СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ, РАБОТАЮЩИХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, И РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, РАБОТАЮЩИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1999 года по МПК G05D23/12 

Настоящее изобретение относится к способу получения заданной температурной характеристики работающих в зависимости от температуры регулирующих элементов клапанов и термостатов, а также к регулирующему элементу, работающему в зависимости от температуры.

Из US 5044170 известен один тип температурозависимых регулирующих элементов, содержащих камеру давления, наполненную частично жидкостью и частично газом, причем наполненная газом часть камеры по меньшей мере частично содержит газообразную фазу жидкости. При изменении температуры, действующей на камеру, изменяется температура ее газожидкостного содержимого и, следовательно, давление в камере. Изменение давления можно определить либо с помощью измерений, либо можно использовать непосредственно для приведения в действие исполнительного механизма, например, для смещения мембраны. Если жидкость представляет собой чистое вещество, то температурную характеристику регулирующего элемента можно предсказать сравнительно легко, так как для чистых веществ существует простая зависимость между давлением и температурой. Эту зависимость можно представить графически в виде одной кривой. Регулирующий элемент в виде преобразователя температуры в требуемый выходной сигнал, например, представленный в виде перемещения или в виде срабатывания электрического переключателя, имеет точно такую же простую зависимость температуры, так что эту зависимость можно легко предсказать заранее.

Однако в большинстве случаев применение указанных чистых веществ является нежелательным ввиду их токсичности и вредного воздействия на окружающую среду. При отсутствии повреждений и нормальной работе регулирующих элементов данного типа проблем не возникает, но как только происходит повреждение, создается серьезная угроза для здоровья человека и для окружающей среды. При этом также возникают значительные трудности с удалением этих элементов, поскольку из-за их наполнения их зачастую относят к "отходам особой категории".

Известно использование в камере давления регулирующего органа неазеотропной смеси в качестве термочувствительной среды. Например, в US 3435682 описан способ получения заданной температурной характеристики работающих в зависимости от температуры регулирующих элементов клапанов или термостатов, снабженных исполнительным элементом, на который действует давление в камере давления, включающий подачу в камеру давления неазеотропной смеси по меньшей мере из двух веществ.

Однако в известном способе состав неазеотропной смеси подбирают под определенную точку кипения, что позволяет осуществлять регулировку лишь при одной заданной температуре, причем регулирующий элемент полностью заполняют жидкостью, используют лишь смеси воды и спиртов или гликолей, и в рабочем веществе камеры дополнительно диспергируют твердое инициирующее вещество.

Задачей изобретения является достижение непрерывной регулировки в заданном температурном интервале, с использованием широкого спектра нетоксичных и экологически безвредных веществ и без использования инициирующих веществ.

Эта задача решается тем, что в способе регулировки температурной характеристики работающих в зависимости от температуры регулирующих элементов клапанов или термостатов, снабженных исполнительным элементом, на который действует давление в камере давления, включающем подачу неазеотропной смеси по меньшей мере из двух веществ, имеющей кривую точек кипения и кривую точек конденсации, которые не совпадают, между этими кривыми существует неопределенное состояние, в котором часть смеси является газообразной, а часть смеси жидкой, требуемую температурную характеристику формируют на участке между кривой точек кипения и кривой точек конденсации неазеотропной смеси путем изменения соотношения ее компонентов, и этот участок изменяют путем изменения соотношения ее компонентов для получения требуемой температурной характеристики.

Соотношение компонентов смеси можно изменять до тех пор, пока не будет получена требуемая температурная характеристика.

Соотношение компонентов смеси можно подбирать индивидуально для каждого отдельного регулирующего элемента.

В смесь можно добавлять еще одно вещество, практически не растворимое в ней и сохраняющее газообразную фазу в требуемом диапазоне температур.

Газообразное вещество может представлять собой азот, гелий или двуокись углерода.

Известен регулирующий элемент, в камере давления которого использована неазеотропная смесь в качестве термочувствительной среды. Например, в US 3435682 описан регулирующий элемент, работающий в зависимости от температуры, клапанов или термостатов, снабженный исполнительным элементом, находящимся под действием давления в камере давления, содержащей неазеотропную смесь по меньшей мере из двух веществ.

Однако известный регулирующий элемент является элементом мгновенного действия, позволяющим осуществлять регулировку лишь при одной заданной температуре, причем состав неазеотропной смеси подбирают под определенную точку кипения, регулирующий элемент полностью заполняют жидкостью, используют лишь смеси воды и спиртов или гликолей, и в рабочем веществе камеры дополнительно диспергируют твердое инициирующее вещество.

