RU2794019C1 - Autonomous thermal shut-off valve system - Google Patents
Autonomous thermal shut-off valve system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794019C1 RU2794019C1 RU2022110476A RU2022110476A RU2794019C1 RU 2794019 C1 RU2794019 C1 RU 2794019C1 RU 2022110476 A RU2022110476 A RU 2022110476A RU 2022110476 A RU2022110476 A RU 2022110476A RU 2794019 C1 RU2794019 C1 RU 2794019C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- valve
- sme
- latch
- thermal
- shut
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а конкретно к автономным дистанционно управляемым клапанным системам на основе сильфонных клапанов, и предназначено для использования в качестве автономной дистанционно управляемой запорной арматуры на трубопроводах различного назначения в химической промышленности, водопроводах, нефтепроводах и теплоэнергетике.The invention relates to pipeline fittings, and specifically to autonomous remotely controlled valve systems based on bellows valves, and is intended for use as autonomous remotely controlled shutoff valves on pipelines for various purposes in the chemical industry, water pipelines, oil pipelines and thermal power engineering.
Сильфонные клапаны являются широко применимыми устройствами для регулирования потока текучей среды в трубопроводах различного назначения в различных отраслях промышленности. Управление затворным механизмом для открытия/закрытия клапана осуществляется вручную, либо с помощью электроприводов, подключаемых к основной сети электроснабжения. Оба указанных способа управления обладают некоторыми недостатками. Ручное управление арматурой при расположении арматуры в удаленных местах трубопроводов требует определенного времени, чтобы добраться до нее и провести регулировку потока среды. При различных нештатных ситуациях и авариях техногенного характера доступ к арматуре с ручным управлением может быть осложнен или заблокирован из-за прорывов агрессивных и опасных сред, завалов и проч. Использование электроприводов, с одной стороны, нивелирует необходимость личного присутствия оператора у клапана, но, при этом, создает зависимость от центральной энергосистемы. Соответственно, при аварии в сетях энергосистемы с последующим отключением питания управление запорной арматурой будет потеряно, до момента полного восстановления подачи энергии. Кроме того, электроприводы требуют регулярного технического обслуживания и контроля, что ставит под вопрос возможность их использования на удаленных или труднодоступных участках трубопроводов.Bellows valves are widely applicable devices for controlling the flow of fluid in pipelines for various purposes in various industries. The control of the shutter mechanism for opening/closing the valve is carried out manually or with the help of electric drives connected to the main power supply network. Both of these control methods have some drawbacks. Manual control of the valve when the valve is located in remote locations of pipelines requires a certain amount of time to get to it and adjust the flow of the medium. In various emergency situations and man-made accidents, access to manually operated valves can be complicated or blocked due to breakthroughs of aggressive and dangerous media, blockages, etc. The use of electric actuators, on the one hand, eliminates the need for the operator to be personally present at the valve, but, at the same time, creates dependence on the central power system. Accordingly, in the event of an accident in the networks of the power system, followed by a power outage, the control of the shut-off valves will be lost until the power supply is fully restored. In addition, electric drives require regular maintenance and control, which calls into question the possibility of their use in remote or hard-to-reach sections of pipelines.
Следующей ступенью развития механизмов запирания/отпирания трубопроводной арматуры является использование сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), а конкретно - термоисполнительных элементов из данных сплавов, осуществляющих работу за счет фазового превращения, происходящего в сплаве при изменении температуры. На сегодняшний день уже существует несколько патентов, посвященных разработке клапанных систем с использованием термоисполнительных элементов из сплавов с ЭПФ для управления механизмом отпирания/запирания.The next step in the development of mechanisms for locking / unlocking pipeline valves is the use of shape memory alloys (SME), and specifically, thermal actuators made from these alloys, which work due to a phase transformation that occurs in the alloy with temperature changes. To date, there are already several patents devoted to the development of valve systems using thermal actuators made of SME alloys to control the unlocking / locking mechanism.
Известна конструкция привода запорной арматуры (патент RU 205955), состоящего из цилиндрической пружины, гайки-втулки и исполнительного элемента, заключенных в корпусе накидной гайки-крышки, оснащенной индикаторной пластиной и смотровым окошком. Цилиндрическая пружина опирается на гайку-втулку, которая жестко закреплена со штоком и надета на исполнительный элемент, выполненный из сплава с ЭПФ. Термоисполнительный элемент представлен в виде цилиндрического массива из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру окружности со сквозным центральным отверстием и ограниченных с двух сторон дисковыми шайбами, и окружен нагревательной спиралью, подключенной к источнику напряжения через керамическую втулку. Заявляемый привод работает при внешнем контролируемом тепловом воздействии, например, при пропускании тока или путем косвенного нагрева, с возможностью дистанционного управления.A well-known design of the valve drive (patent RU 205955), consisting of a cylindrical spring, a nut-sleeve and an actuating element, enclosed in a body of a union nut-cover, equipped with an indicator plate and a viewing window. The cylindrical spring rests on a bushing nut, which is rigidly fixed to the stem and is put on the actuating element made of an alloy with SME. The thermal actuating element is presented in the form of a cylindrical array of cells similar to a two-way spring of equal diameter, located along the perimeter of a circle with a through central hole and bounded on both sides by disk washers, and is surrounded by a heating coil connected to a voltage source through a ceramic bushing. The inventive drive operates with an external controlled thermal effect, for example, by passing current or by indirect heating, with the possibility of remote control.
