МЕМБРАННЫЙ НАСОС
DIAPHRAGM PUMP

Уровень техники
x
В подающих агрегатах, таких, например, как мембранные насосы для подачи рабочих сред, используются рабочие мембраны (диафрагмы) преимущественно из эластомерных материалов. Такие подающие агрегаты могут применяться для подачи, например, эксплуатационных/вспомогательных материалов или рабочих сред, в частности восстановителей типа водного раствора мочевины, которые используются в системах снижения токсичности отработавших газов (ОГ) для восстановления оксидов азота (NO), присутствующих в ОГ.
Однако применение рабочих мембран, которые изготавливают преимущественно из эластомерных материалов, ограничено областью низких давлений величиной до примерно 6 бар. В принципе назначение подобных рабочих мембран состоит в создании ими разрежения для всасывания перекачиваемой среды, соответственно в создании ими давления для нагнетания перекачиваемой среды путем их приведения в колебательное, постоянно изменяющееся по направлению на противоположное движение связанными с ними механическими деталями, которые соединены с приводом.
Применяемые для этого рабочие мембраны обычно закрепляются по их краю между промежуточной пластиной и корпусом и уплотнены наружу.
Подобная рабочая мембрана, а также принцип ее действия известны из DE 4119228 С2. Во избежание обусловленного изменением давления выпучивания рабочей мембраны согласно предложенному в DE 4119228 С2 решению ее упругая, перемещающаяся, т.е. изгибающаяся, часть нагружена усилием предварительного натяжения, создаваемого подложенными под нее дополнительными элементами. В качестве таких элементов используются прежде всего поддерживающие элементы из пенопласта, позволяющие демпфировать создающие шум собственные колебания рабочей мембраны.
Для совершения движения нагнетания или подачи рабочая мембрана должна иметь упругие части, деформирующиеся при совершении такого движения. Однако эти части рабочих мембран подвержены воздействию исключительно высокой механической нагрузки и имеют лишь ограниченный срок службы. Помимо этого при перепадах давления упругие части рабочей мембраны баллонообразно выпучиваются, и поэтому величина объемной подачи зависит от давления.
Краткое изложение сущности изобретения
Согласно изобретению рабочую мембрану для объемной подачи жидких сред, которая выполнена в основном дисковидной, предлагается стабилизировать поддерживающим или подпирающим элементом в той ее части, где мембрана упруго деформируется и где она на ходе нагнетания подвергается воздействию наибольших механических нагрузок.
Применение поддерживающего элемента позволяет целенаправленно локально усилить уже использующиеся рабочие мембраны, сделав их тем самым пригодными для создания более высоких рабочих давлений. Благодаря усилению рабочей мембраны исключается ее возникающая прежде всего при высоких рабочих давлениях баллонообразная деформация. Подобная деформация изменяла бы объем ограниченной рабочей мембраной нагнетательной полости и тем самым влияла бы на величину объемной подачи. Помимо этого благодаря применению поддерживающего элемента существенно увеличивается срок службы рабочей мембраны.
Дальнейшего улучшения стабильности рабочей мембраны можно добиться, дополнительно усилив ее металлическими вставками, волокнами и/или тканевыми вставками.
Предлагаемый в изобретении поддерживающий элемент в одном из вариантов выполнен в виде поддерживающего диска.
В других вариантах осуществления изобретения поддерживающий элемент выполнен грибо- или манжетообразным.
Использование усиливающей детали в виде поддерживающего диска, соответственно поддерживающей манжеты в сочетании с рабочими мембранами, прежде всего под их упругой частью, позволяет эффективно стабилизировать их. Поддерживающий диск, соответственно поддерживающую манжету можно изготавливать из металлических материалов, таких как листовой металл, высококачественная сталь, или же из пластмасс, например из термопластов. При совершении рабочей мембраной возвратно-поступательного движения нагнетательная полость не увеличивается с ростом давлении, и ее объем остается постоянным, поскольку поддерживающий диск предотвращает деформацию мягкой эластомерной детали.
Предлагаемая в изобретении рабочая мембрана, опирающаяся на поддерживающий элемент, например поддерживающий диск или поддерживающую манжету, зажимается по ее краю между двумя деталями, а именно между корпусной деталью и промежуточной пластиной. Уплотнение рабочей мембраны может обеспечиваться выполненным в ее краевой зоне радиальным уплотнительным утолщением. С целью обеспечить возможность расширения эластомерного материала, соответственно его увеличения в объеме при повышенных температурах предлагаемая в изобретении рабочая мембрана, опирающаяся на поддерживающий элемент, имеет компенсирующее набухание пространство. Такое компенсирующее набухание пространство в предпочтительном варианте предусматривается между уплотнительным утолщением и разделительным ребром и обеспечивает возможность набухания эластомерного материала при повышении температуры и впитывании им текучей среды.
