КЛАПАН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ НОРМАЛЬНО ЗАКРЫТЫЙ
NORMALLY CLOSED ELECTROMAGNETIC VALVE

Назначение
Изобретение относится к устройствам для управления потоками газов и жидкостей и предназначено для использования в системах с дистанционным автоматизированным управлением. Оно может быть использовано в частности для двигательных установок, систем терморегулирования и других устройств в космических аппаратах с возможностью обеспечения наземных служб информацией о работоспособности клапана.
Уровень техники
Устройство, к которым относится настоящее изобретение, широко используется в виде различного рода электромагнитных клапанов в нефтяной и газовой промышленности, в противопожарной, вакуумной и других областях техники и обладают высоким уровнем отработанности и надежности, т.к. относятся к особо ответственным элементам оборудования. Они широко используются также в двигательных установках и других системах космических аппаратов, в которых помимо высокой надежности предъявляются также ряд специфических требований, таких как малый вес и габариты, малое электропотребление, способность к длительной работе без отключений на остывание в условиях ограниченных возможностей по теплоотводу, а также способностью к обнаружению и передаче наземным службам информации о работоспособности клапана. Указанные специфические требования приводят к необходимости поиска новых технических решений, поскольку известные варианты электромагнитных нормально закрытых клапанов не могут обеспечить выполнение перечисленных специфических требований.
Известен, например, электромагнитный клапан прямого действия (нормально закрытый) по А.С. СССР №1000654. МКИ F16K 31/02, опубликованный 28.02.1983 БЮЛ №18. Такое устройство содержит якорь, жестко связанный с запорным органом, а в его корпусе имеется седло, к которому с помощью пружины прижимается запорный орган. Управление клапаном осуществляется с помощью электромагнитного привода, встроенного типа с изолирующей трубкой, в которой размещены якорь и стопа. При подаче питания на электромагнитный привод якорь перемещается к стопе и запорный орган отходит от седла, открывая клапан.
Недостатком клапана является необходимость использования электромагнита большой мощности. Причем с увеличением проходного сечения клапана эта мощность значительно увеличивается в связи с увеличением как хода запорного органа, так и газовой силы, прижимающий запорный орган к седлу. Указанные факторы приводят к увеличению размера и веса электромагнитного привода и могут быть связаны с перегревом обмотки электромагнитного привода.
Известны электромагнитные клапаны с импульсным управлением, например, А.С. СССР №1657820. МКИ F16K 31/02, опубликованный 23.06.1991 БЮЛ №23. Такие клапаны в рабочем состоянии не потребляют электрической энергии, однако, их недостатком является то, что при прекращении подачи тока на обмотку электромагнитного привода отсутствует фиксированное положение запорного органа, т.е. клапан при этом может оказаться как в открытом, так и в закрытом положении. В связи с этим такие клапаны не могут использоваться в тех устройствах где требуется, чтобы клапан гарантированно был закрыт, например, при аварийном отключении питания.
Известен электромагнитный клапан (Патент RU №2282090 С1. МПК F16K 31/09), в состав которого для снижения мощности электромагнита включен постоянный магнит, помогающий электромагниту удерживать якорь в открытом состоянии клапана. При этом для перевода клапана из закрытого состояния в открытое (отрыв якоря от седла) используется кнопочный механизм ручного управления. Недостатком такого устройства является наличие ручного перевода клапана из закрытого состояния в открытое, поскольку при закрытом клапане зазор между якорем и магнитом, равный ходу якоря, делает силу притяжение магнита малой, а сам электромагнит малой мощности не в состоянии оторвать якорь от седла. Обязательное наличие ручного управления клапана по патенту RU №2282090 С1 ограничивает область его применения, и клапан не может быть использован в устройствах, где ручное управление невозможно, например, в космических аппаратах или других устройствах, использующих клапан в режиме дистанционного управления.
Известен запорный клапан (Патент JP 6017962 опубл. 1994.1.25). Этот клапан содержит запорный узел, корпус с проходной полостью, в которую открывается подводящий и отводящий газовые каналы, соленоид, постоянный магнит, установленный напротив наружного конца якоря, и окружающие соленоид магнитопроводы, выполненные из магнитомягкого материала. Устройство данного клапана обеспечивает нормально закрытое состояние за счет пружины, прижимающей запорный элемент к отверстию одного из газовых каналов (седлу), а постоянный магнит позволяет снизить электрическую мощность, потребляемую клапаном в режиме, когда клапан открыт.Включение клапана осуществляется подачей напряжения питания на соленоид, и клапан может работать в режиме дистанционного управления. Указанный запорный клапан является наиболее близким к настоящему изобретению и может быть выбран в качестве прототипа.
