Патент на изобретение №2349795

(54) ДИАФРАГМЕННЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Устройство предназначено для использования в области насосостроения и используется в диафрагменных насосах, в которых решается проблема отказов диафрагмы, вызванных переполнением маслом приводной камеры. Обеспечивается устройство защиты от переполнения в форме механического упора, полностью сжатой цилиндрической пружины, клапанной системы или альтернативные варианты устройства. 32 ил., 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

Настоящая заявка подана 13 мая 2004 года в качестве международной патентной заявки РСТ на имя национальной корпорации Wanner Engineering, Inc., США, с истребованием приоритета по патентной заявке США №10/439535, поданной 16 мая 2003 года.

Область техники

Настоящее изобретение относится, в общем, к усовершенствованному диафрагменному насосу, а более конкретно к усовершенствованному диафрагменному насосу, который содержит устройство защиты от переполнения в части гидравлического привода диафрагмы.

Предшествующий уровень техники

Известные диафрагменные насосы, использующие вращательное движение привода, с использованием масла для подпора/привода диафрагмы являются насосами высокого давления, которые принципиально способны перекачивать многие трудноперекачиваемые текучие среды, поскольку движущиеся поршни или уплотнения не находятся в перекачиваемой текучей среде, что приводило бы к их быстрому износу. Диафрагма полностью изолирует насос от окружающей среды (перекачиваемой текучей среды), защищая, таким образом, насос от загрязнения.

Общий вид диафрагменного насоса 20 приведен на фиг.1. В насосе 20 с приводом от двигателя 21 используется приводной вал 22, жестко фиксируемый в корпусе 24 насоса большим коническим роликоподшипником 26 на заднем конце вала, и подшипником меньших размеров (не показан) на переднем конце вала. Между другой парой больших подшипников (не показаны) имеется угловой кулачок или наклонный диск 28. При вращении вала закрепленный на нем наклонный диск обеспечивает преобразование вращательного движения в линейное перемещение. Три узла поршня 30 (показан только один узел поршня) попеременно перемещаются наклонным диском 28. Как будет показано ниже, каждый поршень находится в кожухе, содержащем цилиндр, таким образом, что кожух заполнен маслом. Шаровый запорный клапан 32 в нижней части узла поршень/цилиндр 30 обеспечивает поступление масла в кожух из резервуара 27 (наклонный диск находится в резервуаре) во время такта всасывания. Во время такта нагнетания насоса масло, содержащееся в кожухе, оказывает давление на заднюю поверхность диафрагмы 34, и по мере движения наклонного диска, заставляет диафрагму выгибаться вперед, обеспечивая тем самым такт нагнетания. В идеале насос должен уравновешивать гидравлическое давление с обеих сторон мембраны во всем диапазоне расчетных давлений. Как будет показано ниже, на практике это требование выполняется в известных насосах не для всех режимов. Каждая диафрагма имеет отдельную насосную камеру, которая содержит узлы всасывающего и нагнетательного клапанов 36, 37 (см. также фиг.2). При отходе диафрагмы назад перекачиваемая текучая среда поступает в насос через общий входной штуцер и проходит через один из всасывающих клапанов. В такте нагнетания диафрагма выталкивает перекачиваемую жидкую среду через нагнетательный клапан и далее через общий выходной штуцер. Диафрагмы, разнесенные на 120° друг от друга, работают последовательно для обеспечения постоянного потока, практически без импульсов, перекачиваемой текучей среды.

Более детальный вид сечения части диафрагменного насоса 20 приведен на фиг.2. Диафрагма 34 зафиксирована между двумя частями 38, 40 корпуса 24. Диафрагма 34 отделяет перекачивающую часть насоса от части гидравлического привода насоса, заполненной маслом. Узел поршня 30, содержащий плунжер 42 диафрагмы, в части гидравлического привода находится внутри кожуха, заполненного маслом, который выполняет функцию приводной камеры 44. Запорные клапаны 32 в поршне 46 отделяют приводную камеру 44 от резервуара с маслом (не показан). Наклонный диск 28 (на фиг.2 не показан) соприкасается с подушкой 48 для приведения в движение поршня 46. Стрелка 49 показывает общее направление движения кулачка или наклонного диска. Когда поршень и диафрагма заканчивают такт нагнетания, конец 50 поршня 46 находится в верхней мертвой точке (TDC). Когда поршень и диафрагма отошли в такте всасывания, конец 50 поршня 46 находится в нижней мертвой точке (BDC).

Поршень 46 совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 47. Поршень 46 имеет секцию гильзы 52, которая формирует его внешнюю стенку. Секция гильзы 52 содержит гильзу 54 и конечную часть 56, на которой имеется подушка 48, соприкасающаяся с наклонным диском. Внутри гильзы 54 имеется основная часть 58. Основная часть 58 содержит первое основание 60, которое соприкасается с конечной частью 56 и содержит уплотнительные элементы 62 для обеспечения уплотнения между первым основанием 60 и гильзой 54. Основная часть 58 также содержит второе основание 64 на конце, противолежащем первому основанию 60. Первое и второе основания 60 и 64 связаны соединительной стенкой 66. В качестве возвратной пружины 68 поршня используется цилиндрическая пружина, которая проходит от первого основания 60 до упора 70 диафрагмы, являющегося частью корпуса 24 насоса. Корпус 72 клапана находится внутри основной части 58 и проходит между вторым основанием 64 и конечной частью 56. Уплотнения 74 обеспечивают уплотнение между корпусом 72 клапана и соединительной стенкой 66 возле второго основания 64.

Конец 76 противолежащий концевой части 56 секции гильзы 52 является открытым. Аналогично, конец 78 корпуса 72 клапана является открытым. Второе основание 64 имеет проход 80 для приема штока 82 плунжера 42.

Плунжер 42 диафрагмы имеет золотник 84 клапана, размещенный внутри корпуса 72 клапана вместе со штоком 82, проходящим сквозь проход 80 от золотника 84 клапана до головки 86 на стороне приводной камеры диафрагмы 34. На стороне насосной камеры диафрагмы 34 находится опорная пластина 88, которая используется для крепления диафрагмы к головке 86 с помощью винта 90, который ввинчивается в полую часть 92 плунжера 42. Полая часть 92 проходит по оси от одного конца плунжера 42 к другому концу. Винт 90 ввинчивается в дно диафрагмы. Конец золотника клапана полой части 92 является полым. В штоке 82 обеспечиваются радиальные отверстия 94. Между вторым основанием 64 и золотником 84 клапана имеется цилиндрическая пружина смещения 96. В стенке корпуса 72 клапана обеспечивается золотниковый канал 98 клапана. В соединительной стенке 66 от золотникового канала 98 клапана до конечной части 56 тянется проточка 100. В конечной части 56 в проходе 104, обеспечивающем соединение с резервуаром (не показан), имеется запорный клапан 32. Таким образом, обеспечивается канал для текучей среды от резервуара (не показан) и запорного клапана 32 через проход 104 к золотниковому каналу 98 по проточке 100. Далее, когда золотниковый клапан открыт, имеется сквозной проход через пространство, в котором находится цилиндрическая пружина 96, и затем через одно из радиальных отверстий 94 и через продольную полую часть 92 плунжера 84. Далее, имеется проход для текучей среды из полой части 92 через другие радиальные отверстия 94 в различные части приводной камеры 44. Полый проход 92 и радиальные отверстия 94 обеспечивают проход для текучей среды из части приводной камеры 44 рядом с диафрагмой 34 к части приводной камеры 44 внутри корпуса 72 клапана поршня 30. Приводная камера также охватывает пространство, занимаемое возвратной пружиной поршня 68.

