Универсальный запорный клапан Российский патент 2025 года по МПК F16K21/18 F16K31/24 

Изобретение относится к области заправки жидкостью различных емкостей (баков) и предназначено для отключения подачи воды в систему водоснабжения пассажирского вагона после заполнения ее водой, а также может найти применение в любой области народного хозяйства, где требуется контроль за расходом воды в системах водоснабжения, а также для установки в системах подачи текущей среды, например, для заправки жидким топливом самолетов.

Известно запорное устройство (патент РФ № 2376179, МПК B61D 35/00, B61K 11/02, заявка 2008102902/11, дата подачи 30.01.2008, дата публикации заявки 10.08.2009), содержащее соединяемый с водоналивной трубой корпус, соединенный с поплавком клапан.

Известно запорное устройство (патент РФ № 2344955, МПК B61D35/00, B61K 11/00, заявка 2007140345/11, дата подачи 01.11.2007, опубликовано 27.01.2009), содержащее соединяемый с водоналивной трубой корпус, соединенный с поплавком клапан и приспособление для сигнализации о достижении необходимого уровня воды, в корпусе выполнены отверстия, сообщающиеся с его полостью, клапан расположен в корпусе с возможностью перемещения между опорным и упорным седлами, а его шток своей верхней частью связан с поплавком и выполнен с возможностью поступления через него воды к выполненному в корпусе каналу приспособления для сигнализации.

Известно запорное устройство (европейский патент EP4379183, МПК E21B 21/10, заявка EP20230213141, дата публикации 29.11.2023), содержащее соединяемый с водоналивной трубой корпус, соединенный с поплавком клапан.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому запорному клапану является запорное устройство системы водоснабжения пассажирского вагона (патент РФ № 2328394, МПК B61D 35/00, B61K 11/00, заявка 2007100554, опубликовано 10.07.2008), содержащее соединяемый с водоналивной трубой корпус, соединенный с поплавком клапан, приспособление для сигнализации окончания заполнения бака водой. Поплавок сопряжен с цилиндром, соединенным со штоком клапана и подвижно охватывающим корпус с возможностью перекрытия выполненных в корпусе отверстий. Клапан расположен с возможностью перемещения между опорным и упорным седлами, а его шток выполнен полым для сообщения полости корпуса, сопряженной с приспособлением для сигнализации, и полости корпуса, ограниченной нижней поверхностью клапана.

Недостатком вышеописанных устройств является невысокая надежность работы клапана из-за возможности самопроизвольного срабатывания клапана при заполнении бака жидкостью.

Технической проблемой, решаемой предложенным изобретением, является повышение надежности работы клапана и упрощение его эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности срабатывания клапана при достижении заданного уровня жидкости за счет мгновенности перекрытия подачи жидкости, исключение самопроизвольного срабатывания клапана, исключение гидроудара, уменьшение габаритных размеров клапана, упрощение монтажа, демонтажа и эксплуатации клапана.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что запорный клапан содержит полый корпус с входным и выходным отверстиями, расположенные в полости корпуса седло и полый запорный элемент с переливным отверстием, соединенный с поплавком, который охватывает полый корпус и связан с запорным элементом с возможностью его перемещения, седло имеет входное отверстие для подачи жидкости, полость запорного элемента образована первым каналом для пропуска жидкости, который сообщен с входным отверстием седла и имеет на части длины переменное поперечное сечение и на части длины постоянное поперечное сечение в направлении от входного к выходному отверстию полого корпуса, в части первого канала постоянного поперечного сечения вдоль него подвижно расположен толкатель, при этом один конец толкателя имеет головку, расположенную в части первого канала переменного поперечного сечения, а другой конец толкателя соединен с поплавком посредством тяги, с полым корпусом со стороны выходного отверстия соединены отражатель потока жидкости и крышка, которые охватывают запорный элемент, при этом отражатель потока жидкости имеет боковую и торцевую стенки, боковая стенка охватывает с зазором полый корпус и расположена между поплавком и полым корпусом с образованием второго канала для пропуска жидкости, проходящего снаружи полого корпуса и внутри полого корпуса между его стенкой и седлом с запорным элементом, а между крышкой и отражателем жидкости образован кольцевой зазор для перелива жидкости, при этом торцевая стенка отражателя потока жидкости имеет вогнутую вовнутрь корпуса форму с образованием полости, которая сообщена с указанным кольцевым зазором для перелива жидкости и с первым каналом для пропуска жидкости через переливное отверстие запорного элемента.