Его работа осуществляется следующим образом. Электромагнитная сила, с которой соленоид удерживает якорь в открытом состоянии клапана, представляет собой разность между силой пружины, отжимающей якорь от торца постоянного магнита и силой постоянного магнита, притягивающей якорь. Эта электромагнитная сила удержания, создаваемая соленоидом, может быть выбрана достаточно малой, поскольку зазор между якорем и магнитом при открытом клапане минимален и сила прижатия якоря магнитом велика. Однако, в конструкции прототипа электромагнит, состоящий из одного соленоида и магнитопровода, должен обеспечивать не только удержание якоря в открытом клапане, но и осуществлять отрыв якоря от седла, что по сравнению с режимом удержания требует больших энергозатрат. Последнее объясняется тем, что при закрытом клапане имеющийся зазор между якорем и магнитом, равный как минимум ходу якоря, делает силу притяжения магнита малой и электромагнитная сила соленоида должна преодолевать без помощи постоянного магнита силу пружины, а в случае наличия значительного перепада давлений также и газовую силу прижатия якоря к седлу. Это значит, что параметры соленоида, включая его энергопотребление определяются не режимом удержания якоря, а режимом отрыва якоря от седла, откуда следует, что заложенная в прототипе идея использовать постоянный магнит для снижения мощности соленоида если и может быть реализована, то только в весьма ограниченной области параметров и с малой эффективностью. Из изложенного следует также, что кроме невозможности обеспечить эффективное снижение потребляемой соленоидом электрической мощности указанное устройство имеет ряд ограничений и по его применению, а именно:
- оно может использоваться только при малом перепаде давлений газа между входом и выходом, т.к. увеличение этого давления приводит к увеличению силы прижатия якоря к седлу и соответственно к повышению потребляемой соленоидом электрической мощности;
- оно может использоваться только при малых проходных сечениях клапана, т.к. увеличение проходного сечения приводит к увеличению хода якоря и соответственно к снижению той самой силы постоянного магнита, которая должна помогать электромагнитной силе соленоида при выполнении отрыва якоря от седла. Кроме того, увеличение проходного сечения ведет к увеличению газовой силы прижатия якоря к седлу.
Целью настоящего изобретения является повышение надежности клапана электромагнитного нормально закрытого, за счет ряда преимуществ:
- малого энергопотребления;
- способности работать в длительном режиме без отключения на остывание;
- уменьшения вероятности перегрева с обеспечением работы при комфортных температурных условиях эксплуатации;
- способности работать при больших перепадах давлений и больших проходных сечениях;
- способности к эффективному дистанционному зондированию работоспособности клапана с помощью магнитоуправляемых контактов (герконов).
Раскрытие изобретения
Поставленная цель достигается в клапане электромагнитном нормально закрытом, который содержит следующие элементы: корпус с проходной полостью, связанной с подводящим и отводящим газовыми каналами, седло, якорь со встроенным на его переднем конце, прилегающем к седлу, запорным органом, постоянный магнит, установленный со стороны заднего конца якоря, пружину, прижимающую якорь к седлу и электромагнит.
Согласно изобретению в состав электромагнита входят два соленоида и магнитопровод, образованный магнитопроводящими элементами, облегающими соленоиды, причем, один из соленоидов является слаботочным, рассчитанным на длительный токовый режим, а другой является сильноточным импульсным, рассчитанным на режим включения кратковременного токового импульса. Такое выполнение клапана позволяет провести операцию по отрыву якоря от седла с помощью импульсного сильноточного соленоида подачей кратковременного токового импульса, избавив тем самым от выполнение этой операции слаботочный соленоид, что позволяет последнему ограничиться только функцией удержания якоря при открытом состоянии клапана, когда зазор между якорем и постоянным магнитом минимален, а сила притяжения этим магнитом якоря максимальна. В этом случае электромагнитная сила, развиваемая слаботочным соленоидом, может быть сведена к минимуму, поскольку основная нагрузка по преодолению силы пружины может быть возложена на постоянный магнит. Указанная электромагнитная сила, как показала практика, может быть меньше силы пружины в три и более раз с соответствующим в три и более раз снижением энергопотребления слаботочного соленоида.
