ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2002 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к клапанам мембранным с электромагнитным приводом, используемым в системах автоматики теплоэнергетических установок, технологических трубопроводных системах для управления потоком жидких либо газообразных сред.

Известны электромагнитные клапаны (А.С. СССР 777311, МКИ F 16 К 31/02. опубл. 07.11.80. Бюллетень 41; А.С. СССР, N 777314, МКИ F 16 К 31/02, опубл. 07.11. 80. Бюллетень 41, AC. СССР, N 838247, МКИ F 16 К 31,02 опубл. 15.06.81. Бюллетень 22). Устройства содержат корпус клапана, электромагнитный привод, мембрану с загрузочным и разгрузочным отверстиями, якорь с уплотнительным элементом, перекрывающим разгрузочное отверстие под действием пружины.

Клапаны имеют малые габариты, надежны, не требуют применения электромагнитных приводов большой мощности.

Недостатком клапанов является большое гидродинамическое сопротивление при низких давлениях, обусловленное наличием запорной пружины, с помощью которой закрывается разгрузочное отверстие, и седло клапана. Присутствие этой пружины не позволяет полностью открыть клапан при низких давлениях рабочей среды.

Известен клапан запорный мембранный с электромагнитным приводом (С.Х. Щучинский "Клапаны с электромагнитным приводом", Справочное пособие, М.: "Энергоатомиздат", 1988 г. , стр. 81-87) Клапан содержит электромагнитный привод, мембрану с загрузочным и разгрузочным отверстиями, якорь с пружиной и уплотнительным элементом.

Клапан обеспечивает полное открывание затвора при малых давлениях рабочей среды благодаря тому, что в его конструкции предусмотрена возможность принудительного подъема запорного органа. При этом, однако, требуется применение электромагнитного привода большой мощности, использование которого нежелательно из-за высокой рабочей температуры и как следствие низкой его надежности.

Наиболее близким к заявляемому является клапан серии КГ (P.P. Рыбаков, "Автоматизация газифицированных агрегатов, Лениздат "Недра", 1984 г, стр. 122-123.).

Кланам содержит корпус, крышку, мембрану, установленную между ними, однотарельчатый золотник, состоящий из верхнего диска и нижней мягкой прокладки, уплотняющую пружину, сервопривод с электромагнитным управлением.

Достоинствами клапана являются:
- возможность управление клапаном только за счет воздействия рабочей среды, что создает условия для минимизации мощности электромагнитного привода,
- низкий уровень протечки через запорный орган благодаря использованию уплотнительной пружины и отсутствию разгрузочного отверстия.

Недостатком клапана является высокое гидродинамическое сопротивление при низких давлениях рабочей среды. В принципе в данной конструкции клапана благодаря отсутствию загрузочного и разгрузочного отверстий при работе на малых рабочих давлениях можно получить большой перепад давления на мембране и большое усилие на ней, достаточное для полного открывания запорного органа клапана. Этому, однако, препятствует уплотняющая пружина, которая противостоит перемещению запорного органа с мембраной при открывании клапана. Причем, чем выше поднимается запорный орган над седлом (больше открывается клапан), тем сильнее сжимается уплотняющая пружина и тем большее усилие, создаваемое пружиной, противостоит открыванию клапана.

Задачей изобретения является создание условий для полного открывания клапана в диапазоне низких рабочих давлений и снижение на этой основе его гидродинамического сопротивления.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый электромагнитный клапан, содержащий корпус с седлом, крышку, мембрану, установленную между корпусом и крышкой, запорный орган, состоящий из верхнего диска и нижней мягкой прокладки, сервопривод, отличающийся тем, что в состав устройства введены: постоянный магнит, магнитный элемент, шток с площадкой для размещения постоянного магнита и элемент регулировки, при этом шток с площадкой и постоянным магнитом установлены с возможностью перемещения их вдоль оси симметрии седла и взаимного воздействия между штоком с постоянным магнитом и запорным органом, а положение элемента регулировки выбрано с условием обеспечения заданного воздушного зазора между постоянным магнитом, либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой стороны, при установке запорного органа на седло клапана.

