CN105697855A - 一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其组成包括：法兰盘（1）、阀门导管（2）、永磁铁（3）、气隙（4）、磁轭（5）、轴承（6）、旋转柄（7）、浮球绳索（8）、定位销（9）、磁阀盖（10）及密封圈（10a）、浮球（11）、磁阀盖罩（12）和阀门壳体。本发明永磁阀是按工况及实际应用要求用有限元方法进行磁路和结构设计及验证。永磁、磁轭和阻磁件构成磁路控制阀门的运行。不需任何动力或人的操作，在特定的设计下，根据需要开关阀门。其结构简单、造价低、无外泻密封性好、可靠性高、抗腐蚀性好，及具有非能动特性。特别适用于核电站的非能动自动取水及各种应急情况下的气、液流体的输送。

Description

一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀

技术领域

本发明涉及一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，特别涉及一种适用于核电站的非能动自动取水及各种应急情况下用于输送气、液流体的非能动永磁阀。

背景技术

核电站等大型工业设施一般设有紧急取水冷却设施，紧急取水冷却设施一般采用电力和人工来控制需要时，紧急供水。但在恶劣的条件下，如地震等情况下，电力和人工却无法实现打开阀门，将大量冷却水注入核站需要部位，如2011年日本福岛大地震。

因此，如何解决在失去电力和人工手动完成紧急情况下的阀门开放，将蓄水池中的水注入核站需要冷却部位，以及各种应急情况下的气、液流体的输送成为国内外亟待解决关键性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀。该永磁阀按工况及实际应用要求用有限元进行磁路和结构设计及验证，包括法兰盘、阀门导管、永磁铁、气隙、磁轭、轴承、旋转柄、浮球绳索、定位销、磁阀盖及密封圈、浮球、磁阀盖罩和阀门壳体。该永磁阀根据需要及设定自动开关阀门，不需任何动力或人的操作。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于：其组成包括：法兰盘、阀门导管、永磁铁、气隙、磁轭、轴承、旋转柄、浮球绳索、定位销、磁阀盖及密封圈、浮球、磁阀盖罩和阀门壳体；

永磁铁、磁轭和气隙构成磁路系统，磁路系统套在阀门导管上；阀门导管一端设法兰盘，另一端是导管密封面；导管密封面与磁阀盖相邻，磁阀盖密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈；

永磁阀包括上下两层磁系：固定圆盘磁系层和可转动圆盘磁系层，固定圆盘磁系层靠近导管密封面和磁阀盖侧；每层磁系包括4块以上钕铁硼永磁铁，永磁铁外弧按N、S、N、S磁极分布；永磁铁的内外弧形磁极端两侧边有磁轭，即永磁铁夹在每对弧形磁轭之间；每组相邻永磁铁-磁轭的非磁极端头之间有气隙，每层磁系之间有气隙；

可转动圆盘磁系层的环内侧与阀门导管之间嵌有环型轴承；可转动圆盘磁系层的环外侧嵌有一个旋转柄和一个定位销；旋转柄通过浮球绳索连接浮球；永磁阀最外层为316L不锈钢制成的阀门壳体。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述永磁铁，由强磁场的稀土钕铁硼磁性材料40N、50N或55N制造。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述的永磁铁，由8块以上偶数块组成两层磁系，即固定圆盘磁系层和可转动圆盘磁系层，每层磁系的永磁块数相同，可转动圆盘磁系层下方设有轴承。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述气隙，由铝合金材料制造6010或6061制造。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述磁轭由纯铁DT4、Q235或45#钢制造。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述磁阀盖，由纯铁DT4、Q235或45#钢制造。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述浮球绳索为尼龙绳。

所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，所述法兰盘、阀门导管、旋转柄、定位销、磁阀盖罩、浮球和阀门壳体，均由316L不锈钢制造。

