Герметичный вентиляционный клапан
SEALED VENTILATION VALVE

Данный клапан относится к системам вентиляции и предназначен для защиты вентиляционных каналов от воздействия воздушных ударных волн и предотвращения проникновения газовоздушной среды с повышенным давлением и (или) повышенным содержанием отравляющих и радиоактивных веществ, а также бактериологических средств во внутренние вентилируемые помещения сооружений. Изобретение относится также к области противопожарной техники, решающей задачи сопротивления воздействию пожара и распространению факторов, вызванных пожаром.
Из патентной документации известны вентиляционные клапаны (в том числе со средствами защиты от ударных воздушных волн и средствами термозащиты), при этом известные клапаны характеризуются тем, что каждый из них содержит корпус с установленным в нем клапанным элементом, соединенным с приводом закрывания и открывания этого элемента (CZ 2653 U1, 18.01.1995. GB 498169 A, 04.01.1939. EP 0118230, 12.09.1984. RU 2470683 С1, 27.12.2012. RU 9747 U1, 16.05.1999).
В указанном патенте RU 9747 U1 раскрыт клапан со средствами термозащиты, который содержит корпус с входным и выходным отверстиями, по крайней мере, одну поворотную заслонку с осью, установленную в корпусе между указанными отверстиями, и механизм поворота заслонки. Клапан имеет изготовленное из термовспучивающегося материала уплотнение на внутренней поверхности корпуса в зонах напротив боковым поверхностям заслонки в ее закрытом положении. Заслонка выполнена в виде короба, стенки которого изготовлены из огнестойкого материала и образуют полость, заполненную базальтовым волокном.  На внутренних поверхностях стенок корпуса закреплен термовспучивающийся материал уплотнения. Уплотнение заслонки выполнено в виде замкнутой полости, ширина которой не менее толщины заслонки, которая установлена с зазором по отношению к уплотнению. При этом величина зазора составляет 0,1-3 мм. Заслонка выполнена в виде сборки из двух, обращенных друг к другу внутренними поверхностями элементов, которые соединены между собой, при этом один элемент размещен в другом элементе. Заслонка может быть выполнена из листов огнестойкого материала, между которыми расположены присоединенные к ним элементы жесткости или она может быть выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, или в виде диска, за пределы которого ось выступает на большее расстояние со стороны расположения механизма поворота заслонки, при этом ось выступает за пределы заслонки на большее расстояние в месте расположения механизма поворота заслонки. Боковые кромки уплотнения выступают за пределы соответствующих плоскостей, совпадающих с лицевыми поверхностями, на расстояние в пределах 0,5-5мм. Высота слоя термовспучивающегося материала составляет 2-5мм. На смежных боковых поверхностях заслонок предусмотрены выступы и зафиксированы полоски, изготовленные из термовспучивающегося материала. Механизм поворота заслонки расположен в дополнительном корпусе, который установлен на внешней поверхности корпуса (RU 9747 U1, 16.05.1999) .
В другом патенте RU 2470683 С1 раскрыто противопожарное устройство, включающее прямоточный корпус и закрепленный внутри корпуса составной запорный элемент, привод перемещения запорного элемента для открывания и закрывания прямоточного корпуса, и противопожарную заслонку, закрепленную на запорном элементе, выполненную из термостойкого материала с эффектом памяти формы, при этом заслонка имеет форму, которая не перекрывает отверстие прямоточного корпуса при температуре ниже температуры начала формовосстановления, и форму, полностью перекрывающую отверстие корпуса при температуре выше температуры конца формовосстановления. Заслонка выполнена в виде диска, периферийный край которого при температуре ниже температуры начала формовосстановления загнут, причем периферийная часть диска заслонки выполнена из материала с эффектом памяти формы, а внутренняя часть заслонки выполнена из титана, при этом запорный элемент содержит термостойкое уплотнение (RU 2470683 С1, 27.12.2012).
В GB 498169 A раскрыто техническое решение, направленное на повышение надежности работы клапана, содержащего откидную створку, содержащую клапанный элемент, который удерживается поворотным опорным рычагом, элемент прикреплен к рычагу шпинделем c для перемещения и посадки клапана, между этими двумя частями расположена пружина для компенсации люфта и предотвращения вибрации клапанного элемента в открытом положении. Рычаг прикреплен к валу, который установлен в подшипниках в проушинах, образованных на съемной крышке.
