БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КЛАПАН ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1999 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к областям техники, в которых необходимо регулировать расход текучей среды с высокой частотой, например, в пневмонике, системах регулирования расходов компонентов топлива двигателей, в частности ЖРД или двигателях внутреннего сгорания, в струйных элементах печатающих машин (принтеров) и т.д.

Известны быстродействующие клапаны, в качестве активных элементов которых используются электромагниты, пьезокерамика или магнитострикционные материалы. Примером клапана с электромагнитным активным элементом является клапан, описанный в заявке Германии N 4306847 от 01.03.93. Клапан содержит электромагнит, нагрузочную пружину, аккумулирующую пружину, устройство нагружения, которое одним концом упирается в корпус клапана, а другим - в запорный элемент клапана (тарелку) или в якорь электропривода клапана. Конструкция этого клапана обеспечивает существенное уменьшение энергии, необходимое для обеспечения его работы, что позволяет уменьшить массу и габариты. Кроме того, за счет уменьшения массы подвижных элементов увеличивается быстродействие клапана. Недостатком этой конструкции является зависимость усилия, развиваемого приводом, от хода клапана, переменность этого усилия во время открывания или закрытия клапана, т. к. это усилие тем меньше, чем больше зазор между запорным элементом клапана и якорем электромагнита. Для обеспечения необходимого усилия электромагнита в его магнитопроводе необходимо создать достаточный магнитный поток, который в основном определяется магнитным сопротивлением рабочего зазора электромагнита. Для обеспечения такого магнитного потока требуется значительное количество ампервитков намагничивающей катушки электромагнита, что с учетом магнитных свойств корпуса магнита приводит к росту индуктивности катушки. Это ведет к тому, что ее индуктивное сопротивление с ростом частоты сильно возрастает и приводит, в конце концов, к невозможности обеспечить необходимый подвод энергии к клапану для обеспечения необходимого быстродействия.

Для устранения указанного недостатка в качестве активного элемента клапана используют электрически активные или магнитно-активные материалы, пьезокерамику или магнитострикционные материалы.

В заявке Японии N 5-53996 от 21.05.85. предлагается конструкция гидрораспределительного клапана, представляющая собой корпус, в котором расположен золотник из пьезокерамики, состоящий из двух половин, разделенных изолятором. При подаче напряжения на золотник одна его половина сжимается, а другая расширяется, открывая и закрывая соответствующие каналы гидрораспределительного клапана. При снятии напряжения обе половины золотника возвращаются в исходное состояние. Недостатком этой конструкции является крайне малый рабочий ход активных элементов, что определяется свойствами пьезокерамики.

В патенте Великобритании N 2285672 от 19.07.95 предложена конструкция клапана, рабочий элемент которого выполнен в виде мембраны (пластины), которая может изгибаться под воздействием электрического сигнала. Клапан представляет собой корпус с клапанными седлами, на них опираются пластины из электрострикционного материала, обеспечивающие необходимую герметичность клапана. При подаче напряжения пластины изгибаются и текучая среды поступает из входной магистрали в выпускную магистраль. При снятии напряжения пластины выпрямляются, возвращаясь в исходное состояние. Быстродействие клапана в подобной конструкции зависит только от собственных частот электрострикционных пластин.

К недостаткам конструкции следует отнести сложность в обеспечении необходимой герметичности клапана, наличие остаточных деформаций в материале пластин и возникновение микротрещин в электрострикционном материале при многократных изгибах пластин в процессе эксплуатации клапана, что снижает эффективность и надежность работы клапана.

В пьезоэлектрическом клапане, защищенном патентом США N 5318271 от 07.06.94, к корпусу прикреплен пьезоэлектрический элемент, работающий на изгиб. Между этим элементом и седлом клапана образуется рабочий зазор клапана, через который поступает текучая среда. К пьезоэлектрическому элементу - подвижному элементу клапана - прикреплена загрузочная пружина, которая обеспечивает надежное прижатие подвижного элемента к седлу клапана, что обеспечивает герметичность клапана и устраняет релаксационные явления, возникающие в подвижном элементе клапана в процессе его эксплуатации. Так как в качестве подвижного элемента клапана используется пьезоэлектрический элемент, работающий на изгиб, этому клапану присущи те же недостатки, что и в конструкции, описанной выше, за исключением устранения релаксации в подвижном элементе. Подвижный элемент является в то же время и элементом, обеспечивающим герметичность клапана, поэтому изготовление его вызывает дополнительные технологические трудности. Так как ход клапана определяется длиной и свойствами пьезоэлектрического элемента, собственная частота такого клапана не может быть достаточно высокой, что снижает его быстродействие.

В качестве прототипа выбрано клапанное устройство по опубл. заявке DE 3337234 A1, кл. F 16 K 31/02, 25.04.85 г., в котором активный элемент из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала выполнен в виде пластины, изгибающейся под действием электрического или магнитного поля. Пластина воздействует через толкатель на тарелку клапана, опирающуюся на седло в виде щели, через которую подается сжатый воздух. Быстродействие клапана определяется жесткостью активного элемента и массами толкателя и тарелки клапана.

Недостатками данной конструкции является то, что активный элемент из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала изготовлен в виде пластины, работающей на изгиб, что ведет к появлению трещин, ухудшающих свойства материала активного элемента. Кроме того, при изгибе активного элемента имеет место явление релаксации, т.е. в материале возникают остаточные деформации, которые приводят к уменьшению амплитуды перемещения активного элемента.