Недостатком конструкции является недостаточные усилия по перемещению, осуществляемые термоисполнительным элементом и приводом в целом. Представленный термоисполнительный элемент не обеспечивает быстрого закрытия или открытия клапана за счет долгого времени остывания массивного термоисполнительного элемента из сплава с эффектом памяти формы.The disadvantage of the design is the insufficient movement efforts carried out by the thermal element and the drive as a whole. The presented thermoactuating element does not provide fast closing or opening of the valve due to the long cooling time of the massive thermoactuating element made of an alloy with a shape memory effect.
Определенная автономность предусмотрена в конструкции электрического клапана, представленного в патенте CN 102192333, в котором использование пружин из сплава с ЭПФ обусловлено принципом энергосбережения, а именно срабатывания элементов из сплавов с ЭПФ при отключении электричества и аварийных ситуациях. Принцип работы заключается в открытии клапана при температуре ниже 5 градусов и закрытии при повышении температуры. Рабочей является верхняя пружина, которая при нагреве расширяется, и поджимается нижней пружиной, преддеформируя ее. Кроме того, открытие и закрытие клапана производится с помощью электрического мотора, который, получая команду от термостата, реагирующего на изменение температуры, поднимает или опускает шток клапана. Электрический двигатель обеспечивается энергией от встроенного в верхний корпус привода аккумулятора.A certain autonomy is provided for in the design of the electric valve presented in the patent CN 102192333, in which the use of SME alloy springs is due to the principle of energy saving, namely, the operation of SME alloy elements during power outages and emergencies. The principle of operation is to open the valve at a temperature below 5 degrees and close when the temperature rises. The working one is the upper spring, which expands when heated, and is pressed by the lower spring, pre-deforming it. In addition, the opening and closing of the valve is performed by an electric motor, which, receiving a command from a thermostat that reacts to temperature changes, raises or lowers the valve stem. The electric motor is provided with energy from the battery built into the upper drive housing.
Недостатком конструкции является крайне ограниченный интервал действия - при температурах в 5°С окружающей среды. Превышение данной температуры ведет к закрытию клапана с помощью элемента с ЭПФ, что серьезно ограничивает применяемость данной системы, т.е., ее невозможно использовать при комнатной температуре - клапан будет всегда автоматически закрываться элементом с ЭПФ, и невозможно использовать при низких и отрицательных температурах - элемент с ЭПФ не будет влиять на клапан, всегда держа его открытым. Кроме того, система предусматривает автоматическое функционирование, без возможности дистанционной выдачи команд на открытие/закрытие клапана.The disadvantage of the design is an extremely limited range of action - at temperatures of 5 ° C ambient. Exceeding this temperature leads to the closing of the valve using the SME element, which seriously limits the applicability of this system, i.e., it cannot be used at room temperature - the valve will always be automatically closed by the SME element, and it is impossible to use at low and negative temperatures - the SME element will not affect the valve, always keeping it open. In addition, the system provides for automatic operation, without the possibility of remote issuance of commands to open / close the valve.
Известна конструкция привода запорной арматуры на основе термоисполнительных элементов из сплава с эффектом памяти формы, представленная в патенте JP 2004197868. В приводе клапана имеются термоисполнительные элементы из сплава с ЭПФ в форме пружины, пружина для деформации данного элемента, а так же удерживающий механизм, используемый для удержания клапана в открытом состоянии. Нагрев термоисполнительного элемента реализуется за счет пропускания через него электрического тока. В исходном состоянии клапан закрыт, термоисполнительный элемент (пружина) сжат.При подаче электропитания происходит нагрев термоисполнительного элемента, что приводит к восстановлению формы, сжатию пружины деформации и открытию клапана. При открытии клапана срабатывает механический удерживающий механизм, что позволяет удерживать клапана в открытом состоянии без подачи электропитания на термоисполнительный элемент. После остывания и повторного деформирования термоисполнительного элемента с ЭПФ для закрытия клапана необходимо снова подать электропитание, чтобы термоисполнительный элемент с ЭПФ снова восстановил форму, при этом деформируя пружину и заставляя снова сработать механический удерживающий механизм уже на закрытие клапана.A well-known valve actuator design based on thermoactuating elements made of an alloy with a shape memory effect is presented in the patent JP 2004197868. keeping the valve open. The heating element is realized by passing an electric current through it. In the initial state, the valve is closed, the thermoactuating element (spring) is compressed. When power is applied, the thermoactuating element is heated, which leads to the restoration of its shape, compression of the deformation spring and opening of the valve. When the valve is opened, a mechanical holding mechanism is activated, which makes it possible to keep the valve open without power supply to the thermal actuator. After cooling down and re-deforming the SME thermoactuator, to close the valve, it is necessary to reapply power so that the SME thermoactuator again restores its shape, while deforming the spring and forcing the mechanical retaining mechanism to work again already at the closing of the valve.
Недостатком данной конструкции является необходимость подачи электропитания непосредственно на термоисполнительный элемент с ЭПФ, что требует достаточно высоких значений силы тока. Кроме того, цикл открытие - закрытие клапана крайне длителен, по причине необходимости ожидания остывания образца и его деформирования. Отсутствует возможность автономности, так как требуется полноценное подключение к электросети. Не указано так же, есть ли возможность дистанционного управления.The disadvantage of this design is the need to supply power directly to the thermoactuating element with SME, which requires sufficiently high values of current strength. In addition, the opening-closing cycle of the valve is extremely long, due to the need to wait for the sample to cool and deform it. There is no possibility of autonomy, since a full connection to the mains is required. It is also not indicated whether there is a possibility of remote control.
