КЛАПАН ИГОЛЬЧАТЫЙ
NEEDLE VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, а именно, к запорным клапанам, и может быть использовано при разработке устройств для' полного герметичного перекрытия потока рабочей среды в коммуникациях, например водорода и его изотопов, при высоких давлениях до 5000 атмосфер.
Известен предохранительный клапан, описанный в патенте на изобретение RU 2176047, FI7K 17/06, опубл. 20.11.2001. Клапан содержит цилиндрический корпус с входным отверстием, в седло которого упирается рабочий торец поршня с уплотнительной прокладкой. Поршень выполнен заодно со штоком, соосно с которым расположена пружина, поджимающая поршень к седлу регулировочной гайкой, установленной с возможностью перемещения по резьбе на внутренней поверхности корпуса. В осевом отверстии штока установлена игла, образующая игольчатый клапан с осевым отверстием поршня. Предлагаемая конструкция клапана исключает возможность разрушения трубопровода в результате превышения в нем давления среды и уменьшает вероятность появления воздушных пробок, но не имеет сигнализации о срабатывании при сбросе давления.
Известен игольчатый клапан (свидетельство РФ на полезную модель №8035, Е21В 34/02, опубл. 16.10.1998), содержащий корпус с осевым каналом, установленный в полости корпуса на резьбе и соосно с ним шток с запирающей осевой канал иглой и гнездо под манометр. Шток выполнен с осевым каналом, сообщающим полость корпуса с гнездом под манометр, которое выполнено в конце штока, выходящего из корпуса клапана. Манометр предназначен для определения давления в системе, при этом в конструкции не предусмотрена возможность сигнализации о состоянии клапана «закрыто» или «открыто».
Известен шаровой клапан высокого давления серии V86, описанный в каталоге продукции «DK-LOK» 2015 года. Клапан содержит корпус из нержавеющей стали, внутри которого расположен затвор в виде шаровой пробки. Для уплотнения шара используется два седла, два уплотнительных кольца и две дисковые пружины с торцевыми уплотнителями. Рукоятка для ручного управления крепится на корпусе и соединяется со штоком, установленным изнутри, передающим вращение от рукоятки затвору. Существует возможность установки сигнализаторов состояний «открыто» и «закрыто», сигнализирующие о герметичном закрытии канала потока рабочей среды. Недостатком такого клапана является невысокие рабочие давления по сравнен иго с клапанами игольчатого типа.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство клапана запорного игольчатого, описанное в каталоге продукции «Wika», модель 910.11(2017 г.) Клапан игольчатый включает расположенный в корпусе запорный орган в виде иглы, установленной с возможностью осевого перемещения вдоль продольной оси клапана до седла под действием винтового механизма, состоящего из ходового винта и нажимной гайки.
Клапан запорный игольчатый характеризуется способностью работать при высоких давлениях.
К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие сигнализаторов о герметичном закрытии канала потока рабочей среды, что особенно важно при работе с высоким давлением среды порядка 5000 атмосфер.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение гарантированного сигнала о закрытом состоянии игольчатого клапана, работающего при высоких давлениях.
При использовании заявляемого клапана достигается следующий технический результат:
- получение сигнала при гарантированном состоянии клапана «закрыто»;
- возможность использования клапана в коммуникациях с высоким давлением рабочей среды (до 5000 атмосфер).
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется клапан игольчатый, включающий расположенный в корпусе запорный орган в виде иглы, установленной с возможностью осевого перемещения вдоль продольной оси клапана под действием винтового механизма, состоящего из ходового винта и нажимной гайки, в котором, согласно изобретению, на корпусе клапана установлен сигнализатор состояния в виде нажимных концевых выключателей, нажимная гайка снабжена шпонкой с возможностью взаимодействия с нажимным элементом выключателя и содержит вкладыш и упругий элемент, передающие усилие от нажимной гайки на иглу.
При этом упругий элемент может быть выполнен в виде пакета тарельчатых пружин или в виде винтовой пружины.
Любые концевые выключатели, и механического типа, и построенные на других физических принципах (ультразвуковые, индукционые, инфракрасные и т.п.) имеют гистерезис включения-отключения, организованный с целью исключить «дребезг» выходного сигнала при медленном включении. Таким образом, возникает проблема сопряжения момента запирания клапана иглой, который происходит в точке, и момента включения концевого выключателя, который имеет, некоторую неопределенность из-за наличия гистерезиса включения-выключения. Введение в конструкцию упругого элемента позволяет согласовать момент включения выключателя, сигнализирующего о состоянии «закрыто», и момент запирания иглы таким образом, что при срабатывании концевого выключателя можно гарантировать закрытое состояние клапана. Упругий элемент в виде пакета тарельчатых пружин установлен между нажимной гайкой с вкладышем и запорной иглой имеет параметры, обеспечивающие необходимое усилие запирания иглы для заданного рабочего давления.
На фигуре представлена схема заявляемого устройства, где 1 - корпус, 2 - запорная игла, 3 - сальниковое уплотнение, 4 - нажимная гайка, 5 - вкладыш, 6 - пакет пружин, 7 - винт, 8 - маховик, 9 - подшипники качения, 10 - шпонка, 11 - концевой выключатель.
Клапан состоит из стального корпуса 1, внутри которого находится запорная игла 2 с сальниковым уплотнением 3, нажимной гайки 4, содержащей вкладыш 5 и пакет тарельчатых пружин 6, винта 7 с маховиком 8, опорных подшипников качения 9. Вращение нажимной гайки 4 ограничено установленной на ней шпонкой 10, которая нажимает на контакты концевых выключателей 11.
Устройство работает следующим образом. При вращении винта 7 с помощью маховика 8, начинается поступательное движение нажимной гайки 4, которая в свою очередь перемещает вкладыш 5, сжимающий пакет пружин 6. Пружины давят на иглу 2, запирающую вентиль. При дальнейшем перемещении гайки 4 с вкладышем 5 пакет пружин 6 сжимается и вкладыш 5 непосредственно начинает давить на иглу 2. Шпонка 10, перемещающаяся вместе с гайкой 4, включает концевой выключатель 11, сигнализирующий о состоянии «закрыто». Введение в конструкцию клапана пружинного элемента в виде пакета тарельчатых пружин 6 позволяет согласовать момент запирания иглы 2 клапана с гистерезисом включения-выключения концевого выключателя 11. Параметры пружинного элемента подбираются таким образом, чтобы обеспечить необходимое усилие запирания иглы 2 для заданного рабочего давления и необходимый свободный ход для включения концевого выключателя 11.
Был изготовлен опытный образец устройства. Корпус (внутренний диаметр 29 мм) и винт с левой метрической резьбой (диаметром 10 мм и шагом 1,5 мм), приводящий в движение нажимную гайку, выполнены из стали 30ХГСА. Тарельчатые пружины обеспечивают усилие поджатия до 2 тонн. Сальниковое уплотнение - комбинированное из фторопласта и бронзы. На корпусе располагаются концевые выключатели. Испытание на герметичность проводилось при давлении 5000 атмосфер. Разработанная конструкция позволяет сопрягать момент включения концевого выключателя, сигнализирующий о состоянии «закрыто», и момент запирания иглы.