Причем в качестве магнитного элемента может быть использован элемент конструкции клапана, изготовленный из магнитного материала.

Достижение положительного эффекта в заявляемом клапане обеспечивается:
1. Наличием взаимного влияния между запорным органом, с одной стороны, и штоком с площадкой, на которой размещается постоянный магнит - с другой стороны.

Это взаимное влияние играет положительную роль как в случае, когда клапан закрыт, так и случае, когда он открывается.

В первом случае, когда клапан закрыт, шток воздействует на запорный орган и прижимает его к седлу. В этом случае обеспечивается минимальное расстояние между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой.

При этом усилие, с которым магнит притягивается к магнитному элементу и прижимает посредством штока запорный орган к седлу, максимально. Этим достигается минимальная протечка рабочей среды через закрытый клапан.

Во втором случае, когда клапан открывается, запорный орган, воздействуя на шток с площадкой и магнитом, увеличивает расстояние между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой. При этом уменьшается усилие, с которым постоянный магнит притягивается к магнитному элементу, и соответственно усилие, с которым шток прижимает запорный орган к седлу. В результате снижения усилия на запором органе, прижимающего его к седлу, он еще дальше перемещается от седла и т д. Следствием такого взаимодействия является быстрое и полное открывание клапана.

В результате гидродинамическое сопротивление заявляемого клапана после его открывания имеет минимальное значение при любом давлении рабочей среды и определяется только конструкцией клапана.

2. Расположением штока с площадкой и постоянным магнитом на оси симметрии седла.

Это позволяет равномерно распределить по окружности седла усилие, с которым постоянный магнит с помощью штока прижимает запорный орган к седлу клапана. Выполнение этого условия имеет важное значение для минимизации протечки рабочей среды через клапан.

3. Поддержанием заданного воздушного зазора между постоянным магнитом либо площадкой на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой.

Установка и поддержание воздушного зазора между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой стороны, является необходимым условием для создания усилия, прижимающего запорный орган к седлу клапана. При отсутствии такого зазора невозможно обеспечить и тем более гарантировать наличие прижимного усилия на седле и соответственно гарантировать нормальную работу клапана.

Необходимость поддержания указанного воздушного зазора обусловлена тем, что из-за неизбежных погрешностей сборки клапана очень сложно добиться полной синхронности двух событий: момента, когда запорный орган прижат к седлу, и момента, когда постоянный магнит прижат к магнитному элементу. В результате возможен случай, когда постоянный магнит либо площадка, на которой он расположен, уже прижаты к магнитному элементу, а запорный орган еще не прижат к седлу. Следствием такой ситуации будет потеря герметичности затвора клапана.

Задание воздушного зазора между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой, снимает такую опасность. В этом случае запорный орган всегда прижимается к седлу раньше, чем постоянный магнит будет прижат к магнитному элементу.

При этом использование регулирующего элемента позволяет не только устанавливать необходимый для нормальной работы клапана воздушный зазор, но и, регулируя величину этого зазора, изменять в широких пределах начальное усилие, с которым запорный орган прижимается к седлу, и соответственно изменять начальное давление рабочей среды, при котором открывается клапан.

В случае использования элемента конструкции клапана в качестве магнитного элемента конструкция клапана упрощается.

Таким образом:
- использование постоянного магнита, магнитного элемента, штока с площадкой для размещения постоянного магнита, элемента регулировки,
- установка штока с площадкой и постоянным магнитом с возможностью перемещения их вдоль оси симметрии седла и возможностью их взаимодействия с запорным органом,
- установка и регулирование воздушного зазора между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он располагается, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой стороны,
создают условия для полного открывания клапана в диапазоне низких рабочих давлений и на этой основе обеспечивают снижение гидродинамического сопротивления клапана.

На фиг.1 приведен клапан с магнитным элементом; на фиг.2 - фрагмент клапана, в котором в качестве магнитного элемента используется его крышка.

