КЛАПАННЫЙ УЗЕЛ
VALVE ASSEMBLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к области клапанных узлов с электронным включением для регулирования сообщения по текучей среде между коллектором и рабочей камерой механизма, работающего с текучей средой.
Уровень изобретения
Механизмы, работающие с текучей средой, включают в себя механизмы, приводимые в движение текучей средой, и/или механизмы, приводящие в движение текучую среду, такие как насосы, моторы, и механизмы, которые могут выполнять функцию как насоса, так и мотора при различных рабочих режимах. Хотя изобретение будет показано со ссылкой на применения, в которых текучей средой является жидкость, такая как в целом несжимаемая гидравлическая жидкость, альтернативно текучей средой может являться газ.
Когда механизм, работающий с текучей средой, работает в режиме насоса, коллектор низкого давления обычно выступает в качестве общего источника текучей среды, и коллектор высокого давления обычно выступает в качестве общего стока для текучей среды. Когда механизм, работающий с текучей средой, работает в режиме мотора, коллектор высокого давления обычно выступает в качестве общего источника текучей среды, и коллектор низкого давления обычно выступает в качестве общего стока для текучей среды. В рамках этого описания и прилагаемой формулы изобретения термины «коллектор высокого давления» и «коллектор низкого давления» относятся к коллекторам с более высоким и более низким давлениями относительно друг друга. Разность давлений между коллектором высокого давления и низкого давления и абсолютные значения давлений в коллекторе высокого давления и низкого давления будут зависеть от применения. Например, разность давлений может быть больше в случае насоса, который оптимизирован для задачи мощной накачки, чем в случае насоса, который оптимизирован для точного задания общего перемещения текучей среды, например насос для выдачи отмеренного количества текучей среды (например, жидкого топлива), который может иметь только минимальную разность давлений между коллектором высокого давления и низкого давления. Механизм, работающий с текучей средой, может иметь более одного коллектора низкого давления.
Известны механизмы, работающие с текучей средой, которые содержат множество рабочих камер с циклически изменяющимся объемом, в которых перемещение текучей среды через рабочие камеры регулируется электронно-управляемыми клапанами поциклово и с зависимостью фаз от циклов объема рабочей камеры, чтобы определить общий расход текучей среды через механизм. Например, EP 0 361 927 раскрывает способ управления расходом текучей среды через многокамерный насос открытием и/или закрытием электронно-управляемых тарельчатых клапанов с зависимостью фаз от циклов объема рабочей камеры, чтобы регулировать сообщение по текучей среде между отдельными рабочими камерами насоса и коллектором низкого давления. В результате отдельные камеры выполнены с возможностью выбора контроллером поциклово, чтобы либо перемещать заданный фиксированный объем текучей среды, либо переходить в цикл простоя с отсутствием общего перемещения текучей среды, тем самым позволяя приведение общего расхода насоса в динамическое соответствие с потреблением. EP 0 494 236 усовершенствовал этот принцип и включил в состав электронно-управляемые тарельчатые клапаны, которые регулируют сообщение по текучей среде между отдельными рабочими камерами и коллектором высокого давления, тем самым облегчая обеспечение выполнения механизмом, работающим с текучей средой, функции либо насоса, либо мотора в альтернативных рабочих режимах. EP 1 537 333 ввел возможность неполных циклов, позволяя отдельным циклам отдельных рабочих камер перемещать любой из множества различных объемов текучей среды, чтобы лучше соответствовать потреблению.
Механизмы, работающие с текучей средой, этого типа требуют быстрого открытия и закрытия электронно-управляемых клапанов, способных регулировать поток текучей среды в и из рабочей камеры из коллектора низкого давления, и в некоторых вариантах выполнения - коллектора высокого давления. Целью некоторых аспектов настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованных клапанных узлов, подходящих для регулирования потока текучей среды в и из рабочей камеры механизма, работающего с текучей средой, этого типа. Однако клапанные узлы согласно настоящему изобретению применимы к другим типам механизма, работающего с текучей средой.
Техническая проблема, которая может возникнуть с клапанными узлами, включающими в себя клапаны с посадкой по поверхности (такие, как тарельчатые клапаны), выполненные с возможностью электронного включения, для регулирования подачи текучей среды в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой, относится к требованию удерживания клапана с посадкой по поверхности в открытом положении, пока текучая среда течет через клапан. Эффекты Бернулли (кинетическая энергия связана с падением давления) и поверхностное трение, возникающее при протекании текучей среды через элемент клапана с посадкой по поверхности (например, тарелку) могут прикладывать существенную силу на элемент клапана с посадкой по поверхности. Таким образом может являться необходимым продолжение подачи существенной мощности на электромагнит, чтобы удержать клапан с посадкой по поверхности в открытом положении, или этот эффект может ограничить наибольшую скорость потока через клапан. Соответственно, изобретение решает проблему удерживания в открытом положении клапанов с посадкой по поверхности, выполненных с возможностью электронного включения, пока текучая среда течет через клапаны из коллектора низкого или высокого давления в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой, или в обратном направлении.
Некоторые варианты выполнения настоящего изобретения также решают проблему открытия клапана с посадкой по поверхности, такого как тарельчатый клапан, против разности давлений, чтобы регулировать подачу текучей среды из коллектора высокого давления в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой. Это является технически сложным, поскольку в клапане с посадкой по поверхности давление текучей среды действует на опорную площадь, чтобы создать значительное закрывающее усилие. Соответственно, трудно обеспечить клапан с посадкой по поверхности для регулирования подачи текучей среды из коллектора высокого давления в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой, который способен открываться против значительной разности давлений и который также способен быстро открываться (в идеале за несколько миллисекунд), в то же время снижая потребление энергии.
