насос с тепловым приводом и способ его изготовления

Формула изобретения

НАСОС С ТЕПЛОВЫМ ПРИВОДОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

1. Насос с тепловым приводом, содержащий корпус, в котором с образованием насосной камеры с клапанами и приводной камеры с легкокипящей приводной средой установлен гибкий разделитель, капиллярный испаритель и конденсатор, отличающийся тем, что с целью повышения надежности, упрощения конструкции и процесса изготовления насоса, приводная камера образована зазором между верхней стенкой корпуса и разделителем и полностью заполнена легкокипящей средой, а испаритель расположен на внутренней поверхности верхней стенки корпуса.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что верхняя стенка корпуса выполнена с цилиндрическим выступом, а конденсатор - в виде стакана, размещенного с возможностью охвата выступа верхней стенки корпуса и соединенного по верхней кромке с разделителем.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что конденсатор выполнен в виде круглой пластины, соединенной по периметру с разделителем, выполненным в виде горизонтальной гофрированной мембраны, а верхняя стенка выполнена горизонтальной.

4. Насос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что верхняя стенка корпуса в зоне размещения испарителя покрыта теплоаккумулирующим материалом.

5. Способ изготовления насоса с тепловым приводом, включающий изготовление корпуса с вытеснителем и испарителем, клапанов и гибкого разделителя, их соединение, заполнение легкокипящей приводной средой, вакуумирование и герметизацию приводной камеры, отличающийся тем, что для заполнения легкокипящей приводной средой и вакуумирования насоса его подсоединяют к емкости с легкокипящей приводной средой заправочным штуцером вверх, после чего несколько раз растягивают и сжимают гибкий разделитель, а отсоединяют и герметизируют приводную камеру насоса в сжатом состоянии гибкого разделителя.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что верхнюю стенку корпуса изготавливают из алюминиевого сплава, а капиллярный испаритель на его внутренней поверхности получают путем ее травления до появления несквозной пористой структуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению и касается насосов с тепловым приводом, которые могут найти применение в различных отраслях народного хозяйства для перекачки текучих сред.

Известен насос с тепловым приводом (авторское свидетельство СССР N 1195045, кл. F 04 B 19/24, 1985), содержащий корпус с охлаждаемой стенкой, в котором с образованием приводной частично заполненной легкокипящей приводной средой и насосной камер, установлен гибкий разделитель, имеющий центральную часть из материала с высокой теплопроводностью, и закрепленный на этой части стержень-испаритель из капиллярно-пористого материала, причем стержень-испаритель размещен в приводной камере с возможностью взаимодействия в конце хода разделителя своим торцом с торцом вставки из капиллярно-пористого материала, расположенной в зоне охлаждаемой стенки, а вставка установлена на внутренней поверхности охлаждаемой стенки приводной камеры.

Способ изготовления этого известного насоса с тепловым приводом включает изготовление всех элементов насоса известными методами, горячее динамическое прессование и спекание капиллярно-пористых стержня-испарителя и вставки соответственно с охлаждаемой стенкой и с центральной частью гибкого разделителя, сборку насоса, заполнение легкокипящей приводной средой, вакуумирование и герметизацию приводной камеры.

Недостатками известного насоса с тепловым приводом и способа его изготовления являются сложность конструкции и его изготовления, а также недостаточная надежность работы, которая определяется качеством контакта торцевых поверхностей стержня-испарителя и вставки, который будет ухудшаться в процессе эксплуатации вследствие деформации капиллярно-пористой структуры в месте их контакта.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и положительному эффекту является насос с тепловым приводом, содержащий корпус, в котором с образованием насосной камеры с клапанами и приводной камеры установлен гибкий разделитель, а в приводной камере размещены заполненные частично легкокипящей приводной средой капиллярно-пористые испаритель и конденсатор, соединенные соответственно с верхней торцевой стенкой корпуса и гибким разделителем, причем насос снабжен вторым разделителем, связанным с первым разделителем штоком, в корпусе выполнена перегородка с центральным отверстием, имеющим уплотнение для штока, установленная между разделителями с образованием дополнительной насосной камеры с клапанами, а испаритель и конденсатор выполнены сферическими в месте взаимного контакта, причем испаритель расположен на торцевой стенке корпуса в зоне, ограниченной по периферии местом его контакта с конденсатором [1].

