RU2121078C1

RU2121078C1 - Membrane compressor

Info

Publication number: RU2121078C1
Application number: RU96118723A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Гаврилов
Original assignee: Андрей Александрович Гаврилов
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1998-10-27

Abstract

FIELD: single-chamber microcompressors with elastic working elements. SUBSTANCE: given membrane compressor is set in motion by magnetoelectric drive of reciprocating motion. Excitation winding is located in stator-magnetic circuit. Mobile armature is fabricated in the form of round permanent magnet and is anchored in center of elastic membrane. Magnetic circuit is manufactured in the form of hollow cylinder with axially symmetric hole in one of face walls and coaxial rod put into another face wall inside cylinder which length is less than height of cylinder. Edges of hole and free butt of rod are pole pieces of magnetic circuit. Permanent magnet coupled to membrane is positioned between pole pieces. Frequently magnet is coupled to cylindrical spring installed in axially symmetric hole of coaxial rod and fixed with the help of adjustment screw. Design of compressor makes it feasible to minimize its dimensions and losses of energy in magnetic gaps. Compressor may energized both by source of symmetric alternating current and by pulse ( half-wave ) source. EFFECT: minimized dimensions and energy losses. 3 cl, 2 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области компрессорной техники и может быть использовано в конструкциях компрессоров с эластичными рабочими органами и электромагнитным приводом. The claimed invention relates to the field of compressor technology and can be used in the construction of compressors with elastic working bodies and an electromagnetic drive.

Известен компрессор /насос/ с эластичным рабочим органом, называемым мембранным или диафрагменным. Типичная конструкция мембранного компрессора включает в себя рабочую /нагнетательную/ камеру, связанную через впускной и выпускной клапаны с всасывающей /входной/ и нагревательной /выходной/ магистралями соответственно. В одну из стенок рабочей камеры встроена гибкая мембрана, способная прогибаться как в сторону внутреннего объема камеры, так и в противоположную сторону. A known compressor / pump / with an elastic working body, called a membrane or diaphragm. A typical design of a diaphragm compressor includes a working / discharge / chamber, connected through the inlet and outlet valves to the suction / inlet / and heating / outlet / lines, respectively. A flexible membrane is built into one of the walls of the working chamber, capable of bending both towards the internal volume of the chamber and in the opposite direction.

Компрессор приводится в действие с помощью привода, в качестве которого используется стандартный электродвигатель с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное /SU, авторское свидетельство 1694984, кл. F 04 B 45/04, 1991/. The compressor is driven by a drive, which uses a standard electric motor with a mechanism for converting rotary motion into reciprocating / SU, copyright certificate 1694984, class. F 04 B 45/04, 1991 /.

По совокупности конструктивных признаков наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является мембранный компрессор, который содержит выполненную из немагнитного материала камеру, мембрану, установленную в камере с образованием двух рабочих полостей, всасывающий и нагревательный клапаны, магнитопровод с полюсными наконечниками и навитой на него катушкой индуктивности, круглый постоянный магнит, установленный на мембране и снабженный перепускным клапаном /SU, авторское свидетельство 1756614, кл. F 04 B 35/04/. By the combination of design features, the closest analogue of the proposed technical solution is a membrane compressor, which contains a chamber made of non-magnetic material, a membrane installed in the chamber with the formation of two working cavities, a suction and heating valve, a magnetic circuit with pole tips and an inductance coil wound around it, round permanent magnet mounted on the membrane and equipped with an overflow valve / SU, copyright certificate 1756614, cl. F 04 B 35/04 /.