Кроме того, с корпусом со стороны входного отверстия может быть соединен переходник.

Кроме того, клапан может быть снабжен сливным устройством, сливной канал которого сообщен с полостью корпуса.

Изобретение поясняется чертежом, на фигуре которого показан осевой разрез предложенного запорного клапана.

Предложенный запорный клапан предназначен для мгновенного и гарантированного перекрытия (прекращения) подачи жидкости при наполнении заправляемой емкости до необходимого уровня. При этом предложенный запорный клапан может использоваться при заправке железнодорожных вагонов водой, при заправке емкостей топливом (например, бензином, керосином), а также в других случаях.

Предложенный клапан содержит полый корпус 1, имеющий, преимущественно, цилиндрическую форму с входным и выходным отверстиями. Корпус 1 предназначен для соединения с водоналивной трубой 2 со стороны входного отверстия.

Внутри корпуса 1 соосно ему расположено седло 3, которое жестко зафиксировано в полости корпуса 1. При этом для надежного соединения корпуса 1 с водоналивной трубой 2, а также для обеспечения жесткой фиксации седла 3 в полости корпуса 1, внутри корпуса 1 со стороны одного его торца герметично установлен, преимущественно, с помощью резьбового соединения (или с помощью посадки с натягом) переходник 4. Переходник 4 может быть выполнен в виде втулки (кольца), которая может иметь внутреннюю резьбу для соединения с водоналивной трубой 2. При этом для фиксации и герметичного уплотнения водоналивной трубы 2 может служить контргайка 5 с уплотнительным кольцом 6.

Внутри корпуса 1 между седлом 3 и переходником 4 расположено посадочное место, выполненное в виде перфорированного кольца 7 (перфорированного диска), которое является основанием для седла 3. Благодаря резьбовому соединению переходника 4 с корпусом 1, кольцо 7 прижато переходником 4 к кольцевому уступу внутри корпуса 1. Кольцо 7 предназначено для установки и фиксации с помощью крепежного элемента 8 седла 3 в полости корпуса 1. Возможен вариант, когда переходник 4 выполнен заодно целое с посадочным местом, в данном случае переходник 4 имеет со стороны одного своего торца в центральной части посадочное место, соединенное радиальными перемычками (не показаны) с внутренней поверхностью переходника 4. Седло 3, а также кольцо 7 (посадочное место) имеют в центре сквозные отверстия, преимущественно, соосные корпусу 1. Такие отверстия образуют единое входное отверстие 9 для подачи жидкости, при этом на поверхности кольца 7, обращенной в сторону водоналивной трубы 2, образованы канавки (каналы, не показаны), сообщающие полость корпуса 1 с входным отверстием 9.

Внутри полости корпуса 1 подвижно установлен продолговатый полый запорный элемент 10 с возможностью перемещения вдоль корпуса 1 в одну и в другую стороны. Запорный элемент 10 установлен соосно корпусу 1. Полость запорного элемента 10 образована каналом 11 для пропуска жидкости (первый канал 11). Канал 11 имеет на одном участке (на одной части длины запорного элемента 10) переменное поперечное сечение (со стороны, обращенной к седлу 3, т.е. со стороны входного отверстия корпуса 1), а на другом участке (на другой части длины запорного элемента 10) постоянное поперечное сечение в направлении от входного отверстия корпуса 1 к выходному отверстию корпуса 1. Канал 11 сообщен с входным отверстием 9 седла 3. Запорный элемент 10 имеет также переливное отверстие 12, сообщенное с каналом 11 и предназначенное для перелива поступающей в клапан жидкости. Канал 11 предназначен для прохождения вспомогательного потока жидкости (обратная связь, связь с атмосферой, на фигуре обозначен красной линией).

