RU2786091C1

RU2786091C1 - Electromagnetic valve for switching source of laminar flow jet

Info

Publication number: RU2786091C1
Application number: RU2021121522A
Authority: RU
Inventors: Иван Вячеславович Божьев; Саркис Арменакович Дагесян; Георгий Александрович Жарик; Михаил Александрович КОЛПАКОВ; Павел Станиславович ПАНАСЮЧЕНКО
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2022-12-16

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electromagnetic valves for switching flows of air or aerosol media; it can be used for the formation of a moving spatial image in a laminar airflow. The proposed valve is characterized by the presence of: a case with a cover, including three tubes having Y-shaped connection, two of which form input channels for two flows of an air or aerosol medium, the third forms an output channel, curtain having a part – a flap overlapping channels, an axis, and a lever part, while the flap is located in an area of connection of two input channels and is made with the possibility of movement from one position providing overlap of the first input channel to the second position providing overlap of the second input channel, at least two permanent magnets located between tubes, which correspond to input channels of the case, while the curtain is equipped with an electromagnet placed on its lever part with the possibility of movement between permanent magnets, when current pulses are supplied to the electromagnet.

EFFECT: invention provides laminar flowing of a medium in the entire time interval of operation of a device with saving high speed of switching.

14 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение The technical field to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к электромагнитным клапанам, а именно, к электромагнитным переключателям потоков воздушных или аэрозольных сред для специфического диапазона разницы давлений на клапане (20-500 Па - давления, создаваемые осевыми вентиляторами) и скоростей течения воздуха (0.1-3 м/с), используемых в системах для формирования движущегося пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке. Такие клапаны могут быть реализованы в системах, предназначенных для использования в качестве рекламных конструкций, элемента шоу или дизайнерского оформления интерьера. Например, они могут быть частью внешней рекламной вывески коммерческого предприятия. Крупногабаритное устройство такого типа может быть использовано как самостоятельный элемент шоу или музейной выставки, демонстрирующей произвольную картинку или определенный эффект.The present invention relates to electromagnetic valves, namely, to electromagnetic switches for the flow of air or aerosol media for a specific range of pressure differences across the valve (20-500 Pa - pressures created by axial fans) and air flow velocities (0.1-3 m/s), used in systems for forming a moving spatial image in a laminar air flow. Such valves can be implemented in systems intended for use as advertising structures, show elements or interior design. For example, they may be part of an outdoor advertising sign for a business. A large-sized device of this type can be used as an independent element of a show or museum exhibition, demonstrating an arbitrary picture or a certain effect.

Заявляемое устройство основано на поочередном соединении одного из двух входных источников воздуха или аэрозоля со своим единственным выходом с высокой скоростью переключения положения шторки клапана (до 100 переключений в секунду), что позволяет создавать на выходе ламинарную струю с чередующимся вдоль направления своего движения составом. Эта струя имеет достаточно узкое сечение (около 1 см²). Использование одномерного массива таких клапанов позволит создавать двумерные движущиеся изображения, например, при помощи добавления тумана в одну из входных струй клапана. Использование двумерного массива клапанов позволит создавать аналогичные трехмерные изображения.The proposed device is based on the alternate connection of one of the two input sources of air or aerosol with its only output with a high speed of switching the valve shutter position (up to 100 switches per second), which allows you to create a laminar jet at the output with an alternating composition along the direction of its movement. This jet has a fairly narrow cross section (about ¹ cm2). Using a one-dimensional array of such valves will allow the creation of two-dimensional moving images, for example, by adding fog to one of the valve's inlet jets. Using a 2D valve array will create similar 3D images.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны различные конструкции электромагнитных клапанов, вентилей и переключателей, используемых в воздушных и гидравлических системах. Однако все они отличаются по своему назначению и конструкции.Various designs of solenoid valves, valves and switches are known in the art for use in air and hydraulic systems. However, they all differ in their purpose and design.