Способ изготовления такого насоса с тепловым приводом включает изготовление всех деталей насоса известными методами, горячее динамическое прессование и спекание капиллярно-пористых испарителя и конденсатора соответственно с верхней торцевой стенкой корпуса и гибким разделителем, сборку насоса, заполнение легкокипящей средой приводной камеры, ее вакуумирование, например, частичным выпариванием легкокипящей приводной среды в условиях нагрева за счет вытеснения воздуха из приводной камеры парами, герметизацию приводной камеры.

Недостатками известного насоса с тепловым приводом и способа его изготовления является сложность конструкции и его изготовления, а также недостаточная надежность работы, которая определяется качеством контакта торцевых поверхностей испарителя и конденсатора, который будет ухудшаться в процессе эксплуатации вследствие постепенной деформации капиллярно-пористой структуры в месте контакта.

Целью изобретения является повышение надежности работы, упрощение конструкции и изготовления насоса с тепловым приводом.

Поставленная цель достигается тем, что насос с тепловым приводом, содержащий корпус, в котором с образованием насосной камеры с клапанами и приводной камеры с легкокипящей приводной средой установлен гибкий разделитель, капиллярный испаритель и конденсатор, имеет приводную камеру, образованную зазором между верхней стенкой корпуса и разделителем и полностью заполнена легкокипящей средой, а испаритель расположен на внутренней поверхности верхней стенки корпуса.

Верхняя стенка корпуса выполнена с цилиндрическим выступом, а конденсатор выполнен в виде стакана, размещенного с возможностью охвата выступа верхней стенки корпуса.

Конденсатор выполнен в виде круглой пластины, соединенной по периметру с разделителем, выполненном в виде горизонтальной гофрированной мембраны, а верхняя стенка выполнена горизонтальной.

Верхняя стенка корпуса в зоне размещения испарителя покрыта теплоаккумулирующим материалом.

Способ изготовления насоса с тепловым приводом, включающий изготовление корпуса с вытеснителем и испарителем, клапанов и гибкого разделителя, их соединение, заполнение легкокипящей приводной средой, вакуумирование и герметизацию приводной камеры, отличается тем, что для заполнения приводной камеры легкокипящей приводной средой и вакуумирования насоса подсоединяют его к емкости с легкокипящей приводной средой заправочным штуцером вверх, после чего несколько раз растягивают и сжимают гибкий разделитель, а отсоединяют и герметизируют приводную камеру насоса в сжатом состоянии гибкого разделителя.

Верхнюю стенку корпуса изготавливают из алюминиевого сплава, а капиллярный испаритель на его внутренней поверхности получают путем ее травления до появления несквозной пористой структуры.

На фиг.1 представлен насос с цилиндрическим выступом и конденсатором в виде стакана; на фиг.2 - насос с горизонтальной верхней стенкой корпуса и горизонтальной гофрированной мембраной; на фиг.3 - схема заполнения и вакуумирования приводной камеры насоса.

Насос с тепловым приводом (см. фиг.1) содержит корпус 1, в котором с образованием насосной камеры 2 с клапанами 3 и 4 и приводной камеры 5 с легкокипящей приводной средой 6 (например, фреоном 113) установлен гибкий разделитель 7 (например, мембранного типа). В приводной камере 5 размещен капиллярный испаритель 8 и конденсатор 9. Кроме того, корпус 1 имеет цилиндрический выступ 10, а приводная камера 5 выполнена в виде зазора между верхней стенкой 11 корпуса 1 и гибким разделителем 7, причем легкокипящая приводная среда 6 заполняет полностью приводную камеру 5 (фиг.1 и 2, левая половина). Цилиндрический выступ выполнен в виде центрального внутреннего выступа (фиг. 1) на верхней стенке 11 корпуса 1, а аналогичный выступ, являющийся конденсатором 9, выполнен в виде стакана в центральной части гибкого разделителя 7 с возможностью охвата им цилиндрического выступа 10. Верхняя стенка 11 корпуса 1 и разделитель 7 могут быть выполнены горизонтальными (фиг.2), причем гибкий разделитель 7 - в виде горизонтальной гофрированной мембраны, например, из тонкостенной пружинистой стали. Верхняя стенка корпуса 1 может быть покрыта снаружи теплоаккумулирующим материалом 12. Для заправки приводной камеры 5 легкокипящей приводной средой 6 имеется заправочный штуцер 13. На корпус 1 насоса может быть одет поплавок 14, выполненный, например, из пенопласта, который обеспечивает насосу плавучесть в водоеме (фиг.1). В центре гибкого разделителя 7 со стороны насосной камеры 2 может быть закреплено кольцо 15.