Помимо этого в предпочтительном варианте в нагнетательной полости над мембраной, т.е. с ее верхней стороны, предусмотрен дополнительный объем для образования и в этом месте пространства, компенсирующего расширение материала рабочей мембраны.
Поддерживающий элемент, например в виде поддерживающего диска или поддерживающей манжеты, может быть напрессован, навинчен, приварен или же приклеен. Поддерживающий элемент напрессовывается снизу на анкер или поршень, с верхней стороны которого находится рабочая мембрана, и поэтому не требует его заделки в резиновый материал одновременно с его шприцеванием при изготовлении мембраны, соответственно его размещения в напорной полости. Благодаря этому исключается нарушение непрерывности уплотнения, которое неизбежно при предусмотренном в противном случае расположении поддерживающего элемента в напорной полости и которое неизбежно приводит к появлению утечек, соответственно к выходу из строя мембранного узла. Анкер или поршень является частью привода, который служит источником возвратно-поступательного движения, сообщаемого рабочей мембране.
В предпочтительном варианте край поддерживающего диска закругляют, при этом радиус закругления выбирают таким, чтобы рабочая мембрана при ее приведении в возвратно-поступательное движение анкером или поршнем огибала поддерживающий диск по этому радиусу.
В одном из предпочтительных вариантов поддерживающий элемент, на который мембрана опирается со своей нижней стороны, можно изготавливать в виде поддерживающей манжеты. Такую деталь можно изготавливать из металлического материала, например по технологии гибки в штампе. Преимущество, связанное с выполнением поддерживающего элемента в виде поддерживающей манжеты, состоит в том, что она позволяет существенно улучшить монтаж благодаря возможности более гибкого варьирования величины расширения стенки крепежной части поддерживающей манжеты. Выполнение дополнительных прорезей в зоне стенки крепежной части поддерживающей манжеты позволяет варьировать необходимые для ее крепления монтажные усилия. Помимо этого с внутренней стороны манжетообразного поддерживающего элемента можно предусмотреть дополнительные выдавленные углубления в радиальной зоне, обеспечив таким путем дополнительное усиление воспринимающих давление поверхностей.
Преимущества изобретения
Предлагаемая в изобретении рабочая мембрана отличается прежде всего возможностью ее применения при давлениях свыше 6 бар и длительным сроком службы при ее использовании прежде всего в области автомобилестроения. Предлагаемая в изобретении рабочая мембрана обеспечивает возможность объемной подачи, что позволяет отказаться от использования датчика давления. Рабочая мембрана благодаря ее опиранию на поддерживающий элемент, например на поддерживающий диск или поддерживающую манжету, позволяет далее обеспечить не зависящую от температуры характеристику подачи текучей среды без возникновения описанного выше эффекта баллонообразного выпучивания, прежде всего при высоких температурах и высоких давлениях.
Благодаря предусмотренному на поддерживающем диске радиусу огибания мембрана на протяжении всего своего сообщаемого ей анкером возвратно-поступательного движения плотно прижимается к поддерживающему диску. Тем самым в любой фазе движения мембраны достигается стабилизирующее ее действие.
Рабочую мембрану можно дополнительно усилить путем помещения в нее металлических вставок, волокон и/или тканевых вставок. Благодаря этому дополнительно повышается стойкость рабочей мембраны к давлению и существенно увеличивается срок ее службы.
Величина объемной подачи, которую позволяет обеспечить предлагаемая в изобретении рабочая мембрана, остается постоянной, т.е. не зависит от набухания, соответственно объемного расширения материала мембраны и от влияний температуры. Равным образом снижается и зависимость величины объемной подачи от давления.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - рабочая мембрана, опирающаяся на установленный на анкере поддерживающий элемент, который в данном случае выполнен в виде диска,
на фиг. 2 - опирающаяся на поддерживающий элемент рабочая мембрана в смонтированном между корпусом и промежуточной пластиной состоянии,
на фиг. 3 - рабочая мембрана, опирающаяся на поддерживающую манжету,
на фиг. 4 - вид в аксонометрии снизу поддерживающей манжеты с выдавленными углублениями и прорезями,
на фиг. 5 - вид в аксонометрии снизу поддерживающей манжеты с выдавленными углублениями и
на фиг. 6 - характеристики расхода текучей среды при ее перекачивании обычными мембранами, соответственно мембранами объемной подачи.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 показана рабочая мембрана, опирающаяся на установленный на анкере дисковидный поддерживающий элемент.
