КЛАПАН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к клапанам, предназначенным для перекрывания газовых потоков на границе среды с давлением от 2-3 атмосфер до среднего вакуума со средой с давлением от атмосферы до среднего вакуума (10^-5-10^-6 Па).

Из уровня техники известен клапан электромагнитный, содержащий полый корпус, в котором установлен электромагнитный привод, включающий обмотку и подпружиненный якорь, связанный с центральной частью мембраны, закрепленной на корпусе, подмембранная полость соединена с окружающей средой, а надмембранная заполнена жидкой средой (авторское свидетельство СССР №691637, 15.10.1979). При подаче напряжения на обмотку электромагнита якорь втягивается в катушку, и якорь поднимает мембрану в состояние «открыто», преодолевая усилие пружины.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции вследствие наличия корпуса, потребление электроэнергии при открытом состоянии клапана, наличие жидкости усложняет конструкцию, предъявляя повышенные требования к герметичности.

Задачей заявленного изобретения является разработка простых и компактных клапанов, обладающих уменьшенным потреблением электроэнергии.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции клапана за счет его бескорпусной конструкции при одновременном снижении потребления электроэнергии в случае использования мембраны с прощелкиванием.

Поставленная задача решается тем, что по первому варианту клапан содержит электромагнитный привод, включающий обмотку и якорь, мембрану, закрепленную центральной частью на седле клапана, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, а периферийной частью на якоре электромагнитного привода, установленном с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной отверстия или отверстий, выполненных в седле клапана. В центральной части якоря выполнено отверстие, через которое проходит ограничитель хода якоря, одним концом закрепленный в центральной части мембраны, а на другом конце имеющий упор.

Обмотка электромагнитного привода может быть расположена над якорем или на держателе, закрепленном в центральной части мембраны, или под седлом клапана.

Данный вариант клапана эффективен при возможности использования обмотки какого-либо устройства для синхронного срабатывания упомянутого устройства и клапана либо для подачи на обмотку меньшего напряжения для срабатывания устройства, но достаточного для срабатывания клапана.

Для уменьшения жесткости мембраны ее прикрепление к якорю может осуществляться с помощью лепестков, выполненных по ее внешнему краю и расположенных перпендикулярно ее плоскости.

Мембрана может быть выполнена с прощелкиванием или простой без прощелкивания: нормально-открытой, т.е. не перекрывающей отверстия, когда на обмотку электромагнитного привода напряжение не подается, или нормально-закрытой, т.е. перекрывающей отверстия, когда на обмотку электропривода напряжение не подается.

Данный вариант клапана оптимален для размещения на относительно тонких, магнитно-прозрачных и хрупких корпусах установок, на которых нежелательно сверление отверстий, нанесение резьбы или использование лазерной или контактной сварки (например, на стеклянных или керамических корпусах). При этом седло клапана состоит из корпуса с отверстием, к которому прикреплена пластина с по меньшей мере одним отверстием в центральной части, которой закреплена мембрана.

По второму варианту клапан содержит электромагнитный привод, включающий обмотку и статор, мембрану, связанную своей центральной частью на седле клапана, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, а периферийной частью - на обмотке электромагнитного привода, выполненной с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной отверстия или отверстий в седле клапана.

Данный вариант клапана отличается значительной компактностью, простотой установки и возможностью установки в любом удобном месте.

Мембрана может быть выполнена с прощелкиванием или без прощелкивания: нормально-открытой или нормально-закрытой.

Статор может быть расположен над обмоткой привода и размещен на одном из концов держателя, другим концом закрепленного в центральной части мембраны посредством лазерной или контактной сварки.

Мембрана может быть прикреплена своей центральной частью непосредственно к седлу клапана или к резьбовому крепежному элементу, проходящему через отверстие, выполненное в седле.