Известна конструкция привода запорной арматуры на основе термоисполнительных элементов из сплава с эффектом памяти формы, представленная в патенте KR 20090052926 A (принят в качестве прототипа). Здесь, для открытия/закрытия клапана использовался принцип, реализуемый через нагревание термоисполнительного элемента с ЭПФ. Конструкция привода реализована следующим образом. В корпусе привода расположен нагревательный блок из термостойкого материала, внутри которого расположен нагревательный элемент, подключенный к сети электропитания с помощью проводов, уходящих за пределы корпуса привода. Внутри нагревательного элемента расположен термоисполнительный элемент с ЭПФ, представляющий собой вертикально расположенную пластину, зафиксированную сверху фиксирующей скобой, а снизу фиксирующим цилиндром, способным перемещаться в корпусе нагревательного элемента вверх/вниз. Фиксирующий цилиндр соединен со штоком клапана через втулку из термостойкого материала, для предотвращения передачи тепловой энергии штоку. При этом цилиндр и шток могут перемещаться вверх/вниз по направляющим. В исходном состоянии пластина деформирована - изогнута, фиксирующий цилиндр поднят, в соответственно и шток поднят, а клапан открыт.Для закрытия клапана необходимо подать напряжение на нагревательный элемент, который нагревает пластину, что ведет к восстановлению формы термоисполнительного элемента с ЭПФ - выпрямлению пластины. При этом пластина оказывает давление на фиксирующий цилиндр, перемещая его вниз, а он в свою очередь перемещает вниз шток, который закрывает отверстие для потока среды в клапане. Соответственно, клапан закрывается. При отключении питания термоисполнительный элемент с ЭПФ охлаждается, деформируется, изгибается, уменьшая свой линейный размер, тем самым позволяя отводя фиксирующий цилиндр вверх, вытягивая шток из отверстия для потока среды и открывает клапан.A well-known valve actuator design based on thermo-actuating elements made of an alloy with a shape memory effect, presented in patent KR 20090052926 A (adopted as a prototype). Here, to open / close the valve, the principle was used, implemented through heating the thermo-actuating element with SME. The design of the drive is implemented as follows. In the drive housing there is a heating block made of heat-resistant material, inside of which there is a heating element connected to the power supply network by means of wires extending beyond the drive housing. Inside the heating element there is a heat-actuating element with SME, which is a vertically located plate, fixed from above by a fixing bracket, and from below by a fixing cylinder capable of moving up/down in the heating element housing. The fixing cylinder is connected to the valve stem through a sleeve made of heat-resistant material, to prevent the transfer of thermal energy to the stem. In this case, the cylinder and rod can move up / down along the guides. In the initial state, the plate is deformed - bent, the locking cylinder is raised, respectively, the stem is raised, and the valve is open. To close the valve, it is necessary to apply voltage to the heating element, which heats the plate, which leads to the restoration of the shape of the thermoactuating element with SME - plate straightening. In this case, the plate exerts pressure on the fixing cylinder, moving it down, and it in turn moves down the stem, which closes the medium flow hole in the valve. Accordingly, the valve closes. When the power is turned off, the thermoactuating element with SME cools, deforms, bends, reducing its linear size, thereby allowing the locking cylinder to move upwards, pulling the stem out of the medium flow hole and opening the valve.
Недостатком указанной конструкции является невозможность удержания клапана открытым при отсутствии электропитания, так как для открытия клапана необходим постоянный подогрев термоисполнительного элемента с ЭПФ. Кроме того, обязательным является наличие электросети, таким образом, автономность системы в данном техническом решении не предусмотрена. Дистанционное управление так же не предусмотрено, хотя теоретически оно возможно. Остается так же не решенным вопрос быстродействия клапана, так как для быстрого цикла открытие-закрытие необходимо ждать охлаждения термоисполнительного элемента с ЭПФ.The disadvantage of this design is the impossibility of keeping the valve open in the absence of power supply, since constant heating of the thermoactuating element with SME is required to open the valve. In addition, the presence of an electrical network is mandatory, so the autonomy of the system is not provided for in this technical solution. Remote control is also not provided, although it is theoretically possible. The question of the valve's speed also remains unresolved, since for a fast opening-closing cycle it is necessary to wait for the cooling of the thermoactuating element with SME.
Исходя из вышеперечисленных проблем, технической задачей является разработка автономной термозапорной клапанной системы, способной к длительному автономному функционированию с дистанционным контролем и высокой скоростью срабатывания запорного механизма на основе термоисполнительных элементов с ЭПФ.Based on the above problems, the technical task is to develop an autonomous thermal shut-off valve system capable of long-term autonomous operation with remote control and a high response rate of the locking mechanism based on thermal actuators with SME.
Автономная термозапорная клапанная система состоит из запорного сильфонного клапана, привода клапана, блока управления питанием, аккумуляторной батареи и проводов электропитания. При этом, привод клапана оснащен термоисполнительными элементами с ЭПФ и фиксаторами, а термозапорный клапан объединен в сеть с аккумуляторной батареей и блоком управления питанием, причём первый фиксатор закреплен на подвижном стакане, а второй фиксатор закреплен на корпусе привода, и оба фиксатора приводятся в действие с помощью термоисполнительных элементов с ЭПФ.Self-contained thermal shut-off valve system consists of a shut-off bellows valve, valve actuator, power control unit, battery and power wires. At the same time, the valve drive is equipped with heat-actuating elements with SME and latches, and the thermal shut-off valve is connected to a network with a storage battery and a power control unit, with the first latch fixed on the movable cup, and the second latch fixed on the drive housing, and both latches are actuated with with the help of thermoactuating elements with SME.
Первый и второй фиксаторы расположены под углом 90 градусов относительно оси штока.The first and second clamps are located at an angle of 90 degrees relative to the axis of the rod.
