PL193593B1 - Pompa do materiałów wrażliwych na oddziaływanie hydromechaniczne, (54) zwłaszcza materiałów biologicznych - Google Patents

Abstract

. Pompa do materiałów wrażliwych na działania hydromechaniczne, zwłaszcza materiałów biologicznych mająca komorę roboczą w kształcie dwustronnie zamkniętego walca kołowego prostego z króćcami wlotowym i wylotowym, w której usytuowany jest zespół tłoczków połączony z elementem napędzającym, znamienna tym, że zespół tłoczków tworzą dwie połączone przegubowo płytki (9,10) przy czym oś przegubu stanowi oś wewnętrzną (12) zespołu tłoczków a na przeciwległych końcach tłoczków, równolegle do osi wewnętrznej są usytuowane osie zewnętrzne (14), przy czym odległość między osią wewnętrzną (12) i osią zewnętrzną (14) wyznacza szerokość tłoczka (9,10) a wzdłuż tych osi usytuowane są w tłoczkach: wałki zewnętrzne (13) połączone suwliwie z tarczą napędową (4) stanowiącą jedną z płaskich ścian komory roboczej (2) oraz wałek wewnętrzny (11) połączony z tuleją napędową (6), współosiową z tarczą napędową przy czym promień tarczy napędowej (4) jest większy od półtorej szerokości tłoczka (9,10) a jej prędkość obrotowa jest dwukrotnie mniejsza od prędkości obrotowej tulei napędowej (6), której oś jest odległa od osi komory roboczej (2) i od osi wewnętrznej (12) o odcinek o długości równej PL połowie szerokości tłoczka (9,10).

Description

Przedmiotem wynalazku jest pompa do materiałów wrażliwych na oddziaływanie hydromechaniczne, zwłaszcza materiałów biologicznych.

Do transportu materiałów wrażliwych na oddziaływanie hydromechaniczne dużą przydatnością odznaczają się pompy krzywkowe, w których organem roboczym są jeden lub dwa wirniki zaopatrzone w tłoki w postaci krzywek, zazębiające się między sobą. Ciecz ze strony ssawnej przenoszona jest na stronę tłoczną w komorach między rotorami i obudową.

W biotechnologii, szczególnie do zasilania bioreaktorów, stosowane są pompy przewodowe, w których dwa lub trzy walce wykonujące ruch obiegowy toczą się po elastycznym przewodzie powodując jego przewężenia. Przewężenia, pomiędzy którymi zamknięta jest dawka cieczy, przesuwają się z ruchem walców wzdłuż przewodu od strony ssawnej do strony tłocznej pompy. Pompy przewodowe charakteryzują się doskonałą szczelnością co pozwala na łatwe utrzymanie sterylności tłoczonych mediów.

Przydatność dla opisanych wyżej celów wykazuje także pompa znana z opisu polskiego patentu nr 162081, której wirnik składa się z zespołu czterech tłoczków zamocowanych z jednej strony do tarczy napędowej, a z drugiej swobodnych lub połączonych pierścieniem. Tłoczki poruszają się w pierścieniowym kanale o przekroju prostokątnym. Ciecz przenoszona jest ze strony ssawnej do strony tłocznej w przestrzeni pomiędzy tłoczkami, przy czym powrót cieczy do strony ssawnej blokowany jest przez przerzutnik, którego konstrukcja umożliwia powrotny ruch tłoczków. Pompa charakteryzuje się dużym przekrojem kanałów przepływowych oraz tłokowym przepływem cieczy w ich wnętrzu, co powoduje, że destrukcyjne oddziaływanie pompy na ciecz jest małe.

Najbardziej zbliżoną budowę do pompy według wynalazku mają pompy łopatkowe, których organem roboczym jest wirnik zaopatrzony w łopatki, wysuwane promieniowo lub ukośnie z rotora. Rotor wiruje mimośrodowo w komorze roboczej zamkniętej dwiema równoległymi pokrywami bocznymi. Łopatki w czasie obrotu wirnika dociskane są do wewnętrznej powierzchni komory roboczej a przestrzenie międzyłopatkowe, na skutek mimośrodowego ustawienia rotora, zmieniają okresowo swoją objętość, powodując zasysanie i wytłaczanie cieczy.

