НАСОС С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
PUMP WITH PIEZOELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к устройствам для перекачивания текучих сред, и может быть использовано 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 пьезоэлектрический насос для перекачивания текучих сред, описанный в патенте RU 2452872, опубликованном 10.06.2012, МПК F04B 9/00. Насос содержит вытеснитель перекачиваемой среды, корпус, расположенные в корпусе и соединенные последовательно задний распорный пьезоэлектрический блок, пьезоэлектрический блок движения, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса, а также передний распорный пьезоэлектрический блок. 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. Вытеснитель соединен с передним распорным пьезоэлектрическим блоком через пластинчатую пружину. Это приводит к пошаговому перемещению вытеснителя относительно корпуса в одном направлении.
Пластинчатая пружина, обеспечивающая сглаживание вибрационных колебаний, передающихся на вытеснитель, вследствие небольшого размера имеет высокие механические напряжения в материале. Это, вместе с циклическим характером нагрузки, приводит к низкому ресурсу ее работы, и как следствие - к низкому ресурсу работы насоса в целом.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в создании надежного пьезоэлектрического насоса.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в в увеличении ресурса работы пьезоэлектрического насоса.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном насосе с пьезоэлектрическим приводом (пьезоэлектрическом насосе), содержащем вытеснитель перекачиваемой среды, корпус, расположенные в корпусе и соединенные последовательно задний распорный пьезоэлектрический блок, пьезоэлектрический блок движения, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса в направлении изменения своей длины, а также передний распорный пьезоэлектрический блок, согласно заявленному изобретению вытеснитель перекачиваемой среды соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения, или с местом, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения, или с задним концом пьезоэлектрического блока движения, или с задним распорным пьезоэлектрическим блоком.
За счет новой формы выполнения связи между вытеснителем перекачиваемой среды, а также задним распорным пьезоэлектрическим блоком, пьезоэлектрическим блоком движения и передним распорным пьезоэлектрическим блоком, удается понизить механические напряжения в материале соединительных элементов и создать надежный насос с пьезоэлектрическим приводом (пьезоэлектрический насос).
Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются лучшими вариантами выполнения со ссылками на чертежи.
Фиг.1 изображает насос с пьезоэлектрическим приводом (пьезоэлектрический насос), у которого вытеснитель перекачиваемой среды соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.2 - разрез пьезоэлектрического насоса в области заднего распорного пьезоэлектрического блока (провода не изображены). Вытеснитель перекачиваемой среды соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.3 - разрез пьезоэлектрического насоса в области пьезоэлектрического блока движения (провода не изображены). Вытеснитель перекачиваемой среды соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.4 - вырыв на блоке движения для демонстрации сжимающего стержня;
Фиг.5 - разрез пьезоэлектрического насоса в области переднего распорного пьезоэлектрического блока (провода не изображены). Вытеснитель перекачиваемой среды соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.6 - пьезоэлектрический насос, у которого вытеснитель перекачиваемой среды соединен с местом, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.7 - разрез пьезоэлектрического насоса в месте соединения вытеснителя с пьезоэлектрическим блоком движения (провода не изображены). Вытеснитель перекачиваемой среды соединен с местом, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.8 - разрез пьезоэлектрического насоса между местом соединения вытеснителя с пьезоэлектрическим блоком движения и передним распорным пьезоэлектрическим блоком (провода не изображены). Вытеснитель перекачиваемой среды соединен с местом, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения;
Фиг.9 - пьезоэлектрический насос, у которого вытеснитель перекачиваемой среды соединен с задним концом пьезоэлектрического блока движения (провода не изображены);
Фиг.10 - пьезоэлектрический насос, у которого вытеснитель перекачиваемой среды соединен с задним распорным пьезоэлектрическим блоком (провода не изображены).
