ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК F16K31/06 F16K31/11 

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к предохранительным (отсечным) клапанам с электромагнитным приводом, используемым в системах автоматики теплоэнергетических установок, технологических трубопроводных системах для управления потоком природного газа.

Известны электромагнитные клапаны прямого действия, например, А.С. СССР N1000654, МКИ F16K 31/02, опубл. 28.02.83. Бюллетень N8.

Устройство содержит якорь - запорный орган с уплотнителем. В корпусе клапана имеется седло, к которому с помощью пружины прижимается запорный орган. Управление клапаном осуществляется с помощью электромагнитного привода встроенного типа с изолирующей трубкой, в которой установлены толкатель и стопа. При подаче питания на электромагнитный привод толкатель перемещается к стопе, увлекая за собой запорный орган.

Недостатком клапана является необходимость применения мощного электромагнитного привода. Причем с увеличением условного прохода клапана увеличивается ход запорного органа и, как следствие, должна увеличиваться необходимая для управления клапаном мощность электромагнита. С ростом же мощности увеличивается рабочая температура электромагнитного привода, что ведет к снижению надежности клапана.

Известны электромагнитные клапаны с мембранным управлением, например, типа КГ, P.P.Рыбаков. «Автоматизация газифицированных агрегатов». Л.: Лениздат, «Недра», стр.122-123). Клапаны этого типа содержат корпус, крышку, мембрану, установленную между ними, однотарельчатый золотник, состоящий из верхнего диска и мягкой прокладки, сервопривод с электромагнитным управлением.

К достоинствам клапана относится возможность управления клапаном с помощью рабочей среды, что создает условия для минимизации мощности электромагнита.

К недостаткам клапана следует отнести:

- большие габаритные размеры, что объясняется тем, что для эффективного управления клапаном при низких давлениях рабочей среды необходимо использовать мембрану с большой площадью,

- мощность электромагнита остается достаточно большой (6-10 Вт).

Известен электропневмоклапан по патенту РФ №2038520, МКИ F16K 31/00, Н 01...7.18, опубл. 27.06.95. Бюл. №18. Электропневмоклапан содержит схему управления электромагнитом. Указанная схема обеспечивает форсированное включение клапана, при этом удержание его в рабочем состоянии осуществляется пониженной мощностью за счет широтно-импульсной модуляции напряжения питания, подводимого к электромагниту. Это позволяет снизить в несколько раз мощность, потребляемую электромагнитом в установившемся режиме, и соответственно повысить его надежность.

Недостатками клапана являются: необходимость использования специальной схемы управления, что усложняет конструкцию клапана; мощность, потребляемая клапаном в установившемся режиме, остается высокой.

Наиболее близким к заявляемому является электромагнитный клапан по патенту РФ №2282090, МПК F16K 31/06, опубл. 20.08.2006. Бюл. №23.

Устройство содержит электромагнит, седло клапана, запорный орган с якорем, механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит. В состав клапана входят две шайбы, одна из которых выполнена из магнитного материала. Обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит - с другой. Одна из шайб жестко связана посредством штока с запорным органом, другая установлена неподвижно. При установке клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга, а одна из шайб выполнена с возможностью регулировки расстояния между ними.

К достоинствам клапана следует отнести: простоту конструкции, высокую герметичность запорного органа, малое потребление электрической мощности, необходимой для удержания клапана в рабочем (открытом) состоянии.

К недостаткам - возможность нарушения герметичности клапана в области механизма установки клапана в открытое состояние.

Этот недостаток связан с тем, что для установки клапана в открытое состояние необходимо приложить прямое механическое воздействие из внешней среды на элементы, расположенные внутри клапана и контактирующие с рабочей средой. В подобных случаях всегда существует опасность протечки рабочей среды в окружающее пространство.

Задачей изобретения является устранение возможности нарушения герметичности клапана в области механизма установки клапана в открытое состояние.

Технический результат в заявляемом изобретении достигается тем, что предлагаемый электромагнитный клапан содержит: механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, якорь с запорным органом, шток, первую шайбу, выполненную из магнитотвердого материала, вторую шайбу - из магнитомягкого материала. Обе шайбы установлены с одной стороны относительно якоря с запорным органом, а электромагнит - с другой. Первая шайба жестко связана посредством штока с якорем и запорным органом. После установки клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга.

