УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА Российский патент 2005 года по МПК G05D7/03 F16K17/40 

Изобретение относится к запорной арматуре и может быть использовано для регулирования расхода среды, например, в системе отопления железнодорожных вагонов.

Известно устройство для регулирования расхода, содержащее цилиндрический корпус с входной и выходной полостями, внутри которого расположен регулирующий орган в виде установленной в корпусе конической спирали, выполненной из трубки, первый конец которой соединен с источником управляющего давления, а второй конец, имеющий меньшее сечение, соединен с выходной полостью цилиндрического корпуса [1].

Недостатками этого устройства является сложность конструкции управляющей аппаратуры, которая, по крайней мере, должна иметь источник сжатого воздуха и регулирующий подачу воздуха клапан с приводом. Кроме того, при прохождении горячей среды через регулирующий орган последний требует охлаждения воздухом даже в том случае, когда никакого регулирования не проводится, т. е. происходит постоянное потребление энергии.

Прототипом является устройство, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, между которыми установлен запорный орган, связанный с основным сильфоном, заполненным жидкостью с большим коэффициентом объемного расширения, в котором установлен термопреобразователь, подключенный к схеме управления, и камеру задания, в которой размещен основной сильфон, один торец которого закреплен неподвижно, а на подвижном конце закреплен шток и ограничители хода штока, соединенные с электромагнитным приводом [2].

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и относительно большое потребление энергии, связанное с тем, что для более точной регулировки расхода необходимо поддерживать нужный объем жидкости, постоянно пропуская через термопреобразователь ток. Кроме того, в случае пропускания холодной среды через регулирующий орган необходимо увеличивать ток через термопреобразователь для сохранения постоянства расхода.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции, повышение надежности и снижение энергетических затрат в процессе эксплуатации.

Задача решается тем, что в устройстве для регулирования расхода, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, между которыми установлен запорный орган, связанный рычагом с упругим элементом, который соединен с камерой задания, нагревательный элемент и катушку, камера задания заполнена легкоплавким материалом, рычаг выполнен двуплечим, при этом один конец рычага соединен с запорным органом, другой погружен в легкоплавкий материал, имеющий тепловой контакт с нагревательным элементом, а запорный орган из ферромагнитного материала размещен в электромагнитном поле, создаваемом катушкой.

В крайнем закрытом положении запорного органа упругий элемент не деформирован. В крайнем закрытом положении запорного органа упругий элемент деформирован. Упругий элемент выполнен заодно с корпусом. Легкоплавкий материал заполняет всю камеру задания. Двуплечий рычаг закреплен в центре упругого элемента, выполненного в виде мембраны. Камера задания выполнена заодно с нагревателем. Второй конец рычага выполнен в виде перфорированной пластины. Запорный орган выполнен в виде магнита. В промежуточном положении запорного органа между его двумя крайними положениями, в котором он находится большее время в процессе работы, упругий элемент не деформирован.

Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат, заключающийся в простоте конструкции и снижении энергетических затрат в процессе эксплуатации.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Заполнение камеры задания легкоплавким материалом дает возможность использовать его в качестве управляемого фиксатора запорного органа, для разблокирования которого необходимо расплавить материал. При этом энергия затрачивается только в момент установки запорного органа в нужное положение, т.е. в процессе перенастройки. В остальное время фиксатор удерживает запорный орган в нужном положении без затрат энергии.

Выполнение рычага двуплечим, соединение одного конца рычага с запорным органом и погружение другого конца в легкоплавкий материал, имеющий тепловой контакт с нагревательным элементом, позволяет связать задающий и запорный органы одним передаточным звеном, что упрощает конструкцию и повышает точность положения запорного органа.

Размещение запорного органа из ферромагнитного материала в электромагнитном поле, создаваемом катушкой, дает возможность управлять последней непосредственно запорным органом напрямую, что упрощает конструкцию и снижает весогабаритные характеристики устройства.

Отсутствие деформации упругого элемента в крайнем закрытом положении запорного органа снижает энергопотребление при перемещении этого органа в нужное положение. Однако воздействие какой-либо силы на указанный орган, например инерционной или силы веса (в случае, когда устройство находится в вертикальном положении), может привести к неполному прилеганию запорного органа к седлу, т.е. к неполному закрытию. Поэтому деформация упругого элемента в крайнем закрытом положении запорного органа дает возможность расширить сферу применения устройства, например эксплуатировать его в любом положении на транспортном средстве, не усложняя при этом конструкцию устройства.

