образуя полость между первой и второй пластинами, сообщающуюся по текучей среде с отверстиями первой и второй пластин. Клапан дополнительно содержит мембрану, расположенную с возможностью перемещения между первой и второй пластинами, мембрана имеет отверстия, которые по существу смещены относительно отверстий первой пластины и по существу выровнены с отверстиями второй пластины. Мембрана перемещается между первой и второй пластинами в ответ на изменение направления разности давлений текучей среды в клапане.
Другие цели, признаки и преимущества иллюстративных вариантов осуществления описываются здесь и станут очевидны из последующего подробного описания с помощью прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1А-1С показывают схематический вид в поперечном сечении первого насоса согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, обеспечивающего положительное давление, график, иллюстрирующий колебания смещения приводимой в движение торцевой стенки насоса, и график, иллюстрирующий колебания давления текучей среды в полости насоса.
Фиг. 2 показывает схематический вид сверху первого насоса на фиг. 1А.
Фиг. 3 показывает схематический вид в поперечном сечении второго насоса согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, обеспечивающего отрицательное давление.
Фиг. 4 показывает схематический вид в поперечном сечении третьего насоса согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, имеющего основание в форме усеченного конуса.
Фиг. 5 показывает схематический вид в поперечном сечении четвертого насоса согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, включающего в себя два исполнительных механизма.
Фиг. 6А показывает схематический вид в поперечном сечении насоса на фиг. 3.
Фиг. 6В показывает график, иллюстрирующий колебания давления текучей среды в насосе, показанном на фиг. 1С.
Фиг. 6С показывает схематический вид в поперечном сечении иллюстративного варианта осуществления клапана, используемого в насосе на фиг. 3.
Фиг. 7А показывает схематический вид в поперечном сечении иллюстративного варианта осуществления клапана в закрытом положении.
Фиг. 7В показывает местный вид клапана на фиг. 7А в разрезе по линии 7В-7В на фиг. 7D.
Фиг. 7С показывает схематический вид в перспективе клапана на фиг. 7В.
Фиг. 7D показывает схематический вид сверху клапана на фиг. 7В.
Фиг. 8А показывает схематический вид в поперечном сечении клапана на фиг. 7В в открытом положении, когда текучая среда течет через клапан.
Фиг. 8В показывает схематический вид в поперечном сечении клапана на фиг. 7В в промежуточном положении между открытым и закрытым положениями.
Фиг. 9А показывает график, иллюстрирующий колеблющуюся разность давлений, прилагаемую к клапану на фиг. 7В согласно иллюстративному варианту осуществления.
Фиг. 10 показывает схематический вид в поперечном сечении части клапана на фиг. 7В в закрытом положении согласно иллюстративному варианту осуществления.
Фиг. 11А показывает схематический вид в поперечном сечении модифицированного варианта клапана на фиг. 7В, имеющего отверстия для отделения.
Фиг. 11В показывает схематический вид в поперечном сечении части клапана на фиг. 11А.
Фиг. 12А показывает схематический вид в поперечном сечении двух клапанов согласно фиг. 7В, один из которых повернут на 180 градусов относительно другого, чтобы позволить текучей среде течь в противоположном направлении, согласно иллюстративному варианту осуществления.
Фиг. 12В показывает схематический вид сверху клапанов, показанных на фиг. 12А.
Фиг. 12С показывает график, иллюстрирующий рабочие циклы клапанов на фиг. 12А, между открытым и закрытым положениями.
Фиг. 13 показывает схематический вид в поперечном сечении двунаправленного клапана, имеющего две клапанные части, которые позволяют текучей среде течь в противоположных направлениях, причем обе клапанные части имеют нормально закрытое положение, согласно иллюстративному варианту осуществления.
Фиг. 14 показывает схематический вид сверху двунаправленного клапана на фиг. 13.
Фиг. 15 показывает схематический вид в поперечном сечении двунаправленного клапана, имеющего две клапанные части, которые позволяют текучей среде течь в противоположных направлениях, причем одна клапанная часть имеет нормально закрытое положение, а другая клапанная часть имеет нормально открытое положение, согласно иллюстративному варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Приводимое далее подробное описание нескольких иллюстративных вариантов осуществления ссылается на прилагаемые чертежи, которые образуют его часть и на которых показаны для иллюстрации конкретные предпочтительные варианты осуществления изобретения. Эти варианты осуществления описаны достаточно подробно, чтобы дать возможность специалистам в этой области техники осуществить на практике изобретение, и понятно, что могут использоваться другие варианты осуществления и что логично вытекающие структурные, механические, электрические и химические изменения могут быть сделаны в пределах сущности или объема настоящего изобретения. Чтобы избежать лишних подробностей, не требуется для специалистов в этой области техники для осуществления на практике описанных здесь вариантов осуществления, в описании может быть опущена некоторая информация, известная специалистам в этой области техники. Приводимое далее подробное описание поэтому не является ограничивающим, и объем изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения.
Фиг. 1А представляет схематический вид в поперечном разрезе насоса 10 согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения. Как показано также на фиг. 1В, насос 10 содержит корпус насоса, имеющий по существу цилиндрическую форму, включающий в себя цилиндрическую стенку 19, закрытую на одном торце основанием 18 и закрытую на другом конце торцевой пластиной 17, и кольцеобразный изолятор 30, расположенный между торцевой пластиной 17 и другим торцом цилиндрической стенки 19 корпуса насоса. Цилиндрическая стенка 19 и основание 18 могут быть одним компонентом, образующим корпус насоса, и могут быть прикреплены к другим компонентам или системам. Внутренние поверхности цилиндрической стенки 19, основания 18, торцевой пластины 17 и изолятора 30 образуют полость 11 внутри насоса 10, причем полость 11 содержит боковую стенку 14, закрытую на обоих торцах торцевыми стенками 12 и 13. Торцевая стенка 13 является внутренней поверхностью основания 18, и боковая стенка 14 является внутренней поверхностью цилиндрической стенки 19. Торцевая стенка 12 содержит центральную часть, соответствующую внутренней поверхности торцевой пластины 17, и периферическую часть, соответствующую внутренней поверхности изолятора 30. Хотя полость 11 имеет по существу круглую форму, она может также иметь эллиптическую или другую форму. Основание 18 и цилиндрическая стенка 19 корпуса насоса могут быть изготовлены из любого подходящего жесткого материала, включая, но не ограничиваясь этим, металл, керамику, стекло или пластик, включая, но не ограничиваясь этим, формованный путем инжекционного формования пластик.