Недостатком компрессора-аналога являются неудовлетворительные габаритные характеристики. Еще одним его недостатком является низкий КПД, что обусловлено значительными потерями энергии в воздушном зазоре между полюсными наконечниками из-за большой величины последнего. The disadvantage of an analog compressor is poor overall performance. Another drawback is its low efficiency, which is due to significant energy losses in the air gap between the pole pieces due to the large value of the latter.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение габаритов мембранного компрессора с электромагнитным приводом возвратно-поступательного движения при одновременном повышении его КПД. The technical problem to which the invention is directed is to reduce the size of a membrane compressor with an electromagnetic drive of reciprocating motion while increasing its efficiency.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в мембранном компрессоре, содержащем ограниченную эластичной мембраной рабочую камеру с впускным и выпускным клапанами, питаемую переменным током катушки индуктивности, и магнитопровод, в воздушном зазоре между полюсными наконечниками которого размещен связанный с центральной частью мембраны круглый постоянный магнит, согласно изобретению магнитопровод выполнен в виде пустотелого цилиндра с осесимметричным отверстием в одной из его торцовых стенок, края которого являются первым полюсным наконечником, и с установленным на его противоположной торцовой стенке внутренним осесимметричным стержнем, свободный торец которого является вторым полюсным наконечником, катушка индуктивности размещена в полости цилиндра, а магнит - в отверстии торцовой стенки цилиндра соосно со стержнем, при этом магнит установлен с зазором между ним и торцом стержня. так, что обеспечивается возможность его перемещения в осевом направлении цилиндра. The essence of the claimed invention lies in the fact that in a membrane compressor containing a working chamber, limited by an elastic membrane, with an inlet and an outlet valve, powered by an alternating current of the inductor, and a magnetic circuit, in the air gap between the pole pieces of which there is a round permanent magnet connected to the central part of the membrane, according to the invention, the magnetic circuit is made in the form of a hollow cylinder with an axisymmetric hole in one of its end walls, the edges of which are per pole end, and with an axisymmetric inner rod mounted on its opposite end wall, the free end of which is the second pole tip, the inductor is placed in the cylinder cavity, and the magnet is coaxial with the rod in the hole of the cylinder end wall, and the magnet is installed with a gap between him and the butt of the rod. so that it is possible to move it in the axial direction of the cylinder.

Совокупность вновь введенных признаков позволяет обеспечить высокую плотность монтажа элементов конструкции компрессора. Как видно из показанного на фиг.1 схематического разреза предлагаемого компрессора, занимаемый элементами его конструкции объем практически не имеет незаполненных полостей /кроме полости рабочей камеры, наличие которой принципиально необходимо/. The combination of newly introduced features allows you to provide a high density installation of structural elements of the compressor. As can be seen from the schematic section of the proposed compressor shown in FIG. 1, the volume occupied by the elements of its construction practically has no empty cavities (except for the cavity of the working chamber, the presence of which is fundamentally necessary).

Такая конструкция позволяет существенно уменьшить габариты компрессора, что является основным техническим результатом заявляемого изобретения. Дополнительным преимуществом предлагаемого решения является возможность придания всей конструкции компрессора простой геометрической формы - цилиндрической, что в ряде случаев облегчает условия его компоновки с другими устройствами. This design can significantly reduce the size of the compressor, which is the main technical result of the claimed invention. An additional advantage of the proposed solution is the ability to give the entire compressor design a simple geometric shape - cylindrical, which in some cases facilitates the conditions of its arrangement with other devices.

Кроме того, значительно меньшая величина воздушного зазора между полюсными наконечниками магнитопровода компрессора позволяет сократить потери энергии и тем самым повысить КПД устройства. In addition, a significantly smaller amount of air gap between the pole pieces of the compressor magnetic core allows reducing energy losses and thereby increasing the efficiency of the device.

В первом частном случае реализации компрессора согласно изобретению постоянный магнит выполнен состоящим из связанных между собой цилиндрического элемента с постоянной намагниченностью и магнитопроводной вставки большего диаметра, при этом соединение магнита с мембраной выполнено со стороны вставки. In the first particular case of the implementation of the compressor according to the invention, the permanent magnet is made up of interconnected cylindrical element with constant magnetization and a magnetic core with a larger diameter, while the magnet is connected to the membrane from the side of the insert.

