СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА ГАЗА В РЕДУКТОРЕ
METHOD OF REGULATING GAS FLOW IN REDUCER

Изобретение относится к регуляторам давления газа, в частности к редукторам дыхательных аппаратов, предназначенных для понижения давления газа, подаваемого из емкостей ограниченного объема.
Известен способ работы устройства, редуцирующего давление газа, находящегося в первой камере, под давлением, более высоким, чем во второй камере, в которую перетекает редуцируемый в устройстве газ (патент US №7093605 от 05.12.2002, заявка US №2011/0100474 от 30.08.2004). Устройство состоит из корпуса, разделенного перегородкой на две камеры: камеру высокого давления и камеру пониженного давления; в перегородке имеется отверстие, в котором установлен плунжер, подвижный относительно перегородки. Между частью поверхности плунжера и отверстием в перегородке имеется зазор, обеспечивающий редуцирование давления газа, перетекающего из камеры высокого давления в камеру пониженного давления. Диаметр части плунжера, расположенный перед перегородкой, соответствует диаметру отверстия в ней и, приближаясь к перегородке, может уменьшать и даже прекращать перетекание газа из камеры высокого давления в камеру пониженного давления. Камера пониженного давления разделена поршнем, соединенным с плунжером, на две полости - поршневую и подпоршневую. Под действием разности сил от давления газа на поршень и плунжер поддерживается в нижнем положении, и газ перетекает из камеры высокого давления в камеру пониженного давления. При понижении давления газа, действующего на поршень, и при отсутствии действующей на него дополнительной силы, плунжер движется вверх и перекрывает отверстие в перегородке, прерывая поток газа. Для возобновления потока газа через зазор между отверстием в перегородке и плунжером необходимо переместить плунжер с поршнем вниз, воздействуя на них внешней силой. Для удержания потока газа через данное устройство необходимо сохранять действие внешней силы на плунжер или поршень.
Недостаток способа - в невозможности поддержания непрерывного потока газа под редуцированным давлением без приложения к плунжеру внешней силы.
Известны устройства (патент NL №1022455 от 01.09.2004, заявка US №2002/0179634 от 30.01.2002) выпуска газа под редуцированным давлением. Для работы каждого из устройств необходимо приложить силу, действующую на поршень или плунжер, и удерживать ее в течение необходимого времени выпуска газа из емкости.
Известен способ работы редукционного клапана (М.Д. Голубев. Газовые регуляторы давления. - М.: Машиностроение, 1964 г., с.40), состоящего из корпуса, имеющего камеру газа высокого давления (ВД), камеру газа редуцированного давления (РД), перегородку с отверстием, разделяющую камеры ВД и РД; плунжера, расположенного подвижно в отверстии перегородки с зазором между поверхностью отверстия и части поверхности плунжера; части плунжера, выступающей в камеру ВД, с возможностью перекрытия зазора при перемещении плунжера к перегородке; управляющей камеры, разделенной поршнем с диафрагмой, соединенным с плунжером, на поршневую полость, закрытую крышкой, и подпоршневую полость; канала, соединяющего камеру ВД с подпоршневой полостью, второй перегородки, разделяющей камеру РД и подпоршневую полость.
При известном способе работы редукционного клапана для его открытия
- подают в поршневую полость управляющее давление от специального источника,
- перемещают поршень и плунжер под действием силы, создаваемой управляющим давлением, действующим на поршень, редуцируют газ, перетекающий через зазор между частью плунжера и перегородкой из камеры ВД в камеру РД,
- регулируют давление в камере РД, изменяя управляющее давление газа, подаваемого в поршневую полость, перемещая плунжер и изменяя зазор между частью плунжера и перегородкой,
- прекращают подачу газа в камеру РД прекращением подачи управляющего давления в поршневую полость и соединением ее с атмосферой.
Недостаток способа - в необходимости иметь специальную аппаратуру для подачи и регулирования управляющего давления.