Термоисполнительные элементы с ЭПФ подвергаются нагреву посредством нагревательного элемента.Thermal actuators with SME are heated by means of a heating element.
Термоисполнительные элементы с ЭПФ представлены в виде массива прямоугольного сечения из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру прямоугольника, и ограниченных .с двух сторон прямоугольными основаниями с сужением на оконечности основания.Thermal actuating elements with SME are presented in the form of an array of rectangular cross section of cells of the type of a two-way spring of equal diameter, located along the perimeter of the rectangle, and bounded on both sides by rectangular bases with a narrowing at the end of the base.
В качестве нагревательного элемента используется проволока из нихрома.Nichrome wire is used as a heating element.
Подача напряжения на нагревательный элемент для нагрева термоисполнительных элементов с ЭПФ контролируется посредством блока управления.The voltage supply to the heating element for heating the thermal actuators with SME is controlled by the control unit.
Термоисполнительные элементы с ЭПФ изготовлены методом 4D-печати с помощью лазерных аддитивных технологий.Thermal actuators with SME are made by 4D printing using laser additive technologies.
Решение технической задачи обеспечивается за счет того, что в корпусе привода запорного сильфонного клапана автономной термозапорной клапанной системы, разделенного на две части посредством прижимной плиты, соосно на шпиндель запорного механизма накручен шток привода, на который в нижней части корпуса привода одеты подвижный стакан и пружина, необходимая для деформирования (взведения) расположенных под стаканом термоисполнительных элементов с ЭПФ, и в верхней части упирающаяся в прижимную плиту, при этом подвижный стакан соединен со штоком привода при помощи подвижного фиксатора, который при разъединении позволяет штоку свободно перемещаться относительно стакана;The solution of the technical problem is ensured by the fact that in the drive housing of the shut-off bellows valve of the autonomous thermal shut-off valve system, divided into two parts by means of a pressure plate, the drive rod is screwed coaxially onto the spindle of the locking mechanism, on which a movable cup and a spring are dressed in the lower part of the drive housing, necessary for deformation (cocking) of thermoactuating elements located under the glass with SME, and in the upper part abutting against the pressure plate, while the movable glass is connected to the drive rod by means of a movable lock, which, when disconnected, allows the rod to move freely relative to the glass;
в верхней части корпуса привода крепится неподвижный фиксатор, способный соединяться со штоком привода и в исходном состоянии находящийся в разъединенном положении; при этом все фиксаторы подпружинены, а для разъединения со штоком привода оборудованы термоисполнительными элементами с ЭПФ.in the upper part of the drive housing, a fixed latch is attached, capable of connecting with the drive stem and in the initial state being in a disconnected position; at the same time, all clamps are spring-loaded, and for disconnection from the drive rod, they are equipped with thermal actuators with SME.
Каждый из термоисполнительных элементов с ЭПФ представляет собой массив прямоугольного сечения из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру прямоугольника, и ограниченных с двух сторон прямоугольными основаниями с сужением на оконечности основания, и для реализации фазового превращения термоисполнительные элементы с ЭПФ нагреваются с помощью нагревательных элементов, функционирующих от сети аккумулятора, входящего в состав автономной термозапорной клапанной системы и контролируемого с помощью блока управления питанием.Each of the thermoactuating elements with SME is an array of rectangular cross-section of cells of the type of a two-way spring of equal diameter, located along the perimeter of the rectangle, and bounded on both sides by rectangular bases with a narrowing at the end of the base, and to implement the phase transformation, thermoexecutive elements with SME are heated with heating elements operating from the mains battery, which is part of an autonomous thermal shut-off valve system and controlled by a power control unit.
В результате наличие нескольких разобщенных фиксаторов в предложенной конструкции позволяет ускорить однократный цикл открытие-закрытие клапана за счет разобщения штока привода и фиксаторов. Наличие отдельной аккумуляторной батареи позволяет использовать систему автономно, без необходимости в подключении к центральной сети. Блок управления питанием системы позволяет дистанционно управлять работой запирающего механизма путем отправки команд для нагрева термоисполнительных элементов с ЭПФ, находящихся под стаканом клапана, и в каждом отдельном фиксаторе, при этом нагрев может осуществляться кратковременно, что способствует экономии энергии.As a result, the presence of several disconnected latches in the proposed design makes it possible to speed up a single valve opening-closing cycle due to the separation of the drive stem and latches. The presence of a separate battery allows you to use the system autonomously, without the need to connect to the central network. The power control unit of the system allows you to remotely control the operation of the locking mechanism by sending commands to heat the thermal actuators with SME located under the valve cup and in each individual latch, while heating can be carried out for a short time, which contributes to energy savings.
Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
Фиг. 1. - Общая схема автономной термозапорной клапанной системы, состоящей из следующих элементов - запорный сильфонный клапан с приводом (1), блок управления питанием (2), аккумуляторная батарея (3), провода электропитания (4).Fig. 1. - General diagram of an autonomous thermal shut-off valve system, consisting of the following elements - a shut-off bellows valve with a drive (1), power control unit (2), battery (3), power wires (4).
Фиг. 2. - Изображение конструкции клапана с приводом клапана, включающей в себя следующие элементы:Fig. 2. - Illustration of the design of the valve with the valve actuator, which includes the following elements:
• Корпус клапана (поз.1);• Valve body (pos.1);
• Запорный механизм;• Locking mechanism;
• Привод клапана.• Valve drive.
