Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах терморегулирования изделий авиационной и космической техники, а также в других областях техники.

Известно устройство деления потока жидкости, содержащее корпус с входным и выходным патрубками и запорный клапан, золотник, расположенный внутри корпуса [Заявка Японии №63-303277, кл. F16К 11/085, 1988 г.]. Недостатком этого устройства является невозможность плавно регулировать расход жидкости в делимых потоках.

Этого недостатка лишено выбранное в качестве прототипа устройство деления потока жидкости, содержащее корпус с расточкой, одним входным патрубком, отверстие которого сообщено с внутренней полостью расточки, и двумя выходными патрубками, отверстия которых выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность расточки, установленный в корпусе соосно расточке вал с переключающим элементом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность и снабженным сегментом из эластичного материала [Патент РФ №2047803, кл. F16К 11/085, 1995 г.].

Недостатком этого устройства деления потока жидкости является нестабильность его характеристики - зависимости соотношения расходов жидкости через выходные патрубки, т.к. это соотношение зависит помимо положения переключающего элемента и от давления рабочей среды в переключающем элементе (на участке точной регулировки, т.е. когда сегмент из эластичного материала находится напротив отверстия одного из выходных штуцеров). Подобная зависимость усложняет конструкцию всего изделия, куда входит устройство деления потока жидкости, так как требует источника давления с регулирующим устройством для подачи рабочей среды в переключающий элемент. При этом для использования устройства в космических аппаратах создание такого источника представляется крайне неоправданным. Кроме того, снижается надежность устройства деления потока за счет наличия дополнительного источника давления с регулирующим элементом и возможности его отказа. Указанные недостатки делают неприемлемым применение прототипа в системах терморегулирования космических объектов, для которых стабильность характеристики устройства - зависимости соотношения расходов жидкости через выходные патрубки и его надежность являются определяющими техническими требованиями.

Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является обеспечение стабильности характеристики зависимости соотношения расходов жидкости через выходные патрубки от положения переключающего элемента и повышение надежности устройства деления потока жидкости.

Этот результат достигается за счет того, что в известном устройстве деления потока жидкости, содержащем корпус с расточкой, одним входным патрубком, отверстие которого сообщено с внутренней полостью расточки, и двумя выходными патрубками, отверстия которых выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность расточки, установленный в корпусе соосно расточке вал с переключающим элементом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность и снабженным сегментом, согласно изобретению в расточке неподвижно установлено контактирующее с ее цилиндрической поверхностью кольцо, на наружной поверхности которого выполнены два паза, каждый из которых выполнен охватывающим отверстия одного из выходных патрубков, на наружной цилиндрической поверхности переключающего элемента выполнен паз постоянной глубины, а сегмент установлен в этом пазе с ограничением его перемещения в осевом и угловом относительно оси вала направлениях, в переключающем элементе выполнены глухие радиальные отверстия, в которых размещены пружины сжатия, поджимающие сегмент к внутренней поверхности кольца, в корпусе установлен шаговый двигатель, ротор которого соединен с валом, а на кольце выполнены радиальные отверстия, сообщающие внутреннюю поверхность кольца с его пазами, при этом угловые расстояния между соседними отверстиями выполнены равными или кратными шагу ротора шагового двигателя. Для максимального расширения диапазона регулирования отверстие входного патрубка сообщено с внутренней полостью расточки через выполненный в корпусе канал, выходящий в расточку со стороны ее торца.

На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения устройства деления потока жидкости, поперечный разрез, на фиг.2 - то же, разрез по А-А, на фиг.3 и 4 - то же, поперечные разрезы для разных положений исполнительного элемента.

Устройство деления потока жидкости содержит корпус 1 с расточкой 2, одним входным патрубком 3, отверстие 4 которого сообщено с внутренней полостью 5 расточки 2, и двумя выходными патрубками 6 и 7, отверстия 8 и 9 которых соответственно выполнены выходящими на цилиндрическую поверхность 10 расточки 2. В корпусе 1 соосно расточке 2 установлен вал 11 с закрепленным на нем неподвижно посредством шпонки 12 переключающим элементом 13, имеющим наружную цилиндрическую поверхность 14 и снабженным сегментом 15, представляющим собой часть тонкостенного кольца. В расточке 2 неподвижно установлено контактирующее с ее цилиндрической поверхностью 10 кольцо 16 (в данном примере - запрессовано), на наружной поверхности 17 которого выполнены два паза 18 и 19, каждый из которых выполнен охватывающим отверстия одного из выходных патрубков: паз 18 охватывает отверстие 8 выходного патрубка 6, а паз 19 охватывает отверстие 9 выходного патрубка 7. На наружной цилиндрической поверхности 14 переключающего элемента 13 выполнен паз 20 постоянной глубины, а сегмент 15 установлен в пазе 20 с ограничением его перемещения в осевом и угловом относительно оси вала 11 направлениях: в осевом направлении перемещения сегмента 15 ограничивают стенки 21 паза 20, а в угловом - стенки 22 паза 20. В переключающем элементе 13 выполнены глухие радиальные отверстия 23, в которых размещены пружины 24 сжатия, поджимающие сегмент 15 к внутренней поверхности кольца 16. В корпусе 1 установлен шаговый двигатель 25, ротор 26 которого неподвижно соединен с валом 11, а на кольце 16 выполнены радиальные отверстия 27, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазами 18 и 19. Угловые расстояния α между соседними отверстиями 27 выполнены равными или кратными шагу ротора шагового двигателя. Отверстие 4 входного патрубка 3 сообщено с внутренней полостью 5 расточки 2 через выполненный в корпусе 1 канал 28, выходящий во внутреннюю полость 5 расточки 2 со стороны ее торца 29. Вал 11 установлен в корпусе 1 на подшипниках 30.

