Электродинамический клапан Советский патент 1993 года по МПК F16K31/02 

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

Известны электродинамические клапаны для импульсного напуска газа, срабатывающие при разряде импульсного источника электроэнергии. Эти клапаны содержат корпус с каналами входа и выхода газа, запор- ный орган, совмещенный с якорем электродинамического привода, электродинамическую катушку, демпфер, уплотнитель, коммутатор и импульсный источник электроэнергии.

Недостатком этих клапанов является невысокая надежность, обусловленная их повторными открываниями.

Известен электродинамический клапан, выбранный в качестве прототипа. Эта конструкция содержит корпус с каналами входа и выхода газа, запорный орган, который совмещен с якорем электродинамического привода, электродинамическую катушку, по крайней мере один демпфер, уплотнитель,

VJ

00 00 СА) VI Qs

коммутатор и импульсный источник электроэнергии. Запорный орган содержит электропроводный участок и установлен в корпусе между демпфером и уплотнителем. Уплотнитель расположен со стороны электродинамической катушки, а катушка соединена через коммутатор с импульсным источником электроэнергии.

Недостатком является невысокая надежность, обусловленная возможными повторными открываниями (ложными срабатываниями) клапана.

Цель изобретения - повышение надежности клапана путем предотвращения ложных срабатываний.

Поставленная цель достигается тем, что в электродинамическом клапане, содержащем корпус с каналами входа и выхода газа, запорный орган, совмещенный с якорем электродинамического привода, электродинамическую катушку, по крайней мере один демпфер, уплотнитель, коммутатор и импульсный источник электроэнергии, причем запорный орган Содержит электропроводный участок и установлен в корпусе между демпфером и уплотнителем, уплотнитель расположен со стороны электродинамической катушки, а катушка соединена через коммутатор с импульсным источником электроэнергии, предлагается клапан снабдить дополнительным коммутатором и катушку выполнить двухсекционной, причем обе секции общей точкой присоединить к перво- му выводу основного коммутатора, а из двух других свободных концов вышеуказанных секций вывод первой секции подсоединить к первому выводу импульсного источника электроэнергии, вывод второй секции подсоединить к первому выводу дополнительно введенного коммутатора, при этом оба коммутатора выполнить вентильными и вторые их выводы соединить со вторым выводом импульсного источника электроэнергии, причем общая индуктивность катушки клапана и индуктивность первой секции связаны соотношениями:

VLr. I 2Vc

VL HVy 12 VcT

где L - общая индуктивность катушки;

Li - индуктивность первой секции катушки;

Н - толщина электропроводного участка запорного органа;

у ,и - электропроводность и магнитная проницаемость материала запорного органа;

С - емкость импульсного источника электроэнергии.

На фиг.1 изображен пример выполнения предлагаемого устройства. Клапан показан в закрытом положении. Клапан содержит корпус 1, состоящий из верхнего

и нижнего фланцев, стянутых шпильками. Электромагнитная катушка 2 вмонтирована в нижний фланец корпуса клапана. Она выполнена двухсекционной с секциями 3 и 4. Демпфер может выполняться из двух эле0 ментов: мягкого 6 и более жесткого 7. На верхнем фланце предусмотрен штуцер с каналом входа газа 8,через который газ поступает в камеру высокого давления, проходит по каналам в корпусе и рассредотачивается.

5 В исходном положении запорный орган 5 прижимается к уплотнителю 9 силами давления газа и силами упругости мягкого демпфера 6. Газ под давлением находится в полости А, которая каналом напуска газа

0 13 сообщается с вакуумной полостью Б. Клапан включает в себя импульсный источник энергии 10 с основным коммутатором 11, а также дополнительно введенный коммутатор 12, Оба коммутатора выполнены

5 вентильными и обладают свойствами сими- стора. В качестве импульсного источника энергии 10 может использоваться конденсатор. Обе секции катушки 3 и 4 посредством основного 11 и дополнительно введенно0 го 12 коммутаторов соединены с импульсным источником энергии 10. При этом общая точка этих секций Со (показана на фиг.1) подсоединена к одному из выводов основного коммутатора 11, а два свободных

5 конца секций (точки Ci и С2) подсоединены: вывод первой секции - к первому выводу импульсного источника электроэнергии (точка С2); вывод второй секции - к первому выводу дополнительно введенного комму0 татора (точка Ci). Вторые концы коммутаторов 11 и 12 подсоединены к второму выводу импульсного источника электроэнергии 10. Рассмотрим режим работы клапана когда эффект притормаживания запорного органа

5 с последующим переходом к его прижатию используется при закрытии клапана.