В патенте EP 0118230 раскрыт привод для поворотного клапана, имеющего поворотный запорный элемент, при этом привод содержит корпус, устанавливаемый на клапане рядом с запорным элементом клапана, элемент выходного вала, установленный с возможностью поворота в корпусе и приспособленный для соединения с элементом закрытия клапана, так что вращение элемента выходного вала влияет на поворот упомянутого элемента закрытия.
В описании патента CZ 2653 U1 раскрыт воздушный клапан, имеющий средства защиты от пожара, причем клапан содержит цилиндрический кожух с круглой створкой заслонки, предназначенный для воздуховодов круглого сечения, створка заслонки выполнена поворотной параллельно оси вращения цилиндрического кожуха. Положение створки в открытом положении обеспечивается рычагом управления. Штифт, закрепленный в одной из сторон створки, проходит через стенку кожуха и соединенную с ней защитную панель, служащую для крепления элементов управления противопожарным клапаном.
Близкими решениями к представленному в данном описании изобретению являются решения, раскрытые в Каталоге продукции ЗАО Московский Механический Завод Специального Оборудования. 2015-2020. Клапаны герметичные вентиляционные МА. В каталоге раскрыт клапан герметичный вентиляционный типа МА, предназначенный для установки  в воздуховодах вентиляционных систем, причем клапан содержит корпус, соединенный с ним корпус электропривода для закрывания и открывания клапана с пульта управления, а также ручной привод, включающий маховик с рукояткой ручного привода для открывания и закрывания клапана вручную, при этом ручной привод установлен в корпусе электропривода и соединен с редуктором электропривода (http://mmzso.ru/production/klapani/klapani_germeticheskie_ventilyatsionnie).
Также близкими техническими решениями к представленному в данном описании изобретению являются клапаны систем вентиляции, каждый из которых содержит корпус с воздушным проёмом, в котором расположена поворотная тарель в виде диска, корпус клапана имеет обечайку и фланцы корпуса, тарель через механизм  привода связана с валом, установленным в корпусе клапана и соединенным с маховиком ручного аварийного привода тарели (RU 2386876 С2, 20.04.2010. RU 2386877 С2, 20.04.2010. RU 2374543 C1, 27.11.2009. RU 2413110 С2, 27.02.2011).
В вышеуказанном патенте RU 9747 U1 раскрыто решение термозащиты клапана, имеющее сходные общие признаки с изобретением, представленным в данном описании. К таким признакам относятся, что каждое решение имеет средства термозащиты – известный термовспучивающийся в пожарной технике материал, служащий для уплотнения заслонки (в изобретении – тарель) когда она закрыта при её нагревании, при этом заслонка выполнена в виде короба, стенки которого содержат огнестойкий материал, внутренняя полость заслонки заполнена теплоизоляцией, на внутренних поверхностях стенок корпуса имеется термовспучивающийся материал, при этом заслонка выполнена в виде диска, а на смежных боковых поверхностях клапана зафиксированы полоски из термовспучивающегося материала (RU 9747 U1, 16.05.1999).
Раскрытые в патенте RU 9747 U1 средства термозащиты расположены так, что в результате вспучивания материала он препятствует повороту заслонки в обратном направлении и исключает функционирование клапана после вспучивания материала. Это приводит к невозможности использования клапана для снижения давления воздуха на эвакуационную дверь при включенной вентиляционной системе дымоудаления. В этой связи компоновку известных средств защиты по патенту RU 9747 U1 невозможно применить в конструкции герметичного вентиляционного клапана, который представлен в настоящем описании изобретения.
В описании патента RU 2386877 С2 раскрыт наиболее близкий к представленному в настоящем описании изобретению клапан герметический вентиляционный защитный, содержащий корпус, в котором поворотно установлена тарель с проушиной, приводной вал, рычаг, жёстко соединённый с приводным валом, при этом средняя часть рычага шарнирно связана с проушиной тарели, а между рычагом и тарелью последовательно установлены, по крайней мере, одна пружина и регулятор сжатия пружины, причем на корпусе установлен электродвигатель, вал которого через редуктор связан с приводным валом клапана, а приводной вал клапана связан через шестерню редуктора со съемной рукояткой ручного поворота приводного вала, при этом приводной вал расположен в корпусе клапана (RU 2386877 С2, 20.04.2010 – прототип).