Из уровня техники известны устройства, используемые для смешения двух разных потоков воздуха с помощью поворачивающейся на оси дверцы (US 5820020 A). Такое устройство является составной частью системы автокондиционирования для смешения холодного и горячего потока воздуха. Их конструкция позволяет обеспечивать ламинарный поток, достаточную скорость потока (до нескольких метров в секунду) при упомянутых выше низких давлениях. Однако данное устройство характеризуется значительными габаритными размерами, не может обеспечить формирование тонкой струи изображения и достаточной скорости переключения клапана, работая на временном масштабе порядка единиц или десятых долей секунды.Devices are known from the prior art for mixing two different air streams with the help of a pivoting door (US 5820020 A). Such a device is an integral part of the auto-conditioning system for mixing cold and hot air streams. Their design allows to provide laminar flow, sufficient flow rate (up to several meters per second) at the low pressures mentioned above. However, this device is characterized by significant overall dimensions, cannot provide the formation of a thin image jet and sufficient valve switching speed, operating on a time scale of the order of units or tenths of a second.

Из уровня техники известны клапаны для прецизионного управления скоростью расхода газа, в которых поддерживается ламинарный режим течения газовой среды (US 5108071 А). Ламинарность в данных клапанах достигается за счет поддержания параллельности гладких поверхностей, между которыми протекает среда. Однако данные клапаны не могут быть использованы для формирования изображений в потоках воздушных или аэрозольных сред, в связи с наличием одного входного канала и недостаточной скоростью переключения. Кроме того, конструкция клапана является достаточно сложной и дорогостоящей при его использовании для формирования изображений в ламинарном потоке, где необходим массив, по меньшей мере, из десятков таких клапанов.Valves for precise control of the gas flow rate are known from the prior art, in which the laminar flow of the gaseous medium is maintained (US 5108071 A). Laminarity in these valves is achieved by maintaining the parallelism of smooth surfaces between which the medium flows. However, these valves cannot be used to form images in air or aerosol media due to the presence of one input channel and insufficient switching speed. In addition, the design of the valve is quite complex and expensive when used for imaging in laminar flow, where an array of at least dozens of such valves is needed.

Наиболее близким устройством для выполнения указанной выше задачи является быстродействующий клапан для пневматических систем (US 4819693 A). Клапан способен поддерживать достаточно высокую скорость переключения, при этом он является достаточно простым в исполнении и обеспечивает высокую пропускную способность при расчетных значениях давления. Пневматический клапан спроектирован для работы с разностями давлений порядка 0.5 бар и более (0.05 МПа и более). Одной из главных конструктивных особенностей, присущих такому типу клапанов, является сечение перекрываемого или переключаемого воздушного канала, которое не превышает нескольких квадратных миллиметров. Этот параметр оказывается критически маленьким при необходимости работы с разницей давлений не выше сотен Паскаль между входом и выходом клапана. Сочетание низкой разности давлений используемых сред с размерами поперечного сечения канала ведет к крайне низкому значению пропускной способности (~10^-6-10^-9 м³/с) клапана при низких давлениях (20-500 Па). Также при прохождении через такой клапан воздушный поток становится турбулентным и перемешивается, что приводит к формированию размытой струи и, как следствие, неразличимой картины при его использовании с целью формирования изображения.The closest device to accomplish the above task is a quick-acting valve for pneumatic systems (US 4819693 A). The valve is able to maintain a sufficiently high switching speed, while it is quite simple in design and provides high flow capacity at design pressures. The pneumatic valve is designed to work with pressure differences of the order of 0.5 bar or more (0.05 MPa or more). One of the main design features inherent in this type of valves is the cross section of the air channel to be closed or switched, which does not exceed a few square millimeters. This parameter turns out to be critically small when it is necessary to work with a pressure difference not higher than hundreds of Pascals between the inlet and outlet of the valve. The combination of the low pressure difference of the media used with the cross-sectional dimensions of the channel leads to an extremely low throughput (~10 ^-6 -10 ^-9 m ³ /s) of the valve at low pressures (20-500 Pa). Also, when passing through such a valve, the air flow becomes turbulent and mixed, which leads to the formation of a blurry jet and, as a result, an indistinguishable pattern when it is used for imaging purposes.