Такая частная форма выполнения устройства допускает использование в его составе широкой номенклатуры типоразмеров постоянных магнитов без необходимости их механической обработки для подгонки их габаритов к габаритам мембраны и магнитопровода. Тем самым достигается упрощение технологии реализации устройства. Such a particular embodiment of the device allows the use in its composition of a wide range of standard sizes of permanent magnets without the need for machining to fit their dimensions to the dimensions of the membrane and magnetic circuit. Thereby, a simplification of the implementation technology of the device is achieved.

Во втором частном случае реализации компрессора согласно заявляемому изобретению в свободном торце внутреннего стержня выполнено осесимметричное отверстие, в котором закреплена связанная с магнитом цилиндрическая пружина. In the second particular case of the implementation of the compressor according to the claimed invention, an axisymmetric hole is made in the free end of the inner rod, in which a coil spring connected to the magnet is fixed.

Подобная частная форма выполнения позволяет исключить появление механических напряжений в мембране из-за наличия постоянного притягивающего усилия между постоянным магнитом и сердечником в обесточенном состоянии компрессора. Тем самым снижается вероятность появления остаточных деформаций мембраны и связанное с этим падение производительности компрессора с течением времени. Кроме того, как это следует из приводимого ниже описания работы заявляемого компрессора, упругая энергия сжатия цилиндрической пружины, запасаемая за время действия одного из полупериодов питающего напряжения, используется в следующий интервал времени. Тем самым обеспечивается работоспособность компрессора при его питании однополупериодным /импульсным/ напряжением. Это обстоятельство является важным техническим преимуществом заявляемого компрессора в условиях его питания от вторичных источников. Such a particular form of execution eliminates the appearance of mechanical stresses in the membrane due to the presence of a constant attractive force between the permanent magnet and the core in a de-energized state of the compressor. This reduces the likelihood of residual deformations of the membrane and the associated drop in compressor performance over time. In addition, as follows from the following description of the operation of the inventive compressor, the elastic compression energy of a coil spring stored during the duration of one of the half-periods of the supply voltage is used in the next time interval. This ensures the efficiency of the compressor when it is powered with half-wave / pulse / voltage. This fact is an important technical advantage of the inventive compressor in the conditions of its power from secondary sources.

В третьем частном случае реализации компрессора согласно заявляемому изобретению отверстие в центральном стержне выполнено сквозным и снабжено резьбой со стороны, противоположной стороне установки пружины, а в резьбовом участке отверстия установлен связанный с пружиной регулировочный винт. In the third particular case of the implementation of the compressor according to the claimed invention, the hole in the central shaft is made through and threaded from the side opposite to the installation side of the spring, and an adjustment screw connected to the spring is installed in the threaded portion of the hole.

В этом случае смешением регулировочного винта достигается возможность изменения амплитуды прогиба мембраны и тем самым регулировка производительности и компрессора. In this case, by mixing the adjusting screw, the possibility of changing the amplitude of the deflection of the membrane and thereby adjusting the capacity and compressor is achieved.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
на фиг.1 показан разрез общего вида заявляемого мембранного компрессора в основной форме его реализации;
на фиг.2 показан разрез общего вида заявляемого мембранного компрессора в первой, второй и третьей частных формах его реализации.The invention is illustrated by drawings, where:
figure 1 shows a section of a General view of the inventive membrane compressor in the main form of its implementation;
figure 2 shows a section of a General view of the inventive membrane compressor in the first, second and third private forms of its implementation.

Заявляемый компрессор /фиг. 1/ содержит рабочую камеру 1, ограниченную эластичной мембраной 2 и снабженную всасывающим и нагнетательным клапанами 5 и 6 соответственно. С камерой 1 связан магнитопровод 7 в форме пустотелого цилиндра с осесимметричным отверстием в торцовой стенке, края которого образуют полюсный наконечник 8, и с коаксиально установленным внутри цилиндра стержнем, свободный торец которого образует полюсный наконечник 9. Длина центрального стержня меньше, чем высота цилиндра, в результате чего образуется свободная полость 13. The inventive compressor / Fig. 1 / contains a working chamber 1, limited by an elastic membrane 2 and equipped with suction and discharge valves 5 and 6, respectively. A magnetic core 7 is connected to the chamber 1 in the form of a hollow cylinder with an axisymmetric hole in the end wall, the edges of which form a pole tip 8, and with a rod coaxially mounted inside the cylinder, the free end of which forms a pole tip 9. The length of the central rod is less than the height of the cylinder, in resulting in a free cavity 13.

