устройство для подачи текучей рабочей среды

Формула изобретения

1. Устройство для подачи текучей рабочей среды с использованием давления рабочего газа, содержащее корпус с входным патрубком для подвода рабочего газа и выходным патрубком для вывода текучей рабочей среды, размещенные внутри корпуса камеру из эластичного материала, имеющую в продольном сечении форму стакана, обращенную открытой стороной к выходному патрубку, соединенную с корпусом и установленную в нем с возможностью подвода к ее внешней поверхности рабочего газа, и коллектор, установленный с возможностью вывода текучей рабочей среды, а в выходном патрубке установлен герметизирующий элемент, отличающееся тем, что коллектор установлен вне камеры перед выходным патрубком, место соединения камеры с корпусом расположено от коллектора на расстоянии, соизмеримом с высотой камеры, а внутренний поперечный размер полости корпуса соизмерим с наружным поперечным размером камеры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в пределах расстояния между входным патрубком и местом соединения камеры с корпусом выполнено местное увеличение поперечного размера полости корпуса с образованием свободного объема, величина которого выбрана из условия компенсации максимального расширения камеры при разогреве текучей рабочей среды в условиях эксплуатации.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что герметизирующий элемент в выходном патрубке выполнен в виде обратного клапана, открывающегося при срабатывании устройства.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри корпуса между входным патрубком и камерой установлен дополнительный коллектор.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит соединенный с каналами подвода рабочего газа к внешней поверхности камеры дополнительный патрубок, в котором установлен механизм стравливания рабочего газа после срабатывания устройства.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера выполнена в радиальном сечении в виде полного кольца или его части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидротранспорту с использованием давления газа и может быть применено для подачи различных жидкостей.

Известны устройства для подачи, дозирования и распределения смазок и других ТРС (текучих рабочих сред). Перемещение и транспортирование ТРС к месту ее потребления достигается чаще всего за счет обжатия (или расширения) давлением газа эластичной камеры (мешка, оболочки, колпака и т.д.). Уменьшение или увеличение объема эластичной камеры обеспечивает выдавливание ТРС из резервуара или из той части его полости, где эта рабочая среда находится до срабатывания устройства.

При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены наиболее близкие аналоги изобретения:

- автоматическое устройство для подачи смазки, приведенное в международной заявке № 89/01589, МПК⁷ F16N 11/10, публикация 23.02.89. Устройство содержит резервуар со смазкой, эластичную камеру и электрохимический элемент для генерирования рабочего газа, посредством давления которого камера расширяется и выдавливает смазку из резервуара;

- устройство для смазки пневматических механизмов с использованием давления газа, приведенное в патенте США № 3724601, МПК F16N 7/30, публикация 03.04.73. Устройство имеет корпус с выходным патрубком, в котором размещен контейнер со смазкой в виде мешка из эластичного материала, который под давлением рабочего газа (потока воздуха) сплющивается и через перфорированный элемент (жиклер) выдавливает смазку в этот поток. Перфорированный элемент установлен перед выходным патрубком.

Общими недостатками этих аналогов являются низкий и нестабильный КПД (количество выдавливаемой ТРС относительно количества, размещенного в устройстве) из-за неравномерности обжатия (или расширения) камеры, в которой она хранится, вследствие чего надежность устройства невысокая.

Известно устройство для подачи ТРС с использованием давления газа, приведенное в патенте RU № 2223441, МПК⁷ F16N 7/30, 11/10, публикация 10.02.2004, Б.И. № 4. Устройство содержит корпус с входным патрубком для подвода рабочего газа и выходным патрубком для вывода ТРС, размещенные в корпусе камеру со стенкой из эластичного материала, заполненную ТРС, полость для газа, изолированную от камеры, и перфорированный элемент (коллектор), установленный внутри камеры с возможностью вывода из нее ТРС, при этом один торец коллектора соединен с корпусом со стороны входного патрубка, а другой - с выходным патрубком, в котором установлена герметизирующая мембрана. Коллектор может быть выполнен гибким или в виде пружины.

К недостаткам конструкции этого устройства следует отнести наличие двух открытых сторон у эластичной камеры, что приводит к необходимости не только двухсторонней изоляции ее внутреннего объема от полости для рабочего газа, но также и двухстороннего механического соединения коллектора с выходным патрубком и корпусом со стороны входного патрубка. В указанных местах имеются переходы диаметров от больших к малым, и наоборот. Места переходов располагаются внутри камеры. Поэтому выполнить их плавными, без выступов, канавок и острых кромок, затруднено. В связи с этим возможны повреждения камеры, приводящие к прорыву ее стенок при срабатывании устройства. В итоге, это приводит к снижению надежности работы устройства.

