RU1810702C

RU1810702C - Electrodynamic valve

Info

Publication number: RU1810702C
Application number: SU914942036A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Григорьевич Бакута; Леонид Николаевич Карпенко; Иван Борисович Овчинников; Юрий Александрович Ткаченко
Original assignee: Ленинградский государственный технический университет
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1993-04-23

Abstract

Использование: в установках с применением сильнопоточных плазменных ускорителей . Сущность изобретени : в корпусе установлена электромагнитна катушка, соединенна через коммутатор с импульсным источником энергии. Запорный орган перекрывает канал выпуска газа. Запорный орган выполнен из материала с удельной электропроводностью, определ емой заданным соотношением, из композиционного материала. Материал изготовлен из пористого металлического основани , пропитанного пластиком. 2 з.п.ф-лы. 1 табл.. 3 ил.Usage: in installations using high-flux plasma accelerators. SUMMARY OF THE INVENTION: An electromagnetic coil is installed in the housing and is connected through a switch to a pulsed energy source. The locking element closes the gas outlet channel. The locking member is made of a material with electrical conductivity determined by a predetermined ratio of composite material. The material is made of a porous metal base impregnated with plastic. 2 C.p. 1 tab. 3 ill.

Description

соwith

СWITH

Изобретение относитс к арматурост- роению и может, найти применение в установках дл физического эксперимента, в которых требуетс осуществл ть импульсный напуск порции газа в.вакуумную камеру , например, в установках с использованием сильноточных плазменных ускорителей .The invention relates to valve engineering and may find application in facilities for a physical experiment in which pulse portions of gas are to be pulsed into a vacuum chamber, for example, in installations using high-current plasma accelerators.

Целью изобретени вл етс расширение области применени , повышение надежности электродинамического клапана и сокращение его размеров.The aim of the invention is to expand the scope, increase the reliability of the electrodynamic valve and reduce its size.

На фиг.1 изображен пример выполнени предлагаемого устройства, разрез, где 1 - корпус, 2 - электромагнитна катушка, 3Figure 1 shows an example implementation of the proposed device, a section, where 1 is a housing, 2 is an electromagnetic coil, 3

- запорный орган, 4 - канал напуска газа: 5- locking element, 4 - gas inlet channel: 5

- узел возврата запорного органа в исходное положение, включающий в себ демпфера , например, м гкий демпфер 6 и более жесткий 7; 8 - седло. 9 - уплотнение, 10 - импульсный источник энергии с коммутатором 11, А - полость высокого давлени , Б - вакуумна полость.- a node for returning the locking member to its initial position, including a damper, for example, a soft damper 6 and a stiffer 7; 8 - saddle. 9 is a seal, 10 is a pulsed energy source with a switch 11, A is a high-pressure cavity, B is a vacuum cavity.

Предлагаемый электродинамический клапан содержит корпус 1, в котором расположена электромагнитна катушка 2 и запорный орган 3. В исходном положении канал напуска газа 4 перекрыт запорным органом 3. Узел возврата запорного органа в исходное положение 5 в рассматриваемом примере включает в себ м гкий демпфирующий элемент и более жесткий демпфер 7. Газ под давлением находитс в полости А, котора каналом напуска 4 сообщаетс с вакуумной полостью Б. Герметизаци вакуумной полости-Б осуществл етс с помощью седла 8, А герметизаци корпуса - с помощью уплотнени 9. Импульсный источник энергии 10 подсоединен к катушке 2 через коммутатор 11, который в исходном положении разомкнут. Запорный орган в предлагаемой конструкции выполн етс изThe proposed electrodynamic valve comprises a housing 1, in which an electromagnetic coil 2 and a locking member 3 are located. In the initial position, the gas inlet channel 4 is closed by the locking member 3. The node for returning the locking member to the initial position 5 in this example includes a soft damping element and more rigid damper 7. Gas under pressure is in the cavity A, which is connected via the inlet channel 4 to the vacuum cavity B. The vacuum cavity-B is sealed using the seat 8, and the housing is sealed with by means of a seal 9. A pulsed energy source 10 is connected to the coil 2 through a switch 11, which is open in the initial position. The locking element in the proposed design is made of

