Диафрагменный насос (варианты)

Диафрагменный насос (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

Таблица
Испытание	Сер.№	К	Время	Результат
1	141849	7,7 кг/см	97 часов	Разрыв
2	141849	7,7	55	Разрыв

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

3	141849	7,7	106	Разрыв
4	142132	9,6	106	ОК
5	?	9,6	124	ОК
6	142131	9,6	214	ОК

Первые три испытания проводились с жесткой пружиной, имеющей коэ