Выполнение упругого элемента заодно с корпусом упрощает конструкцию устройства и повышает его надежность.

Заполнение легкоплавким материалом всей камеры задания дает возможность без изменения толщины мембраны, а следовательно, без увеличения энергопотребления при перенастройке запорного органа выдерживать большие давления среды в корпусе. Расплавленный при перенастройке легкоплавкий материал, перешедший в жидкое состояние, не позволяет упругому элемент, на который действует в данном случае большая сила давления, перемещаться вверх. Благодаря этому нормальная работа устройства не нарушается.

Закрепление двуплечего рычага в центре упругого элемента, выполненного в виде мембраны, дает возможность симметрично деформироваться последнему при перенастройке запорного органа, благодаря чему положение точки, вокруг которой поворачивается орган, остается неизменным в пространстве, и надежность работы устройства повышается.

Выполнение камеры задания заодно с нагревателем упрощает конструкцию и уменьшает время перенастройки, поскольку в этом случае остаточное в нагревателе тепло частично рассеивается в окружающую среду, что ускорят процесс затвердевания легкоплавкого материала, а следовательно, снижается время фиксации запорного органа и энергопотребление устройства.

Выполнение второго конца рычага в виде перфорированной пластины позволяет при необходимости (например, в зависимости от свойств применяемого легкоплавкого материала) изменять силу гидравлического сопротивления, возникающую при перемещении второго конца рычага в расплавленном материале, что в целом упрощает конструкцию устройства.

Выполнение запорного органа в виде магнита позволяет уменьшить энергопотребление при перенастройке этого органа, а также перемещать его не посредством изменения напряжения в катушке, а путем изменения полярности напряжения катушки. При этом на ее концах будет происходить смена магнитных полюсов, и перемещение запорного органа будет происходить за счет отталкивания или притягивания его к катушке.

Отсутствие деформации упругого элемента в промежуточном положении запорного органа между его двумя крайними положениями дает возможность возвращать его в указанное промежуточное положение из любого другого путем подачи напряжения только на нагревательный элемент. Как только легкоплавкий материал перейдет в жидкую фазу, запорный орган вернется в промежуточное положение за счет силы упругости сдеформированного этого упругого элемента. Целесообразно указанное промежуточное положение запорного органа выбирать таким, в котором он находится большее время в процессе работы. Тогда в отличные от промежуточного положения запорный орган будет перемещаться с помощью катушки, а возвращаться самостоятельно. Это упростит управление и уменьшит расход энергии.

На фиг.1 изображено сечение устройства для регулирования расхода. На фиг.2. изображен упругий элемент, выполненный заодно с корпусом устройства. На фиг.3 показан вид А фиг.2 (легкоплавкий материал не показан).

Устройство содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, между которыми установлен запорный орган 4, связанный концом 5 двуплечего рычага с упругим элементом 6, другой конец 7 которого размещен в камере 8 задания и погружен в легкоплавкий материал 9, заполняющий камеру и имеющий тепловой контакт с нагревательным элементом 10. Запорный орган размещен в электромагнитном поле, создаваемом катушкой 11. На камере задания могут быть установлены элементы, например герконы 12, регистрирующие положение конца 7 рычага (положение запорного органа), при этом конец 7 может быть выполнен в виде магнита, а также в виде перфорированной пластины 13. Камера может быть выполнена заодно с нагревателем путем размещения в нужной зоне камеры резистивного слоя 14.

Работает устройство следующим образом.

В исходном состоянии нагревательный элемент 10 и катушка 11 обесточены, запорный орган 4 находится в положении, при котором обеспечивается необходимый расход среды.

Для перенастройки рабочего органа катушку и нагревательный элемент подключают к источнику напряжения (не показан). При этом легкоплавкий материал 9 начинает размягчаться и переходить в жидкую фазу.