В канале 11 постоянного поперечного сечения вдоль запорного элемента 10 и соосно ему (соосно каналу 11) подвижно расположен продолговатый толкатель 13 с возможностью перемещения вдоль канала 11 в одну и в другую сторону. Толкатель 13 выполнен в виде стержня, который на одном своем конце, обращенном в сторону седла 3, имеет головку 14, расположенную в канале 11 постоянного поперечного сечения с возможностью взаимодействия с запорным элементом 10 и перекрытия канала 11 постоянного поперечного сечения (а также с возможностью поднятия запорного элемента 10). Другой конец толкателя 13 соединен с тягой 15, предназначенной для перемещения толкателя 14 в канале 11 запорного элемента 10.

Предложенный запорный клапан имеет поплавок 16, который охватывает с зазором корпус 1. Поплавок 16 соединен с тягой 15 с помощью соединительного элемента 17, выполненного, например, в виде скобы. При этом поплавок 16 установлен подвижно с возможностью перемещения вдоль оси корпуса 1 в одну и в другую стороны.

С корпусом 1 со стороны торца, противоположного соединению с наливной трубой 2, жестко соединены отражатель 18 потока жидкости и крышка 19. При этом отражатель 18 и крышка 19 расположены, преимущественно, соосно друг другу и запорному элементу 10, а также последовательно друг за другом в направлении от толкателя 13 к тяге 15. Отражатель 18 и крышка 19 имеют в центральной своей части отверстия (не показаны), в которых расположен запорный элемент 10 с возможностью свободного перемещения вдоль оси корпуса 1 (в одну и в другую стороны). В данном случае отражатель 18 и крышка 19 охватывают запорный элемент 10. При этом отражатель 18 установлен на корпусе 1 с помощью полых стоек 20 и закреплен на корпусе 1 с помощью крепежных элементов (например, резьбовых), проходящих через полость стоек 20. Отражатель 18 имеет цилиндрическую (или близкую к цилиндрической, или коническую) стенку, охватывающую корпус 1 с зазором и расположенную между поплавком 16 и внешней поверхностью корпуса 1, а также имеет торцевую стенку, которая ближе к центральной своей части выполнена вогнутой в сторону седла 3. Крышка 19 расположена с зазором 21 по отношению к торцевой стенке отражателя 18 за счет установки между отражателем 18 и крышкой 19 шайб на крепежных элементах, проходящих через стойки 20. При этом зазор 21 образован на периферии и предназначен для перелива жидкости (вспомогательного потока) в емкость (не показана). В центральной части между отражателем 18 и крышкой 19 образована полость 22, которая сообщена с каналом 11 (через переливное отверстие 12) и с зазором 21.

За счет расположения цилиндрической (или близкой к цилиндрической) стенки отражателя 18 с зазором по отношению в внешней поверхности корпуса 1, образован канал 23 (второй канал 23) для пропуска (перелива) жидкости. Канал 23 проходит внутри полого корпуса 1 между его внутренней поверхностью и седлом 3 с запорным элементом 10, между стойками 20 и между внешней поверхностью корпуса 1 и внутренней поверхностью стенки отражателя 18, охватывающей корпус 1. Канал 23 предназначен для прохождения основного потока жидкости (на фигуре показан черной линией).

Предложенный клапан снабжен сливным устройством 24, которое соединено с торцом корпуса 1 и которое проходит через крышку 19, через отражатель 18, а также через одной из стоек 20. При этом сливное устройство 24 имеет сливной канал, который сообщен с полостью корпуса 1. Сливное устройство 24 предназначено для перелива жидкости в случае срабатывания запорного клана и полного перекрытия каналов 11 и 23. Сливное устройство 24 сигнализирует о заполнении емкости до необходимого уровня.

Каналы 11 и 23 образуют друг с другом четыре взаимосвязанные полости (камеры) «А», «Б», «В» и «Г».

Первая полость (камера) «А» образована внутри канала 23 на выходе водоналивной трубы 2 при подаче жидкости в полость корпуса 1.

Вторая полость (камера) «Б» образована внутри канала 11 переменного поперечного сечения (между седлом 3 и запорным элементом 10) и сообщена с первой полостью «А» посредством отверстия 9.

Третья полость (камера) «В» образована внутри канала 23 между запорным элементом 10, торцевой стенкой отражателя 18 и стойками 20.