Известен газовый редуктор (патенты RU №51761 U1 от 26.07.2005, RU №72937 U1 от 25.12.2007, RU №2089773 от 25.10.1993), содержащий корпус, крышку, камеру высокого давления (КВД) газа с подсоединенным к ней входным штуцером с фильтром, камеру редуцированного давления (КРД) газа, камеру регулирования, разделенную поршнем с плунжером на две полости - поршневую полость и кольцевую полость. В корпусе выполнено отверстие, соединяющее КВД с КРД с кромкой, выступающей в КРД в виде конического седла, а в торец плунжера запрессована уплотнительная шайба, контактирующая с седлом. КРД соединена с поршневой полостью КР каналом в плунжере, а с окружающей средой - каналом с обратным клапаном. В кольцевой полости между корпусом и поршнем установлена пружина, отжимающая плунжер с уплотнительной шайбой от седла и обеспечивающая соединение КВД и КРД через зазор между седлом и уплотнительной шайбой, при перетекании через который газ дросселируется и поступает в КРД редуцированным. При увеличенном давлении в КРД газ поступает по каналу в поршневую полость и перемещает поршень с плунжером, уменьшая зазор между седлом и уплотнительной шайбой и, соответственно, давление в КРД. При величине давления газа в КРД более допустимой регулируемый обратный клапан открывается, выпуская газ в окружающую среду. В газовом редукторе (патент RU №2089773) функцию поршня выполняет мембрана, имеющая плунжер.
Недостаток данного газового редуктора в подаче газа потребителю, начинающейся со скачка давления из-за наличия максимального зазора между седлом и уплотнительной шайбой, который имеется при отсутствии давления в КВД, так как пружина отжимает поршень с плунжером, а уменьшение зазора возможно лишь при наличии в КВД и КРД газа под давлением.
Аналогичный скачок давления газа в КРД и у потребителя возникает при способе работы регуляторов давления (патент US №7418976 от 30.08.2006 и заявка US №2006/0137745 от 05.12.2005) и обусловлен наличием пружины, отжимающей поршень с плунжером от седла при отсутствии газа под давлением в КВД и последующей его подаче в КВД.
Известен регулирующий клапан (патент FR №2695276 от 24.09.92), в котором при отсутствии давления газа в КВД зазор между седлом и уплотнительным элементом отсутствует, так как уплотнительный элемент поджат к седлу упругой мембраной и отжимается от седла с образованием зазора при подаче газа в КВД. Величина зазора регулируется за счет разности давлений газа, действующего на уплотнительный элемент со стороны КВД часть которого перетекает через первый канал с дросселем в полость тороидальной мембраны и в КРД а другая часть газа поступает из КРД через второй канал с дросселем в центральную полость над уплотнительным элементом, и создает силу, противодействующую увеличению зазора при увеличении давления в КРД обеспечивая редуцирование давления газа, поступающего к потребителю.
Недостаток данного способа регулирования с помощью клапана, имеющего мембрану - изменение упругих свойств и размеров мембраны, приводящее к изменению начального зазора между уплотнительным элементом и седлом и к изменению параметров процесса регулирования.
Известны газовые редукторы и регуляторы давления (патенты RU №72936 U1 от 17.12.2007; RU 2132509 от 20.01.1998, RU №2206116 от 06.04.2006, RU №2237919 от 27.05.2003), имеющие мембрану с плунжером и закрепленным на нем клапаном с кольцевым уплотнительным элементом, размещенным в КВД.
При способе работы такого газового редуктора пружина, установленная между крышкой корпуса и мембраной, отжимает клапан от седла, увеличивая зазор между седлом и уплотнительным элементом, а газ под давлением подается под мембрану из КРД через канал, соединяющий КРД и полость под мембраной, создает силу, действующую на мембрану против силы, действующей на мембрану от пружины между седлом и уплотнительным элементом.
Недостаток такого способа регулирования в том, что при изменении давления газа, подаваемого в КВД, например, из баллона, возникает интенсивное колебание давления газа, поступающего к потребителю из КРД.
