EA002398B1

EA002398B1 - Клапан

Info

Publication number: EA002398B1
Application number: EA200100398A
Authority: EA
Inventors: Роналд Норфидж
Original assignee: Роналд Норфидж
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2002-04-25
Also published as: IL141201A; BR9914216A; ATE214467T1; CN1115503C; GB2356917B; MXPA01003375A; AU754059B2; NZ509635A; GB0100966D0; UA67804C2; NO20011133D0; DE69901035D1; PL347038A1; EA200100398A1; CN1320199A; HK1039364A1; DK1092107T3; WO2000020785A1; CZ294104B6; PT1092107E

Abstract

Клапан (5), который имеет корпус клапана и размещенный в нем клапанный элемент, который выполнен с возможностью перемещения между первым положением, в котором клапан находится в первом рабочем режиме, и вторым положением, в котором клапан находится во втором рабочем режиме, причем клапанный элемент содержит редкоземельный магнит (1), который вызывает магнитное смещение клапанного элемента, находящегося в одном из указанных положений, противодействующее его перемещению в направлении другого из указанных положений, при этом клапан снабжен средством для генерирования магнитного поля (9), достаточного для преодоления магнитного смещения в первом или втором положении и для обеспечения перемещения указанного клапанного элемента в другое из указанных положений.

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию блока клапана, предназначенного для управления потоком газа, жидкости или флюида порошкового материала в герметичных системах трубопроводов, которые используются, например, (но без ограничения) в пищевой промышленности, при производстве напитков, в пожаротушении, в авиации и аэронавтике, в газовой и нефтяной промышленности, в здравоохранении и в фармацевтической промышленности, в коммунальном хозяйстве, а также в различных технологиях машиностроения.

Небольшие клапаны низкого давления обычно изготавливают из латуни, алюминия или пластмассы, в то время как более крупные клапаны обычно изготавливают из латуни или других сплавов. Необходимость применения иных материалов, таких как нержавеющая сталь, возникает в том случае, когда контролируемый флюид является коррозионным. Клапаны могут приводиться в действие вручную, механически при помощи сервомеханизма, магнитно, а также пневматически при помощи потока контролируемого флюида. Настоящее изобретение имеет отношение к созданию блока клапана, который приводится в действие магнитно (при помощи магнитов).

Уже известно, что клапаны можно приводить в действие при помощи пульсирующего электрического тока. Однако при использовании обычных электромагнитных клапанов на их катушках выделяется большое количество тепловой энергии, поэтому обычные электромагнитные клапаны имеют ограниченное применение для криогенных флюидов и могут создавать связанные с гигиеной проблемы при их использовании в пищевой промышленности и при производстве напитков. Более того, в этих клапанах требуется применять возвратную пружину и плунжерный механизм, которые позволяют закрывать клапан с преодолением давления в линии, когда с обмотки (с катушки) снято питание. Кроме того, обычные электромагнитные клапаны требуют применения уплотнения (герметизации) для отделения внутреннего давления в линии на одной стороне пружины и плунжера от атмосферного давления. Отметим, что элементы уплотнения подвержены износу и/или разрыву, в результате чего происходит утечка, которая может быть опасной и дорогостоящей.

Используемые в промышленных системах клапаны самого большого диаметра могут потребовать применения сложного электротехнического оборудования и/или сложных средств подачи сжатого воздуха для управления потоком жидкостей или газов. В самих средствах подачи сжатого воздуха необходимо использование электрических систем, что в результате приводит к возрастанию стоимости и сложности установки таких клапанов большого диаметра.

Еще одной проблемой обычных электромагнитных клапанов является дорогостоящая эксплуатация, так как на них необходимо постоянно подавать энергию. Таким образом, например электромагнитный клапан, который срабатывает достаточно редко, может быть всего один или два раза в год, должен постоянно находиться под напряжением в течение всего этого периода. Это вызывает большое потребление электроэнергии и является чрезвычайно расточительным.