На перекачивающей стороне диафрагмы 34 имеется узел всасывающего клапана 36, который открывается во время такта всасывания, когда в насосной камере 106 создается разрежение. Также имеется запорный клапан 37, который открывается во время такта нагнетания, когда в насосной камере 106 создается давление.

На фиг.3А-3F иллюстрируется действие обычных насосов 20 при нормальных, стандартных рабочих условиях при использовании обычной пружины смещения 96. Иллюстрируется работа при обычных давлениях. Показаны обычные направления для кулачка или наклонного диска (на фиг.3А-3F не показаны). Давление при всасывании меньше, чем 14,7 psia (101,3 кПа). Давление при нагнетании больше, чем 14,7 psia (101,3 кПа). Разница давлений с обеих сторон диафрагмы 34 устанавливается примерно 3 psi (20,7 кПа).

Такт всасывания начинается в конце такта нагнетания (см. фиг.3А). При указанных условиях давление в насосной камере сразу же падает от величины, которая была в такте нагнетания, например, 120 psia (827,3 кПа), до 10 psia (68,9 кПа). Давление в гидравлической приводной камере равно 13 psia (89,6 кПа), что меньше 14,7 psia (101,3 кПа) в резервуаре. Поршень 30 находится в верхней мертвой точке и начинает движение в направлении нижней мертвой точки. Пружина смещения 96 моментально перемещает плунжер 42, и в частности золотник 84 клапана, направо для открывания золотникового канала 98. Поскольку давление в приводной камере меньше, чем давление в резервуаре, запорный клапан 32 открывается, и масло поступает из резервуара в приводную камеру для того, чтобы восполнить потерю во время предыдущего такта нагнетания. То есть при давлении такта нагнетания из-за достаточных допусков между частями поршня масло вытекает из приводной камеры обратно в резервуар. Таким образом, необходимо восполнять масло в приводной камере во время такта всасывания так, чтобы там было достаточно масла для эффективного обеспечения давления в следующем такте нагнетания.

На фиг.3В показана конфигурация в середине такта. Небольшое всасывание в насосной камере, которое, как показано, должно быть равно 10 psia (68,9 кПа), удерживает диафрагму 34 и золотник 84 в левом положении, в то время как поршень 30 перемещается направо, закрывая, таким образом, золотниковый канал 98. Поскольку давления почти равны и диафрагма 34 перемещается направо с поршнем 30, насосная камера заполняется перекачиваемой текучей средой.

Как показано на фиг.3С, перекачиваемая текучая среда продолжает поступать по мере того, как диафрагма 34 перемещается вправо. Золотниковый канал 98 клапана остается закрытым. Имеет место лишь очень малый приток масла из резервуара (не показан) в приводную камеру 44, поскольку давления почти одинаковы. Таким образом, происходит нормальное заполнение камер с обеих сторон диафрагмы.

Когда поршень 30 достигает нижней мертвой точки, такт всасывания завершается, и начинается такт нагнетания, как показано на фиг.3D. Давление в приводной камере мгновенно увеличивается, например, от 13 psia (89,6 кПа) до 123 psia (848,0 кПа). Аналогично, давление в насосной камере мгновенно увеличивается, например, от 10 psia (68,9 кПа) до 120 psia (827,3 кПа). Наклонный диск начинает перемещать поршень 30 влево, что приводит к нарастанию давления. Запорные клапаны 32 закрываются. Диафрагма 34 перемещается поршнем вместе с объемами масла и перекачиваемой текучей среды и выталкивает перекачиваемую текучую среду.

В промежуточном положении такта нагнетания, как показано на фиг.3Е, продолжается выталкивание текучей среды. Некоторая утечка масла благодаря допускам между поршнем и цилиндром может перемещать золотник 84 клапана плунжера 42 диафрагмы вправо так, что открывается золотниковый канал 98 клапана. Однако возвратные клапаны 32 закрыты, запирая масло в приводной камере 44 (за исключением упомянутой утечки).

Такт нагнетания заканчивается в положении, показанном на фиг.3F. Заполненная приводная камера 44 обеспечивает перемещение диафрагмы 32 влево, выталкивая перекачиваемую текучую среду. Нормальная работа, как показано на фиг.3А-3F, вызывает лишь небольшие напряжения в диафрагме 32.

Однако проблема обычных диафрагменных насосов связана с внезапным разрывом диафрагмы при определенных рабочих условиях. Диафрагма может выйти из строя быстрее, чем рассчитано, или гораздо чаще, чем другие части насоса. Такая неисправность приводит к загрязнению перекачиваемой текучей среды рабочим маслом. Рабочие условия, которые чаще всего приводят к неисправности, – это высокий уровень разрежения на входе при соответствующем низком давлении на выходе. Это ожидаемая ситуация для типичной насосной системы, когда впускной фильтр начинает забиваться. В этом случае засорение фильтра требует высокого разрежения для того, чтобы засасывать перекачиваемую текучую среду через фильтр. В то же время уменьшение поступающей текучей среды приводит к падению выходного давления. Это создает ситуацию, когда высокое разрежение в насосной камере уменьшает давление во время такта всасывания в приводной камере так, что приводная камера “требует большей подачи масла”, и поэтому входящее масло переполняет приводную камеру, и это происходит без соответствующего уравновешивающего высокого давления для выталкивания масла во время такта нагнетания. Переполнение масла “вдувает” диафрагму в канал клапана текучей среды до тех пор, пока диафрагма не разорвется. Кроме того, для быстродействующего насоса, в котором давление быстро меняется на разрежение, закрытия быстродействующего клапана вызывают импульсные броски давления, так называемые гидравлические удары Жуковского. Импульсные броски состоят из волн давления текучей среды или акустических волн и их гармоник. Импульсные броски давления могут “затребовать” поток масла в приводной поршень в тот момент, когда в этом нет необходимости. Это может снова вызвать переполнение и повреждение диафрагмы. На фиг.4А-4F иллюстрируется режим неисправности в связи с переполнением.

На фиг.4А показано положение, из которого начинается такт всасывания. Поскольку предполагается, что впускная часть для перекачиваемой текучей среды забита или заблокирована, только низкое давление было создано во время такта нагнетания. Например, давление в насосной камере 106 было 14 psia (96,5 кПа) и уменьшается до 10 psia (68,9 кПа), как это показано на фиг.3А. Однако всасывание быстро увеличивает разрежение так, что давление в насосной камере 106 падает, например, до 3 psia (20,7 кПа), как показано на фиг.4В. Диафрагма 34 и плунжер 42 находятся слишком далеко слева, удерживая золотниковый канал 98 клапана в закрытом положении, а пружину смещения 96 в слегка сжатом состоянии. Происходит только кратковременное поступление масла через запорные клапаны 32, золотниковый канал 98 клапана и различные проходы в штоке 82.

В середине такта всасывания, как показано на фиг.4В, любое перемещение диафрагмы вправо вызывает повышенное разрежение в насосной камере 106, которое стремится удержать диафрагму 34 и плунжер 42 в левом положении, в то время как поршень 46 перемещается вправо. Золотниковый канал 98 клапана закрыт, однако, тем не менее, из-за низкого давления, например 6 psia (41,4 кПа), возникшего в приводной камере 44, имеется приток масла из резервуара (не показан) в приводную камеру 44 благодаря допускам в системе. Слабая пружина смещения 96, используемая в обычных диафрагменных насосах, позволяет плунжеру 42 и в особенности золотнику 84, оставаться слишком смещенными влево, что приводит к возникновению и поддержанию пониженного давления в приводной камере 44.