Способ изготовления насоса с тепловым приводом включает изготовление корпуса 1 с выступом 10, например, методом штамповки. Изготовление испарителя 8, например, в виде трехслойной сетки с креплением ее на внутренней поверхности выступа 10 с помощью точечной сварки. Изготовление клапанов 3 и 4, например, литьем из пластмассы, и гибкого разделителя 7, например, методом штамповки из тонкостенного листа. Затем детали насоса соединяются между собой, например, винтами. Приводная камера 5 заполняется легкокипящей приводной средой 6 путем подсоединения ее к емкости 16 (см. фиг.3) с легкокипящей приводной средой 6 заправочным штуцером 13 вверх. После чего несколько раз растягивают и сжимают гибкий разделитель 7 с помощью стержня 17, пропущенного через посадочное гнездо 18 впускного клапана 3 и зацепленного загнутым концом за кольцо 15. После этого насос отсоединяют от емкости 16, а отсоединение его и герметизацию, например, винтом 19 с прокладкой производят в сжатом состоянии гибкого разделителя 7. Стержень 17 из гнезда 18 вынимают и устанавливают впускной клапан 3. Способ изготовления насоса может включать также другое выполнение испарителя 8. В этом случае выступ 10 изготавливают из алюминиевого сплава, например, АМц, а капиллярный испаритель 8 на его внутренней поверхности получают путем ее травления водным раствором щелочи или кислоты до появления несквозной пористой структуры.

Насос с тепловым приводом (см. фиг.1) работает следующим образом. При нагреве верхней стенки 11 насоса, например, от солнечной радиации, теплота q₁ подводится к капиллярному испарителю 8, в порах которого находится легкокипящая приводная среда 6 (левая половина чертежа). Последняя в порах испаряется и давление в приводной камере 5 возрастает, так как конденсации паров препятствует слой жидкой легкокипящей приводной среды 6, покрывающей поверхность конденсатора 9. Вследствие повышения давления в приводной камере 5 гибкий разделитель 7 прогибается вниз (правая половина чертежа). При этом из насосной камеры 2 перекачиваемая среда через нагнетательный клапан 4 вытесняется потребителю. Опускание гибкого разделителя 7 вниз приводит к тому, что жидкая легкокипящая среда 6 стекает в его нижнюю часть, освобождая доступ паров к конденсатору 9. При этом испаритель 8 осушается, т.к. прекращается его контакт с жидкой фазой. На конденсаторе 9 происходит конденсация паров и передача теплоты конденсации q₂ перекачиваемой среде. Давление в приводной камере 5 падает и гибкий разделитель 7 поднимается вверх (левая половина чертежа). Легкокипящая приводная среда 6 вытесняется цилиндрическим выступом 10 в зазор между верхней крышкой 11 насоса и гибким распределителем 7. Происходит насыщение пор испарителя 8 легкокипящей приводной средой 6 и его "выключение" - покрытие поверхности конденсатора 9 жидкой фазой. В процессе подъема гибкого разделителя 7 происходит всасывание перекачиваемой среды в насосную камеру 2 через всасывающий клапан 3. После этого снова начинается испарение легкокипящей приводной среды 6 в испарителе 8 под действием теплоты q₁ и цикл повторяется. Для обеспечения бесперебойной работы насоса в периоды кратковременных прекращений подвода теплоты q₁, например, в периоды затемнения насоса небольшой тучей, теплота q₁ может быть предварительно аккумулирована теплоаккумулирующим материалом 12, например, парафином, заполняющим снаружи цилиндрический выступ 10 (см. фиг.1) или удерживаемым в кожухе на плоской верхней крышке 11 насоса (см. фиг.2). Работа насоса, представленного на фиг.2, не отличается от работы насоса на фиг. 1. Для запуска насоса в работу требуется первоначальное заполнение его насосной камеры 2 перекачиваемой средой, что может быть осуществлено, например, погружением насоса под уровень жидкости с отжатием или вывинчиванием клапанов 3 и 4 и последующим возвращением их в исходное состояние после заполнения перекачиваемой средой насосной камеры 2. Для работы насоса с тепловым приводом может быть использован любой источник тепловой энергии а₁, например, теплота горения сухого спирта, нефтепродуктов и т.д.