0000

оabout

XIXi

ОABOUT

;го; go

материала, электропроводность которогоmaterial whose electrical conductivity

выбрана из услови (1): у 2 v| С///Н 2. Как отмечалось выше, может быть использован и композиционный материал, удовлетвор ющий условно у 2 LC//f H 2. В качестве примера конкретной конструкции ниже рассматриваетс конструкци у которой: /г 12,55-10 7 Гн/м, удельна электропроводность у 6106 , запорный орган выполнен толщиной 0,8 мм, индуктивность 1 Гн, емкость конденсатора С 100-10 6Ф.selected from the condition (1): 2 v | C /// H 2. As noted above, a composite material conditionally satisfying 2 LC // f H 2 can also be used. As an example of a specific construction, the construction is considered below: / g 12.55-10 7 H / m, the conductivity is 6106, the shut-off element is 0.8 mm thick, the inductance is 1 H, the capacitance of the capacitor is 100-10 6F.

Работает устройство следующим образом .The device operates as follows.

При разр де импульсного источника энергии, например, конденсаторной батареи 10 через коммутатор 11 (при его замыкании ) через электромагнитную катушку 2, по ней протекает разр дный ток. Этот ток индуцирует в запорном органе 3, выполн ющем также функцию кор , ток обратного направлени . Вследствие электродинамического взаимодействи токов разного направлени в катушке 2 и запорном органе 3 между ними возникает сила отталкивани . Запорный орган 3 отбрасываетс от катушки 2 и от седла 8 и открывает проход дл газа. Газ из полости высокого давлени А через канал напуска 4 поступает в вакуумную полость Б. Так как в предлагаемой конструкции запорный орган выполнен удовлетвор ющим соотношениюWhen a pulsed energy source, for example, a capacitor bank 10, is discharged through a switch 11 (when it is closed) through an electromagnetic coil 2, a discharge current flows through it. This current induces a reverse current in the shut-off element 3, which also performs the function of cores. Due to the electrodynamic interaction of currents of different directions in the coil 2 and the shut-off element 3, a repulsive force arises between them. The locking member 3 is thrown away from the coil 2 and from the seat 8 and opens the gas passage. Gas from the high-pressure cavity A through the inlet channel 4 enters the vacuum cavity B. Since in the proposed design the shut-off element is made satisfying the ratio

у 2 VLCx/u Hat 2 VLCx / u H

0)0)

Это приводит к тому, что между основным током H(t), протекающим по катушке и током l2(t), индуцированным в запорном органе , будет иметь место сдвиг по фазе. А это означает, что возникающие между токами h(t) и i2(t) усили в некоторый момент времени смен т свой знак и из отталкивающих станут прит гивающими (более подробно эти процессы будут описаны ниже при сравнительном анализе за вл емого решени и прототипа). Это приводит к торможению запорного органа 3. Запорный орган 3 сначала тормозитс за счет вышеотмеченного прит гивающего усили и м гким демпфером 6. Затем окончательно затормаживаетс жестким демпфером 7 и возвращаетс в исходное положение.This leads to the fact that between the main current H (t) flowing along the coil and the current l2 (t) induced in the shut-off element, a phase shift will take place. This means that the forces arising between the currents h (t) and i2 (t) at some point in time change their sign and become repulsive from repulsive ones (these processes will be described in more detail below in a comparative analysis of the claimed solution and prototype) . This leads to inhibition of the locking member 3. The locking member 3 is first braked by the aforementioned attracting force and soft damper 6. Then it is finally braked by the rigid damper 7 and returned to its original position.