Как показано на фиг.4С, в конце такта всасывания плунжер 42 и диафрагма 34 остаются слишком смещенными влево, и низкое давление в приводной камере 44 продолжает вызывать приток, и после многих таких тактов, приводная камера 44 приходит в состояние переполнения маслом перед началом такта нагнетания.

Положение в начале такта нагнетания показано на фиг.4D. Поршень 46 начинает перемещаться влево. Поскольку в насосной камере 106 низкое давление, в приводной камере 44 не создается давление до самого конца такта нагнетания.

В середине такта нагнетания, как показано на фиг.4Е, приводная камера 44, переполненная маслом, перемещает диафрагму 34 и золотник 84 клапана влево с одинаковой скоростью. Когда опорная пластина 88 и диафрагма 34 достигают стенки 108 в насосной части насоса, давление в приводной камере 44, наконец, увеличивается. Малый период времени, в течение которого давление больше, чем давление в резервуаре, которое равно 14,7 psia (101,3 кПа), недостаточен для того, чтобы масло перетекло обратно в резервуар из приводной камеры 44, чтобы скомпенсировать приток масла во время такта всасывания. Таким образом, диафрагма 34 деформируется из-за переполнения приводной камеры 44. Слабая пружина 96 сжата.

Окончание такта нагнетания представлено на фиг.4F. Переполненная приводная камера 44 полностью прижимает опорную пластину 88 к стенке 108, и диафрагма 34 растягивается в отверстие узла нагнетательного клапана 37. Быстрое повышение давления в этот момент в приводной камере 44, в конечном счете, приводит к тому, что диафрагма 34 разрезается различными поверхностями, к которым она прижимается, или к ее разрыву. Происходит отказ насоса. В результате возможно загрязнение узла поршня 30 перекачиваемой средой и загрязнение перекачиваемой текучей среды маслом.

Таким образом, когда в насосной камере насоса возникает высокое разрежение (то есть забитый фильтр или закрытый всасывательный клапан), диафрагма не перемещается вместе с поршнем. Это необязательно приводит к возникновению проблемы, поскольку золотник 84 и золотниковый канал 98 клапана закрываются. Однако в случае существования такой ситуации в течение продолжительного времени, приток масла между золотником и золотниковым каналом в сочетании с перетеканием масла между поршнем и корпусом приводит к переполнению маслом приводной камеры. В такте нагнетания давление должно быть достаточно высоким для того, чтобы вытолкнуть обратно объем поступившего масла. Однако оно может выталкивать масло только между поршнем и корпусом, поскольку запорные клапаны предотвращают любой отток через канал клапана. Поскольку вход насоса блокирован, и в насос не поступает достаточное количество перекачиваемой текучей среды, давление в такте ее выталкивания и/или в части такта будет низким. Экспериментальным путем было установлено, что избыточное давление на выходе должно быть больше 100 psig (689,5 кПа) для того, чтобы отводилось такое же количество масла, как и то, что поступило. Если в насосе не осуществляется отвод из приводной камеры такого же количества масла, как и то, что поступило, добавляемый объем масла под действием приводного поршня приводит к раздуванию диафрагмы так, что она входит в каналы и щели и разрывается.

Существо изобретения

Настоящее изобретение относится к диафрагменному насосу, в котором в качестве привода используется двигатель. Насос имеет корпус, в котором размещаются: насосная камера, предназначенная для заполнения текучей средой, которая должна перекачиваться (перекачиваемая текучая среда), приводная камера, предназначенная для заполнения гидравлической текучей средой (масло), и резервуар для гидравлической текучей среды. Насос имеет диафрагму, имеющую сторону приводной камеры и сторону насосной камеры. Диафрагма фиксируется в корпусе, размещена между приводной и насосной камерами и предназначена для возвратно-поступательного движения по отношению к насосной камере. Насос имеет поршень в цилиндре, размещенном в корпусе, причем поршень предназначен для обеспечения совершения диафрагмой поочередных тактов всасывания и нагнетания.

Формируется соединительный канал для гидравлической текучей среды между резервуаром гидравлической текучей среды и приводной камерой. Клапан в соединительном канале для текучей среды в открытом положении избирательно обеспечивает поступление гидравлической текучей среды из резервуара в приводную камеру.

Обеспечивается устройство защиты от переполнения для приводной камеры. Устройство защиты от переполнения предохраняет диафрагму от деформации, выходящей за расчетные пределы, из-за того, что приводная камера наполняется сверх ее максимальной вместимости (состояние переполнения).

В одном варианте реализации изобретения в качестве соединительного канала для текучей среды используется первый соединительный канал, и клапан содержит впускной клапан. Устройство защиты от переполнения содержит второй соединительный канал для гидравлической текучей среды между приводной камерой и резервуаром гидравлической текучей среды и, кроме того, содержит выпускной клапан во втором соединительном канале, который в открытом положении избирательно обеспечивает отток гидравлической текучей среды из приводной камеры в резервуар текучей среды.

В другом варианте реализации изобретения клапан содержит золотник клапана. Золотник клапана соединен с поршнем и диафрагмой с возможностью перемещения относительно них. Устройство защиты от переполнения содержит поршень, имеющий механический упор для золотника клапана так, что приводная камера не может достичь состояния переполнения, которое могло бы привести к деформации диафрагмы, выходящей за расчетные пределы.

В другом варианте реализации изобретения диафрагменный насос содержит пружину, которая отводит диафрагму от насосной камеры, причем первый конец пружины соединен с диафрагмой, а ее второй конец поддерживается поршнем для перемещения вместе с поршнем. Устройство защиты от переполнения формируется пружиной, которая имеет такие размеры, при которых она полностью сжимается непосредственно перед тем, как приводная камера достигнет состояния максимального заполнения.

Настоящее изобретение содержит гидропривод со смещением, раскрытый в патенте США 3775030. Однако настоящее изобретение раскрывает использование устройства защиты от переполнения. В этом случае при условиях высокого разрежения устройство защиты от переполнения преодолевает силы всасывания в насосной камере и предотвращает переполнение масла в приводной камере (так, что диафрагма не выйдет из строя). Таким образом, раскрытые усовершенствования оптимизируют надежность и коэффициент полезного действия диафрагменного насоса.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – общий вид известного диафрагменного насоса;

Фиг.2 – вид частичного сечения известной диафрагмы;

Фиг.3А-3F – виды частичных сечений известного диафрагменного насоса, иллюстрирующие нормальный режим работы;

Фиг.4А-4F – виды частичных сечений известного диафрагменного насоса, иллюстрирующие работу в условиях высокого разрежения, приводящую к отказу диафрагмы;

Фиг.5 – вид частичного сечения диафрагменного насоса в соответствии с настоящим изобретением, в котором в качестве устройства защиты от переполнения используется механический упор;

Фиг.6 – вид частичного сечения диафрагменного насоса в соответствии с настоящим изобретением, в котором используется механический упор с пружиной смещения;

Фиг.7А-7F – виды частичных сечений диафрагменного насоса в соответствии с настоящим изобретением, иллюстрирующие его действие с использованием механического упора и пружины смещения, имеющей высокую жесткость;

Фиг.8 – график, иллюстрирующий характеристики обычной слабой пружины смещения и сильной пружины смещения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.9 – график, иллюстрирующий диапазон жесткости пружины для пружин смещения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.10 – вид частичного сечения диафрагменного насоса, в котором используется пружина смещения, рассчитанная на то, чтобы быть полностью сжатой в состоянии полного заполнения для того, чтобы действовать в качестве устройства для защиты от переполнения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.11 – вид частичного сечения диафрагменного насоса, иллюстрирующий клапанную систему, используемую в качестве устройства для защиты от переполнения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.12-15 – виды частичных сечений диафрагменного насоса, иллюстрирующие работу насоса, представленного на фиг.11;

Фиг.16-17 – виды частичных сечений диафрагменного насоса, аналогичного насосу, представленному на фиг.11, но в котором используется пружина смещения.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации изобретения

Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование известного диафрагменного насоса, описанного выше. Одинаковые части обозначены на всех фигурах одинаковыми ссылочными номерами. Усовершенствованные части выделены и описаны. Необходимо понимать, что усовершенствованные части обеспечивают синергическое улучшение производительности насоса и его надежности.

