КЛАПАН-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ КАНАЛОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE SWITCH VALVE

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для газовых систем высокого давления.
Известен клапан-переключатель каналов высокого давления - пироклапан [патент РФ №2421648, F16K 17/14, опубл. 20.06.2011, бюл. №17], содержащий корпус с впускными и выпускными отверстиями, с разделенными перемычкой полостями, в одной из которых размещены на одной оси пирокамера и поршень, снабженный штоком с пробойником, выполненную за одно целое со штоком коническую пробку, установленную с возможностью заклинивания в ответном коническом седле, выполненном в полости корпуса. Коническая пробка выполнена с двухслойной структурой, а перемычка, разделяющая полости в корпусе, выполнена за одно целое с корпусом.
Данный клапан обеспечивает надежность в работе при высоких давлениях.
К недостаткам известного пироклапана можно отнести сложность конструкции, требуется повышенная точность изготовления запорных поверхностей деталей, технологическая сложность в части обеспечения адгезии двухслойной структуры на конических поверхностях, требуется повышенное усилие на поршень при срабатывании пироклапана, возможность отхода поршня при длительной выдержке в сработанном состоянии, что приведет к потере герметичности «отсеченного» канала.
Известен клапан-переключатель каналов высокого давления - пироклапан [патент РФ №2362078, МПК F16K 17/14, опубл. 20.07.2009], который содержит корпус, в котором (в управляющей полости) установлены на одной оси пиротехнический привод (пиросредство) и поршень, вскрываемый элемент (входной патрубок), расположенный перпендикулярно направлению движения поршня и загерметизированный заглушкой (срезаемым элементом) с помощью сварки.
Соосно с управляющей полостью расположена боковая полость с соосно расположенными вскрываемым элементом (входным патрубком) и выходным патрубком канала подачи рабочего тела (жидкости или газа). Боковая полость снабжена гасителем удара и дополнительным поршнем с глухим каналом, в донную часть которого упирается заглушка.
Известный пироклапан обеспечивает защиту канала от попадания срезного элемента (заглушки) или его фрагментов, что повышает надежность его работы, и может быть применен как для газовых, так и жидкостных систем.
Вместе с тем он имеет ряд недостатков, которые все же ограничивают его область применения и снижают надежность и герметичность.
1) Входной патрубок (вскрываемый элемент), в зависимости от условий эксплуатации, может быть изготовлен:
- полностью из нержавеющей стали 12Х18Н10Т;
- сварным со срезным элементом (заглушкой) из алюминиевого сплава;
- сборным со срезным элементом (заглушкой) из фторопласта.
Предлагаемое исполнение входного патрубка (вскрываемого элемента) полностью из нержавеющей стали не исключает уменьшение его проходного сечения при срабатывании клапана из-за пластичности стали 12Х18Н10Т.
Сварное со срезным элементом (заглушкой) из алюминиевого сплава исполнение входного патрубка (вскрываемого элемента) вызовет технологические сложности выполнения сварки разнородных материалов (стали и алюминиевого сплава).
Сборное со срезным элементом (заглушкой) из фторопласта исполнение входного патрубка (вскрываемого элемента) сложно по конструкции и не исключает потерю герметичности.
2) Срезной элемент (заглушка) известного пироклапана разрушается в основном только от напряжений сдвига, данное обстоятельство потребует повышенного усилия, создаваемого пиросредством.
3) Используемые для уплотнения материалы фторопласт и резина не обеспечивают необходимую герметичность - не исключают прорыва высокотемпературных газовых продуктов от срабатывания пиросредства, что может снизить надежность известного клапана при срабатывании.
4) Значительное количество деталей известного пироклапана увеличивает его стоимость и также может неблагоприятно сказаться на его надежности.
