САМОЗАКРЫВАЮЩИЙСЯ КЛАПАН Российский патент 1994 года по МПК F16K7/17 

Изобретение относится к запорной арматуре, а именно к быстродействующим устройствам мембранного типа для открывания и закрывания проходного сечения трубопровода, транспортирующего текучую или газообразную среду.

Известен самозакрывающийся запорный клапан с тарельчатым затвором, который в нормальном состоянии прижат к седлу выходным давлением среды. Для этого в затворе выполнено осевое сверление, сообщающее входную полость клапана через осевой канал жесткого центра мембраны с рабочей полостью мембранного привода. Для открытия основного проходного сечения клапана полость привода сообщается с выходной полостью через вспомогательный клапан, открываемый вручную нажатием кнопки. Последняя является жестким центром мембраны: при нажатии кнопки создается давление подпора в ее мембранной полости, которое через обратный клапан передается в полость привода вспомогательного клапана, что вызывает открывание последнего. После того как кнопка отпущена, привод вспомогательного клапана и его затвор возвращаются в закрытое положение под действием усилия пружины с задержкой, определенной проходным сечением сверления в затворе обратного клапана, когда последний закрыт.

Этой конструкцией клапана не решена проблема нестабильности времени задержки, а, следовательно, нестабильности объема текучей среды, проходящей через клапан после того, как кнопка отпущена, из-за нестабильности свойств рабочей текучей среды. Не решена также проблема возможности произвольного повышения времени задержки при конструировании клапана, так как это влечет за собой необходимость увеличить надмембранную полость и рабочую площадь мембраны для увеличения ее хода, а, следовательно, утяжеление и увеличение габаритов конструкции.

Кроме того, из-за приложения управляющего усилия с направлением в сторону мембраны, клапан должен иметь жесткую фиксацию при монтаже, что менее универсально.

За прототип принят запорный клапан, наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению, включающий корпус с входным и выходным отверстиями, составную крышку, между верхней и нижней частями которой закреплена мембрана, образующая надмембранную и подмембранную полости, управляющий элемент, между нижней частью крышки и корпусом установлен запорный орган со сквозным отверстием, сообщающим входное отверстие с пространством между нижней частью крышки и запорным органом , а в нижней части крышки выполнено отверстие, закрытое запорным элементом.

Основным недостатком данного клапана является повышенная сложность его конструкции.

Предлагаемый самозакрывающийся клапан позволяет значительно упростить конструкцию, повысить надежность работы устройства, не снижая эффективность.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В самозакрывающемся клапане, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, составную крышку, между верхней и нижней частями которой закреплена мембрана, образующая надмембранную и подмембранную полости, управляющий элемент, между нижней частью крышки и корпусом установлен запорный орган со сквозным отверстием, сообщающим входное отверстие с пространством между нижней частью крышки и запорным органом, а в нижней части крышки выполнено отверстие, закрытое запорным элементом, выполнены следующие преобразования. В нижней части крышки выполнен сточный канал, при этом сквозное отверстие имеет выход в подмембранную полость, а запорный элемент образован частью мембраны.

Сточный канал предназначен для отвода текучей среды, поступающей из сквозного отверстия в подмембранную полость. Сточный канал может иметь выход как в выходное отверстие, так и в атмосферу.

Запорный элемент образован частью мембраны, которая воспринимает усилия, приводящие ее в движение.

Мембрана и верхняя часть крышки образуют надмембранную полость, что необходимо для возможности управления запорным элементом, образованным частью мембраны, с помощью разрежения воздуха, а не повышения его давления.

Надмембранная полость имеет связь с атмосферой, в результате чего управление клапаном осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Связь надмембранной полости с атмосферой осуществлена:
- через дроссельное отверстие - для введения воздуха в надмембранную полость и замедления этого введения. Чем медленнее идет наполнение надмембранной полости, тем больше время задержки и большее количество текучей среды проходит через открытый самозакрывающийся клапан;
- через обратный клапан - для сброса воздуха.

Надмембранная полость имеет связь с управляющим элементом - для управления самозакрывающимся клапаном с помощью разрежения воздуха, создаваемого в надмембранной полости.

Управляющий элемент выполнен в виде камеры с переменным объемом - для создания разрежения воздуха в надмембранной полости.

