ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КЛАПАН С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
ELECTRICALLY CONTROLLED HYDRAULIC VALVE

Область изобретения
Настоящее изобретение касается гидравлических клапанов с электрическим управлением и, в частности, таких клапанов, которые можно использовать в системах для извлечения жидких углеводородов из поддонных местонахождений.
Предпосылки изобретения
Достигая приемлемой конструкции клапана с электрическим управлением, предназначенного для использования в вышеупомянутых условиях, сталкиваешься с двумя основными трудностями. Первая - это ограниченная доступность электрической энергии. Вторая - это вероятность того, что рабочая жидкость для гидравлических систем будет загрязнена частицами.
Основной целью настоящего изобретения является создание клапанов с малым потреблением электроэнергии, способных выдерживать работу с рабочей жидкостью для гидравлических систем, возможно, загрязненной частицами, максимальный размер которых превышает 100 микрон.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложен гидравлический клапан с электрическим управлением, содержащий клапанную сборку, обеспечивающую общий перепускной канал, впускной канал, выпускной канал и соединенный с перепускным каналом возвратный канал, и подвижное в осевом направлении вентильное устройство, в первом положении обеспечивающее возможность перетекания текучей среды между выпускным каналом и возвратным каналом, при этом впускной канал закрыт, и во втором положении, смещенном в осевом направлении относительно первого положения, обеспечивающее возможность перетекания текучей среды между впускным каналом и выпускным каналом, тогда как возвратный канал закрыт. Средство, обеспечивающее возвратную силу, приводящую вентильное устройство к его первому положению; и электрический приводной механизм, подсоединенный к вентильному устройству, содержит постоянный магнит и взаимодействующую с ним электрическую катушку с соответствующим магнитным сердечником. Либо магнит, либо катушка образует статор, а другой из этих элементов подвижен и присоединен к вентильному устройству для перемещения последнего из первого положения во второе положение. Приводной механизм работает от электросети, обеспечивающей подачу на катушку однонаправленного импульса тока.
В некоторых воплощениях настоящего изобретения вентильное устройство содержит два противоположных тарельчатых клапана, способных входить в контакт с соответствующими седлами клапанов, размещенными по одному на каждом конце упомянутого перепускного канала клапана, причем впускной канал и возвратный канал сообщаются согласно положению вентильного устройства с соответствующими концами перепускного канала клапана, а выпускной канал сообщается с перепускным каналом клапана в промежуточном местоположении между его концами. Каждый тарельчатый клапан может содержать головку для плотного контакта с соответствующим седлом и нос, тянущийся внутрь перепускного канала клапана к носу другого тарельчатого клапана.
В другом воплощении настоящего изобретения вентильное устройство содержит цилиндрический золотник, имеющий боковую клапанную камеру, а упомянутые каналы пересекают перепускной канал клапана в местах, отделенных друг от друга вдоль перепускного канала. Выпускной канал может пересекать перепускной канал клапана в местоположении между и, по существу, равноудаленно от мест, где возвратный канал и впускной канал пересекают перепускной канал клапана.
В этом воплощении клапанная камера может иметь торцевые поверхности различной эффективной площади, посредством чего давление текучей среды в клапанной камере может подталкивать клапан в первое положение. Перепускной канал клапана может быть тупиковым каналом, а вентильное устройство может иметь внутренний предохранительный разгрузочный канал, тянущийся между его концами.
В любом из этих воплощений постоянный магнит является предпочтительно цилиндрическим магнитом, и постоянный магнит, катушка и цилиндрический магнитный сердечник установлены соосно. Катушка и постоянный магнит оба могут быть установлены внутри кольцевого пространства между внешней и внутренней частями магнитного сердечника.
Краткое описание изображений
На Фиг.1 представлено в разрезе и частично схематически одно воплощение клапана согласно настоящему изобретению.
На Фиг.2 представлен измененный вариант клапана из Фиг.1.
На Фиг.3 представлено другое воплощение клапана согласно настоящему изобретению.
