ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к устройствам для перекачивания текучих сред, и может быть использована в промышленности, на транспорте и в быту при перекачивании жидкостей, иных несжимаемых и сжимаемых текучих сред, а также при добыче нефти из скважин.
8
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является пьезоэлектрическая насосная установка для перекачивания текучих сред, описанная в патенте RП 2452872, опубликованном 10.06.2012, МПК F04B 9/00. Пьезоэлектрическая насосная установка состоит из корпуса, пьезоякоря, расположенного в корпусе, а также расположенного в передней части корпуса вытеснителя. Пьезоякорь и вытеснитель соединены между собой. Пьезоякорь состоит из соединенных последовательно заднего распорного пьезоэлектрического блока, пьезоэлектрического блока движения, выполненного с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины, а также переднего распорного пьезоэлектрического блока. Распорные пьезоэлектрические блоки и пьезоэлектрический блок движения выполнены с использованием материала, способного изменять свою длину при подведении к ним электрического потенциала, например, из пьезокерамического материала.
Поступающие на распорные пьезоэлектрические блоки электрические импульсы вызывают их поочередную фиксацию внутри корпуса. Пьезоэлектрический блок движения под воздействием поступающего к нему электрического импульса осуществляет периодическое перемещение другого, не зафиксированного внутри корпуса распорного пьезоэлектрического блока, на один шаг. Это приводит к пошаговому перемещению вытеснителя относительно корпуса в одном направлении.
Величина подачи насосной установки в значительной степени зависит от длины пьезоэлектрического блока движения. Однако при значительной длине этого блока под воздействием поступающего к нему электрического импульса он не только увеличивается в длине, но также может изгибаться. Происходит так называемая потеря устойчивости при продольном сжатии. Исключив потерю устойчивости длинного пьезоэлектрического блока движения, можно существенно увеличить подачу пьезоэлектрической насосной установки.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в расширении границ применимости пьезоэлектрической насосной установки.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в увеличении подачи пьезоэлектрической насосной установки.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известной пьезоэлектрической насосной установке, состоящей из корпуса, пьезоякоря, расположенного в корпусе, вытеснителя, расположенного в передней части корпуса, причем пьезоякорь и вытеснитель соединены, пьезоякорь состоит из соединенных последовательно заднего распорного пьезоэлектрического блока, пьезоэлектрического блока движения, выполненного с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины, переднего распорного пьезоэлектрического блока; согласно заявленной полезной модели, в пьезоэлектрическом блоке движения между его передним и задним концами содержится по меньшей мере один ползун; ползун касается корпуса изнутри.
За счет новой конструкции пьезоэлектрического блока движения и дополнительной связи между ним и корпусом, удается увеличить подачу пьезоэлектрической насосной установки.
Указанные преимущества полезной модели, а также ее особенности поясняются лучшими вариантами выполнения со ссылками на чертежи.
Фиг.1 изображает пьезоэлектрическую насосную установку с продольным разрезом корпуса.
Фиг.2 - поперечный разрез пьезоэлектрической насосной установки в области заднего распорного пьезоэлектрического блока (провода не изображены).
Фиг.3 - поперечный разрез пьезоэлектрической насосной установки в области пьезоэлектрического блока движения (провода не изображены).
Фиг.4 - продольный разрез пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.5 - поперечный разрез пьезоэлектрической насосной установки в области переднего распорного пьезоэлектрического блока (провода не изображены).
Пьезоэлектрическая насосная установка (фиг.1) содержит корпус 1 трубчатой формы и расположенный в нем пьезоякорь 2. Пьезоякорь 2 состоит из соединенных последовательно заднего распорного пьезоэлектрического блока 3, пьезоэлектрического блока движения 4, переднего распорного пьезоэлектрического блока 5. Задний распорный пьезоэлектрический блок 3 состоит из скобы 6 и пьезопакетов 7 и 8. Скоба 6 представляет собой П-образную деталь, состоящую из двух продольных пластин и соединяющей их поперечной пластины. Пьезопакеты 7 и 8 расположены между продольными пластинами скобы 6 (фиг.1, 2). Направления изменения длин пьезопакетов 7 и 8 при подведении к ним электрического напряжения перпендикулярны продольным пластинам скобы 6.
Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 состоит из скобы 9 и пьезопакетов 10 и 11 (фиг.1, 5). Скоба 9 представляет собой П-образную деталь, состоящую из двух продольных пластин и соединяющей их поперечной пластины. Пьезопакеты 10 и 11 расположены между продольными пластинами скобы 9. Направления изменения длин пьезопакетов 10 и 11 при подведении к ним электрического напряжения перпендикулярны продольным пластинам скобы 9.
Поперечная пластина П-образной скобы 6 (фиг.1) заднего распорного пьезоэлектрического блока 4 обращена вперед, а поперечная пластина П-образной скобы 9 переднего распорного пьезоэлектрического блока 5 обращена назад. Пьезоэлектрический блок движения 4 своим задним концом соединен с поперечной пластиной П-образной скобы 6 заднего распорного пьезоэлектрического блока 4, а своим передним концом соединен с поперечной пластиной П-образной скобы 9 переднего распорного пьезоэлектрического блока 5. Все продольные пластины П-образных скоб 6 и 9 параллельны.
В зависимости от требуемого напора применяют необходимое количество пьезопакетов в распорных пьезоэлектрических блоках 3 и 5 насосной установки.
В пьезоэлектрическом блоке движения 4 между его передним и задним концами содержится ползун 12 (фиг.1, 4), который касается корпуса изнутри. При большой длине пьезоэлектрического блока движения 4 ползунов может быть несколько, равномерно распределенных по длине блока. Касаясь внутренних стенок корпуса 1 при сжимающих нагрузках, ползуны не позволяют пьезоэлектрическому блоку 4 изгибаться.
Корпус 1 насосной установки может быть частично или полностью заполнен полиэтилсилоксановой жидкостью. Для прохода жидкости при перемещениях пьезоякоря 2 в ползуне 12 выполнены отверстия 13 (фиг.4), соединяющие внутреннюю полость корпуса сзади от ползуна с внутренней полостью корпуса спереди от ползуна
Между передним концом пьезоэлектрического блока движения и ползуном 12 содержится пьезопакет 14 (фиг.1, 3). Пьезопакет 15 (фиг.1) содержится между ползуном 12 и задним концом пьезоэлектрического блока движения. Также Пьезопакеты могут содержаться между ползунами (при нескольких ползунах).
В пьезоэлектрическом блоке движения дополнительно содержится стержень 16 (фиг.3, 4). Он проходит от заднего конца пьезоэлектрического блока движения 4 (фиг.1) к его переднему концу. Соединение поперечной пластины П-образной скобы 6 (фиг.4) заднего распорного пьезоэлектрического блока 3 и стержня 16 выполнено резьбовым. Соединение поперечной пластины П-образной скобы 9 (фиг.1) переднего распорного пьезоэлектрического блока 5 и стержня 16 также выполнено резьбовым. Направления изменения длин пьезопакетов 14 и 15 при подведении к ним электрического напряжения совпадает с направлением стержня 16.
Для дополнительного охлаждения пьезопакетов 14 и 15, а также возможного прохода жидкости внутри пьезоэлектрического блока движения 4 (фиг.3, 4) выполнен канал 17, сообщающий внутреннюю полость корпуса вблизи заднего конца пьезоэлектрического блока движения с внутренней полостью корпуса вблизи переднего конца пьезоэлектрического блока движения. Стержень 16 расположен внутри пьезоэлектрического блока движения 4 с зазором. Канал 17 образован зазором между стержнем 16 и пьезоэлектрическим блоком движения 4. В пьезоэлектрическом блоке движения 4 вблизи заднего конца выполнено отверстие 18 (фиг.4), соединяющее канал 17 с внутренней полостью корпуса. Также в заднем распорном пьезоэлектрическом блоке 3, а именно - в скобе 6 выполнены отверстия 19, соединяющее канал 17 с внутренней полостью корпуса. В пьезоэлектрическом блоке движения 4 вблизи переднего конца также выполнено отверстие, соединяющее канал 17 с внутренней полостью корпуса. Также в переднем распорном пьезоэлектрическом блоке 5 выполнены отверстия 19, соединяющие канал 17 с внутренней полостью корпуса.