Мембрана с нижней частью крышки образует подмембранную полость, сообщенную с атмосферой, что необходимо для того, чтобы основное усилие, открывающее запорный элемент, образованный частью мембраны, создавалось разрежением воздуха, а не изменением давления жидкости в пространстве между нижней частью крышки и запорным органом.

Запорный элемент, образованный частью мембраны, и обратный клапан выполнен в положении "нормально - закрыто", а управляющий элемент в положении "нормально вне минимального объема", что необходимо для открывания самозакрывающегося клапана в результате разрежения воздуха в надмембранной полости, а не повышением в ней давления, и осуществления прохода текучей среды через самозакрывающийся клапан в период времени задержки, то есть после того, как усилие нажатия на управляющий элемент снято.

Перечисленной совокупностью признаков обеспечивается следующее. За счет того, что усилие, открывающее запорный элемент, образованный частью мембраны, обеспечивается разрежением воздуха в надмембранной полости и после чего, как управляющий элемент отпущен, а не нажат, время задержки /то есть количество проходящей через самозакрывающийся клапан текучей среды/ зависит от времени выравнивания давления воздуха в надмембранной полости и в подмембранной полости, то есть от сечения дроссельного отверстия, которое других ограничений его пределов не имеет. Таким образом, от хода запорного органа и проходного сечения линии, соединяющей пространство между нижней частью крышки и запорным органом с входным отверстием, время задержки не зависит, и вытекающее из необходимости его повысить требование увеличить рабочую площадь запорного органа, чтобы увеличить ход, и уменьшить проходное сечение, чтобы замедлить опускание запорного органа, снято. Противоречие разрешено. Запорный орган может быть выполнен с небольшой рабочей площадью, и этим снизятся напряжения разрыва в нем, снизятся габариты и вес самозакрывающегося клапана. Проходное сечение линии, соединяющей пространство между нижней частью крышки и запорным органом и входное отверстие, может быть выполнено увеличенным /оно зависит только от сточной системы/, и это снизит возможность засорения и влияния увеличения и уменьшения его размера в процессе эксплуатации /от коррозии, засорения, гальванических процессов/ на стабильность работы самозакрывающегося клапана. При этом решены и другие проблемы. За счет того, что основная доля срабатывающего усилия возложена на атмосферный воздух, воздействующий на мембрану, а не на жидкость, работа самозакрывающегося клапана более стабильна, так как воздух не имеет вредных свойств жидкости: резких перепадов давления, температур, гальванической активности, имеет меньшие по величине частицы сора. Так как самозакрывающийся клапан открывается только после того, как управляющий элемент отпущен, а не тогда, когда он нажат, не надо держать его долго нажатым, что в практике удобно. Открывание самозакрывающегося клапана в результате разрежения воздуха позволяет управляющее усилие перенести на управляющий элемент, выполненный отдельно и связанный с клапаном гибкой связью, что устраняет необходимость в жесткой фиксации клапана.

Исходя из того, что разрешено существующее противоречие неизвестной совокупностью признаков, можно сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже изображен самозакрывающийся клапан, в разрезе.

Самозакрывающийся клапан содержит корпус 1, крышку 2, состоящую из верхней 3 и нижней 4 частей, между корпусом 1 и крышкой 2 установлен запорный орган 5 со сквозным отверстием 6. В корпусе 1 выполнена дополнительная полость 7. Пространство 8 образовано запорным органом 5 и нижней частью 4 крышки 2 и сообщено с входным отверстием 9 через сквозное отверстие 6 в запорном органе 5 и с выходным отверстием 10 или с атмосферой /не показано/ через сточную систему 11, которая представляет собой сквозное отверстие 12 в корпусе и нижней части 4 крышки, имеющее для стока текучей среды большее сечение, чем сквозное отверстие 6 в запорном органе 5, запорный элемент 13, образованный частью мембраны 14, для перекрытия сквозного отверстия 12. Между верхней 3 и нижней 4 частями составной крышки 2 установлена мембрана 14. Между мембраной 14 и верхней частью 3 крышки 2 образована надмембранная полость 15, которая имеет связь с атмосферой через дроссельное отверстие 16 и через обратный клапан 17, а также сообщена с управляющим элементом 18, например, посредством гибкой трубки 19. Мембрана 14 с нижней частью 4 крышки 2 образует подмембранную полость 20, которая сообщена с атмосферой через отверстие 21. Управляющий элемент 18 выполнен в виде камеры с переменным объемом, например, в виде эластичной груши, эластичной мембраны в жестком корпусе, поршневой группы. Запорный элемент 13, образованный частью мембраны 14, и обратный клапан 17 выполнены в положении "нормально - закрыто", то есть закрытыми в нерабочем статическом состоянии, а управляющий элемент 18 - в положении "нормально вне минимального объема", то есть в статическом состоянии с объемом больше, чем минимум. Конструктивно эти положения могут быть осуществлены, например, с помощью пружин 22, 23, 24, выполнением из эластичного материала с использованием его упругих свойств и тому подобное.