Насос 10 также содержит пьезоэлектрический диск 20, оперативно соединенный с торцевой пластиной 17, образуя исполнительный механизм 40, оперативно связанный с центральной частью торцевой стенки 12 через торцевую пластину 17. Пьезоэлектрический диск 20 не обязательно должен быть изготовлен из пьезоэлектрического материала, но может быть изготовлен из любого вибрирующего таким же образом электрически активного материала, такого как, например, электрострикционный или магнитострикционный материал. Торцевая пластина 17 предпочтительно имеет жесткость на изгиб, подобную пьезоэлектрическому диску 20, и может быть изготовлена из электрически нейтрального материала, такого как металл или керамика. Когда пьезоэлектрический диск 20 возбуждается электрическим током, исполнительный механизм 40 расширяется и сокращается в радиальном направлении относительно продольной оси полости 11, заставляя пластину 17 изгибаться, тем самым вызывая осевой прогиб торцевой стенки 12 в направлении, по существу перпендикулярном торцевой стенке 12. Торцевая пластина 17 альтернативно может также быть изготовлена из электрически активного материала, такого как, например, пьезоэлектрический, магнитострикционный или электрострикционный материал. В другом варианте осуществления пьезоэлектрический диск 20 может быть заменен на устройство, имеющее обеспечивающую передачу усилия связь с торцевой стенкой 12, такое как, например, механическое, магнитное или электростатическое устройство, при этом торцевая стенка 12 может быть образована в виде электрически нейтрального или пассивного слоя материала, приводимого в колебательное движение этим устройством (не показано) таким же образом, как было описано выше.
Насос 10 дополнительно содержит по меньшей мере два отверстия, продолжающиеся от полости 11 наружу от насоса 10, при этом по меньшей мере одно из отверстий может содержать клапан для управления потоком текучей среды через отверстие. Хотя отверстие, содержащее клапан, может быть расположено в любом месте в полости 11, в котором исполнительный механизм 40 генерирует разность давлений, как будет описано более подробно ниже, согласно одному предпочтительному варианту насос 10 содержит отверстие с клапаном, расположенное приблизительно в центре одной из торцевых стенок 12, 13. Насос 10, показанный на фиг. 1А и фиг. 1В, содержит первое отверстие 16, продолжающееся от полости 11 через основание 18 корпуса насоса приблизительно в центре торцевой стенки 13 и содержащее клапан 46. Клапан 46 установлен в первом отверстии 16 и позволяет текучей среде течь в одном направлении, как указано стрелкой, так что он выполняет функцию выхода насоса 10. Второе отверстие 15 может располагаться в любом месте в полости 11, отличном от местоположения отверстия 16 с клапаном 46. В одном предпочтительном варианте осуществления насоса 10 второе отверстие располагается между центром одной из торцевых стенок 12, 13 и боковой стенкой 14. Вариант осуществления насоса 10, показанный на фиг. 1А и фиг. 1В, содержит два вторых отверстия 15, продолжающихся от полости 11 через исполнительный механизм 40, расположенный между центром торцевой стенки 12 и боковой стенкой 14. Хотя вторые отверстия 15 не снабжены клапаном в этом варианте осуществления насоса 10, они могут также быть снабжены клапаном для улучшения рабочих характеристик, если потребуется. В этом варианте осуществления насоса 10 первое отверстие 16 имеет клапан, так что текучая среда втягивается в полость 11 насоса 10 через вторые отверстия 15, и выталкивается из полости 11 через первое отверстие 16, как указано стрелками, чтобы обеспечить положительное давление в первом отверстии 16.
На фиг. 3 показан насос 10, представленный на фиг. 1, с альтернативной конфигурацией первого отверстия 16. Более конкретно, клапан 46' в первом отверстии 16' повернут на 180 градусов, так что текучая среда втягивается в полость 11 через первое отверстие 16' и выталкивается из полости 11 через вторые отверстия 15, как указано стрелками, тем самым обеспечивая разрежение или источник пониженного давления в первом отверстии 16'. Используемый здесь термин «пониженное давление» в целом относится к давлению, которое меньше давления окружающей среды, в которой располагается насос 10. Хотя  для описания пониженного давления могут использоваться термины «вакуум» и «отрицательное давление», фактическое уменьшение давления может быть значительно меньше, чем уменьшение давления, обычно ассоциируемое с полным вакуумом. Давление является «отрицательным» с той точки зрения, что оно является манометрическим давлением (давление, соотносимое с атмосферным давлением, принятым за нуль), т.е. это давление ниже давления окружающей атмосферы. Если другое не указано, величины давления, показываемые здесь, относятся к манометрическому давлению. Увеличение пониженного давления типично означает уменьшение абсолютного давления, тогда как уменьшение пониженного давления типично означает увеличение абсолютного давления.
На фиг. 4 показан насос 70 согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения. Насос 70 по существу подобен насосу 10 на фиг. 1, за исключением того, что корпус насоса имеет основание 18', содержащее верхнюю поверхность, образующую торцевую стенку 13', которая имеет форму в виде усеченного конуса. Следовательно, высота полости 11 изменяется в пределах от высоты на боковой стенке 14 до меньшей высоты между торцевыми стенками 12, 13' в центре торцевых стенок 12, 13'. За счет формы в виде усеченного конуса торцевой стенки 13' обеспечивается более высокое давление в центре полости 11, где высота полости 11 меньше, по сравнению с давлением на боковой стенке 14 полости 11, где высота полости 11 больше. Поэтому, если сравнивать полости 11 цилиндрической формы и формы в виде усеченного конуса, имеющие одинаковые амплитуды давления в центре, очевидно, что полость 11 в форме усеченного конуса будет в целом иметь меньшую амплитуду давления в точках, отстоящих от центра полости 11: увеличение высоты полости 11 ведет к уменьшению амплитуды волны давления. Так как ожидается, что потери энергии на внутреннее трение и тепловые потери энергии будут во время колебаний текучей среды 11 расти при увеличении амплитуды колебаний, для эффективности насоса 70 предпочтительно обеспечить уменьшение амплитуды колебаний давления при удалении от центра полости 11 посредством применения полости 11 в форме усеченного конуса. В одном иллюстративном варианте осуществления насоса 70, в котором диаметр полости 11 составляет приблизительно 20 мм, высота полости 11 на боковой стенке 14 составляет приблизительно 1,0 мм, уменьшаясь до высоты в центре торцевой стенки 13', составляющей приблизительно 0,3 мм. Любая одна из торцевых стенок 12, 13 или обе торцевые стенки 12, 13 могут иметь форму в виде усеченного конуса.
На фиг. 5 показан насос 60 согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения. Насос 60 по существу подобен насосу 10 на фиг. 1, за исключением того, что он включает в себя второй исполнительный механизм 62, который заменяет основание 18 корпуса насоса. Исполнительный механизм 62 содержит второй диск 64 и кольцеообразный изолятор 66, расположенный между диском 64 и боковой стенкой 14. Насос 60 также содержит второй пьезоэлектрический диск 68, оперативно соединенный с диском 64, образуя исполнительный механизм 62. Исполнительный механизм 62 оперативно связан с торцевой стенкой 14, которая содержит внутренние поверхности диска 64 и изолятора 66. Второй исполнительный механизм 62 также генерирует колебательное движение торцевой стенки 13 в направлении, по существу перпендикулярном торцевой стенке 13, подобным образом, как исполнительный механизм 40 в отношении торцевой стенки 12, как было описано выше. Когда исполнительные механизмы 40, 62 приведены в действие, предусмотрена схема управления (не показана) для координации осевых колебаний смещения исполнительных механизмов. Предпочтительно исполнительные механизмы приводятся в движение с одинаковой частотой и приблизительно в разных фазах, т.е. таким образом, что центры торцевых стенок 12, 13 перемещаются сначала в направлении друг к другу, а затем друг от друга.
