CN108730604A - 非能动阀门系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非能动阀门系统，包括具有开闭部件的阀门；与所述开闭部件相连且用于致动所述开闭部件以打开和关闭所述阀门的重物；适于设在容器的外表面上的热敏组件且在所述容器的外表面的温度大于预定温度时相对于所述容器的外表面移位；分别与所述热敏组件和所述重物相连的传递执行机构，所述传递执行机构在所述热敏组件移位时释放所述重物以允许所述重物通过自身重力致动所述开闭部件。本发明的非能动阀门系统有效利用热敏组件受热发生形变的特性，结合势能由高能区向低能区扩展的自然规律，将重力势能通过传动装置转变为阀门开启和关闭的动力；保证了系统的灵敏性和安全性，无需借助控制系统、人为干预及能动设备。
Description
技术领域
本发明涉及阀门技术领域，特别涉及核能发电、石油化工和航空航天领域的非能动阀门系统。
背景技术
在核电站出现事故时，特别是堆芯不能够及时被冷却的情况下，会造成堆芯熔化，并有可能熔穿容器，破坏容器的完整性。这些熔化的堆芯碎片带来极大的放射性外逸的安全隐患。
核反应堆常规冷却系统的阀门系统，理论上通过机械、电气或者操作员的动作，可以实现异常或者事故工况下进行冷却的目的。但是这些方式都是能动的，依赖于外在动力或者人工操作，需要一定的响应时间，控制系统故障或运行人员误操件的可能性还不能完全排除。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
相关技术表明目前国际上存在以下几种非能动控制方式:(1)磁性材料居里点温度控制的非能动停堆装置，主要的工作原理为:控制棒与驱动机构之间用磁性物质连接，利用磁性材料具有居里点温度的特点，即当温度升到一定程度时，磁物质的磁性下降，使控制棒脱离而下落，这种设计最典型的代表是日本在其商用快堆设计中采用的自停堆系统；(2)气体膨胀驱动装置:在快堆堆芯布置充有气体的套管，在正常工况时，套管的钠液面高度超过堆芯高度，起到将中子反射回堆芯的作用，当发生一回路失流事故时，钠液面下降使堆芯中子泄漏增加，从而引入负反应性，这种停堆系统是针对非保护失流事故，适用于小型堆芯，对于大型堆芯，不能提供足够的负反应性，需与其他非能动停堆装置联合使用(例如，在堆芯中同时设置磁性材料居里点温度控制的非能动停堆装置SASS和气体膨胀驱动装置GEM)，日本和美国对这种装置进行了较多的研究；(3)液体悬浮的非能动停堆装置，正常运行工况下，利用冷却剂浮力使控制棒位于堆芯上部，事故工况下，冷却剂流量下降到设计限值时，控制棒重量超过冷却剂浮力，控制棒下落，这种停堆装置针对的也是非保护失流事故。这种停堆装置的代表是俄罗斯的液体悬浮非能动停堆装置PPS和HRS；(4)控制棒热膨胀强化驱动机构，控制棒驱动机构采用热膨胀强化设计，驱动机构的关键材料采用具有特殊热效应的材料(例如，热膨胀系数远大于一般材料，或具有温度记忆性能等)，当反应堆温度升高时，热效应材料性能发生变化，控制棒则可以一定程度的下插；当温度达到设定限值时，热效应材料的性能变化也达到设定限值，启动控制棒释放装置，控制棒依靠重力插入堆芯，俄罗斯的多种温度效应驱动非能动停堆组件，日本的强化热膨胀驱动装置，德国为欧洲快堆设计，均属于这一类。以上几种非能动控制方式基本都是核反应堆在出现事故时采取的应对措施，要么停堆，要么进行冷却；但上述几种方式在对现有核反应堆进行改进的话成本太高、结构复杂，甚至需要对核反应堆进行重建，很难应用于现有的核反应堆上。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个方面提出一种根据温差触发执行开关的非能动阀门系统。
根据本发明实施例的非能动阀门系统，包括：
阀门，所述阀门具有开闭部件；
重物，所述重物与所述开闭部件相连，用于致动所述开闭部件以打开和关闭所述阀门；
热敏组件，所述热敏组件适于设在容器的外表面上且在所述容器的外表面的温度大于预定温度时相对于所述容器的外表面移位；
传递执行机构，所述传递执行机构分别与所述热敏组件和所述重物相连，所述传递执行机构在所述热敏组件移位时释放所述重物以允许所述重物通过自身重力致动所述开闭部件。
根据本发明实施例的非能动阀门系统,在容器例如反应堆的压力容器的表面的温度超过预定温度时，热敏组件产生位移，进而传递执行机构释放重物，从而重物依靠自身重力打开和关闭阀门，实现了阀门的完全非能动，安全可靠。
