Электродинамический клапан Советский патент 1993 года по МПК F16K31/02 

со

С

Использование: в установках с применением сильнопоточных плазменных ускорителей. Сущность изобретения: в корпусе установлена электромагнитная катушка, соединенная через коммутатор с импульсным источником энергии. Запорный орган перекрывает канал выпуска газа. Запорный орган выполнен из материала с удельной электропроводностью, определяемой заданным соотношением, из композиционного материала. Материал изготовлен из пористого металлического основания, пропитанного пластиком. 2 з.п.ф-лы. 1 табл.. 3 ил.

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

Целью изобретения является расширение области применения, повышение надежности электродинамического клапана и сокращение его размеров.

На фиг.1 изображен пример выполнения предлагаемого устройства, разрез, где 1 - корпус, 2 - электромагнитная катушка, 3

- запорный орган, 4 - канал напуска газа: 5

- узел возврата запорного органа в исходное положение, включающий в себя демпфера, например, мягкий демпфер 6 и более жесткий 7; 8 - седло. 9 - уплотнение, 10 - импульсный источник энергии с коммутатором 11, А - полость высокого давления, Б - вакуумная полость.

Предлагаемый электродинамический клапан содержит корпус 1, в котором расположена электромагнитная катушка 2 и запорный орган 3. В исходном положении канал напуска газа 4 перекрыт запорным органом 3. Узел возврата запорного органа в исходное положение 5 в рассматриваемом примере включает в себя мягкий демпфирующий элемент и более жесткий демпфер 7. Газ под давлением находится в полости А, которая каналом напуска 4 сообщается с вакуумной полостью Б. Герметизация вакуумной полости-Б осуществляется с помощью седла 8, А герметизация корпуса - с помощью уплотнения 9. Импульсный источник энергии 10 подсоединен к катушке 2 через коммутатор 11, который в исходном положении разомкнут. Запорный орган в предлагаемой конструкции выполняется из

00

о

XI

О

;го

материала, электропроводность которого

выбрана из условия (1): у 2 v| С///Н 2. Как отмечалось выше, может быть использован и композиционный материал, удовлетворяющий условно у 2 LC//f H 2. В качестве примера конкретной конструкции ниже рассматривается конструкция у которой: /г 12,55-10 7 Гн/м, удельная электропроводность у 6106 , запорный орган выполнен толщиной 0,8 мм, индуктивность 1 Гн, емкость конденсатора С 100-10 6Ф.

Работает устройство следующим образом.

При разряде импульсного источника энергии, например, конденсаторной батареи 10 через коммутатор 11 (при его замыкании) через электромагнитную катушку 2, по ней протекает разрядный ток. Этот ток индуцирует в запорном органе 3, выполняющем также функцию якоря, ток обратного направления. Вследствие электродинамического взаимодействия токов разного направления в катушке 2 и запорном органе 3 между ними возникает сила отталкивания. Запорный орган 3 отбрасывается от катушки 2 и от седла 8 и открывает проход для газа. Газ из полости высокого давления А через канал напуска 4 поступает в вакуумную полость Б. Так как в предлагаемой конструкции запорный орган выполнен удовлетворяющим соотношению

у 2 VLCx/u H

0)

Это приводит к тому, что между основным током H(t), протекающим по катушке и током l2(t), индуцированным в запорном органе, будет иметь место сдвиг по фазе. А это означает, что возникающие между токами h(t) и i2(t) усилия в некоторый момент времени сменят свой знак и из отталкивающих станут притягивающими (более подробно эти процессы будут описаны ниже при сравнительном анализе заявляемого решения и прототипа). Это приводит к торможению запорного органа 3. Запорный орган 3 сначала тормозится за счет вышеотмеченного притягивающего усилия и мягким демпфером 6. Затем окончательно затормаживается жестким демпфером 7 и возвращается в исходное положение.