Согласно изобретению в состав механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние введена третья шайба из магнитотвердого материала.

При этом:

- направление магнитного поля третьей шайбы противоположно направлению магнитного поля первой шайбы;

- третья шайба жестко связана со второй шайбой и выполнена с возможностью установки в непосредственной близости от первой шайбы.

Кроме того, согласно изобретению вторая шайба может быть выполнена из магнитотвердого материала. При этом направление ее магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля первой шайбы.

Достижение технического результата в заявляемом устройстве обеспечивается введением в состав механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние третьей шайбы из магнитотвердого материала, жестко связанной со второй шайбой и выполненной с возможностью установки в непосредственной близости от первой шайбы.

Возможность размещения третьей шайбы в непосредственной близости от первой шайбы и выполнение этой шайбы из магнитотвердого материала с направлением магнитного потока, противоположным направлению магнитного потока первой шайбы, позволяет при установке клапана в открытое состояние воздействовать с помощью третьей шайбы на первую шайбу и соответственно на якорь с запорным органом дистанционно, посредством магнитных полей этих шайб. В результате этого воздействия магнитное поле третьей шайбы, действуя на магнитное поле первой шайбы, заставляет ее вместе с якорем и запорным органом перемещаться в направлении от третьей шайбы, т.е. в направлении, при котором затвор клапана открывается.

В свою очередь, возможность дистанционного воздействия третьей шайбы на первую шайбу с якорем и запорным органом при установке клапана в открытое состояние позволяет изменить механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние. При этом отпадает необходимость использования отверстия, через которое в рабочую полость вводился, согласно прототипу, шток механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние. Ликвидация этого отверстия устраняет возможность нарушения герметичности клапана в области механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние. Вместо отверстия в заявляемом устройстве используется герметизирующая перегородка, выполненная из немагнитного материала, через которую могут взаимодействовать первая и вторая, а также первая и третья шайбы.

Введение в состав механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние третьей шайбы из магнитотвердого материала, имеющей направление магнитного потока, противоположное направлению магнитного потока первой шайбы, а также выполнение третьей шайбы с возможностью установки в непосредственной близости от первой шайбы и, как следствие, с возможностью воздействия на нее - являются необходимыми условиями для достижения технического результата, но недостаточными.

Дело в том, что в исходном состоянии клапан должен быть закрыт, и якорь с запорным органом прижат к его седлу. Усилие, с которым якорь с запорным органом прижимается к седлу, формируется с помощью первой и второй шайб, которые притягиваются друг к другу благодаря тому, что первая шайба выполнена из магнитотвердого материала, а вторая - из магнитомягкого. При этом в исходном состоянии для обеспечения высокой герметичности затвора клапана необходимо, чтобы третья шайба не оказывала воздействия на первую шайбу.

Чтобы третья шайба могла воздействовать на первую шайбу с якорем и запорным органом в направлении открывания клапана, необходимо:

- устранить силу, с которой запорный орган прижимается к седлу клапана в исходном состоянии (в состоянии, когда клапан закрыт), т.е. устранить влияние второй шайбы на первую,

- создать условия, при которых третья шайба будет способна воздействовать на первую шайбу.

Для выполнения этих условий в заявляемом клапане третья шайба жестко связана со второй шайбой. Благодаря этому любое перемещение третьей шайбы, выполняемое с целью установки ее в непосредственную близость к первой шайбе, неизбежно приведет к перемещению второй шайбы в направлении удаления ее от первой шайбы. В итоге по мере движения третьей шайбы в состояние непосредственной близости к первой усиливается способность воздействия третьей шайбы на первую и, одновременно, ослабевает сила притяжения между первой и второй шайбами.

Под состоянием «непосредственная близость» подразумевается состояние, при котором сила взаимодействия магнитных полей первой и второй, а также первой и третьей шайб принимает максимальное значение. Для шайб, выполненных в виде постоянных магнитов, а также шайбы - постоянного магнита и шайбы из магнитомягкого материала это условие выполняется, если шайбы и их магнитные поля находятся на одной оси симметрии, а расстояние между шайбами минимально.

