ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 1994 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может быть применено в качестве перекрывающих клапанов во всех областях промышленности и в машиностроении.

Известен электромагнитный клапан [1], содержащий электромагнит, якорь которого соединен с размещенным в корпусе затвором. Принцип действия такого электромагнитного клапана основан на перемещении затвора якорем электромагнита, который, в свою очередь, перемещается к стопу под действием сил притяжения, возбуждаемых магнитным потоком, возникающем в обмотке электромагнита.

Наиболее близким по технической сущности является электромагнитный клапан прямого действия [2], содержащий корпус с седлом, электромагнит с якорем, затвор, основную и дополнительную пружины, стакан с донышком, закрепленный на якоре. Это позволяет в момент "срыва" затвора, прижатого давлением среды к седлу, получать более высокое тяговое усилие привода, чем оно было в начальный момент трогания якоря.

Недостатками такого электромагнитного клапана являются большая масса, габариты и энергопотребление из-за недостаточно эффективного использования энергии электромагнитного привода.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение габаритов и массы клапана, уменьшение энергопотребления, повышение надежности и долговечности, расширение функциональных возможностей.

Отличием предлагаемого клапана является то, что стакан закреплен на якоре со стороны затвора, в донышке стакана выполнено отверстие, вокруг которого внутри стакана выполнен кольцевой выступ, затвор подпружинен дополнительной пружиной в сторону седла, усилие дополнительной пружины в сжатом состоянии меньше начального усилия поджатия основной пружины, а элементы клапана выполнены с соблюдением следующих соотношений:
h_я ≥ 0,20 d_c; d_з≥ 1,35 d_c;
h_пр = (0,10...0,95) h_я, где h_я - полный ход якоря электромагнита;
d_c - внутренний диаметр седла клапан;
d_з - наружный диаметр затвора;
h_пр - ход дополнительной пружины.

Клапан может быть выполнен в двух вариантах -
первый, отличающийся тем, что затвор снабжен кольцевым осесимметричным выступом, направленным в сторону седла и между внутренней поверхностью отверстия в выступе и наружной поверхностью седла выполнен калиброванный зазор, а высота седла больше высоты выступа,
и второй, отличающийся тем, что затвор размещен внутри якоря, толщина донышка стакана вместе с высотой выступа составляет не менее 0,2 d_c, между внутренней поверхностью отверстия в донышке стакана и наружной поверхностью седла выполнен калиброванный зазор, а высота седла больше суммы размеров толщины донышка стакана вместе с высотой кольцевого выступа и хода дополнительной пружины.

Сущностью изобретения является то, что затвор, подпружиненный дополнительной пружиной в сторону седла, более долговечен, а также как в начальный момент движения якоря на открытие усилия основной и дополнительной пружин частично уравновешивают друг друга, то якорю необходимо преодолевать лишь разность их усилия и жесткостей, что позволяет накопить большую кинетическую энергию для "срыва" затвора. Перечисленные отличия позволяют уменьшить массу, габариты и энергопотребление клапана, повысить его надежность и долговечность, расширить функциональные возможности.

Дополнительное улучшение характеристик клапана достигается тем, что в момент "срыва" затвора вокруг наружной поверхности седла образуется кольцевой зазор либо с помощью выступа, направленного в сторону седла, либо с помощью отверстия в донышке стакана. Поток жидкости или газа после движения по кольцевому зазору при проходе через седло поворачивается почти на 180^о, что увеличивает силу воздействия потока на затвор в сторону его открытия.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены конструктивные схемы электромагнитного клапана.

Клапан содержит корпус 1 с седлом 2, входным 3 и выходным 4 патрубками. Затвор 5 прижимается к седлу основной пружиной 6 и разностью входного и выходного давления среды. На корпусе установлен электромагнит 7 с якорем 8. На торце якоря со стороны затвора закреплен стакан 9, на донышке которого выполнен кольцевой выступ 10. Внутри якоря размещена дополнительная пружина 11.

На фиг. 1 показан клапан с затвором, снабженным кольцевым выступом 12; на фиг.2 - клапан с затвором, размещенным внутри якоря.

Работает клапан следующим образом.