Из изложенного также следует, что электромагнитная сила соленоида может быть значительно меньше, чем собственно сила пружины и сила постоянного магнита, а это означает, что эффективность работы клапана будет определяться правильным выбором соотношения между силой постоянного магнита и электромагнитной силой соленоида, что может быть затруднено таким фактором, как сильная температурная зависимость электрического сопротивления медных проводов, используемых при изготовлении соленоида (ПЭВ, ПЭТВ и т.д.). Чтобы облегчить указанный выбор, в состав клапана введено между якорем и постоянным магнитом настроечное немагнитное кольцо с толщиной, подобранной в процессе отработки клапана на стадии настроечных испытаний.
Вследствие малого энергопотребления клапана и соответственно большого омического сопротивления слаботочного соленоида для его изготовления может потребоваться намоточный провод чрезмерно малой толщины, что может усложнить операцию намотки и может сказаться на параметрах надежности. Чтобы избежать этого в клапане предусмотрена возможность использования в цепи соленоида резисторов, что позволяет применить более толстый намоточный провод и снизить зависимость сопротивления соленоида от температуры.
Одним из факторов определяющих ценность клапана является возможность дистанционного зондирования его состояния, а именно, установление положения якоря по отношению к седлу. Наличие постоянного магнита в составе рассматриваемого клапана позволяет успешно решить эту задачу при отключенном клапане, основываясь на том, что магнитный поток в магнитопроводе, создаваемый постоянным магнитом, находится в однозначной зависимости от позиции якоря, которая определяет величину воздушного зазора в магнитопроводе, а значит и величину магнитного потока. Однако при включенном клапане на магнитный поток от постоянного магнита накладывается поток, создаваемый соленоидом, и в этом случае возникают трудности для однозначного определения позиции якоря, позволяющей определить в каком положении находится клапан - открытом или закрытом. В процессе разработки клапана, соответствующего заявленному изобретению, было установлено, что преодоление указанной трудности возможно и эта возможность связана с малым энергопотреблением слаботочного соленоида и соответственно с пониженной величиной создаваемого им магнитного потока. Таким образом, малое энергопотребление слаботочного соленоида в рассматриваемом клапане, помимо перечисленных преимуществ создает также возможность полноценного дистанционного зондирования работоспособности клапана с помощью магнитоуправляемых контактов, размещенных в плате, которая установлена на наружной поверхности магнитопроводящей стенки клапана в зоне немагнитного зазора, выполненного в этой стенке.
Для обеспечения оптимальных параметров клапана важным является выполнение соленоидов электромагнита с заданной величиной магнитодвижущей силы. Однако, как показали исследования, при том составе типоразмеров намоточных проводов, который установлен в каталогах на провода, ни один из типоразмеров не может обеспечить эти характеристики соленоидов с заданной точностью. Для решения этой задачи предложен вариант соленоида, состоящий из двух соединенных последовательно секций, параметры которых определяются в соответствии со следующими выражениями:
l,
2
где n n - количество витков соответственно первой и второй секции;
w
I - магнитодвижущая сила соленоида;
cp
I, R, D - соответственно ток, электрическое сопротивление и средний диаметр соленоида.
- удельное электрическое сопротивление в расчете на 1 м длины провода соответственно проводов первой и второй секции;
Использование такого варианта позволяет обеспечить выполнение соленоида на любые значения требуемых параметров, с достаточной степенью точности, используя предоставленные в каталоге проводов типоразмеры независимо от величины интервала параметров между проводами.
На чертеже показан вариант конкретного исполнения клапана электромагнитного нормально закрытого, соответствующий предлагаемому изобретению.
Элементами клапана являются:
1. Обечайка
2. Передняя торцевая стенка
3. Задняя торцевая стенка
4. Отводящий газовый канал
5. Подводящий газовый канал
6. Проходная полость
7. Полость с соленоидами
8. Соленоид слаботочный
9. Соленоид сильноточный импульсный
10. Стакан немагнитный
11. Якорь
12. Запорный орган
13. Пружина
14. Седло
15. Постоянный магнит
16. 17. Втулки магнитопровода постоянного магнита
18. Воздушный зазор
19. Настроечное кольцо
20. Немагнитный зазор
21. Плата с магнитоуправляемыми контактами
22. Магнитоуправляемые контакты
23. Соединитель
24. Плата с резисторами
25. Резисторы
Клапан содержит цилиндрический корпус, состоящий из обечайки 1, передней 2 и задней 3 торцевых стенок. К передней 2 и задней 3 торцевым стенкам крепятся соответственно отводящий 4 и подводящий 5 газовые каналы. Клапан содержит две полости: одну проходную полость 6, связанную с газовыми каналами 4 и 5, и другую полость 7, в которой размещены слаботочный соленоид 8 и сильноточный импульсный соленоид 9. Полости 6 и 7 герметично разделены между собой стаканом 10, выполненным из немагнитного материала - нержавеющей стали. В проходной полости 6 размещается якорь 11, со стороны переднего конца которого встроен запорный орган 12. Когда клапан закрыт, пружина 13 прижимает запорный орган 12 к седлу 14.