Оценим основные технические преимущества предлагаемого устройства пр сравнению с прототипом. Для этого рассмотрим фиг.2 и фиг.З, на которых представлены результаты численных экспериментов, относящихся к предлагаемой конструкции (фиг.2) и к конструкции прототипа (фиг.З). На

этих фигурах рассмотрены процессы, происходящие в клапанах до момента соударения запорного органа с жестким демпфером 7. На фиг.2 и 3 приняты следующие обозначения: перемещение запорного органа x(t); ток в запорном органе i2(t); ток в электромагнитной катушке h(t); скорость перемещения запорного органа V (т); электромагнитная сила, действующая на запорный орган F(t).

0 Как видно из фиг,2 в работе предлагаемого устройства до момента соударения за- порного органа с демпфирующим элементом 7 можно выделить 3 характерных участка: участок I - это участок трогания

5 (движение запорного органа начинается, когда электромагнитная сила F(t) превосходит силу поджатия запорного органа); участок II - это участок разгона, когда, увеличивается скорость движения запорно0 го органа, участок III - когда начинается торможение запорного органа электромагнитными силами за счет эффекта проникновения электромагнитного поля за запорный орган, при этом скорость его перемещения

5 уменьшается. Уменьшается и сила удара запорного органа об элементы узла возврата запорного органа в исходное положение. При сравнении рисунков 2 и 3 видно, что скорость соударения запорного органа с де0 мпфером 7 в предлагаемой конструкции значительно ниже, чем в прототипе ( в 5 раз).

Таким образом, полезное ибпользова- ние эффекта сдвига фазы между основным

5 и индуцированным токами приводит к тому, что ударные нагрузки, действующие на узел возврата запорного органа снижаются пропорционально квадрату снижения скорости (в данном примере примерно в 25 раз).

0 Уменьшение ударных нагрузок на отдельные элементы клапана способствует повышению срока службы этих элементов, что в свою очередь повышает надежность всего устройства.

5 Кроме того, при правильном выборе параметров клапана можно значительно уменьшить объем демпфирующих элементов клапана, или .даже совсем обойтись без эластичного демпфера (так как эффективное

0 торможение осуществляется магнитным полем), а это упрощает конструкцию (что способствует повышению надежности), а также уменьшает габаритные размеры клапана, что особенно важно, когда клапан встраива5 ется внутрь электрода (например, электрода источника плазменных сгустков).

Также, в предлагаемой конструкции могут быть обеспеченны такие условия, что в момент соударения запорного органа, вследствие эффекта его самоторможения

сила, действующая на запорный орган F(t) будет иметь отрицательное значение (в прототипе же она будет по-прежнему положительной), что способствует ускорению возврата запорного органа в исходное по- ложение в предлагаемой конструкции. Другими словами, появляется возможность уменьшить длительность газового импульса, что расширяет область применения такого клапана. Такая конструкция особенно будет эффективна в установках, где требуется осуществлять быстрый напуск порции газа с малой длительностью газового импульса.

Итак видно., что предлагаемая конструк- ция позволяет уменьшить габаритные размеры клапана и повысить его надежность. Если вероятность выхода из строя одного элемента устройства равна Ф|, то вероятность отсутствия выхода из строя равна 1- Ф(. Вероятность того, что устройство не выйдет из строя может быть определена как

m

П(-1-ФО .

где Фп - вероятность выхода из строя всего устройства, m - число элементов устройства. Тогда, при уменьшении вероятности вы- хода из строя мягкого и жесткого демпферов, запорного органа за счет повышения их механической износостойкости из-за снижения ударных нагрузок, действующих на них, например, от (1- Ф|) 0,99 до (1- ф) 0,995 удается снизить вероятность выхода из строя всего устройства в 1,4 раза. Предлагаемое решение позволяет значи510

5 0

5

с

тельно расширить и диапазон материалов, применяемых при создании быстродействующих электродинамических клапанов.

Использование описанного технического решения планируется начать в 1993 г. в разработках НИИЭлектрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова.

Формула изобретения

у 2 SCO/ft Н 2 ,

где у- удельная электропроводность материала запорного органа;

С - емкость импульсного источника энергии;

L - индуктивность цепи, содержащей электромагнитную катушку и импульсный источник энергии;

/4- магнитная проницаемость материала запорного органа;

Н - толщина запорного органа;

T6S.

(разгон) (торможение) Фиг.1