Гидравлическое клапанное устройство и гидрообъемный насос

 

Использование: в качестве насоса для нагнетания крови. Сущность изобретения: гидравлическое клапанное устройство для двухпозиционного регулирования потока жидкости через канал, расположенный между двумя отверстиями 12,15 для жидкости, и включающее седло 17А клапана, содержащее клапанный элемент 21, перемещающийся в герметичное взаимодействие с седлом клапана и из него, и образующий камеру 20 клапана. Последняя сообщается с одним из отверстий 15 для жидкости через седло 17А клапана и взаимодействует с приводным устройством клапанного элемента, которое преобразует давление жидкости, поступившей в клапанную камеру 20 из впуска 12,14, в усилие, действующее на клапанный элемент с целью его смещения относительно клапанного седла 17 А. Приводное устройство клапанного элемента в одном варианте воплощения содержит упорную поверхность на клапанном элементе 21, направленную в сторону от клапанного седла и образующую часть стенки клапанной камеры 20. Вторая упорная поверхность C на клапанном элементе 21 направлена в противоположную сторону и образует камеру 7, которая изолирована от клапанной камеры, и канал. Объемный насос содержит гидравлическое клапанное устройство в качестве впускного клапана для регулирования притока в камеру 20 насоса жидкости, которая должна нагнетаться. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к гидравлическим клапанным устройствам для регулирования потока жидкости и гидрообъемным насосам, включающим такие клапанные устройства.

В EP-А-0 374115 описываются гидрообъемные насосы, представляющие полезное решение проблемы по обеспечению быстрого заполнения насосной камеры при небольших потерях энергии. Важная особенность этого решения заключается в наличии щелевидного прохода или канала, идущего по всей окружности или по крайней мере по значительной части окружности насосной камеры и который может открываться по всей ее протяженности, чтобы впустить жидкость в насосную камеру. В предпочтительных вариантах предусмотрен питающий резервуар переменного объема, установленный рядом со впускным клапаном на его стороне выше по течению, в результате чего источник подачи жидкости для заполнения насосной камеры находится очень близко от впускного клапана, который снова наполняется во время хода выпуска с тем, чтобы снова быть готовым, когда начнется следующий ход выпуска. Благодаря своей большой протяженности, канал имеет большое проходное сечение после короткого открывающего перемещения впускного клапана и так, как впуск в насосную камеру происходит со всех или почти со всех сторон, то траектория потока является относительно короткой для большей части жидкости, поступающей в насосную камеру.

В некоторых вариантах, представленных в упомянутой выше публикации, впускной клапан является механическим принудительным и приводящимся в действие клапаном, тогда как в других представленных конструкциях используется регулирующий направление потока невозвратный клапан, а именно, откидной клапан. В некоторых других вариантах воплощения, которые не показаны, впускной клапан представляет собой комбинацию из двух типов клапанов.

Известно гидравлическое клапанное устройство, содержащее впускное и выпускное отверстия для жидкости, канал, проходящий между этими отверстиями, включающий клапанное седло, клапанный элемент, установленный с возможностью перемещения относительно клапанного седла для блокировки канала под действием гидравлических сил, прикладываемых к клапанному элементу жидкостью, содержащейся в канале, причем, клапанный элемент выполнен полым с образованием клапанной камеры, сообщающейся с одним из отверстий для жидкости через клапанное седло и содержащий приводные средства, взаимодействующие с клапанной камерой для преобразования давления жидкости, поступившей в клапанную камеру из впуска, в усилие, прикладываемое и клапанному элементу для смещения клапанного узла, при этом клапанный элемент содержит первую упорную поверхность, обращенную в сторону от клапанного седла и образующую стенки клапанной камеры и образует в своем открытом положении зазор, простирающийся по всей окружности клапанной камеры. Также известен гидрообъемный насос, содержащий средства, образующие насосную камеру переменного объема для приема нагнетательной жидкости, нагнетающий механизм, включающий вытесняющий элемент, совершающий ход выпуска для сжатия насосной камеры и ход заполнения для расширения насосной камеры и приводное устройство для периодического перемещения вытесняющего элемента с ходом выпуска, впуск, сообщающийся с насосной камерой, впускной клапан, установленный во впуске и выпуск, сообщающийся с насосной камерой, причем, впускной клапан содержит клапанное седло, образующее впускное отверстие во впуске и полый клапанный элемент, имеющий герметизирующую часть, взаимодействующую с клапанным седлом и смещающуюся относительно клапанного седла между открытым положением, в котором герметизирующая часть удалена от клапанного седла и закрытым положением, когда герметизирующая часть взаимодействует с клапанным седлом, полость клапанного элемента, образующую часть насосной камеры и сообщающуюся с впускным отверстием через открытие клапанного элемента, окруженного герметизирующей частью, и приводные средства клапанного элемента, взаимодействующие с клапанной камерой для преобразования давления жидкости, поступившей в клапанную камеру из впуска, в усилие, прикладываемое к клапанному элементу для смешения его относительно клапанного седла, клапанный элемент включает первую упорную поверхность, обращенную в сторону клапанного седла и образующую часть стенки полости клапанного элемента, причем, клапанное седло и герметизирующая часть клапанного элемента в открытом положении последнего образуют между собой впускной зазор или канал [1] Канал, через который нагнетаемая жидкость поступает в насосную камеру, очень часто вызывает серьезные ограничения производительности и эффективности засоса. Обычно нагнетаемая жидкость поступает на впуск и в насосную камеру под относительно низким давлением, во многих случаях впуск происходит под действием частичного разряжения в насосной камере. Для быстрого заполнения насосной камеры и с минимальными потерями энергии, впускной клапан должен быть способен открывать канал большого проходного сечения и такой формы, которая обеспечивает минимальное сопротивление потоку жидкости.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является создание гидравлических клапанных устройств, которые пригодны для использования в гидрообъемных насосах, в частности, в гидрообъемных насосах вышеуказанного типа, а также создание улучшенного гидрообъемного насоса.

