ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к насосостроению, а также компрессоростроению, и может быть использована, например, в качестве насоса (нагнетательного устройства) компрессора холодильной (кондиционной) установки, в компрессорах сжатого воздуха и др. и может быть использовано в автомобильных кондиционерах, компоновке бытовых, промышленных, торговых холодильных установок, насосных станциях различных типов и видов (нефте-газоперегонки), авиационных системах, медицинской технике, элементах систем космических кораблей (замкнутых системах жизнеобеспечения), коммунальных системах водо- и теплоснабжения, перекачки агрессивных жидкостей и газов в химической промышленности, топливных насосов двигателей внутреннего сгорания, другом оборудовании для перекачки агрессивных и абразивных сред, применяемом в литейном производстве, добыче угля и минералов, производстве цемента, стекла и керамики, в установках для дноуглубительных работ, компрессорных системах охлаждения персональных компьютеров, дозировочных насосов, системах пожаротушения общего и специального назначения, в компрессоре бытовой (промышленной) холодильной машины, в том числе и для применения в любых транспортных средствах, в гидравлических и пневматических системах силового и управляющего назначения (термопластавтоматы), в авиации, медицинской технике, робототехнике, в качестве нефте-газо перегонных насосов (насосов перегонки жидких топлив), ступеней многоступенчатых насосов высокого давления (400 атм и более), кораблестроении, коммунальных коммуникациях (системах отопления), насосных установках для перекачки агрессивных сред, в схемах контуров охлаждения ядерных реакторов, пищевой и химической промышленности, дозировочных насосов.
Известен электромагнитный насос, содержащий корпус в виде цилиндра, на наружной поверхности которого установлены катушки, а внутри него - поршень, и систему клапанов, отличающийся тем, что введены коммутирующее устройство, входной и выходной патрубки, объединенные двумя разветвлениями, между которыми установлен корпус таким образом, что он соединен с разветвлениями, образуя единую замкнутую гидравлическую систему, катушки подключены к коммутирующему устройству, при этом детали насоса выполнены из немагнитного материала (полезная модель RU №45006).
Недостатками известной полезной модели являются большие габариты и масса, низкий к.п.д., и, следовательно, низкие показатели энергосбережения и материалоемкости, повышенные потери энергии при ее преобразовании, отсутствие возможности охлаждения катушек. Узость функциональных возможностей не позволяет управлять производительностью в широких пределах.
Известен электромагнитный насос, содержащий цилиндр и магнитный поршень с проходным каналом, в котором встроен обратный клапан, а также две размещенные вдоль оси цилиндра электрические катушки с витками, расположенными по спирали с возможностью электромагнитного взаимодействия с поршнем и охватывающими цилиндр, имеющий впускной и выпускной патрубки (SU №1608358, прототип).
Недостатками этого электромагнитного насоса являются низкие показатели энергосбережения и материалоемкости, повышенные потери энергии при ее преобразовании, плохие условия охлаждения катушек. Узость функциональных возможностей не позволяет управлять производительностью в широких пределах, использовать современные средства управления электропитанием.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного электромагнитного насоса и расширение арсенала электромагнитных насосов.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в уменьшении массогабаритных показателей за счет использования эффективной формы катушек и применения композитных материалов, увеличении к.п.д., улучшении показателей энергосбережения и материалоемкости за счет сокращения потерь энергии при ее преобразовании, повышении технологичности при сборке и ремонте, расширении функциональных возможностей для управления в широких пределах производительностью (по расходу рабочего тела насоса), и давлению благодаря формированию оптимальной конфигурации поля катушек и использованию эффективного устройства управления.
Сущность полезной модели состоит в том, что электромагнитный насос содержит цилиндр и магнитный поршень с проходным каналом, в котором встроен обратный клапан, а также две размещенные вдоль оси цилиндра электрические катушки с витками, расположенными по спирали с возможностью электромагнитного взаимодействия с поршнем и охватывающими цилиндр, имеющий впускной и выпускной патрубки, при этом электрические катушки выполнены с распределением витков, плавно изменяющимся вдоль оси цилиндра с формированием выпуклой
внешней поверхности каждой катушки в виде тела вращения с образующей, состоящей из, по меньшей мере, одного участка параболы, при этом обратный клапан выполнен с двумя соосными седлами, одно из которых выполнено с возможностью герметичного разделения полостей цилиндра, а другое с возможностью пропускания рабочей среды.