Насос с пьезоэлектрическим приводом (пьезоэлектрический насос) 1 (фиг.1, 6, 9 и 10) содержит корпус 2 трубчатой формы, расположенные в нем и соединенные последовательно задний распорный пьезоэлектрический блок 3, пьезоэлектрический блок движения 4, передний распорный пьезоэлектрический блок 5. Задний распорный пьезоэлектрический блок 3 состоит из скобы 6 и пьезопакетов 7 и 8. Скоба 6 представляет собой U-образную деталь, состоящую из двух продольных пластин и соединяющей их поперечной пластины. Пьезопакеты 7 и 8 расположены между продольными пластинами скобы 6. Направления изменения длин пьезопакетов 7 и 8 перпендикулярны продольным пластинам скобы 6.
Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 состоит из скобы 9 и пьезопакетов 10 и 11. Скоба 9 представляет собой U-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 7 и 8 перпендикулярны продольным пластинам скобы 9. В зависимости от требуемого напора применяют необходимое количество пьезопакетов в распорных пьезоэлектрических блоках 3 и 5 насоса 1.
Распорные пьезоэлектрические блоки 3 и 5 и пьезоэлектрический блок движения 4 выполнены с использованием материала, способного изменять свою длину при подведении к ним электрического потенциала, например, из пьезокерамического материала. В качестве пьезокерамического материала может быть применен, например, цирконат свинца, титанат свинца, титанат бария, титанат кальция, или их сочетания, например, в виде твердых растворов.
Распорные пьезоэлектрические блоки и пьезоэлектрический блок движения могут быть изготовлены из слоев и/или пластин пьезокерамического материала, между которыми расположены слои токопроводящего материала, например, металла. Слои токопроводящего материала предназначены для присоединения электрических проводов. Пластины пьезоэлектрического материала заднего и переднего распорных пьезоэлектрических блоков 3 и 5 расположены параллельно направлению изменения длины пьезоэлектрического блока движения 4. При этом пластины пьезоэлектрического материала заднего распорного пьезоэлектрического блока 3 расположены параллельно продольным пластинам скобы 6. А пластины пьезоэлектрического материала переднего распорного пьезоэлектрического блока 5 расположены параллельно продольным пластинам скобы 9. Пластины пьезоэлектрического материала пьезоэлектрического блока движения 4 расположены перпендикулярно направлению изменения длины пьезоэлектрического блока движения 4.
В передней части насоса расположен вытеснитель перекачиваемой среды 12. В задней части насоса расположена крышка 13. Задняя крышка 13 может быть выполнена деформируемой, например, в виде герметичного сильфона. При перекачке жидкостей насосом 1 в условиях высокого или переменного давления окружающей среды корпус 2 может быть полностью или частично заполнен жидкостью, например, полиэтилсилоксановой жидкостью. При изменении давления окружающей среды и/или температуры, жидкость, заполняющая внутреннюю герметичную полость корпуса 2, в которой движутся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5, может вытесняться в деформируемую заднюю крышку 13 и поступать из нее обратно. Из-за несжимаемости жидкости задняя крышка 13 вследствие перемещения вытеснителя 12 синхронно с ним расширяется и сжимается.
Для обеспечения циклической работы насоса 1 применен впускной клапан 14 и выпускной клапан 15. Клапаны расположены в передней части корпуса 2 перед вытеснителем 12. В качестве вытеснителя перекачиваемой среды 12 может быть применен плунжер 16, который находится в корпусе плунжера 17. Корпус плунжера 17 соединен с корпусом 2. В месте, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения 4, может быть расположена пластина 18 (фиг.6 и 7). Гидрозащита 19 (фиг.1, 6, 9 и 10) изолирует перекачиваемую плунжерной парой среду от области корпуса 2, в которой движутся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5. Гидрозащита 19 может быть выполнена в виде детали из тонкого эластичного материала, имеющей периферийный край и отверстие. Например, гидрозащита может быть выполнена в виде эластичной мембраны или диафрагмы. Периферийный край детали из тонкого эластичного материала герметично закреплен вокруг внутренней полости корпуса 2 в области между передним распорным пьезоэлектрическим блоком 5 и вытеснителем перекачиваемой среды 12. В отверстии детали из тонкого эластичного материала находится вытеснитель перекачиваемой среды 12, край этого отверстия герметично закреплен на вытеснителе перекачиваемой среды 12, герметизируя таким образом спереди ту внутреннюю часть полости корпуса 2, в которой находятся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5.