Технической проблемой является разработка устройства, обеспечивающего возможность поочередного соединения выходного потока с одним из двух источников входного потока с сохранением высокой скорости переключения при скорости выходного потока по меньшей мере 0.5 м/с и увеличение расхода среды по меньшей мере на два порядка в ламинарном режиме течения при перепаде давления, создаваемым бытовыми аксиальными вентиляторами (десятки - сотни Па). Раскрытие сущности изобретенияThe technical problem is the development of a device that makes it possible to alternately connect the output stream to one of the two sources of the input stream while maintaining a high switching speed at an output stream velocity of at least 0.5 m/s and increasing the flow rate of the medium by at least two orders of magnitude in the laminar flow regime at pressure drop created by household axial fans (tens - hundreds of Pa). Disclosure of the essence of the invention

Техническим результатом изобретения является обеспечение ламинарного течения среды на всем временном интервале работы устройства за исключением коротких моментов переключения длительностью до 2 мс при скорости потока до 2 м/с и расходе воздуха до 10^-4 м³/с при сохранении высокой скорости переключения (до 50 раз в секунду).The technical result of the invention is to ensure a laminar flow of the medium over the entire time interval of the device operation, with the exception of short switching moments lasting up to 2 ms at a flow rate of up to 2 m/s and an air flow rate of up to 10 ^-4 m ³ /s while maintaining a high switching speed (up to 50 once per second).

Технический результат достигается при использовании электромагнитного клапана для переключения между двумя входными потоками воздушной или аэрозольной среды при формировании струи ламинарного потока, характеризующегося наличием:The technical result is achieved by using an electromagnetic valve to switch between two input streams of an air or aerosol medium during the formation of a laminar flow jet, characterized by the presence of:

корпуса, включающего три трубки, имеющие Υ-образное соединение, две из которых образуют входные каналы для двух потоков воздушной или аэрозольной среды, третья - выходной канал,housing, including three tubes having a Υ-shaped connection, two of which form inlet channels for two streams of air or aerosol medium, the third - an outlet channel,

шторки, имеющей перекрывающую каналы часть (заслонку), ось и рычажную часть, при этом заслонка расположена в области соединения двух входных каналов и выполнена с возможностью перемещения из одного положения, обеспечивающего перекрытие первого входного канала, во второе положение, обеспечивающего перекрытие второго входного канала,a shutter having a part (shutter) blocking the channels, an axis and a lever part, wherein the shutter is located in the connection area of the two input channels and is movable from one position, which ensures the first input channel is blocked, to the second position, which ensures the second input channel is blocked,

по меньшей мере двух постоянных магнитов, расположенных между трубками, которые соответствуют входным каналам корпуса, при этом шторка снабжена электромагнитом, размещенным на ее рычажной части с возможностью перемещения между постоянными магнитами при подаче на электромагнит импульсов тока.at least two permanent magnets located between the tubes that correspond to the input channels of the body, while the shutter is equipped with an electromagnet placed on its lever part with the possibility of moving between the permanent magnets when current pulses are applied to the electromagnet.

Шторка выполнена из ферромагнитного материала, обеспечивающего возможность использования кратковременных импульсов тока для переключения клапана (перемещения шторки); при отсутствии тока шторка будет оставаться в стабильном положении за счет использования материала, из которого она изготовлена с относительной магнитной проницаемостью не менее 20, например, из листа конструкционной стали, толщиной от 0,1 мм до 0,3 мм.The shutter is made of a ferromagnetic material, which makes it possible to use short-term current pulses to switch the valve (shutter movement); in the absence of current, the shutter will remain in a stable position due to the use of a material from which it is made with a relative magnetic permeability of at least 20, for example, from a sheet of structural steel, with a thickness of 0.1 mm to 0.3 mm.

Корпус, как правило, выполнен с посадочными местами для оси шторки, расположенными вблизи места соединения трубок, и посадочными местами для постоянных магнитов, а также может быть снабжен упорами для ограничения угла поворота шторки, и препятствующих достижению шторкой плоскости симметрии постоянных магнитов. Корпус выполнен с плавным переходом входных каналов в выходной.The housing is usually made with seats for the shutter axis, located near the junction of the tubes, and seats for permanent magnets, and can also be equipped with stops to limit the angle of rotation of the shutter, and prevent the shutter from reaching the symmetry plane of the permanent magnets. The case is made with a smooth transition of the input channels to the output.

Трубки, содержащие входные каналы, расположены под углом между осями трубок, который может составлять до 90 градусов. Электромагнитный клапан выполнен с возможностью поворота шторки на угол до 90 градусов. Заслонка имеет форму, соответствующую форме сечения в месте соединения трубок с входными каналами.The tubes containing the inlet channels are located at an angle between the axes of the tubes, which can be up to 90 degrees. The solenoid valve is made with the ability to rotate the shutter at an angle of up to 90 degrees. The damper has a shape corresponding to the shape of the section at the junction of the tubes with the inlet channels.