Размеры описываемых здесь насосов должны предпочтительно удовлетворять определенным неравенствам для отношения между высотой (h) полости 11 и радиусом (r) полости, представляющим собой расстояние от продольной оси полости 11 до боковой стенки 14. Указанные неравенства выражаются следующими соотношениями:
r/h>1,2
2
-10
h/r>4*10 м
2
-3
-6
В одном варианте осуществления отношение радиуса полости к высоте полости (r/h) находится в диапазоне от порядка 10 до порядка 50, когда текучей средой в полости 11 является газ. В этом примере объем полости 11 может быть меньше порядка 10 мл. Дополнительно, отношение h/r предпочтительно находится в диапазоне между порядка 10 и порядка 10 м, если рабочая текучая среда представляет собой газ, а не жидкость.
В одном варианте осуществления изобретения вторые отверстия 15 располагаются в тех местах, где амплитуда колебаний давления в полости 11 близка к нулю, т.е. «узловых» точках колебаний давления. Если полость 11 является цилиндрической, радиальная зависимость колебаний давления может быть приближенно описана посредством функции Бесселя первого рода, и радиальный узел колебания давления низшего порядка в полости 11 будет располагаться на расстоянии приблизительно 0,63r±0,2r от центра торцевой стенки 12 или продольной оси полости 11. Тем самым вторые отверстия 15 предпочтительно располагаются на расстоянии (а) по радиусу от центра торцевых стенок 12, 13, где (а) ≈ 0,63r±0,2r, т.е. вблизи узловых точек колебаний давления.
Дополнительно, раскрываемые здесь насосы должны предпочтительно удовлетворять следующему неравенству для радиуса (r) полости и рабочей частоты (f), представляющей собой частоту, на которой совершает колебательные движения исполнительный механизм 40, чтобы вызывать осевое смещение торцевой стенки 12. Указанное неравенство выражается следующим соотношением:
0
S
0
f
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
kc/2πf≤r≤kc/2πf
[Соотношение 1]
S
f
0
0
где скорость (с) звука в рабочей текучей среде в полости (11) может изменяться в диапазоне между низкой скоростью (c) порядка 115 м/с и высокой скоростью (c) порядка 1970 м/с, что отражено в приведенном выше соотношении, и k является константой (k=3,83). Частота колебательного движения исполнительного механизма 40 предпочтительно приблизительно равна нижней резонансной частоте радиальных колебаний давления в полости 11, но может отличаться от нее в пределах 20%. Нижняя резонансная частота радиальных колебаний давления в полости 11 предпочтительно больше 500 Гц.
Рассмотрим теперь насос 10 во время работы. Пьезоэлектрический диск 20 возбуждается и расширяется и сокращается в радиальном направлении вплотную к торцевой пластине 17, что заставляет исполнительный механизм 40 изгибаться, тем самым вызывая осевое смещение приводимой в движение торцевой стенки 12 в направлении, по существу перпендикулярном указанной торцевой стенке 12. Исполнительный механизм 40 оперативно связан с центральной частью торцевой стенки 12, как было описано выше, таким образом, что осевые колебания смещения исполнительного механизма 40 вызывают осевые колебания смещения вдоль поверхности торцевой стенки 12 с максимальной амплитудой колебаний, т.е. пучность колебаний смещения, приблизительно в центре торцевой стенки 12. Обращаясь снова к фиг. 1А, колебания смещения и получаемые в результате колебания давления насоса 10, описанные в целом выше, показаны более подробно на фиг. 1А и фиг. 1С соответственно. Соотношение фаз между колебаниями смещения и колебаниями давления может изменяться, и прилагаемые чертежи не подразумевают какого-либо конкретного частного соотношения фаз.
На фиг. 1В показан один возможный профиль смещения, иллюстрирующий осевое колебание приводимой в движение торцевой стенки 12 полости 11. Сплошная изогнутая линия и стрелки изображают смещение приводимой в движение торцевой стенки 12 в один момент времени, и пунктирная изогнутая линия изображает смещение приводимой в движение торцевой стенки 12 на одну половину цикла позднее. Смещение показано на этом чертеже и других чертежах в увеличенном масштабе. Так как исполнительный механизм 40 закреплен по его периметру не жестко, но скорее поддерживается изолятором 30, исполнительный механизм 40 может свободно совершать колебательные движение относительно его центра масс на его основной моде колебаний (первой гармонике). На указанной основной моде колебаний амплитуда колебаний смещения исполнительного механизма 40 по существу равна нулю в кольцевом узле 22 смещения, расположенном между центром торцевой стенки 12 и боковой стенкой 14. Амплитуды колебаний смещения в других точках на торцевой стенке 12 будут больше нуля, что изображено вертикальными стрелками. Центральная пучность 21 смещения располагается вблизи центра исполнительного механизма 40, а периферическая пучность 21' смещения располагается вблизи периметра исполнительного механизма 40.
На фиг. 1С показан один возможный профиль колебания давления, иллюстрирующий колебание давления в полости 11, получаемое в результате осевых колебаний смещения, показанных на фиг. 1В. Сплошная изогнутая линия и стрелки изображают давление в один момент времени, и штриховая изогнутая линия изображает давление на одну половину цикла позднее. В этой моде и модах более высокого порядка амплитуда колебаний давления имеет центральную пучность 23 давления вблизи центра полости 11 и периферическую пучность 24 давления вблизи боковой стенки 14 полости 11. Амплитуда колебаний давления равна по существу нулю в кольцевом узле 25 давления между центральной пучностью 23 давления и периферической пучностью 24 давления. Для цилиндрической полости радиальная зависимость амплитуды колебаний давления в полости 11 может быть приближенно описана посредством функции Бесселя первого рода. Описанные выше колебания давления вызываются в результате перемещения в радиальном направлении текучей среды в полости 11 и поэтому будут называться «радиальные колебания давления» текучей среды в полости 11, в отличие от осевых колебаний смещения исполнительного механизма 40.
Снова обращаясь к фиг. 1В и фиг. 1С, можно увидеть, что радиальная зависимость амплитуды осевых колебаний смещения исполнительного механизма 40 («форма колебаний» исполнительного механизма 40) должна приближенно описываться посредством функции Бесселя первого рода, чтобы более точно соответствовать радиальной зависимости амплитуды желаемых колебаний давления в полости 11 («форма колебаний» колебания давления). За счет нежесткого крепления исполнительного механизма 40 по его периметру и обеспечения ему возможности совершать колебательное движение более свободно относительно его центра масс форма колебаний смещения по существу соответствует форме колебаний давления в полости 11, тем самым обеспечивается согласование форм колебаний, или, проще, согласование мод. Хотя согласование мод может не всегда быть точным в этом отношении, осевые колебания смещения исполнительного механизма 40 и соответствующие колебания давления в полости 11 имеют по существу одинаковую относительную фазу по всей поверхности исполнительного механизма 40, при этом радиальное расположение кольцевого узла 25 давления колебаний давления в полости и радиальное расположение кольцевого узла 22 смещения осевых колебаний смещения исполнительного механизма 40 по существу совпадают.
act
act
act
Когда исполнительный механизм 40 совершает колебательное движение относительно его центра масс, радиальное расположение кольцевого узла 22 смещения будет обязательно находиться внутри радиуса исполнительного механизма 40, если исполнительный механизм 40 совершает колебательное движение на его основной моде колебаний, как иллюстрируется на фиг. 1В. Тем самым для обеспечения того, что кольцевой узел 22 смещения будет совпадать с кольцевым узлом 25 давления, радиус (r) исполнительного механизма должен предпочтительно быть больше радиуса кольцевого узла 25 давления, чтобы оптимизировать согласование мод. Снова полагая, что колебания давления в полости 11 приближенно описываются посредством функции Бесселя первого рода, радиус кольцевого узла 25 давления будет составлять приблизительно 0,63 радиуса от центра торцевой стенки 13 до боковой стенки 14, т.е. радиуса (r) полости 11, как показано на фиг. 1А. Поэтому радиус (r) исполнительного механизма 40 должен предпочтительно удовлетворять следующему неравенству: r>0,63r.