Задачей изобретения также является элемент, позволяющий осуществлять непрерывную регулировку в заданном температурном интервале, с использованием широкого спектра веществ и без использования инициирующих веществ.

Эта задача решается тем, что в регулирующем элементе, работающем в зависимости от температуры, клапанов или термостатов, снабженном исполнительным элементом, находящимся под действием давления в камере давления, содержащей неазеотропную смесь по меньшей мере из двух веществ, которая имеет не совпадающие кривые точек кипения и точек конденсации, и между этими кривыми существует неопределенное состояние, в котором часть смеси является газообразной, а часть смеси жидкой, требуемая температурная характеристика сформирована на участке между кривой точек кипения и кривой точек конденсации неазеотропной смеси, и этот участок изменяют путем изменения соотношения ее компонентов для получения требуемой температурной характеристики.

Неазеотропная смесь может состоять из веществ, относящихся к экологически безвредным группам химических соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из галогенсодержащих соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из галоген- углеродсодержащих соединений или галоген-водород-углеродсодержащих соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из фтор-углеродсодержащих соединений или фтор-кислород-углеродсодержащих соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из хлор-углеродсодержащих соединений или хлор-кислород-углеродсодержащих соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из хлор-фтор-углеродсодержащих соединений или хлор-фтор-кислород-углеродсодержащих соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из углеводородов.

Неазеотропная смесь может состоять из водород-кислород-углеродных соединений.

Неазеотропная смесь может состоять из алифатических углеводородов.

Неазеотропная смесь может состоять из веществ, выбранных из группы, включающей следующие вещества: R22, R23, R123, R123a, R124, R125, R134, R134a, R141b, R142b, R143a, R152a, метан, этан, пропан, бутан, изобутан, этилен, пропилан, пропилен, диметилэфир.

Неазеотропная смесь может состоять из веществ R22 и R152a.

Таким образом, отпадает необходимость в использовании чистого вещества, которое, как указано выше, во многих случаях является токсичным или экологически вредным. Предлагаемое изобретение позволяет использовать не вредные экологически и нетоксичные вещества. При этом требуемую температурную характеристику получают, во-первых, путем использования не одного, а нескольких веществ и, во-вторых, путем выбора определенного соотношения этих веществ в смеси. В большинстве случаев не требуется каких-либо механических доработок регулирующих элементов. Путем соответствующего выбора веществ и соотношения этих веществ в смеси можно получить требуемую температурную характеристику регулирующего элемента. Однако следует отметить, что при использовании нескольких веществ для наполнения камеры давления связь между температурой и давлением, как правило, не является простой связью, которая получена теоретически. Для неазеотропных смесей давление является чистой функцией температуры, соотношения компонентов и плотности вещества. Обычно кривая точки кипения многокомпонентных смесей отличается от их кривой точки конденсации. Между этими двумя кривыми на графике зависимости давления от температуры имеется участок, где часть жидкости уже перешла в газообразную фазу, а другая часть все еще находится в жидкой фазе. Именно на этом участке находится результирующая кривая зависимости давления от температуры. Ее можно определить теоретически, но это очень сложно. В соответствии с настоящим изобретением нет необходимости измерять давление. Наоборот, явления, вызванные изменением температуры, непосредственно используются для определения того, получена необходимая температурная характеристика или нет. Таким образом, можно с заданной степенью точности получить простую зависимость сигнала регулирующего элемента от температуры, например, расстояния, на которое переместился регулирующий элемент от температуры, хотя зависимость давления от температуры совсем не простая. В случае неазеотропной смеси газообразная фаза может иметь другое соотношение компонентов, чем жидкая фаза. Использование неазеотропной смеси означает, что ограничения в выборе определенных соотношений компонентов отсутствуют. Тем не менее соотношение компонентов само по себе можно установить довольно точно, поскольку в камеру давления вводят определенные количества вещества без учета того, находится ли это вещество в жидкой или в газовой фазе.

Предпочтительно изменять соотношение компонентов смеси до тех пор, пока не будет получена требуемая температурная характеристика.

Наиболее целесообразно индивидуально выбирать соотношение компонентов для каждого отдельного регулирующего элемента. Это позволяет компенсировать механические неточности, допущенные, например, в процессе его изготовления.

В смесь целесообразно добавлять еще одно вещество, которое практически не растворяется в ней и остается газообразным в требуемом диапазоне температур. Добавка такого вещества позволяет повысить давление газовой фазы, что приводит к смещению регулирующего элемента. В результате этого происходит сдвиг выходного сигнала регулирующего элемента, например, перемещения, без существенного изменения функции преобразования давления в сигнал. В эту функцию просто вводится дополнительный член.