Трубки предпочтительно выполнены из полимерного материала, имеют круглое сечение с одинаковой площадью поперечного сечения по длине трубки, при этом заслонка имеет форму эллипса с эксцентриситетом, определяемым углом соединения трубок.The tubes are preferably made of a polymeric material, have a circular cross section with the same cross-sectional area along the length of the tube, while the shutter has the shape of an ellipse with an eccentricity determined by the angle of the tubes connection.

В одном из вариантов осуществления изобретения электромагнитный клапан содержит четыре постоянных магнита, расположенных попарно между частями трубок, которые соответствуют входным каналам корпуса.In one of the embodiments of the invention, the solenoid valve contains four permanent magnets located in pairs between the parts of the tubes that correspond to the inlet channels of the housing.

Расстояние между электромагнитом на рычажной части шторки и постоянными магнитами в крайних положениях шторки составляет не более 1 мм. Рычажная часть шторки снабжена выступами для установки катушек электромагнита.The distance between the electromagnet on the lever part of the curtain and the permanent magnets in the extreme positions of the curtain is no more than 1 mm. The lever part of the shutter is equipped with protrusions for mounting electromagnet coils.

Корпус снабжен, как правило, крышкой, выполненной с возможностью герметизации технологического зазора в месте соединения трубок с входными каналами, выполненного для установки шторки внутрь клапана. При этом посадочные места для размещения постоянных магнитов, углубление для размещения оси шторки и крепежные отверстия выполнены в упомянутой крышке.The body is provided, as a rule, with a cover, made with the possibility of sealing the technological gap at the junction of the tubes with the inlet channels, made for installing the shutter inside the valve. At the same time, seats for accommodating permanent magnets, a recess for accommodating the shutter axis and mounting holes are made in the said cover.