Гидрозащита 19 может быть выполнена в виде сильфонной трубки. При этом одно отверстие сильфонной трубки, которое можно считать периферийным краем, герметично закреплено вокруг внутренней полости корпуса 2 в области между передним распорным пьезоэлектрическим блоком 5 и вытеснителем 12 (плунжером 16). Другое отверстие сильфонной трубки герметично закреплено на вытеснителе перекачиваемой среды 12 (плунжере 16), герметизируя таким образом спереди ту внутреннюю часть полости корпуса 2, в которой находятся пьезоэлектрические блоки 3, 4 и 5. Отверстия 29, выполненные в корпусе 2, соединяют поверхность гидрозащиты 19, обращенную к вытеснителю перекачиваемой среды 12, с окружающей средой.
Также гидрозащита может быть выполнена в виде сальникового уплотнения, закрепленного на корпусе 2 и охватывающего плунжер 16, не позволяя перекачиваемой жидкости, а также жидкости, окружающей насос 1 (если она есть), проникать внутрь корпуса 2 насоса.
Вытеснитель перекачиваемой среды 12 (плунжер 16) при помощи по меньшей мере одного толкателя 20 соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения 4, или с местом, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения 4, или с задним концом пьезоэлектрического блока движения 4, или с задним распорным пьезоэлектрическим блоком 5. Толкатели 20 расположены между пьезоэлектрическими блоками и внутренней поверхностью щеки 25. Толкатели 20 уменьшают передающиеся на плунжер 16 вибрационные колебания, образующиеся при поступательном движении переднего пьезоэлектрического распорного блока 5. Толкатели 20 изготовлены из материала, обеспечивающего за счет своей упругости и демпфирующих свойств, приемлемое гашение вибрационных колебаний вытеснителя 12 поступающих к нему от пьезоэлектрических блоков. Вместе с тем, поперечное сечение толкателей 20 обеспечивают их устойчивость к сжимающим нагрузкам, приемлемый уровень механических напряжений в их материале, а также их прочность при циклических нагрузках.
Электрический провод 21 присоединен к пьезопакетам 7 и 8 заднего распорного пьезоэлектрического блока 3. Электрический провод 22 присоединен к пьезоэлектрическому блоку движения 4. Электрический провод 23 присоединен к пьезопакетам 10 и 11 переднего распорного пьезоэлектрического блока 5. Электрические провода 21, 22 и 23 подключены к электрическому разъему 27. Электрический разъем 27 может находиться в крышке 13, обеспечивая подключение электрического кабеля питания с наружной стороны насоса.
Кабель питания, подключаемый к насосу 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.
Корпус 2 трубчатой формы может состоять из нескольких деталей, соединенных между собой с образованием внутренней полости трубчатой формы. Например, корпус 2 может состоять из двух пластин трения 24 и двух щек 25 (фиг.2, 3), скрепленных болтами 26. В пластины трения 24 упираются своими торцами пьезопакеты 7, 8, 10, 11 заднего 3 и переднего 5 распорных пьезоэлектрических блоков соответственно через продольные пластины скоб 6 (для заднего блока 3) или 9 (для переднего блока 5). Размер щек 25 между контактирующими с пластинами трения 24 гранями выполнен с очень высокой точностью. На фиг.2 в разрез попал пьезопакет 10 заднего распорного пьезоэлектрического блока 9.