Электромагнитный клапан содержит корпус 1 с седлом 2, крышку 3, мембрану 4, установленную между корпусом 1 и крышкой 3, запорный орган, состоящий из верхнего диска 5 и нижней мягкой прокладки 6, сервопривод 7, постоянный магнит 8, магнитный элемент 9, шток 10 с площадкой 11 для размещения постоянного магнита, элемент регулировки 12, воздушный зазор 13 между магнитным элементом и площадкой, на которой установлен постоянный магнит, контргайка 14 для фиксации положения элемента регулировки, герметизирующий колпак 15, каналы 16, 17, 18 для транспортировки рабочей среды при управлении клапаном, надмембранная 19 и подмембранная 20 области.

Устройство (фиг.1, 2) работает следующим образом.

В исходном состоянии, при отсутствии напряжения питания на сервоприводе 7 седло 2 клапана закрыто запорным органом, состоящим из верхнего диска 5 и нижней мягкой прокладки 6. Запорный орган прижат к седлу 2 клапана под действием двух сил.

1. За счет усилия, создаваемого рабочей средой. Возникает это усилие из-за разности площадей мембраны 4, на которые действует рабочая среда, в надмембранной 19 и подмембранной 20 областях. Разница этих площадей равна площади седла 2 клапана.

2. Усилием, создаваемым полем постоянного магнита 8. Это усилие передается к запорному органу через шток 10 и элемент регулировки 12. Площадка 11 с постоянным магнитом 8 отделена от магнитного элемента 9 воздушным зазором 13, который гарантирует действие второй составляющей на запорном органе.

Необходимость использования второй силы для запирания клапана (в прототипе в качестве второй силы используется запорная пружина) обусловлено двумя причинами:
- необходимостью обеспечить закрытое состояние клапана при отсутствии на его входе рабочей среды;
- недостаточностью усилия, создаваемого действием рабочей среды в диапазоне низких рабочих давлений, для надежного закрывания клапана.

При включении напряжения питания сервопривода 7 последний закрывает канал 17 подачи рабочей среды в надмембранную 19 область и открывает канал 18 сброса рабочей среды из надмембранной 19 области В результате изменения состояния сервопривода 7 рабочая среда по каналу 18 удаляется из надмембранного пространства. Теперь уже усилие рабочей среды, действующее на мембрану 4 и запорный орган, меняет направление своего действия. Связано это с тем, что давление в подмембранной 20 области осталось неизменным, а давление над мембраной упало и продолжает снижаться.

По мере сброса рабочей среды из надмембранной 19 области растет усилие рабочей среды, направленное теперь уже на открывание клапана. В момент, когда это усилие превысит усилие, с которым шток 10 прижимает запорный орган к седлу 2, клапан начинает открываться. При этом запорный орган, перемещаясь от седла 2 вверх, поднимает шток 10 с постоянным магнитом 8. В результате начинает увеличиваться расстояние (воздушный зазор 13) между магнитным элементом 9 и постоянным магнитом 8. С увеличением этого расстояния уменьшается усилие, с которым магнит 8 притягивается к магнитному элементу 9, соответственно уменьшается и усилие, с которым шток 10 через элемент регулировки 12 прижимает запорный орган к седлу 2 клапана. Вследствие последнего обстоятельства возникает дополнительное усилие, направленное на перемещение запорного органа еще дальше от седла, и т.д.

Заканчивается этот процесс, когда запорный орган занимает крайнее верхнее положение, соответствующее полному открывайте клапана.

После отключения напряжения питания сервопривода 7 последний закрывает канал 18 сброса рабочей среды из надмембранной 19 области, открывает канал 17 напуска ее в надмембранную область. После заполнения рабочей средой надмембранной области, усилия рабочей среды над мембраной и под мембраной уравновешивают друг друга. Мембрана 4 под действием собственного веса и веса запорного органа перемещается вниз в направлении к седлу 2 клапана. Одновременно с запорным органом опускается и шток 10 с постоянным магнитом 8. По мере перемещения штока 10 с магнитом 8 вниз уменьшается расстояние между магнитным элементом 9 и постоянным магнитом 8. Соответственно увеличивается усилие магнита 8, направленное на перемещение запорного органа к седлу. Процесс этот носит лавинообразный характер, что способствует сокращению времени закрывания клапана.