在一些实施例中，所述传递执行机构包括第一定滑轮和第一缆绳，所述第一缆绳的第一端与所述热敏组件相连，所述第一缆绳的第二端绕过所述第一定滑轮与所述重物相连，其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述重物的作用下向上移位以允许所述重物拉动所述开闭部件。
在一些实施例中，非能动阀门系统还包括第二缆绳和第二定滑轮，所述第二缆绳的第一端与所述重物相连，所述第二缆绳的第二端绕过所述第二定滑轮与所述开闭部件相连。
在一些实施例中，所述传递执行机构包括：第一连接件，所述第一连接件第一端与所述热敏组件相连；
弹性件，所述弹性件的第一端固定，所述弹性件的第二端与所述第一连接件相连；
杠杆，所述杠杆的第一端与所述第一连接件相连，所述重物支撑在所述杠杆的第二端，
其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的协助下移位以允许所述重物向下移动而拉动所述开闭部件。
在一些实施例中，所述弹性件为拉伸弹簧且朝向远离所述容器的方向常拉动所述第一连接件，其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的作用下向上移位以便所述杠杆的第二端向下移动以允许所述重物向下移动而拉动所述开闭部件。
在一些实施例中，所述弹性件为压缩弹簧且朝向所述容器的方向常推动所述第一连接件，其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的协助下向下移位以便所述杠杆的第二端向上移动以允许所述重物沿所述杠杆向下移动而拉动所述开闭部件。
在一些实施例中，所述传递执行机构包括：
弹性件，所述弹性件的第一端固定；
第一定滑轮；
第一缆绳，所述第一缆绳的第一端与所述热敏组件相连，所述第一缆绳的第二端绕过所述第一定滑轮与所述弹性相连；
杠杆，所述杠杆的第一端与所述第一缆绳相连，所述重物支撑在所述杠杆的第二端，所述重物通过绕过第二定滑轮的第二缆绳与所述开闭部件相连，
其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的作用下向上移位以便所述杠杆的第二端向下移动以允许所述重物沿所述杠杆向下移动而拉动所述开闭部件。
在一些实施例中，所述杠杆在该杠杆的支点与该杠杆的第二端之间的部分上设有凹部，所述重物在沿所述杠杆向下移动到所述凹部时落入和/或穿过所述凹部。
在一些实施例中，所述热敏组件包括支架，所述传递执行机构与所述支架相连，所述支架具有低熔点金属支撑柱，所述低熔点金属支撑柱与所述容器的外表面相连且在所述容器的外表面的温度大于预定温度时熔化变形以便所述支架相对于所述容器的外表面移位。
在一些实施例中，所述支架还包括顶板和压力平衡板，所述低熔点金属支撑柱与所述顶板相连，所述压力平衡板设在所述顶板下面且与所述传递执行机构相连。
在一些实施例中，所述低熔点金属支撑柱由锌基合金材料制成。
在一些实施例中，所述低熔点金属支撑柱由镁、锡、锑和铅中的至少两种合金材料制成。
在一些实施例中，所述热敏组件包括复合在一起第一金属片和第二金属片，所述第一金属片的热膨胀系数与所述第二金属片的热膨胀系数彼此不同。
在一些实施例中，所述第一金属片的热膨胀系数小于所述第二金属片的热膨胀系数，所述第一金属片与所述容器的外表面连接，所述第二金属片与所述传递执行机构相连。
根据本发明实施例的非能动阀门系统具有如下有益效果：
1、有效利用热敏材料(例如：低熔点金属或双金属片)受热发生形变的特性，结合势能由高能区向低能区扩展的自然规律，将重力势能通过传动装置转变为阀门开启/关闭的动力；
2、当所监测设备表面温度过大，超过预定值，达到需开启阀门排气降温状态时，自动触发，该非能动设计保证了系统的灵敏性和安全性，无需借助控制系统、人为干预及能动设备等；
3、对有设备建筑的改变较小，在现有基础上稍加改造即可达到无动力情况下的阀门开启/关闭，确保可靠控制管路中的流动工质，安全可靠；
4、结构及制作工艺简单，实现方便、响应速度快，可在苛刻环境及工况条件下实现对阀门设备的控制管理。
附图说明
图1是根据本发明实施例的非能动阀门系统的结构示意图。
图2是根据本发明另一实施例的非能动阀门系统的结构示意图。
图3是根据本发明又一实施例的非能动阀门系统的结构示意图。
图4是根据本发明再一实施例的非能动阀门系统的结构示意图。
图5是根据本发明另又一实施例的非能动阀门系统的结构示意图。
图6是根据本发明实施例的非能动阀门系统的杠杆的结构示意图。