GB 2,430,246 (Stein) раскрывает клапанный узел, который подходит для регулирования подачи текучей среды из коллектора высокого давления в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой. Клапанный узел содержит основной клапан, вспомогательный клапан, электромагнит и сердечник (называемый подвижным полюсом). Основной клапан содержит элемент основного клапана с посадкой по поверхности и седло основного клапана. Вспомогательный клапан составляет одно целое с основным клапаном и включает в себя элемент вспомогательного клапана, который выполнен с возможностью перемещения между уплотняющим положением и открытым положением, в котором обеспечивается канал через вспомогательный клапан для протекания текучей среды между противоположными сторонами элемента основного клапана, чтобы уменьшить разность давлений на элементе основного клапана. Таким образом, вспомогательный клапан, который имеет гораздо меньшую площадь поверхности по сравнению с основным клапаном, может быть открыт, даже когда имеется значительная разность давлений на элементе основного клапана. Рабочая камера фактически является замкнутым объемом, таким образом, текучая среда может течь через вспомогательный клапан, чтобы уравновесить давление с обеих сторон элемента основного клапана, тем самым облегчая открытие основного клапана.
В клапанном узле, раскрытом в GB 2,430,246, клапан с посадкой по поверхности удерживается в открытом положении пружиной. Практически, этой пружине чрезвычайно трудно обеспечить достаточное усилие для удерживания клапана в открытом положении против силы Бернулли и силы поверхностного трения. Таким образом, целью некоторых вариантов выполнения настоящего изобретения является обеспечение клапанного узла, который способен не только оставаться открытым при наличии значительных силы Бернулли и силы поверхностного трения, но также способен быстро открываться против значительной разности давлений, в то же время снижая потребление энергии.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечен клапанный узел для регулирования подачи текучей среды из коллектора текучей среды в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой, причем клапан содержит основной клапан, электромагнит и сердечник, причем основной клапан содержит элемент основного клапана с посадкой по поверхности и седло основного клапана и имеет открытое положение, в котором элемент основного клапана отстоит от седла основного клапана, и уплотняющее положение, в котором элемент основного клапана уплотняюще контактирует с седлом основного клапана, в котором сердечник выполнен с возможностью перемещения вдоль канала, продолжающегося между первым положением и вторым положением, и в котором, когда сердечник находится в первом положении, элемент основного клапана отклонен в уплотняющее положение, и в котором, когда сердечник находится во втором положении, элемент основного клапана отклонен в открытое положение, отличающийся тем, что элемент основного клапана содержит ферромагнитный элемент, и клапан дополнительно содержит магнитную цепь, выполненную с возможностью направления магнитного потока через ферромагнитный элемент, когда основной клапан открыт, чтобы тем самым удерживать элемент основного клапана в открытом положении.
Таким образом, когда основной клапан открыт и ток подается на электромагнит, элемент основного клапана находится при наименьшей потенциальной энергии магнитного поля, сопротивляясь силе Бернулли и силе поверхностного трения, действующим на элемент основного клапана вследствие потока текучей среды мимо элемента основного клапана через седло клапана. Следовательно, элемент клапана особенно полезен в механизмах, работающих с текучей средой, в которых при использовании предусматривается относительно высокая скорость потока текучей среды. Клапанный узел, например, может быть использован для регулирования подачи текучей среды из коллектора текучей среды высокого давления в рабочую камеру мотора, работающего на текучей среде (такого, как механизм, работающий с текучей средой, который выполняет функцию только мотора, или функцию насоса или мотора в альтернативных рабочих режимах). Тем не менее, клапанный узел также может быть полезен для регулирования подачи текучей среды из коллектора текучей среды низкого давления в рабочую камеру мотора, работающего на текучей среде.
Элемент основного клапана может содержать как ферромагнитный элемент, так и один или более неферромагнитных участков элемента клапана. Однако элемент основного клапана может полностью состоять из ферромагнитного элемента.
Поскольку элемент основного клапана отклонен в открытое положение, когда сердечник находится во втором положении, предпочтительно одним или более упругими элементами, элемент основного клапана будет смещен в полностью открытое состояние, в котором он обеспечит меньшее сопротивление потоку через клапан, чем если бы он был отклонен в закрытое положение.
Предпочтительно, элемент основного клапана отклонен в уплотняющее положение, когда сердечник находится в первом положении, и элемент основного клапана отклонен в закрытое положение, когда сердечник находится в первом положении, одним или более упругими элементами. Сердечник обычно выполнен с возможностью перемещения относительно элемента основного клапана. Таким образом, направлением магнитного потока через ферромагнитный элемент, когда основной клапан открыт, возможно избежать закрытия элемента основного клапана вследствие сил, действующих на элемент основного клапана со стороны потока текучей среды, без сопутствующего перемещения сердечника.
Предпочтительно, элемент основного клапана содержит уплотняющую область, которая обеспечивает уплотняющий контакт с седлом основного клапана, и магнитная цепь выполнена с возможностью направления потока через уплотняющую область, когда основной клапан открыт. Таким образом, удерживающая сила сконцентрирована там, где она больше всего требуется.