Общими признаками прототипа и представленного в данном описании изобретения являются такие признаки, что каждый из них является герметичным вентиляционным клапаном, содержащим корпус с воздушным проёмом, в котором расположена поворотная тарель в виде диска, корпус клапана имеет обечайку и фланцы корпуса, между тарелью и фланцем корпуса расположено кольцевое уплотнение, тарель через механизм  привода связана с валом, который связан с втулкой рычага  привода тарели, при этом вал установлен одним концом в корпусе клапана, а другим концом вал установлен в корпусе электропривода и соединен с маховиком ручного аварийного привода тарели, расположенным на корпусе электропривода, при этом клапан оснащен соединенными с фланцами корпуса ответными фланцами для их присоединения к несущему элементу воздуховода системы вентиляции.
Клапан, раскрытый в прототипе не в полной мере отвечает повышенным требованиям его надёжности в тяжёлых условиях работы при больших температурах нагрева и при больших воздействиях ударных воздушных волн. Это связано с тем, что при чрезмерном нагреве происходит  нарушение герметичности клапана вследствие выгорания и разрушения резинового уплотнения тарели, происходит нарушение герметичности клапана вследствие коробления подверженных нагреву деталей, при этом плотность прилегания тарели к седлу корпуса уменьшается. При нагреве деталей клапана снижаются также механические характеристики материала деталей и их прочность, что приводит к снижению прочности клапана в целом и потере его защитных функций. В результате происходит распространение теплового потока и недопустимый нагрев трубопровода системы вентиляции вентилируемых помещений, находящихся за клапаном по ходу движения воздуха.
Клапан прототипа не отвечает также повышенным требованиям надежности работы в указанных тяжелых условиях вследствие того, что в прототипе кольцевое уплотнение закреплено на подвижной тарели, воспринимающей на себя динамические  нагрузки и вследствие этого уплотнение в большей мере подвержено повреждениям, при этом тарель полностью открыта для лобового давления на неё ударной воздушной волны. Через тарель воспринимает на себя динамические нагрузки механизм привода перемещения тарели в положениях закрыто и открыто, а также в промежуточном положении, что отрицательно влияет на надежность работы механизма и клапана.
Техническим результатом представленного в данном описании изобретения является повышение надежности клапана.
Данный технический результат получен герметичным вентиляционным клапаном, содержащим корпус с воздушным проёмом, в котором расположена поворотная тарель в виде диска, корпус клапана имеет обечайку и фланцы корпуса, между тарелью и фланцем корпуса расположено кольцевое уплотнение, тарель через механизм  привода связана с валом, который связан с втулкой рычага привода тарели, при этом вал установлен одним концом в корпусе клапана, а другим концом вал установлен в корпусе электропривода и соединен с маховиком ручного аварийного привода тарели, расположенным на корпусе электропривода, клапан оснащен соединенными с фланцами корпуса ответными фланцами для их присоединения к несущему элементу воздуховода системы вентиляции, причем расположенный напротив тарели ответный фланец выполнен с коническим сужающимся наружу раструбом, корпус клапана имеет ограничитель, упирающийся в выступ, выполненный на втулке рычага привода тарели при ограничении поворота вала в процессе открытия клапана, между каждым фланцем корпуса и прилегающим к нему ответным фланцем выполнены расположенные с наружной стороны клапана кольцевые выточки для увеличения площади теплоотвода, кольцевое уплотнение закреплено на фланце корпуса клапана, тарель и корпус клапана выполнены теплоизолированными теплоизолирующим материалом, в каждом фланце корпуса - в его кольцевом углублении установлено контактирующее с прилегающим к нему ответным фланцем уплотнительное термостойкое упругое кольцо и рядом с этим кольцом в каждом фланце корпуса и в каждом ответном фланце выполнены кольцевые проточки, расположенные напротив друг друга, при этом в проточке каждого фланца корпуса установлена терморасширяющаяся лента, а в проточке каждого ответного фланца образована воздушная полость под расширяемую при нагреве терморасширяющуюся ленту, при этом терморасширяющиеся ленты установлены также в радиальных кольцевых проточках на наружной стороне корпуса тарели вблизи её торца, а также напротив этой ленты - на прижимном кольце крепления кольцевого уплотнения тарели.