Оценим основные технические преимущества предлагаемого устройства пр сравнению с прототипом. Дл этого рассмотрим фиг.2 и фиг.З, на которых представлены результаты численных экспериментов, относ щихс к предлагаемой конструкции (фиг.2) и к конструкции прототипа (фиг.З). НаWe will evaluate the main technical advantages of the proposed device compared to the prototype. To this end, we will consider Fig. 2 and Fig. 3, which show the results of numerical experiments related to the proposed structure (Fig. 2) and to the prototype structure (Fig. 3). On the

этих фигурах рассмотрены процессы, происход щие в клапанах до момента соударени запорного органа с жестким демпфером 7. На фиг.2 и 3 прин ты следующие обозначени : перемещение запорного органа x(t); ток в запорном органе i2(t); ток в электромагнитной катушке h(t); скорость перемещени запорного органа V (т); электромагнитна сила, действующа на запорный орган F(t).These figures describe the processes occurring in the valves until the moment the collision of the locking body with the rigid damper 7. In Figs. 2 and 3, the following symbols are adopted: movement of the locking body x (t); current in the locking organ i2 (t); current in the electromagnetic coil h (t); displacement rate of the locking member V (t); electromagnetic force acting on the closure member F (t).

0 Как видно из фиг,2 в работе предлагаемого устройства до момента соударени за- порного органа с демпфирующим элементом 7 можно выделить 3 характерных участка: участок I - это участок трогани 0 As can be seen from FIG. 2, in the operation of the proposed device until the collision of the locking body with the damping element 7, 3 characteristic sections can be distinguished: section I is the portion of moving

5 (движение запорного органа начинаетс , когда электромагнитна сила F(t) превосходит силу поджати запорного органа); участок II - это участок разгона, когда, увеличиваетс скорость движени запорно0 го органа, участок III - когда начинаетс торможение запорного органа электромагнитными силами за счет эффекта проникновени электромагнитного пол за запорный орган, при этом скорость его перемещени 5 (the movement of the locking member begins when the electromagnetic force F (t) exceeds the pressing force of the locking member); section II - this is the acceleration section when, the speed of movement of the locking member increases, section III - when the braking of the locking member by electromagnetic forces begins due to the effect of the electromagnetic field penetrating behind the locking member, while its movement speed

5 уменьшаетс . Уменьшаетс и сила удара запорного органа об элементы узла возврата запорного органа в исходное положение. При сравнении рисунков 2 и 3 видно, что скорость соударени запорного органа с де0 мпфером 7 в предлагаемой конструкции значительно ниже, чем в прототипе ( в 5 раз).5 decreases. The force of impact of the locking member against the elements of the node for returning the locking member to its initial position also decreases. When comparing figures 2 and 3, it is seen that the speed of collision of the locking body with de0 mpfer 7 in the proposed design is significantly lower than in the prototype (5 times).

Таким образом, полезное ибпользова- ние эффекта сдвига фазы между основнымThus, the beneficial use of the phase shift effect between the main

5 и индуцированным токами приводит к тому, что ударные нагрузки, действующие на узел возврата запорного органа снижаютс пропорционально квадрату снижени скорости (в данном примере примерно в 25 раз).5 and induced currents, the shock loads acting on the return assembly of the locking member are reduced in proportion to the square of the reduction in speed (in this example, about 25 times).

0 Уменьшение ударных нагрузок на отдельные элементы клапана способствует повышению срока службы этих элементов, что в свою очередь повышает надежность всего устройства.0 Reducing shock loads on individual valve elements helps to increase the service life of these elements, which in turn increases the reliability of the entire device.

5 Кроме того, при правильном выборе параметров клапана можно значительно уменьшить объем демпфирующих элементов клапана, или .даже совсем обойтись без эластичного демпфера (так как эффективное5 In addition, with the right choice of valve parameters, it is possible to significantly reduce the volume of damping elements of the valve, or even dispense with an elastic damper (since effective

0 торможение осуществл етс магнитным полем ), а это упрощает конструкцию (что способствует повышению надежности), а также уменьшает габаритные размеры клапана, что особенно важно, когда клапан встраива5 етс внутрь электрода (например, электрода источника плазменных сгустков).0 braking is carried out by a magnetic field), and this simplifies the design (which helps to increase reliability) and also reduces the overall dimensions of the valve, which is especially important when the valve is built into the electrode (e.g., the source of plasma clots).