Поперечная пластина U-образной скобы 6 заднего распорного пьезоэлектрического блока 3 обращена вперед. Поперечная пластина U-образной скобы 9 переднего распорного пьезоэлектрического блока 5 обращена назад. Пьезоэлектрический блок движения 4 своим задним концом соединен с поперечной пластиной U-образной скобы 6 заднего распорного пьезоэлектрического блока 3. Пьезоэлектрический блок движения 4 своим передним концом соединен с поперечной пластиной U-образной скобы 9 переднего распорного пьезоэлектрического блока 5. Соединение выполнено упругим элементом или элементами.
Пьезоэлектрический блок движения 4 может содержать внутри себя в отверстии сжимающий стержень 28 (фиг.3, 4), проходящий от заднего конца блока 4 к переднему его концу. Соединение пьезоэлектрического блока движения 4 с U-образными скобами 6 и 9 может быть выполнено сжимающим стержнем 28. Сжимающий стержень 28 соединяет в этом случае поперечные пластины U-образных скоб 6 и 9, например, при помощи резьбовых соединений.
Также пьезоэлектрический блок движения может содержать снаружи себя упругие сжимающие пластины, являющиеся продолжением продольных пластин U-образных скоб и проходящие от заднего конца пьезоэлектрического блока движения 4 к переднему. Соединение пьезоэлектрического блока движения 4 с U-образными скобами в этом случае выполнено упругими сжимающими пластинами, являющимися продолжением продольных пластин U-образных скоб 6 и 9.
У насоса, изображенного на фиг.1, 2, 3 и 5, плунжер 16 при помощи толкателей 20 соединен с передним концом пьезоэлектрического блока движения 4. В этом месте скоба 9 соединена со сжимающим стержнем 28 и с толкателями 20.
У насоса, изображенного на фиг.6, 7 и 8, плунжер 16 при помощи толкателей 20 соединен с местом, расположенным между передним и задним концами пьезоэлектрического блока движения 4. В этом месте расположена пластина 18, она может быть закреплена на сжимающем стержне 28. Также пластина 18 может иметь со сжимающим стержнем 28 скользящее соединение. С пластиной 18 соединены толкатели 20.
У насоса, изображенного на фиг.9, плунжер 16 при помощи толкателей 20 соединен с задним концом пьезоэлектрического блока движения 4. В этом месте скоба 6 соединена со сжимающим стержнем 28 и с толкателями 20. Материал сжимающего стержня 28 в этой конструкции насоса 1 имеет сильную предварительную деформацию растяжения. Эта деформация обеспечена при сборке.
У насоса, изображенного на фиг.10, плунжер 16 при помощи толкателей 20 соединен с задним распорным пьезоэлектрическим блоком 3. Скоба 6 в этой конструкции может иметь форму замкнутой рамки, ее наиболее удаленная от плунжера 16 часть соединена с толкателями 20. Материал сжимающего стержня 28 имеет сильную предварительную деформацию растяжения. Эта деформация обеспечена при сборке.
Устройство работает следующим образом.
В первой фазе нагнетания задний распорный пьезоэлектрический блок 3 (фиг.1, 2, 3 и 5) пьезоэлектрического насоса 1 находится в распертом состоянии, то есть U-образная скоба 6 давит на корпус 2 изнутри в поперечном направлении. Это происходит вследствие подведения к ее пьезопакетам 7 и 8 электрического потенциала от электрического разъема 24 по проводу 21. Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 в этой фазе находится в свободном состоянии, между U-образной скобой 9 и стенками корпуса 2 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 насоса 1. Зазор приводит к дополнительной вибрации, ухудшению напора и быстрому выходу устройства из строя.
Во второй фазе нагнетания электрический потенциал поступает по проводу 22 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 28.
