ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН
ELECTROMAGNETIC VALVE

Изобретение относится к электромагнитному клапану, содержащему корпус, впускной патрубок, выпускной патрубок, средство в виде основного клапана, расположенное между указанным впускным патрубком и указанным выпускным патрубком, при этом указанное средство в виде основного клапана содержит элемент основного клапана, средство в виде управляющего клапана, регулирующее разность давлений на указанном элементе основного клапана и имеющее элемент управляющего клапана, катушку, бугельный узел, магнитно связанный с указанной катушкой, и средство в виде якоря для перемещения указанного элемента управляющего клапана.
Такой электромагнитный клапан известен, например, из документа DE 20 2005 013 233 U1.
Применение управляющего клапана предоставляет преимущество в том, что только элемент управляющего клапана необходимо приводить в действие для управления функционированием средства в виде основного клапана. Силы, необходимые для перемещения элемента управляющего клапана, намного меньше сил, необходимых для перемещения элемента основного клапана. Таким образом, управляющий распределительный электромагнитный клапан может быть применен для управления текучими средами под высоким давлением, например, углекислым газом, без существенного увеличения катушки и бугельного узла.
В некоторых случаях требуется, чтобы электромагнитный клапан имел большой ход на открытие, т.е. чтобы электромагнитный клапан имел низкое сопротивление потоку в полностью открытом состоянии. Это означает, что средство в виде основного клапана должно открываться до довольно большой степени, для этого элемент основного клапана должен быть выполнен с возможностью выполнения большого хода на открытие. Следовательно, элемент управляющего клапана должен быть выполнен с возможностью осуществления подобного большого хода на открытие. При закрытии управляющего клапана средство в виде якоря находится на самом большом расстоянии от бугельного узла, так что силы магнитного поля, которые могут притягивать средство в виде якоря, достаточно слабые. Поэтому, когда требуется большой ход на открытие, катушка и бугельный узел должны быть увеличены до значительного размера для генерирования необходимых сил магнитного притяжения.
Такой электромагнитный клапан может быть, например, применен в многоступенчатом эжекторе. В этом случае требуется генерировать максимальную скорость управляемого газа возле так называемого рабочего сопла. Это делают за счет минимизации потерь давления. Один вклад в низкую потерю давления основан на большом диаметре или большом отверстии, когда клапан открыт. В данном случае большой диаметр означает, что элемент основного клапана должен перемещаться на значительную часть, как правило, по меньшей мере  диаметра выпускного отверстия. Это значит, что обеспечены малые силы магнитного поля, поскольку силы магнитного поля меняются с расстоянием от бугельного узла к средству в виде якоря.
2
2
Кроме того, когда электромагнитный клапан применяется в системе СО, разность давлений значительно выше, чем для других охладителей. В системе СО возможна разность давлений, составляющая по меньшей мере 50 бар, и может быть значительно выше, например, 90 бар.
Это значит, что клапан должен открываться с относительно слабыми силами магнитного поля, в то же время он может справляться со значительно более высокой разностью давлений.
Цель, лежащая в основе изобретения, заключается в обеспечении большого хода на открытие без чрезмерного увеличения катушки и бугельного узла.
Данной цели достигают с помощью электромагнитного клапана, как описано выше, в котором указанное средство в виде якоря содержит первую часть, притягиваемую указанным средством в виде бугеля для выполнения хода на открытие, и вторую часть, несущую указанный элемент управляющего клапана, при этом указанная первая часть выполнена с возможностью перемещения относительно указанной второй части в первом отрезке указанного хода на открытие и тянет указанную вторую часть во втором отрезке указанного хода на открытие, следующим за указанным первым отрезком, при этом открывающая пружина расположена между указанной первой частью и указанной второй частью, при этом указанная открывающая пружина воздействует на указанную вторую часть в направлении открытия.