Изолятор 30 может представлять собой гибкую мембрану, обеспечивающую возможность более свободного перемещения края исполнительного механизма 40, как было описано выше, посредством сгибания и разгибания в ответ на колебательное движение исполнительного механизма 40, как показано смещением периферических колебаний 21' смещения на фиг. 1В. Гибкая мембрана преодолевает воздействие потенциальных ослабляющих эффектов от боковой стенки 14 на исполнительный механизм 40 за счет обеспечения опоры с низким механическим сопротивлением между исполнительным механизмом 40 и цилиндрической стенкой 19 насоса 10, тем самым уменьшая ослабление осевых колебаний периферических колебаний 21' смещения исполнительного механизма 40. Практически, гибкая мембрана 31 уменьшает до минимума энергию, передаваемую от исполнительного механизма 40 к боковой стенке 14, которая остается по существу неподвижной. Следовательно, кольцевой узел 22 смещения будет оставаться по существу выровненным с кольцевым узлом 25 давления таким образом, чтобы сохранять состояние согласования мод насоса 10. Тем самым осевые колебания смещения приводимой в движение торцевой стенки 12 продолжают эффективно генерировать колебания давления в полости 11 от центральной пучности 23 давления до периферической пучности 24 давления на боковой стенке 14, как показано на фиг. 1С.
На фиг. 6А показан схематический вид в поперечном сечении насоса на фиг. 3, и на фиг. 6В показан график колебаний давления текучей среды в насосе, показанном на фиг. 1С. Клапан 46' (а также клапан 46) позволяет текучей среде течь только в одном направлении, как было описано выше. Клапан 46' может быть обратным клапаном или любым другим клапаном, который позволяет текучей среде течь только в одном направлении. Некоторые типы клапанов могут регулировать поток текучей среды посредством переключения между открытым и закрытым положениями. Для этих клапанов, чтобы работать при высоких частотах, генерируемых исполнительным механизмом 40, клапаны 46 и 46' должны иметь очень высокое быстродействие, чтобы они были способны открываться и закрываться за значительно более короткое время, чем время изменения давления. В одном варианте осуществления клапанов 46 и 46' это достигается посредством использования очень легких мембранных клапанов, имеющих малую инерцию и, следовательно, способных перемещаться быстро в ответ на изменения относительного давления в конструкции клапана.
На фиг. 7А-D показан пример мембранного клапана, клапан 110, согласно иллюстративному варианту осуществления. Клапан 110 содержит по существу цилиндрическую стенку 112, имеющую кольцеообразную форму и закрытую на одном торце пластиной 114 удержания и на другом конце пластиной 116 блокирования. Внутренняя поверхность стенки 112, пластина 114 удержания и пластина 116 блокирования образуют полость 115 в клапане 110. Клапан 110 дополнительно содержит по существу круглую мембрану 117, расположенную между пластиной 114 удержания и пластиной 116 блокирования, но прилегая к пластине 116 блокирования. Мембрана 117 может прилегать к пластине 114 удержания в альтернативном варианте осуществления, как будет описано более подробно ниже, и в этом случае полагается, что мембрана 117 «прижимается» к одной из пластины 116 блокирования или пластины 114 удержания. Периферическая часть мембраны 117 располагается между пластиной 116 блокирования и кольцеообразной стенкой 112 таким образом, что мембрана 117 удерживается от перемещения в плоскости, по существу перпендикулярной поверхности мембраны 117. Мембрана 117 может также удерживаться от перемещения в этой плоскости посредством непосредственного прикрепления периферической части мембраны 117 к одной из пластины 116 блокирования или стенки 112 или посредством установки мембраны 117 в кольцеообразной стенке 112 с тугой посадкой, в альтернативных вариантах осуществления. Остальная часть мембраны 117 является достаточно гибкой и имеет возможность перемещения в направлении, по существу перпендикулярном поверхности мембраны 117, так что усилие, приложенное к одной из поверхностей мембраны 117, будет вызывать перемещение мембраны 117 между пластиной 116 блокирования и пластиной 114 удержания.
Пластина 114 удержания и пластина 116 блокирования обе имеют отверстия 118 и 120 соответственно, которые продолжаются через каждую пластину. Мембрана 117 также имеет отверстия 122, которые в целом выровнены с отверстиями 118 пластины 114 удержания, чтобы обеспечить проход, через который может течь текучая среда, как указано штриховыми стрелками 124 на фиг. 6С и фиг. 8А. Отверстия 122 в мембране 117 могут быть также частично выровнены, т.е. только частично перекрывать, с отверстиями 118 в пластине 114 удержания. Хотя на чертеже показаны отверстия 118, 120, 122 по существу одинакового размера и формы, они могут иметь разные диаметры или даже разные формы, в пределах объема изобретения. В одном варианте осуществления отверстия 118 и 120 располагаются чередуясь в шахматном порядке на поверхности пластин, как показано сплошными и штриховыми окружностями, соответственно, на фиг. 7D. В других вариантах осуществления отверстия 118, 120, 122 могут иметь другие схемы расположения, не влияющие на работу клапана 110 в том, что касается функционирования отдельных пар отверстий 118, 120, 122, иллюстрируемого отдельными группами штриховых стрелок 124. Схема расположения отверстий 118, 120, 122 может быть выбрана с целью увеличения или уменьшения количества отверстий, чтобы управлять суммарным потоком текучей среды через клапан 110, если требуется. Например, количество отверстий 118, 120, 122 может быть увеличено для уменьшения сопротивления потоку клапана 110, чтобы увеличить суммарный расход клапана 110.
