ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ИСТОЧНИКА СТРУИ ЛАМИНАРНОГО ПОТОКА
ELECTROMAGNETIC VALVE FOR SWITCHING SOURCE OF LAMINAR FLOW JET

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электромагнитным клапанам, а именно, к электромагнитным переключателям потоков воздушных или аэрозольных сред для специфического диапазона разницы давлений на клапане (20-500 Па - давления, создаваемые осевыми вентиляторами) и скоростей течения воздуха (0.1-3 м/с), используемых в системах для формирования движущегося пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке. Такие клапаны могут быть реализованы в системах, предназначенных для использования в качестве рекламных конструкций, элемента шоу или дизайнерского оформления интерьера. Например, они могут быть частью внешней рекламной вывески коммерческого предприятия. Крупногабаритное устройство такого типа может быть использовано как самостоятельный элемент шоу или музейной выставки, демонстрирующей произвольную картинку или определенный эффект.
2
Заявляемое устройство основано на поочередном соединении одного из двух входных источников воздуха или аэрозоля со своим единственным выходом с высокой скоростью переключения положения шторки клапана (до 100 переключений в секунду), что позволяет создавать на выходе ламинарную струю с чередующимся вдоль направления своего движения составом. Эта струя имеет достаточно узкое сечение (около 1 см). Использование одномерного массива таких клапанов позволит создавать двумерные движущиеся изображения, например, при помощи добавления тумана в одну из входных струй клапана. Использование двумерного массива клапанов позволит создавать аналогичные трехмерные изображения.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные конструкции электромагнитных клапанов, вентилей и переключателей, используемых в воздушных и гидравлических системах. Однако все они отличаются по своему назначению и конструкции.
Из уровня техники известны устройства, используемые для смешения двух разных потоков воздуха с помощью поворачивающейся на оси дверцы (US 5820020 A). Такое устройство является составной частью системы автокондиционирования для смешения холодного и горячего потока воздуха. Их конструкция позволяет обеспечивать ламинарный поток, достаточную скорость потока (до нескольких метров в секунду) при упомянутых выше низких давлениях. Однако данное устройство характеризуется значительными габаритными размерами, не может обеспечить формирование тонкой струи изображения и достаточной скорости переключения клапана, работая на временном масштабе порядка единиц или десятых долей секунды.
Из уровня техники известны клапаны для прецизионного управления скоростью расхода газа, в которых поддерживается ламинарный режим течения газовой среды (US 5108071 А). Ламинарность в данных клапанах достигается за счет поддержания параллельности гладких поверхностей, между которыми протекает среда. Однако данные клапаны не могут быть использованы для формирования изображений в потоках воздушных или аэрозольных сред, в связи с наличием одного входного канала и недостаточной скоростью переключения. Кроме того, конструкция клапана является достаточно сложной и дорогостоящей при его использовании для формирования изображений в ламинарном потоке, где необходим массив, по меньшей мере, из десятков таких клапанов.
-6
-9
3
Наиболее близким устройством для выполнения указанной выше задачи является быстродействующий клапан для пневматических систем (US 4819693 A). Клапан способен поддерживать достаточно высокую скорость переключения, при этом он является достаточно простым в исполнении и обеспечивает высокую пропускную способность при расчетных значениях давления. Пневматический клапан спроектирован для работы с разностями давлений порядка 0.5 бар и более (0.05 МПа и более). Одной из главных конструктивных особенностей, присущих такому типу клапанов, является сечение перекрываемого или переключаемого воздушного канала, которое не превышает нескольких квадратных миллиметров. Этот параметр оказывается критически маленьким при необходимости работы с разницей давлений не выше сотен Паскаль между входом и выходом клапана. Сочетание низкой разности давлений используемых сред с размерами поперечного сечения канала ведет к крайне низкому значению пропускной способности (~10-10 м/с) клапана при низких давлениях (20-500 Па). Также при прохождении через такой клапан воздушный поток становится турбулентным и перемешивается, что приводит к формированию размытой струи и, как следствие, неразличимой картины при его использовании с целью формирования изображения.