Известно устройство для подачи ТРС с использованием давления газа, приведенное в патенте RU № 2334160, МПК⁷ F16N 7/30 (2006.01), публикация 20.09.2008, Б.И. № 26. Устройство содержит корпус с входным патрубком для подвода рабочего газа и выходным патрубком для вывода ТРС. Внутри корпуса размещены камера со стенками из эластичного материала, имеющая в продольном сечении форму стакана, обращенная открытой стороной к выходному патрубку, соединенная с корпусом и установленная в нем с возможностью подвода к ее внешней поверхности рабочего газа, и трубчатый коллектор с радиусами округления на свободном конце, выступающем от места заделки трубки в корпусе в виде консоли, установленной с возможностью вывода ТРС через трубку. В выходном патрубке установлен герметизирующий элемент в виде мембраны. В выходном патрубке корпуса данного устройства может быть установлен обратный клапан, открывающийся при подаче ТРС в устройство в процессе его изготовления. При этом герметизирующая мембрана устанавливается в запорном элементе обратного клапана.

Данное устройство выбрано за прототип.

К недостаткам конструкции этого устройства следует отнести, прежде всего, ненадежность ее срабатывания в условиях отрицательных температур, так как в этих условиях целостность и работоспособность стенок камеры, в которой размещается ТРС, не могут гарантироваться физико-механическими свойствами известных эластичных неметаллических материалов.

Такие камеры из эластичного материала могут отличаться друг от друга величиной отношения (N) длины (L) к диаметру (D). При этом следует отметить, что чем больше величина отношения N, тем более сложная и дорогостоящая пресс-форма требуется для изготовления камеры.

В процессе выдавливания ТРС, независимо от величины отношения N, камера обжимается давлением рабочего газа до упора в коллектор. При этом стенки камеры деформируются и складываются в фигуру типа ромашки с произвольным числом лепестков. В вершине лепестка стенки прогибаются с малым радиусом, за счет этого в используемом эластичном материале с большой вероятностью могут образоваться трещины, приводящие к прорыву стенок камеры. Основной причиной, приводящей к образованию трещин в стенках камеры, является недостаточно высокая морозостойкость известных неметаллических материалов, например, деталей из резиновых смесей, которые могут использоваться для их изготовления. При отрицательной температуре резина затвердевает, резко теряет свою эластичность и охрупчивается.

Следует отметить, что известны пластичные металлы и сплавы, обладающие более высокой морозостойкостью. Однако для их использования требуется значительное увеличение давления рабочего газа, габаритов и массы устройства. Поэтому изготовление эластичных камер из металлов и сплавов затруднено.

Надежность срабатывания устройства, выбранного за прототип, и стабильность его КПД не гарантируются также в связи с возрастанием вероятности прорыва стенок камеры с течением времени хранения. При хранении неметаллического материала, используемого для изготовления камеры, как отдельно, так и в составе устройства, наблюдается наличие дополнительной потери его эластичности и охрупчивания, обусловленного характерными естественными процессами старения. Поэтому изгиб с малым радиусом в процессе обжатия камеры при срабатывании устройства приводит к еще большей вероятности образования трещин и последующего прорыва стенок камеры.

К недостаткам конструкции следует отнести также наличие в выходном патрубке герметизирующего элемента в виде мембраны. В процессе срабатывания устройства требуется создание избыточного давления, превышающего величину Р, необходимую для надежного разрушения (прорыва) этого элемента. При этом следует отметить, что величина давления Р зависит не только от толщины непосредственно самой мембраны или параметров разупрочняющих надрезов (при их наличии), но и от физико-механических свойств материала, из которого мембрана изготовлена, а также от способов и показателей механической заделки мембраны в корпусе. В связи с этим величина Р, во-первых, не может иметь малые значения, так как тонкая мембрана может быть полностью раздавлена при ее механической заделке в корпусе. Во-вторых, фактическое значение величины Р может изменяться в весьма широком диапазоне. Отсюда возникает необходимость увеличения давления рабочего газа, что приводит к эквивалентному росту толщины силовых элементов корпуса, габаритов и массы устройства в целом. В то же время, увеличенное давление рабочего газа в процессе обжатия камеры при срабатывании устройства приводит к еще большей вероятности образования трещин и последующего прорыва стенок камеры, что сказывается отрицательно на КПД и надежности работы устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы устройства и стабильности КПД.