Корпус 1 насосной установки состоит из двух пластин трения 20 (фиг.2, 3 и 5) и двух щек 21. Пластины трения 20 расположены параллельно друг напротив друга; в промежутке между ними присоединены щеки 21 с образованием внутренней полости, переднего отверстия внутренней полости и заднего отверстия внутренней полости. Во внутренней полости находится пьезоякорь 2 (фиг.1). Продольные пластины П-образных скоб 6 и 9 заднего и переднего распорных пьезоэлектрических блоков 3 и 5 соответственно, касаются изнутри пластин трения 20. Корпус вытеснителя 22 соединен с передним отверстием внутренней полости; корпус вытеснителя 22 является частью корпуса 1. При отсутствии жидкости в корпусе 1, а также частичном его заполнении жидкостью заднее отверстие внутренней полости корпуса может быть герметично закрыто крышкой.
Гидрозащита 23 (фиг.1) изолирует внутреннюю полость корпуса 1, в которой движутся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5, от перекачиваемой среды.
Гидрозащита выполнена из непроницаемого для жидкости тонкого материала, имеющая периферийный край и отверстие. Периферийный край гидрозащиты герметично закреплен в передней части корпуса 1 вокруг его внутренней полости. В отверстии гидрозащиты находится вытеснитель 24. Край отверстия гидрозащиты герметично закреплен вокруг вытеснителя 24, герметизируя спереди внутреннюю полость корпуса, в которой находятся пьезоэлектрические блоки. В корпусе 1 между местом закрепления периферийного края гидрозащиты и местом контакта вытеснителя 24 с корпусом 1 выполнены сквозные отверстия 25.
Гидрозащита может быть выполнена в виде эластичной мембраны или диафрагмы или сильфонной трубки. Сильфонная трубка гидрозащиты может быть мембранного типа 26 (фиг.1) или с радиусными вершинами и впадинами. Между передним и задним концами гидрозащиты 23 дополнительно введен по меньшей мере один ползун 24, выполненный в виде кольца; ползун 27 соосно и герметично соединен с гидрозащитой 23, а именно - с его сильфонными трубками. Ползун 27 касается вытеснителя 24.
В качестве вытеснителя 24, соединенного с пьезоякорем 2 (в конструкции, изображенной на фиг.1 - со скобой 9), может быть применен плунжер 28. Гидрозащита может быть выполнена в виде сальникового уплотнения, герметично закрепленного в корпусе 1 в области между передним распорным пьезоэлектрическим блоком 5 и вытеснителем 24, задняя часть вытеснителя скользит в сальниковом уплотнении.
В корпусе 1 может быть выполнено отверстие, соединяющее наружную поверхность корпуса с внутренней полостью корпуса, в которой находятся пьезоэлектрические блоки. При этом в конструкцию установки добавлен компенсатор, выполненный из непроницаемого для жидкости тонкого материала. Периферийный край компенсатора герметично закреплен вокруг отверстия в корпусе 1, герметизируя внутреннюю полость корпуса, в которой находятся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5. При этом корпус 1 частично или полностью заполнен жидкостью.
В насосную установку, изображенную на фиг.1, дополнительно введен компенсатор 29. Он выполнен из непроницаемого для жидкости тонкого материала, например, из стали или латуни. Периферийный край компенсатора герметично закреплен вокруг заднего отверстия внутренней полости корпуса. При этом корпус частично или полностью заполнен жидкостью, например, полиэтилсилоксановой жидкостью. Компенсатор может быть выполнен в виде эластичной мембраны или диафрагмы или сильфонной трубки. Сильфонная трубка может быть применена с радиусными вершинами и впадинами или, как в компенсаторе 29 на фиг.1, мембранного типа. Незакрепленный край сильфонной трубки компенсатора герметично соединен с крышкой 30. Крышка 30 касается корпуса 1 изнутри; в периферийной части крышки 30 выполнено отверстие 31, сообщающее наружную поверхность сильфонной трубки компенсатора с окружающей средой.