Технической проблемой является разработка устройства, обеспечивающего возможность поочередного соединения выходного потока с одним из двух источников входного потока с сохранением высокой скорости переключения при скорости выходного потока по меньшей мере 0.5 м/с и увеличение расхода среды по меньшей мере на два порядка в ламинарном режиме течения при перепаде давления, создаваемым бытовыми аксиальными вентиляторами (десятки - сотни Па). Раскрытие сущности изобретения
-4
3
Техническим результатом изобретения является обеспечение ламинарного течения среды на всем временном интервале работы устройства за исключением коротких моментов переключения длительностью до 2 мс при скорости потока до 2 м/с и расходе воздуха до 10 м/с при сохранении высокой скорости переключения (до 50 раз в секунду).
Технический результат достигается при использовании электромагнитного клапана для переключения между двумя входными потоками воздушной или аэрозольной среды при формировании струи ламинарного потока, характеризующегося наличием:
корпуса, включающего три трубки, имеющие Υ-образное соединение, две из которых образуют входные каналы для двух потоков воздушной или аэрозольной среды, третья - выходной канал,
шторки, имеющей перекрывающую каналы часть (заслонку), ось и рычажную часть, при этом заслонка расположена в области соединения двух входных каналов и выполнена с возможностью перемещения из одного положения, обеспечивающего перекрытие первого входного канала, во второе положение, обеспечивающего перекрытие второго входного канала,
по меньшей мере двух постоянных магнитов, расположенных между трубками, которые соответствуют входным каналам корпуса, при этом шторка снабжена электромагнитом, размещенным на ее рычажной части с возможностью перемещения между постоянными магнитами при подаче на электромагнит импульсов тока.
Шторка выполнена из ферромагнитного материала, обеспечивающего возможность использования кратковременных импульсов тока для переключения клапана (перемещения шторки); при отсутствии тока шторка будет оставаться в стабильном положении за счет использования материала, из которого она изготовлена с относительной магнитной проницаемостью не менее 20, например, из листа конструкционной стали, толщиной от 0,1 мм до 0,3 мм.
Корпус, как правило, выполнен с посадочными местами для оси шторки, расположенными вблизи места соединения трубок, и посадочными местами для постоянных магнитов, а также может быть снабжен упорами для ограничения угла поворота шторки, и препятствующих достижению шторкой плоскости симметрии постоянных магнитов. Корпус выполнен с плавным переходом входных каналов в выходной.
Трубки, содержащие входные каналы, расположены под углом между осями трубок, который может составлять до 90 градусов. Электромагнитный клапан выполнен с возможностью поворота шторки на угол до 90 градусов. Заслонка имеет форму, соответствующую форме сечения в месте соединения трубок с входными каналами.
Трубки предпочтительно выполнены из полимерного материала, имеют круглое сечение с одинаковой площадью поперечного сечения по длине трубки, при этом заслонка имеет форму эллипса с эксцентриситетом, определяемым углом соединения трубок.
В одном из вариантов осуществления изобретения электромагнитный клапан содержит четыре постоянных магнита, расположенных попарно между частями трубок, которые соответствуют входным каналам корпуса.
Расстояние между электромагнитом на рычажной части шторки и постоянными магнитами в крайних положениях шторки составляет не более 1 мм. Рычажная часть шторки снабжена выступами для установки катушек электромагнита.
Корпус снабжен, как правило, крышкой, выполненной с возможностью герметизации технологического зазора в месте соединения трубок с входными каналами, выполненного для установки шторки внутрь клапана. При этом посадочные места для размещения постоянных магнитов, углубление для размещения оси шторки и крепежные отверстия выполнены в упомянутой крышке.