Как будет ясно из последующего описания, клапанное устройство в соответствии с настоящим изобретением не управляется ни механически, с помощью принудительного действующего приводного механизма клапана, ни за счет направленного через него потока жидкости. Вместо этого, его управление осуществляется с помощью давления или усилия, с которым жидкость, поступившая в клапанное устройство, действует на клапанный элемент, перемещающийся в и из герметичного взаимодействия с клапанным седлом. Жидкость, давление которой регулирует смещение клапанного элемента, поступает в клапанную камеру, образованную клапанным элементом и предпочтительно, воздействует на клапанный элемент через его упорную поверхность, установленным ниже по течению от канала или проходе, при этом клапанный элемент открывается, когда он отсоединяется от клапанного седла.

Эта техническая задача решается тем, что в клапанном устройстве первая упорная поверхность размещена ниже по течению за каналом, а клапанный элемент содержит кольцевую уплотнительную кромку, выполненную с возможностью взаимодействия с клапанным седлом и образования отверстия клапанного элемента, причем, клапанная камера находится в постоянном открытом взаимодействии с выходным отверстием для жидкости через отверстие клапанного элемента.

Кроме того, клапанный элемент содержит вторую упорную поверхность, обращенную к клапанному седлу, и образующую полость, изолированную от канала.

Кроме того, клапанный элемент содержит третью упорную поверхность, расположенную в канале снаружи клапанной камеры, а площадь третьей упорной поверхности изменяется в зависимости от перемещения клапанного элемента.

Кроме того, в устройстве в непосредственной близости от клапанного элемента предусмотрен отсек со стороны клапанного седла, расположенный снаружи клапанной камеры при закрытом положении клапанного элемента.

В гидрообъемном насосе указанная техническая задача решается тем, что вход клапана является гидравлическим клапанным устройством, описанным выше.

Кроме того, в гидрообъемном насосе клапанный элемент содержит вторую упорную поверхность, расположенную напротив первой упорной поверхности и образующую полость, изолированную от насосной камеры.

Кроме того, клапанный элемент в гидрообъемном насосе содержит третью упорную поверхность, расположенную на стороне насосной камеры выше по течению в закрытом положении клапанного элемента.

В гидрообъемном насосе протяженность впускного канала, замеренная в направлении потока жидкости через него, является небольшой относительно диаметра клапанного седла.

Кроме того, во впуске предусмотрен отсек переменного объема, расширяющийся в зависимости от притока жидкости во впуск, рядом с и выше по течению от клапанного седла и клапанного элемента и в открытом положении клапанного элемента входит, по существу, в сообщение с насосной камерой на основной части и предпочтительно, на всем протяжении или почти на всей окружности насосной камеры.

Помимо вышеизложенного, насос содержит смещающее устройство, прикладывающее противодействующее усилие к камере с жидкостью, а противодействующее усилие, прикладываемое смещающим устройством, постепенно увеличивается с увеличением объема камеры.

Сторона насосной камеры, удаленная от клапанного седла, образована нижней стенкой, а боковая стенка насосной камеры выполнена с возможностью перемещения относительно нижней стенки в направлении и в сторону от клапанного седла.

Площадь третьей упорной поверхности, спроектированной на плоскость, содержащей клапанное седло, меньше, чем соответствующая площадь первой упорной поверхности, а насосная камера образована съемным мешком из гибкого материала, предпочтительно, из пластмассовой пленки.

Отсек и насосная камера образованы выполненными за одно целое или постоянно соединенными секциями мешка, имеющего в районе перехода между насосной камерой и отсеков сужающуюся часть, образующую часть герметизирующей части клапанного элемента.

Второй вариант описываемого устройства представляет собой гидрообъемный насос, содержащий средства, образующие насосную камеру переменного объема для приема нагнетательной жидкости, нагнетающий механизм, включающий вытесняющий элемент, совершающий ход выпуска для сжатия насосной камеры и ход заполнения для расширения насосной камеры и приводное устройство для периодического перемещения вытесняющего элемента с ходом выпуска, впуск, сообщающийся с насосной камерой, впускной клапан, установленный во впуске и выпуск, сообщающийся с насосной камерой, причем, впускной клапан содержит клапанное седло, образующее впускное отверстие во впуске и полый клапанный элемент, имеющий герметизирующую часть, взаимодействующую с клапанным седлом и смещающуюся относительно клапанного седла между открытым положением, в котором герметизирующая часть удалена от клапанного седла и закрытым положением, когда герметизирующая часть взаимодействует с клапанным седлом, полость клапанного элемента, образующую часть насосной камеры и сообщающуюся с впускным отверстием через открытие клапанного элемента, окруженного герметизирующей частью и приводные средства клапанного элемента, взаимодействующие с клапанной камерой для преобразования давления жидкости, поступившей в клапанную камеру из впуска, в усилие, прикладываемое к клапанному элементу для смещения его относительно клапанного седла, клапанный элемент включает первую упорную поверхность, обращенную в сторону клапанного седла и образующую часть стенки полости клапанного элемента, причем, клапанное седло и герметизирующая часть клапанного элемента в открытом положении последнего образуют между собой впускной зазор или канал, при этом насос содержит смещающие средства, прикладывающие противодействующее усилие к отсеку, противодействующее усилие, прикладываемое к отсеку с помощью смещающего устройства, постепенно увеличивается с увеличением объема отсека.