Теплоизолирующий материал тарели расположен в полости тарели, образованной диском тарели и жестко связанной с ней обечайкой тарели, при этом с противоположной стороны от пластины тарели теплоизолирующий материал в полости тарели с его нижней стороны закрыт листом, жестко прикрепленным к обечайке тарели, а теплоизолирующий материал корпуса клапана расположен в полости, образованной обечайкой корпуса клапана и стаканом, которым оснащена обечайка с её внутренней стороны и который прикреплен к обечайке корпуса, причем диск тарели, её обечайка и внутренняя поверхность стакана покрыты огнезащитной терморасширяющейся композицией.
На фиг. 1 показан общий вид защитного воздушного клапана.
На фиг.2 – разрез А-А на фиг.1 с местом Б на разрезе.
На фиг.3 – положение тарели клапана в закрытом положении.
На фиг.4– положение тарели клапана в приоткрытом положении при
повороте вала тарели на 20-25°.
На фиг.5– положение тарели клапана в открытом положении.
На фиг.6 – взаимное расположение вала, выступа ограничителя и
ограничительного выступа втулки.
Защитный воздушный клапан содержит корпус 1 (фиг.1), соединенный с корпусом 2 электропривода, который включает электродвигатель 3 электропривода вала 26 клапана. В корпусе 1 установлен аварийный ручной привод поворота вала 26 с маховиком 4, служащим для открывания и закрывания клапана в случае его обесточивания. В корпусе 1 клапана образована полость 5 (фиг.2), через которую при открытом клапане осуществляется проход воздушной среды в вентилируемое помещение.
Корпус 1 клапана представляет собой стальную сварную конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки 6 с приваренными к ней фланцами 7 и 8. На фланце 8 закреплено резиновое  уплотнение 9. На внешней поверхности обечайки, между фланцами 7 и 8 расположены ребра жёсткости 10, приваренные к обечайке. В обечайке корпуса имеются два отверстия, в которые вварены втулки 11 и 12 (фиг.1). К втулке 12 посредством фланца 14 приварены ребра 13 жёсткости. Фланец 14 также приварен к втулке 12 и предназначен для установки на нём корпуса 2 электропривода.
Клапан имеет выполненную в виде диска тарель 15 (фиг.2) с обечайкой 16, жестко соединенной с диском тарели 15. Тарель является запорным органом, обеспечивающим герметичное перекрытие проходного сечения клапана. Диск тарели 15 и её обечайка 16 образуют полость под термоизолирующий материал.
К диску тарели 15 с внешней стороны приварены проушина 17 (фиг.1) с отверстием для установки в нем оси 18, а также приварены упоры для пружин 19 (на фиг.2 показана одна пружина, остальные пружины расположены параллельно первой пружине в рычаге 25 на фиг.1 Пружин может быть несколько, в зависимости от диаметра и веса тарели.
Внутренняя полость тарели 15  заполнена теплоизолирующим материалом 20 (фиг.2). Со стороны, противоположной диску тарели, внутренняя полость и теплоизолирующий материал 20 закрыты листом 21, соединенным с обочайкой 16. Наружные поверхности 22 тарели и листа 21 покрыты слоем огнезащитной терморасширяющейся композиции 48.
В корпусе 1 клапана установлен стакан 23, поверхность которого, обращённая внутрь клапана, покрыта слоем огнезащитной терморасширяющейся композиции 48. Между стаканом 8 и обечайкой 6 корпуса расположен теплостойкий теплоизолирующий  материал 24.
Клапан содержит также рычаг 25 (фиг.1,2), связанный с валом 26 шпонкой 27. Рычаг 25 подпружинен пружинами 19 и он поджимает тарель 15 к уплотнению 9 корпуса 1. Рычаг 25 представляет собой сварной узел, состоящий из втулки со шпоночным пазом, двух стенок и скобы. В стенках рычага 25 имеются отверстия для установки оси 18 (фиг.2). Рычаг закреплён от перемещения на валу 26 винтами 28 (фиг.1). Тарель 15 соединена с рычагом 25 осью 18.