Электромагнит обычно выполнен с возможностью притягивания сердечника при использовании, чтобы тем самым открыть основной клапан. Обычно второе положение ближе к электромагниту, чем первое положение. Магнитная цепь предпочтительно направляет магнитный поток от упомянутого электромагнита через ферромагнитный элемент, когда основной клапан находится в открытом положении, чтобы тем самым удерживать элемент основного клапана, пока электромагнит включен. Таким образом, когда ток подается на электромагнит, он как открывает основной клапан, так и удерживает элемент основного клапана в открытом положении. Альтернативно, второй электромагнит может быть обеспечен в магнитной цепи, чтобы обеспечить магнитное поле для удерживания элемента основного клапана.
Предпочтительно, магнитная цепь выполнена с возможностью направления магнитного потока через ферромагнитный сердечник как когда элемент основного клапана находится в открытом положении, так и когда элемент основного клапана находится в уплотняющем положении, в котором магнитная цепь выполнена с возможностью направления магнитного потока более высокой плотности через ферромагнитный элемент, когда элемент основного клапана находится в открытом положении. Таким образом, магнитная цепь может работать как для увеличения притягивающей силы между электромагнитом и сердечником, чтобы открыть основной клапан, так и для обеспечения достаточной потенциальной энергии магнитного поля, чтобы удерживать элемент основного клапана в открытом положении.
Предпочтительно, магнитная цепь содержит первый и второй участки магнитной цепи, которые выполнены с возможностью проведения магнитного потока параллельно, в которой первый участок магнитной цепи выполнен с возможностью проведения магнитного потока через сердечник, по крайней мере, когда основной клапан находится в уплотняющем положении и сердечник находится в первом положении, и второй участок магнитной цепи выполнен с возможностью проведения магнитного потока через ферромагнитный элемент, по крайней мере, когда основной клапан находится в открытом положении и сердечник находится во втором положении. Предпочтительно, первый участок магнитной цепи выполнен с возможностью проведения магнитного потока через сердечник как когда сердечник находится в первом положении, так и когда сердечник находится во втором положении. Второй участок магнитной цепи может быть выполнен с возможностью проведения магнитного потока через ферромагнитный элемент как когда элемент основного клапана находится в открытом положении, так и когда элемент основного клапана находится в уплотняющем положении.
Первый участок магнитной цепи предпочтительно содержит контактный мостик, выполненный с возможностью направления потока через сердечник, по крайней мере, когда сердечник находится в первом положении и обычно также, когда сердечник находится во втором положении. Обычно сердечник выполнен с возможностью перемещения вдоль оси между первым и вторым положениями. Контактный мостик, например, может содержать множество продолжающихся радиально внутрь элементов магнитной цепи, расположенных по существу по нормали к упомянутой оси, чтобы направлять поток через сердечник. Сердечник может содержать периферийный фланец из магнитно-проницаемого материала вблизи контактного мостика, посредством которого может быть образована магнитная цепь, когда сердечник находится в первом положении, втором положении или между первым и вторым положениями.
Обычно магнитная цепь содержит участок ферромагнитного корпуса, и сердечник отстоит от участка ферромагнитного корпуса в первом положении и соприкасается с участком ферромагнитного корпуса во втором положении.
Предпочтительно, второй участок магнитной цепи расположен так, чтобы, когда элемент основного клапана находится в открытом положении, сплошной корпус из ферромагнитного материала выступал непосредственно между ферромагнитным элементом и участком ферромагнитного корпуса. Может быть так, что в открытом положении ферромагнитный элемент соприкасается с сердечником, пока сердечник соприкасается с участком ферромагнитного корпуса. Может быть так, что в открытом положении ферромагнитный элемент непосредственно соприкасается с участком корпуса. Ферромагнитный элемент может содержать выступ, продолжающийся к участку корпуса и соприкасающийся с участком корпуса, когда элемент основного клапана находится в открытом положении. Участок корпуса может содержать выступ, продолжающийся к ферромагнитному элементу и соприкасающийся с элементом основного клапана, когда элемент основного клапана находится в открытом положении.
Предпочтительно, магнитная цепь выполнена и расположена так, чтобы отношение магнитного сопротивления первого участка магнитной цепи к магнитному сопротивлению второго участка магнитной цепи было больше, когда сердечник находится во втором положении и элемент основного клапана находится в открытом положении, чем когда сердечник находится в первом положении и элемент основного клапана находится в уплотняющем положении. Предпочтительно, магнитное сопротивление границы между контактным мостиком и сердечником (которая может являться подвижным контактом или небольшим зазором) больше, когда сердечник находится во втором положении. Например, контактный мостик и сердечник могут перекрываться с большей площадью поверхности перекрытия, когда сердечник находится в первом положении, чем когда сердечник находится во втором положении. Это увеличивает пропорцию магнитного потока, направляемую через элемент основного клапана, когда элемент основного клапана открыт, удерживающую элемент основного клапана в открытом положении. В некоторых вариантах выполнения эта конструкция облегчает открытие и удерживание в открытом положении элемента основного клапана путем обеспечения притягивающей силы между ферромагнитным элементом и сердечником или участком корпуса.
Предпочтительно, первый участок магнитной цепи и сердечник выполнены так, что магнитное сопротивление первого участка магнитной цепи больше, когда сердечник находится во втором положении, чем когда к первом положении, чтобы тем самым увеличить магнитный поток, направленный через ферромагнитный элемент, когда сердечник находится во втором положении и элемент основного клапана находится в открытом положении.