о
с
Когда никакого усилия не прилагается к одной или другой поверхности мембраны 117 для преодоления усилия прижима мембраны 117, клапан 110 находится в «нормально закрытом» положении, так как мембрана 117 прилегает к пластине 116 блокирования, при этом отверстия 122 мембраны смещены или не выровнены с отверстиями 118 пластины 116 блокирования. В «нормально закрытом» положении поток текучей среды через пластину 116 блокирования по существу блокируется или перекрывается не имеющими отверстий участками мембраны 117, как показано на фиг. 7А и фиг. 7В. Когда к одной или другой поверхности мембраны 117 прилагается давление, которое преодолевает усилие прижима мембраны 117 и заставляет мембрану 117 перемещаться от пластины 116 блокирования в направлении пластины 114 удержания, как показано на фиг. 6С и фиг. 8А, клапан 110 перемещается из нормально закрытого положения в «открытое» положение в течение некоторого периода времени, время (Т) задержки открытия, позволяя текучей среде течь в направлении, указанном штриховыми стрелками 124. Когда давление изменяет направление, как показано на фиг. 8В, это заставляет мембрану 117 перемещаться обратно в направлении пластины 116 блокирования в нормально закрытое положение. Когда это происходит, текучая среда будет течь в течение короткого периода времени, время (Т) задержки закрытия, в противоположном направлении, как указано штриховыми стрелками 132, до тех пор, пока мембрана 117 не перекроет отверстия 120 пластины 116 блокирования, чтобы по существу блокировать поток текучей среды через пластину 116 блокирования, как показано на фиг. 7В. В других вариантах осуществления мембрана 117 может быть прижата к пластине 114 удержания с выровненными отверстиями 118, 122 в «нормально открытом» положении. В этом варианте осуществления приложение положительного давления к мембране 117 будет необходимо для перемещения мембраны 117 в «закрытое» положение. Отметим, что термины «перекрывать» и «блокировать», используемые здесь в отношении работы клапана, включают в себя случаи, в которых обеспечивается существенное (но неполное) перекрытие или блокировка таким образом, что сопротивление потоку клапана больше в «закрытом» положении, чем в «открытом» положении.
Работа клапана 110 является функцией от изменения направления разности давлений (ΔР) текучей среды в клапане 110. На фиг. 7В полагается, что разность давлений имеет отрицательное значение (-ΔР), что указано направленной вниз стрелкой. Когда разность давлений имеет отрицательное значение (-ΔР), давление текучей среды на наружной поверхности пластины 114 удержания больше, чем давление текучей среды на наружной поверхности пластины 116 блокирования. Отрицательная разность давлений (-ΔР) заставляет мембрану 117 перемещаться в полностью закрытое положение, как было описано выше, когда мембрана 117 прижимается к пластине 116 блокирования, чтобы блокировать отверстия 120 в пластине 116 блокирования, тем самым по существу предотвращая протекание потока текучей среды через клапан 110. Когда разность давлений в клапане 110 изменяется на противоположную и становится положительной разностью давлений (+ΔР), как указано направленной вверх стрелкой на фиг. 8А, мембрана 117 принудительно перемещается от пластины 116 блокирования и в направлении пластины 114 удержания в открытое положение. Когда разность давлений имеет положительное значение (+ΔР), давление текучей среды на наружной поверхности пластины 116 блокирования больше, чем давление текучей среды на наружной поверхности пластины 114 удержания. В открытом положении перемещение мембраны 117 ведет к разблокировке отверстий 120 пластины 116 блокирования, так что текучая среда может течь через них и выровненные относительно друг друга отверстия 122 и 118 мембраны 117 и пластины 114 удержания, как указано штриховыми стрелками 124.
Когда разность давлений в клапане 110 изменяется обратно на отрицательную разность давлений (-ΔР), как указано направленной вниз стрелкой на фиг. 8В, текучая среда начинает течь в противоположном направлении через клапан 110, как указано штриховыми стрелками 132, что заставляет мембрану 117 перемещаться обратно в направлении закрытого положения на фиг. 7В. На фиг. 8В давление текучей среды между мембраной 117 и пластиной 116 блокирования ниже, чем давление текучей среды между мембраной 117 и пластиной 114 удержания. Тем самым мембрана 117 подвергается воздействию результирующего усилия, изображенного на чертежах стрелками 138, которое заставляет мембрану 117 перемещаться с ускорением в направлении пластины 116 блокирования, чтобы закрыть клапан 110. Таким образом изменение разности давлений циклически переключает клапан 110 между закрытым и открытым положениями на основании направления (т.е. положительное или отрицательное) разности давлений в клапане 110. Понятно, что мембрана 117 может прижиматься к пластине 114 удержания в открытом положении, когда к клапану 110 не прилагается разность давлений, т.е. клапан 110 будет находиться в «нормально открытом» положении.
Обращаясь снова к фиг. 6А, клапан 110 располагается в первом отверстии 46' насоса 10, так что текучая среда втягивается в полость 11 через первое отверстие 46' и выталкивается из полости 11 через вторые отверстия 15, как указано сплошными стрелками, тем самым обеспечивая источник пониженного давления в первом отверстии 46' насоса 10. Текучая среда течет через первое отверстие 46', как указано сплошной стрелкой, направленной вверх, соответствующей потоку текучей среды через отверстия 118, 120 клапана 110, как указано штриховыми стрелками 124, которые также направлены вверх. Как было указано выше, работа клапана 110 является функцией от изменения направления разности давлений (ΔР) текучей среды по всей поверхности пластины 114 удержания клапана 110 для этого варианта осуществления насоса с отрицательным давлением. Разность давлений (ΔР) полагается по существу одинаковой по всей поверхности пластины 114 удержания, так как диаметр пластины 114 удержания является небольшим по сравнению с длиной волны колебаний давления в полости 115 и, дополнительно, так как клапан 110 располагается в первом отверстии 46' вблизи центра полости 115, где амплитуда центральной пучности 71 давления является относительно постоянной. Когда разность давлений в клапане 110 изменяется на противоположную и становится положительной разностью давлений (+ΔР), как показано на фиг. 6С и фиг. 8А, это заставляет прижатую мембрану 117 перемещаться от пластины 116 блокирования к пластине 114 удержания в открытое положение. В этом положении перемещение мембраны 117 разблокирует отверстия 120 пластины 116 блокирования, так что текучая среда может течь через них и выровненные друг с другом отверстия 118 пластины 122 удержания и мембраны 117, как указано штриховыми линиями 124. Когда разность давлений изменяется обратно на отрицательную разность давлений (-ΔР), текучая среда начинает течь в противоположном направлении через клапан 110 (см. фиг. 8В), что заставляет мембрану 117 перемещаться обратно в направлении закрытого положения (см. фиг. 7В). Тем самым, когда колебания давления в полости 11 циклически переключают клапан 110 между нормально закрытым и открытым положениями, насос 160 обеспечивает пониженное давление в течение каждой половины цикла, когда клапан 110 находится в открытом положении.
p+
p-
о
с
о
o
с
c
Разность давлений (ΔР) полагается по существу одинаковой по всей поверхности пластины 114 удержания, так как она соответствует центральной пучности 71 давления, как было описано выше, поэтому с хорошим приближением можно полагать, что пространственные изменения давления в клапане 110 отсутствуют. Хотя на практике зависимость давления от времени в клапане может быть приближенно описана синусоидой, в приведенном ниже анализе полагается, что разность давлений (ΔР) между значениями положительной разности давлений (+ΔР) и отрицательной разности давлений (-ΔР) может быть отображена в виде прямоугольной волны с периодом времени (t) положительной разности давлений и периодом времени (t) отрицательной разности давлений, соответственно, как показано на фиг. 9А. Когда разность давлений (ΔР) циклически переключает клапан 110 между нормально закрытым и открытым положениями, насос 10 обеспечивает пониженное давление на протяжении каждой половины цикла, когда клапан 110 находится в открытом положении, с учетом времени (Т) задержки открытия и времени (Т) задержки закрытия, что также было описано выше и показано на фиг. 9В. Когда разность давлений в клапане 110 первоначально является отрицательной, при этом клапан 110 закрыт (см. фиг. 7А), и изменяется на противоположную и становится положительной разностью давлений (+ΔР), это заставляет прижатую мембрану 117 перемещаться от пластины 116 блокирования к пластине 114 удержания в открытое положение (см. фиг. 7В) после истечения времени (Т) задержки открытия. В этом положении перемещение мембраны 117 разблокирует отверстия 120 пластины 116 блокирования, так что текучая среда может течь через них и выровненные друг с другом отверстия 118 пластины 122 удержания и мембраны 117, как указано штриховыми линиями 124, тем самым обеспечивая источник пониженного давления снаружи от первого отверстия 46' насоса 10 в течение периода времени (t) открытия. Когда разность давлений в клапане 110 изменяется обратно на отрицательную разность давлений (-ΔР), текучая среда начинает течь в противоположном направлении через клапан 110 (см. фиг. 7С), что заставляет мембрану 117 перемещаться обратно в направлении закрытого положения после истечения времени (Т) задержки закрытия. Клапан 110 остается закрытым в течение остальной половины цикла или периода времени (t) закрытия.