Известен способ регулирования давления газового потока в редукторе (патент EP №1151364 B1 от 15.12.1999, фиг.2, 3), имеющем
- корпус и выполненные в нем три разделенные стенками камеры:
- - камеру высокого давления (КВД) и камеру редуцированного давления (КРД), разделенные первой стенкой;
- - камеру регулирования (КР), отделенную второй стенкой от КРД;
- отверстие с седлом, размещенное в первой стенке;
- перегородку, соединенную с подвижным плунжером, проходящим через отверстие во второй стенке, разделяющую КР на поршневую и кольцевую полости;
- соединенный с плунжером и размещенный в КРД клапан с уплотнительным элементом, взаимодействующим с седлом;
- первый канал, соединяющий КРД с поршневой полостью КР;
- второй канал, соединяющий кольцевую полость, находящуюся под редуцированным давлением газа с окружающей средой;
- третий канал с дросселем, соединяющий КВД с кольцевой полостью КР;
включающий
- подачу газа в КВД, смещение плунжера с перегородкой и образование зазора между седлом и уплотнительным элементом клапана;
- поступление газа через каналы в полости КР;
- перемещение перегородки с плунжером и клапаном под действием на нее разности давления газа, увеличивающее зазор между седлом и уплотнительным элементом клапана;
- поступление потока газа в КРД и, соответственно, потребителю газа;
- поступление газа через второй канал с дросселем в кольцевую полость КР;
- действие разности давления газа на перегородку;
- изменение (увеличение, уменьшение) потока газа, поступающего потребителю из КРД, и давления газа в КРД, вызывающее перетекание газа между КРД и полостями КР, перемещение перегородки с плунжером и клапаном в направлении равнодействующей всех сил, действующих на перегородку и плунжер, изменение величины зазора между уплотнительным элементом клапана и седлом, соответствующее смещению перегородки, а также давления и подачи газа потребителю;
- выпуск газа в окружающую среду из камер или полостей КР, соединенных с окружающей средой через второй канал при превышении заданной величины редуцированного давления.
Недостаток данного способа регулирования в том, что газ под давлением в поршневую полость КР подают как из КРД, так и из КВД через первый и второй каналы с дросселями, что требует оснащения каналов датчиками давления и электронным регулятором, что усложняет способ регулирования.
Техническая задача изобретения - обеспечение регулирования потока газа в редукторе при заданной величине редуцированного давления газа, подаваемого от источника к потребителю, при малой амплитуде колебаний давления.
Техническая задача решена в конструкции редуктора и способе регулирования потока газа в редукторе, имеющем
- корпус и выполненные в нем три разделенные стенками камеры:
- - камеру высокого давления (КВД) и камеру редуцированного давления (КРД), разделенные первой стенкой;
- - камеру регулирования (КР), отделенную второй стенкой от КРД;
- отверстие с седлом, размещенное в первой стенке;
- перегородку с подвижным плунжером, проходящим через отверстие во второй стенке, разделяющую КР на поршневую и кольцевую полости;
- соединенный с плунжером и размещенный в КРД клапан с уплотнительным элементом, взаимодействующим с седлом;
- первый канал, соединяющий КРД с поршневой полостью КР;
- второй канал, соединяющий кольцевую полость КР через обратный клапан с окружающей средой;
- третий канал с дросселем, соединяющий КВД с кольцевой полостью КР;
при этом обратный клапан может быть регулируемым, первый канал может быть расположен в корпусе и иметь регулируемый дроссель, третий канал также может иметь регулируемый дроссель; перегородка может быть выполнена в виде поршня или мембраны;
способ регулирования потока газа в описанном редукторе включает
- подачу газа в КВД;
- смещение перегородки с плунжером и клапаном и образование зазора между седлом и уплотнительным элементом клапана;
- поступление потока газа из КВД через отверстие в первой стенке в КРД и, соответственно, потребителю газа;
- поступление потока газа из КРД в поршневую полость КР или в обратном направлении через первый канал;
- перемещение перегородки с плунжером и клапаном под действием на них разности давлений газа, изменяющее зазор между седлом и уплотнительным элементом клапана;
- изменение (увеличение, уменьшение) потока газа, поступающего потребителю из КРД, и давления газа в КРД, вызывающее перетекание газа между КРД и поршневой полостью КР, перемещение перегородки с плунжером и клапаном в направлении равнодействующей всех сил, действующих на перегородку и плунжер, изменение величины зазора между уплотнительным элементом клапана и седлом, соответствующее смещению плунжера, а также давления и подачи газа потребителю,
при этом
- газ перетекает из КВД через третий канал с дросселем в кольцевую полость КР, создавая разность давлений и сил, действующих на перегородку, перемещает перегородку с плунжером и клапаном, изменяя зазор между уплотнительным элементом и седлом, обеспечивая соответствующее этому изменению регулирование подачи и давления газа, поступающего в КРД.
При превышении заданной обратным клапаном величины давления в кольцевой полости КР газ периодически перетекает в окружающую среду через второй канал и подсоединенный к нему обратный клапан.
