КЛАПАН И УСТРОЙСТВО РАЗДАЧИ
VALVE AND DEVICE FOR DISTRIBUTION

Это изобретение относится к клапану и устройству раздачи, содержащему клапан.
Когда необходимо регулировать давление внутри объема и при этом подавать среду под давлением из источника, то это, как известно, требует использования соответствующего клапана. Известные клапаны, однако, являются сложными, с поджимающими элементами и механизмами управления и в целом не подходящими для многих применений.
В соответствии с первым аспектом изобретения предложен клапан, содержащий входное и выходное отверстия, клапанный элемент, выполненный с возможностью перемещения между первым положением равновесия и вторым, открытым, положением, при этом, когда клапанный элемент находится в первом положении, входное отверстие и выходное отверстие проточно не сообщаются, а когда клапанный элемент находится во втором положении, входное отверстие и выходное отверстие проточно сообщаются, причем клапанный элемент выполнен с возможностью перемещения между первым положением и вторым положением в ответ на давление во входном и выходном отверстиях.
Клапанный элемент может содержать поршень, имеющий первую поверхность, реагирующую на давление в выходном отверстии, и вторую, меньшую, поверхность, реагирующую на давление на входе, при этом поршень может быть выполнен с возможностью перемещения в ответ на результирующую силу, приложенную к первой и второй поверхностям.
Поршень может быть выполнен с возможностью перемещения в первом канале, проточно сообщающемся с выходным отверстием, а вторая поверхность может быть предусмотрена на стержне, прикрепленном к поршню и выполненном с возможностью перемещения во втором канале, проточно сообщающемся с входным отверстием. В стержне может быть выполнен сквозной канал, а также могут быть расположены верхнее уплотнение и нижнее уплотнение для обеспечения скользящего уплотнения между стержнем и вторым каналом.
Во втором положении концевая часть стержня может быть расположена между верхним уплотнением и нижним уплотнением с обеспечением возможности прохождения жидкости мимо нижнего уплотнения вокруг стержня и ее вхождения в сквозной канал.
Клапанный элемент может быть выполнен с возможностью перемещения в третье положение с обеспечением возможности прохода текучей среды от выходного отверстия к входному отверстию.
Клапанный элемент может быть выполнен с возможностью перемещения в четвертое положение в ответ на давление во входном и выходном отверстиях, при этом входное и выходное отверстия проточно не сообщаются.
Клапанный элемент может перемещаться между первым положением и вторым положением исключительно в ответ на давление во входном отверстии и выходном отверстии, при этом может и не иметься никакого поджимающего или регулирующего элемента для перемещения клапанного элемента между первым и вторым положениями.
Иллюстративное использование клапана может быть показано в устройстве раздачи для жидкости, такой как аэрозоль. Традиционно такие устройства раздачи заполнены пропеллентом, содержащим летучее органическое соединение, такое как пропан, бутан или изобутан. Такие пропелленты имеют такие низкие точки кипения, что, когда их вводят в аэрозольный баллон или в зажигалку, они способны оставаться в виде жидкости при низком давлении и вскипают при низких температурах, когда давление уменьшается при использовании аэрозоля. Известно, что эти пропелленты являются легко воспламеняющимися и токсичными. Рассматривались такие инертные или менее вредные пропелленты, как диоксид азота или углекислый газ. Однако для того, чтобы азот был жидкостью, требуется, чтобы он содержался под давлением в 4000 psi (фунт/кв.дюйм) (272 атм), а углекислый газ - под давлением в 815 psi (фунт/кв.дюйм) (55 атм), которое является слишком высоким, чтобы газ мог содержаться внутри обычных аэрозольных баллонов. Следовательно, кривая расширения от давления этих газов такова, что, когда эти газы применяются в обычных аэрозольных баллонах, в которых внутреннее давление обычно находится в диапазоне от 60 до 120 psi (от 4 до 8 атм), давление в контейнере падает слишком быстро, поскольку содержимое используется и скорость выпуска снижается.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предложено устройство раздачи, содержащее контейнер и насадку, предназначенную для высвобождения жидкости под давлением из контейнера, причем устройство раздачи дополнительно содержит источник давления, предназначенный для подачи жидкости под давлением в контейнер, при этом источник давления и контейнер соединены клапаном, выполненным в соответствии с первым аспектом изобретения.
