ДИАФРАГМЕННЫЙ НАСОС С ДВУХПРУЖИННЫМ ОГРАНИЧИТЕЛЕМ ПЕРЕПОЛНЕНИЯ
DIAPHRAGM PUMP WITH DOUBLE-SPRING OVERFLOW LIMITER

Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка подается 04 ноября 2015 года в качестве международной заявки на патент согласно РСТ и испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №62/075,070, поданной 04 ноября 2014 года, и заявкой на патент на изобретение США №14/931,614, поданной 03 ноября 2015 года, содержание которых полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к диафрагменному насосу, в частности, к диафрагменному насосу с гидравлическим приводом, снабженному устройством для предотвращения переполнения, в котором используются две пружины с разными постоянными упругости.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Диафрагменные насосы представляют собой насосы, в которых перекачиваемая жидкость продвигается диафрагмой. В насосах с гидравлическим приводом диафрагма выгибается под действием гидравлической жидкости, оказывающей не нее давление. Такие насосы доказали свою эффективность за счет оптимального сочетания стоимости, коэффициента полезного действия и надежности. Однако такие насосы требуют наличия специальных предохранительных устройств, препятствующих их переполнению гидравлической жидкостью. В синхронных насосах высокого давления состояние переполнения может привести к ударам поршня о коллектор насоса и возникновению скачков давления, оказывающих воздействие на диафрагму, что может привести к ее выходу из строя.
Для предотвращения таких отказов были разработаны системы ограничения переполнения. Одна из усовершенствованных клапанных систем, ограничивающая переполнение, раскрыта в патенте США №6,899,530, выданном Lehrke и Hembree, право на который было переуступлено компании Wanner Engineering, Inc., г. Миннеаполис, штат Миннесота. В этой системе используется более тугая пружина, чем в стандартных насосах. Кроме того, в цилиндре предусмотрена канавка, обеспечивающая возможность заливки гидравлической камеры насоса. Однако такие системы могут характеризоваться небольшими протечками гидравлической жидкости при ходе сжатия под сверхвысоким давлением. А в некоторых сферах применения недопустимы даже такие небольшие протечки, что ограничивает использование такой системы в насосах низкого давления.
Еще одна система, также разработанная Lehrke и Hembree, право на которую передано компании Wanner Engineering, Inc., описана в патенте США №7,090,474. В этом патенте раскрыта система, в которой не предусмотрена канавка, и в которой используется мягкая пружина, оказывающая давление на диафрагму даже в пустом состоянии. Эта конфигурация обеспечивает возможность заливки насоса без использования канавки. Однако для предотвращения переполнения используется ограничитель хода, установленный на золотнике клапана, который вызывает повышение давления при переполнении гидравлической камеры. Следовательно, при определенных обстоятельствах в условиях переполнения диафрагмы давление может резко возрастать, что может вызывать повышенную нагрузку на диафрагму в этих условиях.
Таким образом, следует иметь в виду, что требуется диафрагменный насос с ограничителем переполнения, в котором устранены проблемы предшествующего уровня техники. Такая система должна обеспечивать небольшой перепад давления на диафрагме, позволяющий производить заливку гидравлической жидкости без необходимости наличия канавки в цилиндре, а также предотвращать чрезмерное переполнение без чрезмерного повышения значений давления, что может иметь место при использовании жесткого ограничителя хода. Более того, такой насос и система должны быть недорогими, простыми в изготовлении и эксплуатации; при этом они должны минимизировать нагрузку на диафрагму для обеспечения ее высокой надежности. Настоящее изобретение устраняет эти и другие проблемы, присущие диафрагменным насосам.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Диафрагменный насос содержит корпус с насосной камерой для перекачиваемой рабочей жидкости. Передаточная камера выполнена с возможностью приема гидравлической жидкости, выгибающей диафрагму; при этом она сообщается по текучей среде с емкостью для гидравлической жидкости. В насосной камере располагается цилиндр, содержащий поршень, который совершает возвратно-поступательные движения, перекачивая гидравлическую жидкость. Поршень также характеризуется наличием внутренней камеры с отверстием, образующим клапан, ведущий во внутреннюю камеру поршня и предназначенный для регулирования расхода гидравлической жидкости. Золотник клапана установлен с возможностью скольжения во внутренней камере поршня для закрытия клапана в первом положении и открытия клапана во втором положении. Плунжер соединяет золотник клапана с диафрагмой. Первая пружина расположена во внутренней камере поршня между золотником клапана и проставкой, и характеризуется первой постоянной упругости. Перемещение первой пружины ограничено проставкой, установленной с возможностью скольжения во внутренней камере поршня. Вторая пружина также расположена во внутренней камере поршня между концом внутренней камеры поршня и проставкой. Вторая пружина характеризуется второй постоянной упругости, которая превышает первую постоянную упругости. Таким образом, сначала сжимается первая пружина, а затем - вторая пружина. В состоянии переполнения первая и вторая пружины воздействуют на золотник клапана с целью закрытия проходного отверстия клапана и предотвращения чрезмерного переполнения.