5) Известный пироклапан требует дополнительную герметизацию мест подсоединения входного патрубка (вскрываемого элемента) и выходного патрубка с магистралью объекта, в котором он применяется, что также может накладывать ограничения на его использование в системах ответственного назначения, где предъявляются повышенные требования по герметичности, например, из-за необходимости сохранения повышенного давления в системе в течение очень длительного срока.
Известен клапан-переключатель каналов высокого давления - клапан пиротехнический (варианты) [патент РФ №2641789, МПК F16К 17/14, опуб. 22.01.2018], который по первому варианту исполнения содержит корпус, в котором установлен поршень, взаимодействующий при срабатывании клапана с вскрываемым элементом - трубопроводом, который расположен перпендикулярно направлению движения поршня и загерметизирован заглушкой с помощью сварки.
Клапан обеспечивает высокую герметичность в исходном состоянии (до срабатывания) и надежность работы.
Однако клапан обеспечивает только разгерметизацию каналов, при этом зона соединения каналов имеет недостаточную герметичность. При срабатывании клапана не исключено попадание продуктов горения пиросостава привода в зону переключения каналов.
Известен клапан-переключатель каналов высокого давления - пироклапан [патент РФ №2289746, МПК F16K 17/14, опубл. 20.12.2006], содержащий корпус с одним впускным и двумя выпускными отверстиями и с установленным в осевом отверстии корпуса поршнем с коническим штоком (конической пробкой), одно из выпускных отверстий загерметизировано разрушаемым элементом в виде перемычки. Перемычка разделяет полость корпуса на изолированные друг от друга объемы. На штоке со стороны перемычки установлен пробойник, диаметр которого превышает диаметр штока. Коническая пробка размещена между штоком и поршнем, жестко связана со штоком и установлена с возможностью заклинивания выполненного в полости корпуса ответного конического седла и разобщения впускного и выпускного отверстий.
Известный пироклапан при срабатывании обеспечивает герметичное перекрытие одного выпускного отверстия и вскрытие второго выпускного отверстия с подсоединением его к впускному отверстию. Известный пироклапан рассматривается в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что срабатывание пироклапана обеспечивается перемещением поршня пиросредством, реализуемая энергетика которого в значительной степени зависит от температурных условий окружающей среды, технологии изготовления, условий и сроков хранения. По этой причине для обеспечения надежного переключения каналов высокого давления, подсоединенных к впускному и выпускным отверстиям, мощность пиросредства выбирается со значительными запасами и, как следствие, срабатывание пироклапана сопровождается виброударными воздействиями в конструкции объекта использования, которые могут привести к разрушениям его элементов конструкции, а также вызвать отказ других применяемых в объекте использования приборов и устройств.
Также в известном пироклапане при его срабатывании продукты горения пиросредства могут через зазоры между поршнем и стенкой корпуса проникнуть в зону перекрываемого выпускного отверстия, что в некоторых случаях может ограничивать область применения пироклапана.
Кроме того, прототип для предотвращения попадания разрушенных элементов конструкции (при вскрытии заглушенного выпускного отверстия) в газовые магистрали с возможным перекрытием их пропускных сечений необходимо оснащать специальным ловителем, усложняя конструкцию пироклапана.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение герметичности и надежности срабатывания переключателя каналов высокого давления с исключением создания при срабатывании значительных (критичных для объекта использования) виброударных воздействий.
Указанный технический результат достигается тем, что клапан-переключатель каналов высокого давления, содержащий корпус с одним впускным и двумя выпускными отверстиями, и с установленным в осевом отверстии корпуса подвижным поршнем с коническим штоком, переключающим выпускные отверстия, одно из выпускных отверстий загерметизировано разрушаемым элементом, отличающийся тем, что на корпусе, выполненном из немагнитного металла, размещена низкоомная обмотка, запитываемая импульсным током, а в поршне размещен постоянный высокоэнергетический магнит, намагниченный в осевом направлении, при этом конический наконечник штока выполнен за одно целое с расширяющимся к поршню цилиндрическим основанием, образующим ступень, взаимодействующую с разрушаемым элементом загерметизированного выпускного отверстия, а перекрываемое коническим наконечником второе выпускное отверстие оснащено втулкой из пластичного металла.