Работает устройство следующим обра зом: при разряде источника энергии 10 импульсный ток разряда накопителя через

0 коммутирующий элемент 11 протекает по одной секции 4 катушки 2 с индуктивностью LI. Созданный этим током переменный магнитный поток пересекает запорный орган 5 и индуцирует в нем ток обратного направ5 ления. Вследствие взаимодействия токов разного направления в секции 4 и запорном органе 5 между ними возникает сила отталкивания. Запорный орган 5 отбрасывается от катушки и открывает проход для газа. Пока проходит импульс тока запорный орган разгоняется под действием импульса силы. При правильно выбранных параметрах электродинамического привода максимальной скорости запорный орган достигает к концу импульса тока. К этому моменту вентильный коммутатор 11 выключается, а конденсатор 10 перезаряжается, Газ из полости высокого давления А через канал напуска 13 поступает в вакуумную полость Б. Запорный орган вначале движения сжимает мягкий демпфер б, потом ударяется о более жесткий демпфер 7, и затем возвращается в исходное положение. При подходе запорного органа к уплотнителю подается сигнал на коммутирующий элемент 12 и импульсный ток разряда накопителя начинает протекать по двум секциям катушки 1 с индуктивностью L. В результате того, что и.идуктивность катушки выбрана из соотношения

г-р/лу I 2 VG с момента срабатывания дополнительного коммутатора 12, происходящие процессы становятся качественно другими, чем были ранее при прохождении тока через секцию 4 (для секции 4 выполнялось соотношение

A/Li Н2/гу I 2 VG). Ток в катушке И и индуцированный ток в запорном органе 2 в некоторые моменты начнут протекать в одном направлении, что изменит знак действующей на запорный орган силы, и из ускоряющей сила станет тормозящей. Для рассматриваемого варианта это приводит к двойному использованию положительного эффекта - сначала полезно используется положительная полуволна электромагнитной силы, а затем положительно используется и отрицательная полуволна электромагнитной силы.

На фиг.2 приведена осцилограмма процессов, происходящих в клапане. При этом приняты следующие обозначения для кривых: 1 - кривая тока после срабатывания коммутатора 11, 2 - соответствующая кривой 1 электромагнитная сила, 3 - кривая хода запорного органа, 4 - кривая скорости, 5 - кривая тока после срабатывания дополнительно введенного коммутатора 12, 6 - кривая электромагнитной силы после срабатывания коммутатора 12, при этом: 7 - положительная полуволна силы, тормозящая запорный орган при подходе к уплотни- телю; 8 - отрицательная полуволна электромагнитной силы, в результате действия которой, после предварительного снижения скорости запорного органа за счет положительной полуволны 7 он прижимается к уплотнению 9 (на фиг.1).

На фиг.2 видно, что при прохождении полуволны тока (кривая 1) на запорный орган в этот же промежуток времени (0-ti) действует положительная полуволна электромагнитной ускоряющей силы (кривая 2). Запорный орган разгоняется и к моменту времени ti приобретает значительную скорость (кривая 4). Далее, встреча с более же- стким демпфером 7 вызывает

0 затормаживание, скорость снижается и к моменту т.2 становится равной нулю, после чего начинается обратное движение и ско рость приобретает отрицательные значения (кривая 4). Величину перемещения запорно5 го органа можно наблюдать по кривой 3. При обратном движении при подходе к уплотнению (уровень показан штриховой линией) в момент ta срабатывает дополнительно введенный коммутатор 12.