Запорный механизм клапана включает следующие элементы,:The valve locking mechanism includes the following elements:
• Золотник(2)• Spool(2)
• Шток(З)• Stem(Z)
• Сильфон (10)• Bellows (10)
• Втулки (6,7)• Bushings (6.7)
• Шпиндель (4)• Spindle (4)
• Прокладки (11,12)• Gaskets (11,12)
• Шайба (14)• Washer (14)
• Штифт (8)• Pin (8)
Привод клапана состоит из следующих элементов:The valve actuator consists of the following elements:
• Шток привода (13)• Actuator stem (13)
• Пружина штока привода(38)• Actuator stem spring(38)
• Подвижный стакан (17)• Movable cup (17)
• Пружина подвижного стакана (18)• Movable cup spring (18)
• Термоисполнительный элемент из сплава с ЭПФ стакана(15)• Thermostatic element made of alloy with SME cup (15)
• Нагревательный элемент стакана (16)• Cup heating element (16)
• Пружина фиксатора подвижного (22)• Spring detent movable (22)
• Пружина фиксатора неподвижного (29)• Fixed detent spring (29)
• Фиксатор подвижный, установленный на подвижном стакане (21);• A movable latch mounted on a movable cup (21);
• Фиксатор неподвижный, установленный на корпусе привода (28);• Fixed lock mounted on the drive housing (28);
• Термоисполнительный элемент с ЭПФ фиксатора подвижного (26);• Thermal actuating element with SME of a movable retainer (26);
• Термоисполнительный элемент с ЭПФ фиксатора неподвижного (34);• Thermal actuating element with SME of fixed retainer (34);
• Нагревательный элемент фиксатора подвижного (27);• Heating element of the movable retainer (27);
• Нагревательный элемент фиксатора неподвижного (35);• Heating element of the immovable retainer (35);
• Корпус привода (20);• Drive housing (20);
• Прижимная плита (19);• Pressure plate (19);
Корпус клапана (1) имеет входное и выходное отверстия для протекания рабочей среды, а также отверстие, где установлена сильфонная сборка. В корпус клапана (1) вкручена втулка (7), упирающаяся в стальную(12) и графитовую (11) прокладки для обеспечения герметичности. Между втулкой (7) и втулкой (6), соосно установлен сильфон (10) на посадку в натяг. С другой стороны, сильфон (10) соосно через посадку в натяг установлен между кольцом (9) и штоком (3). На шток (3) одет золотник (2) и зафиксирован развальцованным с двух сторон штифтом (5). Золотник входит в контакт с посадочным местом (седлом) клапана. К штоку (3) соосно присоединен шпиндель (4) посредством резьбового соединения. Также шпиндель (4) соединен со втулкой (6) при помощи штифта (8), который препятствует вращению шпинделя (4) вокруг своей оси, но позволяет перемещаться вдоль оси шпинделя (4) по направляющим, находящимся на втулке (6). На свободный конец шпинделя (4) при помощи резьбового соединения накручен шток привода (13). На втулку (7) установлена шайба (14) на которую упираются два термоисполнительных элемента из сплава с ЭПФ (15), вокруг которых намотан нагревательный элемент (16). Сверху на элементах из сплава с ЭПФ (15) установлен подвижный стакан (17), который расположен соосно со штоком привода (13). Соосно со стаканом (17), сверху него установлена пружина стакана (18), которая поджата прижимной плитой(19), установленной в корпусе привода (20) через посадку в натяг. С помощью прижимной плиты (19) можно регулировать усилие, развиваемое пружиной стакана (18). Корпус привода (20) накручен на корпус клапана (1). На подвижном стакане (17) установлен подвижный фиксатор (21) перпендикулярно оси движения штока привода, который в исходном положении входит в зацепление со штоком привода (13). На фиксатор надета собственная пружина подвижного фиксатора (22). Внутри фиксатора установлена защелка (24) с пружиной защелки (23). В противодействие пружине подвижного фиксатора с упором на подвижный стакан (17) и упор фиксатора (25) установлен термоисполнительный элемент с ЭПФ подвижного фиксатора (26), вокруг которого намотан нагревательный элемент подвижного фиксатора (27). Над прижимной плитой (19) в корпусе привода (20) установлен неподвижный фиксатор (28) перпендикулярно оси движения штока привода (13), который в исходном положении не входит в зацепление с штоком привода(13). На неподвижный фиксатор надета пружина неподвижного фиксатора(29). Внутри неподвижного фиксатора установлена защелка (31) с пружиной защелки (30). В противодействие пружине неподвижного фиксатора (29) между упорами неподвижного фиксатора (32, 33) установлен термоисполнительный элемент с ЭПФ неподвижного фиксатора(34). Вокруг него намотан нагревательный элемент неподвижного фиксатора (35). Сверху на соединении болтами установлена крышка корпуса привода (36), через которую проходит шток привода (13). На штоке привода (13) вне корпуса привода установлена шайба (37), поверх которой установлена пружина штока привода (38). Пружина штока привода (38) подпирается соосно расположенным упорным подшипником (39) и гайкой штока привода (40), накрученной на крышке корпуса привода (36). Все нагревательные элементы подключены к электросети с помощью проводов электропитания (41).The valve body (1) has an inlet and an outlet for the flow of the working medium, as well as an opening where the bellows assembly is installed. A sleeve (7) is screwed into the valve body (1), abutting against steel (12) and graphite (11) gaskets to ensure tightness. Between the bushing (7) and the bushing (6), a bellows (10) is installed coaxially for an interference fit. On the other hand, the bellows (10) is installed coaxially through an interference fit between the ring (9) and the stem (3). A spool (2) is put on the stem (3) and fixed with a pin (5) flared on both sides. The spool comes into contact with the seat (seat) of the valve. A spindle (4) is coaxially attached to the rod (3) by means of a threaded connection. Also, the spindle (4) is connected to the sleeve (6) by means of a pin (8), which prevents the spindle (4) from rotating around its axis, but allows it to move along the axis of the spindle (4) along the guides located on the sleeve (6). The drive rod (13) is screwed onto the free end of the spindle (4) by means of a threaded connection. A washer (14) is installed on the bushing (7) on which two thermoactuating elements made of an alloy with SME (15) abut, around which a heating element (16) is wound. On top of the SME alloy elements (15), a movable cup (17) is installed, which is located coaxially with the drive rod (13). Coaxially with the cup (17), a cup spring (18) is installed on top of it, which is pressed by a pressure plate (19) installed in the drive housing (20) through an interference fit. With the help of the pressure