2
Технический результат достигается за счет отказа от надежного плотного перекрывания клапана, например, как это реализовано в прототипе с помощью плунжера, или с помощью гибких мембран в других системах. В заявленном клапане закрытие канала происходит без использования специальных уплотнительных материалов: место уплотнения представляет из себя контакт двух плоских твердых поверхностей. Такой шаг ведет одновременно к невозможности работы клапана с высокими давлениями и к небольшим утечкам среды в закрытом состоянии. Эти недостатки были бы критичны для пневматических систем, однако несущественны для задачи формирования изображения. С другой стороны, такое упрощение клапана позволило выполнить все каналы в виде гладких трубок постоянного широкого (~ 1 см) круглого сечения с плавными изгибами при сохранении простоты конструкции, что обеспечивает основные преимущества заявленного клапана в сравнении с пневматическим прототипом.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема работы электромагнитного клапана; на фиг. 2-4 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана, демонстрируемая с трех разных точек обзора; на фиг. 3-4 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана вместе с крышкой; на фиг. 5 представлена форма шторки клапана; на фиг. 6 схематично представлено поперечное сечение расположения шторки относительно постоянных магнитов в двух разных устойчивых состояниях; на фиг. 7 представлен пример системы, использующей заявленное устройство для формирования изображения в воздушном потоке.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - направления входных потоков воздушной или аэрозольной среды в клапане; 2 - направление выходного потока воздушной или аэрозольной среды из клапана; 3 - постоянные магниты; 4 - электромагнит, закрепленный на шторке клапана; 5 - часть шторки, перекрывающая один из двух потоков (заслонка); 6 - перфорция для возможности присоединения к клапану гибких труб; 7 - отверстия для болтового соединения крышки и основного корпуса; 8 - отверстия для закрепления клапана к корпусу прибора, в котором он используется; 9 - посадочные места постоянных магнитов; 10 - посадочные места оси шторки; 11 - выступы для намотки/установки электромагнита; 12 - заострения, выполняющие роль оси шторки; 13 - упоры, ограничивающие движение шторки и одновременно служащие уплотнением; 14 - поперечное сечение шторки, (шторка изображена дважды в обоих своих положениях равновесия); 15 - обмотка электромагнита; 16 - плоскость симметрии магнита; 17 - рычажная часть шторки; 18 - крышка клапана; 19 - ламинаризатор воздушного потока; 20 - резервуары с воздухом и аэрозолем; 21 - массив электромагнитных клапанов; 22 - сформированное изображение; 23 - стекло; 24 - блок вентиляторов; 25 - технологический зазор для возможности установки шторки внутрь клапана.
Осуществление изобретения
Далее представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, могут изменяться использованные для изготовления шторки и корпуса клапана материалы, поперечное сечение каналов, угол поворота шторки в пределах до 90 градусов, размеры и форма постоянных магнитов, взаимное расположение электромагнитов и постоянных магнитов, то есть заменить электромагниты на постоянные магниты, а постоянные магниты, в свою очередь, на электромагниты, и т.д.
Клапан представляет из себя Y-образный полимерный корпус, состоящий из трех соединяющихся трубок: внутри двух из них расположены каналы для входных потоков 1, внутри третьей - для выходного 2. Для переключения потоков внутри клапана располагается шторка, состоящая из следующих основных частей: заслонки 5, рычажной части 17, оси 12, выступов для установки/намотки электромагнита 4. Шторка выполнена из тонколистного (0.1-0.3 мм) ферромагнитного материала и имеет два стабильных положения 14, соответствующих перекрытию одного из входных каналов. Стабильность этих положений обусловлена притяжением к одному, или в данном случае одной из пар, постоянных магнитов 3. Для перемещения между стабильными положениями на шторке установлена обмотка электромагнита 15, состоящая из двух сонаправленных частей и подключенных последовательно друг с другом. Для установки шторки в корпус предусмотрены посадочные места в виде углублений 10, соответствующих по форме оси шторки. Для установки магнитов предусмотрены посадочные места 9, позволяющие установить магниты максимально близко к электромагниту, убрав материал корпуса между ними. Максимальный угол поворота шторки ограничен упорами 13, к которым заслонка прислоняется в стабильном положении, при этом рычажная часть не достигает плоскости симметрии магнитов 16. Заслонка 5 имеет форму, соответствующую увеличенному на десятые доли миллиметра сечению канала, сделанному под углом, равным углу поворота между входной и выходной трубкой в месте их соединения. Увеличение необходимо, чтобы заслонка 5 упиралась, не проваливаясь в упоры 13, и перекрывала канал полностью без зазоров. Для возможности установки шторки внутрь клапана у его корпуса выполнен технологический зазор 25 и предусмотрена крышка 18 для закрытия данного зазора после установки шторки. Крышка крепится к корпусу с использованием сквозных отверстий 7 при помощи болтовых соединений или саморезов.