Wiadomym jest, że podczas przepływu cieczy przez pompę istnieją oddziaływania hydromechaniczne wpływające destrukcyjnie na ciekłe zawiesiny powodując ich rozwarstwianie i uszkadzanie zawieszonych w nich cząstek. W celu ograniczenia wpływu tych niekorzystnych czynników rozwiązania konstrukcyjne pomp do tłoczenia materiałów o strukturze wrażliwej na oddziaływania hydromechaniczne powinny cechować się takimi cechami jak: brak gwałtownych zmian przekroju kanałów przepływowych oraz ich duża powierzchnia, uszczelnienie powierzchniowe, brak elementów generujących dużą częstotliwość zderzeń z cząstkami cieczy. Wszystkie te wymagania spełnia pompa stanowiąca przedmiot wynalazku.

W rozwiązaniu według wynalazku wykorzystano znaną konstrukcję pompy, której komora robocza ma kształt dwustronnie zamkniętego walca kołowego prostego z otworami połączonymi z króćcami wlotowym i wylotowym, a wewnątrz komory usytuowany jest zespól tłoczków połączony z elementem napędzającym.

Zgodnie z wynalazkiem zespół tłoczków stanowią dwie połączone przegubowo płytki, przy czym oś przegubu stanowi oś wewnętrzną zespołu tłoczków, a na przeciwległych końcach tłoczków, równoległe do osi wewnętrznej są usytuowane osie zewnętrzne. Odległość między osią wewnętrzną i zewnętrzną wyznacza szerokość tłoczka. Wzdłuż osi usytuowane są w tłoczkach wałki zewnętrzne i wałek wewnętrzny. Wałki zewnętrzne są połączone suwliwie z tarczą napędową, która stanowi jedną z płaskich ścian komory roboczej a wałek wewnętrzny jest połączony z tuleją napędową, współosiową z tarczą napędową. Korzystnie jest, gdy tuleja napędowa ma na obwodzie jednostronne ścięcie. Promień tarczy napędowej jest większy od półtorej szerokości tłoczka, a jej prędkość obrotowa jest dwukrotnie mniejsza od prędkości obrotowej tulei napędowej. Oś tulei napędowej jest odległa od osi komory roboczej pompy i od osi wewnętrznej zespołu tłoczków o odcinek o długości równej połowie szerokości tłoczka. Wałki zewnętrzne są połączone obrotowo z wkładkami pośredniczącymi umieszczonymi suwliwie w prostoliniowym rowku wykonanym w tarczy napędowej, symetrycznie do jej średnicy oraz trwale z wkładkami prowadzącymi zazębionymi w rowku wykonanym w cylindrycznej ścianie komory roboczej. Wkładka prowadząca ma postać jednostronnie półkolistej płytki z zasuwą, usytuowaną prostopadle względem powierzchni płytki, z którą korzystnie stanowi konstrukcyjną całość. Jedna ze ścian zasuwy ma kształt wycinka walca o promieniu zewnętrznym równym promieniowi komory roboczej. Korzystnie jest, gdy przeciwległa do płytki wkładki prowadzącej krawędź zasuwy jest

PL 193 593 B1 umieszczona w rowku wykonanym na obwodzie pokrywy. Zastosowanie wkładek prowadzących o opisanym wyżej kształcie wymusza konstrukcję tłoczka, który ma wycięcie o głębokości równej grubości wkładki prowadzącej i promieniu równym promieniowi półkolistej części wkładki prowadzącej. Pompa uzyskuje napęd z wału napędowego, na którego końcu jest osadzona bezpośrednio tuleja napędowa zaś tarcza napędowa jest połączona z wałem napędowym poprzez przekładnię planetarną przekazującą obroty z wału na tarczę w stosunku 2:1

Tłoczki wraz z wkładkami prowadzącymi przedzielają cylindryczną przestrzeń komory roboczej na szczelnie od siebie oddzielone strefy tłoczenia i ssania. Cykl pracy zespołu tłoczków odpowiada jednemu obrotowi tulei napędowej, przy czym początek i koniec cyklu wyznacza położenie zespołu tłoczków, w którym objętości strefy tłoczenia i ssania osiągają swoją minimalną i maksymalną wartość, a oś wewnętrzna zespołu tłoczków znajduje się w pozycji najdalszej od osi komory roboczej, w jednej linii z osią tulei napędowej.

