Мембранный насос-теплообменник

 

Использование: в двигателестроении и холодильной технике. Сущность изобретения: мембрана с концентрическими гофрами прикреплена по периферии к корпусу и в центре к штоку. Опоры кольца вложены во впадины гофров. Корпус выполнен в виде концентрического гофра, закрытого по наружным выступам кожухом, образующим с гофром кольцевые каналы для теплоносителя. Опорные кольца установлены с хвостовиками, выполненными с возможностью изгиба, опирающимися на прямые пазы в секторных балках, подвешенных по периферии корпуса к штоку посредством осей и серег при выполнении заданного неравенства. 5 ил.

Изобретение касается насосов с металлическими мембранами и может найти применение в двигателестроении и холодильной технике, там, где требуется вытеснять из объема газ при значительных давлениях, полной герметичности с одновременным подводом либо отводом тепла от внешнего теплоносителя. Примером таких устройств являются двигатели и холодильные машины, реализующие прямой либо обратный цикл Стирлинга.

Известны мембранные насосы [1] содержащие корпус, мембрану, соединенную по периферии с корпусом и в центре со штоком привода, и профилированную опору мембраны.

Недостатками известных мембранных насосов являются невысокое допустимое внутреннее давление, которое ограничивается толщиной материала мембраны и условиями ее деформирования, а также невозможность организации эффективного теплообмена сжимаемого газа с теплоносителем.

Известен мембранный насос [2] содержащий корпус, мембрану с концентрическими гофрами, закрепленную по периферии на корпусе и соединенную в центре со штоком, опорные кольца корытообразного сечения, вложенные во впадины гофров, опирающиеся через промежуточные кольца, набранные из отдельных сегментов, на секторные балки, опирающиеся на корпус и шток.

Недостатками такого мембранного насоса являются невозможность осуществления эффективного подвода тепла к сжимаемому газу от внешнего теплоносителя, повышенные трение и износ в механизме передачи усилий от мембраны на корпус и шток. Первый из них определяется невозможностью использования мембраны с глубокими гофрами, имеющими цилиндрические участки, поскольку опорные кольца корытообразного сечения не имеют цилиндрических участков для опирания цилиндрических участков гофров. Это определяет невозможность применения корпуса с глубокими внутренними и наружными гофрами, т.е. с развитой поверхностью теплообмена. Кроме того, мембранный насос не содержит кожуха, закрывающего полость подвода теплоносителя. Повышенный износ механизма опирания мембраны определяется проскальзыванием сегментов промежуточного кольца по опорным кольцам корытообразного сечения и по секторным балкам при изменении угла между секторными балками и осью потока, вызванном осевым перемещением штока. Так, при угле между секторными балками и осью штока, равном 90^о, сегменты контактируют с опорными кольцами и секторными балками по линиям. При уменьшении этого угла (опускании штока) контакт сегментов с секторными балками будет в точках посредине сегментов, а между сегментами и опорными кольцами в точках на концах сегментов. Это вызывает поворот сегментов на угол, обеспечивающий их контактирование с кольцами и секторными балками по линиям. Поворот сопровождается взаимным проскальзыванием контактирующих деталей, трением и износом их поверхностей. Кроме того, движение штока в осевом направлении вызывает изменение радиального расстояния между точками контакта сегментов с секторными балками, что при неизменном радиальном расстоянии между опорными кольцами вызывает дополнительный поворот сегментов и в соответствии с изложенным выше трение и износ контактирующих пар.

Предлагаемый мембранный насос-теплообменник обеспечивает эффективный теплообмен сжимаемого газа с теплоносителем и уменьшение трения и износа деталей механизма опирания мембраны. Осуществление теплообмена в насосе-теплообменнике дает возможность в двигательных и холодильных машинах Стирлинга отказаться от использования нагревателей и холодильников, выполняемых в виде самостоятельных агрегатов, исключить из рабочего пространства их объемы, повысить тем самым степень сжатия либо степень расширения и, в конечном счете, мощность двигателей либо холодильных машин. Уменьшение трения и износа деталей механизма опирания мембран дает возможность увеличить ресурс двигателей и холодильных машин.

Получение указанных технических результатов достигается тем, что мембранный насос-теплообменник, содержащий корпус, крышку корпуса, мембрану с концентрическими гофрами, шток и секторные балки с пазами, причем мембрана герметично закреплена по периферии на корпусе, а в центре на штоке, секторные балки связаны одним концом с корпусом, а другим со штоком, в во впадины гофров установлены опорные кольца, опирающиеся на балку, снабжен концентрическим гофром, установленным между крышкой и мембраной и уплотненными выступами относительно крышки с образованием тепловых каналов для теплоносителя. Опорные кольца снабжены гибкими хвостовиками с опорными пятами и опираются на балки посредством хвостовиков, установленных опорными пятами в пазы балок, причем последние выполнены прямыми, балки связаны с корпусом и штоком посредством подвесок, включающих серьги с отверстиями и оси, установленные в секторных балках, штоке и корпусе, при этом соблюдается неравенство tg ( arcsin ) < f, где d диаметр осей подвески; D диаметр отверстий в серьгах; L расстояние между осями подвески в секторных балках; Н ход штока; f коэффициент трения сопрягаемых поверхностей подвески, причем диаметр осей подвески равен диаметру опорных пят хвостовиков, а ширина пазов диаметру отверстий в серьгах.

