БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОВЫЙ КЛАПАН Российский патент 2025 года по МПК F16K31/06 

Изобретение относится к средствам импульсного управления расходом газообразных сред, применимым для импульсной подачи веществ с малым временем открытого состояния и с малыми расходами при единичном срабатывании. В частности, изобретение может быть использовано для подачи газа в рабочий объем импульсных источников плазмы.

Важнейшей характеристикой импульсных газовых клапанов является их надежность, определяющая работоспособность плазменного устройства в целом. Для достижения требуемой надежности ресурс клапана должен составлять не менее 10⁶ циклов. Надежность клапана, в свою очередь, определяется надежностью его привода. Устройство, обеспечивающее перемещение подвижного элемента, импульсного газового клапана представляет собой быстродействующий электромеханический преобразователь (ЭМП), служащий для преобразования электрической энергии какого-либо накопителя (обычно конденсаторной батареи) в механическое перемещение подвижного элемента.

Наибольшее распространение среди быстродействующих ЭМП получили электродинамические или индукционно-динамические (ЭДМ или ИДМ) и электромагнитные (ЭММ) механизмы. Принцип действия этой группы механизмов основан на использовании энергии магнитного поля.

Ближайшим аналогом изобретения является изобретение SU 1810702 F16K 31/02 «Электродинамический клапан» [1], основанное на электродинамическом механизме, описанном в работе Б.В. Даутер, Л.Г. Токарев. / Быстродействующий кольцевой электродинамический клапан // ПТЭ, 1975, № 6, - с. 185-187 [2]. В данном изобретении плоская мембрана (подвижный запорный орган) приводится в движение импульсным током, протекающим в катушке. При этом воздействующая на мембрану сила обусловлена взаимодействием магнитного поля тока катушки и тока самоиндукции, возникающего в мембране. Данный принцип обеспечивает высокое быстродействие клапана, однако, поскольку возникающая сила существенно зависит от величины тока, для его реализации требуется протекание в катушке значительных токов, что обусловливает сравнительно низкий КПД такого клапана.

Главным достоинством ЭДМ является высокое быстродействие, ограниченное только механической прочностью магнитной катушки и других деталей механизма. Время полного хода клапана с электродинамическим механизмом может составлять 50 мкс и меньше [3]. В настоящее время в быстродействующих клапанах импульсных плазменных ускорителей используются исключительно электродинамические механизмы, поскольку только они способны обеспечить такое быстродействие.

Принципиальная схема ЭДМ ближайшего аналога показана на Фиг. 1 [1]. Механизм состоит из импульсной магнитной катушки 2, неподвижно закрепленной в корпусе клапана и подвижного элемента - диска 1 из электропроводного материала. Принцип действия данного ЭДМ основан на взаимодействии вихревых токов, наводимых в диске, с импульсным магнитным полем катушки.

КПД ЭДМ по авторскому свидетельству SU 1810702 F16K 31/02 определяется отношением полного хода механизма x к начальному зазору между проводящим диском и магнитной катушкой h [4, 5]. Графически эта зависимость, построенная авторами на основании теории, приведенной в работах [4, 5] представлена на Фиг. 2. На Фиг. 2 показано также влияние паразитной индуктивности L_п=1 мкГн (при индуктивности катушки L_м=1,5 мкГн). Видно, что для получения наибольшего КПД механизма необходимо выполнять катушку в виде плоского диска и помещать ее как можно ближе к подвижному элементу с целью увеличить отношение x/h. Такой же вывод был получен экспериментально в работе [6]. Следует отметить, что ход подвижного элемента импульсного газового клапана, как правило, не превышает 1-2 мм. При этом x/h~0,2, а КПД 10-15%. КПД, достигаемый в реальных конструкциях, еще меньше. Низкий КПД вынуждает пропускать большие токи (1-10 кА) через магнитную катушку, тем самым превращая ее в механически сильно нагруженный узел с недостаточной надежностью. Для питания ЭДМ приходится использовать высоковольтную систему (свыше 1000 В) с громоздкими накопителями и коммутаторами. Кроме того, как показано в работе [7], в электродинамических клапанах проходное сечение при напуске газа пропорционально четвертой степени напряжения, а выход газа за импульс - шестой степени напряжения на конденсаторе, что требует для выдерживания стабильного расхода высокой точности при зарядке.

Настоящее изобретение является импульсным быстродействующим клапаном на основе электромагнитного механизма. Электромагнитные механизмы или электромагниты широко известны и широко применяются практически во всех областях техники [8]. Электромагнитный механизм содержит индуктор - электромагнитную катушку, установленную вблизи магнитопровода (сердечника из ферромагнитного материала) и подвижный запорный орган.

Однако, в сверхбыстродействующих ЭМП, какими являются импульсные газовые клапаны, данные механизмы используются редко. Это связано со следующими обстоятельствами.