Внутри магнитопровода 7 размещена катушка 10 индуктивности, а на мембране 2 укреплен круглый постоянный магнит 11. Соединение магнитопровода 7 с камерой 1 осуществлено таким образом, что постоянный магнит 11 оказывается размещенным в полости 13 с зазором между ним и полюсными наконечниками 8 и 9. An inductor 10 is placed inside the magnetic circuit 7, and a round permanent magnet 11 is fixed on the membrane 2. The magnetic circuit 7 is connected to the chamber 1 in such a way that the permanent magnet 11 is placed in the cavity 13 with a gap between it and the pole pieces 8 and 9.

В первой частной форме выполнения компрессора постоянный магнит 11 /на фиг. 2 он условно показан пунктиром/ выполнен состоящим из цилиндрического намагниченного элемента 14 и магнитопроводной вставки 15, непосредственно связанной с мембраной 2 /фиг.2/. In a first particular embodiment of the compressor, the permanent magnet 11 / in FIG. 2 it is conditionally shown by a dashed line / made up of a cylindrical magnetized element 14 and a magnetic insert 15 directly connected to the membrane 2/2 /.

Во второй и третьей частных формах выполнения компрессора постоянный магнит 11 связан с цилиндрической пружиной 16, установленной в отверстии центрального стержня сердечника 7 и опирающейся на неподвижный упор /на фиг. 2 не показан/ или на регулировочный винт 17. In the second and third particular embodiments of the compressor, the permanent magnet 11 is connected with a cylindrical spring 16 mounted in the hole of the central core of the core 7 and resting on a fixed stop / in FIG. 2 is not shown / or to the adjusting screw 17.

Компрессор работает следующим образом. The compressor operates as follows.

При подаче на катушку 10 индуктивности переменного напряжения полюсные наконечники 8 и 9 сердечника 7 намагничиваются, попеременно приобретая роли северного и южного полюсов электромагнита. Пусть, например, в текущий момент времени полюсный наконечник 8 является южным полюсом электромагнита, а полюсный наконечник 9 - его северным полюсом. Тогда, если постоянный магнит 11 закреплен на мембране 2 так, как это показано на фиг.1 /т.е. северным полюсом к мембране/, то в этот момент времени на магнит 11 будет действовать сила, втягивающая его в глубину полости 13 по направлению к полюсному наконечнику 9. Благодаря связи магнита 11 с мембраной 2 эта сила будет приложена также и к мембране 2. Мембрана 2 прогнется в сторону, противоположную полости 3 камеры 1. Давление рабочей среды в полости 3 камеры 1 будет снижаться. Откроется клапан 6 и в полость 3 поступит порция рабочей среды. When applying an alternating voltage inductance to the inductor 10, the pole pieces 8 and 9 of the core 7 are magnetized, alternately acquiring the roles of the north and south poles of the electromagnet. Let, for example, at the current moment of time, the pole piece 8 is the south pole of the electromagnet, and the pole piece 9 is its north pole. Then, if the permanent magnet 11 is fixed to the membrane 2 as shown in FIG. 1 / i.e. the north pole to the membrane /, then at this moment of time the force 11 will be applied to the magnet 11, drawing it into the depth of the cavity 13 towards the pole piece 9. Due to the connection of the magnet 11 with the membrane 2, this force will also be applied to the membrane 2. Membrane 2 will bend to the side opposite to the cavity 3 of the chamber 1. The pressure of the working medium in the cavity 3 of the chamber 1 will decrease. Valve 6 opens and a portion of the working medium enters cavity 3.