Блок клапана, который прост в установке, дешев в эксплуатации и содержит мало уплотняющих и подвижных деталей, обладает несомненными преимуществами по сравнению с известными устройствами и найдет широкое применение в различных областях промышленности.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается клапан, который содержит корпус и расположенный в нем клапанный элемент, выполненный с возможностью перемещения между первым положением, в котором клапан находится в первом рабочем режиме, и вторым положением, в котором клапан находится во втором рабочем режиме, причем клапанный элемент содержит магнит из редкоземельного материала, который при нахождении клапана в любом из указанных положений вызывает магнитное смещение клапанного элемента, противодействующее его перемещению в другое из указанных положений, при этом клапан снабжен средством генерирования магнитного поля, достаточного для преодоления магнитного смещения в первом или во втором положении, так чтобы побуждать указанный клапанный элемент к перемещению в другое из указанных положений.

Преимущественно указанный редкоземельный магнит содержит один из редкоземельных элементов, выбранный из группы, в которую входят лантан, церий, празеодимий, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, скандий, иттрий и торий.

Преимущественно указанный редкоземельный магнит содержит несколько редкоземельных элементов, причем указанный редкоземельный магнит преимущественно может быть постоянно намагничен таким образом, что его магнитная ось совмещена с определенным выбранным направлением.

Преимущественно указанный магнит содержит, по меньшей мере, один элемент, который отличается от редкоземельного элемента, например, железо, бор и/или кобальт, причем в качестве примеров таких композиций можно привести ВРЕМАО (ИеБеВ) и ΑΝΙδΟΤΒΟΡΙΟ (анизотропный) ВРЕМАО (8шСо). Редкоземельный магнит почти невозможно размагнитить с использованием обычной катушки и коротких периодов воздействия противодействующей магнитной силы в моменты открывания или закрывания клапана.

Преимущественно указанный редкоземельный магнит выполнен в виде диска с главным образом параллельными наружными поверхностями, причем этот диск преимущественно намагничен таким образом, что имеет магнитную ось, перпендикулярную к указанным наружным поверхностям.

Преимущественно указанный редкоземельный магнит заключен в корпусе клапана.

Преимущественно в корпусе предусмотрено гнездо для установки клапанного элемента, которое снабжено множеством редкоземельных магнитов, расположенных по кольцу вокруг клапанного элемента. Преимущественно редкоземельные магниты равномерно смещены друг от друга.

Преимущественно клапан является кольцевым на виде сверху и имеет диаметр более 5 см.

Преимущественно клапан содержит магнитную катушку (соленоид), внутри которой генерируется магнитное поле за счет приложения электрического тока, в идеальном случае постоянного электрического тока.

Преимущественно указанная катушка изготовлена из железа или железного феррита.

Преимущественно энергией снабжают от перезаряжаемой батареи, такой как батарея, предусмотренная на автомобиле или ином транспортном средстве, причем в идеальном случае указанная батарея может приводить в действие относительно большие клапаны, за счет чего устраняется необходимость использования другого источника питания. Более того, такая батарея может быть перезаряжена при помощи устройства для непрерывной подзарядки малым током с использованием местного источника энергии, например за счет напряжения в телефонной линии, а также с использованием солнечной или ветровой энергии.

Следует иметь в виду, что редкоземельный магнит совершает колебания между двумя указанными открытым и закрытым положениями (в одном или другом рабочем режиме) за счет реверсирования напряжения возбуждения постоянного тока через катушку. Реверсирование тока приводит к притяжению или отталкиванию диска редкоземельного магнита между открытым и закрытым положениями клапана. Необходимо только подать питание на катушку в течение короткого промежутка времени, идеально в течение 0,25-10 с, так как при нахождении диска редкоземельного магнита в открытом положении он удерживается на месте за счет своего собственного притяжения к железному материалу или материалу из железного феррита, который использован в конструкции катушки. Эта характеристика обеспечивает существенное преимущество по сравнению с известными решениями.

Преимущественно клапан имеет гнездо клапана, образованное из магнитного материала.

В закрытом положении диск редкоземельного магнита удерживается на месте за счет как своего собственного магнитного притяжения к магнитным материалам в гнезде клапана и вокруг него, так и дополнительно за счет дифференциального давления вокруг клапана. Время, необходимое для переключения клапана между двумя рабочими режимами, является меньшим, чем в случае применения клапана с сервоприводом или пневматического клапана, так что можно предполагать, что клапан в соответствии с настоящим изобретением найдет применение при пожаротушении и в других ситуациях поддержания безопасности.