Газообразное вещество предпочтительно представляет собой азот, гелий или двуокись углерода. Гелий может использоваться одновременно для проверки уплотнения регулирующего элемента.

Задача также решается тем, что в работающем в зависимости от температуры регулирующем элементе клапанов или термостатов, в которых исполнительный элемент установлен с возможностью воздействия на него давления из камеры давления, камера давления содержит неазеотропную смесь по меньшей мере из двух веществ, находящихся частично в виде жидкости и частично в виде газа.

Таким образом, содержимое камеры давления не ограничено одним чистым веществом. Наоборот, как уже указывалось выше, предлагаемое изобретение предусматривает использование смеси по меньшей мере из двух веществ, а требуемая температурная характеристика в основном определяется соотношением компонентов этой смеси, которых по меньшей мере два. При этом могут быть использованы нетоксичные экологически безвредные вещества, что позволяет избежать проблем, связанных с последующем удалением регулирующих элементов. Выбор соотношения компонентов смеси дает возможность устанавливать заданную степень зависимости выходного сигнала регулирующего элемента от температуры. При этом можно получить кривые температурозависимого выходного сигнала, которые нельзя было получить при использовании чистых веществ. В случае применения неазеотропной смеси выбор компонентов не ограничен определенными соотношениями, при которых достигается азеотропия.

Неазеотропная смесь предпочтительно состоит из веществ экологически безвредных групп химических соединений, что позволяет резко снизить уровень ущерба, причиняемого окружающей среде.

Могут быть использованы преимущественно следующие соединения:
- галогенсодержащие соединения,
- галоген-углеродсодержащие соединения или галоген-водород-углеродсодержащие соединения,
- фтор-углеродсодержащие соединения или фтор-кислород-углеродсодержащие соединения,
- хлор-углеродсодержащие соединения или хлор-кислород-углеродсодержащие соединения,
- углеводороды,
- водород-кислород-углеродные соединения,
- алифатические углеводороды,
- вещества, выбранные из группы, включающей R22, R23, R32, R123, R123a, R124, R125, R134, R134a, R141b, R142b, R143a, R152a, метан, этан, пропан, бутан, изобутан, этилен, пропилан, пропилен, диметилэфир,
- вещества R22 и R152a,
- любое сочетание указанных выше веществ.

Далее описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг. 1 изображает клапан с исполнительным элементом, управляемым в зависимости от температуры,
фиг. 2 - термостатический выключатель с исполнительным элементом, управляемым в зависимости от температуры,
фиг. 3 - график зависимости давления от температуры для чистого вещества,
фиг. 4 - график зависимости давления от температуры и соотношения компонентов для неазеотропной смеси и
фиг. 5 - график зависимости давления от соотношения компонентов смеси при различных температурах.

Как изображено на фиг. 1, клапан 1, управляемый в зависимости от температуры, содержит корпус 2 с входным отверстием 3 и выходным отверстием 4, которые соединены друг с другом каналом 5. В канале 5 установлено клапанное седло 6, к которому может плотно прилегать закрывающий элемент 7. Элемент 7 удерживается пружиной 8 в закрытом положении и перемещается мембраной 9 в направлении от клапанного седла 6. Пружина 8 прижимается к опорному диску 10, положение которого может изменяться посредством регулировочного винта 11, обеспечивая таким образом возможность для регулировки смещения пружины 8 и, следовательно, основной установки клапана 1. На стороне, удаленной от закрывающего элемента 7, мембрана 9 соединена трубчатым соединением 12, выполненным, например, в виде капиллярной трубки, с датчиком температуры 13 или, точнее, с его камерой 14 давления. Камера 14 давления частично заполнена жидкостью 15 и частично газом 16. При изменении температуры вокруг датчика 13 изменяется давление в камере 14. Это изменение давления передается по трубке 12 на ту сторону мембраны 9, которая удалена от закрывающего элемента 7, при этом давление создает силу, действующую на мембрану 9. В зависимости от величины этой силы мембрана 9 перемещает закрывающий элемент 7, преодолевая силу пружины 8, на то или иное расстояние от клапанного седла 6. Таким образом, устанавливается степень открытия клапана в зависимости от температуры.

На фиг. 2 изображен термостатический выключатель 20, снабженный датчиком 21 температуры, имеющим камеру 22 давления, которая частично наполнена жидкостью 23 и частично газом 24. Давление в камере 22 воздействует на торцевую поверхность сильфона 26, на другой стороне которого закреплен толкатель 27. Толкатель 27 при заданной температуре удерживается в равновесии посредством двух пружин 28, 29.