По мере смещения магнита 11 и прогиба мембраны 2 начнет возрастать сила, противодействующая смещению магнита 11 и обусловленная жесткостью мембраны 2 /в частной форме выполнения компрессора сила противодействия смешению магнита 11 будет дополнительно возрастать за счет сжатия пружины 16 - см. фиг.2/. В какой-то момент времени магнитная сила, втягивающая магнит 11 в полость 13, и сила, противодействующая его смешению, сравниваются и смещение магнита 11 прекратится. В этот момент прогиб мембраны 2 достигнет своего максимального значения. With the displacement of the magnet 11 and the deflection of the membrane 2, the force that counteracts the displacement of the magnet 11 and due to the stiffness of the membrane 2 / in the particular embodiment of the compressor will begin to increase, the force that counteracts the mixing of the magnet 11 will further increase due to the compression of the spring 16 - see Fig. 2 /. At some point in time, the magnetic force pulling the magnet 11 into the cavity 13 and the force counteracting its mixing are compared and the displacement of the magnet 11 will stop. At this point, the deflection of the membrane 2 will reach its maximum value.

В последующий период времени сила, обусловленная жесткостью мембраны 2 /а в частной форме выполнения компрессора и жесткостью пружины 16/, начнет превышать силу магнитного взаимодействия магнита 11 и сердечника 7 тем более, что в это же время сила магнитного взаимодействия будет уменьшаться из-за спада амплитуды первой полуволны напряжения питания. Под действием упругих сил мембрана 2 начнет возвращение к своему исходному ненапряженному состоянию. По мере возвращения мембраны 2 в исходное положение начнет возрастать давление рабочей среды в полости 3 камеры 1. При этом клапан 6 закроется, а клапан 5 откроется. Начнется фаза изгнания рабочей среды из полости 3 камеры 1 и ее нагнетания в выходную магистраль компрессора /на фиг. 1, 2 не показана/. In a subsequent period of time, the force due to the stiffness of the membrane 2 / a in the particular form of the compressor and the stiffness of the spring 16 / will begin to exceed the force of the magnetic interaction of the magnet 11 and the core 7, especially since at the same time the force of the magnetic interaction will decrease due to the decline the amplitudes of the first half-wave of the supply voltage. Under the action of elastic forces, the membrane 2 will begin to return to its original unstressed state. As the membrane 2 returns to its original position, the pressure of the working medium in the cavity 3 of the chamber 1 starts to increase. In this case, valve 6 closes and valve 5 opens. The phase of the expulsion of the working medium from the cavity 3 of the chamber 1 and its injection into the compressor outlet pipe / in FIG. 1, 2 not shown.

При действии следующей полуволны напряжения полярность полюсных наконечников 8 и 9 изменится на противоположную - наконечник 8 станет северным полюсом электромагнита, в наконечник 9 - его южным полюсом. В результате на постоянный магнит 11 будет действовать сила, выталкивающая его из полости 13 - /в частной форме выполнения компрессора сила выталкивания магнита 11 из полости 13 будет дополняться силой упругой деформации цилиндрической пружины 16/. Эта сила будет приложена и к мембране 2. Мембрана 2, которая к этому моменту времени под действием упругих сил уже практически вернется к своему исходному ненапряженному состоянию, начнет прогибаться внутрь полости 3 камеры 1. В результате процесс изгнания рабочей среды из полости 3 через открытый клапан 5 будет продолжаться. Under the action of the next half-wave of voltage, the polarity of the pole tips 8 and 9 will change to the opposite - the tip 8 will become the north pole of the electromagnet, and the tip 9 will become its south pole. As a result, the force that pushes it out of the cavity 13 - / in a particular embodiment of the compressor will act on the permanent magnet 11; the force to eject the magnet 11 from the cavity 13 will be supplemented by the elastic deformation of the coil spring 16 /. This force will be applied to the membrane 2. Membrane 2, which at this point in time, under the action of elastic forces will almost return to its initial unstressed state, will begin to bend inside the cavity 3 of chamber 1. As a result, the process of expelling the working medium from the cavity 3 through an open valve 5 will continue.