Усилие, создаваемое электромагнитом, можно найти по известной формуле Максвелла:

(1)

где B - индукция магнитного поля в зазоре между полюсами индуктора и подвижным элементом (поле предполагается однородным), - магнитная постоянная, S - площадь полюсов индуктора (рабочая площадь электромагнита).

Величина B ограничена насыщением ферромагнитного магнитопровода (для стали B_max~ 2 Тл), следовательно, усилие, создаваемое единицей рабочей поверхности электромагнита, составляет не более . Таким образом, с учетом указанного ограничения, усилие, создаваемое электромагнитом, пропорционально квадрату, а масса движущихся частей - кубу его линейных размеров. Поэтому, большие ускорения подвижного элемента можно получить только у миниатюрного электромагнита с малым усилием. На практике, время полного хода подвижного элемента, как правило, не менее 10 мс, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к приводам импульсных газовых клапанов для плазменных ускорителей.

Вариантом повышения быстродействия ЭММ является разработанный A.H. Seilly сверхбыстродействующий электромагнит типа HELENOID [9]. HELENOID представляет собой ЭММ цилиндрической конфигурации (индуктор и подвижный запорный орган механизма представляют собой соосные цилиндры, расположенные один внутри другого) и имеет весьма сложную магнитную систему в виде двухзаходного винта. В настоящее время геленоиды уже используются в качестве приводов топливных клапанов и насос-форсунок двигателей внутреннего сгорания. Быстродействие геленоида существенно превосходит быстродействие традиционных электромагнитов. Однако, данное устройство не может быть применено в качестве привода быстродействующего газового клапана, поскольку не предполагает использования плоского подвижного элемента с большой площадью проходного сечения.

Техническим результатом является повышение быстродействия дисковых клапанов на основе электромагнитного механизма.

Заявленный технический результат достигается тем, что в быстродействующем импульсном газовом клапане, содержащем корпус, в котором установлена плоская электромагнитная катушка, соединенная через коммутатор с импульсным источником энергии, седло и подвижный запорный орган, перекрывающий канал напуска газа, согласно заявляемому изобретению, корпус электромагнитной катушки и запорный орган выполнены из ферромагнитных материалов, витки катушки установлены в пазах корпуса так, что направление тока в соседних пазах противоположное.

В частном случае исполнения пазы корпуса электромагнитной катушки могут быть выполнены в виде концентрических канавок с переходами в виде радиальных проточек для обмотки возбуждения.

В частном случае исполнения пазы корпуса электромагнитной катушки могут быть выполнены в виде двухзаходной спирали Архимеда.

В частном случае исполнения клапан может быть снабжен дополнительным объемом перед запорным органом, величина которого может дополнительно ограничивать единичный расход газа.

Заявляемое изобретение поясняется рисунками, на которых изображено:

на фиг. 1 приведена принципиальная схема ЭДМ ближайшего аналога;

на фиг. 2 представлена зависимость КПД от отношения x/h ближайшего аналога;

на фиг. 3 представлена схема заявляемого дискового электромагнитного клапана;

на фиг. 4 представлена зависимость КПД от отношения x/h заявляемого изобретения;

на фиг. 5 изображена конструктивная схема, иллюстрирующая работу импульсного газового клапана.

Быстродействующий импульсный газовый клапан представляет собой дисковый электромагнитный клапан, схема которого показана на Фиг. 3. Особенностью клапана является применение плоских подвижного элемента 4 и индуктора 3 с большим количеством концентрических пазов с обмоткой и полюсов, причем направление тока в пазах чередующееся. Обмотка может быть установлена в кольцевых пазах, либо в пазах, выполненных в виде двухзаходной спирали Архимеда. Из схемы механизма видно, что толщина подвижного элемента определяется шириной полюсов индуктора и не зависит от усилия, развиваемого электромагнитом. Это усилие, так же, как и масса подвижного элемента, пропорционально площади рабочей поверхности магнита, что позволяет получить высокое быстродействие. Работа клапана осуществляется следующим образом. При протекании тока через индуктор возникает электромагнитная сила, притягивающая подвижный запорный орган. После снижения тока индуктора давление газа прижимает подвижный запорный орган обратно, обеспечивая малое время его обратного хода.

Если разряд в обмотке электромагнитного механизма апериодический, то КПД механизма можно приближенно оценить по формуле, которая для дискового ЭММ записывается в виде:

, (2)

где x - ход подвижного элемента, h-воздушный зазор в конце хода.

Конструкция предлагаемого электромагнитного механизма такова, что ход подвижного элемента x практически равен начальному зазору между подвижным элементом и индуктором h₀. Действительно, при x=0,5 мм; h=0,1 мм теоретический КПД составляет 80%. Высокий КПД электромагнитов известен (на практике η>50%) и является одним из главных их достоинств. Зависимость КПД от отношения x/h, рассчитанная по формуле (2) представлена на Фиг. 4. На том же графике пунктирной линией нанесен также КПД с учетом паразитной индуктивности цепи питания L_п=1 мкГн.