Технический результат достигается за счет отказа от надежного плотного перекрывания клапана, например, как это реализовано в прототипе с помощью плунжера, или с помощью гибких мембран в других системах. В заявленном клапане закрытие канала происходит без использования специальных уплотнительных материалов: место уплотнения представляет из себя контакт двух плоских твердых поверхностей. Такой шаг ведет одновременно к невозможности работы клапана с высокими давлениями и к небольшим утечкам среды в закрытом состоянии. Эти недостатки были бы критичны для пневматических систем, однако несущественны для задачи формирования изображения. С другой стороны, такое упрощение клапана позволило выполнить все каналы в виде гладких трубок постоянного широкого (~ 1 см²) круглого сечения с плавными изгибами при сохранении простоты конструкции, что обеспечивает основные преимущества заявленного клапана в сравнении с пневматическим прототипом.The technical result is achieved due to the rejection of reliable tight shut-off of the valve, for example, as implemented in the prototype using a plunger, or using flexible membranes in other systems. In the claimed valve, the channel is closed without the use of special sealing materials: the sealing point is the contact of two flat solid surfaces. Such a step leads simultaneously to the impossibility of the valve to work with high pressures and to small leakages of the medium in the closed state. These shortcomings would be critical for pneumatic systems, but not essential for the task of imaging. On the other hand, such a simplification of the valve made it possible to make all channels in the form of smooth tubes of constant wide (~ 1 cm ² ) circular cross section with smooth bends while maintaining the simplicity of the design, which provides the main advantages of the claimed valve in comparison with the pneumatic prototype.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Изобретение поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема работы электромагнитного клапана; на фиг. 2-4 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана, демонстрируемая с трех разных точек обзора; на фиг. 3-4 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана вместе с крышкой; на фиг. 5 представлена форма шторки клапана; на фиг. 6 схематично представлено поперечное сечение расположения шторки относительно постоянных магнитов в двух разных устойчивых состояниях; на фиг. 7 представлен пример системы, использующей заявленное устройство для формирования изображения в воздушном потоке.The invention is illustrated by the following drawings, where in Fig. 1 shows a schematic diagram of the operation of a solenoid valve; in fig. 2-4 is a 3D model of a solenoid valve body viewed from three different viewpoints; in fig. 3-4 shows a three-dimensional model of the solenoid valve body with cover; in fig. 5 shows the shape of the valve shutter; in fig. 6 is a schematic cross-section of the location of the shutter relative to the permanent magnets in two different stable states; in fig. 7 shows an example of a system using the inventive airflow imaging device.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - направления входных потоков воздушной или аэрозольной среды в клапане; 2 - направление выходного потока воздушной или аэрозольной среды из клапана; 3 - постоянные магниты; 4 - электромагнит, закрепленный на шторке клапана; 5 - часть шторки, перекрывающая один из двух потоков (заслонка); 6 - перфорция для возможности присоединения к клапану гибких труб; 7 - отверстия для болтового соединения крышки и основного корпуса; 8 - отверстия для закрепления клапана к корпусу прибора, в котором он используется; 9 - посадочные места постоянных магнитов; 10 - посадочные места оси шторки; 11 - выступы для намотки/установки электромагнита; 12 - заострения, выполняющие роль оси шторки; 13 - упоры, ограничивающие движение шторки и одновременно служащие уплотнением; 14 - поперечное сечение шторки, (шторка изображена дважды в обоих своих положениях равновесия); 15 - обмотка электромагнита; 16 - плоскость симметрии магнита; 17 - рычажная часть шторки; 18 - крышка клапана; 19 - ламинаризатор воздушного потока; 20 - резервуары с воздухом и аэрозолем; 21 - массив электромагнитных клапанов; 22 - сформированное изображение; 23 - стекло; 24 - блок вентиляторов; 25 - технологический зазор для возможности установки шторки внутрь клапана.The positions in the drawings indicate: 1 - the direction of the input streams of air or aerosol medium in the valve; 2 - direction of the outlet flow of air or aerosol medium from the valve; 3 - permanent magnets; 4 - an electromagnet fixed on the valve shutter; 5 - part of the shutter, blocking one of the two flows (damper); 6 - perforation for the possibility of connecting flexible pipes to the valve; 7 - holes for bolted connection of the cover and the main body; 8 - holes for fixing the valve to the body of the device in which it is used; 9 - seats for permanent magnets; 10 - seats for the curtain axis; 11 - protrusions for winding / installing an electromagnet; 12 - points, acting as the axis of the shutter; 13 - stops that limit the movement of the shutter and at the same time serve as a seal; 14 - cross-section of the curtain, (the curtain is shown twice in both of its equilibrium positions); 15 - electromagnet winding; 16 - plane of symmetry of the magnet; 17 - lever part of the curtain; 18 - valve cover; 19 - air flow laminarizer; 20 - tanks with air and aerosol; 21 - an array of electromagnetic valves; 22 - formed image; 23 - glass; 24 - block of fans; 25 - technological clearance for the possibility of installing a shutter inside the valve.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Далее представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, могут изменяться использованные для изготовления шторки и корпуса клапана материалы, поперечное сечение каналов, угол поворота шторки в пределах до 90 градусов, размеры и форма постоянных магнитов, взаимное расположение электромагнитов и постоянных магнитов, то есть заменить электромагниты на постоянные магниты, а постоянные магниты, в свою очередь, на электромагниты, и т.д.The following is a more detailed description of the claimed invention, demonstrating the possibility of achieving the claimed technical result. The present invention may be subject to various changes and modifications, clear to a person skilled in the art based on reading this description. Such changes do not limit the scope of claims. For example, the materials used for the manufacture of the shutter and valve body, the cross section of the channels, the shutter rotation angle up to 90 degrees, the size and shape of the permanent magnets, the relative position of the electromagnets and permanent magnets can be changed, that is, replace the electromagnets with permanent magnets, and permanent magnets , in turn, to electromagnets, etc.