Смещающее устройство включает подвижную часть стенки гидравлического отсека и упругие средства, воздействующие на подвижную часть стенки.

Средства, образующие насосную камеру, включают идущую по окружности стенку насосной камеры, причем, впуск сообщен с насосной камерой, по крайней мере, на значительной части окружности стенки насосной камеры, а гидравлический отсек имеет такую же окружную протяженность, как и участок окружности стенки насосной камеры.

Гидравлический отсек является кольцевым и окружает насосную камеру.

Впуск открывается в насосную камеру через впускной канал, образованный клапанным седлом впускного клапана и клапанным элементом, составляющим часть стенки насосной камеры и перемещающимся в и из герметичного взаимодействия с клапанным седлом.

На фиг. 1 вертикальное сечение клапанного устройства в закрытом положении; на фиг. 2 то же, в открытом положении; на фиг. 3 вертикальное сечение гидрообъемного насоса для нагнетания жидкости в первой стадии цикла нагнетания; на фиг. 4 то же, во второй стадии; на фиг. 5 то же в третьей стадии; на фиг. 6 то же, в четвертой стадии.

Гидравлическое клапанное устройство, показанное в качестве примера на фиг. 1 и 2, содержит корпус 11, имеющий впуск 12 с взаимодействующим с ним подающим трубопроводом 14 для жидкости, прохождение которой через клапанное устройство регулируется в двухпозиционном режиме (открытый закрытый клапан).

Вертикальная выпускная труба 15 для жидкости проходит через клапанное устройство. Нижняя часть 17 выпускной трубы выполнена раструбом и имеет обращенный вниз кольцевой обод 17А, образующий неподвижное седло клапана.

Клапанная камера 20 в клапанном устройстве образована сбоку с помощью вертикально перемещающегося клапанного элемента 21 в корпусе 11. Клапанный элемент 21 выполнен в форме короткой трубы, сужающейся на своем верхнем конце для образования кольцевой уплотняющей части 21А, предназначенной для взаимодействия в герметизации относительно кольцевого клапанного седла 17А на идущей раструбом нижней части 17 выпускной трубы 15.

Нижний конец клапанного элемента 21 расширяется и постоянно находится в скользящем герметичном взаимодействии с внутренней стороной цилиндрической направленной вниз части 11А корпуса 11.

Промежуточная цилиндрическая часть клапанного элемента 21 постоянно находится в скользящем герметичном взаимодействии с кольцевой направленной внутрь губкой 11D корпуса. Между этой губкой и расширенным нижним концом клапанного элемента 21 последний вместе с корпусной частью 11А образует отсек Y, заполненный воздухом и сообщающийся с окружающей средой через отверстие 5. Когда клапанный элемент 21 движется в осевом направлении в сторону клапанного седла 17А и от него, то воздушный отсек Y приспосабливает изменения в объеме, происходящие в клапанной камере 20.

В своей верхней части 11В корпус 11 образует питающий отсек 22. Последний открыт сверху корпуса и удерживает жидкость на уровне, который может изменяться, но здесь принимается всегда выше, чем уровень клапанного седла 17А. Если требуется, то может предусматриваться гидравлический затвор (не показан) устанавливающийся со стороны клапанного седла выше по течению.

На фиг. 1 и 2 показано, что камера 20 не имеет нижней стенки или каких-либо других ограничений снизу. В зависимости от применения клапанного устройства может иметь место неподвижная или подвижная нижняя стенка. Подвижная нижняя стенка может быть выполнена в виде поршня насоса, перемещающегося вверх и вниз в нижней корпусной части 11А, как в гидрообъемном насосе, который описывается ниже. Однако, не обязательно, чтобы клапанное устройство имело подвижную нижнюю стенку в клапанной камере. Требуется лишь только то, чтобы давление в клапанной камере 20 могло изменяться описываемым ниже способом.

Принимая положение, представленное на фиг. 1, за исходное, работа показанного клапанного устройства осуществляется следующим образом.

В положении, показанном на фиг. 1, давление жидкости в клапанной камере 20 принимается за величину, связанную с напором в питающем отсеке 22, в результате чего направленное вверх гидравлическое усилие, действующее на клапанный элемент 21, будет преобладать над направленным вниз гидравлическим усилием или суммой последнего и веса клапанного элемента (этот вес, однако, принимается за небольшой или полностью или почти полностью уравновешенным архимедовым усилием и/или усилием пружины). Следовательно, уплотняющая часть 21А клапанного элемента 21 удерживается в герметичном, взаимодействии с кольцевым клапанным седлом 17А. Направленное вверх усилие может быть обусловлено, например, напором столба жидкости в выпускном трубопроводе 17 или давлением, создаваемым поршнем, находящимся в корпусной части 11А.

В приведенном примере конструкции гидравлического клапанного устройства, направленное вверх гидравлическое усилие прикладывается к клапанному элементу 21 на кольцевой поверхности А с внутренней стороны клапанного элемента. Поверхностная площадь этой поверхности А (упорная поверхность), проектированной в направлении оси L клапанного устройства, или другими словами, поверхностная площадь, которая определяет в сочетании с давлением в клапанной камере 20 величину направленного вверх гидравлического усилия, действующего на клапанный элемент, определяется наружным диаметром D клапанного элемента и диаметром d круга или узкого кольцевого участка, на котором клапанное седло 17а взаимодействует с уплотняющей частью 21А (и для удобства, радиальная ширина поверхности взаимодействия между клапанным седлом 17А и уплотняющей частью 21А клапанного элемента 21 здесь не принимается во внимание).