Также, в предлагаемой конструкции могут быть обеспеченны такие услови , что в момент соударени запорного органа, вследствие эффекта его самоторможени Also, in the proposed design, such conditions can be provided that at the moment of collision of the locking member, due to the effect of its self-inhibition

сила, действующа на запорный орган F(t) будет иметь отрицательное значение (в прототипе же она будет по-прежнему положительной ), что способствует ускорению возврата запорного органа в исходное по- ложение в предлагаемой конструкции. Другими словами, по вл етс возможность уменьшить длительность газового импульса , что расшир ет область применени такого клапана. Така конструкци особенно будет эффективна в установках, где требуетс осуществл ть быстрый напуск порции газа с малой длительностью газового импульса .the force acting on the locking member F (t) will have a negative value (in the prototype, it will still be positive), which helps to accelerate the return of the locking member to its original position in the proposed design. In other words, it is possible to reduce the duration of the gas pulse, which expands the scope of such a valve. Such a construction will be especially effective in installations where it is required to carry out a quick inlet of a portion of gas with a short duration of the gas pulse.

Итак видно., что предлагаема конструк- ци позвол ет уменьшить габаритные размеры клапана и повысить его надежность. Если веро тность выхода из стро одного элемента устройства равна Ф|, то веро тность отсутстви выхода из стро равна 1- Ф(. Веро тность того, что устройство не выйдет из стро может быть определена какSo it is seen. That the proposed design allows to reduce the overall dimensions of the valve and increase its reliability. If the probability of failure of one element of the device is equal to Ф |, then the probability of failure to fail is 1 - Ф (. The probability that the device does not fail can be defined as

mm

П(-1-ФО . P (-1-FO.

где Фп - веро тность выхода из стро всего устройства, m - число элементов устройства . Тогда, при уменьшении веро тности вы- хода из стро м гкого и жесткого демпферов, запорного органа за счет повышени их механической износостойкости из-за снижени ударных нагрузок, действующих на них, например, от (1- Ф|) 0,99 до (1- ф) 0,995 удаетс снизить веро тность выхода из стро всего устройства в 1,4 раза. Предлагаемое решение позвол ет значи5 10 where Фп is the probability of failure of the entire device, m is the number of elements of the device. Then, with a decrease in the probability of failure of the soft and hard dampers, the locking element due to an increase in their mechanical wear resistance due to a reduction in impact loads acting on them, for example, from (1-Ф |) 0.99 to ( 1- f) 0.995, it is possible to reduce the probability of failure of the entire device by 1.4 times. The proposed solution allows 5 10

5 0 fifty

55

с with

тельно расширить и диапазон материалов, примен емых при создании быстродействующих электродинамических клапанов.The range of materials used to create high-speed electrodynamic valves can also be expanded significantly.

Использование описанного технического решени планируетс начать в 1993 г. в разработках НИИЭлектрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова.The use of the described technical solution is planned to begin in 1993 in the development of the Research Institute of Electrophysical Equipment named after D.V. Efremov.

Claims

1. An electrodynamic valve comprising a housing in which an electromagnetic coil is mounted, connected through a switch with a pulsed energy source, a seat, a shut-off element that blocks the gas inlet channel, and a shut-off body return assembly, wherein the shut-off element is made of material with electrical conductivity

at 2 SCO / ft H 2,

where is the electrical conductivity of the material of the locking member;

C is the capacity of a pulsed energy source;

L is the inductance of the circuit containing the electromagnetic coil and the pulsed energy source;

/ 4 - magnetic permeability of the material of the locking member;

H is the thickness of the locking member;

2. The valve according to claim 1, characterized in that the closure member is made of composite material 1.

3. The valve according to claims 1, 2, with the fact that the composite material is made of a porous metal base impregnated with plastic.

T6S.

(acceleration) (braking) Figure 1