Необходимо решить задачу переполнения приводной камеры 44 так, чтобы в конце такта нагнетания не происходило растягивание диафрагмы 34 до такой степени, что она могла бы разорваться.

Как показано на фиг.5, в соответствии с настоящим изобретением одной возможностью является исключение пружины смещения 96 и введение механического упора 160 для золотника 84 клапана. Ограничение хода золотника 84 клапана приводит к тому, что ход или расширение диафрагмы 34 также ограничивается. То есть ход всего плунжера 42, а также диафрагмы 34, в такте нагнетания ограничивается в результате того, что золотник 84 клапана останавливается механическим упором 160. Поскольку пружина смещения 96 исключена, пространство, которое она занимало, также исключается так, что основная часть 58 проходит внутрь практически до штока 82. Механический упор 160 представляет собой заплечик основной части 58 в нужном месте. Заплечик 162 золотника 84 клапана входит в контакт с механическим упором 160 в момент расчетного окончания такта нагнетания для остановки плунжера 42 и диафрагмы 34.

Как можно видеть на фиг.5, самой дальней точкой справа на фигуре, в которой может быть размещен механический упор 160, является положение непосредственно перед тем, как опорная пластина 88 входит в контакт со стенкой 108, и в то же время заплечик 162 касается механического упора 160. Точка касания должна соответствовать состоянию максимального заполнения приводной камеры 44, в отличие от состояния переполнения, которое представляет больший объем для приводной камеры 44, чем указанное состояние максимального заполнения. Диафрагма 34 имеет расчетный предел, при котором она не разрывается при состояниях заполнения приводной камеры 44, меньших состояния максимального заполнения.

Хотя использование механического упора может устранить необходимость в пружине смещения 96, все-таки имеется целесообразность в использовании пружины смещения, достаточно жесткой для того, чтобы прекратить поступление гидравлической текучей среды в приводную камеру 44 до того, как будет достигнуто состояние максимального заполнения. Достоинство использования пружины смещения 96 заключается в том, что равновесное давление может быть достигнуто без ударного контакта с механическим упором, который приводит к скачку давления. Для высокопроизводительных насосов, к которым относятся диафрагменные насосы, частый периодический контакт с механическим упором является потенциальным источником шума и усталости материала. Кроме того, наличие пружины смещения 96 обеспечивает небольшое смещение давления в нормальном режиме работы, что, как уже было отмечено выше, является полезным для известных диафрагменных насосов.

На фиг.6 показано использование механического упора 160 вместе с пружиной смещения 96. В такой конструкции механический упор 160 по-прежнему является устройством защиты от переполнения, а пружина смещения 96 обеспечивает смещение давления при нормальных условиях работы и, кроме того, является амортизатором для золотника клапана 84 при приближении заплечика 162 к механическому упору 160. В этом отношении жесткая пружина смещения имеет достоинства по сравнению со слабой пружиной.

Конструкция насоса, в которой в соответствии с настоящим изобретением используется жесткая пружина смещения 126 в отличие от слабой пружины смещения 96, описывается со ссылками на фиг.7А-7F. Отличия слабой пружины смещения 96 известного насоса от жесткой пружины смещения 126 иллюстрируются на фиг.8.

На графике фиг.8 по оси Х отложена длина пружины в дюймах. С левой стороны графика по оси Y отложена сила в фунтах, с которой поршень давит на диафрагму. С правой стороны графика по оси Y отложено обеспечиваемое эффективное давление на диафрагму в фунтах на квадратный дюйм (psi). Из патента США 3775030 известно, что для того, чтобы насос работал должным образом при нормальных условиях, в приводной камере 44 должно обеспечиваться небольшое избыточное давление, например, 3 psi (20,7 кПа). Как следствие, известные насосы имеют слабую пружину так, чтобы создаваемое ею избыточное давление не слишком отличалось от 3 psi (20,7 кПа) для различных длин пружины при сжатии в нормальном цикле работы. Коэффициент жесткости для обычной пружины показан линией 140 на фиг.8. Однако, как уже отмечалось выше со ссылками на фиг.4А-4F, у известных насосов возникает проблема, связанная с тем, что диафрагма 34 выходит из строя, если линия, по которой к насосу подводится перекачиваемая текучая среда, забивается, например, при загрязнении фильтра. Таким образом, в отношении усовершенствования насоса были рассмотрены две опорные точки. Первая опорная точка относится к положению, возникающему, как только закрывается или закрыт золотниковый канал 98 клапана (см. фиг.2). В тот момент, когда золотниковый канал 98 клапана только закрывается, пружина смещения должна в достаточной мере компенсировать действие всасывания текучей среды в рабочей части насоса для того, чтобы предотвращать удерживание диафрагмы в такте всасывания, что приводит к нежелательному поступлению масла в приводную камеру. Минимальная величина конечно равна нулю, поскольку понятно, что отрицательное давление постоянно способствовало бы поступлению масла в приводную камеру, что было бы нежелательно. Как было указано выше, для известных насосов было найдено экспериментальным путем, что вполне приемлемо давление 3 psi (20,7 кПа). Могут использоваться и более высокие давления, до 8 psi (55,2 кПа), примерно. Поэтому давление в диапазоне 0-8 psi (55,2 кПа) является приемлемым. Первая опорная точка отмечена ссылочным номером 142 на фиг.8.

Вторая опорная точка относится к положению, которое возникает, когда приводная камера 44 заполнена маслом до состояния максимального заполнения, то есть в положении, когда опорная пластина 88 соприкасается со стенкой 108, как показано на фиг.4F. Вторая опорная точка отмечена ссылочным номером 144. Давление при отсечке клапана в опорной точке 142 для слабой пружины 140 немного превышает 3 psi (20,7 кПа), а в состоянии максимального заполнения 144 давление составляет примерно 4 psi (27,6 кПа). Обычно эти данные использовались для расчета пружины смещения 96. Однако было найдено, что для того, чтобы решить указанные проблемы, связанные с высоким разрежением в насосной камере насоса, необходимо было выдерживать, хотя бы приближенно, условие первой опорной точки при нормальных рабочих условиях, а для условий высокого разрежения было найдено, что пружина должна обеспечивать давление в приводной камере 44 на уровне, примерно, 10,5 psi (72,4 кПа), как показано ссылочным номером 146 на фиг.8, что предотвращает возникновение большой разницы давлений в резервуаре и приводной камере и амортизирует заплечик 162 при его приближении к механическому упору 160. В резервуаре атмосферное давление, то есть примерно 14,7 psi (101,3 кПа). Эти две опорные точки после соединения их прямой линией определяют коэффициент жесткости пружины для усовершенствованного насоса.