Работа устройства.

В установленном в трубопроводной сети самозакрывающемся клапане в состоянии закрыто, когда он не пропускает текучую среду, дополнительная полость 7 и пространство 8 заполнены текучей средой. Запорный орган 5 прижат к входному отверстию 9 /как на фиг. 1/ или к выходному отверстию 10, или к обоим - в зависимости от конструирования седел входного и выходного отверстий, перекрывая выход через самозакрывающийся клапан текучей среды. Прижатие запорного органа 5 осуществляется за счет усилия, возникающего вследствие превышения площади поверхности запорного органа 5 со стороны пространства 8 в сравнении с площадью поверхности запорного органа 5 со стороны входного отверстия 9, или выходного 10, или обоих вместе. Запорный элемент 13, образованный частью мембраны 14, и обратный клапан 17 находится в положении "нормально - закрыто" за счет конструктивного выполнения. В данном примере они предварительно напряжены пружинами 22 и 23. Сточная система 11 перекрыта запорным элементом 13, образованным частью мембраны 14. Управляющий элемент 18 находится в положении "нормально вне минимального объема" за счет конструктивного исполнения. В примере на чертеже положение объема больше, чем минимальное, поддерживается за счет пружины 24 в управляющем элементе 18. За счет дроссельного отверстия 16 управляющий элемент 18 и надмембранная полость 15 заполнены атмосферным воздухом. Для того, чтобы открыть самозакрывающийся клапан, нажимают на гибкую мембрану 25 /как в примере на чертеже/ управляющего элемента 18, уменьшая его объем. За счет этого под действием давления, выходящего из него воздуха, открывается обратный клапан 17, через который выходит воздух. Отпускают управляющий элемент 18, он возвращается в исходное нормальное положение "вне минимального объема", то есть объем его увеличивается /в примере на чертеже этому способствует пружина 24/. Обратный клапан 17 закрывается, предотвращая доступ атмосферного воздуха в надмембранную полость 15 и в управляющий элемент 18. Через дроссельное отверстие 16 воздух поступает замедленно. В надмембранной полости 15 и управляющем элементе 18 воздух разрежен, вследствие чего усилие от его давления на мембрану 14 снижается. Как результат, давление воздуха на мембрану 14 со стороны подмембранной полости 20, имеющей связь с атмосферой превышает давление разреженного воздуха со стороны надмембранной полости 15. При этом основная доля усилий, действующих на мембрану 14, приходится на давление воздуха, а не на текучую среду со стороны пространства 8, за счет того, что площадь мембраны 14, воспринимающая давление атмосферного воздуха больше, чем площадь запорного элемента 13, образованного частью мембраны 14, воспринимающая давление текучей среды. Величина превышения усилия рассчитывается при конструировании, как известно, подбором жесткости пружины 22, объемов надмембранной полости 15 и управляющего элемента 18 и т. д. Так как давление воздуха в подмембранной полости 20 превышает давление разреженного воздуха в надмембранной полости 15, то мембрана 14 вместе с запорным элементом 13, образованным частью мембраны 14, поднимается, в результате чего пространство 8 сообщается со сточной системой 11. Из пространства 8 текучая среда выходит через сточную систему 11 в полость 26 и далее в систему трубопровода /не показана/. За счет сточной системы 11 текучая среда выходит быстрей из пространства 8, чем входит в него через сквозное отверстие 6 в запорном органе 5, что в примере, приведенном на чертеже, обеспечено известным приемом: сечение отверстия 6 для входа меньше, чем сечение отверстия 12 и сливного канала 11. Давление в пространстве 8 падает и становится меньше давления текучей среды на запорный орган 5 со стороны входного отверстия 9, под действием чего запорный орган 5 поднимается, сообщая входное отверстие 9 с выходным 10. Текучая среда из входного отверстия 9 проходит в выходное 10 и, соединяясь с потоком из сливного канала 11, выходит из самозакрывающегося клапана. Атмосферный воздух, поступая через дроссельное отверстие 16, через некоторое время заполняет надмембранную полость 15, а соотношение давлений воздуха, действующих на мембрану 14, достигает исходного состояния, в результате чего мембрана 14 также возвращается в "нормально - закрытое" исходное состояние, заданное конструктивно, в примере на чертеже под действием пружины 22. Сточная система 11 перекрыта, сток текучей среды из пространства 8 прекращен, оно полностью заполняется текучей средой через отверстие 6 в запорном органе 5. При заполнении текучей средой под действием свойства упругости эластичный запорный орган 5 опускается и при соприкосновении с входным отверстием 9 /как на чертеже/ или с выходным 10, или с обоими - в зависимости от частностей конструкции, за счет превышения усилия от разности площадей прижимается к нему. Сообщение входного отверстия 9 с выходным 10 перекрыто, текучая среда прекращает выход из самозакрывающегося клапана. Время, в течение которого входное отверстие 9 и выходное 10 сообщены /время задержки/, зависит от размера сечения дроссельного отверстия 16 и не зависит от величины хода запорного органа 5, а также от времени, в течение которого на управляющий элемент 18 нажимают, поэтому для увеличения количества выходящей из самозакрывающегося клапана текучей среды не требуется дольше нажимать на управляющий элемент 18 или при конструировании увеличивать объем пространства 8 и рабочую площадь запорного органа 5. В результате того, что запорный орган 5 при большой величине времени задержки совершает малый ход, он испытывает снижение напряжения разрыва, и исключается необходимость в минимальной величине сечения отверстия 6 в запорном органе 5 /текучая среда может заполнять пространство 8, а запорный орган 5 опускаться как можно быстро/. Увеличенное сечение отверстия 6 в запорном органе 5 снижает влияние его засорения на работу самозакрывающегося клапана. Управление самозакрывающимся клапаном пневматикой за счет свойств газообразного вещества не вызывает гальваноэффекта, засорения /газ имеет взвеси сора по величине меньше, чем в жидкости/. Стабильности работы клапана способствует также и то, что в атмосферном воздухе колебания давлений и температуры незначительны. Управление самозакрывающимся клапаном с помощью разрежения воздуха снижает усилие, направленное в сторону корпуса 1. Это устраняет необходимость в жесткой фиксации клапана. Присоединение клапана к магистрали возможно с помощью гибкой связи, например, в виде резиновых патрубков, что позволяет устанавливать самозакрывающийся клапан в гибких системах, в труднодоступных местах, на трубах с разным диаметром, а также быстро и просто.