Пластина 114 удержания и пластина 116 блокирования должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать колебания давления текучей среды, воздействию которых они подвергаются, без значительной механической деформации. Пластина 114 удержания и пластина 116 блокирования могут быть изготовлены из любого подходящего жесткого материала, такого как стекло, кремний, керамика или металл. Отверстия 118, 120 в пластине 114 удержания и пластине 116 блокирования могут быть образованы посредством любого подходящего процесса, включая химическое травление, лазерная обработка, механическое сверление, обработка струей порошка и штамповка. В одном варианте осуществления пластина 114 удержания и пластина 116 блокирования изготовлены из листовой стали толщиной между 100 и 200 мкм. Мембрана 117 может быть изготовлена из любого легкого по весу материала, такого как металлическая или полимерная пленка. В одном варианте осуществления, когда колебания давления текучей среды частотой 20 кГц или больше происходят или на стороне 134 пластины удержания, или на стороне 136 пластины блокирования клапана, мембрана 117 может быть изготовлена из тонкого листового полимера толщиной между 1 и 20 мкм. Например, мембрана 117 может быть изготовлена из полиэтилентерефталатной (ПЭТ) или жидкокристаллической полимерной пленки толщиной 3 мкм.
Для получения оценки порядка величины для максимальной массы на единицу площади мембраны 117 согласно одному варианту осуществления изобретения снова полагается, что колебание давления в клапане 110 представляет собой прямоугольную волну, как показано на фиг. 9А, и что полная разность давлений приходится на мембрану 117. Дополнительно полагая, что мембрана 117 перемещается как жесткое тело, ускорение мембраны 117 при перемещении из закрытого положения, когда разность давлений изменяется на противоположную, из отрицательного на положительное значение, может быть выражено следующим образом:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
x''(t)=Р/m
[Соотношение 2]
где х - позиция мембраны 117, x''(t) - ускорение мембраны 117, Р - амплитуда волны колеблющегося давления, m - масса на единицу площади мембраны 117. Интегрируя это выражение для нахождения расстояния, d, пройденного мембраной 117 за время t, получаем:
2
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
d=P/2m*t
[Соотношение 3]
о
с
Это выражение может использоваться для оценки времени (Т) задержки открытия и времени (Т) задержки закрытия, в каждом случае от точки изменения давления на противоположное.
gap
pres
В одном варианте осуществления изобретения мембрана 117 должна пройти расстояние между пластиной 114 удержания и пластиной 116 блокирования, зазор клапана (v), являющийся перпендикулярным расстоянием между двумя пластинами, за период времени меньше чем порядка одна четверть (25%) периода времени колебания разности давлений, приводящего в движение мембрану 117, т.е. периода времени (t) аппроксимирующей прямоугольной волны. На основании этого приближения и приведенных выше соотношений масса (m) на единицу площади мембраны 117 удовлетворяет следующему неравенству:
gap
pres
2
m<Р/2d*t /16, или альтернативно
gap
2
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
m<Р/2d*1/16f
[Соотношение 4]
gap
gap
gap
где d - зазор мембраны, т.е. зазор клапана (v), минус толщина мембраны 117, f - частота прилагаемого колебания разности давлений (как иллюстрируется на фиг. 10). В одном варианте осуществления Р может составлять 15кПа, f может быть равна 20 кГц и d может быть равен 25 мкм, что означает, что масса (m) на единицу площади мембраны 117 должна быть меньше порядка 60 грамм на квадратный метр. Преобразуя массу (m) на единицу площади мембраны 117, толщина мембраны 117 удовлетворяет следующему неравенству:
flap
gap
flap
2
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
δ<Р/2d*1/16f*1/ρ
[Соотношение 5]
flap
о
о
pres
3
где ρ - плотность материала мембраны 117. Используя типичную плотность материала для полимера (например, приблизительно 1400 кг/м), толщина мембраны 117 согласно этому варианту осуществления будет меньше 45 мкм для работы клапана 110 при приведенных выше условиях. Так как прямоугольная волна, показанная на фиг. 9А, в целом дает завышенную оценку приблизительно синусоидальной формы волны колеблющегося давления в клапане 110, и дополнительно, так как только пропорциональная часть разности давлений, прилагаемой к клапану 110, будет действовать в качестве обеспечивающей ускорение разности давлений на мембрану 117, начальное ускорение мембраны 117 будет ниже, чем было оценено выше, и время (Т) задержки открытия будет на практике больше. Поэтому предельное значение толщины мембраны, полученное выше, является максимальным верхним предельным значением, и на практике, для компенсации уменьшения ускорения мембраны 117, толщина мембраны 117 может быть уменьшена, чтобы удовлетворить Соотношению 5. Толщина мембраны 117 уменьшается таким образом, чтобы она имела более высокое ускорение для обеспечения того, что время (Т) задержки открытия будет меньше порядка одной четверти (25%) периода времени t колебания разности давлений.
gap
Уменьшение до минимума падения давления, происходящего, когда воздух течет через клапан 110, является важным для увеличения до максимума расхода и предельного достижимого напора насоса. Уменьшение размера зазора клапана (v) между пластинами или диаметра отверстий 118, 120 в пластинах увеличивают сопротивление потоку и увеличивают падение давления в клапане 110. Согласно другому варианту осуществления изобретения, дальнейший анализ, использующий уравнения установившегося потока для приближенного описания сопротивления потоку через клапан 110, может применяться для улучшения работы клапана 110. Падение давления для потока через отверстие 118 или 120 в одной из пластин может быть оценено, используя уравнение Хагена-Пуазейля:
hole
plate
hole
3
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
Δp=128μqt/πd
[Соотношение 6]
plate
hole
где μ - динамическая вязкость текучей среды, q - расход через отверстие, t - толщина пластины, d - диаметр отверстия.