附图标记：1-容器；2-热敏组件；21-低熔点金属支撑柱；3-弹性件；4-第一连接件；41-第一缆绳；42-第二缆绳；5-杠杆；51-凹部；6-开闭部件；7-重物；8-阀门；9-第一定滑轮；10-第二定滑轮；11-压力平衡板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的非能动阀门系统包括：阀门8，重物7，热敏组件2和传递执行机构。
具体地，阀门8具有用于打开和关闭该阀门的开闭部件6。重物7与开闭部件6相连，用于致动开闭部件6以打开和关闭阀门8。热敏组件2例如设在容器1的外表面上且在容器1的外表面的温度大于预定温度时相对于容器1的外表面移位。容器1例如为反应堆的压力容器，但本领域技术人员可以理解的是，容器1并不限于反应堆的压力容器。
传递执行机构分别与热敏组件2和重物7相连，在热敏组件2移位时，传递执行机构通过所述热敏组件2的移位释放重物7以允许重物7通过自身重力致动开闭部件6。换言之，当容器1的外表面温度低于预定温度时，重物7处于平衡状态，不会致动开闭部件6，当容器1的外表面温度升高大于预定温度时，热敏组件2移位，该移位传递到传递执行机构，传递执行机构释放重物，即打破重物7的平衡状态，重物7依靠自身重力对开闭部件6施加作用力，从而致动开闭部件6。这里，术语“释放”是指在重物7处于平衡状态时，重物7不对开闭部件6施加力，热敏组件2移位时，重物7的平衡状态被打破，从而重物7依靠自身重力对开闭部件6施加作用力以致动开闭部件6。
下面简单描述根据本发明实施例的非能动阀门系统的操作过程：当容器1的表面温度过高，例如大于预定温度时，热敏组件2相对于容器1的外表面发生移位。当在热敏组件2发生移位时，传递执行机构释放重物7以允许重物7通过自身重力致动开闭部件6，从而打开或关闭阀门8。
根据本发明实施例的非能动阀门系统，通过热敏组件受热发生形变，结合势能由高能区向低能区扩展的自然规律，将重物的重力势能转变为阀门开启关闭的动力；并且根据本发明实施例的非能动阀门系统自动触发，保证了灵敏性和安全性，无需借助控制系统、人为干预及能动设备等。同时无需大幅改变现有设备建筑，在现有基础上稍加改造即可达到无动力情况下的阀门开启和关闭，确保可靠控制管路中的流动工质，安全可靠。
此外，根据本发明实施例的非能动阀门系统结构及制作工艺简单，实现方便、响应速度快，可在苛刻环境及工况条件下实现对阀门的控制管理。
下面参考附图描述根据本发明非能动阀门系统的具体实施例。
如图1所示，在一些实施例中，传递执行机构包括第一定滑轮9和第一缆绳41，第一缆绳4的第一端与热敏组件2相连，第一缆绳41的第二端绕过第一定滑轮9与重物7相连。在容器1的外表面的温度大于预定温度时，热敏组件2在重物7的作用下向上移位以允许重物7拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。
如图2所示，在另一些实施例中，传递执行机构还包括第二缆绳42和第二定滑轮10，第二缆绳42的第一端与重物相连，第二缆绳42的第二端绕过第二定滑轮10与开闭部件相连。当容器1的外表面的温度大于预定温度时，热敏组件2相对于容器1的外表面发生移位。此时经第一定滑轮9和第一缆绳41的传递，重物7受重力作用向下移位，进而通过第二定滑轮10和第二缆绳42拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。
在上述实施例中，通过设置第一滑轮组件9和/或第二滑轮组件10，能够在对现有设备建筑改动量较小的情况下更为简单、方便地实现阀门的非能动开闭，提高了根据本发明非能动阀门系统的适用性和经济性。
在一些实施例中，如图3所示，传递执行机构包括第一连接件4，弹性件3和杠杆5。
第一连接件4的第一端(图3中的下端)与热敏组件2相连。弹性件3的第一端(图3中的上端)固定，弹性件3的第二端(图3中的下端)与第一连接件4相连。杠杆5的第一端(图3中左端)与第一连接件4相连，重物7支撑在杠杆5的第二端(图3中的右端)。在容器1的外表面的温度大于预定温度时，热敏组件2在弹性件3的协助下移位以允许重物7向下移动而拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。
在图3所示的实施例中，术语“协助”是指弹性件3对热敏组件2的作用力与热敏组件2的移位方向一致。例如，在图3中，在容器1的外表面的温度大于预定温度时，如热敏组件2向下移位，那么弹性件3向下常推动热敏组件2，如果热敏组件2向上移位，那么弹性件3向上常拉动热敏组件2。