Направленное вниз гидравлическое усилие прикладывается к клапанному элементу 21 также на кольцевой, но меньшей поверхности B (упорная поверхность) с наружной стороны клапанного элемента. Поверхностная площадь этой поверхности B, проектированной в направлении оси L определяется диаметром d цилиндрической промежуточной части клапанного элемента и вышеупомянутым диаметром d.

В представленной конструкции гидравлического клапанного устройства воздушный отсек Y постоянно находится в открытом неограниченном сообщении с окружающей атмосферой и тем самым, всегда подвержен воздействию атмосферного давления. Следовательно, обращенная вверх кольцевая поверхность C на наружной стороне клапанного элемента 21, осевая проекция или эффективная поверхностная площадь этой поверхности C, определяется наружным диаметром D идущей раструбом нижней части клапанного элемента и наружным диаметром d цилиндрической промежуточной части клапанного элемента, не подвергается воздействию никакого усилия, стремящегося сместить клапанный элемент вверх или вниз.

Когда давление в клапанной камере 20 упадет значительно ниже давления в подающем отсеке 22, например, из-за исчезновения давления, создаваемого поршнем (не показан), в корпусной части 11А и/или кинетической энергии движущегося вверх столба жидкости в выпускном трубопроводе 15, стремящейся создать всасывание в клапанной камере, и тем самым, образуется ситуация, при которой направленное вниз усилие, действующее на клапанный элемент 21, преобладает и перемещает клапанный элемент вниз.

Таким образом, кольцевой щелевидный проход 23 открывается между клапанным элементом 21 и клапанным седлом 17А (фиг. 2). Благодаря кольцевой форме этого прохода 23, площадь поперечного сечения, которую представляет проход потоку жидкости через него, является существенный после короткого перемещения вниз клапанного элемента. Таким образом, жидкость из отсека 22 может поступать в клапанную камеру 20 почти безударно, т.е. не подвергаясь какому-либо существенному падению давления.

Последующее увеличение давления в клапанной камере 20 относительно давления в подающем отсеке 22 будет обуславливать преобладание направленного вверх гидравлического усилия, действующего на клапанный элемент, в результате чего клапанный элемент 21 возвращается в закрытое положение, показанное на фиг. 1. Такое возвращение клапанного элемента может происходить даже до того, как давление в клапанной камере 20 превысит давление в подающем отсеке 22, так как эффективная (осевая проекция) поверхностная площадь обращенной вниз упорной поверхности А является больше, чем эффективная (осевая проекция) поверхностная площадь обращенной вверх упорной поверхности B.

На фиг. 3-6, показывающих объемный поршневой насос, включающий впускной клапан в виде однопоточного гидрораспределителя, воплощающего признаки настоящего изобретения, цифровые и буквенные обозначения, использованные на фиг. 1 и 2, будут также применяться для обозначения деталей насоса, которые по своим функциям соответствуют деталям клапана, составляющим клапанное устройство на фиг. 1 и 2.

Насос, показанный в качестве примера на фиг. 3-6, содержит жесткий по существу, цилиндрический круглый корпус 11. Впускное отверстие 22 выполнено на окружной стенке 11А корпуса насоса, а выпускное отверстие 13 в верхней торцевой стенке 11С. Радиальная впускная труба 14, транспортирующая по существу, непрерывный поток жидкости, сообщается с впускным отверстием 12, а выпускное отверстие 13, расположенное на вертикальной оси корпуса 11 насоса, сообщается с идущей вверх осевой выпускной трубой 15.

Внутри корпуса 11 насоса имеется мешок 16 из тонкой, очень гибкой, но нерастягивающейся пленки из пластика, например, полиуретана. Этот мешок герметично соединен с впускной трубой 14, с помощью идущей раструбом впускной втулки 17, прикрепленной к корпусу насоса, с выпускной трубой 15. Мешок 16 в корпусе 11 насоса выполнен так, что весь насос или, по крайней мере, мешок может быть использован в качестве удаляемого узла. По всей высоте мешка 16 его форма в поперечном сечении, выполненном перпендикулярно оси L корпуса насоса, является по существу, круглой или кольцевой.

Нижняя стенка мешка 16 располагается на верхней стороне вертикально перемещающегося смещающего элемента или поршня 18, который совершает вертикальное возвратно-поступательное перемещение с постоянной или переменной скоростью с помощью двигателя 19. Поршень приводится в действие принудительно в обоих направлениях, но в показанной конструкции он перемещается принудительно только вверх во время хода подачи. Перемещение поршня вниз осуществляется под действием силы тяжести, т.е. веса поршня и веса жидкости, находящийся в насосной камере 20. Содействие перемещению вниз поршня может оказать такие статическое или динамическое давление нагнетаемой жидкости.

Поскольку мешок 16 не прикреплен к поршню 18, то поршень не перемещает нижнюю стенку мешка вниз во время хода вниз или наполнения. Однако, это в пределах области настоящего изобретения прикладывать тянущее вниз усилие и к нижней стенке мешка.

Нижняя часть мешка 16 образует насосную камеру 20, боковая стенка которой или, по крайней мере, ее верхняя часть образована с помощью окружающей в основном, жесткой идущей вверх на конус узкой втулкой 21, поперечное сечение которой, выполненное перпендикулярно оси L насоса, является кольцевым, втулка 21, вес которой небольшой, служит в основном, для придания устойчивой формы боковой стенке мешка 16 на верхней части насосной камеры. Такое стабилизирующее действие может быть достигнуто с помощью других средств, например, за счет выполнения боковой стенки мешка достаточно жесткой.

