Электродинамический клапан Советский патент 1992 года по МПК F16K31/02 

fc

Изобретение относится к арматуростро- ению, а именно к клапанам для напуска порции газа, и может быть использовано в установках для физического эксперимента, где необходим быстрый напуск порции газа в рабочий объем, например в плазменных ускорителях. Цель - повышение надежности клапана в работе. Клапан содержит корпус 3 и два электрода 1 и 2, разделенные изолятором 4. Торцовая поверхность электрода 2 имеет отверстие 5, закрытое упругой мембраной 6, связанной с запорным органом 7, и заполненное токопроводящей жидкостью. При пропускании через электроды и токопроводящую жидкость электрического тока магнитное давление заставляет прогибаться мембрану, что приводит к перемещению запорного органа. 1 ил.

VI

О

со VI

00

Изобретение относится к арматурост- роению и может найти применение в установках для физического эксперимента, в которых требуется осуществлять импульсный напуск порции газа в вакуумную каме- ру, например, в установках с использованием сильноточных плазменных ускорителей.

Известные электродинамические клапаны для импульсного напуска газа в ваку- умную камеру обычно содержит корпус, в котором установлены запорный орган, перекрывающий канал напуска газа, седло и элементы привода, срабатывающего при разряде импульсного источника энергии, например, конденсаторной батареи /1/.

Недостатком этого устройства является невысокая надежность, малый срок службы и нестабильность в работе из-за эрозии электродов разрядного промежутка клапа- на.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электродинамический клапан /2/, выбранный в качестве прототипа. Этот клапан содержит корпус, седло, запорный орган, мембрану и два электрода для подключения к постороннему импульсному источнику энергии (например, к конденсаторной батарее), Электроды в этом устройстве разделены со стороны под- кпючения к импульсному источнику энергии изолятором с центральным отверстием и имеют в центральной части обращенные друг к другу торцевые поверхности, образующие между собой межэлектродный зазор. Торцевая поверхность электрода, расположенного между корпусом и другим электродом, имеет центральное отверстие, герметично закрытое упругой мембраной. Мембрана совместно с торцевой поверхно- стью противолежащего электрода ограничивает полость, образованную отверстием изолятора. На мембране укреплен запорный орган, прижимаемый к установленному на корпусе седлу давлением газа. Газ пода- ется из зазора между корпусом и мембраной.

Устройство работает следующим образом.

При срабатывании коммутатора им- пульсного источника энергии напряжение источника прикладывается к электродам клапана. При правильном выборе величины напряжения источника, величины межэлектродного зазора и давления газа в межэлек- тродном зазоре между торцевыми поверхностями электродов клапана происходит электрический пробой газового промежутка. За счет сил, возникающих при протекании разрядного тока, происходит

упругая деформация мембраны, в результате чего перемещается запорный орган, связанный с мембраной, и осуществляется открытие клапана. Возврат клапана в исходное состояние происходит под действием сил упругости и давления газа.

Такой клапан сложен в эксплуатации и требует больших затрат времени на обслуживание, так как для нормальной его работы необходимо иметь дополнительную газовую систему (для осуществления напуска газа в разрядный промежуток), приборы контроля и регулирования величины давления газа в разрядном промежутке, а также необходимо иметь систему откачки остаточных газов из разрядного промежутка. При этом для нормальной работы клапана необходимо, чтобы в исходном состоянии давление газа в рабочей полости было больше начального давления газа в разрядном промежутке (иначе запорный орган не прижмется к седлу клапана). Это условие также усложняет эксплуатацию клапана и сужает область его использования.

В процессе эксплуатации такого клапана происходит эрозия электродов и постепенная металлизация изоляционных поверхностей из-за осаждения металлических паров, возникающих при электрическом пробое газового межэлектродного промежутка, а также возможно прожигание тонкой мембраны при перемещении на нее опорного пятна дуги. Эти факторы приводят к снижению стабильности и надежности работы клапана, к уменьшению срока службы.

Кроме того, при закрытии клапана могут возникать нежелательные колебания мембраны, обусловленные силами ее упругости и большой скоростью соприкосновения запорного органа с седлом, которые могут привести к повторным открытиям клапана, что также снижает стабильность и надежность работы клапана.

Таким образом, основным недостатком прототипа является невысокая надежность.

Целью изобретения является повышение надежности клапана.

Поставленная цель достигается тем, что в электродинамическом клапане, содержащем корпус, два электрода для подключения к постороннему источнику энергии, установленных в корпусе и разделенных со стороны подключения указанного источника энергии изолятором с центральным отверстием, которые имеют в центральной части обращенные друг к другу торцевые поверхности, причем торцевая поверхность электрода, расположенного между корпусом и другим противолежащим электродом, выполнена с центральным отверстием, упругую мембрану, которая герметично закрывает это отверстие и ограничивает совместно с торцевой поверхностью противолежащего электрода полость, образованную отверстием изолятора, запорный орган, укрепленный на мембране, и установленное на корпусе седло, предлагается изолятор выполнить с отверстием, диаметр которого со стороны расположения мембраны больше, чем диаметр этого отверстия со стороны противолежащего электрода, а вышеуказанную полость заполнить токопроводящей жидкостью (например, легкоплавким жидким металлом).

