RU221266U1 - Магнитный клапан - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к предохранительным клапанам, срабатывающим при повышенном давлении, и может быть использована в различных пневмосистемах, гидроаккумуляторах и др., в частности в гидроакустических компенсируемых излучателях.

В разработанном магнитном клапане корпус состоит из выполненного из магнитного материала штуцера с центрированным относительно него и жестко закрепленным на нем стаканом из немагнитного материала, причем часть штуцера, соединенная со стаканом, образует седло клапана. Величина магнитной силы между грузом и седлом связана с заданной разницей давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан срабатывает для сброса заданной избыточной разницы давлений. Длина стакана подобрана таким образом, что при открытии клапана на груз не действует магнитная сила, а масса запорного органа с грузом подобрана так, что позволяет вернуть клапан в закрытое состояние при минимальной разнице давлений во входном и дренажном каналах. Таким образом, разработанный магнитный клапан позволяет обойтись без источника электропитания и обеспечивает минимальную разницу давлений во входном и дренажном каналах перед своим закрытием. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к предохранительным клапанам, срабатывающим при изменении давления, и может быть использована в различных пневмосистемах, в пневмогидроаккумуляторах и др., в частности, в системах компенсации гидростатического давления в гидроакустических излучателях, особенно низкочастотного диапазона (НЧИ).

Для создания НЧИ часто используют оболочки, которые являются механическими трансформаторами колебаний, создаваемых активными элементами, например, в виде пьезокерамических сборок. С одной стороны это делается для того, чтобы увеличить амплитуду механических смещений, создаваемых пьезокерамическим активным элементом, с другой стороны для того, чтобы увеличить апертуру излучающей звук поверхности. При этом наиболее эффективны излучатели, в которых оболочка, являющаяся механическим трансформатором и излучающей апертурой, одновременно является границей раздела внутренней полости, заполненной газом и внешней водной среды. Однако в такой конструкции для сохранения эффективности излучения звука при заглублении НЧИ необходимо обеспечить малость деформации оболочки излучателя при увеличении сил, действующих на нее со стороны гидростатического давления. Одним из широко распространенных технических решений по обеспечению пространственного положения оболочки, обеспечивающего максимальную эффективность излучения, является компенсация внешнего гидростатического давления равным давлением, создаваемым в газовой полости НЧИ. Для этих целей проектируются специальные устройства компенсаторы гидростатического давления.

Компенсатор гидростатического давления обычно состоит из жесткого корпуса и мягкой мембраны, разделяющей воздушную и водяную часть внутри жесткого корпуса, где мягкая мембрана, перемещаясь под действием внешнего гидростатического давления, уменьшает объем воздушной полости, в которой при этом возрастает давление.

Недостатком такой конструкции является то, что эластичные материалы, из которых делаются мембраны, в большей или меньшей степени обладают водопоглощением и паропроницаемостью, что со временем приводит к появлению влажности в газовом объеме НЧИ, что, в свою очередь, приводит к ухудшению электрических характеристик газа, которым заполнен НЧИ. В связи с тем, что для возбуждения активных пьезокерамических элементов в НЧИ используются высокие электрические напряжения, уменьшение прочности газовой среды на пробой может привести к аварийным ситуациям.

В связи с отсутствием эластичных материалов, соответствующих задаваемым при проектировании НЧИ длительного непрерывного использования требованиям по водопоглощению и паропроницаемости, одним из технических решений по обеспечению свойств газовой атмосферы в НЧИ является клапан, отделяющий газовую область НЧИ, где необходимо обеспечить долговременные и заданные электрические характеристики, от области, где находится эластичная мембрана.

Требования к клапану следующие. Клапан должен быть открытым в момент постановки НЧИ на требуемую глубину. В закрытом состоянии он должен быть устойчив к возможным случайным изменениям внешнего гидростатического давления (волнение, приливы и др.), например, в пределах 1-1,5 бар. Кроме того, клапан должен быть многократного действия для обеспечения испытаний, регламентных работ и др.