На фиг. 1 показан мембранный насос-теплообменник в положении полного заполнения объема сжимаемым газом; на фиг. 2 мембранный насос-теплообменник в положении штока, соответствующем уменьшению на 50% объема, заполненного газом; на фиг. 3 дана схема движения теплоносителя; на фиг. 4 показан фрагмент опорного кольца с разрезными плоскими хвостовиками; на фиг. 5 вид сверху на секторную балку.

Мембранный насос-теплообменник содержит кожух 1, корпус 2 с тонкими и глубокими гофрами, оси 3 и серьги 4, подвески секторных балок 5, гофрированную мембрану 6, опорные кольца 7 с плоскими хвостовиками 9 и шток 8 с торцовой поверхностью, выполненной в виде гофров.

Мембранный насос-теплообменник работает следующим образом.

Вытесняемый газ находится в плоскости Б, образованный корпусом 2, мембраной 6 и штоком 8. При поднятом штоке 8 (фиг. 2) в процессе заполнения полости Б газом либо вытеснения газа из нее газ движется в каналах-щелях, образующих полость Б и имеющих большую поверхность теплообмена по гофрам корпуса 2. Внешняя поверхность корпуса 2 обтекается теплоносителем, двигающимся по линиям тока Г в кольцевых каналах В, образованных корпусом 2 и кожухом 1. Через тонкие стенки гофрированного корпуса 2 осуществляется эффективный теплообмен между газом и теплоносителем. Глубокие гофры мембраны 6 опираются по радиусам вершин опорных колец 7, а цилиндрические стенки гофров опираются на боковые поверхности колец 7. Кольца 7 плоскими хвостовиками 9 опираются на прямые пазы полукруглого сечения, выполненные в секторных балках 5. Секторные балки 5 подвешены к корпусу 2 и штоку 8 на осях 3 и серьгах 4. Изменение расстояния между конусами хвостовиков 9 колец 7, вызванное движением штока 8, компенсируется изгибом хвостовиков. Диаметры опорных концов хвостовиков 9, осей 3 и отверстий в серьгах 4 и пазов в секторных балках 5, расстояние между осями 3 в секторных балках 5 и ход штока 8 выбираются из условия отсутствия проскальзывания, трения и износа, определяемого неравенством tg ( arcsin ) < f, где d диаметр осей подвески секторных балок и опорных пят хвостовиков опорных колец; D диаметр отверстий в серьгах и сечения пазов в секторных балках; L расстояние между осями подвески секторных балок; Н ход штока;
f коэффициент трения контактирующих поверхностей.

Предлагаемый насос-теплообменник позволяет вытеснять из его полости газ при полной герметичности, осуществить эффективный теплообмен вытесняемого газа с теплоносителем, устранить трение и износ в механизме опирания мембраны. Совокупность этих преимуществ обеспечивает увеличение мощности и ресурса машин, реализующих прямой и обратный циклы Стирлинга.

Формула изобретения

МЕМБРАННЫЙ НАСОС-ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий корпус, крышку корпуса, мембрану с концентрическими гофрами, шток и секторные балки с пазами, при этом мембрана герметично закреплена на периферии на корпусе, а в центре на штоке, секторные балки связаны одним концом с корпусом, с другим со штоком, а во впадины гофров установлены опорные кольца, опирающиеся на балку, отличающийся тем, что он снабжен концентрическим гофром, установленным между крышкой и мембраной, и уплотненным выступами относительно крышки с образованием тепловых каналов для теплоносителя, опорные кольца снабжены гибкими хвостовиками с опорными пятами и опираются на балки посредством хвостовиков, установленных опорными пятами в пазы балок, причем последние выполнены прямыми, балки связаны с корпусом и штоком посредством подвесок, включающих серьги с отверстиями и оси, установленные в секторных балках, штоке и корпусе, при этом соблюдается неравенство

где d диаметр осей подвески;
D диаметр отверстий в серьгах;
L расстояние между осями подвески в секторных балках;
H ход штока;
f коэффициент трения сопрягаемых поверхностей подвески,
причем диаметр осей подвески равен диаметру опорных пят хвостовиков, а ширина пазов диаметру отверстий в серьгах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5