К силе прижатия пружины добавляется также газовая сила при наличии перепада давлений между входом клапана и выходом из него. Со стороны заднего конца якоря 11 установлен кольцевой постоянный магнит 15 с осевой намагниченностью. Втулки 16 и 17, прилегающие к торцам магнита 15, а также якорь 11, выполненные из магнитомягкой стали, образуют магнитопровод постоянного магнита 15, в котором между втулкой 17 и задним торцом якоря 11,
находится воздушный зазор 18 с установленным в нем настроечным кольцом 19, выполненным из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали. Когда клапан открыт, величина зазора 18 равна толщине настроечного кольца 19. Когда клапан закрыт зазор 18 суммируется из величины хода якоря 11 и толщины кольца 19. Соленоиды 8 и 9 вместе с окружающими их элементами, выполненными из магнитомягкой стали, образуют электромагнит. К указанным элементам, образующим магнитопровод электромагнита, относятся обечайка 1, втулка 16, якорь 11 и передняя торцевая стенка 2. Со стороны задней торцевой стенки 3 такие магнитопроводящие элементы, как обечайка 1 и втулка 16 разделены немагнитным выступом стакана 10. Указанный выступ образует немагнитный зазор 20.
К наружной поверхности торцевой стенки 3 прилегает плата 21 с закрепленными на ней в зоне немагнитного зазора 20 магнитоуправляемыми контактами 22. Концы обмоток 8, 9 и магнитоуправляемых контактов 20 выведены на соединитель 23, в полости которого размещается также плата 24 с резисторами 25.
Клапан электромагнитный нормально закрытый работает следующим образом. В отключенном состоянии запорный орган 12 пружиной 13 и газовыми силами прижат к седлу 14, отделяя проходную полость 6 от отводящего газового канала 4. При включении клапана, например, подачей кратковременного (-0,2 с) импульса напряжения питания на сильноточный соленоид 9 и такой же величины напряжения питания на слаботочный соленоид 8 с длительным приложением этого напряжения, в соленоиде 9 развивается большой амплитудный импульс тока, воздействие которого на якорь 11 обеспечивает его отрыв и соответственно отрыв запорного органа 12 от седла 14. Якорь 11 при этом смещается в сторону магнита 15, прижимается к регулировочному кольцу 19 и обеспечивает, таким образом зазор между запорным органом 12 и седлом 14, равный ходу якоря, что соответствует открытому состоянию клапана. После прекращения действия в соленоиде 9 токового импульса якорь 11, переместившийся от седла 14 к магниту 15, находится под воздействием трех сил - силы пружины 13, отжимающей якорь 11 от кольца 19 к седлу 14, силы магнита 15, прижимающей якорь 11 к кольцу 19 и электромагнитной силы соленоида 8 также прижимающей якорь 11 к кольцу 19. Открытое состояние клапана обеспечивается следующими факторами. Когда якорь 11 прижат к кольцу 19, то зазор между якорем 11 и втулкой 16 мал, сила прижатия якоря 11 магнитом 15 велика и соответственно электромагнитная сила слаботочного соленоида 8 может быть выбрана небольшой, чтобы обеспечить удержание якоря 11 прижатым к кольцу 19 и соответственно обеспечить открытое состояние клапана.
После выключения клапана, т.е. снятия напряжения питания с соленоида 8 сила магнита 15 оказывается меньше силы пружины 13 и якорь 11 смещается этой пружиной 13 в сторону седла 14, переводя клапан из открытого состояния в закрытое. Сила магнита 15, которая обеспечивает с одной стороны удержание якоря при включенном соленоиде 8, а с другой - прекращение этого удержания при отключенном соленоиде 8, может быть отрегулирована применительно к заданным параметрам клапана в процессе отработки этого клапана выбором толщины регулировочного кольца 19. Диагностика состояния клапана, а именно определение позиции якоря 11 по отношению к седлу 14 производится магнитоуправляемыми контактами 22, которые замыкаются или размыкаются в зависимости от величины магнитного поля в зоне, примыкающей к немагнитному зазору 20. Указанный зазор 20 создает так называемое выпучивание магнитного поля, которое и улавливается контактами 22.