Подробное описание
На Фиг.1 представлено первое воплощение настоящего изобретения. Показанный клапан помещен внутрь, по существу, цилиндрического корпуса 1, внутренняя часть которого образует основную камеру 2, имеющую в правом конце камеры внутреннюю ступеньку, образующую полость 3. Внутренняя часть полости отделена от камеры 2 перегородкой 4. Ради удобства, правый конец корпуса и относящиеся к нему части называют в данном описании «нижними», а левый конец и относящиеся к нему части называют «верхними». Такая терминология применяется, поскольку общепринято, хотя и нет необходимости размещать приводной механизм клапана в подводном модуле таким образом, чтобы его центральная ось располагалась вертикально.
Перегородка 4 определяет перепускной канал 5 между двумя седлами клапанов, в этом воплощении седла 6 и 7 клапанов, выполненные в форме усеченного конуса, выполнены на нижнем конце и верхнем конце соответственно перепускного канала 5. От нижнего конца внутрь перепускного канала тянется «нижний» тарельчатый клапан 8. У этого тарельчатого клапана есть нос 9, по существу, меньший перепускного канала 5, чтобы можно было через перепускной канал пронести твердые частицы. Тарельчатый клапан 8 имеет головку 10 в форме усеченного конуса, которая может герметично прилегать к соответствующему седлу 6 клапана, и короткий задний стержень 11. Позади головки имеется кольцеобразное плечо 12, на которое опирается один конец возвратной пружины 13, поддерживаемой стержнем 11. Другой, нижний, конец из концов этой возвратной пружины опирается на базу, обеспечиваемую стенкой 14 нижнего конца корпуса 1. Эта возвратная пружина является обеспечивающим смещение средством, чтобы поддерживать клапан 8 нормально замкнутым.
Напротив нижнего тарельчатого клапана расположен верхний тарельчатый клапан 15, который, как правило, аналогичен клапану 8. Его нос проходит внутрь перепускного канала 5 между седлами 6 и 7 клапанов и до упора с носом клапана 8. Благодаря пружине 13 эти два тарельчатых клапана могут двигаться в унисон и составлять фактически единое удлиненное, подвижное в осевом направлении вентильное устройство. Верхний тарельчатый клапан 15 имеет головку 16, способную осуществлять герметичное соединение с верхним седлом 7, и верхний тарельчатый клапан имеет стержень 17, тянущийся в осевом направлении до соединения с хомутом 18, формирующим часть ротора линейного электромагнитного приводного механизма, обозначаемого обычно цифрой 19.
Сквозь нижнюю стенку 14 внутрь полости 3 тянется перепускной канал 20, образующий впуск для текучей среды. Этот канал связывают любым удобным средством с источником рабочей жидкости для гидравлических систем под давлением. Внутрь перепускного канала 5 между седлами 6 и 7 клапанов и, в частности, сквозь боковую стенку 21 корпуса 1 клапана и сквозь перегородку 4 тянется перепускной канал 22, образующий выпускной канал текучей среды или «функциональный» канал. Этот перепускной канал 22 обычно приходит в точку соединения друг с другом носов тарельчатых клапанов 8 и 15. Внутрь основной камеры 2 и, в частности, сквозь боковую стенку 21 корпуса тянется перепускной канал 23, образующий возвратный канал текучей среды или «отводной» канал.
Из описанного выше можно понять, что впускной канал 20 надежно закрыт нижним тарельчатым клапаном 8 и что, когда этот тарельчатый клапан закрыт, верхний тарельчатый клапан 15 поднят от своего седла 7, чтобы обеспечить соединение между выпускным каналом 22 текучей среды и возвратным каналом 23 текучей среды. Наоборот, если верхний тарельчатый клапан 15 прижат к своему седлу 7 клапана, нижний тарельчатый клапан 8 поднят, преодолевая силу возвратной пружины 13, от своего седла 6.
Размер перепускного канала 5 по отношению к носам тарельчатых клапанов может быть сделан достаточно большим, чтобы позволить регулируемое клапаном прохождение загрязняющих частиц, имеющихся в рабочей жидкости для гидравлических систем. В частности, это может позволить прохождение частиц размером до по меньшей мере 100 микрон.