Второй участок магнитной цепи может быть выполнен с возможностью проведения магнитного потока через ферромагнитный элемент как когда элемент основного клапана находится в открытом положении, так и когда элемент основного клапана находится в уплотняющем положении. Ферромагнитный элемент может соприкасаться с сердечником, когда сердечник находится в первом положении и элемент основного клапана находится в уплотняющем положении. В этой конструкции поток будет направлен преимущественно через контактный мостик и сердечник, а не через ферромагнитный элемент, облегчая перемещение сердечника из первого положения без непосредственного перемещения элемента основного клапана.
Обычно элемент основного клапана и сердечник соосны. Предпочтительно, клапанный узел содержит упругий элемент, выполненный с возможностью отклонения элемента основного клапана от седла основного клапана, и упругий элемент, выполненный с возможностью отклонения сердечника до соприкосновения с элементом основного клапана, так что равнодействующая сила отклоняет основной клапан в уплотняющее положение.
Прилагательное «основной» в «основной клапан», «элемент основного клапана» и связанных терминах использовано в качестве обозначения условно и не подразумевает наличие вспомогательного клапана. Тем не менее, в некоторых вариантах выполнения клапанный узел может дополнительно содержать вспомогательный клапан, соединенный с сердечником, причем вспомогательный клапан содержит элемент вспомогательного клапана, выполненный с возможностью перемещения между уплотняющим положением и открытым положением, в котором, когда сердечник находится в первом положении, вспомогательный клапан отклонен в уплотняющее положение, и когда сердечник находится во втором положении, вспомогательный клапан отклонен в открытое положение.
В этом случае соединение между сердечником и вспомогательным клапаном предпочтительно выполнено с возможностью обеспечения перемещения сердечника из первого положения во второе положение без соответствующего перемещения элемента вспомогательного клапана, но прикладывания силы через соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана, чтобы вызвать перемещение элемента вспомогательного клапана и, таким образом, открытие вспомогательного клапана, пока сердечник находится в положении между первым положением и вторым положением вдоль упомянутого канала. Элемент вспомогательного клапана выполнен с возможностью обеспечения канала для протекания текучей среды между противоположными сторонами элемента основного клапана в открытом положении, так чтобы при использовании, когда имеется разность давлений на элементе основного клапана, которая прикладывает силу, удерживающую элемент основного клапана в уплотняющем контакте с седлом основного клапана, открытие элемента вспомогательного клапана позволяло уравновесить давление с обеих сторон элемента основного клапана, чтобы облегчить открытие элемента основного клапана.
Таким образом, клапанным узлом может являться клапанный узел для регулирования подачи текучей среды из коллектора высокого давления в рабочую камеру механизма, работающего с текучей средой, причем клапанный узел дополнительно содержит вспомогательный клапан, причем вспомогательный клапан содержит элемент вспомогательного клапана, выполненный с возможностью перемещения между уплотняющим положением и открытым положением, в котором обеспечен канал через вспомогательный клапан для протекания текучей среды между противоположными сторонами элемента основного клапана, чтобы уменьшить разность давлений на элементе основного клапана, в котором сердечник соединен с элементом вспомогательного клапана и второе положение ближе к электромагниту, чем первое положение, в котором в первом положении вспомогательный клапан отклонен в уплотняющее положение и во втором положении вспомогательный клапан отклонен в открытое положение, в котором соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана выполнено с возможностью обеспечения перемещения сердечника из первого положения во второе положение без соответствующего перемещения элемента вспомогательного клапана, но прикладывания силы через соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана, чтобы вызвать перемещение элемента вспомогательного клапана и, таким образом, открытие вспомогательного клапана, пока сердечник находится в положении между первым положением и вторым положением вдоль упомянутого канала.
В отличие от конструкции клапана, раскрытой в GB 2,430,246, сердечник находится на части пути вдоль канала из первого положения во второе положение, и таким образом ближе к электромагниту, когда сила через соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана вызывает перемещение элемента вспомогательного клапана и, таким образом, открытие вспомогательного клапана. По мере того как сердечник перемещается к электромагниту, притягивающая сила, действующая на сердечник вследствие электромагнита, должна увеличиваться. Соответственно, сила, которая может быть приложена к элементу вспомогательного клапана сердечником через соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана, больше, чем имело бы место в клапане, таком как раскрыт в GB 2,430,246, где сердечник находится в самой удаленной точке от электромагнита, когда элемент вспомогательного клапана начинает перемещаться. Это может позволить открытие основного клапана быстрее, надежнее, при большем давлении или с меньшим потреблением энергии, чем если бы сердечник был неподвижно присоединен к элементу вспомогательного клапана. Таким образом обеспечен клапанный узел, в котором относительно большое открывающее усилие может быть приложено к элементу вспомогательного клапана и относительно большое усилие может быть обеспечено для удерживания элемента основного клапана в открытом положении.
Предпочтительно, элемент вспомогательного клапана является клапаном с посадкой по поверхности, и вспомогательный клапан дополнительно содержит седло вспомогательного клапана для уплотняемого взаимодействия с элементом вспомогательного клапана. Вспомогательный клапан обычно ориентирован в том же направлении, что и основной клапан, так чтобы, когда клапанный узел используется в механизме, работающем с текучей средой, так что имеется разность давлений текучей среды, которая прикладывает силу, удерживающую элемент основного клапана в уплотняющем контакте с седлом основного клапана, сила таким же образом удерживала бы элемент вспомогательного клапана в уплотняющем контакте с седлом вспомогательного клапана. Изобретение имеет особенную пользу, когда вспомогательным клапаном является клапан с посадкой по поверхности, поскольку существенное усилие может потребоваться для открытия вспомогательного клапана с посадкой по поверхности против разности давлений. Предпочтительно, площадь сечения седла вспомогательного клапана составляет менее 10% и более предпочтительно менее 5% площади сечения седла основного клапана, так чтобы сила, удерживающая вспомогательный клапан в закрытом положении вследствие разности давлений между впускным отверстием и выпускным отверстием была существенно меньше соответствующей силы, удерживающей основной клапан в закрытом положении.
