магнитный насос

Формула изобретения

Магнитный насос, содержащий корпус, в котором установлены одна или более пар рабочих элементов, выполненных в виде постоянных магнитов из высококоэрцитивного материала, обращенных в паре друг к другу одноименными магнитными полюсами и образующих между собой в паре рабочие камеры, соединенные каналом для передачи рабочего агента, при этом, по крайней мере, один из рабочих элементов в паре обладает возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно другого, а также содержащий входной и выходной порты, соединенные с рабочими камерами посредством обратных клапанов, и генератор электромагнитного поля с устройством изменения его полярности, который размещен с возможностью обеспечения монотонного или немонотонного градиента его магнитного поля в зоне, охватывающей каждую рабочую камеру и каждую пару рабочих элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству насосов и может быть использовано, в частности, для перекачивания веществ различной плотности, как жидкостей, так и газов. Изобретение может эффективно использоваться в бытовых устройствах, например холодильниках, кондиционерах, стиральных машинах, для которых требуются недорогие, малогабаритные насосы, простые в управлении и обслуживании, с относительно высокими характеристиками по всасывающей способности и мощности.

Известен аналог изобретения электромеханический насос (US 5758666, 02.06.1998), содержащий генератор электромагнитного поля и взаимодействующий с ним постоянный магнит. В процессе работы постоянный магнит совершает возвратно-поступательные движения вместе с движущимся полем генератора. Рабочая камера, имеющаяся между постоянным магнитом и корпусом насоса, сжимается или расширяется в зависимости от направления движения постоянного магнита, соответственно обеспечивается всасывание и нагнетание рабочего агента - жидкости или газа через входной и выходной порты, соединяющиеся с рабочей камерой посредством обратных клапанов.

Недостатками известного насоса являются сложность конструкции генератора подвижного магнитного поля, а также невысокая мощность, развиваемая насосом.

Известен аналог изобретения магнитный насос (DЕ 19504751 A1, 08.08.96), содержащий корпус, в котором установлены одна или более пар рабочих элементов, один из которых выполнен в виде постоянного магнита из высокоэнергетического материала, а другой выполнен в виде неподвижно установленной магнитной системы, включающей постоянный магнит и электромагнитную катушку. Постоянные магниты в рабочих элементах обращены в паре друг к другу одноименными магнитными полюсами и образуют между собой рабочие камеры. Вокруг рабочих элементов расположен осесимметрично магнитопровод, направляющий магнитный поток в рабочую камеру. Для обеспечения работоспособности насоса необходима также установка дополнительного элемента (пружины, постоянного магнита или магнитной системы), возвращающего подвижный рабочий элемент в исходное положение

Недостатками известного насоса являются сложность его конструкции в целом, ограничение насоса по мощности вследствие использования в постоянных магнитах материалов с пониженной коэрцитивной силой и значительные габариты.

Известен также аналог изобретения электромеханический насос (US 5472323, 05.12.1995), содержащий генератор магнитного поля в виде нескольких электромагнитных катушек с устройством управления и взаимодействующую с ними пару постоянных магнитов. При этом реверсивное переключение направления магнитных полей электромагнитных катушек приводит к возвратно-поступательным перемещениям пары постоянных магнитов. Рабочие камеры, имеющиеся между парой постоянных магнитов и корпусом насоса, сжимаются или расширяются в зависимости от направления движения пары постоянных магнитов. Соответственно осуществляется всасывание и нагнетание рабочего агента - жидкости или газа через входной и выходной порты, соединяющиеся с рабочей камерой посредством обратных клапанов.

