ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЙ НАСОС

ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЙ НАСОС


RU (11) 2230935 (13) C2

(51) 7 F04B43/12 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001131919/06 
(22) Дата подачи заявки: 2001.11.27 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.11.27 
(43) Дата публикации заявки: 2003.06.20 
(45) Опубликовано: 2004.06.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1726844 A1, 15.04.1992. SU 1068656 A, 23.01.1984. SU 1740775 A1, 15.06.1992. US 4854836 A, 08.08.1989. 
(72) Автор(ы): Пилипенко Николай Вадимович (UA); Цивильский Федор Николаевич (UA); Дощенко Галина Геннадиевна (UA) 
(73) Патентообладатель(и): Пилипенко Николай Вадимович (UA); Цивильский Федор Николаевич (UA); Дощенко Галина Геннадиевна (UA) 
Адрес для переписки: 73008, г. Херсон, Бериславское ш., 24, ХГТУ, патентный отдел 

(54) ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЙ НАСОС 

Перистальтический насос предназначен для использования в области медицинского оборудования, автоматизации производственных процессов, научных исследований. Шланг насоса выполнен в виде трубки из изотропного, анизотропного или композиционного материала с узким каналом, содержит поглотитель энергии, расположенный на выходном торце трубки. На входном торце трубки расположен указанный источник энергии. Входом устройства является, по крайней мере, одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный источник энергии, а выходом, по крайней мере, одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный поглотитель энергии. Источник энергии выполнен в виде акустического излучателя. Источник и/или поглотитель содержат, по крайней мере, одно аксиальное и/или эксцентричное отверстие. Источник соединен с внутренней поверхностью трубки посредством проводников. Акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки дополнительно введенными печатными электродами, выходы которых электрически связаны с дополнительно введенным генератором колебаний. Прелагаемый перистальтический насос обладает широкими функциональными возможностями при транспортировке сред в большом диапазоне температур с минимальными энергетическими и временными затратами. Применение изобретения даст возможность значительно сократить продолжительность производственного цикла, сократить производственные энергозатраты, минимизировать рентабельные объемы выпускаемой продукции и тем самым косвенно сведет к минимуму транспортные расходы на доставку продукции потребителю. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к машинам, насосам или насосным установкам с эластичными рабочими органами перистальтического действия и может быть использовано при создании исполнительных механизмов медицинского оборудования, автоматизации производственных процессов, научных исследований.

Известен перистальтический насос [Политехнический словарь. /Под ред. А.Ю.Ишлинского. - М.: Советская энциклопедия, 1989, - с.374-375], содержащий установленный на опоре эластичный шланг и распределенные по всей его длине деформирующие элементы, соединенные с источником энергии посредством ее распределителя и проводников.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность работы, связанная с использованием механических деформирующих компонентов, способных к деструкции эластичного шланга.

Наиболее близким по технической сущности является перистальтический насос [А.с. СССР №1726844, МКИ 5 F 04 В 43/12, F 03 G 7/06. Опубл. 15.04.92, Бюл. №14], содержащий установленный на опоре эластичный шланг и распределенные по всей его длине деформирующие элементы, соединенные с источником энергии посредством ее распределителя и проводников, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности путем использования для работы насоса тепловых деформаций шланга и улучшения управляемости источник выполнен в виде источника электромагнитной энергии, шланг - из полимерной пленки, покрытой термочувствительным слоем, а деформирующие элементы - в виде нанесенных на поверхность шланга колец из материала с контрастным относительно материала пленки коэффициентом температурного расширения, с ресничками, расположенными по всей окружности шланга и ориентированными вдоль оси последнего. Источник выполнен в виде теплового излучателя, проводники - в виде световодов, а распределитель - в виде оптического коммутатора.

Однако существующее устройство не способно транспортировать среду с температурой, превышающей температуру тепловой упругой деформации полимерного шланга и тем более превышающую температуру плавления полимера. При транспортировании среды с отрицательными температурами указанный перистальтический насос не сможет функционировать из-за обильной диссипации управляемой тепловой энергии в транспортируемую среду.

Задачей изобретения является получить устройство перистальтического насоса, которое сохранит свою эластичность и функциональные возможности при транспортировке сред в большом диапазоне температур последних.

Данная задача достигается тем, что шланг выполнен в виде трубки из изотропного, анизотропного или композиционного материала с узким каналом, дополнительно содержит поглотитель энергии, расположенный на выходном торце трубки, на входном торце которой расположен указанный источник энергии, входом устройства является по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или проходящее через указанный источник энергии, а выходом - по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или проходящее через указанный поглотитель энергии. Источник энергии выполнен в виде акустического излучателя. Источник и/или поглотитель содержат по крайней мере одно аксиальное и/или эксцентричное отверстие. Источник соединен с внутренней поверхностью трубки посредством проводников. Акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки дополнительно введенными печатными электродами, выходы которых электрически связаны с дополнительно введенным генератором колебаний.

