Результат интеллектуальной деятельности: КЛАПАН ДОЗИРОВАННОЙ ПОДАЧИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к области арматуростроения, в частности к клапанам для управления проходным отверстием соединительного трубопровода, по которому в качестве среды пропускается газ или жидкость.

Известен электромагнитный клапан с запирающим элементом, работающим по принципу клапан-седло (пат. РФ №2241167, МПК⁷ F16К 31/02, 2004). В клапане, корпус которого с входным соплом и каналами управления соединен гайкой с электромагнитом, внутри электромагнита, в направляющей гильзе, размещен подпружиненный якорь - запорный орган с возможностью ограниченного осевого перемещения, выполненный в виде цилиндрического стержня из магнитомягкого материала с кольцевым буртом и продольными пазами на наружной поверхности, соединяющими внутреннюю полость клапана с атмосферным входом через сопло стопа. Внутри якоря, соосно наружной поверхности, выполнена сквозная многоступенчатая цилиндрическая расточка, большая ступень которой расположена со стороны входного сопла. В расточку с оппозитным расположением встроены разделенные между собой разобщающей шайбой два управляющих устройства с запирающими элементами типа клапан-седло, каждый из которых выполнен в виде аксиально подвижного запорного органа из упругого эластомерного материала, одним торцом опертого в торец внутренней расточки якоря с возможностью взаимодействия, другим торцом - с поджатой пружиной относительно опорного торца разобщающей шайбы. Усилие сжатия пружины, обращенной в сторону входного сопла, больше усилия сжатия пружины со стороны сопла стопа на величину, достаточную для удержания закрытым нормально закрытого седла входного сопла при обесточенном электромагните и возможном присутствии действующих инерционных сил, причем между наружными цилиндрическими поверхностями запорных органов якоря и соответствующими внутренними поверхностями (стенками) расточки образованы гарантированные кольцевые зазоры, а полость внутренней расточки якоря радиальным каналом сообщена с его наружным продольным пазом и атмосферным входом в клапан.

Недостатками данного технического решения являются значительная сложность конструкции и наличие множества подвижных деталей, сложность герметизации запорного устройства от внешней среды, что снижает надежность и долговечность конструкции.

Известен шланговый клапан (А.С. СССР №771396, МПК⁷ F16К 7/07, 1980), в корпусе которого установлен регулирующий шланг, образующий с корпусом управляющую плоскость, сообщающуюся с источником давления. Клапан снабжен установленными внутри шланга опорными кольцами, посредством которых шланг вдоль оси разделен на участки с равномерно увеличивающейся жесткостью по направлению движения рабочей среды. На внутренней поверхности шланга закреплена эластичная диафрагма. В пространство между корпусом и регулирующим шлангом подается газ (воздух), при этом участки шланга отжимаются от стенок корпуса, изменяя площадь проходного сечения, а следовательно, и расход через клапан.

Недостатком конструкции является то, что она предполагает только пневмоуправление данным клапаном и необходимость использования дополнительного энергетического источника - сжатого воздуха, что также технически усложняет ее использование и требует дополнительных затрат, связанных с подводом сжатого воздуха.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является клапан (пат. РФ №2145686, МПК⁷ F16К 7/07, 2000), который состоит из корпуса с патрубками, к которым крепятся трубопроводы. Внутри корпуса находится плоская камера из эластичного композиционного материала, выполняющая роль запорного элемента, внутри которой находится трубчатый жесткий перфорированный сердечник, поперечное сечение которого выполнено в виде эллипса. Сердечник закреплен на крышке. На крышке размещен штуцер для подачи внутрь камеры рабочей среды с регулируемыми параметрами. При подаче давления внутрь плоской камеры ее размеры увеличиваются, живое сечение запорного устройства уменьшается, следовательно, уменьшается расход жидкости (газа) в напорном трубопроводе. Расход будет равен нулю, когда плоская камера из эластичного композиционного материала будет прилегать к внутренней поверхности корпуса, а давление в ней будет больше, чем давление в подводящем трубопроводе.

Недостатком конструкции клапана является то, что она предполагает только пневмоуправление данным клапаном и необходимость использования дополнительного энергетического источника - сжатого воздуха, что технически усложняет конструкцию и требует дополнительных затрат, связанных с подводом сжатого воздуха.

Задачей данного изобретения является создание простой, надежной конструкции клапана без большого количества механически движущихся частей, способного к управлению электрическим током или магнитным полем, с минимальными габаритными размерами и способного регулировать малые расходы рабочей среды.

Технический результат обеспечивается тем, что клапан для дозированной подачи рабочей среды имеет корпус, в котором установлен запорный элемент, выполненный из магнитоэластичного композита (МЭ-композит) со сквозным каналом для прохода среды, а снаружи корпуса установлен электромагнит и/или постоянный магнит, воздействующий магнитным полем на магнитоэластичный композит. Электромагнитов, установленных в клапане, может быть один или несколько. Сердечник (магнитопровод) электромагнита выполнен из магнитного материала с коэрцитивной силой 0-1 Тесла. Запорный элемент клапана может быть изготовлен с каналом противодавления.