При использовании предлагаемого изобретения достигается следующий технический результат:

- повышение стабильности КПД;

- повышение надежности срабатывания конструкции и обеспечение ее высокого уровня в течение времени хранения и эксплуатации устройства.

Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для подачи ТРС с использованием давления газа, содержащем корпус с входным патрубком для подвода рабочего газа и выходным патрубком для вывода ТРС, внутри корпуса размещены камера со стенками из эластичного материала, имеющая в продольном сечении форму стакана, обращенная открытой стороной к выходному патрубку, соединенная с корпусом и установленная в нем с возможностью подвода к ее внешней поверхности рабочего газа, и коллектор, установленный с возможностью вывода ТРС, а в выходном патрубке установлен герметизирующий элемент, согласно предлагаемому изобретению:

а) коллектор установлен вне камеры перед выходным патрубком;

б) место соединения камеры с корпусом расположено от коллектора на расстоянии, соизмеримом с высотой камеры;

в) внутренний поперечный размер полости корпуса соизмерим с наружным поперечным размером камеры.

При этом в пределах расстояния между входным патрубком и местом соединения камеры с корпусом может быть выполнено местное увеличение поперечного размера полости корпуса с образованием свободного объема, величина которого выбирается из условия компенсации максимального расширения камеры при разогреве ТРС в условиях эксплуатации. Герметизирующий элемент в выходном патрубке может быть выполнен в виде обратного клапана, открывающегося при срабатывании устройства. Внутри корпуса между входным патрубком и камерой может быть установлен дополнительный коллектор. Устройство может содержать соединенный с каналами подвода рабочего газа к внешней поверхности камеры дополнительный патрубок, в котором может быть установлен механизм стравливания рабочего газа после срабатывания устройства. Камера может быть выполнена в радиальном сечении в виде полного кольца или его части.

Установка коллектора вне камеры перед выходным патрубком, расположение места соединения камеры с корпусом от коллектора на расстоянии, соизмеримом с высотой камеры, а также выполнение внутреннего поперечного размера полости корпуса соизмеримым с наружным поперечным размером камеры, имеющей в продольном сечении форму стакана, при срабатывании устройства обеспечивают выдавливание ТРС, находящейся в камере и корпусе, за счет полного выворачивания эластичных стенок камеры до упора в поверхности внутренней полости корпуса, а донышка - в коллектор.

При этом согласно основным положениям гидроаэродинамики рабочий газ и ТРС, разделенные друг от друга эластичной и легкодеформируемой стенкой, во многом одинаковы и поэтому при перемещении внутри корпуса в процессе выворачивания камеры ведут себя как единая среда в соответствии с уравнением неразрывности

₁v₁F₁= ₂v₂F₂= vF=const,

где - плотность; v - скорость; F - площадь нормального сечения.

Из анализа этого уравнения следует, что при выворачивании материал камеры испытывает объемную деформацию вследствие действия с одной стороны рабочего газа, а с другой - жидкости, каковой является используемая ТРС. До момента полного выворачивания, завершающегося упором стенок камеры (стакана) в поверхности внутренней полости корпуса, а донышка - в коллектор, давление рабочего газа может превышать давление жидкости не более чем на величину максимального значения давления (Р_выв), необходимого для полного выворачивания камеры. Величина Р_выв составляет, как правило, не более 0,1 МПа (1 кгс/см²). После упора стенок камеры в поверхности внутренней полости корпуса, а донышка - в коллектор, разность давлений значительно увеличивается (до действующего значения рабочего давления, превышающего величину Р_выв в десятки раз), но при этом все возможные изгибы стенок уже разглажены, так как камера приобретает форму, образованную внутренними поверхностями корпуса и коллектора. Возможность появления складок с малым радиусом изгиба отсутствует на всех стадиях выворачивания в связи с недостаточностью для образования таких складок действующей разности давлений.