Насос обладает следующими недостатками. Рабочие камеры расположены вне зоны охвата электромагнитного поля генератора, постоянные магниты в паре установлены неподвижно относительно друг друга, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритов насоса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является магнитный насос (US 3836289, 17.09.1974), содержащий корпус, установленные в корпусе намагничиваемые рабочие элементы из магнитомягкого материала, образующие между собой рабочую камеру, и электромагнитные катушки, генерирующие равномерное магнитное поле в объеме, охватывающем рабочую камеру и намагничиваемые элементы. Под действием магнитного поля катушек рабочие элементы намагничиваются, включение катушек в одном направлении приводит к образованию разноименных магнитных полюсов (N, S) на взаимодействующих торцах элементов. При этом рабочие элементы притягиваются друг к другу, обеспечивая уменьшение объема рабочей камеры. Включение полей электромагнитных катушек в противоположном направлении приводит к образованию одноименных магнитных полюсов (S, S) на взаимодействующих торцах рабочих элементов. При этом рабочие элементы отталкиваются друг от друга, а объем рабочей камеры увеличивается. Таким образом, осуществляется всасывание и нагнетание рабочей жидкости через входной и выходной порты, соединяющиеся с рабочей камерой посредством обратных клапанов.

Недостатки этого насоса заключаются в следующем. В насосе движение рабочих элементов и соответственно сжатие, расширение рабочей камеры обеспечивается за счет циклического изменения полярностей рабочих элементов, взаимодействующих между собой. При этом внешнее электромагнитное поле катушки является пассивным, осуществляющим только намагничивание и управляющим изменением полярности рабочих элементов. Давление нагнетания насоса, как и степень разряжения при всасывании, определяются только усилием взаимодействия между рабочими элементами или напряженностью Н внешнего магнитного поля электромагнитной катушки. Вследствие этого насос обладает невысокой мощностью. Кроме того, следует отметить сложность конструкции генератора равномерного магнитного поля.

Также при существующей конструкции насоса неизбежно снижение всасывающей способности насоса, которое объясняется наложением в цикле всасывания противоположных по направлению магнитных потоков различных катушек.

В изобретении решается задача получения насосов более эффективных, с улучшенными рабочими характеристиками, при одновременном упрощении конструкции генератора магнитного поля.

Техническими результатами, достигаемыми в изобретении, является обеспечение высокой всасывающей способности и высокого давления на выходе при относительно небольших габаритах за счет концентрации магнитных потоков электромагнитного генератора и постоянных магнитов непосредственно в рабочей камере.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом.

Магнитный насос содержит корпус, в котором установлены одна или более пар рабочих элементов, выполненных в виде постоянных магнитов из высококоэрцитивного материала, обращенных в паре друг к другу одноименными магнитными полюсами и образующих между собой в паре рабочие камеры, соединенные каналом для передачи рабочего агента. При этом по крайней мере один из рабочих элементов в паре обладает возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно другого. Насос содержит также входной и выходной порты, соединенные с рабочими камерами посредством обратных клапанов, и генератор электромагнитного поля с устройством изменения его полярности, который размещен с возможностью обеспечения монотонного или немонотонного градиента его магнитного поля в зоне, охватывающей каждую рабочую камеру и каждую пару рабочих элементов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана конструкция насоса в продольном сечении, на фиг.2 показано взаимодействие магнитных полей катушки и рабочих элементов насоса в цикле всасывания, на фиг. 3 показано взаимодействие магнитных полей катушки и рабочих элементов насоса в цикле нагнетания.

На фиг. 1 показан пример однокамерного выполнения магнитного насоса с одной парой рабочих элементов. Магнитный насос содержит корпус 1, в виде трубы из немагнитного материала, в котором установлена пара рабочих элементов. Рабочие элементы выполнены в виде постоянных магнитов 2, 3 из высококоэрцитивного материала, например, Nd₂Fe₁₄В.

Как известно, постоянные магниты с невысокой коэрцитивной силой можно легко размагнитить при создании внешнего магнитного поля с направлением потока, противоположным потоку магнита. Поэтому выполнение магнитов 2, 3 из высококоэрцитивного магнитного материала связано с необходимостью получения высоких характеристик насоса, которые, в свою очередь, определяются величиной напряженности магнитного поля в рабочей зоне насоса.

Магниты 2, 3 обращены в паре друг к другу одноименными магнитными полюсами и образуют между собой в паре рабочую камеру 4. По крайней мере один из рабочих элементов в паре обладает возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно другого. В корпусе имеются входной и выходной порты 5 и 6, соединенные с рабочей камерой 4 посредством обратных клапанов 7 и 8. Насос снабжен генератором 9 электромагнитного поля с устройством изменения его полярности. В качестве генератора 9 используется электромагнитная катушка, при включении которой генерируется переменное магнитное поле. Генератор 9 размещен с возможностью обеспечения монотонного или немонотонного градиента его магнитного поля в зоне, охватывающей рабочую камеру 4 и пару постоянных магнитов 2, 3.

