ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ ЗАЩИТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРЫ, РАБОТАЮЩЕЙ В ВАКУУМЕ
ELECTRICALLY INDEPENDENT SAFETY VALVE FOR VACUUM-OPERATING DRIFT CAMERA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области защиты аппаратуры для систем низкого давления. В газовых системах предлагаемый нами клапан может пропускать заданный поток в любом направлении, но перекроет его при нарушении рабочих условий. В частности, он может быть использован для защиты работающих в вакууме дрейфовых камер, содержащих большое количество тонкостенных дрейфовых трубок (строу).
Во время работы дрейфовой камеры в вакууме возможно повреждение какой-либо трубки и возникновение в ней течи. Тогда для защиты камеры в целом необходимо быстро перекрыть ее концы. Иначе газ начнет течь из газовой системы, а через нее и из других трубок в вакуумный объем, и камера может полностью выйти из строя. Для предотвращения этого на входе и выходе каждой трубки можно установить предлагаемые нами клапаны. При нормальном режиме они будут пропускать поток газа в рабочем направлении, а при аварии перекроют вход и выход поврежденной трубки и, тем самым, доступ вакуума в газовую систему и в другие трубки.
В настоящее время дрейфовые камеры с тонкостенными трубками уже реально работают в вакууме на экспериментальной установке, на ускорителе заряженных частиц в ЦЕРНе (Asorskiy N. et al., NIMA, 824, 2016, 569.). Кроме того, существует и несколько проектов экспериментов с такими камерами на других ускорителях заряженных частиц, (см. например, Н. Nishiguchi et al., NIMA, 845, 2017, 269-272 или Myeong Jae Lee, Nucl.Part.Phys.Proc. 2016, 273-275). Поэтому автоматическое перекрытие поврежденных трубок в таких камерах становится актуальной задачей.
Предлагаемый клапан можно использовать и в других системах с газовыми потоками, для их защиты в аварийных ситуациях, например, его можно присоединить к ротаметру как защитное или ограничительное устройство.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен отсечной клапан (патент RU 2289748) для предохранения трубопровода от повреждения при резком перепаде давлений. Клапан содержит корпус с седлом и запорным органом в виде тарелки, закрепленной рычажным механизмом. Его недостатком является то, что он работает только как запорное устройство (да-нет). К тому же большие габариты и сложность клапана исключает его применение в камере, где в малом пространстве необходимо установить большое их количество.
Известен также обратный клапан (патент RU 2059138), содержащий корпус, в полости которого размещен запорный орган между двумя седлами, а на стороне одной из них и соосно с ним выполнена кольцевая расточка, с диаметром, равным диаметру запорного органа, который предназначен для дозирования количества компонента, перетекающего через клапан за счет его самоотключения. Но этот клапан, после пропуска в систему дозированной компоненты, для повторного включения каждый раз требует сбрасывания давления в магистрали и, следовательно, не может непрерывно питать систему, тем более, что отключается он не для ее защиты при аварии.
Наиболее близким (прототип, патент RU 2529456) к предлагаемому клапану является клапан для работающей в вакууме дрейфовой камеры со штуцерами на концах, выполненный в виде вертикально расположенного полого цилиндра с конусным отверстием в его нижней части, в центре которого на пружине висит пробка с возможностью вертикального перемещения. Его недостатком является требование выдержки строгой вертикальности при работе, относительно малая надежность, в виду его механической сложности, а также необходимость тонкой подборки и регулировки жесткости пружины.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение решает задачу повышения надежности и чувствительности клапана, предназначенного, в частности, для защиты работающей в вакууме дрейфовой камеры с тонкостенными дрейфовыми трубками (строу) от утечки газа в вакуум. Оно может быть использовано и в других случаях, в системах, где требуется свободно пропускать определенный поток газа в любую сторону, но перекрывать его при аварийном изменении заданных условий.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом энергонезависимом защитном клапане, включающем полый корпус со штуцерами на концах, предназначенными для соединения дрейфовых трубок с системой газоснабжения камеры, и с запирающим элементом внутри него, внутренняя полость корпуса имеет форму усеченного конуса, расположенного большим основанием вниз, а в каждом штуцере со стороны корпуса имеется седло, выполненное в виде поверхности вращения, при этом в качестве запирающего элемента служит расположенный в седле нижнего штуцера шарик, имеющий возможность свободного перемещения вдоль оси корпуса до седла верхнего штуцера; площадь зазора, образованного усеченным конусом корпуса, и шариком, при его расположении в седле нижнего штуцера, равна площади проходного сечения штуцера, при этом шарик в верхнем основании усеченного конуса имеет посадку с зазором, а вдоль образующих в седле нижнего штуцера имеются одна, две или более канавки, которые при расположении в нем шарика образуют щели. Отличительными признаками изобретения являются:
- внутренняя полость корпуса клапана, выполненная в виде усеченного конуса, расположенного в рабочем состоянии большим основанием вниз, что позволяет запирающему элементу при превышении определенной разности давлений на входе и выходе клапана быстро перекрыть поток;
- седла, расположенные в каждом штуцере со стороны корпуса, выполненные в виде поверхности вращения;
- шарик, в качестве запирающего элемента, в рабочем положении расположенный в седле нижнего штуцера и имеющий возможность свободного перемещения вдоль оси корпуса до седла верхнего штуцера;
- зазор, образованный между усеченным конусом корпуса, и шариком, при его расположении в седле нижнего штуцера, площадь которого равна площади проходного сечения штуцера;
- шарик у верхнего основания усеченного конуса имеет посадку с зазором;
- одна, две или более канавки, выполненные вдоль образующей в седле нижнего штуцера, образующие вместе с шариком щели, которые пропускают рабочий поток газа.