Электрические катушки могут быть выполнены с распределением витков, плавно изменяющимся вдоль оси цилиндра с формированием выпуклой внешней поверхности каждой катушки в виде тела вращения с образующей, состоящей из одного участка параболы с фокусом в верхней и нижней мертвой точке хода поршня, или электрические катушки могут быть выполнены с распределением витков, плавно изменяющимся вдоль оси цилиндра с формированием выпуклой внешней поверхности каждой катушки в виде тела вращения с образующей, состоящей из двух сопряженных участков параболы, одна из которых выполнена с фокусом в верхней и нижней мертвой точке хода поршня.
Предпочтительно насос снабжен корпусом, снабженном подводом для хладоносителя, в канале цилиндра соединенном с выпускным патрубком расположен дополнительный обратный клапан, электрические катушки расположены вдоль цилиндра на длину хода поршня, снабжены кожухом и закреплены на поверхности цилиндра.
Цилиндр может быть выполнен из немагнитного материала с магнитными и немагнитными вставками или цилиндр может быть выполнен и композиционного материала, имеющего продольные магнитные и немагнитные вставки.
Катушки могут быть выполнены с возможностью управления при помощи электронной схемы, включающей в себя микропроцессор и дисплей визуального управления, кроме того, катушки могут быть выполнены с возможностью управления переключением режимов работы, как микропроцессором так и простейшей, релейной или полупроводниковой схемой.
В частных случаях реализации полезной модели поршень, по меньшей мере, частично выполнен из магнитного материала, а подвижные части его обратного клапана выполнены из немагнитного материала или из материала с заданными магнитными свойствами, сердечник поршня выполнен из магнитотвердого материала в немагнитной оболочке или оболочке с магнитными свойствами в 2-10 раз ниже
магнитных свойств сердечника, или сердечник поршня выполнен из стали или из композитного магнитного материала.
На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема электромагнитного насоса, катушки которого выполнены с образующей, состоящей из одного участка параболы, на фиг.2 изображена конструктивная схема электромагнитного насоса, катушки которого выполнены с образующей, состоящей из двух участков параболы, содержащего один обратный клапан, на фиг.3 изображена конструктивная схема электромагнитного насоса, катушки которого выполнены с образующей, состоящей из двух участков параболы, содержащего два обратных клапана, на фиг.4 - вид А по фиг.1, 2, 3, на фиг.5 - вид Б по фиг.3, на фиг.6 изображена схема соединения катушек с общим проводом, на фиг.7 - схема раздельного соединения катушек.
Электромагнитный насос содержит цилиндр 1 и магнитный поршень 2 с проходным каналом 3, в котором встроен сферический обратный клапан 4, а также две размещенные вдоль оси цилиндра электрические катушки 5, 6 с витками (не обозначены), расположенными по спирали с возможностью электромагнитного взаимодействия с поршнем 2 и охватывающими цилиндр 1. Цилиндр 1 имеет впускной и выпускной патрубки 7, 8, соответственно. Электрические катушки 5, 6 выполнены с распределением витков, плавно изменяющимся вдоль продольной оси цилиндра 1 с формированием выпуклой внешней поверхности 9, 10 катушек 5, 6, соответственно, в виде тела вращения с образующей, состоящей из, по меньшей мере, одного участка параболы. При этом обратный клапан 4 выполнен с двумя соосными седлами 11, 12, причем седло 11 выполнено с возможностью герметичного разделения полостей цилиндра 1, а седло 12 с возможностью пропускания рабочей среды (жидкости или газа). Ход клапана 4 между седлами 11, 12 обозначен "h", ход поршня 2 обозначен "H".