plate (19) it is possible to adjust the force developed by the cup spring (18). The actuator body (20) is screwed onto the valve body (1). On the movable cup (17) there is a movable latch (21) perpendicular to the axis of movement of the drive rod, which in the initial position engages with the drive rod (13). The latch has its own spring of the movable latch (22). A latch (24) with a latch spring (23) is installed inside the latch. In opposition to the spring of the movable latch with an emphasis on the movable cup (17) and the stop of the latch (25), a thermal actuating element with the SME of the movable latch (26) is installed, around which the heating element of the movable latch (27) is wound. Above the pressure plate (19) in the drive housing (20), a fixed latch (28) is installed perpendicular to the axis of movement of the drive rod (13), which in the initial position does not engage with the drive rod (13). The fixed latch is fitted with the fixed latch spring (29). A latch (31) with a latch spring (30) is installed inside the fixed latch. In opposition to the spring of the fixed latch (29), between the stops of the fixed latch (32, 33), a thermal actuating element with the SME of the fixed latch (34) is installed. The heating element of the fixed retainer (35) is wound around it. Bolted on top of the connection is the actuator housing cover (36), through which the actuator stem (13) passes. A washer (37) is mounted on the actuator stem (13) outside the actuator housing, on top of which the actuator stem spring (38) is mounted. The actuator stem spring (38) is supported by an aligned thrust bearing (39) and an actuator stem nut (40) threaded onto the actuator housing cover (36). All heating elements are connected to the mains using power wires (41).
Термоисполнительные элементы с ЭПФ представляют собой сетчатые структуры с компактными основаниями, изготовленные из сплава системы TiNi методами лазерных аддитивных технологий, а конкретно методом селективного лазерного плавления.Thermal actuators with SME are grid structures with compact bases, made from an alloy of the TiNi system by laser additive technologies, and specifically by selective laser melting.
Аккумулятор автономной термозапорной клапанной системы состоит из 6 ячеек и обладает емкостью в 220 А*ч, сила тока в сети составляет 7 А, напряжение 24 В. Аккумулятор позволяет провести не менее 500 циклов открытие - закрытие клапанной системы без подзарядки.The accumulator of an autonomous thermal shut-off valve system consists of 6 cells and has a capacity of 220 A * h, the current in the network is 7 A, the voltage is 24 V. The accumulator allows at least 500 opening-closing cycles of the valve system without recharging.
Нагревательными элементами являются проволоки из нихрома в изоляционном материале.The heating elements are nichrome wires in an insulating material.
Блок управления питанием представляет собой управляющую систему, замыкающую или размыкающую электрическую цепь, подающую электропитание на нагревательные элементы, которые нагревают термоисполнительные элементы с ЭПФ. Подача команд для замыкания цепи производится дистанционно, по радиоканалу связи с пульта управления.The power control unit is a control system that closes or breaks an electrical circuit that supplies power to the heating elements that heat the SME thermal actuators. The commands for closing the circuit are given remotely, via a radio communication channel from the control panel.
Принцип работы и автономность клапанной системы (фиг. 2.) основывается на использовании явления ЭПФ в приводе системы, а конкретно, применения термоисполнительных элементов из сплавов с ЭПФ.The principle of operation and autonomy of the valve system (Fig. 2.) is based on the use of the SME phenomenon in the system drive, and specifically, the use of thermoactuating elements made of SME alloys.
Клапан является нормально закрытым - без нагрузки он закрыт.Золотник, находящийся на штоке опущен в седло и перекрывает поток рабочей среды. Шток клапана через соединение со штоком привода подпружинен собственной пружиной штока привода, достаточной чтобы удерживать клапан закрытым при наличии давления рабочей среды. На шток привода одет подвижный стакан так, чтобы шток привода мог свободно двигаться относительно стакана. Стакан опирается на термоисполнительные элементы с ЭПФ, которые, в свою очередь, опираются на шайбу на корпусе клапана и находятся в деформированном (взведенном) состоянии. Подвижный стакан соединен со штоком привода при помощи подпружиненного подвижного фиксатора через защелку фиксатора. Фиксатор может быть в нужный момент расфиксирован с помощью термоисполнительного элемента из сплава с ЭПФ, тем самым разобщая стакан и шток привода. Все это располагается внутри корпуса привода, в котором также имеется подпружиненный неподвижный фиксатор, способный соединятся со штоком привода через защелку фиксатора. В исходном состоянии неподвижный фиксатор разъединен со штоком привода, термоисполнительный элемент с ЭПФ данного фиксатора деформирован. Также стакан соединен с корпусом привода через пружину, которая необходима для деформирования термоисполнительных элементов с ЭПФ (взведения).The valve is normally closed - it is closed without load. The spool located on the stem is lowered into the seat and blocks the flow of the working medium. The valve stem, through the connection to the actuator stem, is spring-loaded by the actuator stem's own spring, sufficient to hold the valve closed when the process pressure is present. A movable cup is put on the drive rod so that the drive rod can move freely relative to the cup. The glass is supported by thermal actuator elements with SME, which, in turn, are supported by a washer on the valve body and are in a deformed (cocked) state. The movable cup is connected to the drive rod by means of a spring-loaded movable latch through the latch latch. The latch can be unlocked at the right moment with the help of a thermo-actuating element made of an alloy with SME, thereby separating the sleeve and the drive rod. All this is located inside the actuator housing, which also has a spring-loaded fixed latch that can be connected to the actuator stem through the latch latch. In the initial state, the fixed latch is disconnected from the drive rod, the thermal actuator with the SME of this latch is deformed. Also, the glass is connected to the drive housing through a spring, which is necessary for deforming the thermoactuating elements with SME (cocking).