0 Так как импульсный источник энергии 1C при прохождении первой полуволны токг (кривая 1) перезарядился, то с момента t3 проходит отрицательная полуволна токг (кривая 5). Благодаря описанному выше вы

5 полнению устройства, эта полуволна тока проходит по всей катушке, индуктивность которой такова, что обеспечивается сдвиг по фазе между током в катушке (кривая 5) и оком во вторичном контуре (кривая 5 0 показана штриховой линией).. Вследствие этого кривая электромагнитной силы, действующей на запорный орган (кривая 6) имеет как положительную полуволну (полуволна 7) силы, так и отрицательную полуволну (пол5 уволна 8) силы. Действие полуволны 7 (промежуток времени т,) приводит к снижению скорости запорного органа (см. кривую 4). Соударение с уплотнителем происходит с меньшей скоростью. Уплотнение

0 прогибается и силы упругости стремятся отбросить запорный орган. Этому препятствуют силы давления газа, прижимающие запорный орган, а также электромагнитная притягивающая сила (полуволна 8), действу5 ющая в наиболее ответственный момент закрытия клапана. Клапан закрывается. Описанный эффект изменения параметров разрядного контура при возврате запорного органа к уплотнению позволяет затормо0 зить запорный орган при подходе к уплотнителю, после этого - плотно прижать его к уплотнителю. Тем самым обеспечивается работа клапана без повторных открываний (ложных срабатываний), что повышает на5 дежность работы устройства.

Формула изобретения

Электродинамический клапан, содер

жащий корпус с каналами входа и выход;

газа, запорный орган, совмещенный с яко

рем электродинамического привода, элект

родинамическую катушку, по крайней мере один демпфер, уплотнитель, коммутатор и импульсный источник электроэнергии, причем запорный орган содержит электропроводный участок и установлен в корпусе между демпфером и уплотнителем, уплотнитель расположен со стороны электродинамической кзтушки, а катушка соединена через коммутатор с импульсным источником электроэнергии, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем предотвращения ложных срабатываний, электродинамический клапан снабжен дополнительным коммутатором и катушка клапана выполнена двухсекционной, при- чем обе секции общей точкой присоединены к первому выводу основного коммутатора, а из двух других свободных концов указанных секций вывод первой секции подсоединен к пе-рвому выводу импульсного источника

электроэнергии, вывод второй секции - к первому выводу дополнительно введенного коммутатора, при этом оба коммутатора вы- полнены вентильными и вторые их выводы соединены с вторым выводом импульсного источника электроэнергии, причем общая индуктивность L катушки клапана и индук- тивность LI первой секции связаны соотношениями

I 2Л/с I 2Vc

где Н -толщина электропроводного участка запорного органа;

у, ju - электропроводность и магнитная проницаемость материала запорного органа, соответственно;

С - емкость импульсного источника электроэнергии.

Изобретение может быть использовано в области машиностроения при создании арматуры для установок с использованием импульсного напуска газа в вакуумный объем, например для плазменных ускорителей. Цель изобретения - повышение надежности клапана путем предотвращения ложных срабатываний. При разряде импульсного источника энергии 10 импульсный ток разряда накопителя через коммутирующий элемент 11 протекает по одной секции 4 (катушки 2. Созданный этим током переменный магнитный поток пересекает запорный орган 5 и индуцирует в нем ток обратного направления. Вследствие взаимодействия токов разного направления в секции 4 и запорном органе 5 между ними возникает сила отталкивания. Запорный орган 5 отбрасывается от катушки и открывает проход для газа. При этом пока проходит импульс тока запорный орган разгоняется под действием импульса силы. При правильно выбранных параметрах электродинамического привода максимальной скорости запорный орган достигает к концу импульса тока. К этому моменту вентильный коммутатор 11 выключается, а импульсный источник энергии 10 (конденсатор) перезаряжается. Газ из полости высокого давления А через канал напуска газа 13 поступает в вакуумную полость Б. Клапанная пластина вначале движения сжимает мягкий демпфер 6, потом ударяется о более жесткий демпфер 7, и затем возвращается в исходное положение. 2 ил. ел С