Источник давления может быть присоединен к контейнеру с возможностью съема.
Источник давления может содержать клапан и баллон.
Контейнер может иметь соединительную часть, предназначенную для взаимодействия с источником давления, причем соединительная часть имеет стержень-толкатель, предназначенный для перемещения клапанного элемента из четвертого положения во второе положение, когда источник давления взаимодействует с контейнером.
Насадка выполнена с возможностью присоединения к трубке, проходящей в контейнер с обеспечением высвобождения жидкости из контейнера.
Раздача жидкости может быть осуществлена в виде как брызг, так и струи или пены.
Варианты выполнения изобретения будут теперь описаны исключительно посредством примера в отношении сопровождающих чертежей, на которых:
Фиг.1а представляет собой разрез клапана, являющегося вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.1b представляет собой разрез клапана, изображенного на Фиг.1а, во втором положении;
Фиг.1с представляет собой разрез клапана, изображенного на Фиг.1а, в четвертом положении;
Фиг.1d представляет собой разрез клапана, изображенного на Фиг.1а, в третьем положении;
Фиг.2 представляет собой разрез альтернативного клапана;
Фиг.3 представляет собой разрез устройства раздачи, содержащего клапан, изображенный на Фиг.1;
Фиг.4 представляет собой вид в большем масштабе части устройства раздачи, изображенного на Фиг.3, в первом рабочем положении;
Фиг.5 представляет собой вид в большем масштабе части устройства раздачи, изображенного на Фиг.3, во втором рабочем положении;
Фиг.6 представляет собой вид в большем масштабе части аэрозольного баллона, изображенного на Фиг.3, во втором рабочем положении; и
Фиг.7 представляет собой разрез контейнера под давлением устройства раздачи, изображенного на Фиг.3.
Клапан, являющийся вариантом выполнения настоящего изобретения, в целом обозначен номером позиции 10 и изображен на Фиг.1a-1d. Клапан 10 подходит для использования в любом подходящем применении, в котором требуется управляемая подача текучей среды под давлением. Клапан 10 имеет входное отверстие 11, в которое подается текучая среда под давлением. Текучая среда под давлением может представлять собой топливо, подаваемое, например, из топливного контейнера. Поршень 12 выполнен с возможностью перемещения внутри первого канала 13, причем его перемещение ограничено в этом примере концом 14 первого канала 13 и пружинным кольцевым замком 15. Второй канал 16, диаметр которого меньше, чем диаметр первого канала 13, проходит от первого канала 13 к входному отверстию 11. Поршневой шток 17 соединен с поршнем 12 и выполнен с возможностью скользящего перемещения внутри второго канала 16. Проход 18 проходит от верхней поверхности поршня 12 через поршневой шток 17 и имеет одно или большее количество отверстий 19. Верхнее кольцевое уплотнение 20 и нижнее кольцевое уплотнение 21, удерживаемые в углублениях во втором канале 16, обеспечивают скользящее уплотнение между поршневым стержнем 17 и вторым каналом 16. Верхняя часть первого канала 13 образует выходное отверстие. Объем канала 13 между поршнем 12 и концом 14 канала 13 предпочтительно находится при более низком давлении, например, имея доступ к атмосферному давлению через соответствующее отверстие (не показано). При этом поршень 12 в состоянии свободно перемещаться в ответ на результирующую силу, созданную от различных давлений во входном отверстии 11 и в выходном отверстии, действуя на большую поверхность поршня 12 и меньшую поверхность конца поршневого штока 17.
На Фиг.1а показан клапан 10 в первом, равновесном, положении, когда более низкое давление в выходном отверстии и, следовательно, в канале 13 сбалансировано более высоким давлением во входном отверстии и приложено к меньшей поверхности конца штока 17. Соответственно, нет никакой результирующей силы, действующей на поршень 12, или же она является недостаточной, чтобы заставить поршень переместиться, противодействуя любым силам трения, таким как силы, имеющиеся между уплотнениями 20, 21 и поршневым штоком 17.