Фиг.7А-7F иллюстрируют работу насоса с жесткой пружиной, характеристики которой определяются линией 148 на фиг.8.

Фиг.7А-7F предполагают использование жесткой пружины и возникновение условий разрежения, то есть случай блокировки линии подачи текучей среды. Фиг.7А-7F аналогичны фиг.4А-4F за исключением того, что слабая пружина смещения заменена жесткой пружиной.

На фиг.7А показано положение, из которого начинается такт всасывания. Поскольку линия подачи в насос текучей среды блокирована, в такте нагнетания давление не было создано, и поэтому всасывание в такте всасывания быстро создает условия разрежения в насосной камере 106. Диафрагма 34 и плунжер находятся слишком далеко слева, удерживая золотниковый канал 98 клапана в закрытом положении, а пружину смещения 97 в слегка сжатом состоянии.

На фиг.7В показано положение в середине такта всасывания. Пониженное давление в насосной камере 106, которое вызывает возникновение пониженного давления в приводной камере 44, удерживает диафрагму 34 и плунжер 42 в левом положении, но не может удержать их в том дальнем левом положении, которое показано на фиг.4В для известных насосов, из-за жесткой пружины смещения 97, которая имеет увеличенный коэффициент жесткости. Следовательно, переполнение приводной камеры 44 ограничивается объемом растягивания диафрагмы 34 при этих условиях.

Такт всасывания заканчивается на фиг.7С в нижней мертвой точке. В насосной камере все еще имеется высокое разрежение, но жесткая пружина (см. опорную точку 146 на фиг.8) уравновешивает силу всасывания, повышая, таким образом, давление в приводной камере 44 и предотвращая переполнение приводной камеры 44 до начала такта нагнетания. Например, в предпочтительном примере разница давлений в приводной и насосной камерах составляет примерно 10,5 psi (72,4 кПа) для того, чтобы пружина смещения оказывала свое уравновешивающее действие.

Начало такта нагнетания показано на фиг.7D. Поршень 46 перемещается влево, поскольку в насосной камере очень низкое давление. В приводной камере создается давление только за счет действия жесткой пружины смещения 97 так, что диафрагма 34, плунжер 42 и поршень 46 продолжают перемещаться вместе.

В середине такта, как показано на фиг.7Е, запорные клапаны 102 остаются в закрытом положении, и жесткая пружина 97 обеспечивает смещение для того, чтобы возникал отток из приводной камеры, а не приток.

На фиг.7F показано окончание такта нагнетания. Поскольку приводная камера 44 не переполнена, диафрагма 34 не раздувается, и нормальная работа продолжается, несмотря на то, что линия подвода к насосной камере забита. Следовательно, жесткая пружина смещения 97 и механический упор 160 предотвращают аварийный режим, описанный со ссылками на фиг.4А-4F.

Таким образом, как только золотник клапана проходит закрытый золотниковый канал, жесткая пружина смещения ограничивает его дальнейшее движение. Как показано на фиг.8, в нормальном положении отсечки (опорная точка 1), и менее жесткая и более жесткая пружины обеспечивают силу, несколько превышающую 4 фунта (1,8 кг), или давление примерно 3,5-4,5 psi (24,1-31,0 кПа) на диафрагму. Таким образом, обеспечивается положительное смещение гидропривода, раскрытое в патенте США 3775030. Однако теперь при продолжении перемещения к положению максимального сжатия пружины жесткая пружина обеспечивает силу, превышающую 12 фунтов (5,5 кг), по сравнению с величиной всего лишь примерно 5 фунтов (2,3 кг), обеспечиваемой слабой пружиной. Увеличившаяся сила ограничивает возможность диафрагмы перемещаться слишком далеко в условиях высокого разрежения. Это справедливо, поскольку сила тяги из приводной камеры складывается теперь из силы пружины и разницы давлений в насосной и приводной камерах. Обычная слабая пружина могла бы только эффективно уравновешивать примерно 5 psi (34,5 кПа) разрежения, в то время как усовершенствованная жесткая пружина оптимизирована для уравновешивания разрежения примерно 10,5 psi (72,4 кПа), что представляет собой максимальную величину, достижимую на практике (хотя теоретически может быть достигнуто разрежение 14,7 psia (101,3 кПа)). Хотя расчет на наибольшую возможную силу гарантировал бы, что масло никогда не будет выталкиваться в заполненную приводную камеру, однако необходимо только обеспечить, чтобы там не происходило чистого увеличения в результате полного такта всасывания и нагнетания. Иными словами, пока в тактах всасывания и нагнетания давление в приводной камере большую часть времени превышает атмосферное давление, в камере не будет происходить прироста масла в среднем.

Были проведены испытания на разрыв диафрагмы. Результаты испытаний приведены в таблице. Использовался насос, представленный на фиг.2, пружина смещения 97 которого имела более высокие коэффициенты жесткости, указанные в таблице. На входе (всасывающий клапан 36) поддерживалось разрежение. Разрежение поддерживалось на уровне 15 дюймов рт.ст. (50,7 кПа) или менее в течение нескольких часов, и затем оно повышалось до 20 дюймов рт.ст. (67,6 кПа) или более до отказа диафрагмы, или до прекращения испытаний.

Комментарии: найден заусенец; внутренняя поверхность корпуса очищена от заусенцев.

Первые три испытания проводились с жесткой пружиной, имеющей коэффициент жесткости 43,1 фунт/дюйм (7,7 кг/см). Разрыв диафрагмы произошел через 97 часов в первом испытании и через 55 часов во втором испытании. После второго испытания насос был осмотрен и был найден заусенец в корпусе клапана так, что золотник 84 клапана застрял, в результате чего диафрагма, в конце концов, раздулась и зацепилась за опорную пластину 90. Заусенцы в корпусе клапана были удалены, и после этого было проведено третье испытание. Через 106 часов произошел разрыв диафрагмы. Было установлено, что наличие заусенца было несущественно для результатов, за исключением времени до разрыва диафрагмы. При использовании пружины с коэффициентом жесткости 43,1 фунт/дюйм (7,7 кг/см) разрыв произошел примерно через 100 часов.

Испытания 4-6 проводились с пружиной смещения, имеющей коэффициент жесткости 53,7 фунт/дюйм (9,6 кг/см). Насос работал без разрыва диафрагмы более 100 часов в испытаниях 4-5 и более 200 часов в испытании 6.

В результате испытаний было определено, что коэффициент жесткости 43,1 фунт/дюйм (7,7 кг/см) являлся минимально допустимым для пружины смещения. Понятно, что пружина смещения, имеющая коэффициент жесткости 53,7 фунт/дюйм (9,6 кг/см), была приемлемой, поскольку отказы не происходили. Выводы по результатам испытаний представлены на фиг.9. Линия 150 относится к пружине смещения, имеющей коэффициент жесткости 43,1 фунт/дюйм (7,7 кг/см). Линия 148 относится к пружине смещения, имеющей коэффициент жесткости 53,7 фунт/дюйм (9,6 кг/см). Прерывистая линия 152 относится к пружине смещения, имеющей максимальный коэффициент жесткости, который когда-либо может потребоваться. То есть максимальное разрежение, которое могло бы быть достигнуто в опорной точке 2, точке, в которой опорная пластина 88 касается стенки 108 (см. фиг.4Е), равно 14,7 psia (101,3 кПа). В насосах такого типа такое разрежение никогда не достигается. Поэтому линия 152 показано прерывистой и является некоторым приближением. В любом случае она дает общее представление о максимальном значении коэффициента жесткости пружины.