Zastosowanie podwójnego napędu zespołu tłoczków ma ten skutek techniczny, że poruszające tłoczki siły, pochodzące od wkładek pośredniczących, współdziałają z siłami pochodzącymi od tulei napędowej. Współdziałanie to jest korzystne, ponieważ w tej fazie cyklu pracy, w której wypadkowa sił od jednego napędu odchyla się od toru ruchu napędzanych elementów powodując ich zakleszczanie, wypadkowa sił od drugiego napędu działa w przybliżeniu wzdłuż toru ruchu napędzanych elementów wymuszając ruch całego układu. W konsekwencji uzyskuje się bezkolizyjną i płynną pracę pompy. Układ geometryczny pompy dopuszcza dowolny kierunek obrotu wału napędowego w następstwie czego można uzyskać dowolny kierunek przepływu cieczy wewnątrz pompy. W konstrukcji pompy według wynalazku średnia prędkość cieczy w komorze w stosunku do prędkości cieczy w rurociągu jest bardzo mała. W pompie nie ma wąskich kanałów przepływowych o zmiennym przekroju, charakteryzujących się dużą prędkością przepływu cieczy i generujących niekorzystny ruch przyspieszony. Konstrukcja pompy umożliwia zastosowanie kanałów wlotowo-wylotowych o bardzo dużym przekroju co sprawia, że ruch przyspieszony na wejściu do tych kanałów osiąga niewielką wartość. Tłoczki w komorze roboczej uszczelnione są powierzchniowo eliminując powstawanie klinów smarnych działających niszcząco na strukturę cieczy. Ponadto pompa nie zawiera żadnych elementów generujących dużą częstotliwość zderzeń z cząstkami cieczy.

Pompa opisana jest szczegółowo w związku z przykładem realizacji uwidocznionym na rysunku, na którym fig 1 przedstawia pompę w przekroju wzdłużnym, fig.2 - pompę w przekroju poprzecznym wzdłuż linii A-A na fig.1, fig.3 - zespół tłoczków z wycięciami, fig. 4 - schemat ideowy napędu pompy, fig. 5 - przekrój poprzeczny przez komorę roboczą pompy z zasuwami wpasowanymi w rowek na obwodzie pokrywy.

W korpusie 1 pompy usytuowana jest komora robocza 2 w kształcie walca kołowego prostego zamkniętego z jednej strony płaszczyzną pokrywy 3 a z drugiej strony tarczą napędową 4 osadzoną wewnątrz pierścienia pośredniego 5 i mającą okrągły otwór współśrodkowy z osią tarczy, w który wpasowana jest tuleja napędowa 6. Na walcowej ścianie komory 2 znajdują się dwa otwory wlotowowylotowe 7 połączone z króćcami 8, usytuowane symetrycznie względem linii przechodzącej przez oś komory roboczej 2 i tulei napędowej 6.

Wewnątrz komory roboczej 2 umieszczony jest zespól tłoczków w postaci dwóch płytek 9 i 10 połączonych ze sobą przegubowo wałkiem wewnętrznym 11, którego oś jest osią wewnętrzną 12 zespołu tłoczków. Na przeciwległych końcach płytek 9 i 10 usytuowane są wałki zewnętrzne 13, których osie są osiami zewnętrznymi 14 zespołu tłoczków, przy czym osie 12 i 14 są równoległe do osi komory roboczej 2, a odległość między osią wewnętrzną 12 i osiami zewnętrznymi 14 stanowi szerokość tłoczka. Wałek wewnętrzny 11 jest zakończony czopem wciśniętym w otwór tulei napędowej 6 w odległości od jej środka równej połowie szerokości tłoczka, zaś wałki zewnętrzne 13 są zakończone czopami wpasowanymi obrotowo w otwory wewnątrz wkładek pośredniczących 15 poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym wzdłuż prostoliniowego rowka 16 wykonanego w tarczy napędowej 4 symetrycznie do jej średnicy. Tarcza napędowa 4 ma promień większy niż 1,5 długości szerokości tłoczka.

Wałki zewnętrzne 13 są połączone trwale z wkładkami prowadzącymi 17. Wkładki są zazębione występem 18 w rowku 19 wykonanym w cylindrycznej ścianie komory roboczej 2. Wkładki mają postać jednostronnie półkolistej płytki z usytuowaną prostopadle względem jej powierzchni zasuwą 20, której jedna ze ścian ma kształt wycinka powierzchni walcowej o promieniu równym promieniowi komory roboczej 2.

Zasuwa 20 stanowi z płytką wkładki prowadzącej 7 konstrukcyjną całość a jej wielkość jest dostosowana do średnicy otworów wlotowo-wylotowych 7. Krawędź zasuwy przeciwległa do płytki wkładki prowadzącej 17 może być wpasowana w rowek wykonany na obwodzie pokrywy 3.