Преимущественно указанный клапан содержит множество статических уплотнений, предусмотренных между одним или двумя клапанными элементами и корпусом клапана для обеспечения герметизации между ними. Преимущественно, по меньшей мере, одно из указанных статических уплотнений установлено между диском редкоземельного магнита и гнездом клапана, а другое из указанных статических уплотнений установлено на внутренней поверхности внешнего канала клапана.

Следует иметь в виду, что клапан в соответствии с настоящим изобретением не требует применения никакого уплотнения между катушкой и гнездом клапана. В результате этого нет никакой возможной утечки из внутреннего пространства клапана в окружающую среду, что делает клапан в соответствии с настоящим изобретением особенно привлекательным для использования в качестве клапана управления в трубопроводах и трубах, которые содержат протекающий взрывоопасный материал и/или вредный материал, а также материал, который не должен содержать болезнетворных (патогенных) организмов.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показана схема возбуждения редкоземельного магнита.

На фиг. 2 показан первый вариант выполнения клапана в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 показан второй вариант выполнения клапана в соответствии с настоящим изобретением.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показан редкоземельный магнит 1, имеющий южный 8 и северный N полюса. Электрический ток пропускают в выбранном направлении под углом 90° к поверхности 2. После намагничивания редкоземельный магнит легко может быть встроен в клапан в соответствии с настоящим изобретением.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 2, на которой показан первый вариант выполнения клапана в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с этим вариантом клапан используют совместно с трубами 3 и 4, которые расположены главным образом под прямым углом друг относительно друга. При нахождении блока клапана 5 в открытом положении материал флюида протекает в направлении от Х к Υ. Однако при этом редкоземельный магнит 1 находится в закрытом положении и упирается в уплотнение 6 клапана, которое окружено магнитным материалом 7 корпуса клапана 8. Корпус клапана 8 не изготовлен из магнитного материала.

Напротив трубы 3 клапан содержит кожух катушки 9, который изготовлен из железа или железного феррита и в который встроены катушки 10. Если к катушкам подвести электрический ток, то редкоземельный магнит 1 притягивается к ним и движется в пространстве 12 к зоне 11. При движении в зоне 11 редкоземельный магнит 1 упирается во внутреннюю поверхность 13 корпуса клапана 8 и переходит в свое открытое положение, позволяющее потоку флюида протекать из трубы 4 в трубу 3 в направлении от Х к Υ. Нет необходимости постоянно подавать электрический ток; его нужно подать только в течение промежутка времени, достаточного для осуществления притяжения редкоземельного магнита к поверхности 13. После прекращения протекания тока магнит будет оставаться в заданном положении за счет притяжения железного материала или материала из железного феррита кожуха катушки. После реверсирования тока (изменения направления протекания тока на обратное) также нужно подать ток только в течение короткого промежутка времени, при этом редкоземельный магнит 1 будет отталкиваться от поверхности 13 и будет возвращаться через пространство 12, пока не упрется в уплотнение 6 на противоположном конце. После этого редкоземельный магнит 1 будет прочно удерживаться в положении внутри седла магнитного клапана 7, при этом клапан будет находиться в закрытом положении до тех пор, пока не возникнет необходимость в его новом срабатывании.

Описанный выше клапан может оставаться в течение продолжительных периодов времени как в открытом, так и в закрытом рабочих режимах (положениях). Эта характеристика делает клапан в соответствии с настоящим изобретением особенно привлекательным для использования в тех отраслях промышленности, в которых требуется только спорадическое или редкое срабатывание клапана, причем указанный клапан дает существенное снижение стоимости эксплуатации по сравнению с известными ранее клапанами, которые постоянно потребляют энергию.

На фиг. 3 показан альтернативный вариант выполнения клапана в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте трубы 14 и 15 расположены вдоль общей оси, и флюид протекает в направлении от Х к Υ. Редкоземельный магнит 1 встроен в кожух магнита 16, который выполнен с возможностью упора в седло магнита 17 при нахождении клапана в закрытом положении. В клапанах диаметром более 2 дюймов (5 см) используют магниты небольших размеров, которые располагают по окружности вокруг седла магнита 17. Не следует изготавливать диски магнитов из редкоземельных элементов большого диаметра для использования в клапанах диаметром более 2 дюймов (5 см), так как редкоземельные магниты являются хрупкими и могут быть повреждены при срабатывании клапана. Следовательно, нет необходимости в предусмотрении узлов, которые предотвращают повреждение редкоземельных магнитов в течение их срока службы.

