КЛАПАН ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПУТИ ПОТОКА
VALVE FOR SWITCHING FLOW PATH

Уровень техники
Клапан для переключения пути потока известен из документа DE 10 2012 108 199 A1, в котором описан клапан, содержащий камеру клапана с тремя отверстиями и поршень клапана, расположенный в камере клапана и содержащий гибкую мембрану. Периферия мембраны взаимодействует с внутренней окружной стенкой камеры клапана. Поршень клапана выполнен с возможностью перемещения между двумя крайними положениями, при этом в первом крайнем положении он открывает путь потока между первым отверстием и вторым отверстием и блокирует третье отверстие, а во втором крайнем положении блокирует первое отверстие и открывает путь потока между вторым отверстием и третьим отверстием.
Переключающие клапаны этого типа используются, например, таким образом, чтобы, когда воздух заходит через первое отверстие, поршень клапана перемещается под действием избыточного давления в первое крайнее положение и блокирует третье отверстие, при этом текучая среда может протекать из первого отверстия, минуя гибкую мембрану, ко второму отверстию. Когда поток текучей среды прекращается или его давление снижается, под действием более высокого давления, действующего во втором отверстии, поршень клапана перемещается к своему второму крайнему положению, так как мембрана теперь действует как уплотнение. Во втором крайнем положении первое отверстие блокируется, и воздух может выходить через третье отверстие, которое теперь открыто. При соответственно большом поперечном сечении третьего отверстия клапан в этом состоянии способствует быстрому выпуску воздуха.
Когда поршень клапана находится в первом крайнем положении, воздух должен проходить, минуя мембрану. Для этого требуется определенное постоянное давление для упругого деформирования мембраны. В результате такого снижения давления возникает умеренный гистерезис между первым и вторым отверстиями камеры клапана. Так как снижение давления зависит от допусков размеров и жесткости материала, характер гистерезиса изменяется в зависимости от каждого компонента. Кроме того, он изменяется со временем из-за усталости и износа материала. Однако упругость мембраны является существенным свойством, влияющим на работу клапана.
В результате этого требуемое давление в контуре управления давлением никогда не достигается точно. Если давление определяют ниже по потоку от переключающего клапана, то контур управления действует медленнее, при этом время отклика становится более продолжительным из-за гистерезиса, что еще больше нарушает равновесие.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение направлено на создание клапана для переключения пути потока, в котором гистерезис, описанный выше, был бы исключен.
Согласно изобретению, внутренняя окружная стенка камеры клапана имеет такую форму, что в последней фазе перемещения мембраны в первое крайнее положение плотный контакт между мембраной и окружной стенкой прекращает действовать по меньшей мере на части периферии. Другими словами, изобретение обеспечивает байпас в области поршня клапана, который действует, когда поршень клапана достигает упомянутого первого крайнего положения. В этом крайнем положении влияние упругой мембраны исключается и, таким образом, описанный выше гистерезис подавляется без изменения базовой функции клапана для переключения потока. Любой износ и допуск в области мембраны не влияют на работу клапана. В то же время поперечное сечение потока увеличивается. Благодаря подавлению гистерезиса переключающий клапан согласно изобретению действует быстрее, и им легче управлять.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на варианты осуществления, показанные на чертежах.
На фиг. 1 показан пневмоклапан быстрого выхлопа, вид в разрезе;
на фиг. 2 – камера клапана и расположенный в ней поршень клапана, увеличенный вид в разрезе;
на фиг. 3–8 – одна половина камеры клапана и поршня клапана в альтернативных конфигурациях, вид в разрезе; и
на фиг. 9(a)–(d) – разные формы поперечного сечения канавки, выполненной в окружной стенке камеры клапана.
Осуществление изобретения
Пневмоклапан быстрого выхлопа, изображенный на фиг. 1, содержит корпус 10, который в показанном примере изготовлен из двух частей 11 и 12 корпуса, герметично соединенных друг с другом с использованием уплотнительного кольца. В части 11 корпуса образована камера 13 клапана. Внутри камеры 13 клапана, с возможностью перемещения в вертикальном направлении согласно фиг. 1, может быть установлен поршень 14, изготовленный из синтетического материала и содержащий гибкую мембрану 15.