在一些具体的示例中，弹性件3为拉伸弹簧且朝向远离容器的方向(例如在图3中向上)常拉动第一连接件4，在容器1的外表面的温度大于预定温度时热敏组件2在弹性件3的作用下向上移位，杠杆5的第二端向下移动，重物7向下移动而拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。在一些可选的示例中，弹性件3为压缩弹簧且朝向容器1的方向(在图3中向下)常推动第一连接件4。在容器1的外表面的温度大于预定温度时热敏组件2在弹性件3的协助下向下移位以便杠杆5的第二端向上移动，重物7沿杠杆5向下移动而拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。
在本发明的实施例中，传递执行机构通过弹性件3与杠杆将热敏组件2在达到预定温度时发生的移位传递到重物7，即释放重物，进而重物7在重力作用下产生的位移，从而拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。
在另一些示例中，如图4所示，传递执行机构包括：弹性件3，第一定滑轮9，第一缆绳41和杠杆5。
弹性件3的第一端(图4中的下端)固定。第一缆绳41的第一端与热敏组件2相连，第一缆绳41的第二端绕过第一定滑轮9与弹性3相连。杠杆5的第一端与第一缆绳41相连，重物7支撑在杠杆5的第二端处于平衡状态。重物7通过绕过第二定滑轮10的第二缆绳42与开闭部件6相连。在容器1的外表面的温度大于预定温度时热敏组件2在弹性件3的作用下向上移位，杠杆5的第二端向下移动，从而释放重物7，重物7向下移动而拉动开闭部件6以打开或关闭阀门8。
在一些可选示例中，如图4所示，热敏组件2包括支架，传递执行机构与支架相连，支架具有低熔点金属支撑柱21，低熔点金属支撑柱21与容器1的外表面相连，在容器1的外表面的温度大于预定温度时低熔点金属支撑柱21熔化变形，由此支架相对于容器1的外表面移位。
在一些示例中，支架还包括顶板和压力平衡板11，低熔点金属支撑柱21与顶板相连，压力平衡板11设在顶板下面且与传递执行机构相连。
优选地，低熔点金属支撑柱21由锌基合金材料制成，可选地，由镁、锡、锑和铅中的至少两种合金材料制成。
在上述实施例中，通过支架、低熔点金属支撑柱21以及压力平衡板11的设置，一方面保证细小位移变化能传递到重物，另一方面避免应局部压强过大触发位移偏差，保证传动效果。
如图5所示，在一些实施例中，热敏组件2包括复合在一起第一金属片和第二金属片，第一金属片的热膨胀系数与第二金属片的热膨胀系数彼此不同。
可选地，第一金属片的热膨胀系数小于第二金属片的热膨胀系数，第一金属片与容器的外表面连接，第二金属片与传递执行机构相连。
在本实施例中，使用双金属片作为热敏组件，具有可靠性高、灵敏度高、反应迅速并且成本低、通用性强的效果。
如图6所示，在一些具体示例中，杠杆5在其支点与杠杆的第二端之间的部分上设有凹部51，重物7在沿杠杆向下移动到凹部51时落入和/或穿过凹部。当然，凹部51应保证重物7在受重力产生向下的位移大小能够满足开闭部件6打开或关闭阀门8产生的位移，如果重物7落入但不穿过凹部51，能够避免重物7在完成打开/关闭阀门8后掉落到其它设备上造成损坏。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“实施例二”、“例如”、“具体示例”、或“优选实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (14)
1.一种非能动阀门系统，其特征在于，包括：
阀门，所述阀门具有开闭部件；
重物，所述重物与所述开闭部件相连，用于致动所述开闭部件以打开和关闭所述阀门；
热敏组件，所述热敏组件适于设在容器的外表面上且在所述容器的外表面的温度大于预定温度时相对于所述容器的外表面移位；
传递执行机构，所述传递执行机构分别与所述热敏组件和所述重物相连，所述传递执行机构在所述热敏组件移位时释放所述重物以允许所述重物通过自身重力致动所述开闭部件。
2.根据权利要求1所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述传递执行机构包括第一定滑轮和第一缆绳，所述第一缆绳的第一端与所述热敏组件相连，所述第一缆绳的第二端绕过所述第一定滑轮与所述重物相连，
其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述重物的作用下向上移位以允许所述重物拉动所述开闭部件。