В кожухе магнита 16 предусмотрено, по меньшей мере, 3, а преимущественно более 20 магнитов, установленных на рычаге 21 кожуха, причем рычаги 21 в полностью закрытом положении (не показано) упираются заподлицо с поверхностью 22 седла магнита 17. Седло магнита 17 имеет ряд уплотнений 18 и 19 для предотвращения утечки. Участок 28 кожуха магнита 16 изготовлен из не магнитного материала, который главным образом охватывает рычаги 21 по периметру до точки 29, что на фиг. 3 показано направленной штриховкой.

В конкретном показанном варианте редкоземельный магнит 1 и его кожух 17 имеют главным образом Т-образную форму поперечного сечения, с ветвями 21 и основным корпусом 28. В открытом положении редкоземельный магнит и основной корпус 28 его кожуха удерживаются в заданном положении в выемке 23, которая образована в верхней части 24 клапана и имеет все окружающие стенки из не магнитного материала. Верхняя часть 24 клапана имеет уплотнение 25 из эпоксидной смолы на самой верхней своей поверхности и встроенные сердечники из железа или железного феррита, к которым может быть подведено электропитание при помощи проводов или штепселей 27. Наличие уплотнения 25 из эпоксидной смолы позволяет также обеспечить защиту блока магнита от (механических) повреждений, причем блок магнита может быть также покрыт пластиком или заключен в металлический экран.

В рабочем состоянии редкоземельный магнит 1 совершает колебания между двумя рабочими режимами, то есть между открытым и закрытым положениями, за счет изменения направления протекания тока возбуждения через катушку 26. При изменении направления протекания тока диск редкоземельного магнита будет притягиваться или отталкиваться в течение периодов открывания или закрывания клапана. В открытом положении основной корпус 28 кожуха магнита 16 расположен в выемке 23. Выемка 23 действует в качестве амортизатора, снижая скорость редкоземельного магнита и предотвращая любые возможные удары при перемещении магнита в выемке 23.

При закрывании клапана уплотнение 19, резиновое уплотнительное кольцо, установленное под рычагом 21 кожуха магнита и на верхней поверхности седла магнита 17, действует в качестве пружины и амортизатора, предотвращая повреждение магнита. В закрытом положении рычаги 21 кожуха магнита упираются в поверхность 22 и в уплотнение 19 седла магнита 17. Для управления клапаном питание на катушку 26 необходимо подавать только в течение короткого промежутка времени, обычно 0,25-10 с в любом направлении. Период возбуждения является относительно коротким потому, что диск редкоземельного магнита в открытом положении удерживается в заданном положении за счет своего собственного магнитного притяжения к железу или железному ферриту, использованным в конструкции катушки. В закрытом положении редкоземельный магнит 1 удерживается в заданном положении за счет своего собственного магнитного притяжения к магнитным материалам в седле клапана 17 и вокруг него, а также за счет магнитов 20, и, кроме того, дополнительно за счет дифференциального давления вокруг клапана.