Как показано на фигурах, на некоторых стадиях цикла работы насоса втулка 21 простирается вниз за верхнюю часть поршня 18, который выполнен так, что воздух может свободно проходить за него в воздушный отсек 2 и из него, который постоянно находится под действием атмосферного давления.

Втулка 21 свободно перемещается в осевом направлении в корпусе 11, т.е. она может перемещаться вверх и вниз вместе с соседней частью боковой стенки мешка 16, без приведения ее в действие с помощью принудительного действующего механизма, причем, усилия, действующие на втулку 21 и обуславливающие ее перемещение вверх и вниз, создаются нагнетаемой жидкостью, как более подробно будет описано при рассмотрении работы насоса.

В своей верхней части секция мешка 16, образующая насосную камеру 20, соединяется с помощью сужающейся части на верхней кромке 21А втулки 21 с секцией мешка, которая образует кольцевой подающий отсек 22. Последний окружен и частично образован выпускной гильзой 17 и сообщается с насосной камерой 20 через кольцевой впускной проход 23, образованный между верхней кромкой 21А втулки 22 и клапанным седлом 17А на идущем раструбом нижнем конце гильзы 17. Впускная труба 14 находится в постоянно открытом неограниченном сообщении с отсеком 22, который расширяется под действием поступающей жидкости. Упорное кольцо 24, постоянно смещающееся вниз под действием слабой нажимной пружины 25, взаимодействует с верхней стенкой мешка 16, т.е. стенкой мешка 16, образующей верхнюю стенку отсека 22. Давление в отсеке 22, создаваемое упорным кольцом, является очень низким, однако, по крайней мере, до тех пор, пока мешок достаточно не расширится и тем самым, сильно не сожмет пружину.

Рассмотрим теперь рабочий цикл насоса, начиная из состояния или фазы рабочего цикла, представленного на фиг. 3, в которой поршень 18 принимается движущимся вниз в сторону его нижнего конечного положения и достигшим точки возле этого конечного положения. Втулка 21 находится в нижнем конечном положении или возле него, так что впускной проход 23 имеет свою максимальную или почти максимальную высоту. Затем жидкость поступает в насосную камеру 20 через впускной проход 23, не подвергаясь воздействию какого-либо существенного падения давления. Жидкость подается как непосредственно из впускной трубы 14, так и косвенно из этой трубы с помощью отсека 22.

Поскольку, впускной проход или канал 23 имеет большую площадь поперечного сечения для поступающей жидкости и так, как его длина, замеренная в направлении потока жидкости через него, т.е. в радиальном направлении, является очень маленькой, то он обладает очень низким сопротивлением потоку жидкости, идущему от впускного отверстия 12 и из отсека 22. По этой причине поступление потока жидкости в насосную камеру 20 из отсека 22 может происходить почти независимо от более или менее непрерывного потока из впускного отверстия 12 и впускной трубы 14. Таким образом, на приток из впускного отверстия 12 и впускной трубы 14 по существу, не влияет выпуск из отсека 22.

Поскольку выпуск или опорожнение в насосную камеру 20 жидкости, накопленной в отсеке 22, не мешает притоку жидкости из впускного отверстия 12 и впускной трубы 14 и так как сопротивление потоку жидкости во впускном канале 23 является очень маленьким, то отсек 22 может опорожняться очень быстро даже если смещающее усилие, прикладываемое к жидкости в отсеке 22 с помощью упорной пластины 24 и нажимной пружины 25, является не очень большим. Факторами, способствующими быстрому опорожнению отсека, являются: смещающее устройство 24/25, необходимое только для ускорения объема жидкости, удаляемого из отсека 22, так как жидкость, текущая из впуска 12/14 прямо в насосную камеру 20, не нуждается ни в замедлении, ни в ускорении: расстояние, которое должна пройти выпускаемая жидкость и которое очень короткое, сопротивление потоку, с которым сталкивается выпускаемая жидкость, является очень небольшим.

До тех пор, пока жидкость поступает в насосную камеру 20 через впускной канал 23 из впуска 12/14 и отсека 22, она расширяется при условии, что поршень 18 по прежнему свободен для движения вниз. В показанной конструкции насоса, расширение происходит без какого-либо внешнего усилия, стремящегося тащить нижнюю стенку мешка 16 вниз и тем самым, создать избыточное давление в насосной камере 20 (но как уже отмечалось, это находится в области настоящего изобретения, создание такого усилия, способствующего расширению насосной камеры). Таким образом, в показанной конструкции насоса управление заполнением насосной камеры 20 осуществляется притоком жидкости из впускной трубы 14 и отсека 22.

Когда поршень 18 насоса останавливается в своем нижнем конечном положении или раньше, чем достигнет этого положения в результате взаимодействия с движущимся вверх приводным элементом 19А двигателя 19, то втулка 21 и суженная верхняя часть боковой стенки 16А мешка 16 будет двигаться вверх в положение, в котором они герметично взаимодействуют с обращенным вниз клапанным седлом 17А на идущий раструбом нижней части выпускной втулки 17, в результате чего впускной канал 23 закрывается и непрерывный поток в насосную камеру 20 прекращается. Следовательно, втулка 21 и взаимодействующая часть мешка 16 образуют впускной клапанный элемент для насосной камеры 20.

Перемещение втулки 21 в вышеупомянутое положение (закрытый клапан) определяется давлением жидкости в насосной камере 20 и давлением на впуске 12 в отсеке 22. Давление жидкости в насосной камере 20 прикладывает к мешку 16 и тем самим, к втулке 21 направленное вверх усилие и обращенной вниз аксиально спроектированной упорной поверхности А на втулке, причем, эта кольцевая упорная поверхность имеет наружный диаметр D и внутренний диаметр d (фиг. 3). Это усилие стремится сместить втулку 21 вверх относительно поршня 18 насоса.