Технический эффект - обеспечение автоматического регулирования заданной величины редуцированного давления газа, подаваемого от источника к потребителю при малой амплитуде колебаний - достигается за счет новой совокупности признаков:
- газ поступает в кольцевую полость КР из КВД через третий канал с дросселем;
- создает разность давлений и сил, действующих на перегородку, вызывая ее перемещение с плунжером и клапаном, изменение зазора между уплотнительным элементом и седлом и соответствующее этому изменению регулирование подачи и давления газа, поступающего в КРД.
Периодический сброс газа в окружающую среду через второй канал с обратным клапаном из кольцевой полости при превышении заданной регулируемым обратным клапаном величины давления в кольцевой полости КР.
Совокупность признаков способа не найдена при проведении патентно-информационного поиска, следовательно, техническое решение соответствует критерию «новизна» и не следует явно из известного уровня техники, получено в результате проведения сравнительных испытаний газовых редукторов, работающих в соответствии с различными способами, поэтому техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 показан газовый редуктор с клапаном, размещенным в КРД, и третьим каналом с регулируемым дросселем.
На фиг.2 - газовый редуктор с клапаном, размещенным в КРД, обратным клапаном, подсоединенным к кольцевой полости, и третьим каналом, выполненным в плунжере.
На фиг.3 - газовый редуктор с клапаном, размещенным в КРД, обратным клапаном, подсоединенным к кольцевой полости КР, и перегородкой, выполненной в виде мембраны.
Способ регулирования потока газа в редукторе, имеющем (фиг.1-3):
- корпус 1 и выполненные в нем три разделенные стенками камеры:
- - камеру 2 высокого давления (КВД) и камеру 3 редуцированного давления (КРД), разделенные первой стенкой 4;
- - камеру 5 регулирования (КР), отделенную второй стенкой 6 от КРД 3;
- отверстие 7 с седлом 8, размещенное в первой стенке 4;
- перегородку 9 в виде поршня (фиг.1, 2) или мембраны (фиг.3) с подвижным плунжером 10, проходящим через отверстие 11 во второй стенке 6, разделяющую КР 5 на поршневую полость 12 и кольцевую полость 13;
- соединенный с плунжером 10 и размещенный в КРД 3 клапан 14 с уплотнительным элементом 15, взаимодействующим с седлом 8;
- первый канал 16а (фиг.2) или 16 (фиг.1, 3) с регулируемым дросселем 17, соединяющий КРД 3 с поршневой полостью 12 КР 5;
- второй канал 18, соединяющий кольцевую полость 13 КР 5 через обратный клапан 19 с окружающей средой;
- третий канал 20 с дросселем 21, соединяющий КВД 2 с кольцевой полостью 13 КР 5;
включающий
- подачу газа в КВД 2, смещение перегородки 9 с плунжером 10 и клапаном 14 и образование зазора между седлом 8 и уплотнительным элементом 15 клапана 14;
- поступление потока газа из КВД 2 через отверстие 7 в первой стенке 4 в КРД 3 и, соответственно, потребителю газа;
- поступление потока газа из КРД 3 в поршневую полость 12 КР 5 или в обратном направлении через первый канал 16;
- перемещение перегородки 9 в виде поршня (фиг.1, 2) или мембраны (фиг.3) с плунжером 10 и клапаном 14 под действием на них разности давлений газа, изменяющее зазор между седлом 8 и уплотнительным элементом 15 клапана 14;
- изменение (увеличение, уменьшение) потока газа, поступающего потребителю из КРД 3, и давления газа в КРД 3, вызывающее перетекание газа между КРД 3 и поршневой полостью 12 КР 5, перемещение перегородки 9 с плунжером 10 и клапаном 14 в направлении равнодействующей всех сил, действующих на перегородку 9 и плунжер 10, изменение величины зазора между уплотнительным элементом 15 клапана 14 и седлом 8, соответствующее смещению плунжера 10, а также давления и подачи газа потребителю,
при этом
- газ перетекает из КВД 2 через третий канал 20 с дросселем 21 в кольцевую полость 13 КР 5, создавая разность давлений и сил, действующих на перегородку 9, перемещает перегородку 9 с плунжером 10 и клапаном 14, изменяя зазор между уплотнительным элементом 15 и седлом 8, обеспечивая соответствующее этому изменению регулирование подачи и давления газа, поступающего в КРД 3.
При превышении заданной регулируемым обратным клапаном 19 величины давления в кольцевой полости 13 КР 5 газ периодически перетекает в окружающую среду через второй канал 18 и подсоединенный к нему обратный клапан 19.