PL 193 593 B1

Kształt wkładki prowadzącej 17 wymusza konstrukcję tłoczka, który ma wycięcie 21 o głębokości równej grubości wkładki i promieniu równym promieniowi półkolistej części wkładki.

Tuleja napędowa 6 ma na obwodzie jednostronne ścięcie 22, umożliwiające przemieszczanie się końcówki wałka zewnętrznego 13, w postaci czopa, przez otwór w tarczy napędowej 4 wypełniony przez tuleję napędową 6 w tej fazie cyklu pracy tłoczków, w której układają się one w jednej linii. W wyniku jednostronnego ścięcia tulei 6 w otworze tarczy napędowej 4 powstaje niewypełniona przestrzeń stanowiąca prześwit pozwalający na przejście czopa przez otwór w tarczy w krytycznym położeniu zespołu tłoczków. Przestrzeń ta jest okresowo zakrywana przez wkładki prowadzące 17.

Tuleja napędowa 6 jest osadzona na końcówce wału napędowego 23 ułożyskowanego w łożysku ślizgowym 24. Tarcza napędowa 4 uzyskuje moment obrotowy poprzez przekładnię planetarną utworzoną przez koło zębate wewnętrzne 25 zblokowane lub stanowiące monolit z tuleją napędową 6, koło zębate zewnętrzne 26 sztywno połączone z pierścieniem pośrednim 5 oraz satelity 27 o osiach 28 zaczopowanych w tarczy napędowej 4. Przekładnia planetarna przekazuje obroty z wału napędowego 23 na tarczę napędową 4 w stosunku 2:1.

Osie tłoczków poruszają się po określonych torach, przy czym tor ruchu 29 osi zewnętrznych 14 stanowi powierzchnia walcowa o przekroju okrągłym, współśrodkowa zosią komory roboczej 2 zaś tor ruchu 30 osi wewnętrznej 12 jest powierzchnią walcową o przekroju okrągłym, przechodzącą przez oś komory roboczej 2 i styczną do powierzchni walcowej stanowiącej tor 29 osi zewnętrznych 14.

Tłoczki przedzielają cylindryczną przestrzeń komory roboczej na dwie, szczelnie od siebie oddzielone przestrzenie tłoczenia i ssania.

Cykl pracy pompy rozciąga się pomiędzy kolejnymi przysłonięciami otworów wlotowo - wylotowych 7 przez zasuwy 20 wkładek prowadzących 17. Jeden cykl pracy zespołu tłoczków 9 i 10 odpowiada jednemu obrotowi tulei napędowej 6.

Podczas pracy pompy tarcza napędowa 4 obraca się z prędkością dwa razy mniejszą od prędkości obrotowej tulei napędowej 6. Zależność ta oparta jest na geometrycznych własnościach prostej leżącej na płaszczyźnie prostopadłej do osi tłoczków i przechodzącej przez ślady tych osi na tej płaszczyźnie. Jak pokazano na fig. 4 rysunku, prosta, której częścią jest odcinek c, łączący osie zewnętrzne 14, w każdym położeniu tłoczków przechodzi przez środek toru 30 osi wewnętrznej 12. Odcinek b, łączy oś wewnętrzną 12 zespołu tłoczków z osią komory roboczej 2. Kąt nachylenia odcinka b do średnicy komory roboczej 2, przechodzącej przez środek toru 30, stanowi kąt wpisany b, a kąt nachylenia promienia r toru 30 do tej samej średnicy toru 29 stanowi kąt środkowy a, zatem kąt b jest dwa razy mniejszy od kąta a. Z zależności geometrycznych wynika również, że kąt nachylenia odcinka c do poziomej średnicy toru 30 jest w każdym położeniu równy kątowi wpisanemu b. Skutek kinematyczny tej własności geometrycznej polega na tym, że prędkość kątowa odcinka c względem środka toru 30 osi wewnętrznej 12 jest dwa razy mniejsza od prędkości kątowej promienia r łączącego oś wewnętrzną 12 z środkiem toru 30.