gap
Когда клапан 110 находится в открытом положении, как показано на фиг. 7В, поток текучей среды через зазор между мембраной 117 и пластиной 116 блокирования (имеющий то же значение, что и зазор мембраны d) будет распространяться в целом в радиальном направлении через зазор в первом приближении после входа в отверстие 120 в пластине блокирования, перед сужением в радиальном направлении в отверстие 118 в пластине 114 удержания. Если схема расположения отверстий 118, 120 в обеих пластинах представляет собой квадратную решетку с длиной s перекрытия между отверстиями 118 пластины 114 удержания и отверстиями 120 пластины 116 блокирования, как показано на фиг. 7В и фиг. 7D, падение давления в полости 115 клапана 110 может быть приближенно выражено следующим уравнением:
gap
gap
hole
3
2
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
Δp=6μq/πd *ln(2(s/d+1))
[Соотношение 7]
gap
hole
gap
gap
о
с
gap
gap
gap
Тем самым суммарное падение давления (приближенно, Δp+ 2 Δp) может быть очень чувствительно к изменениям диаметра отверстий 118, 120 и зазора мембраны d между мембраной 117 и пластиной 116 блокирования. Отметим, что меньший зазор мембраны d, который может быть желателен для уменьшения до минимума времени (Т) задержки открытия и времени (Т) задержки закрытия клапана 110, может привести к значительному увеличению падения давления. Согласно приведенному выше соотношению, уменьшение зазора мембраны d с 25 мкм до 20 мкм увеличивает в два раза потери давления. Во многих практических вариантах осуществления клапана принимается компромиссный вариант между быстродействием и падением давления, который задает оптимальный зазор мембраны d между мембраной 117 и пластиной 116 блокирования. В одном варианте осуществления оптимальный зазор мембраны d находится в приблизительном диапазоне между порядка 5 мкм и порядка 150 мкм.
При задании диаметра отверстий 120 пластины 116 блокирования необходимо учитывать как условие сохранения в допустимых пределах напряжения, испытываемого мембраной 117, во время работы клапана 110 (эти напряжения уменьшаются посредством использования меньшего диаметра для отверстий 120 пластины 116 блокирования), так и условие обеспечения того, что падение давления в отверстиях 120 не будет главной составляющей в результирующем падении давления в клапане 110. В отношении последнего условия, сравнивая приведенные выше Соотношения 6 и 7 для падений давления в отверстии и зазоре, получают минимальный диаметр для отверстий 120, при котором падение давления в отверстии приблизительно равно падению давления в зазоре. Полученное значение определяет нижний предел желаемого диаметра отверстий 120, выше которого падение давления в отверстии быстро становится пренебрежительно малым.
Рассмотрим более подробно условие для напряжения, испытываемого мембраной 117 во время работы. Фиг. 10 иллюстрирует часть клапана 110 на фиг. 7В в нормально закрытом положении. В этом положении мембрана 117 испытывает напряжение, когда мембрана 117 перекрывает и блокирует отверстие 120 в пластине 116 блокирования, которое заставляет мембрану 117 деформироваться, образуя углубление, продолжающееся в отверстие 120, как иллюстрируется на чертеже. Величина напряжения на мембране 117 в этой конфигурации увеличивается с увеличением диаметра отверстий 120 в пластине 116 блокирования для данной толщины мембраны 117. Материал мембраны 117 будет более легко разрушаться, если диаметр отверстий 120 будет слишком большим, тем самым приводя к нарушению работы клапана 110. Чтобы уменьшить вероятность разрушения материала мембраны 117, диаметр отверстия 120 может быть уменьшен, чтобы ограничить напряжение, испытываемое мембраной 117 во время работы до уровня ниже усталостного напряжения для материала мембраны 117.
Максимальное напряжение, испытываемое материалом мембраны 117 во время работы, может быть оценено, используя следующие два уравнения:
max
hole
1
2
4
4
3
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
Δpr /Et=K(y/t)+K(y/t)
[Соотношение 8]
max
hole
3
4
2
4
2
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
σr /Et=K(y/t)+K(y/t)
[Соотношение 9]
hole
max
1
4
где r - радиус отверстия 120 пластины 116 блокирования, t - толщина мембраны 117, y - прогиб мембраны 117 в центре отверстия 120, Δp - максимальная разность давлений, испытываемая мембраной 117 в закрытом положении, Е - модуль Юрга материала мембраны 17, К-К - постоянные, зависящие от граничных условий и коэффициента Пуассона мембраны 117. Для данного материала мембраны 117 и геометрии отверстий 120, Соотношение 8 может быть решено для вычисления прогиба y, и этот результат затем используется в Соотношении 9 для вычисления напряжения. Для значений y<<t члены уравнений y/t в третьей и второй степени в Соотношениях 8 и 9 соответственно будут небольшими, и эти уравнения упрощают, чтобы соответствовать теории малого прогиба для пластин. Упрощение этих уравнений ведет к тому, что максимальное напряжение будет пропорционально радиусу во второй степени отверстий 120 и обратно пропорционально толщине во второй степени мембраны 117. Для значений y>>t или для мембран, не обладающих жесткостью на изгиб, члены уравнений y/t в третьей и второй степени в обоих уравнениях будут более значимыми, так что максимальное напряжение будет пропорционально радиусу в степени 2/3 отверстия 120 и обратно пропорционально толщине в степени 2/3 мембраны 117.
1
4
В одном варианте осуществления изобретения мембрана 117 изготовлена из тонкого листового полимера, такого как Mylar, имеющего коэффициент Пуассона 0,38, и прижимается к пластине 116 блокирования по краю отверстий 120. Постоянные К-К могут быть оценены как 6,23, 3,04, 4,68 и 1,73 соответственно. Используя эти значения в Соотношениях 8 и 9 и принимая, что толщина мембраны 117 равна порядка 3 мкм, с модулем Юнга 4,3 ГПа при разности давлений 500 миллибар (50 кПа), прогиб (y) мембраны 117 будет составлять приблизительно 1 мкм для радиуса отверстия 0,06 мм, порядка 4 мм для радиуса отверстия 0,1 мм и порядка 8 мкм для радиуса отверстия 0,15 мм. Максимальное напряжение при этих условиях будет равно 16, 34 и 43 МПа соответственно. Учитывая большое число циклов напряжения, прилагаемых к мембране 117 во время работы клапана 110, максимальное напряжение за один цикл, испытываемое мембраной 117, должно быть значительно ниже, чем предел текучести материала мембраны 117, чтобы уменьшить вероятность усталостного разрушения мембраны 117, особенно на участке углубления мембраны 117, продолжающегося в отверстия 120. На основании характеристик усталостной прочности, собранных для большого числа циклов, было определено, что фактический предел текучести материала мембраны 117 должен быть по меньшей мере порядка в четыре раза больше, чем напряжение, прилагаемое к материалу мембраны 117 (например, 16, 34 и 43 МПа, как было вычислено выше). Тем самым материал мембраны 117 должен иметь предел текучести до 1500 МПа, чтобы уменьшить до минимума вероятность таких разрушений для максимального диаметра отверстия, в этом случае приблизительно 200 мкм.
gap
gap
Уменьшение диаметра отверстий 120 ниже этого значения может быть желательно, если это дополнительно уменьшает напряжение на мембране 117, и не оказывает значительного влияния на сопротивление потоку в клапане, до тех пор пока диаметр отверстий 120 не достигнет того же размера, что и зазор мембраны d. Дополнительно, уменьшение диаметра отверстий 120 позволяет разместить большее количество отверстий 120 на единицу площади поверхности клапана 110 для данной длины (s) перекрытия. Однако на размер диаметра отверстий 120 могут накладываться ограничения, по меньшей мере частично, способом изготовления пластин клапана 110. Например, химическое травление накладывает на диаметр отверстий 120 ограничение, что он должен быть больше, чем приблизительно толщина пластин, чтобы обеспечить повторяемые и управляемые результаты травления. В одном варианте осуществления отверстия 120 в пластине 116 блокирования имеют диаметр между порядка 20 мкм и порядка 500 мкм. В другом варианте осуществления пластина 114 удержания и пластина 116 блокирования изготовлены из листовой стали порядка 100 мкм толщиной и отверстия 118, 120 имеют диаметр порядка 150 мкм. В этом варианте осуществления мембрана 117 клапана изготовлена из полиэтилентерефталата (ПЭТ) и имеет толщину порядка 3 мкм. Зазор клапана (v) между пластиной 116 блокирования и пластиной 114 удержания составляет порядка 25 мкм.