Для открытия клапана, необходимо подать управляющий сигнал на блок управления. Блок управления замкнет цепь и термоисполнительный элемент с ЭПФ, находящийся под стаканом, начнет греться. Как только начнутся фазовые превращения, термоисполнительный элемент с ЭПФ начнет восстанавливать свою форму, при этом поднимая подвижный стакан, а тот в свою очередь шток привода и шток клапана через шпиндель, открывая клапан, сжимая при этом пружины, поддавливающие шток привода и стакан. В крайнем верхнем положении, неподвижный фиксатор за счет воздействия на него пружины войдет в зацепление со штоком, зафиксировав его. После фиксации, блок управления автоматически произведет обесточивание нагревательного элемента относящегося к термоисполнительному элементу с ЭПФ под стаканом и подаст питание для нагрева термоисполнительных элементов с ЭПФ, находящихся в подвижном фиксаторе. Как только начнутся фазовые превращения, термоисполнительный элемент с ЭПФ в подвижном фиксаторе начнет восстанавливать свою форму, противодействуя пружине фиксатора и сжимая ее, отводя фиксатор и разобщая стакан и шток. После произойдет автоматическое отключение нагревательных элементов блоком управления для экономии энергии аккумулятора. Соответственно, клапан останется в крайнем верхнем положении - в положении «открыт», зафиксированный неподвижным фиксатором. Стакан с подвижным фиксатором разобщен со штоком привода. Питание в нагревательной системе отсутствует. Далее следует два варианта событий:To open the valve, it is necessary to give a control signal to the control unit. The control unit will close the circuit and the thermal element with SME, located under the glass, will start to heat up. As soon as the phase transformations begin, the thermoactuating element with SME will begin to restore its shape, while raising the movable sleeve, which, in turn, the actuator stem and valve stem through the spindle, opening the valve, while compressing the springs that press the actuator stem and sleeve. In the uppermost position, the fixed latch, due to the action of the spring on it, will engage with the rod, fixing it. After fixing, the control unit will automatically de-energize the heating element related to the thermo-executive element with SME under the glass and supply power to heat the thermo-executive elements with SME located in the movable clamp. As soon as phase transformations begin, the thermoactuating element with SME in the movable latch will begin to restore its shape, counteracting the latch spring and compressing it, retracting the latch and separating the cup and stem. After that, the heating elements will automatically turn off by the control unit to save battery power. Accordingly, the valve will remain in the uppermost position - in the "open" position, fixed by a fixed lock. A glass with a movable retainer is disconnected from the drive rod. There is no power in the heating system. There are two types of events that follow:
1. Клапан закрывают сразу после открытия. В этом случае производится разобщение неподвижного фиксатора и штока путем подачи питания на нагревательный элемент неподвижного фиксатора. Подача питания осуществляется путем подачи сигнала на блок управления, блок управления замыкает цепь нагревателя неподвижного фиксатора. Последующий нагрев термоисполнительного элемента с ЭПФ в неподвижном фиксаторе ведет к восстановлению формы элемента и сжатию пружины фиксатора, оттягивая фиксатор и разобщая его со штоком привода. Шток привода, под действием пружины штока привода, вернется в исходное состояние, возвращая шток клапана в исходное состояние, золотник опустится в седло, перекрыв поток среды. Одновременно с происходящим, термоисполнительный элемент с ЭПФ под стаканом остынет, пройдет обратное фазовое превращение и, под действием упругих сил пружины стакана, деформируется, взведясь. В это же время аналогичный процесс пройдет с термоисполнительным элементом с ЭПФ в подвижном фиксаторе, который охладится, пройдет обратное фазовое превращение, и он деформируется пружиной фиксатора, фиксатор выдвинется для соединения. Как только стакан вернется в свое исходное состояние, подпружиненная защелка подвижного фиксатор войдет в зацепление со штоком привода. Таким образом, шток привода будет снова соединен со стаканом, как в исходном состоянии.1. The valve is closed immediately after opening. In this case, the fixed latch and the rod are separated by supplying power to the heating element of the fixed latch. Power is supplied by sending a signal to the control unit, the control unit closes the heater circuit of the fixed latch. Subsequent heating of the thermoactuating element with SME in the fixed latch leads to the restoration of the element shape and compression of the latch spring, pulling the latch and separating it from the actuator rod. The drive stem, under the action of the drive stem spring, will return to its original state, returning the valve stem to its original state, the spool will lower into the seat, blocking the medium flow. Simultaneously with what is happening, the thermoactuating element with SME under the glass cools down, undergoes a reverse phase transformation and, under the action of the elastic forces of the glass spring, deforms, cocking. At the same time, a similar process will take place with an SME thermal actuator in a movable latch, which will cool down, undergo a reverse phase transformation, and it will be deformed by the latch spring, the latch will move forward for connection. As soon as the glass returns to its original state, the spring-loaded latch of the movable detent will engage with the actuator stem. Thus, the actuator stem will be connected to the bowl again, as in the original state.