Заявляемый клапан выполнен с применением следующих материалов и комплектующих:
1. В клапане, приведенном на фиг.1, корпус 1 с седлом 2, крышка 3, мембрана 4, запорный орган с верхним диском 5 и нижней мягкой прокладкой 6, сервопривод 7 были использованы от клапана типа КГ, серийно выпускаемого заводом "Старорусприбор".

В клапане, приведенном на фиг.2, корпус 1 с седлом 2, крышка 3, мембрана 4, запорный орган с верхним диском 5 и нижней мягкой прокладкой 6, сервопривод 7 были использованы от клапана типа КЗМЭФ, серийно выпускаемого предприятием ООО НТТП "ТАН-ИТ", по лицензии, использующей свидетельство на полезную модель 6213.

2. Постоянный магнит 8 выполнен из самарий-кобальта в виде диска диаметром 10 мм, высотой 10 мм (покупное изделие).

3. Магнитный элемент 9 в соответствии с фиг.1 выполнен методом токарной обработки из прутка Сталь 10-2 ГОСТ 1050-88, в соответствии с фиг.2, в качестве магнитного элемента используется крышка клапана, изготовленная метолом штамповки, из стали обыкновенного качества х/к листовой толщиной 1,5 мм.

4. Шток 10 с площадкой 11 выполнен методом токарной обработки из латуни Л63ДП ГОСТ 2060-73.

5. Регулировочный винт 12 выполнен методом токарной обработки из стального прутка ГОСТ 2590-80.

Заявляемый клапан обеспечивает:
1. Снижение гидродинамическою сопротивления клапана при давлении рабочей среды 1,0 КПа более чем в 1,5 раза, а при давлении рабочей среды 0,1 КПа - более чем в 3 раза.

2. Возможность перестройки начального рабочего давления клапана без замены каких-либо его конструктивных элементов (давления, при котором клапан начинает открываться) в диапазоне от 0,1 до 1,0 КПа.

Изобретение относится к арматуростроению, в частности т к клапанам мембранным с электромагнитным приводом, используемым в системах автоматики теплоэнергетических установок, технологических трубопроводных системах для управления потоком жидких либо газообразных сред. Электромагнитный клапан содержит корпус с седлом, крышку, мембрану, установленную между корпусом и крышкой, запорный орган, состоящий из верхнего диска и нижней мягкой прокладки, сервопривод. В устройство введены постоянный магнит, магнитный элемент, шток с площадкой для размещения постоянного магнита и элемент регулировки. При этом шток с площадкой и постоянным магнитом установлены с возможностью перемещения вдоль оси симметрии седла и взаимного воздействия между штоком с постоянным магнитом и запорным органом. Положение элемента регулировки выбрано с условием обеспечения заданного воздушного зазора между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом - с другой стороны, при установке запорного органа на седло клапана. Причем в качестве магнитного элемента может быть использован элемент конструкции клапана, изготовленный из магнитного материала. Изобретение позволяет создать условия для полного открывания клапана в диапазоне низких рабочих давлений и снижения на этой основе его гидродинамического сопротивления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный клапан, содержащий корпус с седлом, крышку, мембрану, установленную между корпусом и крышкой, запорный орган, состоящий из верхнего диска и нижней мягкой прокладки, сервопривод, отличающийся тем, что в состав устройства введены постоянный магнит, магнитный элемент, шток с площадкой для размещения постоянного магнита и элемент регулировки, при этом шток с площадкой и постоянным магнитом установлен с возможностью перемещения вдоль оси симметрии седла и взаимного воздействия между штоком с постоянным магнитом и запорным органом, а положение элемента регулировки выбрано с условием обеспечения заданного воздушного зазора между постоянным магнитом либо площадкой, на которой он расположен, с одной стороны, и магнитным элементом, с другой стороны, при установке запорного органа на седло клапана. 2. Электромагнитный клапан по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного элемента может использоваться элемент конструкции клапана, выполненный из магнитного материала.