Если вторая и третья шайбы имеют габаритные размеры равные либо превышающие размеры первой шайбы, то выполнение условия «непосредственной близости» для любой из пар шайб (первая и третья либо первая и вторая) означает, что магнитным взаимодействием для другой пары шайб в этом случае можно пренебречь.

Очевидно, что при завершении этапа установки третьей шайбы в состояние непосредственной близости с первой шайбой будут выполнены условия для максимально эффективного взаимодействия этих шайб, при этом магнитным взаимодействием другой пары шайб (первой и второй) можно пренебречь.

При этом, если удается добиться оптимального взаимодействия для одной пары шайб, например для первой и второй (в прототипе это условие выполняется), то перемещение третьей шайбы на место второй позволяет добиться такого же результата и для другой пары шайб - для первой и третьей, и наоборот.

Введение в механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние герметизирующей перегородки неизбежно приведет к увеличению расстояния между первой и второй шайбами, по крайней мере, на толщину герметизирующей перегородки. Это, в свою очередь, приведет к снижению силы притяжения между первой и второй шайбами и, как следствие, к снижению усилия на запорном органе. А это может стать причиной снижения герметичности затвора, прежде всего, у клапанов с большим диаметром седла (более 25 мм).

Для повышения технологического запаса конструкции заявляемого клапана в части герметичности запорного органа в заявляемом устройстве предусмотрена возможность выполнения второй шайбы из магнитотвердого материала. Применение шайбы из магнитотвердого материала позволяет в 1,8-1,9 раза увеличить силу притяжения между первой и второй шайбами и соответственно увеличить усилие, с которым запорный орган прижимается к седлу клапана. В итоге выполнение второй шайбы из магнитотвердого материала позволяет решить поставленную задачу без ухудшения герметичности запорного органа и для клапанов с большими проходными сечениями (более 25 мм).

При использовании второй шайбы из магнитотвердого материала необходимо обеспечить правильность установки направления ее магнитного поля. Оно должно быть таким, чтобы первая и вторая шайбы не отталкивались, а притягивались друг к другу. Это условие выполняется, если направления магнитного поля у обеих шайб одинаково.

Таким образом:

1) введение в состав клапана третьей шайбы из магнитотвердого материала с направлением магнитного поля, противоположным направлению магнитного поля первой шайбы,

2) использование жесткой связи между второй и третьей шайбами, а также выполнение третьей шайбы с возможностью установки ее в непосредственной близости от первой шайбы,

позволяет отказаться от использования отверстия в механизме ручного управления для установки клапана в открытое состояние, заменив его герметизирующей перегородкой, и тем самым устранить возможность нарушения герметичности клапана в области этого механизма.

Кроме того, выполнение второй шайбы из магнитотвердого материала позволяет повысить усилие на запорном органе и, как следствие, улучшить герметичность затвора клапана.

Конструкция электромагнитного клапана, в которой вторая шайба выполнена из магнитомягкого материала, приведена на фиг.1. На фиг.2 приведен фрагмент клапана, в котором вторая шайба выполнена из магнитотвердого материала.

Электромагнитный клапан (фиг.1) содержит механизм ручного управления 1 для установки клапана в открытое состояние, электромагнит 2, якорь с запорным органом 3, шток 4, первую 5 и третью 7 шайбы из магнитотвердого материала, вторую 6 шайбу из магнитомягкого материала, контейнер 8, крышку 9, основание 10 с ручкой управления, возвратную пружину 11, герметичную перегородку 12.

Фрагмент клапана (фиг.2) содержит вторую шайбу 13 из магнитотвердого материала, пластину 14 из магнитомягкого материала, основание 15 для размещения второй и третьей шайб из магнитотвердого материала.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии напряжение питания на электромагните 2 отсутствует. Клапан находится в закрытом состоянии.