Клапан представляет из себя Y-образный полимерный корпус, состоящий из трех соединяющихся трубок: внутри двух из них расположены каналы для входных потоков 1, внутри третьей - для выходного 2. Для переключения потоков внутри клапана располагается шторка, состоящая из следующих основных частей: заслонки 5, рычажной части 17, оси 12, выступов для установки/намотки электромагнита 4. Шторка выполнена из тонколистного (0.1-0.3 мм) ферромагнитного материала и имеет два стабильных положения 14, соответствующих перекрытию одного из входных каналов. Стабильность этих положений обусловлена притяжением к одному, или в данном случае одной из пар, постоянных магнитов 3. Для перемещения между стабильными положениями на шторке установлена обмотка электромагнита 15, состоящая из двух сонаправленных частей и подключенных последовательно друг с другом. Для установки шторки в корпус предусмотрены посадочные места в виде углублений 10, соответствующих по форме оси шторки. Для установки магнитов предусмотрены посадочные места 9, позволяющие установить магниты максимально близко к электромагниту, убрав материал корпуса между ними. Максимальный угол поворота шторки ограничен упорами 13, к которым заслонка прислоняется в стабильном положении, при этом рычажная часть не достигает плоскости симметрии магнитов 16. Заслонка 5 имеет форму, соответствующую увеличенному на десятые доли миллиметра сечению канала, сделанному под углом, равным углу поворота между входной и выходной трубкой в месте их соединения. Увеличение необходимо, чтобы заслонка 5 упиралась, не проваливаясь в упоры 13, и перекрывала канал полностью без зазоров. Для возможности установки шторки внутрь клапана у его корпуса выполнен технологический зазор 25 и предусмотрена крышка 18 для закрытия данного зазора после установки шторки. Крышка крепится к корпусу с использованием сквозных отверстий 7 при помощи болтовых соединений или саморезов.The valve is a Y-shaped polymer body, consisting of three connecting tubes: inside two of them there are channels for inlet streams 1, inside the third - for outlet 2. To switch flows, a shutter is located inside the valve, consisting of the following main parts: dampers 5 , lever part 17, axis 12, protrusions for mounting/winding an electromagnet 4. The shutter is made of thin sheet (0.1-0.3 mm) ferromagnetic material and has two stable positions 14, corresponding to the overlap of one of the input channels. The stability of these positions is due to the attraction to one, or in this case one of the pairs, permanent magnets 3. To move between stable positions, an electromagnet winding 15 is installed on the shutter, consisting of two co-directional parts and connected in series with each other. To install the shutter in the housing, seats are provided in the form of recesses 10, corresponding in shape to the axis of the shutter. Seats 9 are provided for the installation of magnets, allowing you to install the magnets as close as possible to the electromagnet, removing the body material between them. The maximum angle of rotation of the shutter is limited by stops 13, against which the damper leans in a stable position, while the lever part does not reach the plane of symmetry of the magnets 16. The damper 5 has a shape corresponding to the channel section increased by tenths of a millimeter, made at an angle equal to the angle of rotation and outlet tube at their junction. The increase is necessary so that the damper 5 abuts without falling into the stops 13, and blocks the channel completely without gaps. For the possibility of installing a shutter inside the valve, a technological gap 25 is made near its body and a cover 18 is provided to close this gap after the shutter is installed. The cover is attached to the body using through holes 7 using bolted connections or self-tapping screws.

Переключение шторки между стабильными положениями осуществляется при подаче на электромагнит 15 кратковременного импульса тока определенной полярности, приводящего к перемагничиванию рычажной части заслонки 17, включая ее выступы 11. После начала этого импульса как следствие возникает сила отталкивания между рычажной частью шторки и ближайшей к нему парой постоянных магнитов 16. Она вызывает поворот шторки вокруг оси по направлению к другой паре магнитов, поскольку шторка всегда располагается между плоскостями симметрии постоянных магнитов 16. Между рычажной частью шторки и другой парой магнитов, напротив, действует сила притяжения, усиливающаяся по мере их приближения. Как только вторая пара магнитов окажется ближе к рычажной части шторки, чем первая, импульс тока может быть завершен. Далее шторка доходит до противоположного упора и останавливается в новом стабильном положении. Обратное переключение осуществляется подачей аналогичного импульса тока противоположного направления.Switching the shutter between stable positions is carried out when a short-term current pulse of a certain polarity is applied to the electromagnet 15, leading to magnetization reversal of the lever part of the shutter 17, including its protrusions 11. After the start of this pulse, as a result, a repulsive force arises between the lever part of the shutter and the pair of permanent magnets closest to it 16. It causes the shutter to rotate around the axis towards the other pair of magnets, since the shutter is always located between the planes of symmetry of the permanent magnets 16. Between the lever part of the shutter and the other pair of magnets, on the contrary, an attractive force acts, which increases as they approach. As soon as the second pair of magnets is closer to the lever part of the curtain than the first one, the current pulse can be completed. Then the shutter reaches the opposite stop and stops in a new stable position. Reverse switching is carried out by applying a similar current pulse in the opposite direction.

Заявленное устройство было реализовано следующим образом. Корпус и крышка были выполнены с помощью фотополимерной 3D-печати. Корпус с закрытой крышкой при это имел следующие габаритные размеры: длина 65 мм, ширина 35 мм, высота 12 мм. Был выбран диаметр трубок 10 мм, с диаметром канала - 8 мм.The claimed device was implemented as follows. The body and cover were made using photopolymer 3D printing. The case with the lid closed had the following overall dimensions: length 65 mm, width 35 mm, height 12 mm. A tube diameter of 10 mm was chosen, with a channel diameter of 8 mm.