Клапан имеет пружины 19 (фиг.2), которые предназначены для стабилизации рабочего положения тарели 15 в открытом состоянии в потоке рабочей среды. Вал 26 установлен во втулках скольжения 29, расположенных во втулках крепления 11 и 12, закрепленных в корпусе 5. На валу 26 и во втулках 29 установлены уплотнительные кольца 30.
В термостойком исполнении  клапана его кольца 30 выполнены из термостойкого материала. В другом исполнении кольца 30 могут быть выполнены из прочной резины.
От осевого перемещения вал 26 удерживается закреплёнными на нём ограничителем 31 со штифтом 32 и кольцом 33 со стопорными винтами.
Клапан имеет ответные фланцы 34 и 35 (фиг.2), которые привариваются к воздуховоду системы вентиляции в процессе монтажа клапана. Фланец 34 представляет собой стальное кольцо с отверстиями для крепления к корпусу 1 клапана. Фланец 35 представляет собой сварную конструкцию, включающую обечайку с отверстиями для крепления к корпусу клапана и коническую обечайку 36 в виде раструба, которая закреплена на обечайке фланца 35. Обечайка 36 обеспечивает плавный переход места соединении фланца 35 с трубопроводом воздуховода.
Уплотнение стыков фланцев 7 и 8 корпуса 5 с соответствующими ответными фланцами 34 и 35 выполнено резиновыми кольцами 38 (фиг.2), при этом предусмотрена дополнительная герметизация указанных стыков при предельном нагревании клапана, например, в случае пожара. Для этого в местах стыков установлена огнезащитная лента 37 из терморасширяющегося при предельной температуре материала.  Лента 37 установлена: в проточке тарели на её боковой стороне вблизи торца тарели, в проточках фланцев 7 и 8 корпуса, в проточке колец, прижимающих уплотнение 9. При этом с целью снижения теплопередачи через фланцы 7 и 8, 34 и 35 в них выполнены выточки 39. Огнезащитные терморасширяющиеся ленты 37 в указанных местах обеспечивает герметизацию места стыка тарели и корпуса при воздействии на них высоких температур.
Рычаг 25 (фиг.2) включает втулку 40, соединенную с валом 26, две стенки 41 рычага и две скобы 42, при этом в стенках 41 рычага 25 имеются отверстия, в которых расположена ось 18 поворота на ней тарели 15, а также упоры 43 с пружинами 19, причём упоры 43 соединены со стенками 41. Для взаимодействия с втулкой 40 и ограничения поворота вала 26 при открытии клапана служит ограничитель 44 (фиг.6), упирающийся своим выступом в выступ втулки 40 рычага 25. Ограничитель 44 закреплен на корпусе 1 клапана вблизи вала 26.
Уплотнение 9 закреплено на фланце 8 прижимным кольцом 45, соединенным с фланцем 8 болтами. Напротив лент 37, которые расположены во фланцах 7 и 8, в ответных фланцах 34 и 35 выполнены воздушные полости 46. Для регулировки усилия сжатия пружин  19 использованы винты 47 (фиг.1), установленные между тарелью 15 и рачагом 25 (фиг.3).
Теплоизолирующий материал 20 тарели (фиг.2) расположен в полости тарели, образованной диском тарели и жестко связанной с ним обечайкой 16 тарели, при этом с противоположной стороны от пластины тарели теплоизолирующий материал 20 тарели с его нижней стороны закрыт листом 21, прикрепленным  к обечайке 16 тарели. Теплоизолирующий материал 24 корпуса клапана расположен в полости, образованной обечайкой 6 корпуса клапана и стаканом 23, которым оснащена обечайка с её внутренней стороны.  Стакан 23 прикреплен к обечайке 6 корпуса клапана с внутренней стороны обечайки. Диск тарели, её обечайка 16 и внутренняя поверхность стакана 23 покрыты огнезащитной терморасширяющейся композицией 48 (фиг.2).