В третьей фазе нагнетания электрический потенциал по проводу 23 поступает на передний распорный пьезоэлектрический блок 5, а именно - на его пьезопакеты 10 и 11, и скоба 9 начинает давить на корпус 2 изнутри. Иначе говоря, блок 5 переходит в распертое состояние. Одновременно с этим электрический потенциал по проводу 21 перестает поступать на задний распорный пьезоэлектрический блок 3, и он переходит в свободное состояние, то есть перестает давить на корпус 2 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 22 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 28 перемещается задний распорный пьезоэлектрический блок 3. В конце четвертой фазы электрический потенциал по проводу 23 перестает поступать на передний распорный пьезоэлектрический блок 5, и он переходит в свободное состояние - перестает давить изнутри на корпус 2.
Такое чередование фаз обеспечивает пошаговое перемещение пьезоэлектрических блоков 3, 4 и 5 вперед. Поскольку плунжер 16 связан с движущимися пьезоблоками при помощи толкателей 20, вместе с ним вперед перемещается перекачиваемая среда, заполняющая пространство между плунжером 16 и корпусом плунжера 17. Впускной клапан 14 при этом закрыт, а выпускной клапан 15 - открыт. Через него перекачиваемая среда выходит из пьезоэлектрического насоса 1 под давлением.
Чередование фаз при нагнетании повторяется многократно до тех пор, пока вытеснитель перекачиваемой среды 12 (плунжер 16) не достигнет крайнего переднего положения. Этот момент определяют по кривой изменения электрического тока в проводе 22. Также этот момент может контролироваться по датчику обратной связи положения пьезоэлектрических блоков или вытеснителя.
После достижения вытеснителем перекачиваемой среды 12 (плунжером 16) крайнего переднего положения начинается всасывание. В первой фазе всасывания задний распорный пьезоэлектрический блок 3 пьезоэлектрического насоса 1 находится в свободном состоянии, то есть U-образная скоба 6 не давит на корпус 2 изнутри, или давит с минимально возможным усилием. Это происходит вследствие отсутствия электрического потенциала на проводе 21 и пьезопакетах 7. Передний распорный пьезоэлектрический блок 5 в этой фазе находится в распертом состоянии, между скобой 9 и стенками корпуса 2 распорное усилие максимально.
Во второй фазе всасывания электрический потенциал поступает по проводу 22 на пьезоэлектрический блок движения 4, и блок увеличивает свою длину. При этом задний распорный блок 3 перемещается назад на небольшое расстояние, противодействуя силе сжимающего стержня 28.
В третьей фазе всасывания электрический потенциал исчезает на проводе 23, на переднем распорном пьезоэлектрическом блоке 5, а именно - на его пьезопакетах 10 и 11, и скоба 9 перестает давить на корпус 2 изнутри. Иначе говоря, блок 5 переходит в свободное состояние. Одновременно с этим электрический потенциал по проводу 21 поступает на задний распорный пьезоэлектрический блок 3, и он переходит в распертое состояние, то есть начинает давить на корпус 2 изнутри.
В четвертой фазе всасывания электрический потенциал перестает поступать по проводу 22 на пьезоэлектрический блок движения 4. Блок под действием сжимающего стержня 28 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 12 (плунжер 16) не достигнет крайнего заднего положения. Момент достижения крайнего заднего положения определяют по нарастанию тока в проводе 22. Также этот момент может контролироваться по датчику обратной связи крайнего заднего положения пьезоэлектрических блоков (на рисунках не показан).
Поскольку плунжер 16 связан с движущимися назад пьезоблоками при помощи толкателей 20, вместе с ним всасывается перекачиваемая среда, заполняя пространство между плунжером 16 и корпусом плунжера 17. Впускной клапан 14 при этом открыт, а выпускной клапан 15 - закрыт.
Толкатели 20 за счет своей упругости и демпфирующих свойств уменьшают передающиеся на плунжер 16 вибрационные колебания, образующиеся при движении пьезоэлектрических блоков 3, 4 и 5. Это уменьшает возможность возникновения кавитации перекачиваемой среды, а также продольную вибрацию насоса 1.
Наиболее успешно заявленный насос с пьезоэлектрическим приводом (пьезоэлектрический насос) промышленно применим 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.