На фиг. 1 показана рабочая мембрана 14, которая поднутрением 16 прочно закреплена на головке 12 анкера 10. Соединение между рабочей мембраной 14 и головкой 12 анкера 10 может выполняться, например, путем вулканизации. Анкер 10 сообщает рабочей мембране 14 возвратно-поступательное движение, вызывающее ее деформирование в упругой части 26. Для стабилизации рабочей мембраны 14 на анкере 10 установлен поддерживающий диск 18. Анкер 10 и поддерживающий диск 18 соединены между собой прессовым соединением, сварным соединением, клеевым соединением и/или резьбовым соединением 20. Края поддерживающего диска 18 выполнены закругленными по радиусу 48 огибания. Благодаря такому радиусу 48 огибания на поддерживающем диске 18 мембрана 14 плотно прилегает к нему на протяжении всего сообщаемого ей анкером 10 возвратно-поступательного движения. Тем самым в каждой фазе движения достигается стабилизирующее мембрану действие. Край 22 рабочей мембраны 14 выполнен усиленным, соответственно утолщенным и окружает углубление 24.
В данном и в других вариантах рабочую мембрану 14 можно дополнительно усилить путем помещения в нее металлических вставок, волокон и/или тканевых вставок. Благодаря этому дополнительно повышается стойкость рабочей мембраны 14 к давлению и существенно увеличивается срок ее службы.
На фиг. 2 показана опирающаяся на поддерживающий элемент рабочая мембрана в смонтированном состоянии.
На фиг. 2 рабочая мембрана 14, которая поднутрением 16 прочно закреплена на головке 12 анкера 10, показана в смонтированном между корпусной деталью 31 и промежуточной пластиной 30 состоянии 28. На анкере 10 установлен поддерживающий диск 18. Анкер 10 пропущен через отверстие 51 в корпусной детали 31. Корпусная деталь 31 имеет далее ваннообразное углубление 52, обеспечивающее наличие достаточного пространства для размещения поддерживающего диска 18, а также для образования полого пространства 50. Нижняя сторона 36 рабочей мембраны 14 прилегает к опорной поверхности 38 корпусной детали 31. Над рабочей мембраной 14 расположена промежуточная пластина 30. Утолщенный край 22 рабочей мембраны 14 служит в качестве уплотнительного утолщения 44 и совместно с выполненным на промежуточной пластине 30 разделительным ребром 46, промежуточной пластиной 30 и углублением 24 ограничивает компенсирующее набухание пространство 40. Такое компенсирующее набухание пространство 40 позволяет вмещать дополнительный объем рабочей мембраны 14, на который она увеличивается при своем набухании вследствие впитывания перекачиваемой среды или при своем расширении вследствие повышения температуры. Разделительные ребра 46, верхняя сторона 34 рабочей мембраны 14 и промежуточная пластина 30 образуют над рабочей мембраной 14 напорную полость, соответственно рабочий объем 32. Размеры напорной полости 32 и полого пространства 50 согласованы с необходимой длиной хода анкера 10, соответственно с необходимым объемным расходом. Такой объемный расход остается приблизительно постоянным даже при изменении температуры и/или давления. Дополнительный объем рабочей мембраны 14, на который она увеличивается при своем тепловом расширении, вмещается компенсирующим набухание пространством 40, а обусловленные изменением давления деформации рабочей мембраны 14 уменьшаются благодаря ее стабилизации поддерживающим диском 18.
На фиг. 3 показан еще один вариант осуществления изобретения с опиранием рабочей мембраны на поддерживающую манжету.
На фиг. 3 показана рабочая мембрана 14, которая поднутрением 16 прочно закреплена на головке 12 анкера 10. Рабочая мембрана 14 при ее приведении в возвратно-поступательное движение анкером 10 деформируется в своих упругих частях 26. Для стабилизации рабочей мембраны 14 на анкере 10 установлена поддерживающая ее манжета 54. В предпочтительном варианте поддерживающая манжета 54 закреплена на анкере 10 прессовым соединением, при котором бортик 62 поддерживающей манжеты 54 прижимается к анкеру 10. Положение поддерживающей манжеты 54 выбрано с таким расчетом, чтобы нижняя сторона 36 упругой части 26 рабочей мембраны 14 прилегала к обращенной к ней опорной поверхности 64 поддерживающей манжеты 54. Край 22 рабочей мембраны 14 выполнен утолщенным и окружает углубление 24 аналогично тому, как это указано в описании предыдущих вариантов.