(56) Патент ФРГ N 3338402, кл. F 16 K 31/48, 1989.

Патент Швейцарии N 516122, кл. F 16 K 7/17, 1972.

Использование: в арматуростроении. Сущность изобретения: между верхней и нижней частями составной крыши закреплена мембрана. Надмембранная полость сообщена с управляющим элементом. Между нижней частью крышки и корпусом установлен запорный орган со сквозным отверстием, сообщающим входное отверстие с пространством между нижней частью крышки и запорным органом. В нижней части крышки выполнено сквозное отверстие, в котором установлен поршень, соединенный с мембраной. Сточный канал сообщает выходное отверстие со сквозным отверстием. Верхняя часть крышки снабжена обратным клапаном. Мембрана нагружена пружиной относительно верхней части крышки, в которой выполнено дроссельное отверстие, связывающее надмембранную полость с атмосферой. Управляющий элемент выполнен в виде камеры с переменным объемом. Подмембранная полость сообщена с атмосферой. 1 ил.

САМОЗАКРЫВАЮЩИЙСЯ КЛАПАН, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, составную крышку, между верхней и нижней частями которой закреплена мембрана, образующая сообщенные с атмосферой подмембранную и надмембранную полости, последняя из которых сообщена с управляющим элементом, между нижней частью крышки и корпусом установлен запорный орган со сквозным отверстием, сообщающим входное отверстие с пространством между нижней частью крышки и запорным органом, а в нижней части крышки выполнено отверстие, закрытое запорным элементом, отличающийся тем, что в нижней части крышки выполнен сточной канал, сквозное отверстие запорного органа сообщено с подмембранной полостью, при этом запорный элемент образован частью мембраны, а управляющий элемент выполнен в виде камеры с переменным объемом.