По третьему варианту клапан содержит электромагнитный привод, включающий обмотку и якорь, основание с выполненным в нем, по меньшей мере, одним сквозным отверстием и с кольцевым пазом, выполненным на его боковой поверхности, в котором размещена обмотка электромагнитного привода, мембрану, закрепленную своей периферийной частью на якоре электромагнитного привода, установленном с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной отверстия или отверстий основания, а центральной частью - на торце верхней части основания непосредственно или посредством держателя.

Данный вариант клапана хотя и имеет несколько большие габариты, но значительно более прост в установке и замене, т.к. для его установки на тонкий корпус требуется только создание сквозного отверстия, а на толстый корпус создание сквозного отверстия с резьбой.

Мембрана может быть выполнена с прощелкиванием или без прощелкивания: нормально-закрытой или нормально-открытой.

Основание клапана может быть выполнено в виде винта, при этом кольцевой паз выполнен в шляпке винта, а на резьбовой части винта размещена уплотнительная прокладка.

Держатель может быть выполнен в виде скобы, размещенной в кольцевой проточке, выполненной коаксиально сквозному отверстию основания.

Клапан может быть выполнен с кольцевым уплотнением, расположенным по контуру торца основания или по контуру мембраны.

По четвертому варианту клапан содержит электромагнитный привод, включающий обмотку и якорь, основание с выполненным в нем, по меньшей мере, одним сквозным отверстием и с кольцевым пазом, выполненным на его боковой поверхности, в котором размещена обмотка электромагнитного привода, мембрану, закрепленную своей периферийной частью на якоре электромагнитного привода, установленном с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной отверстий основания, а центральной частью - на колпачке, надетом на основание, при этом в колпачке выполнено, по меньшей мере, одно отверстие.

Данная конструкция клапана хотя и имеет наибольшие габариты из всех предыдущих конструкций, но имеет преимущество в том, что хрупкая и уязвимая часть клапана - мембрана надежно защищена колпачком.

Колпачок может быть соединен с основанием посредством резьбы. Отверстия выполняют в боковой стенке колпачка.

Мембрана может быть закреплена на выступе, расположенном на внутренней поверхности торцевой стенки колпачка.

Основание может быть выполнено в виде винта, при этом кольцевой паз выполнен в шляпке винта, а на резьбовой части винта размещена уплотнительная прокладка. Мембрана может быть выполнена с прощелкиванием или без прощелкивания: нормально-закрытой или нормально-открытой.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен клапан со стационарно установленной обмоткой электромагнитного привода над седлом и якорем клапана (первый вариант изобретения).

На фиг.2 изображен клапан со стационарно установленным якорем (статором привода), расположенным над седлом и обмоткой привода (второй вариант изобретения).

На фиг.3 изображен клапан по первому варианту изобретения с расположением обмотки привода над седлом клапана, закрепленной на держателе.

На фиг.4 изображен клапан по первому варианту изобретения с расположением обмотки привода под седлом клапана.

На фиг.5 изображен клапан с открытым основанием (третий вариант изобретения).

На фиг.6 изображен клапан с закрытым основанием (четвертый вариант изобретения).

Клапан по первому варианту (фиг.1, 3, 4) содержит мембрану 1, закрепленную центральной частью на седле 2 клапана, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие 3, а периферийной частью на якоре 4, установленном с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной 1 отверстий 3, и стационарно установленную обмотку 5 электропривода. По внешнему контуру мембраны размещено уплотнение 6, которое может быть расположено также на седле 2 клапана.

Как частный вариант мембрана 1 может быть выполнена с прощелкиванием (фиг.1) или без прощелкивания: нормально-закрытой (фиг.3) и нормально-открытой (фиг.4).

На фиг.1 показан вариант клапана с расположением обмотки 5 электромагнитного привода над седлом 2 и якорем 4 клапана. При этом в центральной части якоря 4 выполнено отверстие, через которое проходит ограничитель 7 хода якоря, одним концом 8 закрепленный в центральной части мембраны 1, а на другом конце имеющий кольцевой упор 9. Мембрана 1 прикреплена к якорю 4 с помощью лепестков 10, выполненных по ее внешнему краю и расположенных перпендикулярно ее плоскости.