Для увеличения расхода напряжение на катушке должно быть такой величины, чтобы сила, возникающая в электромагнитном поле катушки и притягивающая запорный орган, была больше силы гидравлического сопротивления, действующей на запорный орган (сопротивление потоку среды) и на конец 7 рычага (сопротивление жидкой фазы легкоплавкого материала), и силы упругости деформирующегося упругого элемента 6. В этом случае запорный орган будет притягиваться к катушке 11, зазор между ним и седлом патрубка 3 будет увеличиваться, и расход среды возрастет. Для определения величины расхода можно использовать герконы 12, по срабатыванию которых можно определить положение конца 7 рычага, а следовательно, косвенно (зная давление среды) расход среды. После перевода запорного органа в нужное положение обесточивают нагревательный элемент, в результате чего легкоплавкий материал из жидкой фазы переходит в твердую и фиксирует запорный орган в указанном положении. При выполнение второго конца рычага в виде перфорированной пластины 13 можно изменять силу гидравлического сопротивления путем изменения числа и диаметра отверстий.

Если необходимо уменьшить расход среды, то, предварительно включив нагревательный элемент, подают на катушку напряжение такой величины, чтобы сила, возникающая в электромагнитном поле катушки и притягивающая запорный орган, была меньше силы гидравлического сопротивления, действующей на запорный орган (сопротивление потоку среды) и на конец 7 рычага (сопротивление жидкой фазы легкоплавкого материала), и силы упругости деформированного упругого элемента 6. При переходе легкоплавкого материала в жидкую фазу запорный орган будет приближаться к седлу патрубка 3, и расход среды будет уменьшаться вплоть до нуля. Фиксируют запорный орган в нужном положении аналогичным образом. Заметим, что если запорный орган выполнен в виде магнита, то, подав на катушку напряжение другой полярности, можно прижать этот орган к седлу патрубка 3 с определенной силой.

Если необходимо перевести запорный орган 4, выполненный в виде магнита, в положение, в котором он находится большую часть времени в процессе работы и в котором упругий элемент 6 не деформирован, то для этого нужно подать напряжение только на нагревательный элемент 10. После перехода легкоплавкого материала в жидкую фазу запорный орган возвратится (встанет) в указанное положение.

При выполнении камеры заодно с нагревателем путем размещения в нужной зоне камеры резистивного слоя 14 уменьшается время фиксации запорного органа (поскольку тепло выключенного нагревателя частично рассеивается через стенку камеры наружу). При этом снижается и энергопотребление устройства, поскольку катушка, удерживающая запорный элемент в нужном положении до момента его фиксации, будет находиться под напряжением меньшее время.

Внедрение изобретения позволит регулировать расход среды простым в управлении, надежным и герметичным устройством, которое потребляет энергию только в процессе перенастройки запорного органа.

Источники информации

1. А.с. СССР №981948, МПК G 05 D, 7/03, 1982 - аналог.

2. А.с. СССР №1330609, МПК G 05 D, 7/03,1987 - прототип.

Возможная область использования изобретения - регулирование расхода среды в системе отопления железнодорожных вагонов. Устройство содержит корпус с входным и выходным патрубками, между которыми установлен запорный орган, соединенный с одним концом двуплечего рычага, посредством которого запорный орган связан с упругим элементом (например, в виде мембраны). Другой конец рычага погружен в легкоплавкий материал, заполняющий камеру задания и имеющий тепловой контакт с нагревательным элементом. Запорный орган из ферромагнитного материала (в варианте - в виде магнита) размещен в электромагнитном поле, создаваемом катушкой. Устройство имеет простую конструкцию и обеспечивает низкие энергетические затраты в процессе эксплуатации. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для регулирования расхода, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, между которыми установлен запорный орган, связанный рычагом с упругим элементом, который соединен с камерой задания, нагревательный элемент и катушку, отличающееся тем, что камера задания заполнена легкоплавким материалом, рычаг выполнен двуплечим, при этом один конец рычага соединен с запорным органом, другой погружен в легкоплавкий материал, имеющий тепловой контакт с нагревательным элементом, а запорный орган из ферромагнитного материала размещен в электромагнитном поле, создаваемом катушкой.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в крайнем закрытом положении запорного органа упругий элемент недеформирован.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в крайнем закрытом положении запорного органа упругий элемент деформирован.4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен заодно с корпусом.5. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что легкоплавкий материал заполняет всю камеру задания.6. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что двуплечий рычаг закреплен в центре упругого элемента, выполненного в виде мембраны.7. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что камера задания выполнена заодно с нагревателем.8. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что второй конец рычага выполнен в виде перфорированной пластины.9. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что запорный орган выполнен в виде магнита.10. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что в промежуточном положении запорного органа между его двумя крайними положениями, в котором он находится большее время в процессе работы, упругий элемент недеформирован.