Obracająca się tarcza napędowa 4 oddziałuje poprzez wkładki pośredniczące 15 na wałki zewnętrzne 13. Siły pochodzące od wkładek pośredniczących 15 współdziałają z siłami pochodzącymi od tulei napędowej 6 oddziałującej na wałek wewnętrzny 11. Tam, gdzie składowe sił od jednego napędu, działające stycznie do rowka 19, współosiowego z torem 29, są małe w stosunku do sił powodujących dociskanie występu 18 wkładki prowadzącej 17 do ścian rowka 19, składowe sił działających stycznie do rowka 19 pochodzące od drugiego napędu są duże. Jest to najwyraźniej widoczne w skrajnych, pod katem układu sił, pozycjach zespołu tłoczków, w których są one ułożone wzdłuż jednej linii oraz w pozycji początkowej cyklu pracy, kiedy oś wewnętrzna 12 zespołu tłoczków jest najbardziej oddalona od osi komory roboczej 4, a oba otwory wlotowo - wylotowe 7 są zakryte. W pierwszym przypadku składowe sił pochodzących od tulei napędowej 6, działające stycznie do rowka 19 są równe zeru, natomiast składowe sił pochodzących od tarczy napędowej 4, działające stycznie do rowka 19 są maksymalne. W drugim przypadku składowe sił działających stycznie do rowka 19 pochodzące od tarczy napędowej 4 są minimalne, a składowe sił działających stycznie do rowka 19 pochodzących od tulei napędowej 6 są maksymalne. W rezultacie współdziałania obu napędów ruch zespołu tłoczków odbywa się bez zakłóceń.

Układ geometryczny pompy dopuszcza dowolny kierunek obrotu wału napędowego w następstwie czego uzyskać można dowolny kierunek przepływu cieczy wewnątrz pompy.

Claims (9)

1. Pompa do materiałów wrażliwych na działania hydromechaniczne, zwłaszcza materiałów biologicznych mająca komorę roboczą w kształcie dwustronnie zamkniętego walca kołowego prostego z króćcami wlotowym i wylotowym, w której usytuowany jest zespół tłoczków połączony z elementem napędzającym, znamienna tym, że zespół tłoczków tworzą dwie połączone przegubowo płytki (9,10) przy czym oś przegubu stanowi oś wewnętrzną (12) zespołu tłoczków a na przeciwległych końcach tłoczków, równolegle do osi wewnętrznej są usytuowane osie zewnętrzne (14), przy czym odległość między osią wewnętrzną (12) i osią zewnętrzną (14) wyznacza szerokość tłoczka (9,10) a wzdłuż tych osi usytuowane są w tłoczkach: wałki zewnętrzne (13) połączone suwliwie z tarczą napędową (4) stanowiącą jedną z płaskich ścian komory roboczej (2) oraz wałek wewnętrzny (11) połączony z tuleją napędową (6), współosiową z tarczą napędową przy czym promień tarczy napędowej (4) jest większy od półtorej szerokości tłoczka (9,10) a jej prędkość obrotowa jest dwukrotnie mniejsza od prędkości obrotowej tulei napędowej (6), której oś jest odległa od osi komory roboczej (2) i od osi wewnętrznej (12) o odcinek o długości równej połowie szerokości tłoczka (9,10).

2. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że wałki zewnętrzne (13) są połączone obrotowo z wkładkami pośredniczącymi (15) umieszczonymi suwliwie w rowku (16) wykonanym w tarczy napędowej (4) oraz trwale z wkładkami prowadzącymi (17) zazębionymi w rowku (19) wykonanym w cylindrycznej ścianie komory roboczej (2).

3. Pompa według zastrz. 2, znamienna tym, że rowek (16) jest prostoliniowy i jest symetryczny względem średnicy tarczy napędowej (4).

4. Pompa według zastrz. 2, znamienna tym, że wkładka prowadząca (17) ma postać jednostronnie półkolistej płytki z zasuwą (20) usytuowaną prostopadle względem powierzchni płytki.

5. Pompa według zastrz. 4, znamienna tym, że zasuwa (20) stanowi z płytką wkładki prowadzącej (17) konstrukcyjną całość, a jedna ze ścian zasuwy ma kształt wycinka walca o promieniu zewnętrznym równym promieniowi komory roboczej (2).

6. Pompa według zastrz. 5, znamienna tym, że przeciwległa do płytki wkładki prowadzącej (17) krawędź zasuwy (20) jest umieszczona w rowku wykonanym na obwodzie pokrywy (3).

7. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że każdy tłoczek (9,10) ma wycięcie (21) o głębokości równej grubości wkładki prowadzącej (17) i promieniu równym promieniowi półkolistej części wkładki prowadzącej.

8. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że tuleja napędowa (6) ma na obwodzie jednostronne ścięcie (22).

9. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że tuleja napędowa (6) jest osadzona bezpośrednio na końcu wału napędowego (23) zaś tarcza napędowa (4) jest połączona z wałem napędowym (23) poprzez przekładnię planetarną przekazującą obroty z wału na tarczę w stosunku 2:1