Известен магнитный клапан, включающий корпус из немагнитного материала с входным и дренажным каналами, между которыми выполнено седло с центрированным относительно него запорным органом в виде гуммированного намагниченного стального шарика. Снаружи корпуса коаксиально относительно запорного органа установлен кольцевой постоянный магнит, усилие, от магнитного поля которого, воздействует на запорный орган в сторону его поджатия к седлу (В.Л. Берсенев, Е.Ф. Лукьянов, А.А. Логунцов «Конструирование и расчет магнитных предохранительных клапанов», Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», Самара: Орел. ГТУ, 2007, с. 95-97). В таком клапане, подбирая магнитное поле постоянного магнита, можно добиться его срабатывания на открытие при давлении 1-1,5 бар, а уменьшение силы со стороны магнитного поля после его открытия, связанное с увеличением магнитного зазора, дает возможность перепуска воздуха при давлении значительно ниже порога срабатывания клапана. При уменьшении разности давлений между полостями компенсатора и излучателя намагниченный шарик под действием силы тяжести вновь поджимается к седлу в корпусе с входным и дренажным каналами и, таким образом, готов к новому циклу перепуска. Недостатком данного технического решения является высокая постоянная погрешность при закрытии клапана, обусловленная сохраняющимся влиянием магнитного поля на запорный шарик после открытия клапана. Если клапан расположен вертикально, то после его открытия и, соответственно, отбрасывания от седла запорного шарика, на шарик начинает действовать сила тяжести, и он стремится занять положение, которое занимал до открытия. Препятствует ему в этом только сила давления воздушной струи, идущей из входного отверстия клапана. Эта сила не может быть большой, так как после открытия клапана воздух уходит в дренажное отверстие. Давление между седлом, расположенным на корпусе, и запорным шариком не значительно и запорный орган остается в зоне влияния магнитного поля, хоть и ослабленного из-за увеличения зазора после открытия клапана. Чтобы удержать клапан в открытом состоянии и, соответственно, обеспечить движение газа между сообщающимися объемами нужно между ними обеспечить значительный перепад давления, что противоречит самой идее компенсации, то есть выравнивания давления между полостями. В системах компенсации разница между сообщающимися объемами не должна превышать 0,1 бар.

От указанного недостатка свободно устройство, описанное в патенте на полезную модель RU 73438 «Магнитный предохранительный клапан» (публ. 20.05.2008 г., МПК F16K 31/08, F16K 31/02), и выбранное в качестве прототипа. Клапан содержит корпус из немагнитного материала с входным и дренажным каналами, между которыми выполнено седло с центрированным относительно него запорным органом с тарированным по весу немагнитным грузом. Снаружи корпуса установлен источник магнитного поля, усилие от которого воздействует на выполненный из магнитного материала запорный орган в сторону его поджатия к седлу. Над грузом установлен концевой выключатель с жестко зафиксированной кнопкой выключения. При этом величина суммарного веса груза связана с заданным давлением рабочей среды во входном канале, при котором предохранительный клапан должен срабатывать для сброса сверхдопустимого избыточного давления рабочей среды в дренажный канал. В описанном устройстве порог срабатывания концевого выключателя можно отрегулировать так, что после первоначального (под действием потока газа) открытия клапана концевой выключатель отключит соленоидную катушку, магнитное поле исчезнет и будет отсутствовать до тех пор, пока струя воздуха из входного канала настолько ослабнет, что ее действие перестанет уравновешивать силу тяжести, действующую на запорный орган. Запорный орган устремится вниз к седлу и разблокирует концевой выключатель, который подключит соленоидную катушку и обеспечит при помощи появившегося магнитного поля плотное прижатие запорного органа к седлу и в последующем требуемый порог срабатывания по давлению. Недостатком прототипа является необходимость во внешнем источнике электропитания.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка магнитного клапана, работающего без использования внешнего источника электропитания и обеспечивающего минимальную разницу давлений во входном и дренажном каналах перед своим закрытием.

Технический результат достигается за счет того, что разработанный магнитный клапан, как и устройство-прототип, содержит корпус с входным и дренажным каналами, между которыми выполнено седло с центрированным относительно него запорным органом, на котором размещен груз. Новым является то, что корпус состоит из выполненного из магнитного материала штуцера с центрированным относительно него и жестко закрепленным на нем стаканом из немагнитного материала, причем часть штуцера, соединенная со стаканом образует седло клапана. При этом величина силы магнитного поля, действующей между выполненными из магнитного материала грузом и седлом, связана с заданной разницей давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан срабатывает для сброса заданной избыточной разницы давлений рабочей среды в дренажный канал. Длина стакана подобрана таким образом, что при открытии клапана на груз не действует магнитная сила, а масса запорного органа с грузом подобрана так, что позволяет вернуть клапан в закрытое состояние при минимальной заданной разнице давлений во входном и дренажном каналах.