Эти новые признаки и различные другие преимущества, которые характеризуют настоящее изобретение, подробно раскрыты в формуле изобретения, прилагаемой к нему и образующей неотъемлемую часть настоящего документа. Однако для лучшего понимания сущности настоящего изобретения, его преимуществ и целей, достигаемых за счет его использования, необходима привязка к чертежам, являющихся еще одной неотъемлемой частью заявленного изобретения, а также к сопроводительному текстовому материалу, иллюстрирующему и описывающему один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание фигур
Ниже перечислены чертежи, в которых соответствующие детали на всех видах обозначены одинаковыми номерами позиций и буквенными обозначениями, где:
На фиг. 1 показан вид сбоку в поперечном разрезе диафрагменного насоса согласно принципам настоящего изобретения в первом положении;
На фиг. 2 представлен вид сбоку в поперечном разрезе диафрагменного насоса, показанного на фиг. 1, во втором положении;
На фиг. 3 представлен вид сбоку в поперечном разрезе диафрагменного насоса, показанного на фиг. 1, в третьем положении;
На фиг. 4 представлен вид сбоку в поперечном разрезе диафрагменного насоса, показанного на фиг. 1, в четвертом положении; а
На фиг. 5 представлен график зависимости давления от прогиба пружины для устройства предотвращения переполнения диафрагменного насоса, показанного на фиг. 1.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
На чертежах, в частности, на фиг. 1-4 показан диафрагменный насос, обозначенный позицией (10). Диафрагменный насос (10) содержит корпус (12) насоса. Корпус (12) образует цилиндр (14), в котором находится возвратно-поступательный поршень (16). Диафрагма (18) образует барьер между передаточной камерой, в которой гидравлическая жидкость воздействует на диафрагму, и насосной камерой (20), в которую поступает перекачиваемая рабочая жидкость. Диафрагма (18) выгибается возвратно-поступательным образом, обеспечивая перекачку рабочей жидкости.
Плунжер (26) отходит от золотника (30) клапана в поршне (18) и соединяется с диафрагмой (18). Плунжер (26) может быть полым; при этом он может быть снабжен выполненными в нем отверстиями (28), обеспечивающими подачу гидравлической жидкости в том случае, когда возникает потребность в пополнении гидравлической жидкостью передаточной камеры. Золотник (30) клапана перемещается в продольном направлении по ходу поршня (16) в полости (34), образованной внутри поршня (16). Проходное отверстие (32) клапана выполнено сбоку поршня (16); при этом оно перекрывается золотником (30) клапана с целью открытия и закрытия прохода для гидравлической жидкости в нормальном режиме работы. Конец поршня (16) содержит впускные отверстия (52) и шаровые обратные клапаны (50), которые регулируют расход гидравлической жидкости, поступающей из емкости для гидравлической жидкости. Золотник (30) клапана также содержит первую пружину (40); вторую пружину (42), жесткость которой превышает жесткость первой пружины (40); и подвижную проставку (44); при этом указанные элементы выполнены с возможностью выполнения функции ограничителя переполнения.
На фиг. 3 показан насос (10), не заправленный гидравлической жидкостью, в исходном положении перед пуском. Поршень (16) находится в положении верхней мертвой точки. Однако в условиях отсутствия гидравлической жидкости диафрагма (18) принудительно смещается в положение нижней мертвой точки под действием первой пружины (40). В этом положении золотник (30) клапана не закрывает проходное отверстие (32) клапана. Во время установки первая пружина (40) сжимается с прогибом, составляющим около одного дюйма, вследствие чего в исходном положении первая пружина (40) оказывает небольшое давление, составляющее, например, 2 фунта/кв. дюйм. Пружины (40) и (42) характеризуются разными постоянными упругости; при этом вторая пружина (42) отличается большей жесткостью и характеризуется большей постоянной упругости, чем первая пружина (40). Стандартная постоянная упругости первой пружины (40) будет обеспечивать давление на диафрагму (18) в пределах около 10 фунтов/кв. дюйм, тогда как вторая пружина (42) может характеризоваться такой постоянной упругости, которая создает давление в пределах около 100 фунтов/кв.дюйм. Следует иметь в виду, что в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения прогиб первой пружины (40) в 1,96 дюйма обеспечивает давление в 4 фунта/кв. дюйм. При сухом запуске, как это показано на фиг. 3, пружины (40) и (42) создают давление в пределах 1-4 фунта/кв. дюйм, что дает возможность заправить насос (10) гидравлической жидкостью. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения и в конфигурации пуска, показанной на фиг. 3, первая пружина (40) сжимается во время установки таким образом, что давление пуска составляет около 2 фунтов/кв. дюйм.