Устройство деления потока жидкости работает следующим образом: при поступлении жидкости от внешнего источника через входной патрубок 3 поток жидкости через отверстие 4 и канал 28 поступает во внутреннюю полость 5 расточки 2, сегмент 15, первоначально поджимаемый к внутренней поверхности кольца 16 пружинами 24 сжатия, поджимается к ней также гидростатическим давлением жидкости в полости 5. Толщина сегмента 15 выполнена меньшей, чем расстояние от цилиндрической поверхности 10 расточки 2 до дна паза 20, что обеспечивает отсутствие заклинивания сегмента 15 между кольцом 16 и переключающим элементом 17. Далее жидкость поступает в паз 19 через радиальные отверстия 27, не закрытые сегментом 15. На фиг.1 и 2 показано положение переключающего элемента 13, при котором все отверстия 27, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 18, перекрыты сегментом 15, а все отверстия 27, сообщающие внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 19, открыты. Таким образом, поток жидкости из полости 5 поступает только в паз 19 и из него - в отверстие 9 выходного патрубка 7. При подаче импульса напряжения на шаговый двигатель 25 его ротор поворачивается по часовой стрелке (по фиг.1) на один шаг - на угол α. На этот же угол поворачивается и переключающий элемент 13 с сегментом 15, и устройство переходит в положение, показанное на фиг.3. При этом открывается одно из отверстий 27, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 18, и жидкость через него поступает также в паз 18 и из него - в отверстие 8 выходного патрубка 6. Соотношение расходов через патрубки 8 и 9 определяется геометрическими характеристиками (количеством и площадью) открытых отверстий 27, сообщающих внутреннюю полость 5 с пазами 18 и 19 соответственно. При дальнейшей подаче импульсов на шаговый электродвигатель 5 будут происходить дальнейшие повороты вала 11, переключающего элемента 13 с сегментом 15, при этом число открытых отверстий 27, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 18, будет увеличиваться, а число открытых отверстий 27, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 19 уменьшаться, что приведет к относительному возрастанию расхода через патрубок 6 и относительному снижению через патрубок 7. При отработке 16 шагов от положения, показанного на фиг.1, устройство перейдет в положение, показанное на фиг.4, при этом весь расход жидкости будет протекать через патрубок 6, а расход через патрубок 7 будет равен нулю.

В результате использования изобретения обеспечивается стабильность характеристики зависимости соотношения расходов жидкости через выходные патрубки от положения переключающего элемента. Так как ротор шагового двигателя перемещается на дискретные величины, то указанная характеристика зависит только от соотношения площадей открытых радиальных отверстий, сообщающихся с пазами 18 и 19, что определяется числом и диаметрами этих отверстий, а эти величины постоянные и не меняются в процессе эксплуатации устройства. Характеристика устройства представляет собой ряд соотношений расходов через патрубки 6 и 7 в зависимости от положения ротора шагового двигателя. Нетрудно представить, что заявленная конструкция позволяет реализовать любой тип монотонно возрастающей характеристики. При этом число положений ротора на диапазоне регулирования определяет число различных точек характеристики (число радиальных отверстий), поэтому для увеличения возможного диапазона регулирования, другими словами, числа точек характеристики число положений ротора следует максимально увеличить количеством радиальных отверстий. Поэтому в приведенном примере конкретного исполнения отверстие входного патрубка сообщено с внутренней полостью расточки через выполненный в корпусе канал, выходящий во внутреннюю полость расточки со стороны ее торца. Возможно также сообщение отверстия входного патрубка непосредственно с цилиндрической поверхностью расточки, как в прототипе, однако это приведет к снижению числа радиальных отверстий и снижению точек характеристики, что, впрочем, может быть допустимо для решения определенных задач, поэтому сообщение отверстия входного патрубка с внутренней полостью расточки через выполненный в корпусе канал, выходящий во внутреннюю полость расточки со стороны ее торца, представляет возможный частный случай исполнения. Для реализации незначительных приращений характеристики возможно потребуется отсутствие в некоторых положениях радиальных отверстий тогда при переходе от одного положения ротора к следующему число открытых отверстий 27, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 18, останется неизменным, а число открытых отверстий 27, сообщающих внутреннюю поверхность кольца 16 с его пазом 19 уменьшится, что приведет к незначительному относительному возрастанию расхода через патрубок 6 и относительному снижению через патрубок 7. Поэтому заявляется выполнение угловых расстояний между соседними отверстиями равными или кратными шагу ротора шагового двигателя, что обеспечивает в любом положении ротора двигателя полное открытие радиальных отверстий. Естественно, диаметры самих отверстий для этого должны быть увязаны с величиной шага шагового двигателя и точностью отработки шагов ротором при движении в прямом и обратном направлениях, однако это является задачей обычного проектирования и не отражено в описании изобретения. Кроме того, достигается повышение надежности устройства деления потока жидкости за счет устранения необходимости в источнике давления с регулирующим элементом. Указанные преимущества позволяют рекомендовать заявленное изобретение к применению в качестве регулирующего органа систем терморегулирования космических летательных аппаратов.