В частном случае в разработанном магнитном клапане разница давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан срабатывает для сброса заданной избыточной разницы давлений рабочей среды в дренажный канал, составляет не менее 1,5 бар.

В другом частном случае реализации магнитного клапана разница давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан срабатывает на закрытие, составляет менее 0,1 бар.

Устройство поясняется следующей фигурой.

На фигуре схематично представлен разработанный магнитный клапан в разрезе.

Магнитный клапан состоит из корпуса с входным 1 и дренажным 2 каналами и запорного органа 3. Корпус состоит из выполненного из магнитного материала штуцера 4 и стакана 5, центрированного относительно штуцера 4 и жестко закрепленного на нем, например, с помощью винтов 6. Стакан 5 выполнен из немагнитного материала. Часть штуцера 4, соединенная со стаканом 5 образует седло 7 клапана. На запорном органе 3 размещен груз 8, выполненный из магнитного материала, и уплотнительная прокладка 9. На дальнем от штуцера 4 конце стакана 5 выполнен ограничитель свободного хода запорного органа 3, представляющий собой, например, немагнитную вставку 10.

Заявленное устройство работает следующим образом. При достижении заданной избыточной разницы давлений во входном 1 и дренажном 2 каналах сила давления во входном канале 1 штуцера 4 преодолевает силу магнитного притяжения намагниченного груза 8, расположенного на запорном органе 3, к седлу 7 и отбрасывает запорный орган 3 с грузом 8 к вставке 10. При этом длина стакана 5 подобрана таким образом, что при открытии клапана на груз 8 не действует магнитная сила. Рабочая среда (воздух) перепускается через отверстия дренажного канала 2 в боковой поверхности стакана 5, в случае НЧИ - во внутреннюю полость излучателя. Находясь вблизи вставки 10, запорный орган 3 с намагниченным грузом 8 не испытывает магнитного притяжения к седлу 7, так как магнитная сила притяжения быстро падает с увеличением расстояния. Таким образом, клапан остается открытым до тех пор, пока сила давления потока воздуха, набегающего на запорный орган 3 со стороны штуцера 4, не станет меньше, чем собственная сила тяжести запорного органа 3 с грузом 8. При этом в разработанном устройстве масса запорного органа 3 с грузом 8 подобрана так, что позволяет вернуть клапан в закрытое состояние при минимальной разнице давлений во входном 1 и дренажном 2 каналах. В частном случае эта разница давлений меньше 0,1 бар. Как только это произойдет, запорный орган 3 с грузом 8 падает на штуцер 4, магнитный зазор становится снова близким к нулю, и поток воздуха перекрывается. При этом сила, действующая со стороны магнитного поля, становится достаточной для работы уплотнения в виде прокладки 9.

Следующее открытие клапана происходит при заданном превышении давления во входном канале 1 штуцера 4 над давлением в дренажном канале 2, в частном случае, на 1,5 бар.

Таким образом, разработанный магнитный клапан позволяет обойтись без источника электропитания и обеспечивает минимальную разницу давлений во входном и дренажном каналах перед своим закрытием за счет подобранных определенным образом длины стакана и массы запорного органа с грузом.

Claims (3)

1. Магнитный клапан, содержащий корпус с входным и дренажным каналами, между которыми выполнено седло с центрированным относительно него запорным органом, на котором размещен груз, отличающийся тем, что корпус состоит из выполненного из магнитного материала штуцера с центрированным относительно него и жестко закрепленным на нем стаканом из немагнитного материала, причем часть штуцера, соединенная со стаканом, образует седло клапана, при этом величина силы магнитного поля, действующей между выполненными из магнитного материала грузом и седлом, связана с заданной разницей давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан срабатывает для сброса заданной избыточной разницы давлений рабочей среды в дренажный канал, при этом длина стакана подобрана таким образом, что при открытии клапана на груз не действует магнитная сила, а масса запорного органа с грузом подобрана так, что позволяет вернуть клапан в закрытое состояние при минимальной разнице давлений во входном и дренажном каналах.

2. Магнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что разница давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан срабатывает для сброса заданной избыточной разницы давлений рабочей среды в дренажный канал, составляет не менее 1,5 бар.

3. Магнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что разница давлений рабочей среды во входном и дренажном каналах, при которой клапан возвращается в закрытое состояние, составляет менее 0,1 бар.