На фиг. 1 проиллюстрирован насос (10) с поршнем (16), находящимся в положении нижней мертвой точки. В этом положении диафрагма (18) оттягивается назад в передаточную камеру, а не выгибается наружу. В этом положении золотник (30) клапана почти полностью закрывает проходное отверстие (32) клапана, но не герметизирует его. Это нормальное рабочее положение при заливке и функционировании насоса (10) в соответствии с проектными требованиями.
На фиг. 2 поршень (16) показан в положении верхней мертвой точки. Диафрагма (18) выгибается наружу, оказывая воздействие на перекачиваемую рабочую жидкость. Золотник (30) клапана расположен так, что отверстие (32) остается приоткрытым. Это нормальное рабочее положение при заливке и функционировании насоса (10) в соответствии с проектными требованиями.
На фиг. 4 показан насос (10), который находится в состоянии переполнения; при этом поршень (16) располагается в верхней мертвой точке. При таком положении золотник (30) клапана смещается до вступления в соприкосновение с проставкой (44) и полностью сжимает первую пружину (40), которая характеризуется меньшей постоянной упругости. Так как первая пружина (40) больше не сжимается, нагрузка также сжимает и вторую пружину (42). В этих условиях золотник (30) клапана смещается так, что проходное отверстие (32) клапана оказывается полностью перекрытым золотником (30) клапана. Следует иметь в виду, что за счет более высокой постоянной упругости второй пружины (42) для предотвращения чрезмерного переполнения обычно требуется лишь незначительный прогиб второй пружины (42). Следует принимать во внимание, что первая и вторая пружины (40) и (42) выполнены с возможностью ограничения переполнения в простейших конфигурациях, не требующих наличия особых каналов или внесения иных изменений в конструкцию поршня (16) и/или цилиндра (14), как в системах предшествующего уровня техники. Более того, система согласно настоящему изобретению отличается надежностью и относительной дешевизной в изготовлении, обеспечивая при этом автоматическое ограничение переполнения, что предотвращает повреждение насоса (10).
R
Если обратиться к фиг. 5, то можно рассчитать давление и оценить его воздействие на пружины (40) и (42). В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения площадь поршня насоса составляет 4,9 квадратных дюйма, что является эквивалентной площадью диафрагмы (18). Таким образом, усилие, прикладываемое диафрагмой, поделенное на эквивалентную площадь, дает значение давления на диафрагме (18), которое вычисляется по формуле P=F/A, где Р - давление, F - усилие, а А - площадь. Первая пружина с постоянной упругости 100 фунтов/кв. дюйм при прогибе на полдюйма на площади 4,9 кв. дюйма обеспечивает давление, составляющее около 10 фунтов/кв. дюйм. В нормальном режиме работы пружины (40) и (42) создают давление в пределах 2-5 фунтов/кв. дюйм. Следует иметь в виду, что повышенное давление подвергает диафрагму (18) чрезмерному напряжению, что может привести к ее выходу из строя. Меньшее давление затрудняет заливку и повышает эффективный положительный напор, требуемый на всасывании для работы насоса (NPSH). Более того, можно видеть, что в проиллюстрированной конфигурации, когда в состоянии переполнения поршень (16) находится в верхней мертвой точке, а диафрагма (18) почти соприкасается с коллектором, давление составляет около 10-15 фунтов/кв. дюйм. Давление, под действием которого гидравлическая жидкость поступает в камеру, должно предпочтительно поддерживаться на уровне ниже атмосферного (около 14,7 фунтов/кв. дюйм на уровне моря) с тем, чтобы на практике насос (10) создавал вакуум при давлении, как правило, менее 10 фунтов/кв. дюйм; при этом обычно допустимо давление до 15 фунтов/кв. дюйм.
Следует отметить, что настоящим изобретением предложен надежный диафрагменный насос (10) с простым и надежным ограничителем переполнения. Ограничитель переполнения характеризуется простой и надежной конструкцией и срабатывает автоматически. Более того, насос (10) требует внесения лишь незначительных изменений в систему ограничения переполнения.
Однако следует понимать, что хотя в предшествующем описании были раскрыты различные характеристики и преимущества настоящего изобретения вместе с деталями его конструкции и подробностями функционирования, это описание носит исключительно иллюстративный характер, и в эти детали могут быть внесены определенные изменения, особенно касающиеся формы, размеров и схемы их расположения с соблюдением принципов настоящего изобретения в полном объеме в соответствии с широким общим значением терминов, в которых выражены прилагаемые пункты формулы изобретения.