Так же, как и при действии первой полуволны питающего напряжения, по мере смещения магнита 11 и прогиба мембраны 2 начнет возрастать сила, противодействующая смещению магнита 11 и обусловленная жесткостью мембраны 2 /в частной форме выполнения компрессора сила противодействия смещению магнита 11 будет дополнительно возрастать за счет растяжения пружины 16 - см. фиг. 2/. В какой-то момент времени магнитная сила, выталкивающая магнит 11 из полости 13 и сила, противодействующая его смещению, сравниваются и смещение магнита 11 прекратится. В этот момент прогиб мембраны 2 внутрь полости 3 достигнет своего максимального значения. As in the case of the action of the first half-wave of the supply voltage, as the magnet 11 is displaced and the membrane 2 is deflected, the force that counteracts the displacement of the magnet 11 and due to the stiffness of the membrane 2 / starts to increase in the particular form of the compressor, the force of counteraction to the displacement of the magnet 11 will additionally increase due to tensile spring 16 - see Fig. 2 /. At some point in time, the magnetic force pushing the magnet 11 out of the cavity 13 and the force opposing its displacement are compared and the displacement of the magnet 11 will stop. At this point, the deflection of the membrane 2 into the cavity 3 will reach its maximum value.

Далее подобно тому, как это было описано выше, вновь начнется возврат мембраны 2 к своему исходному ненапряженному состоянию и весь цикл работы компрессора повторится. Further, similar to the procedure described above, the membrane 2 will again return to its initial unstressed state and the entire compressor operation cycle will be repeated.

Работа компрессора в первой частной форме его реализации не отличается от рассмотренной выше. Особенностью работы компрессора во второй и третьей частных формах его реализации является то, что благодаря наличию упругой энергии, запасаемой в цилиндрической пружине 16 за время действия первого полупериода питающего напряжения, все механические перемещения элементов конструкции компрессора, обусловленные в приведенном выше описании действием второй полуволны питающего напряжения, будут происходить и без наличия упомянутой второй полуволны. Тем самым работоспособность компрессора будет обеспечена при его питании однополупериодным /импульсным/ напряжением. Регулировка развиваемых пружиной 16 усилий обеспечивается перемещением регулировочного винта 17 в отверстии центрального стержня сердечника 7. The operation of the compressor in the first particular form of its implementation does not differ from that considered above. A feature of the operation of the compressor in the second and third particular forms of its implementation is that due to the presence of elastic energy stored in the coil spring 16 during the first half-cycle of the supply voltage, all mechanical movements of the compressor structural elements due to the action of the second half-wave of the supply voltage in the above description will occur without the presence of the mentioned second half-wave. Thus, the compressor will be operational when it is supplied with half-wave / pulse / voltage. The adjustment developed by the spring 16 forces is provided by moving the adjusting screw 17 in the hole of the Central core of the core 7.

Claims

1. A membrane compressor containing a working chamber limited by an elastic membrane with inlet and outlet valves, an inductor and a magnetic circuit fed by alternating current, in the air gap between the pole pieces of which there is a circular permanent magnet connected to the central part of the membrane, characterized in that the magnetic circuit is made in the form a hollow cylinder with an axisymmetric hole in one of its end walls, the edges of which are the first pole tip, and with it installed against it the positive end wall of the inner axisymmetric rod, the free end of which is the second pole tip, the inductor is placed in the cylinder cavity, and the magnet is coaxial with the rod in the hole of the cylinder end wall, while the magnet is installed with a gap between it and the rod end so that it is possible its displacement in the axial direction of the cylinder.

2. The compressor according to claim 1, characterized in that the permanent magnet is made up of interconnected cylindrical element with constant magnetization and a magnetic insert with a larger diameter, while the compound magnet is connected to the membrane from the side of the insert.

3. The compressor according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that in the free end of the inner rod there is an axisymmetric hole in which a coil spring connected to the magnet is fixed.

4. The compressor according to claim 3, characterized in that the hole is made through and threaded from the side opposite to the installation side of the spring, and an adjustment screw connected to the spring is installed in the threaded portion of the hole.