Работает клапан следующим образом. В закрытом положении клапана тарель 15 находится в положении, показанном на фиг.3. Открытие клапана от действия электропривода происходит путем передачи момента вращения от электродвигателя 3 на вал 26 клапана, который через рычаг 25 приводит в движение тарель 15. При повороте вала 26 (фиг.1) от электропривода движение передается через муфту и рычаг 25  на тарель 15, обеспечивая поворот тарели вокруг оси 18 и прижим тарели к уплотнению 9.
При повороте вала 26 на угол 20-25° (фиг.4) тарель 15 приоткрывается и отходит от седла корпуса 1, при этом тарель смещается от седла так, как это показано на фиг.4.  Тарель поворачивается на оси 18 и сохраняет положение параллельно плоскости седла за счёт усилия пружин 19. Тарель одновременно отходит от седла за счёт поворота рычага 25 вместе с валом 26. При повороте вала 26 и рычага 25 на угол в пределах до 20-25º от исходного положения втулка 40 (фиг.6) рычага упирается в тарель и тарель прижимается к рычагу под действием пружин 19. При этом поворот тарели на оси 18 прекращается и тарель начинает поворачиваться вместе с осью. При дальнейшем повороте вала 26 тарель 15 вместе с рычагом и валом разворачиваются и устанавливаются параллельно оси прохода клапана (фиг.5). Для ограничения поворота вала 26 при открытии клапана служит ограничитель 44 (фиг.6), упирающийся своим выступом в выступ втулки 40 корпуса.
При нагревании клапана до предельной температуры или в случае пожара, при тепловом воздействии со стороны фланцев 34 и 35 (фиг.2) ленты 37 также нагреваются и многократно расширяется в объёме. Одновременно начинает расширяться в объёме терморасширяющееся покрытие композиции 48, нанесённое на диск тарели 15 и стакан 23, перекрывая путь тепловому потоку в зазор между тарелью и седлом клапана и другие зазоры,  герметично закупоривая эти зазоры. Лента 37, расположенная в проточке 46 фланца, при своём расширении герметизирует стык фланцев 8 и 34, а также стык  фланцев 7 и 35. При тепловом воздействии со стороны фланца 35 лента 37 при  расширении заполняет зазор между кольцами 45 и торцевой поверхностью тарели 15. Одновременно начинает расширяться в объёме терморасширяющееся покрытие, нанесённое на торцовую поверхность тарели 15 и на поверхность стакана 23, обращённую внутрь клапана, перекрывая и герметизируя место контакта тарели и седла клапана.
Передаче тепла из одной части клапана в другую через тарель препятствует также теплоизоляция 20 тарели, а передаче тепла из полости клапана наружу препятствует теплоизоляция 24, размещённая между обечайкой 6 клапана и стаканом 23.
Технический результат получен тем, что при ударе воздушной волны и одновременно с этим чрезмерном нагреве клапана он оказывает на заданном отрезке времени сопротивление усилиям коробления частей и разгерметизации, что существенно повышает надежность клапана при его работе в указанных условиях.
Клапан рассчитан на любое установочное расположение, допускаемое габаритами электропривода, и на любое управление клапаном, в том числе вручную в аварийных ситуациях. При установке на вертикальном трубопроводе, расположение тарели клапана должно быть выше седла корпуса клапана в закрытом положении, а при установке клапана на горизонтальном воздуховоде предусмотрена установка клапана так, что его привод находится в верхней полусфере воздуховода относительно его горизонтальной оси.
Клапан  рассчитан на его использование в запорных устройствах на воздуховодах вентиляционных систем, в запорных устройствах на воздуховодах систем кондиционирования воздуха, в противопожарных нормально открытых системах общеобменной и аварийной вентиляции, в системах местных отсосов и кондиционирования воздуха, установленных на воздуховоде за пределами ограждающей строительной конструкции, в противопожарных нормально закрытых системах приточной вытяжной противодымной вентиляции, противопожарных нормально закрытых системах в режиме дымовых условий при расположении привода со стороны теплового воздействия и со стороны противоположной тепловому воздействию. В соответствии с данным изобретением изготовлен и испытан опытный образец герметичного вентиляционного клапана МА01017.