Основание 10 с расположенными на нем второй и третьей шайбами, контейнер 8, крышка 9 контейнера, возвратная пружина 11 входят в состав механизма ручного управления 1 для установки клапана в открытое состояние. В крышке 9 выполнено продольное отверстие, позволяющее перемещать основание 10 с ручкой управления к левой стороне контейнера 8.

При отсутствии внешнего воздействия на основание 10 с ручкой управления оно под действием возвратной пружины 11 всегда находится в крайнем правом положении. При этом вторая 6 шайба из магнитомягкого материала находится на оси симметрии с первой 5 шайбой из магнитотвердого материала.

В исходном состоянии, когда клапана закрыт, первая 5 шайба располагается в нижнем положении и находится под действием сил притяжения со второй 6 шайбой, обеспечивая тем самым прижимное усилие на запорном органе 3, закрывающее затвор клапана.

Диаметры первой 5, второй 6 и третьей 7 шайб одинаковы. При этом третья 7 шайба, даже если она установлена вплотную со второй 6 шайбой, не оказывает заметного влияния на силу притяжения между первой 5 и второй 6 шайбами.

Первая 5 и вторая 6 шайбы разделены герметизирующей перегородкой 12, выполненной из немагнитного материала. Этим обеспечивается герметичность внутренних полостей клапана с рабочей средой. При этом между первой 5 шайбой и герметизирующей перегородкой 12 остается небольшой зазор, необходимый для того, чтобы обеспечивалось герметичное уплотнение затвора клапана.

Если при включенном напряжении питания электромагнита 2 переместить основание 10, на котором расположены вторая 6 и третья 7 шайбы, влево, т.е в направлении, позволяющем установить третью 7 шайбу под первой 5 шайбой, то:

- сила притяжения между первой 5 и второй 6 шайбами становится близкой к нулю, поскольку вторая 6 шайба, переместившись влево, окажется вне области взаимодействия с первой 5 шайбой;

- первая 5 и третья 7 шайбы окажутся под действием магнитных полей, отталкивающих их друг от друга, при этом первая 5 шайба вместе с якорем и запорным органом 3 перемещаются в направлении открывания затвора клапана.

По мере перемещения первой 5 шайбы с якорем и запорным органом 3 в направлении к электромагниту 2 сила, с которой первая шайба отталкивается от третьей 7 шайбы, уменьшается, но одновременно с этим растет усилие притяжения якоря с запорным органом 3 к электромагниту 2. В итоге якорь с запорным органом 3 притягивается к электромагниту 2 и остается в этом состоянии, пока к последнему подводится напряжение питания.

После установки клапана в открытое состояние внешнее воздействие к площадке 10 с ручкой управления убирается, и она под действием возвратной пружины 11 перемещается в исходное состояние. При этом вторая 6 шайба вновь займет положение, симметричное оси первой шайбы.

Если после установки второй 6 шайбы в исходное состояние отключить напряжение питания на электромагните, то магнитное поле, удерживавшее ранее якорь с запорным органом 3 в верхнем положении, становится равным нулю. При этом якорь с запорным органом 3 под действием собственного веса, а также слабого магнитного поля, притягивающего первую 5 шайбу ко второй 6, начинает перемещаться вниз в сторону запирания клапана. По мере уменьшения расстояния между первой 5 и второй 6 шайбами эта сила увеличивается, ускоряя процесс перевода клапана в закрытое состояние. В момент, когда запорный орган прижмется к седлу клапана, первая 5 шайба устанавливается в состояние, при котором расстояние между первой 5 и второй 6 шайбами минимально. Минимальная величина этого расстояния ограничена толщиной герметизирующей перегородки 12, а также зазором между перегородкой 12 и первой 5 шайбой. Для достижения максимального усилия притяжения между первой 5 и второй 6 шайбами и соответственно максимального усилия на запорном органе необходимо минимизировать остаточный зазор между первой 5 шайбой и герметичной перегородкой 12. В заявляемом устройстве этот зазор может регулироваться изменением длины штока 4 в точке «А».

На фиг.2 показан фрагмент клапана, в котором вторая шайба выполнена из магнитотвердого материала.

Механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние в этом случае содержит: пластину 14 из магнитомягкого материала, на которой установлены вторая 13 и третья 7 шайбы из магнитотвердого материала; основание 15 для размещения пластины 14 с второй 13 и третьей 7 шайбами, Направление магнитного поля второй 13 шайбы выбирается таким же, что и у первой 5 шайбы. В результате усилие, с которым первая 5 и вторая 13 шайбы притягиваются к друг к другу, увеличивается ˜ в 1,8-1,9 раза.

Использование пластины 14 позволяет дополнительно увеличить усилие между первой 5 и второй 13 шайбами ˜ на 10% за счет магнитного поля третьей 7 шайбы. Достигается это благодаря тому, что магнитное поле второй 13 и третьей 7 шайб по отношению друг к другу в этом случае имеют одинаковые направления и по этой причине частично суммируются.

Увеличение усилия притяжения между первой 5 и второй 13 шайбами и соответственно между седлом клапана и запорным органом 3 создает дополнительный технологический запас на затворе клапана в части обеспечения его высокой герметичности.

Заявляемый клапан выполнен с применением следующих материалов и комплектующих.

1. Элементы магнитопровода электромагнита 2, вторая шайба 6, пластина 14 были изготовлены из стали 20880 («Армко») с отжигом после механической обработки.

2. Якорь с запорным органом 3 выполнены как одна деталь из стали 20880. Для герметизации затвора клапана на запорный орган со стороны, обращенной к седлу клапана, установлено уплотнение из резины НО-68.

3. Шток 4 для размещения первой 5 шайбы, контейнер 8, крышка 9, основание 10, основание 15 выполнены из немагнитных материалов.

4. Первая 5, вторая 13, третья 7 шайбы выполнены из самарий-кобальта в виде дисков диаметром 9,5 мм, высотой 4,5 мм.

Заявляемый клапан обеспечивает решение поставленной задачи в части устранения возможности протечки рабочей среды в области механизма ручной установки клапана в открытое состояние.

Группа изобретений относится к арматуростроению, в частности к предохранительным клапанам с электромагнитным приводом, и предназначена для использования в системах автоматики безопасности теплоэнергетических установок, технологических трубопроводных систем для управления потоком природного газа. Электромагнитный клапан содержит механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, якорь с запорным органом, шток и шайбы. Первая шайба выполнена из магнитотвердого материала. Вторая шайба выполнена из магнитного материала. Обе шайбы установлены с одной стороны относительно якоря с запорным органом, а электромагнит - с другой. Первая шайба жестко связана посредством штока с якорем и запорным органом. После установки клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга. В состав механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние введена третья шайба из магнитотвердого материала. Направление магнитного поля третьей шайбы противоположно направлению магнитного поля первой шайбы. Третья шайба жестко связана с второй шайбой и выполнена с возможностью установки в непосредственной близости от первой шайбы. Имеется второй вариант выполнения клапана. В нем вторая шайба выполнена из магнитотвердого материала. Направление магнитного поля второй шайбы совпадает с направлением магнитного поля первой шайбы. Группа изобретений направлена на повышение герметичности клапана. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный клапан, содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, якорь с запорным органом, шток, первую шайбу, выполненную из магнитотвердого материала, вторую шайбу - из магнитного материала, обе шайбы установлены с одной стороны относительно якоря с запорным органом, а электромагнит - с другой, первая шайба жестко связана посредством штока с якорем и запорным органом, после установки клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга, отличающийся тем, что в состав механизма ручного управления для установки клапана в открытое состояние введена третья шайба из магнитотвердого материала, направление магнитного поля которой противоположно направлению магнитного поля первой шайбы, причем третья шайба жестко связана с второй шайбой и выполнена с возможностью установки в непосредственной близости от первой шайбы.2. Электромагнитный клапан, содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, якорь с запорным органом, шток, первую шайбу, выполненную из магнитотвердого материала, вторую шайбу - из магнитного материала, обе шайбы установлены с одной стороны относительно якоря с запорным органом, а электромагнит - с другой, первая шайба жестко связана посредством штока с якорем и запорным органом, после установки клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга, отличающийся тем, что вторая шайба выполнена из магнитотвердого материала, при этом направление ее магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля первой шайбы.