CZ21521U1 - Plunžrové čerpadlo, zejména pro přenos velkých axiálních sil - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti čerpací techniky a týká se nové konstrukce plunžrového Čerpadla, určeného zejména pro přenos velkých axiálních sil.

Dosavadní stav techniky

V současné době se používá k čerpání kapalin různých typů Čerpadel, a to jak odstředivých, tak membránových, pístových či plunžrových.

U membránových čerpadel je pohyb membrány zajišťován vnějším zdrojem energie, například kompresorem, kde pomocí řídicího ventilu je iniciován požadovaný rytmus pohybu membrány, zajišťující pulzní čerpání kapaliny z komory vybavené sacím a výtlačným ventilem. Příklady konstrukcí tohoto typu čerpadel jsou pak popsány například ve spisech WO 00/76288, WO 01/13974, US 4687424, EP 880974. Nevýhodou těchto čerpadel je celková konstrukční složitost zařízení vyžadujících kompresor, řídicí ventil a řídicí procesor.

Jsou rovněž známa membránová čerpadla, u nichž je pohyb membrány zajišťován mechanickým převodem z hnacího pohonu, kinematicky pomocí systému táhel spojených přímo s membránou, a v případě, zeje membrána zmagnetizována, může docházet k jejímu pohybu i účinkem magnetického pole. Příklady těchto konstrukcí jsou známy například ze spisů EP 531856, US 5380267, RU 2061503, CZ 280010 nebo CZ 276233. Ve spise WO 00/03754 je pohyb membrány zajišťován pomocí složitého servomechanizmu a ve spise JP 2006000631 je pro pohyb membrány využíván kývavý pohyb desky. Společnou nevýhodou těchto řešení je složité zajišťování převodů z hnacích mechanizmů a poměrně malá životnost membrány, neboť v místě jejího styku s úchytem pohonů dochází ke koncentraci napětí materiálu, které má za následek poruchu membrány pracující s vysokým cyklickým zatížením.

U pístových čerpadel je pohyb pístu ve většině případů zajišťován externím pohonem, například klikovým mechanizmem popsaným ve spisech DE 19919572 nebo mechanizmy uvedenými ve spisech GB 1206156, GB 2074665, GB 1487053, CN 201055544. Píst je ve většině případů nutno těsnit vůči hydraulickému dílu ucpávkou zajišťující utěsnění vysokého tlaku v pracovní komoře vůči atmosféře, což je konstrukčně a výrobně náročné, neboť to vyžaduje použití speciálních materiálů na jednotlivé konstrukční díly a přesnost jejich výroby. Konstrukce speciálních elektromagnetických pístových čerpadel jsou pak například popsány ve spisech CZ 1993-115 Al, CZ 292533 nebo CZ 1995-603 Al.

V současné době se pro pohon používá lineárních motorů různých konstrukcí, využívaných jak pro jednočinná tak dvoučinná čerpadla, přičemž píst může být za účelem zvýšení účinnosti opatřen budicími pružinami, umožňujícími vyladění kmitů pístu do požadované rezonance. Ve spise JP 63288162 je popisováno dvojčinné čerpadlo poháněné lineárním motorem umístěným v samostatné suché skříni, kde prostor pro čerpání kapaliny je utěsněn ucpávkami, což například v případě čerpání krve může způsobovat její degradaci. Ve spise WO 93/09348 je popisována konstrukce čerpacího zařízení s lineárním motorem ponořeným v oleji, kde píst je uváděn do pohybu pomocí magnetu. Jedná se o technicky náročné řešení, kde oleje se využívá k chlazení motoru pomocí cirkulačního proudění. Čerpadlo s lineárním motorem, jehož píst je poháněn magnetem je pak rovněž znám z řešení dle spisu US 2005/175489. Konečně je pak známo řešení dle spisu US 5693091, kde válcový plášť čerpadla je součástí lineárního motoru, což má vliv na poměrně velké rozměry čerpadla. Velký průměr pístu pak způsobuje větší přenášené síly do statoru čerpadla, což je u krevních čerpadel nevýhodné. Toto řešení pak rovněž neumožňuje buzení pístu do rezonance, čímž se zvyšují nároky na výkon lineárního motoru. Speciální pístové čerpadlo, vhodné zejména k čerpání krve je pak popsáno ve spise CZ 20094 Ul. V tělese tohoto čerpadla je zabudován lineární motor s jednočinným nebo dvojčinným pístem a pracovní prostor tohoto