Примером конкретного выполнения способа изготовления насоса с тепловым приводом может служить следующая последовательность и совокупность операций.

Изготавливают корпус 1 и верхнюю крышку 11 с цилиндрическим выступом 10 из алюминиевого сплава АМц, например, методом штамповки из листового материала. На верхней крышке 11 крепится заправочный штуцер 13, например, в отверстии крышки на резьбе. Изготавливают гибкий разделитель 7 из тонкостенной рессорной стали, например, методом штамповки в разогретом состоянии. Изготавливают впускной и выпускной 4 клапаны, например, методом литья из пластмассы в разъемную пресс-форму под давлением. В корпусе 1 выполняют посадочные места 18 под клапаны 3 и 4, например, сверлением и нарезанием резьбы под крепление клапанов. Изготавливают испаритель 8 на цилиндрическом выступе 10 путем его травления, например, 30% раствором соляной кислоты до появления несквозной пористой структуры, что может быть достигнуто в течение нескольких часов и зависит от температуры раствора. Очищают все детали, обезжиривают и промывают. Производят сборку насоса с герметизацией прокладками фланцев корпуса 1, гибкого разделителя 7 и верхней крышки 11, например, с помощью винтов с гайками. Заполняют, вакуумируют и герметизируют приводную камеру 5 путем подсоединения ее к емкости 16, например, с фреоном 113 заправочным штуцером 13 вверх (фиг.3). После этого несколько раз растягивают и сжимают гибкий разделитель 7 с помощью стержня 17 за кольцо 15 через посадочное отверстие 18 под всасывающий клапан 3. При этом воздух уходит из приводной камеры 5 через заправочный штуцер 13 в емкость 16, а приводная камера 5 заполняется фреоном 113. После того как выход воздуха из емкости 16 прекратился, гибкий разделитель 7 сжимают последний раз, и в этом сжатом состоянии насос поворачивают горизонтально, отсоединяют емкость 16 и герметизируют путем вворачивания винтовой пробки 19. Стержень 17 вынимают из гнезда 18.

Устанавливают (вворачивают) в гнезда клапаны 3 и 4.

Заявленное техническое решение обеспечивает следующий положительный эффект.

Повышение надежности работы насоса за счет исключения для заполнения пор жидкостью контакта двух пористых структур и замены этого окунанием пористого испарителя 8 в жидкую фазу. Кроме того исключается опасность перекоса гибкого разделителя с влиянием его на надежность работы насоса.

Упрощение конструкции достигается путем использования меньшего числа элементов (отсутствует пористый конденсатор) и более простой конструкцией деталей.

Упрощение изготовления достигается заменой трудоемкого и энергоемкого динамического горячего прессования и спекания при изготовлении испарителя на более простые операции - точечная сварка нескольких слоев сетки на травление. Облегчено также заполнение, вакуумирование и герметизация приводной камеры, т.к. эти операции упрощены и не требуют применения какого-либо специального оборудования.

Операция травления и получения испарителя 8 была опробована на алюминиевом сплаве АМц в двух вариантах - травлением 30%-ным раствором соляной кислоты и травлением 20%-м раствором едкого калия. Травление осуществлялось при комнатной температуре раствора при длительности экспозиции от 3-4 часов до 48 часов. Результат получился аналогичный. Наибольшая глубина пор достигала 2,5-3,5 мм, при этом внешний вид пористой структуры близок к структуре хлебного сухаря. Время травления в значительной степени определяется температурой и концентрацией раствора. Увеличение длительности травления не повышает глубину пористого слоя более 3,5 мм, а только истончает стенку. Можно предположить, что из алюминиевого сплава АМц вымывается цинк и марганец, что способствует образованию пор. Хорошие результаты были также получены при травлении сплава АМг.