Поскольку указанные отличительные признаки отсутствуют у прототипа, предложенное техническое решение отвечает критерию “новизна”.

Перистальтический эффект в таком устройстве достигается за счет упругой деформации в твердом теле, вызванной поверхностными акустическими волнами (ПАВ) от акустического источника излучения.

Пример образования Рэлеевской волны в полупространстве описан в [Рэлеевские волны в полупространстве. В кн.: Д. Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33.].

Решения для изотропных сред [E.Dieulesaint and D.Royer. Elastic Waves in Solids, Masson, 1974 (in Franch); Wiley, 1980 (in English).], [B.A.Auld. Acoustic Fields and Waves in Solids. Vol.I, Wiley, 1973], [I.A.Viktorov. Rayleigh and Lamb Waves. Plenum Press, 1967], [T.R.Meeker and A.H.Meitzler. Guided wave propagation in elongated cylinders and plates. - in W.P. Mason (ed.). Physical Acoustics, Vol. 1A, Academic Press, 1964, - p.112-167], [A.A.Oliner. Microwave network methods for guided elastic waves. IEEE Trans. MTT-17, 1969. - p.812-826], [M.Redwood. Mechanical Waveguides, Pergamon, 1960], [Lord Rayleigh. On waves propagated along the plane surface of an elastic solid. Proc. London Math. Soc. №17, 1885. - p.4-11], [W.M.Ewing, W.S.Jardetzky and F.Press. Elastic Waves in Layered Media. McGraw-Hill, 1957], [L.M. Brekhovskikh. Waves in Layered Media. Academic Press, 1960 and 1980] имеют много общего с решениями для анизотропных материалов.

Упругость характеризуется внутренними силами, которые возникают в объеме твердого тела при его смещении из положения равновесия. Твердое тело считается однородным. Силы можно описать через упругие напряжения Т, а перемещения - через деформации S. Если в положении равновесия некоторая частица материала расположена в точке с радиус-вектором х=(х1, x2, х3), то когда материал выведен из положения равновесия, эта частица будет испытывать смещение u=(u1, u2, u3), проекции которого u1, u2, u3 зависят от координат х1, х2, х3. Выведенная из равновесия частица перемещается из положения x в положение х+u. Деформация в каждой точке определяется выражением



Деформация описывается симметричным тензором второго ранга



в котором только шесть из девяти компонентов оказываются независимыми.

Внутренние силы в твердом теле описываются тензором механических напряжений Тij. Для этого представим плоскость x1=x'1 внутри материала, где х'1 - константа. Во время деформации с одной стороны плоскости на материал оказывается силовое воздействие и с другой стороны и, кроме того, может зависеть от координат (x2, x3), определенных в плоскости. Механическое напряжение определяется тем, что компонент Tij (х'1, х2, x3) равен проекции этой силы в направлении оси xi, отнесенной к единичной площадке, a i может принимать значения 1, 2, 3. Тензор механических напряжений является симметричным тензором второго ранга, для которого



В упругих материалах механические напряжения пропорциональны деформациям, если сами деформации невелики. Это соотношение обобщает закон Гука, связывающий напряжение и деформацию в одномерном случае. Поэтому каждый компонент тензора механических напряжений будет выражаться линейной комбинацией компонентов тензора деформаций. Соответствующие коэффициенты образуют тензор упругих модулей cijkl, заданный равенством



Число независимых элементов связано с физическими свойствами самого материала, а если материал симметричен, то число независимых элементов уменьшается. Например, кристаллический материал кубической симметрии имеет тензор лишь с тремя независимыми элементами. В общем случае оси координат х1, x2, x3 не совпадают с осями кристаллической ячейки.

Если напряжение и деформация зависят от времени и координат, то упомянутые уравнения должны быть дополнены законами Ньютона, что даст возможность получить уравнение движения. Например, внутри материала элементарный куб с центром х’=(x’1, x’2, x’3). Ребра куба параллельны осям х1, х2, х3 и имеют длину каждое. Материал, окружающий куб, создает силы, действующие на все шесть граней. На грани, расположенные при х1=х’1±/2, в направлении хi действуют силы, проекции которых равны ±2Ti1(х’1±/2, x’2, x’3). Так же можно определить силы, действующие на грани, перпендикулярные осям x2 и x3. Складывая все эти силы, находим результирующую силу, которая действует на куб. Если - малая величина, то результирующая сила имеет хi - проекцию, равную . Данная проекция силы должна быть равна ускорению 2ui(X’)/t2, умноженному на массу 3, где - плотность. Это справедливо для любых точек Х’ следовательно



что представляет собой уравнение движения.