На фиг. 4 в аксонометрии снизу показана поддерживающая манжета с выдавленными углублениями и прорезями.
На фиг. 4 в аксонометрии снизу показана поддерживающая манжета 54. Поддерживающая манжета 54 имеет опорную поверхность 64. Эта опорная поверхность 64 в зоне края 66 загнута к нижней стороне. В центральной части поддерживающей манжеты 54 опорная поверхность 64 крутым изгибом переходит в бортик 62. Величина радиуса изгиба примерно соответствует толщине материала. Бортик 62 выполнен таким образом, что он позволяет путем запрессовки соединять поддерживающую манжету 54 с анкером 10. При этом при монтаже поддерживающей манжеты 54 ее надвигают снизу на анкер в направлении его головки 12 до упора в нижнюю сторону 37 рабочей мембраны 14.
Поддерживающую манжету 54 в предпочтительном варианте изготавливают по технологии гибки в штампе. Такая технология позволяет гибко регулировать величину расширения стенки бортика 62, т.е. его внутренний диаметр.
Усилие запрессовки в предпочтительном варианте дополнительно варьируют путем выполнения разгрузочных прорезей 58 на переходном участке от бортика 62 к опорной поверхности 64 и/или в самом бортике 62. В показанном на фиг. 4 варианте предусмотрено три такие разгрузочные прорези 58, при этом угол, соответственно угловой шаг между двумя соседними разгрузочными прорезями 58 составляет 120°. В зависимости от требуемого усилия запрессовки можно также предусматривать большее или меньшее количество разгрузочных прорезей 58. Для возможности улучшить передачу создаваемых давлением сил от опорной поверхности 64 на бортик 62, а тем самым и на анкер 10 на переходном участке между бортиком 62 и опорной поверхностью 64 предпочтительно выполнять усиливающие выдавленные углубления 56. В показанном на чертеже варианте поддерживающая манжета 54 имеет три таких усиливающих выдавленных углубления 56, которые в данном случае выполнены в виде овальных желобков. Эти три усиливающих выдавленных углубления 56 расположены вокруг бортика 62, при этом угол, соответственно угловой шаг между двумя соседними усиливающими выдавленными углубления 56 составляет 120°. Усиливающие выдавленные углубления 56 можно выполнять и иной формы, например в виде проходящих через изгиб между опорной поверхностью 64 и бортиком 62 прямых желобков. В данном случае также можно предусматривать большее или меньшее количество усиливающих выдавленных углублений 56.
На фиг. 5 в аксонометрии снизу показана поддерживающая манжета с выдавленными углублениями.
На фиг. 5 в аксонометрии снизу показана выполненная еще по одному варианту поддерживающая манжета 54. Такая поддерживающая манжета 54 имеет опорную поверхность 64, которая в зоне края 66 загнута к нижней стороне. В центральной части опорной поверхности 64 путем отгибания материала поддерживающей манжеты на большой угол сформирован бортик 62. Для лучшей передачи создаваемых давлением сил от опорной поверхности 64 на бортик 62 в показанном на чертеже варианте на поддерживающей манжете предусмотрено три усиливающих выдавленных углубления 56, выполненных в виде овальных желобков. Как уже пояснялось выше в описании предыдущего варианта, можно в зависимости от требований к прочности детали предусматривать также другое количество усиливающих выдавленных углублений 56 и/или выполнять их иной формы.
На фиг. 6 показаны характеристики расхода текучей среды при ее перекачивании насосом с обычными мембранами и насосом с мембранами объемной подачи.
На фиг. 6 в качестве сравнительного примера показаны характеристики расхода Q текучей среды двух мембранных насосов в зависимости от давления р. В виде линии 70 показана характеристика насоса с обычной рабочей мембраной. Расход Q явно уменьшается с ростом давления р. В виде линии 68 показана характеристика насоса с предлагаемой в изобретении мембраной объемной подачи. Нежелательное снижение расхода Q с ростом давления в данном случае явно меньше.
Мембранный насос, оснащенный предлагаемой в изобретении рабочей мембраной, наиболее пригоден для применения в качестве подающего агрегата для подачи эксплуатационных/вспомогательных материалов или рабочих сред. При этом благодаря практически не зависящему от давления и от температуры расходу может отпасть необходимость в сложном и дорогостоящем измерении расхода и/или давления. Подобный подающий агрегат благодаря стабильному расходу пригоден также для применения в медицинской технике.