Для конкретного насоса коэффициент жесткости пружины может быть определен следующим образом при следующих предпосылках в отношении его конструкции. Первое, эквивалентная площадь диафрагмы в середине такта примерно равна площади поршня. Второе, требуемый минимальный перепад давлений с обеих сторон диафрагмы должен быть равен давлению всасывания насоса, на которое он рассчитан. Третье, максимальный перепад давлений равен 14,7 psia (101,3 кПа). Исходя из этих предпосылок можно сделать следующие определения.

1. Расстояние переполнения – это разница между расстояниями между диафрагмой и поршнем в (i) положении максимального переполнения и в (ii) нейтральном положении (клапан только закрылся).

2. Сила пружины в положении переполнения равна расчетному перепаду давлений всасывания, умноженному на площадь поршня.

3. Сила пружины в нейтральном положении равна рабочему давлению в нейтральном положении, умноженному на площадь поршня.

4. Коэффициент жесткости пружины равен разности между величиной силы пружины в положении переполнения и силой пружины в нейтральном положении, деленной на расстояние переполнения.

На основании вышеприведенных предпосылок и определений коэффициент пружины может быть определен из уравнения:

k=A_p(P_s-P_n)/d_0,

где k – коэффициент жесткости пружины,

А_р – площадь поршня,

d₀ – расстояние переполнения,

P_s – расчетный перепад давления всасывания,

P_n – перепад рабочего давления в нейтральном положении.

На основании испытаний, описанных выше, примерный максимальный расчетный перепад давлений всасывания равен 8,4-14,7 psia (57,9-101,3 кПа). Диапазон подходящих перепадов рабочего давления в нейтральном положении – 0-8 psi (55,1 кПа).

Из фиг.8 и 9 следует, что более жесткая пружина смещения настоящего изобретения должна быть короче, чем обычные пружины. Это дает преимущество, связанное с тем, что когда насос выключается, пружина смещения не выталкивает постоянно в резервуар масло из приводной камеры через зазоры в узле поршень/корпус. В случае более жесткой пружины, как только приводная камера заполняется надлежащим образом, и насос выключается, пружина не будет больше оказывать давление. Это означает, что приводная камера имеет заполнение маслом, которое находится на соответствующем уровне нагнетания, и не возникает необходимости в дополнительном наполнении при следующем запуске насоса.

Далее, для более жесткой и более короткой пружины 97 можно подобрать размер пружины так, что она будет полностью сжата в состоянии максимального заполнения приводной камеры. Как показано на фиг.10, пружина смещения 97 полностью сжата, когда опорная пластина 88 касается стенки 108, то есть приводная камера 44 достигнет состояния максимального заполнения. Как было показано выше, предпочтительно пружина 97 становится полностью сжатой до момента, когда опорная пластина 88 коснется стенки 108. Также необходимо отметить, что, как показано на фиг.10, в механическом упоре 160 нет необходимости. Таким образом, пружина 97 сжимается и, в конце концов, приходит в полностью сжатое состояние, прекращая дальнейшее перемещение вправо плунжера 42 (см. фиг.10). При такой конструкции пружина смещения 97 является устройством защиты от переполнения.

Выше был рассмотрен диафрагменный насос с различными альтернативными вариантами устройства защиты от переполнения, причем все варианты содержали соединительный канал для гидравлической текучей среды между приводной камерой и резервуаром гидравлической текучей среды и клапан в проходе, который в открытом положении избирательно обеспечивает поступление гидравлической текучей среды из резервуара в приводную камеру. Как следует из фиг.2, соединительный канал для текучей среды проходит от резервуара (не показан) через запорный клапан 32 и затем через золотниковый клапан, который содержит золотниковый канал 98 и золотник 84, в приводную камеру 44, которая охватывает пространство на стороне золотникового клапана диафрагмы. Соединительный канал с указанными клапанами обеспечивает контролируемое поступление масла в приводную камеру 44. Как было указано выше со ссылками на фиг.3А-3F, в нормальных рабочих условиях управление поступление маслом поддерживает относительно постоянный объем в приводной камере, и насос работает нормально. Однако, как также было указано выше, возможно возникновение определенных условий, при которых может нарушаться работа клапанов, что приводит к нарушению управления объемом масла в приводной камере.

Наиболее общим случаем является повышенное разрежение во впускной части насоса, рассмотренное со ссылками на фиг.4А-4F. Выше были рассмотрены альтернативные варианты устройства защиты от переполнения для этого типа конструкции с целью решения этой проблемы. Другой альтернативный вариант устройства защиты от переполнения обеспечивает систему клапанов управления маслом, которая не только управляет поступлением масла в приводную камеру, но также отводит из нее избыток масла. Такая система представлена на фиг.11.

Насос, изображенный на фиг.11, имеет ту же конструкцию, что и насос на фиг.2 за исключением некоторых описанных различий. Части 38 и 40 корпуса 24 удерживают диафрагму 34 в процессе работы. Поршень 46 совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 47 в результате действия наклонного диска (не показан) на подушку 48. Поршень 46 имеет секцию гильзы 52, которая формирует его внешнюю стенку. Секция гильзы 52 содержит гильзу 54 и конечную часть 56, на которой имеется подушка 48, соприкасающаяся с наклонным диском.

Внутри секции гильзы 52 имеется основная часть 164. Основная часть 164 на фиг.11 отличается от основной части 58 на фиг.2. Далее, в насосе, изображенном на фиг.11, нет корпуса клапана 72 и пружины смещения 97.

Основная часть 164 содержит основание 166 и цилиндрическую часть 168. Основная часть 166 соприкасается с конечной частью 56 секции гильзы 52 и содержит уплотнительные элементы 170 для обеспечения уплотнения между основанием 166 и гильзой 54. Цилиндрическая часть 168 выступает немного за открытый конец секции гильзы 52, но не настолько, чтобы она могла задеть какой-либо элемент части 40 в конце такта нагнетания. Цилиндрическая часть 168 формирует концентрическую полость между собой и гильзой 54 для возвратной пружины 68 поршня.

Основная часть 164 имеет центральный цилиндрический проход 172 для приема штока 174 плунжера 176 диафрагмы. Диафрагма 34 удерживается между головкой 86 и опорной пластиной 88 на конце штока 174, противолежащего конечной части 56. Шток 174 полый и имеет прорези 178, которые взаимодействуют с золотниковым каналом 180, как будет описано ниже. На стороне диафрагмы 34, обращенной к поршню, образована приводная камера 44, и насосная камера 106 образована с другой стороны диафрагмы 34.

В узле поршня 30 образована клапанная система 182 для обеспечения устройства защиты от переполнения приводной камеры 44. Проход 184 в конечной части 56 сообщается с проходом 186 в основной части 164, образуя первый соединительный канал вместе с первым впускным золотниковым клапаном 188 и вторым впускным обратным клапаном 190, ведущим в приводную камеру 44.

Первый впускной золотниковый клапан 188 содержит золотниковый канал 180 и прорезь 178, которая также действует в качестве впускного канала так, что два канала совмещаются, когда клапан открыт, и не совмещаются, когда клапан закрыт. В этом отношении шток 174 действует как золотник клапана.

