ДИАФРАГМЕННЫЙ НАСОС
DIAPHRAGM PUMP

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования (СТР), преимущественно для космических летательных аппаратов (КЛА).
Известен диафрагменный насос, включающий мембранную головку, состоящую из корпуса и крышки, между фланцами которых закреплен край мембраны, а также подвижного штока, на котором жестко закреплена центральная часть мембраны, при этом мембранная головка снабжена не менее чем одним нагнетательным и одним всасывающим клапанами, а также входным и выходным штуцерами (RU №253580, F04B43/04, 1969).
Недостатком указанной конструкции является сложность обслуживания.
Указанный недостаток частично устранен в диафрагменном насосе с мембранной головкой, с двумя полостями, образованными мембраной с корпусом и крышкой, между фланцами которых закреплен край мембраны, а также подвижным штоком, установленным с возможностью перемещения относительно корпуса и крышки, на котором жестко закреплена центральная часть мембраны, при этом мембранная головка снабжена парой нагнетательных и парой всасывающих клапанов по одному нагнетательному и одному всасывающему клапану в корпусе и аналогичными клапанами в крышке (RU №2281416, F04B 43/02, 2004).
Для подобных диафрагменных насосов, особенно для СТР КЛА, при перекачке продуктов жизнедеятельности космонавтов актуальна проблема герметичности соединения корпуса с подвижным штоком при воздействии агрессивных компонентов продуктов жизнедеятельности на уплотнения. Поэтому необходима периодическая дополнительная смазка уплотнений подвижного штока в процессе функционирования.
Задачей усовершенствованной конструкции устройства является обеспечение периодической дополнительной смазки уплотнений подвижного штока в процессе функционирования.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение долговечности насоса.
Технический результат достигается тем, что в диафрагменном насосе, включающем мембранную головку с двумя полостями, образованными мембраной с корпусом и крышкой, между фланцами которых закреплен край мембраны, а также подвижным штоком, установленным с возможностью перемещения относительно корпуса и крышки, на котором жестко закреплена центральная часть мембраны, при этом мембранная головка снабжена парой нагнетательных и парой всасывающих клапанов, по одному нагнетательному и одному всасывающему клапану в корпусе и аналогичными клапанами в крышке, в отличие от прототипа в нем корпус со штоком снабжены уплотнительным узлом, состоящим из двух уплотнительных колец радиального сжатия, которые размещены в коаксиальных канавках корпуса, разнесенных вдоль оси штока, и накопительной полости между ними, отделенной перемычками от уплотнительных колец и охватывающей шток, при том в корпусе выполнена цилиндрическая камера с размещенным в ней поршнем того же диаметра, связанная каналом с накопительной полостью со стороны, обращенной к штоку, а с другой стороны, противолежащей штоку, соединенная отверстием с одной из полостей мембранной головки через обратный клапан, причем накопительная полость и соединенная с ней часть цилиндрической камеры заполнены консистентной смазкой, при этом диаметр D поршня определяется формулой:
<mrow><mi>D</mi><mo>≥</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>π</mi><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
, где
D - диаметр поршня;
mp
F - сила трения поршня о стенки камеры;
c
F- сила сцепления смазки со стенками камеры;
Р - давление в полости мембранной головки.
На фиг.1 представлен разрез мембранной головки по А-А, на фиг.2 представлен общий вид мембранного насоса со стороны корпуса в направлении оси штока.
Мембранный насос снабжен мембранной головкой, включающей корпус 1 и крышку 2 с фланцами, шток 3, на котором жестко закреплена центральная часть мембраны 4. Наружный край мембраны 4 закреплен между фланцами корпуса 1 и крышки 2. Полость, образованная корпусом 1 и мембраной 4, через подводящий канал связана с нагнетательным клапаном 5 и всасывающим клапаном 7. Полость, образованная крышкой 2 и мембраной 4, через подводящий канал связана с нагнетательным клапаном 6 и всасывающим клапаном 8. Нагнетательные клапаны 5 и 7 снабжены запорными элементами и присоединяются к выходной магистрали. Всасывающие клапаны 6 и 8 также снабжены запорными элементами и присоединяются к входной магистрали. Место выхода штока 3 из корпуса 1 снабжено уплотнительным узлом, состоящим из двух уплотнительных колец 9 и 10, охватывающих шток 3, которые размещены в коаксиальных канавках корпуса 1. Между уплотнительными кольцами 9 и 10 выполнена накопительная полость 11, охватывающая шток 3, отделенная перемычками от уплотнительных колец. Накопительная полость 11 связана каналом с цилиндрической камерой 12, в которой установлен поршень 13 того же диаметра. К стороне поршня 13, противоположной накопительной полости 11, подводится давление из полости, образованной корпусом 1 и мембраной 4 через обратный клапан 14. Накопительная полость 11 и соединенная с ней часть цилиндрической камеры 12 заполнены консистентной смазкой.