На фиг.3 показан вариант клапана, в котором обмотка 5 привода размещена на одном из концов держателя 11, другой конец которого закреплен в центральной части мембраны посредством лазерной или контактной сварки.

На фиг.4 показан вариант клапана, в котором обмотка 5 электромагнитного привода расположена под седлом 2 клапана. При этом седло 2 клапана состоит из корпуса 12 с отверстием 3, к которому приклеено основание 13 с по меньшей мере одним отверстием. С противоположной от мембраны стороны к корпусу 12 приклеена обмотка 5 электромагнитного привода.

Клапан по второму варианту (фиг.2) содержит мембрану 1, закрепленную центральной частью на седле 2 клапана, в котором выполнено по меньшей мере одно отверстие 3, а периферийной частью на обмотке 5 привода, выполненной с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной 1 отверстий 3, и статора 4 (якоря) привода.

Как вариант, мембрана 1 выполнена с прощелкиванием, при этом статор 4 расположен над обмоткой 5 привода и размещен на одном из концов держателя 11, другим концом закрепленного в центральной части мембраны 1 посредством лазерной или контактной сварки. Мембрана 1 прикреплена к шляпке винта 14, проходящего через отверстие, выполненное в седле 2, и закрепленного гайкой 15.

Клапан по третьему варианту (фиг.3) содержит основание 16 с выполненным в нем сквозным отверстием 17 и с кольцевым пазом 18, выполненным на его боковой поверхности, в котором размещена обмотка 5 электромагнитного привода, мембраны 1, выполненной с прощелкиванием и закрепленной своей периферийной частью на якоре 4, установленном с возможностью перемещения и перекрывания совместно с мембраной 1 отверстия 17 основания 16, а центральной частью на держателе 19, выполненном в виде скобы, закрепленной в проточке 20 торца верхней части основания 16, на которой размещено уплотнение 21. Основание 16 выполнено в виде винта, при этом кольцевой паз выполнен в шляпке 22 винта, а на резьбовой части 23 винта размещена уплотнительная прокладка 24.

Клапан по четвертому варианту (фиг.6) аналогичен предыдущему варианту с той лишь разницей, что на основание 16 при помощи резьбы навинчен колпачок 25, в боковой стенке которого выполнены отверстия 26. Мембрана 1 центральной частью закреплена на выступе 27, расположенном на внутренней поверхности торцевой стенки колпачка 25.

Работа клапана по первому и по второму варианту, в которых мембрана 1 выполнена с прощелкиванием, а якорь 4 и обмотка 5 находятся над седлом клапана, осуществляется следующим образом (фиг.1, 2).

Клапан открыт.

На обмотку 5 привода подается напряжение определенной полярности, по обмотке протекает ток. Между якорем 4 и обмоткой 5 возникает отталкивающая сила, которая передается на мембрану 1, в результате чего последняя деформируется и прощелкивается. Мембрана 1 прижимается к седлу 2 клапана, деформируя уплотнитель 6, в результате чего происходит перекрытие и герметизация отверстий 3.

Клапан закрыт.

На обмотку 5 подается напряжение обратной полярности, по обмотке протекает ток в обратном направлении. Между якорем 4 и обмоткой 5 возникает притягивающая сила, которая передается на мембрану 1, в результате чего последняя деформируется и прощелкивается в обратном направлении. Происходит разгерметизация и открытие перекрываемых отверстий. Подача напряжения на обмотку 5 прекращается.

Клапан открыт.

Работа клапана по третьему и по четвертому варианту (фиг.5, 6), в которых мембрана 1 выполнена с прощелкиванием, якорь 4 размещен над седлом 2 клапана, а обмотка 5 под седлом клапана, осуществляется аналогично предыдущему варианту, но при закрытии клапана происходит притяжение обмотки 5 и якоря 4, а при открытии - их отталкивание.

Работа клапана по первому варианту, в которых мембрана 1 выполнена без прощелкивания нормально закрытой, а якорь 4 и обмотка 5 находятся над седлом 2 клапана, осуществляется следующим образом (фиг.3).