Когда давление в выходном отверстии падает, как показано на Фиг.1b, поршень 12 принудительно перемещается ко второму, открытому положению, поскольку сила, приложенная к поршню 12, меньше, чем направленная вверх сила, из-за того, что более высокое давление во входном отверстии 11 действует на меньшую поверхность конца штока 17. Поршень 12 вынужден перемещаться вверх, перемещая нижнюю часть поршневого штока 17 из контакта с нижним кольцевым уплотнением 21. Когда допуск между штоком 17 и вторым каналом 16 превысит выверенное значение, текучая среда под давлением будет протекать через входное отверстие 11, отверстия 19 и проход 18 к выходному отверстию 22. Когда давление в выходном отверстии увеличилось в достаточной степени, направленная вниз действующая на поршень 12 сила превысит направленную вверх силу на конце штока 17, при этом поршень 12 возвратится к первому положению, изображенному на Фиг.1а.
В четвертом положении, как показано на Фиг.1с, давление в первом канале 13 полностью выпущено, или уменьшено, до атмосферного давления или давления окружающей среды, например, из-за того, что клапан 10 преднамеренно снят с устройства раздачи, или из-за утечки, или из-за чего-то еще. В этом случае давление во входном отверстии 11 вынуждает поршень 12 переместиться вверх, пока он не начнет взаимодействовать с пружинным кольцевым замком 15, и отверстия 19 будут расположены выше верхнего кольцевого уплотнения 20. Никакая текучая среда под давлением не может теперь пройти от входного отверстия 11 к выходному отверстию 22, и, таким образом, клапан 10 находится в безопасном состоянии.
Когда топливный контейнер содержит источник текучей среды под давлением, клапан 10 может также использоваться для повторного наполнения топливного контейнера. Как показано на Фиг.1d, давление повторного наполнения, приложенное к выходному отверстию 22, вынуждает поршень 12 перемещаться вниз, пока он не достигнет третьего положения, в этом примере, когда поршень взаимодействует с концом 14 канала 13. Проход 18 и отверстия 19 обеспечивает проточное сообщение, обеспечивающее прохождение текучей среды, находящейся под давлением, от выходного отверстия 22 к входному отверстию 11. Когда давление выпущено из выходного отверстия 22, поршень 12 будет вынужден переместиться вверх, пока он не достигнет положения, показанного на Фиг.1с. В качестве альтернативы, вместо того, чтобы просто использовать давление повторного наполнения для перемещения поршня 12 к третьему положению, может быть использован подходящий физический механизм, такой как шток толкателя, чтобы перемещать поршень 12 в третье положение, когда клапан взаимодействует с источником давления повторного наполнения, и обеспечивать возвращение поршня 12 к четвертому положению, показанному на Фиг.1с, когда клапан 10 отсоединен от источника давления повторного наполнения. Третье положение может быть ограничено некоторым другим стопором, таким как пружинный кольцевой замок внутри канала, если для поршня 12 желательно не обязательно вступать в контакт с концевой поверхностью 14.
Очевидно, что в клапане может быть предусмотрена любая другая подходящая конфигурация проходов, чтобы обеспечить соединение между входным отверстием 11 и выходным отверстием. На Фиг.2 изображен альтернативный поршень 12' и шток 17', который выполнен сплошным, за исключением сквозного канала 24, при этом шток 17' является достаточно длинным, так что он всегда находится в герметизирующем контакте с нижним кольцевым уплотнением 21. Перемещение поршня 12' приводит к открытию сквозного канала 24 и закрытию прохода 25 подачи, чтобы доставить текучую среду к выходному отверстию 22', проточно сообщающемуся с каналом 13.
Когда клапан 10, 10' присоединен к устройству, такому как устройство раздачи, в которое должна подаваться текучая среда под давлением, очевидно, что поршень 12 будет находиться в четвертом положении, как показано на Фиг.1с. Чтобы заставить клапан 10 разрешить текучей среде под давлением проходить от входного отверстия 11 к выходному отверстию канала 13, необходимо, чтобы некоторый физический элемент первоначально переместил поршень 12 во второе положение. В примере на Фиг.2 шток 26 толкателя выполнен как часть соединителя 27 на устройстве, к которому прикреплен клапан 10 посредством резьбового соединения 28. Поскольку клапан 10 накручен на резьбовое соединение 28, шток 23 толкателя входит в контакт с поршнем 12 и смещает поршень 12 из закрытого положения, показанного на Фиг.1с, обеспечивая прохождение давления от входного отверстия 11 к каналу 13. Как только давление внутри устройства и, следовательно, в канале 13 поднимается в достаточной степени, поршень 12 будет перемещаться в первое, равновесное, положение и впоследствии будет работать, как описано выше, в ответ на изменения давления в канале 13.