2. Клапан необходимо закрыть спустя продолжительное время. До момента закрытия термоисполнительный элемент с ЭПФ стакана остынет, пройдет обратное фазовое превращение и, под действием упругих сил пружины стакана, деформируется, взведясь. В это же время аналогичный процесс пройдет с термоисполнительным элементом с ЭПФ в подвижном фиксаторе, который охладится, пройдет обратное фазовое превращение, и он деформируется пружиной фиксатора, фиксатор выдвинется для соединения. При подаче сигнала на блок управления о закрытии клапана блок управления замыкает цепь нагревателя неподвижного фиксатора, нагрев термоисполнительного элемента с ЭПФ в неподвижном фиксаторе ведет к восстановлению формы элемента и сжатию пружины фиксатора, оттягивая фиксатор и разобщая его защелку со штоком привода. Шток привода, под действием пружины штока, вернется в исходное состояние, опустив и шток клапана, золотник опустится в седло, перекрыв поток среды. При этом, после опускания в исходное состояние штока привода, подвижный фиксатор соединится со штоком привода, система перейдет в исходное закрытое состояние.2. The valve must be closed after a long time. Until the moment of closing, the thermoactuating element with the SME of the glass cools down, undergoes a reverse phase transformation and, under the action of the elastic forces of the glass spring, deforms, cocking. At the same time, a similar process will take place with an SME thermal actuator in a movable latch, which will cool down, undergo a reverse phase transformation, and it will be deformed by the latch spring, the latch will move forward for connection. When a signal is sent to the control unit to close the valve, the control unit closes the heater circuit of the fixed latch, heating the thermal actuator element with SME in the fixed latch leads to the restoration of the element shape and compression of the latch spring, pulling the latch and disengaging its latch from the actuator rod. The actuator stem, under the action of the stem spring, will return to its original state, lowering the valve stem, the spool will lower into the seat, blocking the medium flow. In this case, after lowering the drive rod to the initial state, the movable latch will connect with the drive rod, the system will go to the initial closed state.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794019C1 true RU2794019C1 (en) | 2023-04-11 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1003857A1 (en) * | 1979-12-17 | 1983-03-15 | Всесоюзный научно-исследовательский институт противопожарной обороны | Automatic valve for fire-extinguishing systems |
| EP0304944A2 (en) * | 1987-08-27 | 1989-03-01 | Johnson Service Company | SME actuator |
| RU2102611C1 (en) * | 1993-08-13 | 1998-01-20 | Кузе Йосиказу | Internal combustion engine temperature control system |
| RU74140U1 (en) * | 2008-02-15 | 2008-06-20 | Павел Иванович Попов | REMOTE CONTROLLED WATER SUPPLY DEVICE |
| RU2660237C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-07-05 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of controlling gas distribution valve of external combustion heat exchanger |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1003857A1 (en) * | 1979-12-17 | 1983-03-15 | Всесоюзный научно-исследовательский институт противопожарной обороны | Automatic valve for fire-extinguishing systems |
| EP0304944A2 (en) * | 1987-08-27 | 1989-03-01 | Johnson Service Company | SME actuator |
| RU2102611C1 (en) * | 1993-08-13 | 1998-01-20 | Кузе Йосиказу | Internal combustion engine temperature control system |
| RU74140U1 (en) * | 2008-02-15 | 2008-06-20 | Павел Иванович Попов | REMOTE CONTROLLED WATER SUPPLY DEVICE |
| RU2660237C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-07-05 | Анатолий Александрович Рыбаков | Method of controlling gas distribution valve of external combustion heat exchanger |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4848388A (en) | Emergency valve with test capability | |
| US4979672A (en) | Shape memory actuator | |
| US4450868A (en) | Freeze protection apparatus for solar collectors | |
| US9727062B2 (en) | Shape memory alloy thermostat for subsea equipment | |
| WO1990015928A1 (en) | A shape memory actuator | |
| US4280478A (en) | Freeze protection apparatus for solar collectors | |
| JP4954964B2 (en) | Fluid valve drive mechanism | |
| US10443751B2 (en) | Valve with fail-safe device | |
| US10203042B2 (en) | Self-contained actuated safety valve for gaseous or liquid fuel lines and the like | |
| RU2794019C1 (en) | Autonomous thermal shut-off valve system | |
| US3912219A (en) | Zone control valve assembly | |
| US5613634A (en) | Passively ambient temperature actuated fluid valve | |
| JPH09317995A (en) | Carriageable natural gas supply equipment | |
| CN101776174A (en) | Self-operated type temperature control valve with antifreezing function | |
| EP2778485B1 (en) | Valve | |
| RU205955U1 (en) | EXECUTIVE MECHANISM OF SHUT-OFF VALVE DRIVE WITH ALLOY ELEMENTS WITH SHAPE MEMORY EFFECT | |
| US3790122A (en) | Zone control valve assembly | |
| US10006552B1 (en) | Water and energy saving thermostatic valve | |
| RU224803U1 (en) | Hydraulic check valve | |
| CN100386544C (en) | Elasticity piping valve | |
| RU2479006C2 (en) | Thermostatic safety valve | |
| RU2135873C1 (en) | Shut-off adjusting valve | |
| CN2465107Y (en) | Valve controller for intelligent heating management system | |
| JPH0786398B2 (en) | Combination of automatic control valve and steam trap with valve | |
| JPS6124777Y2 (en) |