РЕДУКТОР И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА ГАЗА
REDUCER AND GAS FLOW REGULATION METHOD

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 последний 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), 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 и выступающее 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 регулируемым 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.
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.
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 ЕР №1151364 В1 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 камеры КРД;
- отверстие с седлом, размещенное в первой стенке;
- перегородку с подвижным плунжером, проходящим через отверстие во второй стенке, разделяющей КР на поршневую и кольцевую полости;
- соединенный с плунжером и размещенный в КВД или КРД клапан с уплотнительным элементом, взаимодействующим с седлом;
- первый канал, соединяющий одну из полостей КР с камерой под давлением газа;
- второй канал с дросселем, соединяющий КРД с кольцевой полостью КР;
- третий канал, соединяющий полости под редуцированным давлением с окружающей средой;
включающий
- подачу газа в КВД, смещение плунжера с перегородкой и образование зазора между седлом и уплотнительным элементом;
- 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 седломя. 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 третий 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 - уменьшение габаритов и массы редуктора давления газа, подаваемого от источника к потребителю, при малой амплитуде колебаний давления и расхода.
Техническая задача решена в конструкции редуктора, имеющего
- корпус и выполненные в нем три разделенные стенками камеры:
- - камеру высокого давления (KB Д) и камеру редуцированного давления (КРД), разделенные первой стенкой;
- - камеру регулирования (КР), отделенную от КРД второй стенкой с отверстием, а от окружающей среды крышкой;
- отверстие с седлом, размещенное в первой стенке;
- перегородку, соединенную с подвижным плунжером, проходящим через отверстие во второй стенке, разделяющую КР на поршневую полость и кольцевую полость;
- размещенный в КВД и взаимодействующий с подвижным плунжером клапан с уплотнительным элементом, взаимодействующим с седлом;
- первый канал, соединяющий КРД с кольцевой полостью КР;
- второй канал, соединяющий одну из полостей КР с окружающей средой,
при этом
управляющей полостью является поршневая полость;
второй канал соединяет поршневую полость с окружающей средой;
ко второму каналу подсоединен обратный клапан, который может быть регулируемым, с возможностью выпуска газа из поршневой полости в окружающую среду;
КВД соединена с поршневой полостью третьим каналом с дросселем, который может быть регулируемым;
перегородка может быть выполнена в виде поршня или мембраны;
дроссель в первом канале может быть регулируемым;
в КВД может устанавливаться пружина, поддерживающая клапан, при этом клапан выполняется отделенным от плунжера.
Способ регулирования давления газа в редукторе, описанном выше, включает
- подачу газа в КВД, поступление газа в поршневую полость КР;
- смещение перегородки с плунжером, образование зазора между седлом и уплотнительным элементом клапана, поступление газа из КВД в КРД и, соответственно, потребителю газа;
- перетекание газа через первый канал с дросселем в кольцевую полость КР или из нее;
- изменение потока и давления газа, поступающего потребителю из КРД, перемещение перегородки с плунжером и клапаном с уплотнительным элементом в направлении равнодействующей всех сил, действующих на перегородку и плунжер, изменение величины зазора между уплотнительным элементом клапана и седлом, соответствующее смещению перегородки;
- выпуск газа из поршневой полости в окружающую среду через второй канал при превышении заданной величины давления,
при этом
- газ поступает в поршневую полость из КВД через канал с дросселем;
- выпуск газа в окружающую среду из поршневой полости совершается через второй канал и обратный клапан;
- при перемещении перегородки с плунжером и клапаном газ перетекает через первый канал с дросселем из КРД в кольцевую полость;
- разность давлений и сил, действующих на перегородку, вызывает ее перемещение, изменение зазора между уплотнительным элементом клапана и седлом и соответствующее этому изменению регулирование подачи и давления газа, поступающего в КРД и потребителю газа.