В верхней части 11 корпуса камера 13 клапана содержит первое отверстие 21 для соединения с источником сжатого воздуха (не показан), а в нижней части 12 корпуса – второе, расположенное сбоку отверстие 22 для соединения с пневмоцилиндром или подобным устройством (не показаны) и нижнее, третье отверстие 23 для быстрого выпуска воздуха в атмосферу.
Поршень 14 клапана выполнен с возможностью перемещения между первым крайним положением (только это положение показано на фиг. 1), в котором он блокирует третье отверстие 23, и вторым крайним положением (не показано на фиг. 1), в котором он упирается в верхнюю стенку камеры 13 клапана и блокирует первое отверстие 21. В первом крайнем положении поршень 14 клапана удерживается благодаря избыточному давлению, действующему в первом отверстии 21.
В этом положении в известных клапанах воздух мог обтекать гибкую мембрану 15 и поступать в цилиндр, соединенный с отверстием 22.
Когда давление в отверстии 21 падает ниже давления, действующего в отверстии 22, поршень 14 клапана толкается во второе крайнее положение (не показано), в котором он предотвращает выход воздуха через отверстие 21, при этом воздух из отверстия 22, соединенного с цилиндром, может быстро выходить в атмосферу через большее отверстие 23.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2 и 3, нижний край окружной стенки 16 камеры клапана имеет фаску 30, расположенную таким образом, чтобы мембрана 15 поршня 14 клапана при достижении первого крайнего положения отстояла от окружной стенки 16 для открывания байпасного соединения между первым отверстием 21 и вторым отверстием 22, подавляя таким образом гистерезис, возникавший в известных устройствах.
Мембрана 15 является сравнительно жесткой. Поршень 14 клапана почти не обладает внутренним трением и перемещается под действием очень небольшого давления. При достижении им байпасного положения воздух может протекать мимо мембраны 15 без какого-либо снижения давления и, таким образом, без гистерезиса. В противоположность этому, в известных устройствах всегда должно было преодолеваться сопротивление мембраны.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 4, байпас сформирован посредством радиуса 31, начинающегося от места, где мембрана 15 находится непосредственно перед достижением первого крайнего положения. В этом случае мембрана в крайнем положении также больше не находится в плотном контакте с окружной стенкой 16 камеры 13 клапана. Преимуществом этого варианта осуществления изобретения является равномерное снижение давления на мембрану 15, а также обеспечение большей площади поперечного сечения для прохода потока воздуха. В сравнении с фаской 30, представленной на фиг. 2 и 3, радиус 31 образует более плавный переход, что увеличивает срок службы клапана.
На фиг. 5 байпас выполнен в окружной стенке 16 камеры клапана в виде канавки 32. Также может быть выполнено множество параллельных канавок или параллельных кольцевых канавок, расположенных таким образом, чтобы мембрана 15 прекращала контактировать с окружной стенкой 16 только незадолго перед достижением второго крайнего положения.
В вариантах осуществления изобретения, представленных на фиг. 6–8, около нижнего края окружной стенки 16 камеры клапана образовано множество распределенных по окружности выемок 33, 34 или 35, причем каждая выемка проходит только вдоль части окружности, при этом выемки также расположены около места, которого мембрана 15 достигает только незадолго перед первым крайним положением. В качестве альтернативы может быть одна выемка 33, 34 или 35. В осевом сечении выемки могут быть в форме части круга (33 на фиг. 6), прямоугольника (34 на фиг. 7), трапеции (35 на фиг. 8) или другой фигуры.
Как показано на фиг. 9, поперечное сечение выемок 33–35 может иметь форму (a) корыта, клина (b), прямоугольника (c) или полукруга (d).
Расшифровка номеров позиций на чертежах
10 – Корпус
11, 12 – Части корпуса
13 – Камера клапана
14 – Поршень клапана
15 – Мембрана
16 – Окружная стенка
21 – Первое отверстие
22 – Второе отверстие
23 – Третье отверстие
30 – Фаска
31 – Радиус
32 – Канавка
33–35 – Выемка