В таком электромагнитном клапане катушка и бугельный узел генерируют силу магнитного поля, которой должно быть достаточно для притягивания только первой части якоря. Первая часть якоря может быть перемещена через первый отрезок хода на открытие без необходимости перемещения второй части. Первая часть средства в виде якоря ускоряется за счет сил магнитного поля и имеет, таким образом, в конце первого отрезка хода на открытие определенную скорость и, следовательно, определенную кинетическую энергию. Кроме того, увеличиваются также силы магнитного поля, поскольку воздушный зазор уменьшен. В конце первого отрезка хода на открытие первая часть соприкасается со второй частью якоря, которая затем перемещается под воздействием первой части. Для перемещения второй части якоря могут быть применены увеличенные силы магнитного поля в дополнение к кинетической энергии первой части. Вторая часть несет элемент управляющего клапана, что означает, что элемент управляющего клапана также может быть частью второй части. Суммарной энергии достаточно для предварительного поднятия элемента управляющего клапана из седла управляющего клапана. Данное первоначальное перемещение элемента управляющего клапана обычно требует максимальных сил. Как только элемент управляющего клапана поднимается из седла управляющего клапана, силы, обычно закрывающие средство в виде управляющего клапана или сохраняющие средство в виде управляющего клапана закрытым, уменьшаются так, что вторая часть может быть перемещена дальше вместе с первой частью в направлении открытия. При поднятии элемента управляющего клапана из седла управляющего клапана под воздействием первой части открывающая пружина слегка сжимается. Открывающая пружина теперь перемещает вторую часть относительно первой части дальше в направлении открытия, увеличивая таким образом расстояние между элементом управляющего клапана и седлом управляющего клапана. Это возможно вследствие малой силы от дифференциального давления в элементе управляющего клапана. Эта малая сила обеспечена вследствие относительно большого расстояния между элементом управляющего клапана и седлом управляющего клапана или управляющим отверстием после предварительного поднятия. Когда управляющее отверстие открыто, элемент основного клапана перемещается и открывает средство в виде основного клапана. Это открывание может происходить за достаточно короткий период времени, так что электромагнитный клапан может быть приведен в действие с довольно высокой скоростью. Открывание управляющего клапана теперь разделяется на три отрезка перемещения. В первом отрезке перемещается только первая часть. Во втором отрезке первая часть перемещается вместе со второй частью и элементом управляющего клапана. В третьем отрезке первая часть останавливается, и элемент управляющего клапана вместе со второй частью перемещается под воздействием открывающей пружины. На протяжении первого отрезка, когда первая часть перемещается самостоятельно, эта первая часть накапливает кинетическую энергию и перемещается ближе к бугельному узлу, при этом силы магнитного поля значительно увеличиваются, поскольку уменьшается воздушный зазор. Оба элемента участвуют в предварительном поднятии элемента управляющего клапана, несмотря на значительную разность давлений на элементе управляющего клапана. В конце третьего перемещения вторая часть упирается в бугельный узел. Третье перемещение обеспечивается путем применения упругих сил, созданных за счет сжатия открывающей пружины во время второго перемещения.
В предпочтительном варианте осуществления указанное средство в виде управляющего клапана имеет управляющее отверстие и длина указанного второго отрезка превышает диаметр указанного управляющего отверстия в диапазоне от 0,5 до 1,5 раза. Вторая часть якоря перемещается только в конце хода на открытие, когда первая часть имеет достаточную кинетическую энергию. Поскольку необходимо только предварительно поднять элемент управляющего клапана, в данный момент достаточно небольшого перемещения второй части якоря. Значение менее 0,5 означает, что разность давлений становится слишком большой. Значение более 1,5 означает, что силы магнитного поля становятся слишком малыми.
Предпочтительно, закрывающая пружина расположена между указанной первой частью и указанным бугельным узлом, при этом указанная закрывающая пружина сжимается во время указанного хода на открытие. Закрывающая пружина применяется в дальнейшем, когда необходимо закрыть основной клапан.
Предпочтительно, указанная открывающая пружина более тугая, чем указанная закрывающая пружина. Другими словами, коэффициент жесткости открывающей пружины, как правило, больше коэффициента жесткости закрывающей пружины. Это с учетом того, что закрывающая пружина сжата во время хода на открытие до немного большей степени.
Предпочтительно, указанная вторая часть расположена внутри указанной первой части. Это приводит к довольно простой конструкции. Якорь может быть также выполнен в виде цельной части, что упрощает сборку электромагнитного клапана.
В данном случае предпочтительно, чтобы указанная первая часть содержала полую первую втулку и полую вторую втулку, которые соединены друг с другом для образования пространства, в котором расположена указанная вторая часть. Две втулки могут, например, быть скреплены друг с другом с помощью винтов, с использованием клея или пайки, или они могут быть соединены посредством посадки с натягом. Применение полых втулок способствует направлению второй части внутри первой части.