При подаче напряжения на катушку электромагнита якорь 7 вместе со стаканом 9 перемещается к стопу и отжимает основную пружину 6, а усилие дополнительной пружины 11 суммируется с усилием якоря 8. Воздушный зазор между якорем и стопом при этом уменьшается и усилие электромагнита возрастает. Разность между усилием на якоре и разностью усилий пружин используется для накопления кинетической энергии якоря. Когда якорь проходит расстояние h_пр зазор между выступом 10 и поверхностью, на которую он воздействует, становится равным нулю, выпуклая поверхность выступа 10 производит удар и кинетическая энергия якоря передается затвору.

Для накопления достаточной энергии для удара выдерживаются соотношения: h_пр= (0,10...0,95) h_я и h_я ≥ 0,28 d_c.

Кинетическая энергия якоря расходуется затем на необходимую для перемещения затвора работу, которая должна быть как можно меньше, что достигается увеличением крутизны падения гидравлической характеристики затвора по мере его удаления от седла. Для обеспечения достаточной крутизны гидравлической характеристики выдерживаются соотношения между диаметрами затвора и седла в виде d_з ≥ 1,35 d_c, а также вокруг наружной поверхности седла образуется кольцевой зазор, позволяющий увеличить угол поворота потока среды при проходе его через седло.

Обратный ход происходит после снятия напряжения с катушки электромагнита. При этом затвор и якорь возвращаются в исходное положение под воздействием основной пружины якоря и собственного веса подвижных деталей.

Проведенные эксперименты показали, что предлагаемое решение позволяет при неизменных мощности, массе и габаритах электромагнита и неизменном диаметре седла повысить рабочее давление в 15...30 раз или, если это необходимо, сохранить значение давления рабочей среды, но зато улучшить энергетические, массовые и габаритные характеристики привода. Например, в одной из экспериментальных конструкций при неизменных Р и D масса электромагнита была уменьшена с 1 до 0,2 кг, т.е. в 5 раз, его мощность уменьшена с 35 до 7 Вт, т.е. также в 5 раз.

Таким образом, данное изобретение позволяет значительно уменьшить потребляемую мощность, массу и габариты электромагнита, расширить функциональные возможности, диапазон рабочих давлений, диаметров трубопроводов и температур рабочей и окружающей сред, повысить коэффициент запаса по усилиям и уменьшить массу подвижных деталей, тем самым повысив надежность электромагнитного клапана.

Сущность изобретения: стакан закреплен на якоре электромагнита со стороны затвора, поджатого к седлу основной пружиной. В днище стакана выполнено отверстие, концентрично которому внутри стакана выполнен кольцевой выступ. Затвор подпружинен дополнительной пружиной в сторону седла. Усилие дополнительной пружины в сжатом состоянии меньше начального усилия поджатия основной. Элементы клапана выполнены с соблюдением заданных соотношений. Высота седла больше высоты выступа. Высота седла превышает сумму толщины днища стакана, высоты выступа и хода дополнительной пружины. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус с седлом, электромагнит с якорем, на котором закреплен стакан, затвор, поджатый к седлу основной пружиной, и дополнительную пружину, отличающийся тем, что стакан закреплен на якоре со стороны затвора, в днище стакана выполнено отверстие, концентрично которому внутри стакана выполнен кольцевой выступ, затвор подпружинен дополнительной пружиной в сторону седла, причем усилие дополнительной пружины в сжатом состоянии меньше начального усилия поджатия основной пружины, а элементы клапана выполнены с соблюдением следующих соотношений:
h_я ≥ 0,20d_с;
d_з ≥ 1,35d_с;
h_пр = (0,10...0,95)h_я,
где h_я - полный ход якоря электромагнита;
d_с - внутренний диаметр седла клапана;
d_з - наружный диаметр затвора;
h_пр - ход дополнительной пружины. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что затвор снабжен кольцевым осесимметричным выступом, направленным в сторону седла с образованием между внутренней поверхностью выступа и наружной поверхностью седла калиброванного зазора, при этом высота седла больше высоты выступа. 3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что затвор размещен внутри якоря, суммарная толщина днища стакана и высоты выступа составляет не менее 0,2d_с, седло размещено в отверстии днища стакана с образованием калиброванного зазора, при этом высота седла превышает сумму толщины днища стакана, высоты кольцевого выступа и хода дополнительной пружины.