-1 CZ 21521 Ul lineárního motoru je těsnicí spárou přímo propojen s pracovní komorou tělesa naplněnou přečerpávanou tekutinou a opatřenou sacím ventilem a výtlačným ventilem. Pracovní prostor lineárního motoru s jednočinným pístem pak může být propojen s plynovým akumulátorem vybaveným regulační membránou. Podobné řešení s využitím pracovní membrány ve vnitřním prostoru tělesa čerpadla je pak popsáno ve spise CZ 20093 Ul. Nedostatkem těchto řešení je, že nejsou vhodná pro přenos velkých axiálních sil, tedy pro vysoké tlaky přečerpávané tekutiny větší než 30 MPa.

Snahou navrhované konstrukce je představit takové provedení plunžrového čerpadla, které by minimalizovalo uvedené nevýhody, bylo konstrukčně poměrně jednoduché, zajišťovalo dlouhodobou provozní spolehlivost čerpacího systému bez nutnosti časté kontroly a údržby, a přitom by jeho účinnost byla na úrovni pístových čerpadel využívajících pro pohon klikový mechanizmus.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je do značné míry dosaženo technickým řešením, kterým je plunžrové čerpadlo, zejména pro přenos velkých axiálních sil, tvořené tělesem, upraveným pro propojení se zdrojem přečerpávané tekutiny, a vybavené ovládacími, řídicími, kontrolními a těsnicími prvky a členy, jehož podstata spočívá v tom, žeje opatřeno rotačním pohonným elektromotorem, který je uložen uvnitř nebo vně celistvé nebo dělené pracovní komory tělesa a který je spřažen s alespoň jedním kuličkovým šroubem vybaveným pohybovým kamenem, přičemž pracovní komora je opatřena alespoň jedním sacím ventilem a alespoň jedním výtlačným ventilem.

Je výhodné, když v jednočinném provedení kuličkového šroubu při zatopeném pohonném elektromotoru je pracovní komora propojena s plynovým akumulátorem, který je vybaven regulační membránou, rozdělující jeho vnitřní prostor na plynovou komoru a zásobní komoru, a když pohybový kámen je axiálně suvně uložen ve vodicím pouzdru, přičemž volný konec kuličkového šroubu je uchycen v nosném ložisku. V optimálním provedení jek pohybovému kameni pomocí třmenu upevněn plunžr, jehož podélná osa je identická s podélnou osou kuličkového šroubu.

Rovněž je výhodné, když pohonný elektromotor je u dvojčinného provedení umístěn v centrální části tělesa, v němž vytváří dvě pracovní komory, které jsou rozděleny pohybovými kameny na vnitřní části a vnější části a jsou zrcadlově uspořádány, přičemž jedna z pracovních komor je přepouštěcím kanálkem propojena s vnější částí protilehlé pracovní komory, jejíž vnitřní část je pak analogicky propojena s vnější částí první z pracovních komor.

Konečně je výhodné, když pohybový kámen je při zatopeném pohonném elektromotoru vytvořený ve formě rotační matice a je zafixován v tomto pohonném elektromotoru pomocí radiálně axiálních stabilizačních ložisek, přičemž v ose rotace pohybového kamene je uložen kuličkový šroub, který je zajištěn proti rotaci, a to torzní tyčí uchycenou v plášti tělesa.

V dalším výhodném provedení je v pracovní komoře uchycena pracovní membrána, která rozděluje pracovní komoru na vnitřní komoru a přepouštěcí komoru, popřípadě je tato pracovní membrána nahrazena vlnovcem.