Одновременно, на втулку 21 в дополнение и очень небольшому направленному вниз усилию, обусловленному весом втулки, действует направленное вниз усилие, обусловленное давлением жидкости в отсеке 22 на обращенную вверх аксиально спроектированную кольцевую упорную поверхность в мешке. Внутренний диаметр кольцевой упорной поверхности B является постоянным и равен внутреннему диаметру d первой упомянутой кольцевой упорной поверхности A, а ее наружный диаметр изменяется в процессе перемещения втулки 21, при этом, как видно из сравнения фиг. 3 и 4 наружный диаметр и тем самым, поверхностная площадь кольцевой упорной поверхности B достигает своего максимального значения, когда втулка находится в своем верхнем положении (закрытый клапан) и уменьшается в процессе ее перемещения вниз.

На этапе установившегося режима рабочего цикла насоса, во время которого происходит приток в насосную камеру 20, так как ее заполнение, взаимодействие сил является таким, что на втулке 21 действует результирующая сила, поддерживающая втулку в ее нижнем положении или на расстоянии любой величины от клапанного седла 17А, в результате чего клапан остается открытым.

Когда приток в насосную камеру 20 прекращается, что может быть в результате остановки поршня 18 в его нижнем конечном положении, тем самым, продолжающееся расширение насосной камеры предотвращается либо с помощью двигателя 19, начинающего перемещение поршня 18 вверх, либо от обратного потока, возникающего в выпускной трубе 15, то результирующее усилие гидравлического давления, действующее на втулку 21, реверсируется, вследствие чего втулка смещается вверх в положение, показанное на фиг. 4 (закрытый клапан). Это перемещение втулки 21 может происходить даже раньше появления тенденции к обратному потоку через канал 23.

Когда поршень 18 движется вверх после того, как клапанный элемент, образованный втулкой 21 и соседними частями боковой стенки 16А мешка, войдет во взаимодействие с идущей раструбом частью или клапанным седлом 17А выпускной втулки 17, то насосная камера 20 сжимается движущимся вверх поршнем 18, в результате чего жидкость из насосной камеры удаляется через выпускную втулку 17 и выпускную трубу 15 (фиг. 4). Хотя клапан закрыт, жидкость по прежнему может поступать в насос через впускную трубу 14, так как подаваемая жидкость, когда клапан закрыт, накапливается в отсеке 22, который расширяется, преодолевая относительно слабое усилие пружины 24 (фиг. 5). На начальной стадии расширения усилие пружины является очень небольшим, так что приток через трубу 14 может продолжаться даже тогда, когда поступающая жидкость находится под очень низким давлением. Только когда отсек 22 достигнет своего максимального объема, то усилие пружины увеличивается достаточно, чтобы по существу, противодействовать или даже остановить приток.

Конечно, параметры насоса должны выбираться с учетом скорости потока притока, с которым ему придется иметь дело, с тем, чтобы отсек 22 мог нормально накапливать подаваемую жидкость во время закрытых фаз клапана без необходимости расширяться почти до максимального объема. Это предотвращает приток в насос через впускную трубу 14 от излишнего затормаживания или даже остановки в периоды выпуска, когда впускной клапан закрыт.

Когда та фаза рабочего цикла, которая включает выталкивание жидкости из насосной камеры 20, приближается к или достигает своего конца (фиг. 5), то результирующее усилие гидравлического давления, действующее на втулку 21, снова реверсируется, в результате чего втулка возвращается в сторону положения, соответствующего открытому клапану, см. фиг. 6. Таким образом, приток в насосную камеру 20 может снова начинаться.

В зависимости от скорости, с которой поршень 18 совершает возвратно-поступательное перемещение и от кинетической энергии жидкости, удаленной из насосной камеры, часть жидкости, поступающей в насосную камеру, может направляться прямо из насосной камеры через выпускную трубу 15 в то время, как происходит расширение насосной камеры. Было установлено также, что когда скорость хода насоса является достаточно высокой, то выходящий поток является почти постоянным, благодаря своей кинетической энергии. Объемные изменения отсека 22 во время цикла нагнетания являются очень небольшими.

В конструкциях клапанного устройства, показанных на фиг. 1-6, канал 23 открыт на всем протяжении вокруг насосной камеры. Такой непрерывный канал для потока является предпочтительным, поскольку достигается максимальная площадь поперечного сечения и предпочтительная траектория потока. Однако, в пределах области настоящего изобретения находится использование части окружности для радиального выпуска из насосной камеры. Этот выпуск может находиться диаметрально против впуска, но можно также расположить впуск и выпуск бок о бок.

В случае, когда жидкость удаляется из насосной камеры 20 через радиальный выпуск и впускной канал 23 между клапанным элементом 21 и клапанным седлом 17А, не простирающихся вокруг всей насосной камеры, клапанный элемент может устанавливаться так, чтобы он мог поворачиваться вокруг оси, находящейся в плоскости, параллельной плоскости, содержащей клапанное седло и проходящей через или возле концов впускного канала. В этом случае высота открытого клапана будет постепенно увеличиваться от оси вращения до максимальной величины на стороне насосной камеры, разложенной диаметрально против выпуска.

Несколько модификаций клапанного устройства и насоса, показанных на фигурах, могут быть выполнены в пределах области настоящего изобретения.