Шток 3 совершает возвратно-поступательные движения относительно мембранной головки. При выдвижении штока 3 из корпуса 1 мембрана 4 создает разрежение атмосферы под крышкой 2, через каналы пониженное давление передается на нагнетательный 6 и всасывающий 8 клапаны. Запорный элемент нагнетательного клапана 6 прижимается к седлу и перекрывает сообщение жидкости с выходной магистралью. Запорный элемент всасывающего клапана 8 открывает входную магистраль и жидкость через подводящий канал извне подается в полость, образованную крышкой 2 и мембраной 4. При перемещении штока 3 внутрь корпуса 1 мембрана 4 сжимает жидкость под крышкой 2, через соответствующий канал повышенное давление передается на нагнетательный 6 и всасывающий 8 клапаны. Запорный элемент всасывающего клапана 8 повышенным давлением прижимается к седлу и перекрывает сообщение жидкости с входной магистрали. Запорный элемент нагнетательного клапана 6 повышенным давлением открывает выходную магистраль и жидкость подается из полости, образованную крышкой 2 и мембраной 4 наружу. Аналогично происходит заполнение и опорожнение полости, образованной корпусом 1 и мембраной 4, только в противоходе с полостью, образованной крышкой 2 и мембраной 4, что позволяет обеспечить работу насоса и при прямом и при обратном ходах штока 3. Наличие уплотнительного узла, включающего накопительную полость 11, заполненную консистентной смазкой, отделенного от рабочей полости мембранной головки уплотнительным кольцом 9, а от окружающей среды уплотнительным кольцом 10, позволяет обеспечить постоянное смазывание штока 3 и уплотнительных колец (9 при втягивании штока 3 в корпус 1, а 10 при выдвижении штока 3 из корпуса 1). При функционировании насоса происходит вынос смазки на поверхности штока 3 за пределы уплотнительного узла, поэтому объем цилиндрической камеры 12 обеспечивает восполнение консистентной смазки в накопительной полости 11 в течение всего ресурса работы за счет подачи давления на поршень 13 из полости диафрагменной головки, образованной корпусом 1 и мембраной 4 при выдвижении штока 3 из корпуса 1. Обратный клапан 14 предохраняет поршень 13 от обратного хода при создании разрежения в полости диафрагменной головки, образованной корпусом 1 и мембраной 4 при втягивании штока 3 в корпус 1.
mp
<mrow><mi>F</mi><mo>≥</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Для того, чтобы поршень 3 мог перемещаться в цилиндрической камере 12, он должен преодолеть силу F трения о стенки камеры и силу Fc сцепления смазки со стенками камеры, т.е. сила, действующая на поршень, должна удовлетворять условию:
Сила, действующая на поршень 13, при создании давления в полости диафрагменной головки, образованной корпусом 1 и мембраной 4 при выдвижении штока 3 из корпуса 1, определяется формулой:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>P</mi><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>P</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
, где
Р - давление в полости мембранной головки;
D - диаметр поршня.
Подставляя (2) в выражение (1), получим:
<mrow><mi>P</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>≥</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>D</mi><mo>≥</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>π</mi><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
, откуда
Выполнение в насосе уплотнительного узла, состоящего из двух уплотнительных колец радиального сжатия, которые размещены в коаксиальных канавках корпуса, разнесенных вдоль оси штока, и накопительной полости между ними, отделенной перемычками от уплотнительных колец и охватывающей шток, а также восполнение консистентной смазки в накопительной полости в течение всего ресурса работы обеспечивает периодическую дополнительную смазку уплотнений подвижного штока в процессе функционирования, что обеспечивает повышение долговечности насоса.