Электрические катушки 5, 6 на фиг.1 выполнены с распределением витков, плавно изменяющимся вдоль оси цилиндра 1 с формированием плавно изменяющейся выпуклой внешней поверхности 9, 10 каждой катушки 5, 6 в виде тела вращения с образующей, состоящей из одного участка параболы с фокусом в верхней и нижней мертвой точке хода поршня 2, т.е. в точках равновесия сил, приложенных к поршню 2. Парабола - кривая, представляющая собой геометрическое место точек, равноудаленных от прямой (называемой директрисой параболы) и точки (называемой фокусом параболы), лежащей на оси симметрии параболы. На фиг.2, 3 электрические
катушки 5, 6 выполнены с распределением витков, плавно изменяющимся вдоль оси цилиндра 1 с формированием выпуклой внешней поверхности каждой катушки 5, 6 в виде тела вращения с образующей, состоящей из двух сопряженных участков параболы, одна из которых выполнена с фокусом в верхней и нижней мертвой точке хода поршня. Насос снабжен корпусом 13, снабженном подводом (не изображен) для хладоносителя, который обтекает экранирующий кожух 20, в котором расположены катушки 5, 6, циркуляция хладоносителя изображена на фиг.1-3 стрелками.
В канале цилиндра 1 соединенном с выпускным патрубком 8 расположен дополнительный обратный клапан 14, выполненный, как и клапан 4, с двумя соосными седлами 15, 16, причем седло 15 выполнено с возможностью герметичного разделения патрубка 8 от полости цилиндра 1, а седло 16 с возможностью пропускания рабочей среды в патрубок 8.
Электрические катушки 5, 6 расположены вдоль цилиндра 1 на длину хода поршня 2 и закреплены на наружной поверхности цилиндра 1.
Цилиндр 1 может быть выполнен из немагнитного материала с магнитными и немагнитными вставками или цилиндр 1 может быть выполнен и композиционного материала, имеющего продольные магнитные и немагнитные вставки.
Катушки 5, 6 могут быть выполнены с возможностью управления при помощи электронной схемы, включающей в себя микропроцессор 17 и дисплей 18 визуального управления, или катушки 5, 6 могут быть выполнены с возможностью управления переключением режимов работы, как микропроцессором 17 так и простейшей, релейной или полупроводниковой схемой.
Поршень 2, по меньшей мере, частично может быть выполнен из магнитного материала (т.е. материала способного проводить магнитные поля и производить силовую реакцию на наличие или изменение внешнего электромагнитного поля), а подвижные части его обратного клапана 4 могут быть выполнены из немагнитного материала или из материала с заданными магнитными свойствами.
Сердечник 19 поршня 2 может быть выполнен из магнитотвердого материала в немагнитной оболочке (не обозначена) или оболочке с магнитными свойствами в 2-10 раз ниже магнитных свойств сердечника 19.
Сердечник 19 поршня 2 может быть также выполнен из стали или из композитного магнитного материала.
Поршень 2 располагается в цилиндре 1 на удалении от поперечных осей катушек 5, 6 (эквивалентно, соленоидов 5, 6) на расстоянии необходимом для возбуждения электромагнитного усилия, достаточного для создания избыточных давлений (разряжений) в объемах цилиндра, расположенных под соленоидами 5, 6. На фиг.1 поверхности 9, 10 катушек 5, 6 имеют один участок параболы с фокусом в верхней и нижней мертвой точке хода поршня 2. На фиг.2, 3 один участок параболы также выполнен с фокусом в верхней и нижней мертвой точке хода поршня 2, а другой, например, - с фокусами расположенными на осях наклоненных под углами α и β к плоскостям проходящим в верхней и нижней мертвой точке хода поршня 2.
Кроме того, на чертежах обозначены: клеммы 21 катушек 5, 6, уплотнительные кольца 22, устройство 23 управления рабочим процессом насоса, силовые линии 24 питания катушек 5, 6, уровень 25 охлаждающей жидкости, боковые экраны 26 катушек 5, 6, устройство 27 коммутации силовых линий питания катушек 5, 6, шина 28 связей, места 29 крепления насоса.
Электромагнитный насос работает следующим образом.
Устройством 23 микропроцессором 17 или простейшей, релейной или полупроводниковой схемой формируются команды на задействование катушки 5 или катушки 6 и параметры тока и напряжения в них. Электропитание устройством коммутации 25 подается по силовым линиям 24 через клеммы 21 на катушки 5, 6.
В процессе работы насоса осуществляется преобразование электроэнергии на участке от клемм 21 катушек 5, 6 до зоны создания давления рабочего тела посредством привода в движение поршня 2 магнитодвижущей силой, создаваемой катушками 5, 6.