На толкателе 27 закреплены два плеча 30, 31, между которыми установлен рабочий рычаг 32 выключателя 33, имеющего два нормально разомкнутых контакта 34, 35 и один нормально замкнутый контакт 36. В нейтральном положении толкателя 27 нормально замкнутый контакт 36 не соприкасается ни с одним из двух нормально разомкнутых контактов 34, 35. Однако если давление в камере 22 повышается, то толкатель 27 перемещается вверх торцевой поверхностью сильфона 26. Рабочий рычаг 32 отжимается вверх нижним плечом 30, в результате чего нормально замкнутый контакт 36 соединяется с верхним нормально разомкнутым контактом 34. Если давление в камере 22 падает, то толкатель 27 перемещается в противоположном направлении и нормально замкнутый контакт 36 соединяется с другим нормально разомкнутым контактом 35.

Клапаны и термостаты этого типа известны. В таких устройствах камеры 14, 22 давления наполняются чистым веществом, при этом зависимость давления от температуры соответствует представленной на фиг. 3. Как видно из фиг. 3, для каждой температуры Т существует только одно значение давления P и наоборот. Исходя из этого можно относительно точно рассчитать и предсказать температурное поведение регулирующего элемента. Однако, как отмечено выше, недостатком использования чистых веществ является их токсичность и опасность для окружающей среды.

В соответствии с настоящим изобретением вместо чистого вещества камеру 14, 22 давления заполняют смесью по меньшей мере из двух веществ. При этом зависимость давления и температуры является более сложной. Давление зависит не только от температуры, но и от соотношения компонентов, входящих в состав смеси, а также от плотности веществ. На фиг. 4 изображен график зависимости давления смеси из двух веществ, где давление отложено по оси вверх, температура - вправо и назад, а отношение компонентов - влево и назад. Кривая, изображенная на фиг. 3, существует только для внешних границ. Это кривые UBHC₁ и KAC₂. Однако данные кривые представляют собой кривые для чистых веществ, поскольку они соответствуют соотношению компонентов 1 : 0 и 0 : 1.

Почти все соотношения компонентов между этими двумя предельными значениями имеют ту особенность, что кривая точки кипения и кривая точки конденсации не совпадают. Кривая точки кипения представлена кривой BLA, а кривая точки конденсации представлена кривой AVWB. При давлении выше кривой точки кипения происходит полный переход в жидкую фазу, при давлении ниже кривой точки конденсации происходит переход в газообразную фазу. Между этими двумя кривыми существует неопределенное состояние, то есть часть смеси находится в газообразной фазе, а часть смеси в жидкой фазе. Поэтому трудно предсказать давление газа в камере 14, 22 давления. Как кривая точки кипения, так и кривая точки конденсации сильно зависят от соотношения компонентов, как показано на графике фиг.5 для различных температур Т1-Т5, принятых постоянными, при этом Т1>Т2>Т3>Т4>Т5. В принципе на фиг. 5 изображены различные кривые, каждая из которых соответствует постоянной температуре в плоскости P-M на фиг. 4, например, кривые, ограничивающие области UM-KNU и LLAVWB на фиг. 4. Безусловно, оба примера являются схематичными и не могут отражать точные значения.

Настоящее изобретение позволяет устанавливать необходимую температурную характеристику путем изменения соотношения компонентов смеси. При этом можно получить зависимость давления от температуры, например, в виде кривой NWSFM на фиг.4. Вполне очевидно, что путем изменения соотношения компонентов можно модифицировать функцию зависимости давления от температуры. Пиковые значения для различных кривых этого типа нанесены по линии C₁SC₂. Безусловно, при использовании конкретных компонентов изменение температурной характеристики возможно лишь в ограниченном диапазоне. Однако практически отсутствуют ограничения в отношении выбора веществ для приготовления смеси. Соотношение компонентов можно также изменять в процессе наполнения камеры 14, 22 давления, чтобы получить температурную характеристику, соответствующую данному устройству.