Если клапан 10 не предназначен для обеспечения повторного наполнения источника давления, то клапан может быть выполнен таким образом, чтобы поршень 12 был не в состоянии переместиться в третье положение, как показано на Фиг.1d. Это может быть достигнуто, например, путем выбора длины штока 17 так, чтобы он не мог проходить за нижнее кольцевое уплотнение 21, или же путем ограничения амплитуды перемещения поршня 12 расположением конца 14 канала 13, или же обеспечивая дополнительный пружинный кольцевой замок, или иным образом.
Должно быть очевидно, что клапан 10 может использоваться в любом подходящем применении, когда требуется подавать текучую среду под давлением из источника, находящегося при более высоком давлении, к устройству или объему, находящимся при более низком давлении. Источник может быть контейнером, содержащим текучую среду под давлением, таким как топливный баллон, или напорная магистраль, или насос, или любой другой подходящий источник. Конструкция клапана является простой, без необходимости в поджимающих или управляющих устройствах, при этом относительные размеры поршня 12 и штока 17 могут быть выбраны в соответствии с требуемыми давлением источника и давлением в выходном отверстии. Клапан 10 может быть уменьшен до миниатюрных размеров и является простым в изготовлении.
Теперь будет описано иллюстративное применение клапана со ссылкой на Фиг.3-7. Устройство раздачи показано номером позиции 30, причем в этом примере оно содержит аэрозоль, действующий таким образом, что содержимое устройства раздачи извлекается в виде тумана, брызг или пены, но может быть устройством раздачи и любого другого типа, в соответствии с требованиями.
Устройство 30 раздачи содержит контейнер 31 для жидкости, раздача которой должна быть осуществлена, закрытый крышкой 32 в верхнем конце контейнера 31. Соединительная часть 33 расположена в более нижней части контейнера 31 для размещения источника давления газа, как обсуждено более подробно дальше. Крышка 32 имеет насадку 34а и погружную трубку 34b, проходящую в корпус контейнера 31. Также имеется кнопка 35, которая в нажатом положении соединяет погружную трубку 34b с насадкой 34а с обеспечением выхода жидкости из контейнера 31 с помощью давления в этом контейнере 31 через погружную трубку 34b и через насадку 34а.
Соединительная часть 33 имеет в целом цилиндрический корпус 36 с внутренним уплотнением 37. Выходы 38 соединяют соединительную часть 33 с внутренней частью контейнера 31. Шток 39 толкателя проходит вниз в корпус до места, обозначенного номером позиции 36, для взаимодействия с клапаном 10, как это описано ниже.
Чтобы обеспечить подачу текучей среды под давлением к контейнеру 31, предусмотрен источник 40 давления. Источник 40 давления содержит баллон 41 и регулятор 42, который содержит клапан 10, который описан выше, поршень 12, имеющий уплотнение 12а и выполненный с возможностью перемещения в концевой части 40а источника 40 давления. Винт 43 с резьбой в регуляторе 42 обеспечивает сообщение с атмосферой для объема, расположенного под поршнем 12. В этом примере винт 43 также предотвращает перемещение поршня 12 к третьему положению, в качестве меры безопасности, чтобы предотвратить или препятствовать осуществлению раздачи из баллона 41, когда он не используется. Когда баллон 41 содержит текучую среду под давлением, а источник 40 давления не соединен с соединительной частью 33, клапан 10 находится в четвертом положении, как это показано на Фиг.1с.