Совокупность всех этих признаков позволяет решить задачу повышения надежности работы и чувствительности клапана при защите газовых систем, в частности, работающей в вакууме дрейфовой камеры с тонкостенными трубками, в случае повреждения одной из них.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перечень фигур (см. Приложение):
Фиг. 1. Схема энергонезависимого аварийного клапана.
Фиг. 2. Схема работы двух клапанов для отключения одной трубки в случае возникновения в ней течи.
Фиг. 3. Схема двух клапанов для отключения группы трубок, соединенных параллельно.
Фиг. 4. Схема двух клапанов для отключения группы трубок, соединенных последовательно.
Рассмотрим схему клапана на фиг. 1 (см. Приложение). Он состоит из четырех частей: корпуса (1), нижнего (2) и верхнего (3) штуцеров с седлами (4), которые соединяются с корпусом при помощи резьбы и герметизируются; канавки (5) и шарик (6), который размещается внутри клапана перед соединением всех частей.
Форма седла в верхнем штуцере будет наиболее эффективным в виде внутренней поверхности шарового пояса, хорошо притертого к шарику. В нижнем штуцере она может иметь форму конуса. Корпус клапана можно выполнить из дюралюминия, плексигласа или стекла, штуцеры - из латуни, дюралюминия или пластмассы, а шарик - из резины, металла или пластмассы и может быть полым.
В рабочем положении ось клапана направлена с большим основанием конуса вниз. При этом шарик под действием силы тяжести находится в седле нижнего штуцера. Материал и вес шарика играют важную роль в работе клапана и подбираются из условия конкретных требований, предъявляемых к нему. Следует отметить, что изменение наклона клапана относительно вертикали изменяет его чувствительность.
Поскольку величина потока и давление газовой смеси внутри трубки в разных случаях может меняться в широких пределах, то стабильность работы клапана, величину потока и его чувствительность относительно уровня отключения можно регулировать изменением размеров клапана, угла раствора усеченного конуса, веса шарика, а также размеров канавок в седле. Щели, образованные шариком и канавками в нижнем штуцере, обеспечивают свободное прохождение потока газа для питания трубок в рабочих условиях. Для увеличения чувствительности входного клапана можно уменьшить размеры канавок или их количество.
Рассмотрим принцип работы клапана на примере одной трубки дрейфовой камеры, при возникновении в ней течи, см. фиг. 2 в Приложении. Предполагается, что с внешней стороны трубка находится в вакууме, а внутри под давлением ≥ 1 атм. Верхние штуцеры клапанов присоединены к концам трубки с двух сторон, а нижние - к системе подачи и отвода газа, соответственно. Так как щели между лежащими в нижних седлах шариками и канавками рассчитаны на рабочий поток, то оба клапаны открыты.
Если в трубке возникнет повреждение, то под влиянием вакуума на входе трубки поток газа возрастет. Это вызовет в клапане сдвиг шарика вверх. При этом, в виду наличия над ним усеченного конуса, проходное сечение начнет уменьшаться, а сила подъема будет возрастать, пока шарик не окажется в верхнем седле и не перекроет вход газа в трубку.
На выходе трубки газовый поток под влиянием вакуума изменит направление на обратное (по крайней мере, после перекрытия входного клапана!). Поэтому на выходном клапане этот обратный поток также приподнимет шарик с нижнего седла и он также быстро окажется в верхнем седле и перекроет выход трубки.
Из-за большого количества трубок в камерах, для упрощения системы защиты, можно рассмотреть их защиту группами по две, четыре, восемь и более штук, объединяя их параллельно (см. фиг. 3, в Приложении). Возможен вариант соединения клапанов с дрейфовыми трубками и последовательно, (см. фиг. 4, там же). Тем самым сократится количество необходимых клапанов, но при аварии будет отключаться сразу вся группа трубок. Отключение одной или нескольких трубок несущественно повлияет на общие параметры камеры. Следовательно, дрейфовая камера в целом останется работоспособной.
Рассмотрим вкратце использование клапана в ротаметре. Клапан следует расположить на его выходе. При достижении поплавком в ротаметре максимальной высоты и дальнейшем увеличении потока, шарик в конусе клапана поднимется и быстро ограничит или, по необходимости, перекроет поток газа. Для ограничения потока верхний штуцер также должен быть снабжен канавками с соответственно рассчитанными размерами.