Диагностика осуществляется как при включенном клапане, так и при отключенном. При отключенном клапане магнитный поток создается только постоянным магнитом 15, при этом часть его проходит через воздушный зазор 18 от одного торца магнита 15 к другому торцу через втулку 17, якорь и втулку 16, а другая часть проходит через втулку 17, якорь 11, торцевую стенку 2, обечайку 1, немагнитный зазор 20 и втулку 16. Соотношение между величинами указанных двух потоков определяется магнитным сопротивлением зазора 20 и зазора 18. При отключенном клапане якорь 11 должен быть прижат к седлу 14. В этом случае зазор 18 включает в себя как толщину кольца 19, так и ход якоря и соответственно имеет большое магнитное сопротивление, вследствие чего, основной поток проходит не по зазору 18, а по зазору 20. Контакты 22 при этом замыкаются и показывают, что клапан работоспособен. Если при отключенном клапане якорь 11 по каким-то причинам, например, по причине заклинивания остается прижатым к кольцу 19, то поток перераспределится в сторону зазора 18, который в этом случае вследствие малости зазора, равного толщине кольца 19, будет иметь малое магнитное  сопротивление. Соответственно через зазор 20 пойдет малый магнитный поток и контакты 22 разомкнутся, сигнализируя об отказе клапана.
При включенном клапане распределение магнитных потоков через зазоры 18 и 20, создаваемых постоянным магнитом 15, останется таким же, как и при отключенном, но к ним добавится магнитный поток от соленоида 8, что усложняет задачу диагностики. Однако проведенные испытания на разработанных образцах клапана показали, что основываясь на малом энергопотреблении соленоида 8 и соответственно малых величинах магнитных потоков от него, задача диагностики решается и в том случае, когда клапан находится во включенном состоянии. Для этого требуется соответствующий выбор параметров для магнита 15, кольца 19 и соленоида 8, с тем, чтобы срабатывание контактов 22 определялось главным образом теми магнитными потоками, которые создаются постоянным магнитом 15.
в
в
в
в
в
В число подбора параметров для элементов клапана входит также отбор магнитоуправляемых контактов по коэффициенту возврата К. Из каталожных данных на эти контакты следует, что значение коэффициента К находится как правило в диапазоне К =0,3-0,9. Исследования показали что при значениях К > 0,5 вопросы диагностики решаются без особых проблем. Однако отбор указанных контактов на требуемый диапазон значений К является мероприятием дорогостоящим и не всегда осуществимым.
в
в
в
В этом плане особую ценность представляет вариант клапана, представленный на чертеже, в котором могут эффективно использоваться магнитоуправляемые контакты с любой величиной коэффициента возврата. Объясняется это следующим образом. Физически использование магнитоуправляемого контакта с величиной К= 0,3 означает, что при перемещении якоря от положения «клапан закрыт» к положению «клапан открыт» магнитный поток воздействующий на магнитоуправляемый контакт, должен снизиться не менее , чем в . В указанном варианте клапана это осуществимо и достигается за счет использования разнонаправленности магнитных потоков, создаваемых с одной стороны соленоидом, а с другой стороны постоянным магнитом в зазоре 20. При такой разнонаправленности результирующий магнитный поток в зазоре 20 может составить величину во много раз меньшую, чем каждый из указанных потоков в отдельности. В результате как показали исследования, подтвержденные на десятках опытных образцов клапана, эффект снижения величины магнитного потока от перемещения якоря может составить четыре и более раз, что обеспечивает эффективное функционирование магнитоуправляемых контактов с величиной коэффициента возврата во всем диапазоне от К = 0,3 до К = 0,9.
Предложенный клапан электромагнитный нормальнозакрытый обеспечивает:
- малое энергопотребление;
- малое тепловыделение, и как следствие, повышенную надежность, связанную с пониженной температурой элементов клапана, снижением вероятности перегрева и способностью работать в длительном режиме без отключений на остывание;
- способность работать при больших перепадах давлений и больших проходных сечениях газового тракта;
способность к эффективному дистанционному зондированию работоспособности клапана с помощью магнитоуправляемых контактов,
в
в
при этом могут быть использованы магнитоуправляемые контакты с коэффициентом возврата от К = 0,3 до К = 0,9.
Габаритномассовые параметры клапана из-за включения в его состав дополнительно сильноточного соленоида не только не ухудшаются, но, как показывает практика, значительно могут улучшиться в связи с компактностью слаботочного соленоида, рассчитанного на малую магнитодвижущую силу, а при давлениях газа от 5 кгс/см и выше габариты и вес ЭКЗ могут снизиться в два и более раз.