Угол между трубками, содержащими входные каналы, был выбран равным 40°. Максимальный угол, при котором ламинарность потока удается поддерживать, составляет 90°, однако, чем меньше этот параметр, тем при более высоких скоростях потока это удается сделать. Так, для угла в 40°, ламинарность сохраняется для скоростей потока до 2 м/с, для 90° для скоростей потока до примерно 0.5 м/с. В то же время при очень малых значениях угла между входными трубками возникают трудности, связанные размещением между ними магнитов, критически увеличивается необходимая длина заслонки. Скорость потока 2 м/с при сечении канала примерно 0.5 см² позволяет получить расход среды 10^-4 м³/с. Полученные значения реализованы при перепаде давления на клапане величиной 200 Па.The angle between the tubes containing the inlet channels was chosen to be 40°. The maximum angle at which the laminar flow can be maintained is 90°, however, the smaller this parameter, the higher the flow rates. So, for an angle of 40°, laminarity is maintained for flow velocities up to 2 m/s, for 90° for flow velocities up to about 0.5 m/s. At the same time, at very small values of the angle between the inlet tubes, difficulties arise due to the placement of magnets between them, and the required length of the shutter critically increases. A flow velocity of 2 m/s with a channel cross section of approximately 0.5 cm ² allows obtaining a medium flow rate of 10 ^-4 m ³ /s. The obtained values are realized at a pressure drop across the valve of 200 Pa.

В качестве постоянных магнитов использовались 4 неодимовых магнита с размерами 10x5x2 мм.Four neodymium magnets with dimensions of 10x5x2 mm were used as permanent magnets.

В месте слияния входных трубок находится полость, в которой перемещается шторка, отвечающая за переключение потоков. Шторка была вырезана с помощью лазерного гравера из листа конструкционной стали толщиной 0.1 мм, обладающей относительной магнитной проницаемостью около 100. В заявляемой конструкции клапана возможно использование более магнитомягкого материала с меньшей коэрцитивной силой, в идеале приближенной нулю, для упрощения его перемагничивания импульсом тока. Однако в тоже время этот материал должен обладать лучшей теплопроводностью для отвода тепла от электромагнита, т.к. именно через непрерывно обдуваемую заслонку происходит основной теплоотвод. Оптимальными свойствами обладает конструкционная сталь. Толщина 0.1 мм - минимальная толщина такого материала, обеспечивающая достаточную жесткость шторки. Толщина заслонки от 0,1 мм до 0,3 мм позволяет минимизировать ее массу, и, как следствие, увеличить скорость переключения устройства.At the confluence of the inlet tubes, there is a cavity in which the shutter moves, which is responsible for switching flows. The shutter was cut using a laser engraver from a sheet of structural steel 0.1 mm thick, with a relative magnetic permeability of about 100. In the inventive valve design, it is possible to use a softer magnetic material with a lower coercive force, ideally close to zero, to simplify its magnetization reversal by a current pulse. However, at the same time, this material must have better thermal conductivity to remove heat from the electromagnet, because. It is through the continuously blown damper that the main heat removal takes place. Structural steel has optimal properties. The thickness of 0.1 mm is the minimum thickness of such material, which ensures sufficient rigidity of the curtain. The thickness of the damper from 0.1 mm to 0.3 mm allows minimizing its weight, and, as a result, increasing the switching speed of the device.

Максимальный угол поворота шторки определяется углом между трубками, содержащими входные каналы, однако оптимальным всегда будет являться чуть меньшее значение, в описываемом случае 32°. В противном случае придется увеличивать габаритные размеры клапана по высоте. Это связано с необходимостью разместить магниты между входными трубками и, при этом, шторка не должна доходить до плоскости симметрии магнитов.The maximum angle of rotation of the shutter is determined by the angle between the tubes containing the inlet channels, however, a slightly smaller value will always be optimal, in the described case 32°. Otherwise, you will have to increase the overall dimensions of the valve in height. This is due to the need to place the magnets between the inlet tubes and, at the same time, the shutter should not reach the plane of symmetry of the magnets.