Технический эффект - уменьшение габаритов и массы редуктора давления газа, подаваемого от источника к потребителю, при малой амплитуде колебаний давления, - достигается за счет новой совокупности признаков редуктора:
управляющей полостью является поршневая полость;
второй канал соединяет поршневую полость с окружающей средой;
ко второму каналу подсоединен обратный клапан, который может быть регулируемым, с возможностью выпуска газа из поршневой полости в окружающую среду;
КВД соединена с поршневой полостью третьим каналом с дросселем, который может быть регулируемым.
Технический эффект достигается также за счет отличительных признаков способа:
- газ поступает в поршневую полость из КВД через канал с дросселем;
- выпуск газа в окружающую среду из поршневой полости совершается через второй канал с подсоединенным к нему обратным клапаном;
- при перемещении перегородки с плунжером и клапаном газ перетекает через первый канал с дросселем из КРД в кольцевую полость КР;
- разность давлений и сил, действующих на перегородку, вызывает ее перемещение, изменение зазора между уплотнительным элементом клапана и седлом и соответствующее этому изменению регулирование подачи и давления газа, поступающего в КРД и потребителю газа.
Совокупность признаков редуктора и способа его работы не найдена при проведении патентно-информационного поиска, следовательно, техническое решение соответствует критерию «новизна» и не следует явно из известного уровня техники, так как получена в результате проведения сравнительных испытаний газовых редукторов различной конструкции и характеризуемых различными способами работы, поэтому техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 показан газовый редуктор с клапаном, размещенным в КВД.
На фиг.2 - газовый редуктор с клапаном, размещенным в КВД и с регулируемым дросселем в первом и третьем каналах.
На фиг.3 - газовый редуктор с клапаном, размещенным в КВД и с перегородкой в виде мембраны.
На фиг.4 - газовый редуктор с пружиной в камере высокого давления.
Способ регулирования потока газа в редукторе, имеющем (фиг.1-4):
- 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 от КРД 3 второй стенкой 6 с отверстием 7, а от окружающей среды крышкой 8;
- отверстие 9 с седлом 10, размещенное в первой стенке 4;
- перегородку 11, соединенную с подвижным плунжером 12, проходящим через отверстие 7 во второй стенке 6, разделяющую КР 5 на поршневую полость 13 и кольцевую полость 14;
- размещенный в КВД 2 и взаимодействующий с подвижным плунжером 12 клапан 15 с уплотнительным элементом 16, взаимодействующим с седлом 10;
- первый канал 17 с дросселем 18 (фиг.1), соединяющий КРД 3 с кольцевой полостью 14 КР 5;
- второй канал 19 с обратным клапаном 20, соединяющим поршневую полость 13 с окружающей средой,
- третий канал 21 с дросселем 22, который может быть регулируемым, соединяющий КВД 2 с поршневой полостью 13;
- в первом канале 17 может быть установлен регулируемый дроссель 23 (фиг.2);
- в КВД 2 может быть установлена пружина 24 (фиг.4), поддерживающая клапан 15, при этом клапан 15 отделен от плунжера 12.
Способ регулирования давления газа в редукторе, описанном выше, включает
- подачу газа в КВД 2, поступление газа в поршневую полость 13 через канал 21 с дросселем 22;
- смещение перегородки 11 с плунжером 12, образование зазора между седлом 10 и уплотнительным элементом 16 клапана 15, поступление газа из КВД 2 в КРД 3 и, соответственно, потребителю газа;
- перетекание газа через первый канал 17 с дросселем 18 в кольцевую полость 14 или из нее;
- изменение потока и давления газа, поступающего потребителю из КРД 3, перемещение перегородки 11 с плунжером 12 и клапаном 15 с уплотнительным элементом 16 в направлении равнодействующей всех сил, действующих на перегородку 11 и плунжер 12, изменение величины зазора между уплотнительным элементом 16 клапана 15 и седлом 10, соответствующее смещению перегородки 11 и соответствующее этому изменению регулирование подачи и давления газа, поступающего в КРД и потребителю газа;
- выпуск газа из поршневой полости 13 в окружающую среду через второй канал 19 и обратный клапан 20 при превышении заданной величины давления.