На чертеже изображено предлагаемое устройство, которое содержит два электрода 1 и 2, установленных в корпусе 3 и предназначенных для подключения к внешнему импульсному источнику энергии (на чертеже не показан). Электроды 1 и 2 со стороны подключения внешнего источника энергии разделены изолятором 4.

Торцевая поверхность электрода 2, расположенного между корпусом 3 и электродом 1, имеет отверстие 5, герметично (например, с помощью сварки) закрытое упругой мембраной 6, Изолятор 4 имеет центральное отверстие, образующее полость А. На мембране б закреплен запорный орган 7, который прижимается к седлу 8, установленному на корпусе 3 давлением газа из зазора В, расположенного между корпусом 3 и мембраной 6. Полость А заполнена токопроводящей жидкостью. В качестве токопроводящей жидкости может быть использован легкоплавкий жидкий металл, например ртуть, сплавы натрия-калия, легкоплавкие сплавы на основе галлия и др. Центральное отверстие изолятора 4 выполнено таким образом, что диаметр отверстия со стороны мембраны больше, чем диаметр этого отверстия со стороны электрода 1.

Устройство работает следующим образом.

При срабатывании коммутатора внешнего импульсного источника энергии (на чертеже не показан) через электроды 1 и 2, токопроводящую жидкость и мембрану 6 протекает разрядный ток. Магнитное давление, обусловленное разрядным током, действует в токопроводящей системе как на неподвижные электроды, так и на токопроводящую жидкость (жидкий металл). Под действием давления, действующего со стороны жидкого металла на упругую мембрану 6, мембрана прогибается, перемещая укрепленный на ней запорный орган 7. Запорный орган 7 отбрасывается от седла 8. Происходит открытие клапана. Возврат кла пана в исходное состояние осуществляется под действием силы упругости мембраны и давления газа. При этом жидкий металл играет роль гидравлического буфера.

В предлагаемой конструкции благодаря

выполнению изолятора с диаметром центрального отверстия мембраны большим, чем диаметр этого отверстия со стороны неподвижного электрода, и выполнению по0 лости А, образованной этим отверстием и ограниченной мембраной с одной стороны и неподвижным электродом с другой, удается7 создать условия, позволяющие жидкому металлу выполнять одновременно функции

5 токопровода, роль звена, передающего и усиливающего величину давления, действующего на мембрану, а также выполнять роль гидравлического буферного устройства. Так как разрядный ток протекает по электро0 дам, мембране и жидкому металлу, в конструкции исключен электрический разряд в газовой среде, а, следовательно, исключена возможность прожигания тонкой мембраны опорным пятном дуги, исключена дуговая

5 эрозия электродов и сопутствующая ей металлизация изолятора, что способствует повышению надежности и стабильности работы клапана, а также уменьшению затрат рабочего времени на обслуживание

0 клапана, так как отпала необходимость в частом ремонте клапана (из-за повреждения, например, мембраны).

Поскольку рабочая полость заполняется однократно жидким металлом (а в прототи5 пе использовалась постоянно возобновляемая газовая среда), отпадает необходимость в дополнительной газовой системе, приборах регулирования и контроля величины давления газа в разрядном

0 промежутке, а также отпадает необходимость обеспечивать откачку остаточных газов из рабочей полости после разряда. Это позволяет упростить эксплуатацию предлагаемого клапана,уменьшить как затраты на

5 создание клапана (за счет уменьшения затрат на газовую систему, систему откачки и т.д.), так и уменьшить затраты рабочего времени на обслуживание клапана и подготовку его к работе.

0 Также, так как полость с жидким металлом может быть просто загерметизирована, а вес жидкого металла может быть малым, сила, действующая на мембрану со стороны жидкого металла в исходном положении, бу5 дет мала, а это позволяет расширить диапа- зон рабочих давлений клапана по сравнению с прототипом (у которого величина рабочего давления газа может быть только больше величины давления газа в разрядном промежутке).

Кроме того, при закрытии клапана жид-ное отверстие и образует с корпусом по- кий металл играет роль эффективного гидрав-лость, сообщающуюся со штуцером, изоля- лического демпфера (что обеспечивается кактор, разделяющий электроды и имеющий формой полости с жидким металлом, так иотверстие, соосное с отверстием в электробольшой плотностью демпфирующей жидко-5 де, мембрану, запирающую отверстие в сти). Это позволяет уменьшить ударные на-электроде, запорный орган, установленное грузки на седло и запорный орган прина корпусе седло, отл и ча ю щи и с я тем, закрытии клапана и тем самым способствуетчто, с целью повышения надежности, изоля- повышению надежности клапана.тор выполнен с центральным отверстием, Формула изобретения10 диаметр которого со стороны мембраны Электродинамический клапан, содер-превышает его диаметр со стороны проти- жащий корпус со штуцером для подачи газа,волежащего электрода, а образованная установленные в корпусе коаксиально дваэтим отверстием полость заполнена токо- электрода, один из которых имеет централь-проводящей жидкостью.