Например, в то время, как в представленных вариантах все гидравлические усилия, действующие на клапанный элемент в закрывающем направлении, прикладываются непосредственно к клапанному элементу, в пределах области настоящего изобретения оно может прикладываться косвенно по крайней мере частично, например, через механическую передачу от устройства гидравлического давления, преобразующего гидравлическое давление в клапанной камере или насосной камере, в направленное вверх усилие, которое прикладывается к клапанному элементу. Более того, в модификации насоса, показанной на фиг. 3-6, поршень насоса во время своего перемещения вниз смещает объем жидкости в приводном устройстве. Это смещение объема жидкости используется во время части перемещения вниз поршня насоса, в частности, в сторону завершения заполнения насосной камеры, чтобы осуществить смещение передающего усилия элемента вверх и тем самым, приложить направленное вверх, т.е. закрывающее усилие, к клапанному элементу.

В пределах области настоящего изобретения может также предусматриваться смещающее усилие, например, сила тяжести или усилие пружины, постоянно действующее в закрывающем или открывающем направлении на клапанный элемент, в результате чего клапанный элемент всегда стремится перемещаться в заданное положение, например, закрытое положение, когда отсутствуют гидравлические силы, возникающие при нормальной работе.

В представленных вариантах воздушный отсек Y всегда находится под воздействием атмосферного давления, так, что упорная поверхность C не участвует в открывающем или закрывающем усилии, действующем на клапанный элемент. Однако, особенно, когда клапанное устройство в соответствии с настоящим изобретением используется в гидрообъемном насосе, то давление в воздушном отсеке может изменяться в течение цикла нагнетания. Это может достигаться за счет выполнения отсека Y частью общего объема гидравлической системы, оставшийся объем которой соответствует максимальному и минимальному объемам воздушного отсека Y, в результате чего давление в отсеке Y изменяется заданным образом в течение цикла нагнетания и тем самым, приводит к гидравлическим усилиям, которые действуют на клапанный элемент в направлении его перемещения.

Следует отметить, что хотя оно и является предпочтительной в ряде случаев применение клапанного устройства в соответствии с настоящим изобретением, однако, упорная поверхность B, обращенная к клапанному седлу 17А, предусмотренная в представленных вариантах и способствующая смещению клапанного элемента в открытое положение, все же является необязательной. Таким образом, диаметр герметизирующей части 21А клапанного элемента 21 может быть равен или почти равен диаметру, обозначенному на чертежах буквами d. В этом случае результирующая гидравлическая сила определяется только разностью давлений на упорных поверхностях A и C.

Гидрообъемный насос, показанный в качестве примера, пригоден, в частности, для его использования, в качестве насоса для нагнетания крови или перфузионного насоса. В этом случае использование насоса, внутренняя поверхность мешка 16 и любых других поверхностей, контактирующих с нагнетаемой кровью, должны иметь покрытие из человеческой или животной ткани (например, околосердечная сумка свиньи), в результате чего поверхности, входящие в контакт с кровью, имеют наилучшую совместимость с кровью.

Формула изобретения

1. Гидравлическое клапанное устройство, содержащее впускное и выпускное отверстия для жидкости, канал, проходящий между этими отверстиями, включающий клапанное седло, клапанный элемент, установленный с возможностью перемещения относительно клапанного седла для блокировки канала под действием гидравлических сил, прикладываемых к клапанному элементу жидкостью, содержащейся в канале, причем клапанный элемент выполнен полым с образованием клапанной камеры, сообщающейся с одним из отверстий для жидкости через клапанное седло, и содержащий приводные средства, взаимодействующие с клапанной камерой для преобразования давления жидкости, поступившей в клапанную камеру из впуска, в усилие, прикладываемое к клапанному элементу для смещения клапанного узла, при этом клапанный элемент содержит первую упорную поверхность, обращенную в сторону от клапанного седла и образующую стенки клапанной камеры, и образует в своем открытом положении зазор, простирающийся по всей окружности клапанной камеры, отличающееся тем, что первая упорная поверхность размещена ниже по течению за каналом, а клапанный элемент содержит кольцевую уплотнительную кромку, выполненную с возможностью взаимодействия с клапанным седлом и образования отверстия клапанного элемента, причем клапанная камера находится в постоянном открытом взаимодействии с выходным отверстием для жидкости через отверстие клапанного элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клапанный элемент содержит вторую упорную поверхность, обращенную к клапанному седлу, и образующую полость, изолированную от канала.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что клапанный элемент содержит третью упорную поверхность, расположенную в канале снаружи клапанной камеры.

4. Устройство по п.3, отличающийся тем, что площадь третьей упорной поверхности изменяется в зависимости от перемещения клапанного элемента.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в непосредственной близости от клапанного элемента предусмотрен отсек со стороны клапанного седла, расположенный снаружи клапанной камеры при закрытом положении клапанного элемента.

6. Гидрообъемный насос, содержащий средства, образующие насосную камеру переменного объема, для приема нагнетательной жидкости, нагнетающий механизм, включающий вытесняющий элемент, совершающий ход выпуска для сжатия насосной камеры и ход заполнения для расширения насосной камеры и приводное устройство для периодического перемещения вытесняющего элемента с ходом выпуска, впуск, сообщающийся с насосной камерой, впускной клапан, установленный во впуске, и выпуск, сообщающийся с насосной камерой, причем впускной клапан содержит клапанное седло, образующее впускное отверстие во впуске и полый клапанный элемент, имеющий герметизирующую часть, взаимодействующую с клапанным седлом и смещающуюся относительно клапанного седла между открытым положением, в котором герметизирующая часть удалена от клапанного седла, и закрытым положением, когда герметизирующая часть взаимодействует с клапанным седлом, полость клапанного элемента, образующую часть насосной камеры и сообщающуюся с впускным отверстием через открытие клапанного элемента, окруженного герметизирующей частью, и приводные средства клапанного элемента, взаимодействующие с клапанной камерой для преобразования давления жидкости, поступившей в клапанную камеру из впуска, в усилие, прикладываемое к клапанному элементу для смещения его относительно клапанного седла, клапанный элемент включает первую упорную поверхность, обращенную в сторону клапанного седла и образующую часть стенки полости клапанного элемента, причем клапанное седло и герметизирующая часть клапанного элемента в открытом положении последнего образуют между собой впускной зазор или канал, отличающийся тем, что вход клапана является гидравлическим клапанным устройством по одному из пп. 1 5.