Предпочтительно, вспомогательный клапан продолжается через элемент основного клапана, чтобы позволить течение текучей среды через элемент основного клапана, когда вспомогательный клапан находится в открытом положении, чтобы уменьшить разность давлений между противоположными сторонами элемента основного клапана. Таким образом, седло вспомогательного клапана может быть выполнено заодно с элементом основного клапана. Элемент основного клапана и элемент вспомогательного клапана могут быть соосны и предпочтительно перемещаются вдоль соосных путей при использовании.
Предпочтительно, соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана содержит упругий элемент (вспомогательный упругий элемент), который выполнен с возможностью аккумулирования упругой энергии, по мере того как сердечник перемещается вдоль канала из первого положения во второе положение. Это обеспечивает механизму возможность перемещения сердечника из первого положения без начала перемещения элемента вспомогательного клапана и позволяет увеличение усилия, действующего на элемент вспомогательного клапана, до тех пор, пока оно не достигнет усилия, требуемого для открытия элемента вспомогательного клапана против разности давлений при использовании.
Предпочтительно, сила, прикладываемая к элементу вспомогательного клапана через соединение, монотонно увеличивается по мере перемещения сердечника из первого положения во второе положение, по крайней мере, до тех пор, пока элемент вспомогательного клапана не начнет перемещаться. Сердечник может перемещаться по прямой линии, продолжающейся от первого положения до второго положения, непосредственно к электромагниту.
Соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана может содержать (или состоять из) ограничивающий механизм, который выполнен с возможностью зацепления для ограничения наибольшего расстояния между сердечником и уплотняющей частью элемента вспомогательного клапана и, таким образом, связывания перемещения сердечника с перемещением вспомогательного клапана вдоль участка канала между первым положением и вторым положением. В этом случае сердечник может начать перемещаться из первого положения во второе положение без перемещения элемента вспомогательного клапана, однако сердечник достигнет положения между первым положением и вторым положением, в котором включится ограничивающий механизм, и дальнейшее перемещение сердечника должно быть связано с сопутствующим перемещением элемента вспомогательного клапана. Соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана может содержать любой из двух или оба ограничивающий механизм и упомянутый вспомогательный упругий элемент.
Предпочтительно, клапанный узел содержит по существу жесткий стержень, который продолжается через отверстие в сердечнике, который неподвижно соединен с элементом вспомогательного клапана на первой стороне сердечника, расположенной к рабочей камере при использовании, и соединен с сердечником упругим элементом на противоположной второй стороне сердечника, так что сердечник продолжается вокруг и перемещается вдоль по существу жесткого стержня при использовании по мере того, как сердечник перемещается вдоль канала из первого положения. Предпочтительно, по существу жесткий стержень дополнительно содержит образование на второй стороне сердечника, которое зацепляется с сердечником в упомянутом положении между первым положением и вторым положением, так чтобы сердечник вытягивал к открытию вспомогательный клапан в упомянутом положении между первым положением и вторым положением. В этом случае упомянутое образование и поверхность сердечника, которая зацепляется с упомянутым образованием, могут вместе образовывать ограничивающий механизм.
Сердечник и элемент основного клапана могут быть соединены с ограничивающим механизмом, который выполнен с возможностью зацепления для ограничения наибольшего расстояния между сердечником и элементом основного клапана, чтобы таким образом связать перемещение сердечника с перемещением элемента основного клапана вдоль участка канала между первым положением и вторым положением. Например, сердечник может содержать элемент основного клапана, зацепляющий образование, чтобы зацепить и открыть основной клапан, когда сердечник находится между первым положением и вторым положением.
Сердечник может быть выполнен с возможностью зацепления с вспомогательным клапаном и затем с элементом вспомогательного клапана по мере того, как сердечник перемещается из первого положения во второе положение во время открытия клапана, чтобы вытянуть к открытию вспомогательный клапан, до начала перемещения элемента основного клапана и затем подъема элемента основного клапана с седла основного клапана.
Обычно, по меньшей мере, один упругий элемент, включая упомянутый вспомогательный упругий элемент, вместе прикладывают отклоняющую силу к сердечнику, чтобы отклонить сердечник в первое положение. Также предпочтительно, упомянутая отклоняющая сила возрастает по мере того, как сердечник перемещается из первого положения во второе положение, где увеличение отклоняющей силы с расстоянием меньше увеличения силы, прикладываемой электромагнитом к сердечнику при использовании, вследствие уменьшения расстояния между электромагнитом и сердечником, по крайней мере, когда сердечник расположен между первым положением и вторым положением, в котором элемент вспомогательного клапана начинает перемещаться.
Клапанный узел может содержать основной упругий элемент, который отклоняет элемент основного клапана до уплотняющего контакта с седлом основного клапана. Предпочтительно, основной упругий элемент отклоняет сердечник в первое положение, и сердечник зацепляется с элементом основного клапана, когда сердечник находится в первом положении, так чтобы в первом положении основной упругий элемент отклонял сердечник до контакта с элементом основного клапана и таким образом отклонял элемент основного клапана до уплотняющего контакта с седлом основного клапана.