Čerpadlo podle technického řešení je konstrukčně poměrně jednoduché, a tím výrobně méně náročné, což má vliv i na náklady na jeho pořízení. Základní výhodou řešení je, že účinnost kuličkového šroubu se pohybuje v rozmezí 95 až 98 %, přičemž kuličkový šroub je schopen přenášet velké síly a v závislosti na jeho délce lze při použití stejného motoru vykonávat velké zdvihy, a tím zvyšovat výkon čerpadla při relativně nízké frekvenci čerpání. Rytmus čerpání je možno upravovat řízením rotačního elektromotoru a v závislosti na provedení kuličkového šroubu je možno dosáhnout velmi přesné polohy plunžru.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:

-2CZ 21521 Ul obr. 1 je schéma základního provedení jednočínného ptunžrového čerpadla s kuličkovým šroubem uloženým mimo pracovní komoru, obr. 2 je schéma alternativního provedení jednočínného plunžrového čerpadla se zatopeným pohonným elektromotorem, obr. 3A a obr. 3B jsou schémata plunžrového čerpadla v různých alternativách dvojčinného provedení, obr. 4 je schéma alternativního provedení jednočínného plunžrového čerpadla s inverzním kuličkovým šroubem, obr. 5 je schéma alternativního provedení dvojčinného plunžrového čerpadla s inverzním kuličkovým šroubem, obr. 6 je schéma alternativního provedení jednočínného plunžrového čerpadla s inverzním kuličkovým šroubem a membránou, obr. 7 je schéma alternativního provedení dvojčinného plunžrového čerpadla s inverzním kuličkovým šroubem a membránou, obr. 8 je schéma alternativního provedení dvojčinného plunžrového čerpadla s inverzním kuličkovým šroubem a vlnovcem.

Výkresy, které znázorňují technické řešení a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Čerpadlo je v základním jednočinném provedení znázorněném na obr. 1 tvořeno tělesem 1, opatřeným sacím ventilem 101 a výtlačným ventilem 102. V pracovní komoře 103 tělesa 1 naplněné čerpanou tekutinou je suvně uložen plunžr 2, který je přes vysokotlakou ucpávku 3 vyveden vně pracovní komory 103 a je pomocí třmenu 4 spřažen s pohybovým kamenem 5. Pohybový kámen 5 je axiálně suvně uložen ve vodicím pouzdru 6, a jeho osou, která je totožná s osou plunžru 2, prochází kuličkový šroub 2, který je přes neznázoměnou spojku spřažen s rotačním pohonným elektromotorem 8. Volný konec kuličkového Šroubu 2 je pak uchycen v nosném ložisku 9 uloženém ve vnitřním prostoru třmenu 4.

Pri činnosti čerpadla se po zapnutí pohonného elektromotoru 8 uvede do pohybu kuličkový šroub 7, po kterém se ve vodicím pouzdru 6 axiálně posouvá pohybový kámen 5, ke kterému je pomocí třmenu 4 upevněn plunžr 2. Pohybový kámen 5 je zajištěn proti rotaci, a to například vytvořením neznázorněných podélných vodicích lišt vedených v rovněž neznázorněných drážkách vodícího pouzdra 6. Pri pohybu plunžru 2 dovnitř pracovní komory 103 je otevřeným výtlačným ventilem

102 vytlačována z této pracovní komory 103 čerpaná tekutina. Pri dosažení homí úvrati plunžru 2 se výtlačný ventil 102 uzavře a za současného otevření sacího ventilu 101 se pohonný elektromotor 8 přepne na opačný chod, čímž je zahájeno nasávání čerpané tekutiny do pracovní komory 103. Tento cyklus se v rytmu posuvů pohybového kamene 5 pravidelně opakuje.