На верхнем конце камеры 2 расположен вышеупомянутый приводной механизм 19. В этом воплощении он образован постоянным магнитом статором 24 и соосной с ним подвижной катушкой 25. Постоянный магнит 24 является цилиндрическим магнитом, расположенным в кольцевой апертуре 26 цилиндрического Е-образного сечения магнитного сердечника 27, имеющего цилиндрическую внешнюю часть 27а и центральную сплошную цилиндрическую часть 27b. В кольцевом пространстве между центральной цилиндрической частью 27b магнитного сердечника и постоянным магнитом 24 расположена подвижная катушка ротор 25, образованная электрической катушкой, к которой ведут электрические подключения 28, тянущиеся через стенку 29 верхнего конца корпуса 1. Подвижная катушка и ее каркас (детально не показано) прикреплены к хомуту 18.
Подвижная катушка 25 может быть возбуждена коротким импульсом постоянного тока для перемещения хомута 18 и тем самым стержня 17 верхнего тарельчатого клапана 15 в направлении вниз (направо), преодолевая силу возвратного смещения, обеспечиваемую возвратной пружиной 13.
Перемещение, требуемое для подъема нижнего тарельчатого клапана 8 с его седла 6, определяют разницей в расстояниях между седлами клапанов и тарельчатыми клапанами, когда тарельчатые клапаны примыкают друг к другу; ее можно сделать как раз достаточной, чтобы позволить прохождение частиц предопределенного максимального размера, обычно превышающего 100 микрон. Соответственно подача электроэнергии может быть подачей простого постоянного тока малой мощности, не требующей никакой сложной электронной коммутационной цепи.
В фазе покоя клапана, возвратная пружина 13 прижимает нижний тарельчатый клапан 8 к соответствующему седлу клапана, запирая выпускной канал 22 от впускного канала 20, но позволяя отвод из выпускного канала 22 в возвратный канал 23.
Возбуждение приводного механизма подвижной катушки перемещает верхний тарельчатый клапан 15 к его седлу, таким образом открывая проход от впускного канала 20 к выпускному каналу 22 и закрывая проход к отводному каналу 23.
На Фиг.2 представлено воплощение, аналогичное показанному на Фиг.1. Конструкция нижнего конца клапана аналогична таковой, показанной на Фиг.1, и поэтому не требует подробного описания. Однако, в этом воплощении, катушечная часть приводного механизма является статором, а подвижная часть образована постоянным магнитом. В частности, катушка статор имеет внутреннюю обмотку 25а на центральной части 27а магнитного сердечника 27 и внешнюю обмотку 25b, смежную с внешней частью магнитного сердечника. Постоянный магнит - подвижная часть - содержит цилиндрический постоянный магнит 24а, прикрепленный к хомуту 18 и плавно перемещающийся в кольцевом пространстве между внешней и внутренней обмотками. Подключения 28 обеспечивают подачу постоянного тока к обмоткам 25а и 25b катушки 25.
На Фиг.3 представлено другое воплощение настоящего изобретения. Показанный клапан помещен внутрь, по существу, цилиндрического корпуса 1, внутренняя часть которого образует основную камеру 2, имеющую в правом конце камеры внутреннюю ступеньку, образующую полость 3а. В этом воплощении полость занята клапанным блоком 30, имеющим перепускной канал 31 клапана, образованный тупиковым каналом, тянущимся в осевом направлении от верхнего конца блока почти до нижнего конца. Внутри этого канала 31 способно плавно перемещаться единое вытянутое подвижное в осевом направлении вентильное устройство, содержащее цилиндрический золотник 33, прикрепленный на его верхнем конце к хомуту 18. Смещение, прижимающее хомут 18 и тем самым цилиндрический золотник, в направлении влево (вверх), обеспечивают возвратной пружиной 34 между хомутом и верхней поверхностью 32 клапанного блока 30.