На фиг.1 показан общий вид клапана, корпус которого может иметь круглое или прямоугольное сечение: 1 - корпус, 2 - запорный элемент (МЭ - композит), 3 - электромагнит, 4 - сердечник электромагнита (магнитопровод), 5 - регулируемый канал клапана, 6 - изгиб МЭ-композита под действием магнитного поля, 7 - постоянный магнит. На фиг.2 показан клапан с несколькими установленными электромагнитами; на фиг.3 показан электромагнит, магнитопровод которого введен внутрь корпуса клапана; на фиг.4а, 4б показаны различные варианты установки электромагнита; на фиг.5а показана конструкция клапана, закрытого в отсутствие тока в электромагните; на фиг.5б - процесс открытия клапана после подачи управляющего тока в катушку электромагнита; на фиг.6 показана конструкция клапана с каналом противодавления 8; на фиг.7 представлена блок-схема возможного управления клапном: 9 - клапан, 10 - датчик расхода газа, 11 - блок, задающий расход, 12 - микроконтроллер с аналогово-цифровым преобразователем на два канала, 13 - дисплей, 14 - блок управления магнитным полем.

Клапан представляет собой корпус 1 круглого или прямоугольного сечения, снаружи которого установлен электромагнит 3 с сердечником (магнитопроводом) 4 и/или постоянный магнит 7, а внутри установлен запорный элемент 2, изготовленный из магнитоэластиного композита (МЭ-композит), способного значительно деформироваться под действием внешнего магнитного поля. Внутри МЭ-композита или между МЭ-композитом и корпусом имеется сквозной канал для прохода рабочей среды (фиг.1). При приложении внешнего магнитного поля с помощью электромагнита или постоянного магнита МЭ-композит стремится втянуться в область магнитного поля с максимальным градиентом, при этом в результате деформации композита 6 происходит перекрытие (частичное или полное) канала 5 протекания газа или жидкости, как показано на фиг.1. МЭ-композит представляет собой композит на основе эластичного полимера (эластомера) с внедренными в него магнитными частицами, который способен значительно деформироваться под воздействием магнитного поля, втягиваясь в область магнитного поля с большим градиентом (пат. РФ №2157013, МПК⁷ H01F 1/113, 1/117, 2000).

Для более эффективной работы клапана электромагнитов, установленных вдоль корпуса, может быть несколько (фиг.2). Для снижения величины требуемого магнитного поля и соответственно мощности электромагнита магнитопровод электромагнита может быть введен внутрь корпуса, непосредственно в область регулируемого сечения трубопровода (фиг.3), при этом боковые поверхности магнитопровода могут быть покрыты слоем немагнитного материала. Расположение электромагнитов и способ подведения магнитного поля в область запорного устройства могут быть различными, как показано на (фиг.4а, 4б).

По конструкции клапан может быть как нормально открытым (открыт в отсутствие электрического управления) (фиг.1-4), так и нормально закрытым (закрыт при отсутствии электрического управления) (фиг.5а), то есть после подачи напряжения на электромагнит клапан открывается (фиг.5б). В такой конструкции клапана ток в электромагнит направляется в направлении размагничивания сердечника электромагнита, намагниченного постоянным магнитом, и клапан открывается.

Для снижения энергопотребления клапана в процессе регулировки потока магнитопровод электромагнита может быть выполнен из магнитожесткого материала с коэрцитивной силой больше 0,01 Тесла (так называемый поляризованный электромагнит). В этом случае реализуется схема импульсного управления регулируемым каналом клапана. После подачи магнитного импульса на магнитопровод он остается намагничен в большей или меньшей степени в зависимости от величины импульса и соответственно рабочий проход в тубе будет оставаться перекрытым в большей или меньшей степени. Открытие трубопровода осуществляется подачей магнитного импульса противоположной полярности для размагничивания магнитопровода.

Для снижения давления регулируемой среды на запорный орган и соответственно снижения мощности электромагнитов для выполнения достаточного регулирования в конструкции могут присутствовать каналы противодавления. Регулируемая среда давит в таком канале на запорный орган в направлении его закрытия, компенсируя давление в рабочем канале. Поэтому сила электромагнита будет использоваться только на преодоление упругих сил композита, а разжимающая сила регулируемой среды будет в значительной мере скомпенсирована давлением в канале противодавления 8, как показано на фиг.6.

Один из вариантов управления клапаном и регулирования расхода газа реализован в следующей схеме, показанной на фиг.7. Регулируемый поток среды, например газ, проходит через клапан и датчик расхода газа. Сигнал, поступающий с измерительного преобразователя датчика, сравнивается с сигналом из задающего блока в микроконтроллере. Текущие значения реального расхода и заданного отражаются на дисплее. По результатам сравнения магнитное поле через блок управления магнитным полем усиливается или ослабляется, увеличивая или уменьшая расход газа. В результате регулирования расход газа через клапан должен соответствовать расходу газа, заданному в блоке задания расхода. Данная схема является системой с обратной связью.

Преимуществом предложенной конструкции клапана по сравнению с прототипом является то, что она проста в исполнении, без большого количества механически движущихся частей, надежна в эксплуатации, управляется электрическим током или магнитным полем, может быть реализована в миниатюрном исполнении с минимальными габаритными размерами и способна регулировать малые расходы рабочей среды.