本发明的优点与效果是：

1）通过可转动圆盘磁系对固定圆盘磁系的相对运动实现磁力相加、相减，达到非能动开关作用，可在失去电力和人工手动完成紧急情况下的阀门开放。

2）产品制造及使用简单，使用苛刻工况下的紧急输送流体及管理。

3）生产成本低廉，易于工业化及质量稳定可靠等优点。

附图说明

图1为本发明永磁阀组件示意图；

图2为本发明永磁阀组件分解示意图；

图3为本发明永磁阀磁阀盖罩示意图；

图4为本发明永磁阀开关原理示意图；

图5为有限元分析永磁阀磁系的磁感应强度示意图。图中（a）为对外不显磁时（磁阀开放状态）的磁感应强度；（b）为对外显磁时（磁阀关闭状态）的磁感应强度。

附图1-3中：1-法兰盘、2-阀门导管、2a-导管密封面、3-永磁铁、4-气隙、5-磁轭、6-轴承、7-旋转柄、8-浮球绳索、9-定位销、10-磁阀盖、10a-磁阀盖密封圈、11-浮球；12-磁阀盖罩。

具体实施方式

科技原理：本产品为永磁铁多磁系组成，即8块以上偶数块永磁铁体组成了固定圆盘磁系和可转动圆盘磁系两层磁系，每层的磁系有相邻的磁铁的N极和S极交替放置的偶数块永磁铁组成，即按N、S、N、S磁极分布。

磁力阀关闭状态，上下两层磁系的永磁体处于磁力相加状态，总磁力F_关大于管道中流体压力F_流，使磁阀盖紧紧地吸在磁盘（导管）密封面上，而阻断流体运动，

即：F_关〉F_流；

磁力阀开放状态，上下两层磁系的永磁体处于磁力相减状态，管道中的流体压力F_流大于此时磁力F_开，流体压力推开吸在磁盘上磁阀盖，而流体流出，

即：F_流〉F_开。

磁力的相加减状态是旋转柄控制可转动圆盘磁系对固定圆盘磁系相对位置所决定。旋转柄被浮球上或下所转动，浮球上或下有流体位子决定，即用液体场所无液体时空芯的浮球失去浮力，重力将旋转柄向下拉动而使可转动圆盘磁系旋转而改变相对固定圆盘磁系的位子。没有浮力的浮球自重F_球大于总磁力F_关减去流体压力F_流等于F_开。此时即打开非能动磁力阀。

即：F_球=F_开=F_关—F_流

当用液体场所有液体时，液体对浮球产生浮力，总磁力F_关又大于了流体压力F_流，磁系的磁力又将磁阀盖从磁阀盖罩（龙头）中吸到磁盘上，即关闭了非能动磁力阀。

8块永磁体组成的非能动磁力阀的可转动圆盘磁系可旋转90度，10块永磁体组成的非能动磁力阀的可转动圆盘磁系可旋转72度，12块60度，依此类推，即可实现非能动永磁阀的开关。

磁阀盖密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈，以实现磁阀盖密封面与磁系密封面的紧密密封。

具体磁路设计是依照磁学原理-环路、不可交叉、磁路最短及磁阻最小的原则。

本申请永磁阀结构如附图1-3所示：

①组件由上下两层磁系组成（每层四块钕铁硼永磁铁3，其外弧按N、S、N、S磁极分布；靠导管密封面/磁阀盖侧的磁层为固定圆盘磁系层；另个磁层是可转动圆盘磁系层）。②每层的每块弧形永磁铁的内外弧端（磁极端）两侧边有磁轭5（每块弧形永磁铁夹在每对弧形磁轭之间）。③每组相邻永磁铁-磁轭的非磁极端头之间和每层磁系之间有阻磁件/气隙4。④可转动圆盘磁系层内側与阀门导管2嵌有环型轴承6。⑤永磁铁、磁轭和阻磁件构成磁路系统，其套在阀门导管2上；阀门导管一端有供安装的法兰盘1，另一端是导管密封面（盘）2a。⑥与导管密封面相邻的是磁阀盖10，其密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈10a。⑦在可转动圆盘磁系层嵌有一个旋转柄7和一个定位销9。⑧浮球绳索8一端连接着旋转柄7，另一端系着浮球11。⑨最外层为316L不锈钢制成的阀门壳体。

附图4中：

当永磁阀磁极/磁轭处于图（a）状态时，磁力线从永磁N极经磁轭和铁磁性阀盖（工件），再回到磁轭进入磁体的S极（两磁系的磁力相加）。这样，就能把阀盖（工件）牢牢地吸在永磁阀的工作极面上，使磁阀紧闭（关/通路）。