Между передним и задним концами компенсатора 29 дополнительно введен ползун 32, выполненный в виде кольца. Ползун 32 соосно и герметично соединен с компенсатором 29, а именно - с его сильфонными трубками. Ползун 32 касается корпуса 1 изнутри. В периферийной части кольца ползуна 32 выполнено отверстие 33, сообщающее наружную поверхность сильфонной трубки компенсатора спереди от ползуна 32 с наружной поверхностью сильфонной трубки компенсатора сзади от ползуна 32.
Соединения деталей корпуса 1 выполнены болтами 34 (фиг.2, 3, 5) или резьбовыми шпильками. Они могут быть герметизированы эластичными уплотнениями и/или пропайкой оловом, оловянным припоем, серебряным припоем, медно-фосфорным припоем, латунью.
Для обеспечения циклической работы установки применен впускной клапан 35 и выпускной клапан 36. Клапаны расположены в передней части корпуса 1 перед вытеснителем 24.
Вытеснитель 24 (плунжер 28) соединен с пьезоякорем 2, в конструкции, изображенной на фиг.1 - с передним концом пьезоэлектрического блока движения 4 (со скобой 9) - при посредстве упругого элемента 37. Упругий элемент 37 уменьшает передающиеся на вытеснитель 24 вибрационные колебания, образующиеся при поступательном движении пьезоякоря 2. Упругий элемент 37 изготовлен из материала, обеспечивающего за счет своей упругости и демпфирующих свойств, приемлемое гашение вибрационных колебаний. По конструкции упругий элемент 37 может быть выполнен в виде пружины, например, пластинчатой пружины. Возможно выполнение конструкции в виде спиральной пружины или толкателей из упругого и/или демпфирующего материала.
Электрический провод 38 присоединен к пьезопакетам 7 и 8 заднего распорного пьезоэлектрического блока 3. Электрический провод 39 присоединен к пьезоэлектрическому блоку движения 4. Электрический провод 40 присоединен к пьезопакетам 10 и 11 переднего распорного пьезоэлектрического блока 5. Электрические провода 38, 39 и 40 подключены к электрическому разъему 41. Электрический разъем 41 может находиться в корпусе 1, обеспечивая подключение электрического кабеля питания с наружной стороны установки.
Кабель питания, подключаемый к установке с наружной стороны, может быть выполнен четырехжильным с тремя силовыми жилами и одной общей жилой. Также кабель питания может быть выполнен трехжильным с тремя экранированными жилами, каждая жила в этом случае будет иметь свой экран. Также в кабеле могут быть дополнительные жилы для датчиков обратной связи и приборов телеметрии.
Устройство работает следующим образом.
В первой фазе нагнетания задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1) пьезоэлектрической насосной установки находится в распертом состоянии, то есть П-образная скоба 6 давит на корпус 1 изнутри в поперечном направлении. Это происходит вследствие подведения к ее пьезопакетам 7 и 8 электрического потенциала от электрического разьема 41 по проводу 38. Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 в этой фазе находится в свободном состоянии, между П-образной скобой 9 и стенками корпуса 1 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 установки. Зазор приводит к дополнительной вибрации, ухудшению напора и быстрому выходу устройства из строя.
Во второй фазе нагнетания электрический потенциал поступает по проводу 39 на пьезоэлектрический блок движения 4, и этот блок увеличивает свою длину. При этом соединенный с ним передний распорный блок 5 перемещается на небольшое расстояние, преодолевая усилие сжимающего стержня 16.