С перепускным каналом 31 сообщаются три канала, впускной канал 20 текучей среды, выпускной или «функциональный» канал 22 текучей среды и возвратный или «отводной» канал 23 текучей среды. Впускной канал 20 текучей среды содержит проход, тянущийся от внешней поверхности сквозь боковую стенку 21 корпуса 1 и клапанный блок 30. Выпускной канал 22 текучей среды содержит проход сквозь боковую стенку корпуса и клапанный блок. Возвратный канал 23 текучей среды содержит проход 23а сквозь клапанный блок 30 от прохода 31 в камеру 2 и проход 23b от камеры 2 сквозь боковую стенку корпуса 1.
Три канала открыты в перепускной канал клапана в местах, отделенных один от другого вдоль перепускного канала 31. Место, где выпускной канал 22 пересекает перепускной канал 31, по существу, равноудалено от фактического местоположения впускного канала 20 и возвратного канала 23, т.е. от тех мест, где эти каналы пересекают перепускной канал 31.
Цилиндрический золотник 33 создает камеру 35 клапана, причем содержит кольцевое периферическое углубление. Торцевые плечи этого углубления отделены расстоянием, немного меньшим суммарной эффективной ширины возвратного канала 23 и эффективного расстояния между впускным каналом 20 и возвратным каналом 23.
В канале 31 выполнена ступенька у плеча 36, причем нижний конец имеет меньший канал, чем верхний конец, и два конца цилиндрического золотника имеют различные размеры, причем нижний конец пригоняется внутри меньшего канала 31 на нижнем конце, а верхний конец пригоняется внутри большего канала 31 на верхнем конце. Цилиндрический золотник 33 также имеет разгрузочный канал 37, тянущийся от камеры 2 вдоль и внутри цилиндрического золотника 33 к нижнему его концу.
Цилиндрический золотник способен перемещаться, преодолевая силу возвратной пружины 34, от положения, показанного на Фиг.3, в направлении нижнего конца корпуса. В показанном положении выпускной канал 22 соединен с возвратным каналом 23 посредством камеры 35 клапана, а впускной канал 20 закрыт. Перемещение цилиндрического золотника 33 приводит золотник в промежуточное положение, в котором впускной канал 20 открыт; затем дальнейшее перемещение цилиндрического золотника обеспечивает полное соединение впускного канала 20 с выпускным каналом 22 и закрытие возвратного канала 23. Необходимым ходом для цилиндрического золотника является приблизительно эффективная ширина (в осевом направлении) возвратного канала 23.
Разгрузочный канал 37 предотвращает любой запор текучей среды или вакуумный запор. Также, в этом воплощении, благодаря разнице эффективных площадей двух концов камеры 35 клапана, давление текучей среды в камере 35 будет стремиться переместить цилиндрический золотник 33 в безаварийное положение, в котором всегда возможен выпуск из возвратного канала 23.
Это воплощение настоящего изобретения, подобно ранее описанным, предназначено обеспечивать использование рабочей жидкости для гидравлических систем, возможно, загрязненной твердыми частицами. Клапан легко может быть приспособлен к частицам, имеющим размер частицы, превышающий 100 микрон.
Цилиндрический золотник 33 можно перемещать посредством электрического приводного механизма, аналогичного таковому, описанному со ссылкой на любую из вышеприведенных фигур, где одно из устройств - либо статор, либо подвижная часть - образовано постоянным магнитом, а другое образовано катушкой и соответствующим постоянным магнитным сердечником, причем все эти элементы установлены соосно. В описанном воплощении катушка является стационарной, а подвижная часть образована постоянным магнитом. В частности, катушка статор имеет внутреннюю обмотку 25а на центральной части 27а магнитного сердечника 27 и внешнюю обмотку 25b, смежную с внешней частью магнитного сердечника. Постоянный магнит - подвижная часть - содержит цилиндрический постоянный магнит 24а, прикрепленный к хомуту 18 и плавно перемещающийся в кольцевом пространстве между внешней и внутренней обмотками. Подключения 28 обеспечивают подачу постоянного тока, т.е. однонаправленного импульса тока к обмоткам 25а и 25b катушки 25. Поскольку необходим очень короткий ход, подача электроэнергии может быть подачей постоянного тока малой мощности, не требующей никакой сложной электронной коммутационной цепи.