При наведении электрического тока в обмотке одной из катушек, например, 5 магнитный поршень 2 получает поступательное движение в сторону катушки 5, при этом, клапан 4 пропускает рабочее тело насоса в зону катушки 6 через канал 3 в поршне 2. При этом клапан 4 поршня 2 открыт через седло 12, клапан 14 (если он имеется) закрыт - его седло 15 закрыто. Поршень 2 двигается в сторону катушки 5. В результате рабочее тело из патрубка 7 через канал 3 поступает в левую (по чертежу) полость цилиндра 1, которая полностью заполняется в конце хода поршня 2 вправо.
При отключении катушки 5 и включении катушки 6, магнитный поршень 2 получает поступательное движение в сторону катушки 6, при этом клапан 4 поршня 2 запирает рабочее тело насоса в зоне катушки 6. При этом клапан 4 магнитного поршня 2 работает на закрытие седла 11, клапан 14 открыт через седло 16. Усилием
магнитного взаимодействия магнита поршня 2 и электромагнитного поля катушки 6, создается избыточное давление в зоне катушки 6, т.е. в левой полости цилиндра 1. В результате рабочее тело из этой полости вытесняется через патрубок 8 под давлением, а из патрубка 7 свободно поступает под действием разрежения в правую (по чертежу) полость цилиндра 1, которая полностью заполняется в конце хода поршня 2 влево.
Экспериментально подтверждено, что распределение витков катушек 5, 6 с формированием выпуклой внешней поверхности 9, 10 катушек 5, 6, соответственно, в виде тела вращения с образующей, состоящей из, по меньшей мере, одного участка параболы с указанным расположением фокусов параболы, позволяет уменьшить длину поршня 2 и увеличить полезный рабочий объем насоса в тех же габаритах, а также сокращает потери энергии при ее преобразовании на участке от клемм 21 катушек 5, 6 до зоны формирования давления сжатого рабочего тела насоса поршнем 2. Одновременно улучшаются условия теплоотвода и снизить потери на перегрев цилиндра 1 и сердечника 19 и улучшить теплоотвод от витков катушек 5, 6, что напрямую улучшает экономические показатели эффективности насоса.
В процессе работы насоса циклы нагнетания и всасывания поршня 2 повторяются и чередуются в соответствии с командами управления от микропроцессора 17 путем изменения напряжения, тока и частоты переключения катушек 5, 6. Оператор с помощью дисплея 18 контролирует параметры и длительность работы насоса.
В случае наличия обратного клапана 14, отсекающего возможный в некоторых системах «паразитный» подпор из внешнего трубопровода, присоединенного к патрубку 8, увеличивается полезный рабочий объем цикла нагнетания и обеспечивается более плавная и экономичная разгонно-тормозная характеристика при регулировки производительности насоса и в течении всего цикла работы.
В зависимости от схемы подключения насоса фиг.6 или фиг.7 устройство 23 задает разные режимы устройству 25, осуществляющему коммутацию силовых линий 24 питания катушек 5, 6.
Хладоноситель подается в пространство между корпусом 13 и кожухом 20 и циркулирует, отбирая тепло, выделяемое при работе катушек 5, 6.
В случае отключения электропитания катушек 5, 6 и наличия давления в системе, присоединенной к патрубку 8, поршень 2 отводится давлением системы через патрубок 8 и клапан 14 до упора, в крайнее правое положение под катушкой 5.
Управление насосом осуществляется путем изменения напряжения, тока и частоты переключения катушек с помощью устройства 23 управления, которое может быть выполнено, как с помощью релейной схемы, так и с помощью полупроводниковой - микропроцессорной схемы управления, с осуществлением визуального мониторинга при выводе параметров работы на дисплей 18.
Это позволяет управлять производительностью в широких пределах за счет более глубокого регулирования параметров питания катушек 5, 6 по напряжению, току, частоте переключения электропитания катушек 5, 6, что ведет к расширению возможностей управления производительностью в более широких пределах по расходу рабочего тела насоса, давлению. Электромагнитный насос экономически эффективен в производстве и эксплуатации, технологичен при сборке и ремонте, позволяет использовать композитные материалы. В результате обеспечено уменьшение массогабаритных показателей насосов в своем классе мощности, увеличение к.п.д., а следовательно, улучшение показателей энергосбережения и материалоемкости.