Благодаря сравнительно высокому КПД, для питания клапана согласно настоящему изобретению можно применять простую и малогабаритную низковольтную цепь с электролитическими накопительными конденсаторами и полупроводниковыми коммутаторами. Напряжение цепи питания, как правило, порядка 100 Вольт, а амплитуда разрядного тока не более нескольких сотен Ампер. Низковольтная цепь питания и относительно небольшие токи в обмотках возбуждения, не создающие электродинамических нагрузок и нагрева обмоток, обеспечивают высокие надежность и ресурс предложенного электромагнитного механизма, недостижимые в электродинамических механизмах.

На Фиг. 5 изображена конструктивная схема, иллюстрирующая работу описанного в настоящем изобретении импульсного газового клапана. Газообразное рабочее тело подается через отверстие в корпусе индуктора 5. В закрытом состоянии давление газа прижимает подвижный запорный орган 6 к седлу 7 обеспечивая герметичность клапана. При срабатывании клапана ток, протекающий в обмотке индуктора, расположенной в пазах корпуса индуктора создает электромагнитную силу и притягивает подвижный запорный орган. При этом газообразное рабочее тело выходит через отверстие в корпусе клапана 8. После окончания протекания тока давление газа прижимает запорный орган к седлу и закрывает клапан. Внутри корпуса клапана предусмотрен также специальный объем перед запорным узлом (местом контакта запорного органа и седла, обеспечивающим герметичность клапана в закрытом состоянии), в котором происходит накопление газа. Уменьшение данного объема позволяет дополнительно ограничивать единичный расход рабочего тела при срабатывании клапана при необходимости.

Список источников:

1. Патент на изобретение SU 1810702 A1, F16K 31/02 (2006.01), дата публикации 23.04.1993 г.

2. Б.В. Даутер, Л.Г. Токарев. / Быстродействующий кольцевой электродинамический клапан // ПТЭ, 1975, № 6, - с. 185-187).

3. Александров В.А. и др. Импульсные плазменные ускорители. - Харьков: ХАИ, 1983. - с 201-204.

4. Бондалетов В.Н. Определение электромагнитных сил, их работы и электродинамического К.П.Д. в контурах с токами // Электричество. №1. 1966. - с. 57-60.

5. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 200 с.

6. Золототрубов И.М. и др. Электродинамический клапан для импульсного напуска газа // Физика плазмы. - М.: Атомиздат, 1967. - с. 28-37.

7. Андрюхина Э.Д., Сафронов А.Я. Шпигель И.С. Характеристики быстродействующего вакуумного клапана // ПТЭ. №1, 1961. - с. 174-177.

8. Таев И.С. Электрические аппараты управления: Учебник для вузов по спец. «Электрические аппараты». 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с.

9. Seilly A.H. HELENOID Actuators - A New Concept In Extremely Fast Acting Solenoids // SAE Techn. Pap. Ser. № 790119, - 10 pp.

Изобретение относится к средствам импульсного управления расходом газообразных веществ. Клапан состоит из корпуса, в котором установлена плоская электромагнитная катушка, соединенная через коммутатор с импульсным источником энергии, седло и подвижный запорный орган, перекрывающий канал напуска газа. Корпус электромагнитной катушки и запорный орган выполнены из ферромагнитных материалов. Витки катушки установлены в пазах корпуса так, что направление тока в соседних пазах противоположное. Магнитопровод может иметь кольцевые пазы либо пазы, выполненные в виде двухзаходной спирали Архимеда. При этом толщина подвижного элемента определяется шириной полюсов индуктора и не зависит от усилия, развиваемого электромагнитом. Это усилие, так же, как и масса подвижного элемента, пропорционально площади рабочей поверхности магнита, что позволяет получить высокое быстродействие. Изобретение направлено на повышение быстродействия дисковых клапанов на основе электромагнитного механизма. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Быстродействующий импульсный газовый клапан, содержащий корпус, в котором установлена плоская электромагнитная катушка, соединенная через коммутатор с импульсным источником энергии, седло и подвижный запорный орган, перекрывающий канал напуска газа, отличающийся тем, что корпус электромагнитной катушки и запорный орган выполнены из ферромагнитных материалов, витки катушки установлены в пазах корпуса так, что направление тока в соседних пазах противоположное.

2. Быстродействующий импульсный газовый клапан по п. 1, отличающийся тем, что пазы корпуса электромагнитной катушки выполнены в виде концентрических канавок с переходами в виде радиальных проточек для обмотки возбуждения.

3. Быстродействующий импульсный газовый клапан по п. 1, отличающийся тем, что пазы электромагнитной катушки выполнены в виде двухзаходной спирали Архимеда.

4. Быстродействующий импульсный газовый клапан по п. 1, отличающийся наличием дополнительного объема перед запорным органом, величина которого может дополнительно ограничивать единичный расход газа.