Тензор упругости cijkl изотропного материала имеет только два независимых компонента и из соображений симметрии этот тензор записывается в следующей форме:



где ij=1 для i=j и ij=0 для ij. Постоянные и , называемые константами Ламэ, на практике всегда положительны. Постоянную называют также модулем сдвига. Подставив выражение (6) в уравнение (4), механическое напряжение можно представить в виде



где



Уравнение движения (5) с учетом равенства (7) примет вид



где



При распространении плоской волны с круговой частотой вектор смещения будет равен



где u0 - некоторый постоянный вектор, не зависящий от х и t Фактически вектор смещения равен действительной части выражения (10), однако ввиду линейности уравнений везде можно использовать комплексную форму записи. Волновой вектор k=(k1, k2, k3) задает направление распространения. Волновой фронт, определяемый из решения уравнения kх=const, перпендикулярен вектору k. Фазовая скорость волны V=/|k|. Такому вектору u соответствуют производные u/хj=-jkju.

Таким образом, у полученного устройства появляется свойство, позволяющее осуществлять перистальтическое движение транспортируемых сред за счет формирования смещения, вызванного ПАВ, которое не совпадает со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях, и которое не равно сумме этих свойств, что позволяет сделать вывод: предложенное техническое решение соответствует критерию “существенные отличия”.

На фиг.1-5 представлена конструкция перистальтического насоса. На фиг.6 [Рис.2.2 в кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33] представлен график нормированной скорости рэлеевских волн в изотропных материалах. Vt - фазовая скорость поперечных волн, равная



Vl - фазовая скорость продольных волн



так как и всегда положительны, то скорость продольных волн всегда больше скорости поперечных волн. Вследствие того, что в направлении распространения волнового вектора смещения изменяются по закону ехр(-jx1), где - волновое число рэлеевской волны, фазовая скорость рэлеевской волны VR будет равна



Отношение VR/Vt зависит от отношения скоростей плоских волн Vl/Vt и определяет рэлеевскую скорость в любом изотропном материале. Значение скорости VR обычно достаточно близко к Vt и не зависит от частоты.

Опуская множитель exp[j(t-x1)] и произвольные константы, смещения можно выразить в виде





где а, b и - действительные положительные величины, определяемые соотношениями: a=-jL/, b=-jT/, =(2-/)/(2аb) и =/VR. Символами Т и L обозначены x3-проекции (направление распространения параллельно нормали), которые определяются соответственно





Зависимость этих смещений от глубины, нормированной относительно длины рэлеевской волны R=2VR/, представлены на фиг.7.

На фиг.7 [Рис.2.3 в кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33] представлен график распределения смещений в рэлеевской волне, распространяющейся в изотропном материале (плавленном кварце, Vl/Vt=1,48).

На фиг.8 [Рис.2.4 в кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33] представлена мгновенная картина смещений при распространении рэлеевской волны в изотропном материале. Так как u3 находится в квадратуре с u1 (14), то траектория движения каждой частицы представляет собой эллипс. Знак u1 меняется на противоположный на глубине примерно 0,2 длины волны. Поэтому эллиптическое движение имеет различные направления ниже и выше этой точки; на поверхности направление движения частиц противоположно направлению распространения волны, в то время как в глубине эти направления совпадают. Деформация материала (без соблюдения масштаба) в определенные момент времени изображена на фиг.8. Точки представляют собой положения равновесия частиц внутри материала, а линии отражают смещения из-за рэлеевской волны. На глубине более одной длины волны движение практически отсутствует.

Перистальтический насос содержит (фиг.1) установленный на опоре 1 шланг 2, деформирующие элементы (фиг.2) в виде нанесенных на поверхность шланга 2 колец с ресничками 3. Шланг 2 выполнен в виде трубки (фиг.1) с узким каналом 4. Перистальтический насос дополнительно содержит поглотитель энергии 5, источник энергии 6, входное отверстие 7 и выходное отверстие 8. На фиг.3 представлены аксиальные 9 и 10, а на фиг.4 - эксцентричные 11 и 12 входные и выходные отверстия. Акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки 2 (фиг.5) печатными электродами 13.

Опора 1 (фиг.1) предназначена для удержания и крепления шланга 2 в требуемом положении. Шланг 2 с узким каналом 4 предназначен для транспортирования вещества. Деформирующие элементы (фиг.2), выполненные в виде нанесенных на поверхность шланга 2 колец с ресничками 3, служат для гашения объемных колебаний, препятствующих нормальному функционированию перистальтического насоса [Объемные волны. Приложение Е. В кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.378]. Толщина стенки канала должна быть толщиной в несколько длин волн, что вполне достаточно для влияния обратной поверхности. Влияние также устраняется путем приклеивания поверхности канала к корпусу или, как в нашем случае, использования деформирующих элементов в качестве балласта. Поглотитель энергии 5 (фиг.1) препятствует образованию стоячих волн, которые могут мешать появлению перистальтического эффекта. Он представляет собой механическую нагрузку и выполнен, например, из массивного изотропного материала или слоистой структуры. Такие волны возникают при сложении падающей одномерной волны



с волной, отраженной от менее или более плотной среды



где А - амплитуда колебания, =2/Т - круговая частота, c=dz/dt - скорость распространения волны, z=nr, n - единичный вектор нормали к фронту волны (вдоль оси z), r - радиус-вектор любой из точек поверхности фронта волны. Тогда стоячая волна будет иметь вид



В наиболее общем случае стоячая волна описывается выражением



где - фаза колебания.