В качестве компонентов смеси пригодны все экологически безвредные группы химических соединений. В частности, могут применяться галогенсодержащие соединения, например, галоген-кислород-углеродсодержащие соединения, такие как фтор-углерод-, фтор-кислород-углерод-, хлор-углерод- или хлор-кислород-углеродсодержащие соединения. Предпочтение также отдается хлор-фтор- углерод- или хлор-фтор-кислород-углеродсодержащим соединениям и углеводородам. Также могут применяться водород-кислород-углеродные соединения и алифатические углеводороды. Кроме того, возможен выбор следующих веществ: R22, R23, R32, R123, R123a, R124, R125, R134, R134a, R141b, R142b, R143a, R152a, метан, этан, пропан, бутан, изобутан, этилен, пропилан, пропилен, диметилэфир. Особенно предпочтительной является смесь веществ R22 и R152a. В принципе выбор соотношения компонентов смеси может осуществляться произвольно до получения необходимой температурной характеристики, при этом преимущественно могут использоваться неазеотропные смеси. В смесь, кроме того, может быть добавлен газ, например, гелий, азот или двуокись углерода, для смещения кривой зависимости в направлении к оси P (ось давления), не изменяя при этом саму эту кривую.

Изобретение относится к способу получения заданной температурной характеристики работающих в зависимости от температуры регулирующих элементов клапанов и термостатов, а также к регулирующему элементу клапанов и термостатов, работающему в зависимости от температуры. Такие регулирующие элементы могут работать от давления в камере давления с газожидкостной смесью. Для достижения требуемой температурной характеристики в ряде случаев приходится использовать смесь из токсичных или экологически вредных веществ. Технический результат изобретения заключается в использовании нетоксичных и экологически безопасных веществ, для чего камеру давления наполняют неазеотропной смесью, состоящей по меньшей мере из двух компонентов. Соотношение компонентов смеси выбирают в зависимости от требуемой температурной характеристики. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения заданной температурной характеристики работающих в зависимости от температуры регулирующих элементов клапанов или термостатов, снабженных исполнительным элементом, на который действует давление в камере давления, включающий подачу в камеру давления неазеотропной смеси по меньшей мере из двух веществ, имеющих кривую точек кипения и кривую точек конденсации, которые не совпадают, и между которыми существует неопределенное состояние, в котором часть смеси является газообразной, а часть смеси жидкой, отличающийся тем, что требуемую температурную характеристику формируют на участке между кривой точек кипения и кривой точек конденсации неазеотропной смеси путем изменения соотношения ее компонентов и этот участок изменяют путем изменения соотношения ее компонентов для получения требуемой температурной характеристики. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение компонентов смеси изменяют до тех пор, пока не будет получена требуемая температурная характеристика. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что соотношение компонентов смеси подбирают индивидуально для каждого отдельного регулирующего элемента. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в смесь добавляют еще одно вещество, практически не растворимое в ней и сохраняющее газообразную фазу в требуемом диапазоне температур. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что газообразное вещество представляет собой азот, гелий или двуокись углерода. 6. Регулирующий элемент клапанов или термостатов, работающий в зависимости от температуры, снабженный исполнительным элементом, находящимся под действием давления в камере давления, содержащей неазеотропную смесь по меньшей мере из двух веществ, которая имеет не совпадающие кривые точек кипения и точек конденсации, между которыми существует неопределенное состояние, в котором часть смеси является газообразной, а часть смеси жидкой, отличающийся тем, что требуемая температурная характеристика регулирующего элемента сформирована на участке между кривой точек кипения и кривой точек конденсации неазеотропной смеси, который изменяют путем изменения соотношения ее компонентов для получения требуемой температурной характеристики. 7. Элемент по п.6, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из веществ, относящихся к экологически безвредным группам химических соединений. 8. Элемент по п.6 или 7, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из галогенсодержащих соединений. 9. Элемент по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из галоген-углеродсодержащих соединений или галоген-водород-углеродсодержащих соединений. 10. Элемент по любому из пп.6 - 9, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из фтор-углеродсодержащих соединений или фтор-кислород-углеродсодержащих соединений. 11. Элемент по любому из пп.6 - 10, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из хлор-углеродсодержащих соединений или хлор-кислород-углеродсодержащих соединений. 12. Элемент по любому из пп.6 - 11, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из хлор-фтор-углеродсодержащих соединений или хлор-фтор-кислород-углеродсодержащих соединений. 13. Элемент по любому из пп.6 - 12, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из углеводородов. 14. Элемент по любому из пп.6 - 13, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из водород-кислород-углеродных соединений. 15. Элемент по любому из пп.6 - 14, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из алифатических углеводородов. 16. Элемент по любому из пп.6 - 15, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из веществ, выбранных из группы, включающей следующие вещества: R22, R23, R123, R123a, R124, R125, R134, R134a, R141b, R142b, R143a, R152a, метан, этан, пропан, бутан, изобутан, этилен, пропилан, пропилен, диметилэфир. 17. Элемент по любому из пп.6 - 16, отличающийся тем, что неазеотропная смесь состоит из веществ R22 и R152a.