Клапанные узлы, в которых упругий элемент (например, упомянутый основной упругий элемент) действует непосредственно на сердечник (например, прикрепленный к корпусу клапана и сердечнику), чтобы сместить сердечник к зацеплению с элементом основного клапана и сместить элемент основного клапана в уплотняющий контакт с седлом основного клапана, являются предпочтительными, поскольку они начинают закрываться, как только сердечник больше не удерживается электромагнитом во втором положении. Таким образом, они могут быть быстро закрыты. Они также могут быть энергоэффективными, поскольку энергия, аккумулируемая в упругом элементе, который действует непосредственно на сердечник во время открытия, используется при закрытии.
Там, где клапанный узел содержит вспомогательный упругий элемент, который прикреплен к сердечнику и элементу вспомогательного клапана (например, прикрепленный к по существу жесткому стержню, который выполнен заодно с или прикреплен к элементу вспомогательного клапана и который продолжается через отверстие в сердечнике), и основной упругий элемент, прикрепленный к корпусу клапана и сердечнику, основным и вспомогательным упругими элементами могут являться соосные пружины, причем основной упругий элемент продолжается вокруг вспомогательного упругого элемента. Эта конструкция облегчает обеспечение компактного клапанного узла и позволяет уменьшить осевую протяженность клапана.
Предпочтительно, вспомогательный клапан отклонен в закрытое положение, например, упругим элементом. Таким образом, когда вспомогательным клапаном является клапан с посадкой по поверхности, элемент вспомогательного клапана может быть отклонен до уплотняющего контакта с седлом вспомогательного клапана, например упругим элементом.
Предпочтительно обеспечен упругий элемент, который отклоняет элемент основного клапана от седла основного клапана. Упомянутый упругий элемент может, например, быть прикреплен к сердечнику или корпусу клапанного узла. Предпочтительно, упомянутый упругий элемент расположен так, чтобы усилие, прикладываемое упомянутым упругим элементом, возрастало, как только вспомогательный клапан открыт. Однако упомянутый упругий элемент должен прикладывать меньшее отклоняющее усилие, чем основной упругий элемент, когда сердечник находится в первом положении, так чтобы общее отклоняющее усилие на элементе основного клапана, когда сердечник находится в первом положении, отклоняло элемент основного клапана до уплотняющего контакта с седлом основного клапана.
Может быть обеспечен третий упругий элемент, который имеет первый конец, который прикреплен к элементу вспомогательного клапана, и второй конец, который прикреплен к элементу основного клапана. Таким образом, третий упругий элемент может работать как для отклонения вспомогательного клапана в закрытое положение, так и для отклонения элемента основного клапана от седла основного клапана. Третий упругий элемент должен прикладывать меньшее отклоняющее усилие, чем основной упругий элемент, когда сердечник находится в первом положении, так чтобы общее отклоняющее усилие на элементе основного клапана, когда сердечник находится в первом положении и вспомогательный клапан закрыт, отклоняло элемент основного клапана до уплотняющего контакта с седлом основного клапана. Третий упругий элемент обычно сжат, или дополнительно сжат, когда вспомогательный клапан вначале открыт и, следовательно, обеспечивает дополнительное усилие, отклоняющее элемент основного клапана от седла основного клапана.
Предпочтительно, упругий элемент, который прикреплен к элементу вспомогательного клапана, например упомянутый третий упругий элемент, может быть расположен в углублении внутри элемента основного клапана, например внутри отверстия, которое образует часть упомянутого канала через вспомогательный клапан. Таким образом, упомянутый упругий элемент может быть защищен элементом основного клапана от сильного потока текучей среды. Упругий элемент может быть расположен целиком внутри углубления в элементе основного клапана, когда сердечник соприкасается с элементом основного клапана. Предпочтительно, упомянутый упругий элемент выполнен с возможностью смещения элемента основного клапана для подъема из седла основного клапана, по крайней мере, когда вспомогательный клапан находится в открытом положении.
Сердечник может быть соединен с основным клапаном при помощи соединения между сердечником и вспомогательным клапаном, например, при помощи вспомогательного упругого элемента и третьего упругого элемента.
Возможно, что основной клапан отклонен к открытию преимущественно или исключительно упругим элементом, прикрепленным между элементом основного клапана и элементом вспомогательного клапана. Наоборот, если основной клапан был отклонен к открытию упругим элементом, прикрепленным между корпусом клапана и элементом основного клапана, это будет обеспечивать усилие, которое необходимо будет преодолеть во время закрытия, замедляя закрытие клапана и увеличивая усилие, требуемое каждому упругому элементу, и таким образом увеличивая энергию, потребляемую для сжатия упомянутого закрывающего упругого элемента при открытии.
Предпочтительно, место положения сердечника, в котором соединение между сердечником и элементом вспомогательного клапана способно вызвать перемещение элемента вспомогательного клапана, составляет более 50% или более, предпочтительно более 70%, расстояния от первого положения до второго положения.
Предпочтительно, как только элемент вспомогательного клапана начинает перемещаться, он перемещается на большее расстояние, чем оставшееся перемещение сердечника вдоль канала из первого положения во второе положение.
Обычно, когда сердечник находится во втором положении, вспомогательный клапан закрыт или может быть закрыт, особенно когда основной клапан открыт. Обычно вспомогательный клапан должен открыться, чтобы позволить открытие основного клапана, хотя может быть необязательным пребывание вспомогательного клапана открытым, как только открылся основной клапан.