При многокамерном выполнении насоса камеры образуются несколькими парами рабочих элементов, которые соединяются каналом для передачи рабочего агента. Роль каналов передачи рабочего агента могут выполнять порты 6 и 7.

Работа насоса осуществляется следующим образом.

При включенном поле генератора 9 насос находится в исходном положении Магнитные поля постоянных магнитов 2 и 3 удерживают их на минимально возможном расстоянии. Камера 4 сжата и имеет минимальный объем. Обратные клапаны 7 и 8 закрыты.

При включении поля генератора 9 в направлении, противоположном направлению магнитного потока магнита 2 (фиг.2), вектор смещения магнита 2 направлен по оси Х справа налево и, наоборот, для магнита 3 вектор смещения направлен слева направо. Начинается цикл всасывания. Рабочая камера 4 насоса расширяется. Открывается обратный клапан 8, и через входной порт 5 осуществляется цикл всасывания рабочего агента (жидкости или газа).

По достижении магнитами 2 и 3 крайних положений в корпусе камера 4 достигает максимального объема. Цикл всасывания завершается, при этом обратный клапан 8 закрывается.

При переключении поля генератора 9 в направлении, совпадающем с направлением магнитного потока магнита 2 (фиг.3), вектор смещения магнита 2 по оси Х направлен слева направо, и наоборот - вектор смещения магнита 3 направлен справа налево. Начинается цикл нагнетания. Рабочая камера 4 насоса сжимается. Открывается обратный клапан 7, и через выходной порт 6 осуществляется цикл нагнетания рабочего агента на выход насоса или в следующую камеру при многокамерном исполнении насоса.

В каждом рабочем цикле магниты 2 и 3 стремятся сместиться в положение с минимальной собственной энергией, при этом на магниты действует сила

,

где - напряженность магнитного поля, генерируемого катушкой, Е - энергия взаимодействия магнитного поля с магнитным моментом постоянного магнита 3.

Движение магнитов 2 и 3 и соответственно сжатие/расширение рабочей камеры 4 обеспечивается за счет циклического изменения взаимодействия постоянных магнитов и внешнего магнитного поля генератора 9. При этом внешнее магнитное поле является активным, задающим движущую силу, скорость и направление перемещения постоянных магнитов 2 и 3, полярность которых и собственное магнитное поле остаются неизменными при работе насоса. Давление нагнетания насоса, равно как и степень разряжения, определяются суммой факторов, действующих одновременно в рабочей зоне насоса: напряженностью Н внешнего магнитного поля, создаваемого генератором 9, магнитным моментом М постоянных магнитов 2 и 3, градиентом напряженности d/dxH магнитного поля генератора 9. Взаимодействие постоянных магнитов 2 и 3 между собой является пассивным, причем как в цикле всасывания, так и в цикле нагнетания между магнитами действует сила отталкивания. Пассивное отталкивание магнитов 2 и 3 между собой создает дополнительное преимущество - предотвращает соударение рабочих элементов насоса, что особенно важно при самовсасывании.

Устройство может работать для перекачивания не только жидкостей, но и газов. При сохранении габаритов насоса можно повысить давление на выходе и, наоборот, при сохранении давления на выходе можно существенно повысить производительность насоса (в единицу времени перекачивается больше жидкости). При этом обеспечивается простота конструкции генератора внешнего магнитного поля (электромагнитной катушки) и равномерные характеристики насоса.

В случае исполнения насоса с одним неподвижным магнитом рабочие циклы всасывания/нагнетания не изменяются, и достигаются те же технические результаты.

Наиболее эффективное использование изобретения может быть достигнуто в насосах со следующими характеристиками:

- рабочее давление 6,3-12,5 МПа;

- рабочий объем 8-40 см³;

- частота переменного напряжения в катушке 50-60 Гц;

- сила тока в катушке до 1 А.