Клапан закрыт.

На обмотку 5 привода подается напряжение определенной полярности, по обмотке протекает ток. Между якорем 4 и обмоткой 5 возникает притягивающая сила, которая передается на мембрану 1, в результате чего последняя деформируется. Происходит разгерметизация и открытие перекрываемых отверстий. Мембрана 1 дальше отходит от седла, еще больше открывая отверстия 3.

Клапан открыт.

На обмотку 5 прекращается подача напряжения. Усилие притяжения обмотки 5 и якоря 4 исчезает. Мембрана 1 возвращается в исходное положения, перекрывая с помощью уплотнителя 6 отверстия 3.

Клапан закрыт.

В случае нахождения обмотки 5 и якоря 4 по разные стороны от седла принцип работы аналогичен описанному варианту, но при подаче на обмотку 5 напряжения последняя и якорь 4 взаимо отталкиваются.

Работа клапана по первому варианту, в которых мембрана 1 выполнена без прощелкивания нормально-открытой, якорь 4 находится над седлом, обмотка 5 под седлом, осуществляется следующим образом (фиг.4).

Клапан открыт.

На обмотку 5 привода подается напряжение определенной полярности, по обмотке протекает ток. Возникает сила, притягивающая якорь 4 и обмотку 5, которая передается на мембрану 1, в результате чего последняя деформируется и через уплотнитель 6 прижимается к седлу клапана, герметизируя отверстие 3.

Клапан закрыт.

На обмотку 5 прекращается подача напряжения. Усилие притяжения обмотки 5 и якоря 4 исчезает. Мембрана 1 возвращается в исходное положения, открывая отверстие 3. Клапан открыт.

В случае нахождения якоря 4 и обмотки 5 по одну сторону от седла принцип работы аналогичен вышеописанному варианту, но при подаче напряжения на обмотку 5 последняя и якорь 4 взаимно отталкиваются.

Вышеописанные конструкции клапанов просты в управлении и легко поддаются автоматизации. Линейный электромагнитный привод, встроенный в конструкцию клапанов, и мембрана, выполняющая роль тарелки клапана, позволяют сделать клапаны компактными и с очень маленькой металлоемкостью, а возможность применения бескорпусных вариантов значительно улучшает эти параметры. Клапаны не имеют узлов трения движения, а следовательно, не загрязняют среду микрочастицами износа и высокомолекулярными углеродными загрязнениями, выделяющимися из смазки. В случае применения специального провода обмотки и фторопластового уплотнителя клапаны могут работать при температуре 300-400°С.

Режим работы мембраны с прощелкиванием, малой перемещаемой массой и небольшим ходом якоря привода позволяет значительно снизить размеры приводной обмотки, а также еще в большей степени снизить размеры обмотки при применении специальной автоматики и работе обмотки в импульсном режиме с большими токами (длительность импульса 0,05-0,5 с), что также позволит сделать конструкции клапанов еще более компактными.

При применении клапанов в ответственных конструкциях возможна установка резервного привода либо управление сильным внешним магнитным полем.