Второй впускной обратный клапан 190 является шаровым обратным клапаном, который открывается в направлении потока из резервуара текучей среды в приводную камеру 44 и закрывается в направлении потока из приводной камеры 44 в резервуар. Шарик 192 находится возле конца 194 основной части 164, противолежащей первому основанию 166.

Второй соединительный канал содержит проход 196 в конечной части 66 и проход 198 в основной части 164, причем оба прохода сообщаются друг с другом. Второй соединительный канал также содержит первый выпускной золотниковый клапан 200 и второй выпускной обратный клапан 202. Первый выпускной золотниковый клапан содержит канал 204. Канал 204 находится во взаимодействии со штоком 174, который действует в качестве клапана золотника так, что когда конец 206 штока 174 смещается вправо (см. фиг.11) настолько, чтобы открыть канал 204, первый выпускной золотниковый клапан 200 открыт. Когда шток 174 смещается влево настолько, чтобы закрыть канал 204, первый выпускной золотниковый клапан 200 закрыт. Таким образом, конец 206 штока 174 находится в таком положении относительно канала 204, что первый выпускной золотниковый клапан 200 действует надлежащим образом внутри клапанной системы 182.

Второй выпускной обратный клапан 202 является шаровым обратным клапаном, который закрывается в направлении потока из резервуара текучей среды в приводную камеру 44 и открывается в направлении потока из приводной камеры 44 в резервуар. Второй выпускной обратный клапан 202 имеет шарик 208, находящийся возле конечной части 56 в проходе 198. Функционирование клапанной системы 182 иллюстрируется на фиг.12-15, которые соответствуют фиг.3В и 3Е, иллюстрирующим работу известного насоса. На фиг.12 иллюстрируется ситуация, когда в приводной камере 44 слишком мало гидравлической текучей среды, и насос находится в такте нагнетания. Второй впускной обратный клапан 190 в первом соединительном канале закрыт на входе, и первый выпускной золотниковый клапан 200 закрыт на выходе. Таким образом, гидравлическая текучая среда не может вытекать из приводной камеры 44. Таким образом, поскольку в приводной камере 44 имеется уже слишком мало гидравлической текучей среды, такт нагнетания не вызывает отток текучей среды из приводной камеры 44 через клапанную систему.

На фиг.13 иллюстрируется ситуация, когда в приводной камере 44 слишком мало гидравлической текучей среды, и насос находится в такте всасывания. Второй впускной обратный клапан 190 открывается, потому что давление в приводной камере 44 ниже давления в резервуаре текучей среды. Первый впускной золотниковый клапан 188 открыт, поскольку недостаток гидравлической текучей среды в приводной камере 44 заставляет диафрагму 34 смещаться влево (см. фиг.13) так, что шток 174, действующий в качестве золотника клапана, смещается влево, и прорезь 178, действующая в качестве канала, совмещается с каналом 180. Поскольку оба клапана первого соединительного канала на входе открыты, масло поступает в приводную камеру 44. Таким образом, потери гидравлической текучей среды в такте нагнетания не происходит (см. фиг.12), и гидравлическая текучая среда течет в приводную камеру 44 в такте всасывания. Следовательно, клапанная система действует так, чтобы исправить ситуацию, когда в приводной камере 44 слишком мало гидравлической текучей среды.

На фиг.14 иллюстрируется ситуация, когда в приводной камере 44 слишком много гидравлической текучей среды, и насос находится в такте нагнетания. В этом случае, поскольку имеет место избыток гидравлической текучей среды, диафрагма 34 смещена больше вправо, что приводит к закрыванию первого впускного золотникового клапана 188. Однако первый выпускной золотниковый клапан 200 открывается. Кроме того, поскольку давление в приводной камере 44 повышается во время такта нагнетания, второй выпускной обратный клапан 202 открывается так, что гидравлическая текучая среда может вытекать в резервуар по второму соединительному каналу.

На фиг.15 иллюстрируется ситуация, когда в приводной камере 44 слишком много гидравлической текучей среды, и насос находится в такте всасывания. Поскольку имеет место избыток гидравлической текучей среды, диафрагма 34 смещена вправо (см. фиг.15), что приводит к закрыванию первого впускного золотникового клапана 188. С другой стороны, первый выпускной золотниковый клапан 200 открыт. Поскольку насос находится в такте всасывания, давление в приводной камере 44 уменьшается и становится меньше, чем давление в резервуаре гидравлической текучей среды. Поэтому второй выпускной обратный клапан 202 открывается, и гидравлическая текучая среда течет из приводной камеры 44 по второму соединительному каналу в резервуар гидравлической текучей среды. Таким образом, в случае, когда в приводной камере имеется избыток гидравлической текучей среды, клапанная система в тактах нагнетания и всасывания действует так, чтобы обеспечить отток гидравлической текучей среды в резервуар.

В насосе, показанном на фиг.11-15, смещения нет. Как показано на фиг.16 и 17, пружина смещения может использоваться с клапанной системой с минимальными изменениями. Плунжер 208, показанный на фиг.16, аналогичен плунжеру 42 фиг.2. Плунжер 208 имеет сплошной шток 210, в отличие от полого штока 178, представленного на фиг.11. Шток 210 присоединяется к золотнику 212 клапана, с помощью резьбового соединения или иным способом. Диаметр золотника 212 клапана больше, чем диаметр штока 210. Как следствие, образуется концентрическое пространство между штоком 210 и цилиндрической стенкой прохода 214 в основной части 216. Проход 214 аналогичен проходу 172, показанному на фиг.11, за исключением того, что цилиндрическая стенка 218 выступает за конец 220 основной части 216 и имеет уходящий внутрь фланец 222, который аналогичен второму основанию 64 (фиг.2). Пружина смещения 224 расположена в концентрическом пространстве между штоком 210 и цилиндрической стенкой прохода 214 и проходит между золотником 212 клапана и фланцем 222.

Поскольку шток 210 сплошной, в отличие от полого штока 178, показанного на фиг.11, должен обеспечиваться иной способ обеспечения канала для текучей среды с помощью первого впускного золотникового клапана 188 и второго выпускного золотникового клапана 200. Проход 226, имеющийся в сплошной части основной части 216, совмещается радиально с золотниковым каналом 180 первого впускного золотникового клапана 188. Таким образом, когда первый впускной золотниковый клапан 188 открыт, поскольку золотник 212 клапана сместился достаточно далеко влево (см. фиг.16), текучая среда может вытекать из приводной камеры 44 или поступать в нее через проход 226, концентрическое пространство, в котором находится пружина смещения 224, и золотниковый канал 180.

Как показано на фиг.17, между приводной камерой 44 и проходом 214 обеспечивается проход 228 в части прохода 214 между золотником 212 клапана и конечной частью 56. После этого, когда золотник 212 клапана смещается достаточно вправо (см. фиг.16) так, что открывается золотниковый канал 204 первого выпускного золотникового клапана 200, гидравлическая текучая среда может вытекать из приводной камеры 44 или поступать в нее через проход 228, проход 214 и золотниковый канал 204.

Клапанная система 182 с пружиной смещения или без нее управляет объемом гидравлической текучей среды в приводной камере 44 за диафрагмой 34, обеспечивая приток гидравлической текучей среды в случае, когда ее недостаточно, и отток, когда имеется избыток гидравлической текучей среды. Таким образом, клапанная система является устройством защиты от переполнения.