V alternativním bezucpávkovém provedení jednočínného plunžrového čerpadla se zatopeným pohonným elektromotorem 8, které je znázorněno na obr. 2, jsou ve válcové pracovní komoře

103 tělesa 1 uloženy kromě plunžru 2 i kuličkový šroub 2 a pohybový kámen 5, který současně plní úlohu pístu, když mezi pohybovým kamenem 5 a vnitřním povrchem vodícího pouzdra 6 je vytvořena těsnicí spára 10, kterou se protlačuje malá část čerpané tekutiny do vnitřní části 1031 pracovní komory 103 propojené s plynovým akumulátorem li- Vnitrní prostor plynového akumulátoru H je regulační membránou 111 rozdělen na plynovou komoru 112 a zásobní komoru 113. U tohoto provedení se pri pohybu plunžru 2 směrem k výtlačnému ventilu 102, tedy pri čerpání tekutiny, doplňuje tekutina ze zásobní komory 113 plynového akumulátoru H do vnitřní části 1031 pracovní komory 103. Pri zpětném pohybu pohonného elektromotoru 8 se jednak čer-3CZ 21521 Ul paná tekutina nasává sacím ventilem 101 a jednak je přepouštěna z vnitřní části 1031 pracovní komory 103 do zásobní komory 113 plynového akumulátoru 11.

Provedení jednoČinného plunžrového čerpadla podle obr. 2 může být nahrazeno dvojčinným provedením, a to s jedním nebo dvěma kuličkovými šrouby 7. U těchto řešení pak odpadá použití plynového akumulátoru H· Při provedení se dvěma kuličkovými šrouby 7 znázorněném na obr. 3A je pohonný elektromotor 8 umístěn v centrální části tělesa 1, v němž vytváří dvě zrcadlově uspořádané pracovní komory 103. Tyto jsou rozděleny pohybovými kameny 5 na vnitřní části 1031 a vnější části 1032. přičemž vnitřní část 1031 jedné z pracovních komor 103 je prepouštěcím kanálkem 12 propojena s vnější částí 1032 protilehlé pracovní komory 103. jejíž ío vnitřní část 1031 ie pak analogicky propojena s vnější částí 1032 první z pracovních komor 103. Oba pohybové kameny 5 s funkcí pístů se při činnosti pohonného elektromotoru 8 pohybují stejným směrem, takže dochází v pracovních komorách 103 ke střídavému sání a výtlaku čerpané tekutiny. Obdobné řešení je znázorněno na obr. 3B, kde jsou opět použity dva pohybové kameny 5, ale jednotlivé části 1031 a 1032 pracovních komor 103 nejsou propojeny přepouštěcími kanálky 12, když každá z částí 1031, 1032 íe vybavena vlastním sacím ventilem 101 a výtlačným ventilem 102.

Další možná řešení použití kuličkového šroubu 7 s inverzní pohybovou funkcí u čerpadel v jednočinném či dvojčinném provedení jsou znázorněna na obr. 4 a obr. 5, kde pohybový kámen 5 vytvořený ve formě rotační matice je zafixován pomocí radiálně axiálních stabilizačních ložisek

13 v pohonném elektromotoru 8 tak, že vlastně tvoří jeho rotor. V ose rotace pohybového kamene 5 je pak uložen kuličkový šroub 7, který je zajištěn proti rotaci, například torzní tyčí 14 uchycenou v plášti tělesa 1. Při požadovaném vyšším kroutícím momentu může být torzní tyč 14 doplněna či nahrazena opěrnou lištou 15, která může plnit zároveň i funkci ucpávky. Při činnosti pohonného elektromotoru 8 se kuličkový šroub 7 pohybuje pouze axiálně a plní vlastně funkci pístu. Funkce sacích ventilů 101. výtlačných ventilů 102 i plynového akumulátoru H je stejná jako u výše uvedených provedení čerpadel. Řešení podle obr. 4 a obr. 5 je pak ještě možno doplnit zabudováním pracovní membrány 16, jak je znázorněno na obr. 6 a obr. 7. Pracovní membrána 16 pak rozděluje pracovní komoru 103 na vnitřní komoru 1033 a přepouštěcí komoru 1034. kde vnitřní komora 1033 je naplněna pracovní tekutinou, například nízkoviskózní kapalinou, a přepouštěcí komora 1034 slouží k vlastnímu čerpání kapaliny. Vzhledem ke skutečnosti, že při činnosti čerpadla dochází k zahřívání pracovní kapaliny, je nutno zajistit její chlazení neznázorněným vnějším chlazením nebo jednoduchým výměníkem tepla, popřípadě propojením vnitřní komory 1033 a přepouštěcí komory 1034 chladicími členy 18 realizovanými ve formě chladicích žeber nebo tepelnými trubicemi, jak je znázorněno na obr. 7, Konečně pak může být pracovní membrána 16 nahrazena vlnovcem 17, jak je pro dvojčinné provedení znázorněno na obr. 8. Průmyslová využitelnost