3.根据权利要求2所述的非能动阀门系统，其特征在于，还包括第二缆绳和第二定滑轮，所述第二缆绳的第一端与所述重物相连，所述第二缆绳的第二端绕过所述第二定滑轮与所述开闭部件相连。
4.根据权利要求1所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述传递执行机构包括：
第一连接件，所述第一连接件第一端与所述热敏组件相连；
弹性件，所述弹性件的第一端固定，所述弹性件的第二端与所述第一连接件相连；
杠杆，所述杠杆的第一端与所述第一连接件相连，所述重物支撑在所述杠杆的第二端，
其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的协助下移位以允许所述重物向下移动而拉动所述开闭部件。
5.根据权利要求4所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述弹性件为拉伸弹簧且朝向远离所述容器的方向常拉动所述第一连接件，其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的作用下向上移位以便所述杠杆的第二端向下移动以允许所述重物向下移动而拉动所述开闭部件。
6.根据权利要求4所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述弹性件为压缩弹簧且朝向所述容器的方向常推动所述第一连接件，其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的协助下向下移位以便所述杠杆的第二端向上移动以允许所述重物沿所述杠杆向下移动而拉动所述开闭部件。
7.根据权利要求1所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述传递执行机构包括：
弹性件，所述弹性件的第一端固定；
第一定滑轮；
第一缆绳，所述第一缆绳的第一端与所述热敏组件相连，所述第一缆绳的第二端绕过所述第一定滑轮与所述弹性相连；
杠杆，所述杠杆的第一端与所述第一缆绳相连，所述重物支撑在所述杠杆的第二端，所述重物通过绕过第二定滑轮的第二缆绳与所述开闭部件相连，
其中所述热敏组件在所述容器的外表面的温度大于预定温度时在所述弹性件的作用下向上移位以便所述杠杆的第二端向下移动以允许所述重物向下移动而拉动所述开闭部件。
8.根据权利要求6或7所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述杠杆在该杠杆的支点与该杠杆的第二端之间的部分上设有凹部，所述重物在沿所述杠杆向下移动到所述凹部时落入和/或穿过所述凹部。
9.根据权利要求1所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述热敏组件包括支架，所述传递执行机构与所述支架相连，所述支架具有低熔点金属支撑柱，所述低熔点金属支撑柱与所述容器的外表面相连且在所述容器的外表面的温度大于预定温度时熔化变形以便所述支架相对于所述容器的外表面移位。
10.根据权利要求9所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述支架还包括顶板和压力平衡板，所述低熔点金属支撑柱与所述顶板相连，所述压力平衡板设在所述顶板下面且与所述传递执行机构相连。
11.根据权利要求9所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述低熔点金属支撑柱由锌基合金材料制成。
12.根据权利要求9所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述低熔点金属支撑柱由镁、锡、锑和铅中的至少两种合金材料制成。
13.根据权利要求1所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述热敏组件包括复合在一起第一金属片和第二金属片，所述第一金属片的热膨胀系数与所述第二金属片的热膨胀系数彼此不同。
14.根据权利要求13所述的非能动阀门系统，其特征在于，所述第一金属片的热膨胀系数小于所述第二金属片的热膨胀系数，所述第一金属片与所述容器的外表面连接，所述第二金属片与所述传递执行机构相连。
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