当磁极处于图（b）状态时（上磁组盘相对下磁组盘旋转90°），磁力线不到永磁阀的工作极面（阀盖），就在永磁阀内部组成磁路的闭合回路，几乎没有磁力线从永磁阀的工作极面（阀盖）上出来（两磁系的磁力相减），所以对阀盖不会产生吸力，就能顺利实现开阀（开/断路）。

实施步骤如下：

1、首先按应用的工况及产品实际要求进行产品设计及磁路设计，再根据磁学原理-环路、不可交叉、磁路最短及磁阻最小进行磁路设计及制造。

1）按实际应用工况，设计全部材料应满足要求，同时满足流体的用量要求，将外海海水取到紧急用水的蓄水池中设定海水用量，即确定非能动永磁阀尺寸规格，主要确定流体（阀门）导管2的直径阀门；导管一端有供安装的法兰盘1，另一端是导管密封面（盘）2a；

2）磁路设计及制造：①根据流体压力F_流设定非能动永磁阀磁力（关闭磁阀力）F_关，即F_关大于F_流。按所需的永磁阀磁力选定永磁铁3极面的几何尺寸；②再通过磁路设计与计算得出永磁铁与磁轭5尺寸/宽度比（吸引力最大时），磁路采用了漏磁小、加工容易的多磁系自屏式结构。③按永磁阀开关行程需要确定永磁铁块个数，如旋转90度开关，即用上下8块；④同时也确定了磁轭尺寸及个数（永磁铁块个数的一倍），每层的每块弧形永磁铁的内外弧端（磁极端）两侧边有磁轭5（每块弧形永磁铁夹在每对弧形磁轭之间）；⑤每组相邻永磁铁-磁轭的非磁极端头之间和每磁系层/盘之间装配有阻磁件/气隙4；⑥永磁铁、磁轭和阻磁件构成磁路系统，其套在阀门导管2上，而可转动圆盘磁系层内側与阀门导管2嵌有环型轴承6；与导管密封面相邻的是磁阀盖10，也是磁路系统组成一部分，其密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈10a；⑦通过可转动圆盘磁系层嵌的一个旋转柄7可使其转动，嵌入一个定位销9可起到限位作用；⑧旋转柄7系着浮球绳索8，浮球绳索8另一端系着浮球11，没有浮力的浮球自重F_球大于总磁力F_关；⑨最外层为316L不锈钢制成的阀门壳体。

2、对所设计的产品结构及磁路进行有限元分析，判定产品能满足实际应用要求。按设计的3D模型的两种状态-对外不显磁（阀门开放状态）和对外显磁（阀门关闭状态），对产品的X、Y、Z轴向的磁场强度及矢量和、磁感应强度及分布进行分析，判定是否满足使用要求。

3、按设计、发明内容及设计图制造各部件和组装产品，制造产品。

永磁铁是按设计的形状及尺寸，由强磁场的稀土钕铁硼磁性材料40N、50N或55N制造。并由偶数多块永磁铁体组成了固定圆盘磁系和可转动圆盘磁系两层磁系，可转动圆盘磁系下方有轴承。每层的磁系有相邻的磁铁的N极和S极交替放置的偶数块永磁铁组成，即按N、S、N、S磁极分布。

阻磁件/气隙是按设计的形状及尺寸，由6010或6061铝合金材料制造。

磁阀盖罩（龙头）由6010或6061铝合金材料制造。

磁轭是纯铁DT4、Q235或45#钢制造。

磁阀盖是纯铁DT4、Q235或45#钢制造，其密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈。

绳索为尼龙绳。

法兰盘、阀门导管（导管上有密封面）、旋转柄、定位销、浮球及阀门壳体是由316L不锈钢制造。

实施例1

阀门导管为内径210mm、外径220mm的316L不锈钢管，永磁40N极面:DT4纯铁磁轭=1:5，磁轭高20mm，磁铁弧长71.31mm，阻磁件为6010铝合金。

永磁阀开关行程为90度，可转动圆盘磁系层和固定圆盘磁系层各装四块钕铁硼永磁铁。

安装顺序：首先固定圆盘磁系层（盘）的阻磁件/气隙圆盘套到带有密封面（盘）的阀门导管上，再将每块弧形永磁铁按内外弧端（磁极端）N、S、N、S磁极交替用内外磁轭夹好，嵌入气隙圆盘中，即安装好了固定圆盘磁系层（盘）；