Plunžrové čerpadlo podle technického řešení je využitelné pro zabudování do hydraulických systémů zajišťujících přenos velkých axiálních sil, například pro uplatnění v těžkých provozech hutí hydraulických lisů systémů řezání vodním paprskem a všeobecně v zařízeních přenášejících vysoké tlaky kapaliny.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (10)

1. Plunžrové čerpadlo, zejména pro přenos velkých axiálních sil, tvořené tělesem (1), upraveným pro propojení se zdrojem přečerpávané tekutiny, a vybavené ovládacími, řídicími, kontrolními a těsnicími prvky a členy, vyznačující se tím, že je opatřeno rotačním pohon45 ným elektromotorem (8), který je uložen uvnitř nebo vně celistvé nebo dělené pracovní komory (103) tělesa (1), a který je spřažen s alespoň jedním kuličkovým šroubem (7) vybaveným pohy-4 CZ 21521 Ul bovým kamenem (5), přičemž pracovní komora (103) je opatřena alespoň jedním sacím ventilem (101) a alespoň jedním výtlačným ventilem (102).

2. Plunžrové čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že v jednočinném provedení kuličkového šroubu (7) při zatopeném pohonném elektromotoru (8) je pracovní komora

5 (103) propojena s plynovým akumulátorem (11), který je vybaven regulační membránou (111), rozdělující jeho vnitřní prostor na plynovou komoru (112) a zásobní komoru (113).

3. Plunžrové čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pohybový kámen (5) je axiálně suvně uložen ve vodicím pouzdru (6), pričemž volný konec kuličkového šroubu (7) je uchycen v nosném ložisku (9).

ío

4. Plunžrové čerpadlo podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, žek pohybovému kameni (5) je pomocí třmenu (4) upevněn plunžr (2), jehož podélná osa je identická s podélnou osou kuličkového šroubu (7).

5. Plunžrové čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že pohonný elektromotor (8) je u dvojčinného provedení umístěn v centrální části tělesa (1), v němž vytváří dvě pra15 covní komory (103), které jsou rozděleny pohybovými kameny (5) na vnitřní části (1031) a vnější části (1032) a jsou zrcadlově uspořádané.

6. Plunžrové čerpadlo podle nároku 5, vyznačující se tím, že vnitřní část (1031) jedné z pracovních komor (103) je přepouštěcím kanálkem (12) propojena s vnější částí (1032) protilehlé pracovní komory (103), jejíž vnitřní část (1031) je pak analogicky propojena s vnější

20 částí (1032) první z pracovních komor (103).

7. Plunžrové čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že pohybový kámen (5) je při zatopeném pohonném elektromotoru (8) vytvořený ve formě rotační matice a je zafixován v tomto pohonném elektromotoru (8) pomocí radiálně axiálních stabilizačních ložisek (13), pričemž v ose rotace pohybového kamene (5) je uložen kuličkový šroub (7), který je zajištěn proti

25 rotaci.

8. Plunžrové čerpadlo podle nároku 7, vyznačující se tím, že kuličkový šroub (7) je zajištěn proti rotaci torzní tyčí (14) uchycenou v plášti tělesa (1).

9. Plunžrové čerpadlo podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že v pracovní komoře (103) je uchycena pracovní membrána (16), která rozděluje pracovní komoru (103) na

30 vnitřní komoru (1033) a přepouštěcí komoru (1034).

10. Plunžrové čerpadlo podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že v pracovní komoře (103) je uchycen vlnovec (17), který rozděluje pracovní komoru (103) na vnitřní komoru (1033) a přepouštěcí komoru (1034).