В отличие от изложенного процесса выворачивания камеры при срабатывании предложенного устройства, в устройстве, выбранном за прототип, камера обжимается давлением рабочего газа до упора в трубку коллектора. При этом стенки камеры деформируются и прогибаются с малым радиусом. За счет этого в используемом эластичном материале с большой вероятностью могут образоваться трещины, приводящие к прорыву стенок камеры. Как указывалось выше, это сказывается отрицательно на КПД и надежности работы устройства. В предложенном устройстве указанный недостаток устранен.

При этом надежность срабатывания предложенного устройства и его КПД, практически, постоянны и не снижаются с течением времени хранения, несмотря на то, что при хранении неметаллического материала, используемого для изготовления камеры, наблюдается наличие дополнительной потери его эластичности и охрупчивания. Это объясняется тем, что возможность появления складок с малым радиусом изгиба, о чем отмечалось выше, за счет замены механического процесса обжатия (обдавливания) камеры ее выворачиванием в предложенном устройстве отсутствует. А это означает, что даже при наличии потери эластичности и охрупчивания используемого материала камеры, в предложенном устройстве вероятность образования трещин и последующего прорыва стенок камеры весьма мала.

Выполнение в пределах расстояния между входным патрубком и местом соединения камеры с корпусом местного увеличения поперечного размера полости корпуса с образованием свободного объема, величина которого выбирается из условия компенсации максимального расширения камеры при разогреве ТРС в условиях эксплуатации, позволяет уменьшить габариты камеры и устройства в целом.

Выполнение герметизирующего элемента в выходном патрубке в виде обратного клапана, открывающегося при срабатывании устройства, позволяет уменьшить величину давления рабочего газа, что эквивалентно уменьшению толщины силовых элементов корпуса, габаритов и массы устройства в целом. Одновременно уменьшенное значение необходимой для срабатывания устройства величины давления рабочего газа положительно сказывается на надежности работы устройства.

Установка дополнительного коллектора внутри корпуса между входным патрубком и камерой исключает при срабатывании устройства возможность механического повреждения стенок и донышка камеры струей рабочего газа.

Наличие в устройстве дополнительного патрубка, соединенного с каналами подвода рабочего газа к внешней поверхности камеры, и установка в этом патрубке механизма стравливания рабочего газа позволяют без использования каких-либо внешних устройств облегчить условия, в которых оказывается эластичный колпак после срабатывания устройства, что дополнительно уменьшает вероятность прорыва стенок камеры.

Выполнение камеры в радиальном сечении в виде полного кольца или его части позволяет уменьшить высоту устройства, что расширяет возможности потребителя при компоновке предложенного устройства на объекте применения.

В совокупности отличительные признаки предложенного устройства обеспечивают повышение, как стабильности КПД, так и надежности срабатывания конструкции с обеспечением ее высокого уровня в течение времени хранения и эксплуатации.

Примеры исполнения устройства поясняются фиг.1, 2, 3 и 4.

Предложенное устройство, представленное на фиг.1, содержит корпус 1 с входным патрубком 2 для подвода рабочего газа и выходным патрубком 3 для вывода ТРС 4. Внутри корпуса размещена тонкостенная камера 5 с глухим дном 6, которая выполнена из эластичного материала и в продольном сечении имеет форму стакана, обращенного открытой стороной к выходному патрубку 3. Камера 5 содержит изолирующий элемент 7 в виде бурта Т-образной формы, через который она соединена с корпусом 1. Перед выходным патрубком 3 вне камеры 5 установлен коллектор 8 с возможностью вывода ТРС 4 из внутренней полости корпуса через отверстия 9. Камера 5 при помощи изолирующего элемента 7 соединена с корпусом 1 с возможностью подвода к ее внешней поверхности рабочего газа за счет каналов (зазоров) 10 между стенками камеры 5 и сопрягаемыми поверхностями внутренней полости корпуса 1. При этом расстояние между коллектором 8 и местом соединения камеры 5 с корпусом 1 соизмеримо с высотой камеры. В выходном патрубке 3 установлен герметизирующий элемент 11 в виде колпачка, в донышке которого выполнена мембрана 12 с разупрочняющими надрезами. На цилиндрической поверхности колпачка выполнена канавка, в которую установлен элемент изоляции 13 в виде кольца. Для подвода рабочего газа от входного патрубка 2 к внешней поверхности камеры 5 выполнен канал 14.