Переключение шторки между стабильными положениями осуществляется при подаче на электромагнит 15 кратковременного импульса тока определенной полярности, приводящего к перемагничиванию рычажной части заслонки 17, включая ее выступы 11. После начала этого импульса как следствие возникает сила отталкивания между рычажной частью шторки и ближайшей к нему парой постоянных магнитов 16. Она вызывает поворот шторки вокруг оси по направлению к другой паре магнитов, поскольку шторка всегда располагается между плоскостями симметрии постоянных магнитов 16. Между рычажной частью шторки и другой парой магнитов, напротив, действует сила притяжения, усиливающаяся по мере их приближения. Как только вторая пара магнитов окажется ближе к рычажной части шторки, чем первая, импульс тока может быть завершен. Далее шторка доходит до противоположного упора и останавливается в новом стабильном положении. Обратное переключение осуществляется подачей аналогичного импульса тока противоположного направления.
Заявленное устройство было реализовано следующим образом. Корпус и крышка были выполнены с помощью фотополимерной 3D-печати. Корпус с закрытой крышкой при это имел следующие габаритные размеры: длина 65 мм, ширина 35 мм, высота 12 мм. Был выбран диаметр трубок 10 мм, с диаметром канала - 8 мм.
2
-4
3
Угол между трубками, содержащими входные каналы, был выбран равным 40°. Максимальный угол, при котором ламинарность потока удается поддерживать, составляет 90°, однако, чем меньше этот параметр, тем при более высоких скоростях потока это удается сделать. Так, для угла в 40°, ламинарность сохраняется для скоростей потока до 2 м/с, для 90° для скоростей потока до примерно 0.5 м/с. В то же время при очень малых значениях угла между входными трубками возникают трудности, связанные размещением между ними магнитов, критически увеличивается необходимая длина заслонки. Скорость потока 2 м/с при сечении канала примерно 0.5 см позволяет получить расход среды 10 м/с. Полученные значения реализованы при перепаде давления на клапане величиной 200 Па.
В качестве постоянных магнитов использовались 4 неодимовых магнита с размерами 10x5x2 мм.
В месте слияния входных трубок находится полость, в которой перемещается шторка, отвечающая за переключение потоков. Шторка была вырезана с помощью лазерного гравера из листа конструкционной стали толщиной 0.1 мм, обладающей относительной магнитной проницаемостью около 100. В заявляемой конструкции клапана возможно использование более магнитомягкого материала с меньшей коэрцитивной силой, в идеале приближенной нулю, для упрощения его перемагничивания импульсом тока. Однако в тоже время этот материал должен обладать лучшей теплопроводностью для отвода тепла от электромагнита, т.к. именно через непрерывно обдуваемую заслонку происходит основной теплоотвод. Оптимальными свойствами обладает конструкционная сталь. Толщина 0.1 мм - минимальная толщина такого материала, обеспечивающая достаточную жесткость шторки. Толщина заслонки от 0,1 мм до 0,3 мм позволяет минимизировать ее массу, и, как следствие, увеличить скорость переключения устройства.
Максимальный угол поворота шторки определяется углом между трубками, содержащими входные каналы, однако оптимальным всегда будет являться чуть меньшее значение, в описываемом случае 32°. В противном случае придется увеличивать габаритные размеры клапана по высоте. Это связано с необходимостью разместить магниты между входными трубками и, при этом, шторка не должна доходить до плоскости симметрии магнитов.
Сама шторка состоит из трех частей: эллиптической заслонки длиной 19 мм и шириной чуть больше диаметра каналов (9 мм), оси, выполненной в виде параболических заострений длиной 2 мм, рычажной части длиной 16 мм, выступов длиной 8 мм и величиной 2 мм. На выступы наматывается электромагнит или надевается готовый электромагнит из медного обмоточного провода диаметром 0.1 мм, состоящего из 50 витков.
Переключение шторки в такой геометрии между стабильными положениями осуществлялось импульсами тока длительностью 2 мс и величиной 3 А. Между переключениями необходимо выдержать интервал длительностью около 18 мс во избежание перегрева электромагнита. Его достаточно быстрое остывание обеспечено непрерывным обдувом шторки воздухом или аэрозолью из одного из входных потоков. Таким образом, шторка обеспечивала переключение до 50 раз в секунду. При этом ламинарность потока нарушается лишь в короткие интервалы времени в момент переключения длительностью около 2 мс.