Выполнение корпуса из немагнитного металла, а также использование низкоомной обмотки, запитываемой импульсным током и размещение в поршне постоянного высокоэнергетического магнита, намагниченного в осевом направлении, позволяет обеспечить на поршне значительную механическую энергию, достаточную для вскрытия загерметизированного (заглушенного) выпускного отверстия и надежную герметизацию ранее открытого выпускного отверстия с исключением создания при срабатывании значительных (критичных для объекта использования) виброударных воздействий. При этом зона переключения каналов герметично изолирована от внешней среды как до, так и после срабатывания переключателя каналов высокого давления.
Размещение постоянного магнита в поршне также обеспечивает сохранение исходного состояния поршня, и как следствие заявляемого клапана-переключателя, при его эксплуатации до подачи импульса тока на обмотку.
Выполнение конического наконечника штока за одно целое с расширяющимся к поршню цилиндрическим основанием, образующим ступень, взаимодействующую с разрушаемым элементом загерметизированного выпускного отверстия, обеспечивает надежное вскрытие загерметизированного выпускного отверстия при ограниченной энергии поршня, так как комбинированное нагружение разрушаемого элемента (срез и изгиб) - самое оптимальное для его удаления.
Оснащение второго выпускного отверстия, перекрываемого коническим наконечником поршня, втулкой из пластичного металла позволяет снизить требуемое усилие перекрытия с обеспечением надежной герметизации выпускного отверстия после срабатывания клапана-переключателя. Причем повышенное давление в газовой магистрали будет способствовать сохранению герметичности.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения герметичности и надежности срабатывания переключателя каналов высокого давления с исключением создания при срабатывании значительных (критичных для объекта использования) виброударных воздействий.
Наличие в заявляемом изобретении предложенной совокупности признаков, существенно отличающих их от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию "новизна".
Новые признаки не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведен общий вид клапана-переключателя каналов высокого давления в исходном состоянии (в разрезе).
На фиг. 2 - общий вид клапана-переключателя каналов высокого давления в сработанном состоянии.
Устройство выполнено следующим образом.
Клапан-переключатель каналов высокого давления (фиг. 1) состоит из корпуса 1 и установленного в его цилиндрическом осевом отверстии подвижного поршня 2 со штоком. Корпус имеет одно впускное 3 и два выпускных отверстия. Одно из выпускных отверстий 4 загерметизировано разрушаемым элементом в виде заглушки 5. Шток выполнен ступенчатым с коническим наконечником 6, выполненным за одно целое с расширяющимся к поршню цилиндрическим основанием 7, образующим ступень, взаимодействующую с заглушкой 5. Конический наконечник 6 штока установлен с возможностью перекрытия второго выпускного отверстия 8, снабженного втулкой 9 из пластичного металла, например из никеля. Втулка 9 герметично впаяна в отверстие 8 на его выходном участке. На корпусе 1 размещена обмотка 10, выполненная из провода значительного сечения и, как следствие, имеющая небольшое омическое сопротивление и индуктивность, вследствие чего обеспечивающая при подаче на нее импульсного тока перемещение поршня 2 со значительным ускорением, обеспечивая передачу ему механической энергии, достаточной для вскрытия и герметизации соответствующих 4, 8 выпускных отверстий. В поршне 2 размещен высокоэнергетический, например самарий-кобальтовый, постоянный магнит 11, намагниченный в осевом направлении. Применение указанного магнита исключает его размагничивание при эксплуатации заявляемого клапана-переключателя каналов высокого давления от внешних электромагнитных полей, а также от подачи на обмотку 6 напряжения обратной полярности. Коническая форма наконечника 6 штока и втулка 9 из пластичного металла обеспечивают надежную герметизацию выпускного отверстия 8 при срабатывании клапана-переключателя. При этом значительно снижается требуемое усилие перекрытия выпускного отверстия 8 при срабатывании клапана-переключателя и обеспечивается сохранение перекрытого состояния после его срабатывания. Меньшее усилие не потребует передачи поршню 2 излишней механической энергии, создающей при срабатывании клапана-переключателя критичные для объекта использования виброударные воздействия.