Предложенное устройство, представленное на фиг.2, содержит дополнительный коллектор 15, установленный внутри корпуса 1 между входным патрубком 2 и камерой 5. В устройстве выполнен соединенный с каналом 14, подводящим рабочий газ к внешней поверхности камеры 5, дополнительный патрубок 16, в котором установлен механизм 17 стравливания рабочего газа после срабатывания устройства. Герметизирующий элемент 11 в выходном патрубке 3 выполнен в виде обратного клапана, открывающегося при срабатывании устройства. При этом обратный клапан содержит пружину 18 и герметизирующий затвор 19. Кроме того, в пределах расстояния между входным патрубком 2 и местом соединения камеры 5 с корпусом 1, выполнено местное увеличение поперечного размера внутренней полости корпуса с образованием свободного объема 20, величина которого выбрана из условия компенсации максимального расширения камеры 5 при разогреве ТРС 4 в условиях эксплуатации.

Предложенное устройство, представленное на фиг.3, содержит корпус 1 с внутренней полостью, заполненной ТРС 4, камерой 5, выполненной в радиальном сечении в виде полного кольца, и коллектором 8. Внутри корпуса 1 между входным патрубком 2 и камерой 5 установлен дополнительный коллектор 15. В выходном патрубке 3 установлен герметизирующий элемент 11, не отличающийся от представленного на фиг.1. Такой же канал 14 выполнен для подвода рабочего газа от входного патрубка 2 к внешней поверхности камеры 5. На фиг.4 представлен вид на фиг.3 сверху.

Следует отметить, что во всех вариантах исполнения предложенного устройства, представленных на фиг.1, 2, 3 и 4, используются эластичные камеры, для полного выворачивания которых требуется давление не более указанного ранее значения Р_выв.

Устройство работает следующим образом.

При подаче, см. фиг.1, 2 и 3, через входной патрубок 2 рабочий газ по каналам (зазорам), в том числе 14 и 10, подводится к внешней поверхности камеры 5. Под действием давления рабочего газа стенки камеры отходят от внутренней поверхности корпуса, и камера полностью выворачивается (конечное и промежуточные положения стенки камеры на иллюстрациях не показаны) относительно места соединения камеры с корпусом до упора стенок камеры в поверхности внутренней полости корпуса, а донышка 6 - в коллектор 8. В процессе выворачивания камеры 5 возрастающее давление ТРС 4, поступающей через отверстия 9 коллектора 8, воздействует на герметизирующий элемент 11. При этом после достижения заданных уровней давления ТРС 4 в устройствах, представленных на фиг.1 и 3, прорывается мембрана 12, а в устройстве, представленном на фиг.2, сжимается пружина 18 и открывается затвор 19. Под действием давления, близкого к давлению рабочего газа, ТРС 4 через выходной патрубок 3 по мере выдавливания из внутренней полости корпуса 1 поступает к месту ее потребления (вид герметизирующих элементов 11 после их открывания и место потребления ТРС 4 на иллюстрациях не показаны).

Весь процесс выворачивания камеры 5 до упора стенок в поверхности внутренней полости корпуса 1, а донышка 6 - в коллектор 8 происходит без появления складок с малым радиусом изгиба в связи с недостаточностью для образования таких складок действующей разности давлений не более Р_выв , что обеспечивает повышение стабильности КПД и надежности работы устройства в течение времени его хранения и эксплуатации.

Для повторного срабатывания камера 5 вновь заполняется заданным количеством ТРС 4, герметизирующий элемент 11 с разрушенной мембраной 12 заменяется новым, а с обратным клапаном - может использоваться повторно.

В процессе опробования конструкции данного устройства для изготовления камеры 5 и затвора 19 была использована резиновая смесь НО-68-I. Корпус 1 с патрубками 2 и 3, коллекторы 8 и 15 и мембрана 12 изготавливались из алюминиевых сплавов. Для изготовления обратного клапана использовалась сталь, а для пружины 18 - стальная проволока.

Работоспособность устройства была проверена путем выворачивания камеры 5 инертным газом под избыточным давлением. Испытания проводились в условиях, как положительных, так и отрицательных температур. Прорыв камеры или появление трещин на наружной и внутренней поверхностях стенок камеры не наблюдались.

Практические результаты, полученные при использовании устройства, показывают, что в случае выполнения конструкции согласно предлагаемому изобретению обеспечивается плавное выворачивание эластичной камеры без прорыва ее стенок и подача ТРС, масса которой может быть сколь угодно большой. При этом обеспечивается высокая надежность работы и стабильный КПД устройства в течение времени его хранения и эксплуатации.