Предпочтительно, указанная первая втулка имеет отверстие на стороне, обращенной к указанному бугельному узлу, при этом указанное отверстие заканчивается возле уступа, поддерживающего указанную закрывающую пружину. Закрывающая пружина упирается в уступ и в бугельный узел. Отверстие способствует направлению пружины, так что пружина сохраняет свое положение в любом случае.
Предпочтительно, указанная вторая часть содержит шток, выступающий через указанное отверстие. Шток в указанном отверстии применяется для направления второй части внутри указанной первой части.
Предпочтительно, указанный шток длиннее указанной первой втулки. Этот признак может быть применен для улучшения процесса закрытия электромагнитного клапана. Сила магнитного притяжения преодолевается силой открывающей пружины. Поскольку шток длиннее первой втулки, открывающая пружина толкает первую часть по направлению к седлу управляющего клапана. Как только первая часть упирается во вторую часть, открывающая пружина больше не участвует в дальнейшем перемещении первой части, и дальнейшее перемещение первой и второй частей обеспечивается закрывающей пружиной. Магнитное притяжение уменьшено на значительную величину, например, 90%, как только обеспечивается воздушный зазор между бугельным узлом и якорем, и поэтому закрывающая пружина может закрывать клапан, даже если она является менее тугой.
Предпочтительно, указанный корпус содержит упор для указанного элемента основного клапана в направлении открытия, при этом в конце указанного хода на открытие происходит оттягивание указанной второй части указанного якоря за указанный упор. Это обеспечивает защиту для элемента управляющего клапана, исключая воздействие больших сил на элемент управляющего клапана в полностью открытом состоянии средства в виде основного клапана.
2
Изобретение относится также к применению электромагнитного клапана, как описано выше, в системе охлаждения СО. Электромагнитный клапан, в частности, хорошо подходит для работы, даже если на средство в виде управляющего клапана воздействуют большие разности давлений.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения описан далее более подробно со ссылками на графические материалы, на которых:
на фиг. 1 представлен вид в разрезе электромагнитного клапана в закрытом состоянии,
на фиг. 2 представлен вид в разрезе электромагнитного клапана в начале открытия средства в виде управляющего клапана,
на фиг. 3 представлен вид в разрезе указанного электромагнитного клапана с полностью открытым средством в виде управляющего клапана,
на фиг. 4 представлен вид в разрезе указанного электромагнитного клапана с полностью открытым средством в виде основного клапана,
на фиг. 5 представлен вид в разрезе указанного электромагнитного клапана в начале закрытия средства в виде управляющего клапана, и
на фиг. 6 представлен вид в разрезе указанного электромагнитного клапана, показывающий закрытие средства в виде основного клапана.
На фиг. 1 показан электромагнитный клапан 1, содержащий корпус 2. Корпус 2 содержит впускной патрубок 3 и выпускной патрубок 4. Электромагнитный клапан 1 может, например, быть применен для управления текучей средой под высоким давлением, такой как углекислый газ.
Управление такой текучей средой выполняется с помощью средства 5 в виде основного клапана, имеющего элемент 6 основного клапана и седло 7 основного клапана.
Элемент 6 основного клапана имеет форму поршня, имеющего канал 8, проходящий в продольном направлении через весь элемент 6 клапана. Один конец этого канала 8 выходит в седло 7 основного клапана (в закрытом состоянии) или направлен в седло 7 основного клапана (в открытом состоянии, сравните фиг. 4-6). Другой конец канала 8 образует управляющее отверстие 9.
Это управляющее отверстие 9 можно также назвать «седлом управляющего клапана».
Небольшой зазор между элементом 6 основного клапана и корпусом 2 является неизбежным и в данном случае предназначен для того, чтобы давление текучей среды из впускного патрубка 3 могло воздействовать на обе передние поверхности 11, 12 элемента 6 основного клапана, т.е в пространстве 13 с повышенным давлением на стороне элемента 6 основного клапана, противоположной указанному седлу 7 основного клапана. Область передней поверхности 11, окружающая седло 7 основного клапана, меньше области противоположной передней поверхности 12, так что элемент 6 основного клапана удерживается вплотную к седлу 7 основного клапана посредством результирующей разности сил и средство 5 в виде основного клапана закрыто.
Кроме того, электромагнитный клапан 1 содержит средство 14 в виде управляющего клапана. Средство 14 в виде управляющего клапана содержит элемент 15 управляющего клапана, взаимодействующий с управляющим отверстием 9, т.е. закрывающий управляющее отверстие 9 (фиг. 1 и 6) или открывающий его (фиг. 2-5).