Клапанная система 56 без пружины смещения не создает перепада давления с обеих сторон диафрагмы в процессе работы насоса. В случае клапанной системы с пружиной смещения, как уже было рассмотрено выше, пружина имеет такую длину, что она разжата и не оказывает смещающего давления на диафрагму, когда в гидравлической камере находится требуемое количество гидравлической текучей среды, и имеет жесткость, которая обеспечивает перепад давлений с обеих сторон диафрагмы в точке, в которой клапанная система открыта на выход. Вышеприведенное рассмотрение в отношении пружины смещения справедливо в отношении насоса с клапанной системой.

Были представлены многочисленные альтернативные варианты обеспечения устройства защиты от переполнения для приводной камеры в диафрагменном насосе. Такое устройство защиты предохраняет диафрагму от деформации, выходящей за расчетные пределы, из-за того, что приводная камера наполняется сверх ее максимальной вместимости (состояние переполнения). В результате, увеличивается срок службы диафрагмы.

Наконец, понятно, что вышеприведенное описание, альтернативные варианты и материалы обеспечивают полное раскрытие конструкции и использования изобретения. Однако, поскольку многочисленные варианты реализации изобретения могут быть предложены без выхода за пределы объема и существа изобретения, притязания изобретения определяются прилагаемой формулой.

Формула изобретения

1. Диафрагменный насос с приводом от двигателя, содержащий корпус, имеющий насосную камеру, содержащую перекачиваемую жидкость, приводную камеру, содержащую гидравлическую жидкость, и бак для гидравлической жидкости; диафрагму, имеющую сторону приводной камеры и сторону насосной камеры, при этом указанная диафрагма крепится в указанном корпусе и формирует с указанным корпусом указанную насосную камеру на указанной стороне насосной камеры и указанную приводную камеру на указанной стороне приводной камеры; поршень в цилиндре в указанном корпусе, совершающий возвратно-поступательное движение, при этом указанная диафрагма имеет рабочий ход и ход всасывания, при этом указанный цилиндр формирует часть указанной приводной камеры, указанный поршень проходит через первый канал передачи гидравлической жидкости между указанным баком для гидравлической жидкости и указанной приводной камерой; золотник и первый клапан в указанном первом канале передачи жидкости для того, чтобы выборочно направить поток гидравлической жидкости из указанного бака для гидравлической жидкости в указанную приводную камеру, когда указанный первый клапан открыт; и устройство для защиты от переполнения указанной приводной камеры; при этом указанное устройство для защиты от переполнения включает механический стопор на указанном поршне, входящий в зацепление с указанным золотником, и смещающий элемент, входящий в зацепление с указанным золотником, в котором указанный смещающий элемент снабжен пружиной, уравновешивающей силу всасывания, а указанный механический стопор ограничивает движение указанного золотника во время хода всасывания, чтобы установить указанный золотник в положение закрытия указанного первого клапана и предотвратить переполнение системы переходной камеры и защитить указанную диафрагму от деформации при заполнении переходной камеры свыше проектного предела максимального заполнения.

2. Диафрагменный насос по п.1, в котором устройство защиты от переполнения содержит второй соединительный канал для гидравлической текучей среды между приводной камерой и резервуаром гидравлической текучей среды и выпускной клапан во втором соединительном канале для избирательного обеспечения поступления гидравлической текучей среды из приводной камеры в резервуар, когда второй клапан открыт.

3. Диафрагменный насос по п.1, который содержит пружину, смещающую диафрагму от насосной камеры, при этом первый конец пружины соединен с золотником, а ее второй конец поддерживается поршнем для перемещения вместе с поршнем, и пружина имеет коэффициент жесткости, определяемый из уравнения

k=A_p(P_s-P_n)/d₀,

где А_р – площадь поршня;

d₀ – расстояние переполнения;

P_s – расчетное давление всасывания насоса;

Р_п – рабочее давление насоса в нейтральном положении,

и где расчетное давление всасывания насоса изменяется от 8,4 до 14,7 psi (от 57,9 до 101,3 кПа), а рабочее давление насоса в нейтральном положении изменяется от нуля до 8 psi (55,1 кПа).

4. Диафрагменный насос с приводом от двигателя, содержащий корпус, в котором имеется насосная камера, предназначенная для заполнения текучей средой, которая должна перекачиваться, приводная камера, предназначенная для заполнения гидравлической текучей средой, и резервуар для гидравлической текучей среды; диафрагму, имеющую сторону приводной камеры и сторону насосной камеры, причем диафрагма крепится в корпусе и образует вместе с корпусом насосную камеру на стороне насосной камеры и приводную камеру на стороне приводной камеры; поршень в цилиндре, размещенном в корпусе, предназначенный для придания мембране возвратно-поступательного движения для обеспечения тактов нагнетания и всасывания, причем цилиндр образует часть приводной камеры, а поршень содержит части первого и второго соединительных каналов для текучей среды между резервуаром и приводной камерой с первой клапанной системой в первом соединительном канале и второй клапанной системой во втором соединительном канале, причем первый и второй соединительные каналы и первая и вторая клапанные системы обеспечивают необходимое количество гидравлической текучей среды в приводной камере для предотвращения выхода деформации диафрагмы за расчетные пределы в процессе движения поршня в тактах нагнетания и всасывания.

5. Диафрагменный насос по п.4, в котором первая клапанная система содержит впускной золотниковый клапан и впускной обратный клапан, а вторая клапанная система содержит выпускной золотниковый клапан и выпускной обратный клапан.

6. Диафрагменный насос по п.5, в котором поршень содержит основную часть с проходом, который является частью первого и второго соединительных каналов, а впускной и выпускной золотниковые клапаны содержат общий золотник клапана, причем золотник клапана может перемещаться в проходе и соединен с диафрагмой, при этом впускной золотниковый клапан содержит впускной золотниковый канал в основной части, а выпускной золотниковый клапан содержит выпускной золотниковый канал в основной части, при этом золотник клапана избирательно перемещается в проходе, открывая впускной золотниковый канал или выпускной золотниковый канал для того, чтобы открыть впускной или выпускной золотниковые клапаны соответственно, обеспечивая прохождение через них гидравлической текучей среды.

7. Диафрагменный насос с приводом от двигателя, содержащий корпус, имеющий насосную камеру, содержащую перекачиваемую жидкость, переходную камеру, содержащую гидравлическую жидкость, и бак для гидравлической жидкости; диафрагму, имеющую сторону переходной камеры и сторону насосной камеры, при этом указанная диафрагма крепится в указанном корпусе и формирует с указанным корпусом указанную насосную камеру на стороне указанной насосной камеры и указанную переходную камеру на указанной стороне переходной камеры; поршень в цилиндре в указанном корпусе, совершающий возвратно-поступательное движение, при этом указанная диафрагма имеет рабочий ход и ход всасывания, указанный цилиндр, формирующий часть указанной переходной камеры; канал для жидкости, направляющий гидравлическую жидкость от указанного бака для гидравлической жидкости до указанной переходной камеры; смещающий элемент, смещающий золотник, имеет константу пружины, уравновешивающую силу всасывания, возникающую во время указанного хода всасывания, указанный золотник, когда он уравновешен указанным элементом смещения, блокирует указанный канал для жидкости в указанном цилиндре во время указанного хода всасывания и предотвращает указанную переходную камеру от переполнения гидравлической жидкостью, чтобы защитить указанную диафрагму от деформации при заполнении переходной камеры свыше проектного предела максимального заполнения, и стопорный элемент, выступающий из указанного поршня по пути движения указанного золотника, при этом стопорный элемент выполнен и сконфигурирован так, чтобы остановить движение золотника перед максимальным сжатием смещающего элемента.

РИСУНКИ