7. Насос по п.6, отличающийся тем, что клапанный элемент содержит вторую упорную поверхность, расположенную напротив первой упорной поверхности и образующую полость, изолированную от насосной камеры.

8. Насос по п.6 или 7, отличающийся тем, что клапанный элемент содержит третью упорную поверхность, расположенную на стороне насосной камеры выше по течению в закрытом положении клапанного элемента.

9. Насос по п.6, отличающийся тем, что протяженность впускного канала, замеренная в направлении потока жидкости через него, является меньше, чем диаметр клапанного седла.

10. Насос по одному из пп.6 9, отличающийся тем, что во впуске предусмотрен отсек переменного объема, расширяющийся в зависимости от притока жидкости во впуск, рядом с и выше по течению от клапанного седла и клапанного элемента и в открытом положении клапанного элемента входит, по существу, в сообщение с насосной камерой на основной части и предпочтительно на всем протяжении или почти на всей окружности насосной камеры.

11. Насос по п.10, отличающийся тем, что содержит смещающее устройство, прикладывающее противодействующее усилие к камере с жидкостью.

12. Насос по п.11, отличающийся тем, что противодействующее усилие, прикладываемое смещающим устройством, постепенно увеличивается с увеличением объема камеры.

13. Насос по одному из пп.7 12, отличающийся тем, что сторона насосной камеры, удаленная от клапанного седла, образована нижней стенкой, а боковая стенка насосной камеры выполнена с возможностью перемещения относительно нижней стенки в направлении и в сторону от клапанного седла.

14. Насос по одному из пп.7 13, отличающийся тем, что площадь третьей упорной поверхности, спроектированной на плоскость, содержащей клапанное седло, меньше, чем соответствующая площадь первой упорной поверхности.

15. Насос по одному из пп.7 14, отличающийся тем, что насосная камера образована съемным мешком из гибкого материала, предпочтительно из пластмассовой пленки.

16. Насос по п.10 или 15, отличающийся тем, что отсек и насосная камера образованы выполненными за одно целое или постоянно соединенными секциями мешка, имеющего в районе перехода между насосной камерой и отсеком сужающуюся часть, образующую часть герметизирующей части клапанного элемента.

17. Гидрообъемный насос, содержащий средства, образующие насосную камеру переменного объема для приема нагнетательной жидкости, нагнетающий механизм, включающий вытесняющий элемент, совершающий ход выпуска для сжатия насосной камеры и ход заполнения для расширения насосной камеры, и приводное устройство для периодического перемещения вытесняющего элемента с ходом выпуска, впуск, сообщающийся с насосной камерой, впускной клапан, установленный во впуске, и выпуск, сообщающийся с насосной камерой, причем впускной клапан содержит клапанное седло, образующее впускное отверстие во впуске, и полый клапанный элемент, имеющий герметизирующую часть, взаимодействующую с клапанным седлом и смещающуюся относительно клапанного седла между открытым положением, в котором герметизирующая часть удалена от клапанного седла и закрытым положением, когда герметизирующая часть взаимодействует с клапанным седлом, полость клапанного элемента, образующую часть насосной камеры и сообщающуюся с впускным отверстием через открытие клапанного элемента, окруженного герметизирующей частью, и приводные средства клапанного элемента, взаимодействующие с клапанной камерой для преобразования давления жидкости, поступившей в клапанную камеру из впуска, в усилие, прикладываемое к клапанному элементу для смещения его относительно клапанного седла, клапанный элемент включает первую упорную поверхность, обращенную в сторону клапанного седла и образующую часть стенки полости клапанного элемента, причем клапанное седло и герметизирующая часть клапанного элемента в открытом положении последнего образуют между собой впускной зазор или канал, отличающийся тем, что содержит смещающие средства, прикладывающие противодействующее усилие к отсеку.

18. Насос по п.17, отличающийся тем, что противодействующее усилие, прикладываемое к отсеку с помощью смещающего устройства, постепенно увеличивается с увеличением объема отсека.

19. Насос по п. 17 или 18, отличающийся тем, что смещающее устройство включает подвижную часть стенки гидравлического отсека и упругие средства, воздействующие на подвижную часть стенки.

20. Насос по одному из пп.17 19, отличающийся тем, что средства, образующие насосную камеру, включает идущую по окружности стенку насосной камеры, причем впуск сообщен с насосной камерой по крайней мере на значительной части окружности стенки насосной камеры, а гидравлический отсек имеет такую же окружную протяженность, как и участок окружности стенки насосной камеры.

21. Насос по одному из пп.17 20, отличающийся тем, что гидравлический отсек является кольцевым и окружает насосную камеру.

22. Насос по одному из пп.17 21, отличающийся тем, что впуск открывается в насосную камеру через впускной канал, образованный клапанным седлом впускного клапана и клапанным элементом, составляющим часть стенки насосной камеры и перемещающимся в и из герметичного взаимодействия с клапанным седлом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6