Перемещение элемента 15 управляющего клапана выполняется с помощью якоря 16, который будет описан ниже.
Электромагнитный клапан 1 содержит катушку 17 и бугельный узел 18 (показано лишь частично). Когда к катушке 17 подается электрический ток, бугельный узел 18, который является магнитно связанным с катушкой 17, генерирует силу магнитного поля, воздействующую на якорь 16.
Якорь 16 содержит первую часть 19 и вторую часть 20. Первая часть 19 образована из первой втулки 21 и второй втулки 22. Обе втулки 21, 22 являются полыми. Они соединены друг с другом в области 23 соединения. Они могут, например, быть соединены посредством посадки с натягом или соединены посредством пары резьб, они могут быть приклеены вместе, или припаяны вместе, или соединены друг с другом любым другим способом. Первая часть 19 выполнена из намагничиваемого материала, в то время как в отношении второй части 20 нет подобных требований.
Две втулки 21, 22 образуют вместе пространство 24, в котором расположена вторая часть 20 якоря. Вторая часть 20 якоря 16 несет элемент 15 управляющего клапана.
Первая втулка 21 содержит отверстие 25, через которое направлен шток 26 второй части. Кроме того, отверстие 25 образует уступ 27. Закрывающая пружина 28 упирается в этот уступ 27. Другой конец закрывающей пружины 28 упирается в бугельный узел 18. Когда первая часть 19 перемещается по направлению к бугельному узлу 18, закрывающая пружина 28 сжимается.
Открывающая пружина 29 также расположена в пространстве 24 внутри первой части 19. Эта открывающая пружина 29 действует между первой частью 19 и второй частью 20 и прижимает вторую часть 20 к первой втулке 21.
Состояние, показанное на фиг. 1, представляет собой закрытое состояние электромагнитного клапана 1. Закрывающая пружина 28 воздействует на весь якорь 16 по направлению к управляющему отверстию 9. Элемент 15 управляющего клапана упирается в управляющее отверстие 9 и закрывает средство 14 в виде управляющего клапана. В этом состоянии ток в катушке 17 отсутствует.
На фиг. 2 показана ситуация, в которой к катушке 17 подается ток. Таким образом, в бугельном узле 18 генерируются силы магнитного поля, притягивающие первую часть 19 якоря 16.
Все элементы обозначены такими же ссылочными позициями на всех фигурах.
Как видно на фиг. 2, первая часть 19 якоря 16 переместилась относительно второй части 20 якоря.
Первая часть 19 переместилась во время хода на открытие, т.е. из положения, показанного на фиг. 1, в котором первая часть 19 находится на самом большом расстоянии от бугельного узла 18, в положение, показанное на фиг. 2, в котором первая часть 19 стала упираться в бугельный узел 18.
Этот ход на открытие содержит несколько отрезков. В первом отрезке первая часть 19 может быть перемещена относительно второй части 20 якоря без перемещения второй части 20 якоря 16. Во втором отрезке хода на открытие первая часть 19 соприкасается с уступом 30 на самом нижнем конце второй части 20 и тащит или тянет вторую часть 20 при дальнейшем перемещении первой части 19.
Во время перемещения первой части 19 закрывающая пружина 28 и открывающая пружина 29 сжаты.
В конце первого отрезка первая часть 19 якоря уже имеет определенную скорость и соответственно определенную кинетическую энергию. Эта кинетическая энергия может быть применена для перемещения также второй части 20 якоря 16. Это перемещение может быть довольно малым, например, меньше 1 мм. В общем, второй отрезок хода на открытие имеет длину, превышающую диаметр управляющего отверстия 9 в диапазоне от 0,5 до 1,5 раза. Значение менее 0,5 означает, что разность давлений становится слишком большой. Значение более 1,5 означает, что силы магнитного поля становятся слишком малыми. Перемещение второй части 20 является достаточным, когда элемент 15 управляющего клапана поднимается из управляющего отверстия 9, так что текучая среда из пространства 13 с повышенным давлением может начать выходить из пространства 13 с повышенным давлением, снижая таким образом давление в пространстве 13 с повышенным давлением. Это состояние может называться «предварительным поднятием».
Как показано на фиг. 2, первая часть 19 соприкасается с бугельным узлом 18, сжимая таким образом закрывающую пружину. Кроме того, открывающая пружина 29 между первой частью 19 и второй частью 20 также сжата.