Предпочтительно, внутреннее пространство клапанного узла выполнено для уменьшения ограничений перемещению сердечника из первого положения вследствие требования смещения гидравлической текучей среды. Предпочтительно, перемещение сердечника незначительно ограничивается потоком гидравлической текучей среды через дроссель (например, отверстие, выполненное таких размеров, чтобы создавать значительную разность давлений на отверстии при использовании). Это уменьшает силу, ограничивающую перемещение сердечника, замедляющую открытие и/или закрытие клапана.
Элемент вспомогательного клапана обычно перемещается в объем, принимающий элемент вспомогательного клапана, когда вспомогательный клапан перемещается из уплотняющего положения в открытое положение. Объем, принимающий элемент вспомогательного клапана, обычно заполнен гидравлической текучей средой при использовании, которая смещается перемещением элемента вспомогательного клапана. В отличие от клапанов для выравнивания давления перемещение сердечника из первого положения обычно никак не влияет на или увеличивает давление гидравлической текучей среды в объеме, принимающем элемент вспомогательного клапана. Это является преимущественным, поскольку расчет на перемещение сердечника для снижения давления внутри объема, принимающего элемент вспомогательного клапана, может замедлить открытие клапана и особенно замедлить его закрытие. Предпочтительно поток гидравлической текучей среды в и из объема, принимающего элемент вспомогательного клапана, регулируется. Таким образом, клапан может быстро закрыться без замедления дросселированным потоком потока гидравлической текучей среды в объем, принимающий элемент вспомогательного клапана.
Изобретение во втором аспекте распространяется на механизм, работающий с текучей средой, содержащий рабочую камеру с циклически изменяющимся объемом, коллектор высокого давления и коллектор низкого давления и клапанный узел согласно первому аспекту изобретения, который регулирует подачу текучей среды из коллектора высокого давления или коллектора низкого давления в рабочую камеру.
Когда вспомогательный клапан открывается, текучая среда может течь из соответствующего коллектора через вспомогательный клапан в рабочую камеру. Поскольку рабочая камера является замкнутой камерой (хотя камера имеет циклически изменяющийся объем), давление внутри камеры может быть уравновешено с давлением внутри соответствующего коллектора, чтобы снизить разность давления на элементе основного клапана и позволить основному клапану открыться. Предпочтительно, разность давления на элементе основного клапана уменьшается преимущественно изменением давления внутри рабочей камеры до уравновешивания с давлением в соответствующем коллекторе в результате текучей среды, текущей через вспомогательный клапан, после того как элемент вспомогательного клапана переместился в открытое положение перед тем как элемент основного клапана поднялся с седла основного клапана. Предпочтительно, разность давления на элементе основного клапана не уменьшается преимущественно обеспечением камеры внутри клапанного узла, сообщающейся с элементом основного клапана, давление внутри которой опускается ниже давления в соответствующем коллекторе, чтобы позволить элементу основного клапана открыться.
Механизм, работающий с текучей средой, может дополнительно содержать контроллер, который выполнен с возможностью активного управления упомянутым клапанным узлом и, необязательно, одним или более другими клапанами с зависимостью фаз от циклов объема рабочей камеры, чтобы определить общее перемещение текучей среды одной или каждой рабочей камеры поциклово, чтобы таким образом определить усредненное по времени общее перемещение текучей среды рабочим механизмом или одной из групп упомянутых рабочих камер.
Предпочтительно, разность давлений между коллектором высокого давления и коллектором низкого давления и расход текучей среды через клапанный узел таковы, что механизм, работающий с текучей средой, не будет работать надлежащим образом, если элемент основного клапана не содержит ферромагнитный элемент, поскольку, по крайней мере, в некоторых рабочих условиях основной клапан закроется слишком рано вследствие эффектов Бернулли и/или поверхностного трения вследствие текучей среды, текущей мимо тарелки основного клапана.
Мотор, работающий на текучей среде, может выполнять функцию только мотора или только насоса. Альтернативно, мотор, работающий на текучей среде, может выполнять функцию мотора или насоса в альтернативных рабочих режимах.
Описание чертежей
Пример варианта выполнения настоящего изобретения сейчас будет показан со ссылкой на следующие чертежи, на которых:
Фигура 1A - частичное сечение симметричного клапанного узла, когда клапан закрыт и перед пропусканием тока через электромагнит.
Фигура 1B - частичное сечение клапанного узла с фигуры 1A после перемещения сердечника из первого положения во второе положение, реагирующее на магнитное поле, создаваемое током, пропускаемым через электромагнит.
Фигура 1C - частичное сечение клапанного узла с фигуры 1A после перемещения элемента вспомогательного клапана из его седла, чтобы открыть вспомогательный клапан.
Фигура 1D - частичное сечение клапанного узла с фигуры 1A после перемещения элемента основного клапана из седла основного клапана, чтобы открыть основной клапан, и достижения сердечником второго положения;
Фигура 2 - график изменения сил, действующих на жесткий стержень и элемент вспомогательного клапана в зависимости от положения сердечника внутри клапанного узла с фигуры 1A (силы, направленные внутрь, имеют положительные значения).
Фигура 3 - схематичный чертеж механизма, работающего с текучей средой, включающего в себя клапанный узел с фигуры 1A.