再依此将环型轴承套到阀门导管上，将可转动圆盘磁系层（盘）的气隙圆盘套在环型轴承上，再将每块弧形永磁铁按内外弧端（磁极端）N、S、N、S磁极交替用内外磁轭夹好，嵌入气隙圆盘中，再安装上气隙圆盘片，即安装好了可转动圆盘磁系层（盘）；

将阀门导管一端的法兰盘安好；

在导管密封面（盘）上安装DT4纯铁制造的磁阀盖（其密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈）；

将可转动圆盘磁系层嵌上一个316L不锈钢旋转柄，旋转柄系上尼龙浮球绳索，浮球绳索另一端系着316L不锈钢浮球（没有浮力的钢浮球自重F_球大于总磁力F_关）；

用由6010或6061铝合金材料制造的磁阀盖罩（龙头）将磁阀盖罩；

最后用阀门壳体将整体永磁阀包装好，即阀门壳体一端是法兰盘，另一端是磁阀盖罩（龙头），阀门壳体是用316L不锈钢材料制成。

通过有限元分析及工程检验，永磁阀完全达到设计及满足工程实际应用要求。即随浮球上下，永磁阀开关自如、便利。

以上实施例用于理解本发明的方法和核心思想，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，也不应将其理解成是对本发明的限制。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，进行若干简单的推演或替换，均应当视为属于本发明的保护范围。

本产品不需任何动力或人的操作，在特定的设计下，根据需要开关阀门。

其结构简单、造价低、无外泻密封性好、可靠性高、抗腐蚀性好，及具有非能动特性。

该产品特别适用于核电站的非能动自动取水及各种应急情况的气、液流体的输送。同时，本发明产品/材料的制造成本低、质量稳定。

另一方面，本发明中非能动永磁阀门，有利核电等安全生产。并形成新的经济增长点，对相关的理论和生产的发展有借鉴作用，提升了行业进步，促使了阀门产品的更新换代，具有重要的社会效益和经济效益。

Claims (8)

1.一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于：其组成包括：法兰盘（1）、阀门导管（2）、永磁铁（3）、气隙（4）、磁轭（5）、轴承（6）、旋转柄（7）、浮球绳索（8）、定位销（9）、磁阀盖（10）及密封圈（10a）、浮球（11）、磁阀盖罩（12）和阀门壳体；

永磁铁、磁轭和气隙构成磁路系统，磁路系统套在阀门导管（2）上；阀门导管一端设法兰盘（1），另一端是导管密封面（2a）；导管密封面（2a）与磁阀盖（10）相邻，磁阀盖（10）密封面上有环形凹槽，凹槽中嵌有环形橡胶密封圈（10a）；

永磁阀包括上下两层磁系：固定圆盘磁系层和可转动圆盘磁系层，固定圆盘磁系层靠近导管密封面和磁阀盖侧；每层磁系包括4块以上钕铁硼永磁铁，永磁铁外弧按N、S、N、S磁极分布；永磁铁的内外弧形磁极端两侧边有磁轭（5），即永磁铁夹在每对弧形磁轭之间；每组相邻永磁铁-磁轭的非磁极端头之间有气隙，每层磁系之间有气隙；

可转动圆盘磁系层的环内侧与阀门导管（2）之间嵌有环型轴承（6）；可转动圆盘磁系层的环外侧嵌有一个旋转柄（7）和一个定位销（9）；旋转柄（7）通过浮球绳索（8）连接浮球（11）；永磁阀最外层为316L不锈钢制成的阀门壳体。

2.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述永磁铁，由强磁场的稀土钕铁硼磁性材料40N、50N或55N制造。

3.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述的永磁铁，由8块以上偶数块组成两层磁系，即固定圆盘磁系层和可转动圆盘磁系层，每层磁系的永磁块数相同，可转动圆盘磁系层下方设有轴承。

4.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述气隙，由铝合金材料制造6010或6061制造。

5.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述磁轭由纯铁DT4、Q235或45#钢制造。

6.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述磁阀盖，由纯铁DT4、Q235或45#钢制造。

7.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述浮球绳索为尼龙绳。

8.按照权利要求1所述的一种核工业紧急纳潮取水用非能动永磁阀，其特征在于，所述法兰盘、阀门导管、旋转柄、定位销、磁阀盖罩、浮球和阀门壳体，均由316L不锈钢制造。