Клапан в соответствии с настоящим изобретением имеет существенные преимущества по сравнению с ранее известными клапанами как по стоимости эксплуатации, так и по продолжительности технического обслуживания. Он может найти применение в самых различных областях промышленности.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Клапан, содержащий корпус и размещенный в нем клапанный элемент, который выполнен с возможностью перемещения между первым положением, в котором клапан находится в первом рабочем режиме, смежным с первым магнитным или намагничиваемым элементом, и вторым положением, в котором клапан находится во втором рабочем режиме, смежным со вторым магнитным или намагничиваемым элементом, причем клапанный элемент содержит редкоземельный магнит, который в сочетании с первым и/или вторым магнитным или намагничиваемым элементом вызывает магнитное смещение клапанного элемента, находящегося в одном из указанных положений, противодействующее его перемещению в направлении другого из указанных положений, при этом клапан снабжен средством для генерирования магнитного поля, достаточного для преодоления магнитного смещения в первом или во втором положении и для обеспече ния перемещения указанного клапанного элемента в другое из указанных положений, причем средство для генерирования магнитного поля содержит единственную катушку, расположенную вне корпуса клапана, при этом корпус клапана и клапанный элемент выполнены таким образом, чтобы предотвращать прохождение клапанного элемента через указанную катушку.
2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что корпус клапана действует в качестве упора, предотвращающего прохождение клапанного элемента через средство для генерирования магнитного поля.
3. Клапан по одному из пп.1-2, отличающийся тем, что боковая протяженность клапанного элемента превышает боковую протяженность средства для генерирования магнитного поля.
4. Клапан по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что первый магнитный или намагничиваемый элемент представляет собой кожух катушки.
5. Клапан по п.4, отличающийся тем, что боковая протяженность клапанного элемента соответствует боковой протяженности кожуха катушки.
6. Клапан по одному из пп.4,5, отличающийся тем, что на катушку непосредственно подают электрический ток от источника питания.
7. Клапан по одному из пп.4-6, отличающийся тем, что изменение направления протекания тока через катушку на обратное вызывает притяжение или отталкивание редкоземельного магнита, в результате чего клапанный элемент перемещается в открытое или закрытое положение.
8. Клапан по одному из пп.4-7, отличающийся тем, что питание на катушку подают от перезаряжаемой батареи.
9. Клапан по одному из пп.4-8, отличающийся тем, что катушка изготовлена из железа или железного феррита.
10. Клапан по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что второй магнитный или намагничиваемый элемент изготовлен из магнитного материала.
11. Клапан по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что клапанный элемент снабжен множеством редкоземельных магнитов, расположенных главным образом по окружности.
12. Клапан по п. 11, отличающийся тем, что редкоземельные магниты установлены с одинаковыми зазорами друг от друга.
13. Клапан по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что редкоземельный магнит или редкоземельные магниты изготовлены из неодима и/или самария.
14. Клапан по п.13, отличающийся тем, что магнит или магниты содержат, по меньшей ме9 ре, один элемент, отличающийся от редкоземельного элемента.
15. Клапан по п.14, отличающийся тем, что магнит или магниты содержат, по меньшей мере, один элемент, выбранный из железа, бора и кобальта.
16. Клапан по одному из пп. 13-15, отличающийся тем, что редкоземельный магнит или редкоземельные магниты выполнены с возможностью постоянного намагничивания с магнитной осью, совпадающей с любым выбранным направлением.
17. Клапан по одному из пп. 13-16, отличающийся тем, что редкоземельный магнит представляет собой диск, имеющий главным образом параллельные наружные поверхности.
18. Клапан по п.17, отличающийся тем, что указанный диск намагничен таким образом, что его магнитная ось направлена перпендикулярно к указанным наружным поверхностям.
19. Клапан по одному из пп. 17-18, отличающийся тем, что указанный диск образует клапанный элемент.
20. Клапан по одному из пп.1-19, отличающийся тем, что клапан является главным образом кольцевым на виде сверху и имеет диаметр более 5 см.
21. Клапан по одному из пп.1-20, отличающийся тем, что он содержит средство для генерирования магнитного поля в течение периода времени 0,25-10 с.
22. Клапан по одному из пп.1-21, отличающийся тем, что он дополнительно содержит одно или несколько статических уплотнений, установленных на одном из клапанных элементов или на обоих из них или на корпусе клапана, предназначенных для обеспечения герметизации между ними.
23. Клапан по одному из пп.1-22, отличающийся тем, что клапанный элемент имеет Тобразное поперечное сечение.
24. Клапан по п.23, отличающийся тем, что первый редкоземельный магнит расположен внутри прямого центрального участка, а множество дополнительных редкоземельных магнитов расположены по окружности вокруг указанного центрального участка.
25. Использование клапана по одному из пп.1-24 в качестве клапана управления для управления протеканием в трубах и трубопроводах флюидов, и/или взрывоопасного материала, и/или вредного материала, и/или материала, который должен быть свободен от болезнетворных организмов.