Амплитуда А(z) зависит от координаты положения равновесия z по гармоническому закону



где А и B - постоянные, - длина волны, т.е. расстояние, на котором совершается одно полное колебание. В формулах (20) и (21) необходимо учесть граничные условия. В случае, если (z,t) описывает колебание струны длиной L, закрепленной на концах:



то на этих условиях следует, что В=0 и



Равенство (23) определяет длины всех возможных волн, описывающих колебательные моды



т.е. стоячая волна может образовываться только в том случае, если L кратно целому числу полуволн /2. Этим модам соответствуют частоты



Частоты 2, 3, 4 и т.д. являются гармониками основной частоты 1. Причина нарушения гармонической последовательности частот состоит в том, что физические системы не являются абсолютно упругими. Свойство (25) выполняется только для абсолютно упругих и однородных твердых тел.

Источник энергии 6 предназначен для генерирования акустических колебаний, которые впоследствии способствуют образованию ПАВ и созданию перистальтического эффекта. Отверстия - входное 7 и выходное 8 (фиг.1), аксиальные 9 и 10 (фиг.3) и эксцентричные 11 и 12 (фиг.4) служат для загрузки во внутрь узкого канала 4, транспортирования среды по нему и выхода из него. Вариант выполнения акустического излучателя 6, сформированного на внутренней поверхности трубки 2 печатными электродами 13, представлен на фиг.5.

Перистальтический насос работает следующим образом (фиг.1). Акустические колебания от источника энергии 6 генерируют ПАВ на внутренней поверхности узкого канала 4. В результате этого происходит упругая деформация границы внутренней поверхности узкого канала 4 (фиг.8). Смещение поверхности внутреннего канала 4 происходит в направлении от входа 7 к выходу 8 (фиг.1) и к поглотителю энергии 5, который гасит колебания во избежание образования стоячей волны (см. формулы (17)-(25)) и прекращения перистальтики канала 4. В это время деформирующие элементы (фиг.2) в виде колец с ресничками 3 предотвращают образование объемных волн. Варианты выполнения входных и выходных отверстий перистальтического насоса изображены на (фиг.3) - аксиальные 9 и 10, а на (фиг.4) - эксцентричные 11 и 12. Изготовление акустического излучателя встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) на внутренней поверхности трубки 2 (фиг.5), выполненное печатными электродами 13, является одним из вариантов, аналог которого описан в [Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 416 с., ил.].

Для транспортирования расплавленных материалов материал трубки может быть выполнен из графита или другого материала.

По сравнению с прототипом, в котором необходимо использовать стимулирующее ИК-излучение, что ограничивает области применения устройства и в некоторых случаях приводит к значительному ухудшению свойств транспортируемых сред, осуществление в предлагаемом изобретении перистальтического эффекта предложенным выше устройством позволило получить перистальтический насос с широкими функциональными возможностями при транспортировке сред в большом диапазоне температур с минимальными энергетическими и временными затратами.

Применение изобретения даст возможность значительно сократить продолжительность производственного цикла, сократить производственные энергозатраты, минимизировать рентабельные объемы выпускаемой продукции и тем самым косвенно сведет к минимуму транспортные расходы на доставку продукции потребителю. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Перистальтический насос, содержащий установленный на опоре шланг и распределенные по всей его длине деформирующие элементы с ресничками, источник электромагнитной энергии, отличающийся тем, что шланг выполнен в виде трубки из изотропного, анизотропного или композиционного материала с узким каналом, дополнительно содержит поглотитель энергии, расположенный на выходном торце трубки, на входном торце которой расположен указанный источник энергии, входом устройства является по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный источник энергии, а выходом - по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный поглотитель энергии, источник энергии выполнен в виде акустического излучателя.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что источник и/или поглотитель содержат по крайней мере одно аксиальное и/или эксцентричное отверстие.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что источник соединен с внутренней поверхностью трубки посредством проводников.

4. Насос по п.1. отличающийся тем, что акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки дополнительно введенными печатными электродами, выходы которых электрически связаны с дополнительно введенным генератором колебаний.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Насосы и компрессорное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+центробежный -насос".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "насос" будут найдены слова "насосы", "насосом" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("насос!").



Рейтинг@Mail.ru