Четвертая полость (камера) «Г» образована между торцевой стенкой отражателя 18, крышкой 19 и запорным элементом 10. При этом полость «Г» совпадает с полостью 22. При этом полость «Г» (полость 22) сообщена с полостью «А» через полость «Б».

Принцип работы предложенного запорного клапана основан на теореме о неразрывности струи и законе Бернулли.

При переменном сечении трубы жидкость движется с ускорением. При этом площадь сечения и скорость потока жидкости величина постоянная. Величина полного давления в потоке обратно пропорциональна скорости, то есть, чем выше давление, тем меньше скорость, и наоборот, и является постоянной величиной.

Работает предложенный запорный клапан следующим образом (на примере заправки бака водой).

Основной поток воды (на фигуре указано черной линией) из напорной магистрали через водоналивную трубу 2 и через канал 23 (зазор между корпусом 1, седлом 3, запорным элементом 10 и отражателем 18) поступает в емкость (в бак). Поплавок 16 опущен. При этом в камере «В» давление выше атмосферного, и оно изменяется пропорционально изменению давления в напорной магистрали.

Одновременно вспомогательный поток воды (на фигуре указано кранной линией) через отверстие 9 постоянно поступает в камеру «Б», протекает по каналу 11, через переливное отверстие 12 поступает в полость «Г» (в полость 22) и свободно вытекает через зазор 21 в бак. При этом давление в камерах «Б» и «Г» при заправке бака всегда равно атмосферному.

За счет разного давления в полостях «Б», «В», «Г» осуществляется прижим запорного элемента 10 к седлу 3, за счет чего обеспечивается защита клапана от самопроизвольного срабатывания во время заполнения бака водой.

При достижении заданного уровня воды в емкости (в баке), обеспечивающим подъем поплавка 16, через скобу 17, за тягу 15 поплавок 16 поднимает толкатель 13. Толкатель 13 перекрывает канал 11 (выходное отверстие камеры «Б), перекрывая подачу воды в бак через зазор 21. При этом в камере «Б» повышается давление, запорный элемент 10 поднимается, контактирует с корпусом 1, и он мгновенно перекрывает подачу воды в емкость, перекрывая канал 23 в зоне камеры «В».

Подача воды в емкость прекращается.

Давление в камере «А» («Б») больше, чем в камере «В» и определено расчетно-экспериментальным путем. Изменение давления в камере «А» («Б») и «В» при изменении давления в напорной магистрали происходит пропорционально. За счет этого достигается стабилизация уровня заправки.

В реальности для гарантированного срабатывания клапана при сверхнизком давлении подъемная сила поплавка 16 обеспечивает подъем в том числе и запорного элемента 10 с помощью головки 14 толкателя 13.

После перекрытия вентиля напорной магистрали или отсоединения заправочного шланга все элементы запорного клапана под действием собственного веса возвращаются в исходное положение.

Испытания показали, что устройство работает стабильно даже в условиях перепадов давления в заправочных магистралях, обратного срабатывания клапана во время заполнения бака водой не происходит.

Клапан поплавковый запорный обладает универсальной конструкцией, обладает высокой технологичностью, прост и надежен в эксплуатации.

Предложенный клапан благодаря описанной конструкции обеспечивает высокую надежность работы, при этом:

- исключается самопроизвольное срабатывание клапана во время заполнения бака благодаря образованию избыточного давления относительно атмосферного в камере «В» над запорным элементом 10, обеспечивающего прижим запорного элемента 10 к седлу 3 во время заправки бака водой;

- обеспечивается мгновенное срабатывание запорного клапана при достижении заданного уровня воды в баке благодаря устранению связи с атмосферой и одновременным нагнетанием давления в камере «Б» под запорным элементом 10, исключая при этом гидроудар.

- уменьшаются габариты запорного клапана с одновременным устранением появления струи воды сверху клапана за счет выполнения камеры «Г», которая фактически является гидрозатвором, и поступающая в нее вода свободно вытекает через зазор 21 по диаметру клапана.

- обеспечивается стабильный уровень заправки за счет мгновенного срабатывания при достижении заданного уровня;

- обеспечивается простой монтаж, демонтаж, а также эксплуатация клапана благодаря легкому подсоединению клапана к водоналивной трубе и простой установке клапана в баке.