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к клапанам, предназначенным для перекрывания газовых потоков на границе среды с давлением от 2-3 атмосфер до среднего вакуума со средой с давлением от атмосферы до среднего вакуума (10^-5-10^-6 Па). Конструкции клапанов содержат седло с отверстием или отверстиями, над которым центральной частью закреплена мембрана, выполненная с прощелкиванием или без прощелкивания: нормально-открытой или нормально-закрытой. Клапан приводится в действие линейным электродвигателем, состоящим из обмотки и якоря, которые могут быть установлены как подвижно, так и неподвижно. Клапан может приводиться в действие также внешним приводом другого электромагнитного устройства. Использование изобретения позволяет уменьшить потребление электроэнергии и загрязнение электромагнитным полем технологической среды, повысить надежность и долговечность работы клапанов при их относительно простой и компактной конструкции. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Клапан, содержащий электромагнитный привод, включающий обмотку и якорь, и мембрану, закрепленную центральной частью на седле клапана, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, а периферийной частью - на якоре электромагнитного привода, установленном с возможностью перемещения и перекрывания мембраной отверстия или отверстий, выполненных в седле клапана, в центральной части якоря выполнено отверстие, через которое проходит ограничитель хода якоря, одним концом закрепленный в центральной части мембраны, а на другом конце имеющий упор. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что мембрана выполнена с возможностью прощелкивания или без прощелкивания.3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что обмотка электромагнитного привода расположена над якорем.4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что обмотка электромагнитного привода размещена на держателе, закрепленном в центральной части мембраны.5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что обмотка электромагнитного привода расположена под седлом клапана.6. Клапан по любому из пп.1, 3, 5, отличающийся тем, что седло клапана состоит из корпуса с отверстием, к которому прикреплена пластина с, по меньшей мере, одним отверстием, в центральной части которой закреплена мембрана.7. Клапан, содержащий электромагнитный привод, включающий обмотку и статор, и мембрану, связанную своей центральной частью с седлом клапана, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, а периферийной частью - с обмоткой электромагнитного привода, выполненной с возможностью перемещения и перекрывания мембраной отверстия или отверстий в седле клапана.8. Клапан по п.7, отличающийся тем, что статор размещен на держателе, закрепленном в центральной части мембраны.9. Клапан по п.7 или 8, отличающийся тем, что мембрана прикреплена своей центральной частью непосредственно к седлу клапана или к резьбовому крепежному элементу, проходящему через отверстие, выполненное в седле.10. Клапан по п.7, отличающийся тем, что мембрана выполнена с прощелкиванием или без прощелкивания.11. Клапан, содержащий электромагнитный привод, включающий обмотку и якорь, основание с выполненным в нем, по меньшей мере, одним сквозным отверстием и с размещенной на нем обмоткой электромагнитного привода, и мембрану, закрепленную своей периферийной частью на якоре электромагнитного привода, установленном с возможностью перемещения и перекрывания мембраной отверстия или отверстий основания, а своей центральной частью мембрана закреплена на торце верхней части основания непосредственно или посредством держателя.12. Клапан по п.11, отличающийся тем, что основание выполнено в виде винта, при этом в шляпке винта выполнен кольцевой паз, а на резьбовой части винта размещена уплотнительная прокладка.13. Клапан по п.11, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде скобы, размещенной в кольцевой проточке, выполненной коаксиально сквозному отверстию основания.14. Клапан по любому из пп.11-13, отличающийся тем, что мембрана выполнена с прощелкиванием или без прощелкивания.15. Клапан по п.11, отличающийся тем, что он выполнен с кольцевым уплотнением, расположенным по контуру торца основания и/или по контуру мембраны.16. Клапан, содержащий электромагнитный привод, включающий обмотку и якорь, основание с выполненным в нем, по меньшей мере, одним сквозным отверстием и с размещенной на нем обмоткой электромагнитного привода, и мембрану, закрепленную своей периферийной частью на якоре электромагнитного привода, установленном с возможностью перемещения и перекрывания мембраной отверстий основания, а центральной частью - на колпачке, надетом на основание, при этом в колпачке выполнено, по меньшей мере, одно отверстие.17. Клапан по п.16, отличающийся тем, что колпачок соединен с основанием посредством резьбы.18. Клапан по п.16, отличающийся тем, что мембрана закреплена на выступе, расположенном на внутренней поверхности торцевой стенки колпачка.19. Клапан по п.16, отличающийся тем, что основание выполнено в виде винта, при этом в шляпке винта выполнен кольцевой паз, а на резьбовой части винта размещена уплотнительная прокладка.20. Клапан по любому из пп.16-19, отличающийся тем, что мембрана выполнена с прощелкиванием или без прощелкивания.21. Клапан по п.16, отличающийся тем, что он выполнен с уплотнением, расположенным по контуру торца основания и/или по контуру мембраны.