Предлагаемым изобретением решается задача увеличения быстродействия, эффективности, надежности и долговечности работы клапана с одновременным уменьшением габаритов и энергопотребления.

Для достижения этого технического результата клапан для регулирования расхода текучей среды, содержащий корпус, активный элемент из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала и седло с установленной на нем тарелкой с толкателем, снабжен регулируемой пружиной, выполненной в виде изогнутой пластины, а на торцах активного элемента установлены опоры, между которыми с упором в них расположены концы пластины, причем тарелка через толкатель связана с центром пластины. Кроме того, каждая из опор может быть выполнена в виде "рычага-качалки", одно плечо которого связано с торцем активного элемента, другое плечо служит упором для конца пластины.

Высокое быстродействие клапана достигается за счет жесткости регулируемой пружины и малой массы подвижных частей клапана. Повышение эффективности, надежности и долговечности работы клапана с одновременным уменьшением габаритов и энергопотребления достигается за счет работы активного элемента на сжатие-растяжение без изгиба, низкой индуктивности активного элемента, достаточного хода клапана за счет использования в качестве регулируемой пружины изогнутой плоской пластины. При этом устраняются технологические трудности, связанные с обеспечением герметичности клапана. Дополнительное увеличение хода тарелки, установленной на седле клапана, дают опоры на торцах активного элемента, выполненные в виде "рычага-качалки", что также ведет к дополнительному увеличению эффективности работы клапана.

Предлагаемый быстродействующий клапан для регулирования расхода текучей среды иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3.

На фиг. 1 показана конструкция быстродействующего клапана, на фиг. 2, 3 - варианты конструкции опор на торцах активного элемента в виде "рычага-качалки".

Быстродействующий клапан (фиг. 1) имеет корпус 1, в котором размещены каналы подвода и отвода текучей среды 2, активный элемент 3, изготовленный из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала, седло 4, регулируемую пружину в виде изогнутой пластины 5, центр которой через толкатель 6 связан с тарелкой 7, установленной на седле, опоры 8 на торцах активного элемента и в них упираются концы пластины. В корпусе установлен узел герметизации толкателя 9. На опоре 8 имеется регулировочный винт 10 для регулирования жесткости пружины 5. Подтарелочная пружина 11 поджимает тарелку 7 к седлу 4. H₁ и H₂ (фиг. 2, 3) - плечи "рычага-качалки". Ось вращения 12 - точка соединения торца активного элемента 3 с плечом "рычага-качалки".

Клапан работает следующим образом.

При отсутствии напряжения на активном элементе 3 клапана тарелка 7 прижата к седлу 4 подтарелочной пружиной 11 и давлением текучей среды. Толкатель 6 упирается одной стороной в тарелку 7, другой - в регулируемую пружину 5. При подаче напряжения активный элемент 3 меняет свои размеры, регулируемая пружина 5 изгибается и через толкатель 6 отжимает тарелку 7 клапана от себя, открывая рабочий зазор для течения среды. При снятии напряжения регулируемая пружина 5 возвращается в исходное состояние и толкатель 6 имеет возможность под действием разности давлений на тарелке 7 клапана и подтарелочной пружины 11 вернуться в исходное состояние, что приводит к закрытию клапана.

Выполнение опоры 8 в виде "рычага-качалки" (фиг. 2, 3) позволяет при определенном выборе соотношения плеч "рычага-качалки" H₁ и H₂ добиться большего перемещения клапана при малом изменении размеров активного элемента или при малом усилии активного элемента получить большее усилие на тарелке клапана.

Опытный образец прелагаемой конструкции быстродействующего клапана изготовлен и в процессе испытаний показал быстродействие свыше 1000 Гц при потреблении энергии 1 Вт.

Изобретение предназначено для регулирования расхода текучей среды с высокой частотой, например, в пневмонике, системах регулирования расходов компонентов топлива двигателей, в частности ЖРД или двигателях внутреннего сгорания, в струйных элементах печатающих машин (принтеров) и т.д. Клапан для регулирования расхода текучей среды содержит корпус, активный элемент из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала и седло с установленной на нем тарелкой с толкателем. Клапан снабжен регулируемой пружиной. Последняя выполнена в виде изогнутой пластины. Активный элемент снабжен опорами на торцах. Между опорами с упором в них расположены концы пластины. Тарелка через толкатель связана с центром пластины. Такое выполнение обеспечивает увеличение быстродействия, эффективности, надежности и долговечности работы клапана с одновременным уменьшением габаритов и энергопотребления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Быстродействующий клапан для регулирования расхода текучей среды, содержащий корпус, активный элемент из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала и седло с установленной на нем тарелкой с толкателем, отличающийся тем, что он снабжен регулируемой пружиной, выполненной в виде изогнутой пластины, а активный элемент - опорами на торцах, между которыми с упором в них расположены концы пластины, причем тарелка через толкатель связана с центром пластины. 2. Быстродействующий клапан для регулирования расхода текучей среды по п. 1, отличающийся тем, что каждая из опор на торцах активного элемента выполнена в виде рычага-качалки, одно плечо которого связано с торцем активного элемента, а другое плечо расположено с упором в конец пластины.