Отсутствие в конструкции предложенного клапана рабочих (резиновых) уплотнительных элементов гарантированно повышает срок службы и надежность работы предложенного клапана.

Изобретение относится к области заправки жидкостью различных емкостей (баков), предназначено для отключения подачи жидкости после заполнения емкости и может найти применение в любой области народного хозяйства, где требуется контроль за расходом жидкости. Запорный клапан содержит полый корпус 1 с входным и выходным отверстиями. В полости корпуса 1 расположены седло 3 и полый запорный элемент 10 с переливным отверстием 12, соединенный с поплавком 16, который охватывает полый корпус 1 и связан с запорным элементом 10 с возможностью его перемещения. Седло 3 имеет входное отверстие 9 для подачи жидкости. Полость запорного элемента 10 образована первым каналом 11 для пропуска жидкости, который сообщен с входным отверстием 9 седла 3 и имеет на части длины переменное поперечное сечение и на части длины постоянное поперечное сечение в направлении от входного к выходному отверстию полого корпуса 1. В части первого канала 11 постоянного поперечного сечения вдоль него подвижно расположен толкатель 13, при этом один конец толкателя 13 имеет головку 14, расположенную в части первого канала 11 переменного поперечного сечения, а другой конец толкателя 13 соединен с поплавком 16 посредством тяги 15. С полым корпусом 1 со стороны выходного отверстия соединены отражатель 18 потока жидкости и крышка 19, которые охватывают запорный элемент 10. Отражатель 18 потока жидкости имеет боковую и торцевую стенки, боковая стенка охватывает с зазором полый корпус 1 и расположена между поплавком 16 и полым корпусом 1 с образованием второго канала 23 для пропуска жидкости, проходящего снаружи полого корпуса 1 и внутри полого корпуса 1 между его стенкой и седлом 3 с запорным элементом 10. Между крышкой 19 и отражателем 18 жидкости образован кольцевой зазор 21 для перелива жидкости. Торцевая стенка отражателя 18 потока жидкости имеет вогнутую вовнутрь корпуса форму с образованием полости 22, которая сообщена с указанным кольцевым зазором 21 для перелива жидкости и с первым каналом 11 для пропуска жидкости через переливное отверстие 12 запорного элемента 10. Техническим результатом изобретения является повышение надежности срабатывания клапана при достижении заданного уровня жидкости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Запорный клапан, содержащий полый корпус с входным и выходным отверстиями, расположенные в полости корпуса седло и полый запорный элемент с переливным отверстием, соединенный с поплавком, который охватывает полый корпус и связан с запорным элементом с возможностью его перемещения, отличающийся тем, что седло имеет входное отверстие для подачи жидкости, полость запорного элемента образована первым каналом для пропуска жидкости, который сообщен с входным отверстием седла и имеет на части длины переменное поперечное сечение и на части длины постоянное поперечное сечение в направлении от входного к выходному отверстию полого корпуса, в части первого канала постоянного поперечного сечения вдоль него подвижно расположен толкатель, при этом один конец толкателя имеет головку, расположенную в части первого канала переменного поперечного сечения, а другой конец толкателя соединен с поплавком посредством тяги, с полым корпусом со стороны выходного отверстия соединены отражатель потока жидкости и крышка, которые охватывают запорный элемент, при этом отражатель потока жидкости имеет боковую и торцевую стенки, боковая стенка охватывает с зазором полый корпус и расположена между поплавком и полым корпусом с образованием второго канала для пропуска жидкости, проходящего снаружи полого корпуса и внутри полого корпуса между его стенкой и седлом с запорным элементом, а между крышкой и отражателем жидкости образован кольцевой зазор для перелива жидкости, при этом торцевая стенка отражателя потока жидкости имеет вогнутую вовнутрь корпуса форму с образованием полости, которая сообщена с указанным кольцевым зазором для перелива жидкости и с первым каналом для пропуска жидкости через переливное отверстие запорного элемента.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что с корпусом со стороны входного отверстия соединен переходник.

3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что он снабжен сливным устройством, сливной канал которого сообщен с полостью корпуса.