В третьей фазе нагнетания электрический потенциал по проводу 40 поступает на передний распорный пьезоэлектрический блок 5, а именно - на его пьезопакеты 10 и 11, и скоба 9 начинает давить на корпус 1 изнутри. Иначе говоря, блок 5 переходит в распертое состояние. Одновременно с этим электрический потенциал по проводу 38 перестает поступать на задний распорный пьезоэлектрический блок 3, и он переходит в свободное состояние, то есть перестает давить на корпус 1 изнутри, или же оказывает минимально возможное давление. Однако зазор в этом случае между корпусом и скобой 9 также отсутствует.
В четвертой фазе нагнетания электрический потенциал перестает поступать по проводу 39 на пьезоэлектрический блок движения 4. Блок 4 переходит в свободное состояние, то есть уменьшает свою длину. При этом вперед на небольшое расстояние под действием силы от сжимающего стержня 16 перемещается задний распорный пьезоэлектрический блок 3. В конце четвертой фазы электрический потенциал по проводу 40 перестает поступать на передний распорный пьезоэлектрический блок 5, и он переходит в свободное состояние - перестает давить изнутри на корпус 1.
Такое чередование фаз обеспечивает пошаговое перемещение пьезоэлектрических блоков 3, 4 и 5 вперед. Поскольку вытеснитель 24 (плунжер 28) связан с движущимися пьезоякорем 2 при помощи упругого элемента 37, вместе с ним вперед перемещается перекачиваемая среда, заполняющая пространство между плунжером 28 и корпусом плунжера 22. Впускной клапан 35 при этом закрыт, а выпускной клапан 36 - открыт. Через него перекачиваемая среда выходит из пьезоэлектрической насосной установки под давлением.
Чередование фаз при нагнетании повторяется многократно до тех пор, пока вытеснитель перекачиваемой среды 24 (плунжер 28) не достигнет крайнего переднего положения. Этот момент определяют по кривой изменения электрического тока в проводе 39. Также этот момент может контролироваться по датчику обратной связи положения пьезоэлектрических блоков или вытеснителя.
После достижения вытеснителем перекачиваемой среды 24 (плунжером 28) крайнего переднего положения начинается всасывание. В первой фазе всасывания задний распорный пьезоэлектрический блок 3 находится в свободном состоянии, то есть П-образная скоба 6 не давит на корпус 1 изнутри, или давит с минимально возможным усилием.
Во второй фазе всасывания пьезоэлектрический блок движения 4 увеличивает свою длину. При этом задний распорный блок 3 перемещается назад на небольшое расстояние, противодействуя силе сжимающего стержня 16.
В третьей фазе всасывания передний распорный блок 5 переходит в свободное состояние. Одновременно с этим задний распорный пьезоэлектрический блок 3 переходит в распертое состояние, то есть начинает давить на корпус 1 изнутри.
В четвертой фазе всасывания пьезоэлектрический блок движения 4 под действием сжимающего стержня 16 переходит в свободное состояние, то есть уменьшает свою длину. При этом назад на небольшое расстояние перемещается передний распорный пьезоэлектрический блок 5.
Подобное чередование фаз при всасывании повторяется многократно до тех пор, пока вытеснитель перекачиваемой среды 24 (плунжер 28) не достигнет крайнего заднего положения. Момент достижения крайнего заднего положения определяют по нарастанию тока в проводе 39. Также этот момент может контролироваться по датчику обратной связи крайнего заднего положения пьезоэлектрических блоков (на рисунках не показан).
Поскольку плунжер 28 связан с движущимся назад пьезоякорем 2, вместе с движением плунжера 28 всасывается перекачиваемая среда, заполняя пространство между плунжером 28 и корпусом вытеснителя 22. Впускной клапан 35 при этом открыт, а выпускной клапан 36 - закрыт.
Упругий элемент 37 за счет своей упругости и демпфирующих свойств уменьшает передающиеся на плунжер 16 вибрационные колебания, образующиеся при движении пьезоякоря 2. Это уменьшает возможность возникновения кавитации перекачиваемой среды, а также продольную вибрацию установки.
Наиболее успешно заявленная пьезоэлектрическая насосная установка промышленно применима 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.