Обмотка 10 помещена между наружным кожухом 12 и внутренним кольцом 13 с фланцем 14. Кожух 12 и внутреннее кольцо 13 с фланцем 14, выполненные, например, из электротехнической стали, выполняют функции магнитопровода электромагнитного привода с обмоткой 10.
Для сохранения целостности при виброударных воздействиях магнит 11 размещен в оболочке 15.
Поршень 2 перемещается в осевом направлении электромагнитным приводом с обмоткой 10.
Размещение постоянного магнита 11 в поршне 2 обеспечивает сохранение исходного состояния поршня 2 (за счет примагничивания поршня 2 к торцу внешнего кожуха 12), а следовательно, и заявляемого клапана-переключателя при его эксплуатации до подачи импульса тока на обмотку 10.
Клапан-переключатель каналов высокого давления работает следующим образом.
В исходном состоянии заявляемого клапана-переключателя (фиг. 1) впускное отверстие 3 (входной канал А трубопровода высокого давления) соединен с выпускным отверстием 8 (выходным каналом Б трубопровода высокого давления).
При подаче импульсного тока с коротким передним фронтом, например от заряженного конденсатора большой емкости, на обмотку 10 поршень 2 начинает перемещаться в корпусе 1 в осевом направлении. Шток поршня торцом цилиндрического основания 7 разрушает место крепления заглушки 5, открывая выпускное отверстие 4, а коническим наконечником 6 - герметично перекрывает отверстие 8.
Установленная в отверстии 8 втулка 9, выполненная из пластичного металла, обеспечивает герметичность закрытия канала Б. Клапан-переключатель каналов переходит в сработанное (переключенное) состояние (фиг. 2), при котором входной канал А (отверстие 3) соединяется с выходным каналом В (отверстие 4) трубопровода высокого давления.
Использование низкоомной обмотки 10, запитываемой значительным импульсным током, например от заряженного конденсатора, и размещение в поршне 2 постоянного высокоэнергетического магнита 11, намагниченного в осевом направлении, позволяет обеспечить на поршне 2 значительную механическую энергию, достаточную для разгерметизации закрытого (заглушенного) канала В и надежной герметизации ранее открытого канала Б. При этом зона переключения каналов, герметично изолирована от внешней среды как до, так и после срабатывания клапана - переключателя каналов высокого давления. Импульсный ток, подаваемый на обмотку 10, возможно ограничивать, исключая передачу поршню 2 излишней механической энергии, создающей при срабатывании клапана-переключателя критичные для объекта использования виброударные воздействия. Размещение постоянного магнита 11 в поршне 2 обеспечивает сохранение исходного состояния поршня 2, а следовательно, и заявляемого клапана-переключателя, при его эксплуатации до подачи импульса тока на обмотку 10.
Оснащение штока коническим наконечником 6, взаимодействующим с выпускным отверстием 8 с размещенной в нем втулки 9 из пластичного металла обеспечивает надежную герметизацию отводного канала Б после срабатывания клапана - переключателя. Причем повышенное давление в газовой магистрали будет способствовать сохранению герметичности.
Таким образом, при применении заявляемого клапана переключателя каналов высокого давления обеспечивается герметичность и надежность срабатывания клапана-переключателя каналов высокого давления при исключении создания значительных (критичных) виброударных воздействий при срабатывании.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в газовых системах высокого давления;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить герметичность и надежность срабатывания клапана-переключателя каналов высокого давления с исключением создания при срабатывании значительных (критичных для объекта использования) виброударных воздействий.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».