Как показано на фиг. 3, открывающая пружина 29 перемещает вторую часть 20 дальше в направлении открытия, т.е. по направлению к бугельному узлу 18, пока шток 26 не будет соприкасаться также с бугельным узлом 18. Это является третьим отрезком перемещения. Следовательно, элемент 15 управляющего клапана перемещается дальше от управляющего отверстия 9. Это перемещение возможно вследствие малой силы от дифференциального давления в элементе 15 управляющего клапана. Эта малая сила обеспечена вследствие относительно большого расстояния между элементом 15 управляющего клапана и управляющим отверстием 9 после предварительного поднятия. На фиг. 3 показано полностью открытое состояние средства 14 в виде управляющего клапана.
Когда средство 14 в виде управляющего клапана открыто, давление в пространстве 13 с повышенным давлением снижается и, следовательно, давление, воздействующее на нижнюю переднюю поверхность 11, генерирует силу, которая выше давления, воздействующего на противоположную переднюю поверхность 12 элемента 6 основного клапана. Элемент 6 основного клапана перемещается из седла 7 основного клапана и открывает средство 5 в виде основного клапана.
Как можно видеть на фиг. 4, корпус 2 имеет упор 31 для перемещения средства 6 в виде основного клапана в направлении открытия. Элемент 15 управляющего клапана оттягивается за этот упор 31, когда вторая часть 20 якоря 16 входит в соприкосновение с бугельным узлом 18. Таким образом, большие силы, воздействующие на элемент 15 управляющего клапана элементом 6 основного клапана, могут быть надежным образом исключены.
На фиг. 4 показан электромагнитный клапан 1 в полностью открытом состоянии. Это состояние сохраняется до тех пор, пока к катушке 17 не будет подан ток. Подача тока к катушке 17 может быть выполнена с помощью схематически показанного электрического соединения 32.
Когда подача тока к катушке 17 прекращается, в бугельном узле 18 не генерируются силы магнитного поля.
При выключении тока начинается процесс закрытия. Сила магнитного притяжения преодолевается силой открывающей пружины 29. Поскольку шток 26 длиннее первой втулки 21, открывающая пружина 29 толкает первую часть 19 от бугельного узла 18 по направлению к отверстию 9 управляющего клапана. Как только первая часть 19 упирается во вторую часть 20, открывающая пружина 29 больше не воздействует на дальнейшее перемещение первой части (как показано на фиг. 5), и дальнейшее перемещение первой и второй частей 19, 20 обеспечивается менее тугой закрывающей пружиной 28. Магнитное притяжение уменьшается, например, на 90%, как только обеспечивается воздушный зазор между бугельным узлом 18 и верхней частью якоря 16, и поэтому закрывающая пружина 28 может закрывать управляющий клапан, даже если она является менее тугой по сравнению с открывающей пружиной 29.
На фиг. 5 якорь 16 немного переместился от бугельного узла 18. Однако на фиг. 5 средство 15 в виде управляющего клапана находится все еще на расстоянии от управляющего отверстия 9, так что средство 14 в виде управляющего клапана еще не закрыто.
На фиг. 6 показана ситуация, в которой якорь 16 переместился достаточно далеко по направлению к элементу 6 основного клапана для закрытия средства 14 в виде управляющего клапана, т.е. элемент 15 управляющего клапана закрыл управляющее отверстие 9. В этой ситуации пространство 13 с повышенным давлением не имеет выпускного патрубка, через который может выходить текучая среда, поступающая из впускного патрубка 3. Давление, воздействующее на верхнюю переднюю поверхность 12, т.е. переднюю поверхность, обращенную к бугельному узлу 18, воздействует на элемент 6 основного клапана по направлению к седлу 7 основного клапана. То же давление воздействует на противоположную переднюю поверхность 11, однако, на меньшую область, поскольку седло 7 клапана закрывает часть передней поверхности 11. В участке передней поверхности, закрытой седлом 7 основного клапана, существует низкое давление.
Разность сил на элементе 6 основного клапана обеспечивает перемещение элемента 6 основного клапана по направлению к седлу 7 основного клапана, так что в результате элемент 6 основного клапана начинает упираться в седло 7 основного клапана и средство 5 в виде основного клапана закрывается, как показано на фиг. 1. В этом процессе также участвует закрывающая пружина 28