Сама шторка состоит из трех частей: эллиптической заслонки длиной 19 мм и шириной чуть больше диаметра каналов (9 мм), оси, выполненной в виде параболических заострений длиной 2 мм, рычажной части длиной 16 мм, выступов длиной 8 мм и величиной 2 мм. На выступы наматывается электромагнит или надевается готовый электромагнит из медного обмоточного провода диаметром 0.1 мм, состоящего из 50 витков.The shutter itself consists of three parts: an elliptical damper 19 mm long and slightly wider than the diameter of the channels (9 mm), an axis made in the form of parabolic points 2 mm long, a lever part 16 mm long, protrusions 8 mm long and 2 mm in size. An electromagnet is wound on the protrusions or a finished electromagnet is put on from a copper winding wire with a diameter of 0.1 mm, consisting of 50 turns.

Переключение шторки в такой геометрии между стабильными положениями осуществлялось импульсами тока длительностью 2 мс и величиной 3 А. Между переключениями необходимо выдержать интервал длительностью около 18 мс во избежание перегрева электромагнита. Его достаточно быстрое остывание обеспечено непрерывным обдувом шторки воздухом или аэрозолью из одного из входных потоков. Таким образом, шторка обеспечивала переключение до 50 раз в секунду. При этом ламинарность потока нарушается лишь в короткие интервалы времени в момент переключения длительностью около 2 мс.Switching the shutter in this geometry between stable positions was carried out by current pulses with a duration of 2 ms and a value of 3 A. Between switching, it is necessary to maintain an interval of about 18 ms in order to avoid overheating of the electromagnet. Its sufficiently rapid cooling is ensured by continuous blowing of the curtain with air or aerosol from one of the inlet streams. Thus, the shutter provided switching up to 50 times per second. In this case, the laminarity of the flow is violated only in short time intervals at the moment of switching with a duration of about 2 ms.

Claims

1. Solenoid valve for switching between two input streams of an air or aerosol medium during the formation of a laminar flow jet, characterized by the presence of:

housing with a cover, including three tubes having a Y-shaped connection, two of which form inlet channels for two streams of air or aerosol medium, the third - an outlet channel,

a shutter having a part blocking the channels - a damper, an axis and a lever part, while the damper is located in the connection area of the two input channels and is movable from one position, providing the first input channel is blocked, to the second position, providing the second input channel is blocked,

at least two permanent magnets located between the tubes that correspond to the input channels of the body, while the shutter is equipped with an electromagnet placed on its lever part with the possibility of moving between the permanent magnets when current pulses are applied to the electromagnet.

2. Solenoid valve according to claim 1, characterized in that the shutter is made of a ferromagnetic material with a relative magnetic permeability of at least 20.

3. The solenoid valve according to claim 1, characterized in that the housing is made with seats for the curtain axis, located near the junction of the tubes, and seats for permanent magnets.

4. Solenoid valve according to claim. 1, characterized in that the body is equipped with stops to limit the angle of rotation of the shutter.

5. Solenoid valve according to claim. 1, characterized in that the body is made with a smooth transition of the input channels to the output.

6. Solenoid valve according to claim. 1, characterized in that the tubes containing the input channels are located at an angle between the axes of the tubes up to 90 degrees.

7. Solenoid valve according to claim. 1, characterized in that it is made with the ability to rotate the shutter at an angle of up to 90 degrees.

8. Solenoid valve according to claim 1, characterized in that the tubes are made of a polymeric material.

9. The solenoid valve according to claim 1, characterized in that the tubes are made of circular cross section with the same cross-sectional area along the length of the tube, while the damper has the shape of an ellipse with an eccentricity determined by the angle of the tubes connection.

10. The solenoid valve according to claim. 1, characterized in that it contains four permanent magnets located in pairs between parts of the tubes that correspond to the inlet channels of the body.

11. Solenoid valve according to claim 1, characterized in that the damper has a shape corresponding to the shape of the section at the junction of the tubes with the inlet channels.

12. Solenoid valve according to claim 1, characterized in that the distance between the electromagnet on the lever part of the shutter and the permanent magnets in the extreme positions of the shutter is no more than 1 mm.

13. Solenoid valve according to claim 12, characterized in that the lever part of the curtain is provided with protrusions for installing electromagnet coils.

14. The solenoid valve according to claim 1, characterized in that the housing cover is made with the possibility of sealing the technological gap at the junction of the tubes with the inlet channels, made to install the shutter inside the valve, while the seats for accommodating permanent magnets, a recess for accommodating the axis of the shutter and fixing holes are made in said cover.