с
Фиг. 11А и 11В иллюстрируют еще один вариант осуществления клапана 110, клапан 310, содержащий отверстия 318 для отделения, продолжающиеся через пластину 114 удержания между отверстиями 118 в пластине 114 удержания. Отверстия 318 для отделения способствуют ускорению перемещения мембраны 117 от пластины 114 удержания, когда разность давлений в клапане 310 изменяет направление, тем самым дополнительно уменьшая время отклика клапана 310, т.е. уменьшая время (Т) задержки закрытия. Когда происходит изменение разности давлений и начинается обратный поток (как иллюстрируется штриховыми стрелками 322), давление текучей среды между мембраной 117 и пластиной 116 блокирования уменьшается и поэтому мембрана 117 перемещается от пластины 114 удержания в направлении пластины 116 блокирования. Отверстия 318 для отделения открывают наружную поверхность 317 мембраны 117, контактирующей с пластиной 114 удержания, для воздействия разности давлений, действующей, чтобы закрыть клапан 310. Также отверстия 318 для отделения уменьшают расстояние 360, которое текучая среда должна пройти между пластиной 114 удержания и мембраной 117, чтобы отделить мембрану 117 от пластины 114 удержания, как иллюстрируется на фиг. 11В. Отверстия 318 для отделения могут иметь диаметр, отличающийся от диаметров других отверстий 118, 20 в пластинах клапана. На фиг. 11А и фиг. 11В пластина 114 удержания выполняет функцию ограничения перемещения мембраны 117 и для поддержки мембраны 117 в открытом положении, при этом она имеет уменьшенную площадь поверхности контакта с поверхностью 317 мембраны 117.
На фиг. 12А и 12В показаны два клапана 110, показанные на фиг. 7А, при этом один клапан 410 ориентирован таким же образом, что и клапан 110 на фиг. 7А, а другой клапан 420 повернут на 180 градусов, т.е. пластина 114 удержания располагается с его нижней стороны, а пластина 116 блокирования - с его верхней стороны. Клапаны 410, 420 работают таким же образом, как было описано выше для клапана 110 на фиг. 7А-7С и фиг. 8А-8В, но при этом воздух течет в противоположных направлениях, как указано штриховой стрелкой 412 для клапана 410 и штриховой стрелкой 422 для клапана 420, причем один клапан выполняет функцию впускного клапана и другой выполняет функцию выпускного клапана. На фиг. 12С показан график цикла работы клапанов 410, 420 между открытым и закрытым положениями, который модулируется посредством циклического изменения разности давлений (ΔР) в виде прямоугольной волны, как иллюстрируется штриховыми линиями (см. фиг. 9А и фиг. 9В). График показывает половину цикла для каждого из клапанов 410, 420, когда каждый из них открывается из закрытого положения. Когда разность давлений в клапане 410 является первоначально отрицательной и она изменяется на противоположную и становится положительной разностью давлений (+ΔР), клапан 410 открывается, как было описано выше и показано с помощью графика 414, при этом текучая среда течет в направлении, указанном стрелкой 412. Однако, когда разность давлений в клапане 420 является первоначально положительной и она изменяется на противоположную и становится отрицательной разностью давлений (-ΔР), клапан 420 открывается, как было описано выше и показано с помощью графика 424, при этом текучая среда течет в противоположном направлении, как указано стрелкой 422. Следовательно, комбинация клапанов 410, 420 функционирует как двунаправленный клапан, позволяющий текучей среде течь в обоих направлениях в ответ на циклическое изменение разности давлений (ΔР). Клапаны 410, 420 могут быть установлены удобным образом рядом друг с другом в первом отверстии 46' насоса 10, чтобы обеспечить поток текучей среды в направлении, указанном сплошной стрелкой, в первом отверстии 46', как показано на фиг. 6А для одной половины цикла, и затем в противоположном направлении (не показано) для обратной половины цикла.
На фиг. 13 и фиг. 14 показан еще один вариант осуществления клапанов 410, 420 на фиг. 12А, в котором два клапана 510, 520, соответствующие клапанам 410, 420, соответственно, выполнены как одна конструкция 505. По существу два клапана 510, 520 разделены общей стенкой или разделительным барьером 540, который в этом случае выполнен как часть стенки 112, хотя возможны другие конструкции. Когда разность давлений в клапане 510 является первоначально отрицательной и она изменяется на противоположную и становится положительной разностью давлений (+ΔР), клапан 510 открывается из его нормально закрытого положения, при этом текучая среда течет в направлении, указанном стрелкой 512. Однако, когда разность давлений в клапане 520 является первоначально положительной и она изменяется на противоположную и становится отрицательной разностью давлений (-ΔР), клапан 520 открывается из его нормально закрытого положения, при этом текучая среда течет в противоположном направлении, указанном стрелкой 522. Следовательно, комбинация клапанов 510, 520 функционирует как двунаправленный клапан, позволяющий текучей среде течь в обоих направлениях в ответ на циклическое изменение разности давлений (ΔР).
На фиг. 15 показан еще один вариант осуществления двунаправленного клапана 550, имеющего конструкцию, подобную конструкции двунаправленного клапана 505 на фиг. 14. Двунаправленный клапан 550 также выполнен как одна конструкция, имеющая два клапана 510, 530, которые разделены общей стенкой или разделительным барьером 560, который также выполнен как часть стенки 112. Клапан 510 работает таким же образом, как было описано выше для мембраны 117, и показан в нормально закрытом положении, блокирующем отверстия 120, как также было описано выше. Однако двунаправленный клапан 550 имеет одну мембрану 117, имеющую первую часть 117а мембраны в клапане 510 и вторую часть 117b мембраны в клапане 530. Вторая часть 117b мембраны прижимается к пластине 516 и содержит отверстия 522, которые выровнены с отверстиями 120 в пластине 516, а не с отверстиями 118 пластины 514, в отличии клапанов, описанных выше. По существу, клапан 530 смещен частью 117b мембраны в нормально открытое положение в отличие от нормально закрытого положения других клапанов, описанных выше. Тем самым комбинация клапанов 510, 530 функционирует как двунаправленный клапан, позволяющий текучей среде течь в обоих направлениях в ответ на циклическое изменение разности давлений (ΔР), при этом два клапана открываются и закрываются в чередующихся циклах.
Из изложенного выше очевидно, что предложено изобретение, имеющее значительные преимущества. Хотя было показано несколько вариантов его осуществления, оно не ограничивается только этими вариантами, и возможны его различные изменения и модификации, в пределах сущности и объема изобретения.