Источник 40 давления вводят в соединительную часть 33, как это показано на Фиг.4, вводя источник давления, пока он не пройдет уплотнение 37. Проталкивание источника давления дальше приводит к вхождению поршня 12 в контакт со штоком 39 толкателя. Как описано выше, это вынуждает поршень 12 выйти из четвертого положения и войти во второе положение, как показано на Фиг.5. Текучую среду под давлением подают из клапана 10 через выходы 38 в контейнер 31. Когда в контейнере 31 достигнуто необходимое давление, как установлено выбором размеров поршня 12 и поршневого штока 17, как это описано выше, поршень 12 перемещается в первое, равновесное, положение, как это показано на Фиг.6.
Хотя источник 40 давления и соединительная часть 33 изображены расположенными в целом по центру контейнера 31 и содержатся внутри нижней части контейнера 31, устройство раздачи может быть снабжено источником давления и контейнером, расположенными и соединенными любым подходящим способом.
Должно быть очевидно, что, когда кнопка 35 нажата, чтобы осуществить раздачу текучей среды из контейнера 31, давление внутри контейнера 31 будет падать. Соответственно, поршень 12 будет вынужден переместиться вверх и текучая среда под давлением будет подаваться в контейнер 31, пока снова не будет достигнуто равновесное давление.
Когда требуется снова наполнить баллон 41, винт 43 удаляют или вывинчивают в достаточной степени, чтобы обеспечить перемещение поршня 12 к третьему положению. Клапан 10 может тогда взаимодействовать с соответствующей насадкой 44 повторного наполнения, которая вынуждает поршень 12 переместиться к третьему положению, как показано на Фиг.7. Давление подается из прохода 45 насадки 44 через канал 18 и выходное отверстие 19 в баллон 41. Когда требуется снова наполнить контейнер 31, крышка 32 или соединительная часть 33 может быть снята, чтобы обеспечить ввод текучей среды в контейнер 31, а затем закрыта подходящим непроницаемым для жидкости и давления уплотнением. В качестве альтернативы, если это годится, жидкость, раздача которой должна быть осуществлена, может быть введена в контейнер 31 через выходы 38 до вставления источника 40 давления.
Должно быть очевидно, что устройство раздачи имеет преимущество, заключающееся в том, что оно обеспечивает повторное наполнение аэрозольного баллона или устройства раздачи как жидкостью, раздачу которой необходимо произвести, так и пропеллентом. Соответственно, это обеспечивает существенные преимущества перед известными аэрозольными баллонами, когда весь контейнер должен быть выброшен, когда его содержимое опустошается, представляя собой существенную трату ресурсов.
3
3
3
Устройство раздачи также имеет преимущество, заключающееся в том, что использование клапана 10 обеспечивает надежное использование азота или углекислого газа. Азот или углекислый газ не имеют, с точки зрения окружающей среды, разрушительных эффектов, свойственных известным пропеллентам, и сравнительно дешевы в производстве и распределении. Азот и углекислый газ также инертны, относительно недороги и не несут с собой риски, связанные с известными огнеопасными пропеллентами. Например, чтобы обеспечить давление внутри контейнера приблизительно 75-250 psi (5,1-17 атм), источник давления может содержать жидкий азот приблизительно под давлением в 4000 psi (272 атм). Площадь поршня и штока выбирают так, что клапанный элемент перемещается в свое первое, равновесное, положение, когда эти давления прикладывают соответственно к выходному отверстию и к входному отверстию клапана 10. Один см жидкого азота дает 696,5 см газа при 70°С. Источник давления с объемом 12 см может поэтому обеспечить пропеллента приблизительно на 10 выпусков устройства раздачи.
Очевидно, что источник давления, содержащий баллон и клапан 10, может использоваться отдельно для выполнения любой подходящей функции.
Термины «содержит» и «содержащий» и их варианты, используемые в этом описании и формуле изобретения, означают, что включены конкретные признаки, этапы или целые детали. Эти термины не должны интерпретироваться как исключающие наличие других признаков, этапов или элементов.
Признаки, раскрытые в приведенном выше описании, или следующей далее формуле изобретения, или в сопровождающих чертежах, выраженных в их конкретных формах или с точки зрения средств для выполнения описанной функции, или способа, или процесса для достижения описанного результата, как это предназначено, могут по отдельности или в любой комбинации этих признаков быть использованными для осуществления изобретения в его разнообразных формах.