Подробное описание примера варианта выполнения
Со ссылкой на фигуры 1A-1D клапанный узел 1 согласно настоящему изобретению имеет кольцевой корпус 2 клапана, выполненный из магнитно-проницаемого материала, который вмещает участок 4 корпуса, также выполненный из магнитно-проницаемого материала. Кольцо из материала 30 с высоким магнитным сопротивлением отделяет корпус клапана от участка корпуса. Электромагнит 6 образован вокруг участка корпуса внутри корпуса клапана. Кольцевая клетка 8 тарельчатого клапана проходит от корпуса клапана и вмещает тарелку 10 основного тарельчатого клапана, которая выполняет функцию элемента основного клапана. Кольцевая клетка тарельчатого клапана выполнена из магнитно-проницаемого материала, и тарелка основного тарельчатого клапана выполнена из ферромагнитного материала, такого как сталь, и таким образом выполняет функцию ферромагнитного элемента. Седло 12 клапана (выполняющее функцию седла основного клапана) образовано скошенным переходом, продолжающимся вокруг внутреннего пространства клетки тарельчатого клапана. В закрытом положении тарелка основного тарельчатого клапана зацеплена с седлом основного клапана, чтобы образовать уплотнение. Сердечник (якорь) и основной тарельчатый клапан выполнены так, чтобы наружная поверхность 62 сердечника могла соприкасаться с внутренней поверхностью 64 тарелки основного тарельчатого клапана, для того чтобы прикладывать силу между двумя частями, например, когда клапан закрыт, перед пропусканием тока через электромагнит.
Тарелка основного тарельчатого клапана включает в себя отверстие 14, расположенное на центральной оси тарелки основного тарельчатого клапана. Отверстие проходит до дополнительно скошенного перехода 16, расположенного внутри камеры 18 тарелки клапана, внутри корпуса тарелки основного тарельчатого клапана, которая также выполняет функцию седла клапана (седла вспомогательного клапана), к которому отклоняется элемент 20 вспомогательного клапана, чтобы образовать уплотнение, когда клапанный узел полностью закрыт. Отверстие сообщается с внутренней камерой 22 внутри кольцевой клетки тарельчатого клапана посредством камеры тарелки клапана, и одним или более каналами 24 для текучей среды. Каналы для текучей среды имеют достаточную площадь сечения, чтобы избежать значительного ограничения потока текучей среды. Таким образом, когда элемент вспомогательного клапана неуплотняюще контактирует с седлом вспомогательного клапана, обеспечен канал для протекания текучей среды между выпускным отверстием 26 клапана и внутренней камерой 22. Однако этот канал закрыт, когда элемент вспомогательного клапана уплотняюще контактирует с седлом вспомогательного клапана.
Внутренняя камера сообщается по текучей среде с одним или более радиальными каналами 28, которые проходят через клетку тарельчатого клапана и выполняют функцию впускных отверстий в клапанном узле. Радиальные каналы проходят во внутреннюю камеру в положении, которое находится между положением периферии тарелки основного тарельчатого клапана, когда основной тарельчатый клапан открыт, и положением периферии тарелки основного тарельчатого клапана, когда тарелка основного тарельчатого клапана уплотняюще контактирует с седлом основного тарельчатого клапана. Соответственно, обеспечен канал для протекания текучей среды непосредственно из впускных отверстий в выпускное отверстие, когда основной тарельчатый клапан открыт, независимо от того открыт ли вспомогательный клапан. Однако не обеспечен канал для протекания текучей среды непосредственно из впускных отверстий в выпускное отверстие вокруг периферии тарелки основного тарельчатого клапана, когда основной тарельчатый клапан закрыт.
Магнитная цепь образована от части кольцом из материала 30 с высоким магнитным сопротивлением, которое расположено вокруг периферии участка корпуса. Магнитная цепь также включает в себя контактный мостик 32, который проходит радиально наружу из корпуса клапана и соприкасается с сердечником 34, который выполнен с возможностью перемещения из первого положения, показанного на фигуре 1A, во второе положение, показанное на фигуре 1B. Сердечник имеет периферийный фланец 36, который толще центрального участка сердечника и который находится в подвижном контакте с контактным мостиком и выполнен так, чтобы оставаться в соприкосновении с (или альтернативно оставаться очень близко к) контактным мостиком, пока сердечник находится в любом положении между первым положением и вторым положением. Контактный мостик включает в себя одно или более сквозных отверстий 38, через которые текучая среда может протекать, чтобы позволить сердечнику перемещаться между первым и вторым положениями. Кольцевой корпус клапана, участок корпуса и контактный мостик вместе образуют первый участок магнитной цепи. Второй участок магнитной цепи образован корпусом клапана, участком корпуса и кольцевой клеткой тарельчатого клапана, которая также выполнена из магнитно-проницаемого материала, такого как сталь, и соприкасается с контактным мостиком.
Сердечник имеет центральное отверстие 40 в нем. Жесткий стержень 42 проходит через центральное отверстие сердечника и камеру внутри тарелки основного тарельчатого клапана. Жесткий стержень имеет первый конец, который образует элемент 20 вспомогательного клапана, и противоположный второй конец 44, расположенный внутри углубления 46, внутри участка корпуса клапана.
Клапанный узел содержит три пружины. Основная пружина 48 (выполняющая функцию основного упругого элемента) проходит вокруг жесткого стержня от перехода 50 внутри углубления участка корпуса до внутренней поверхности 52 сердечника и находится в сжатом состоянии на протяжении всей работы. Зарядная пружина 54 (выполняющая функцию вспомогательного упругого элемента) проходит от внутренней поверхности сердечника вокруг жесткого стержня и расположена на периферийном фланце 56 на втором конце жесткого стержня. Периферийный фланец также имеет наружную поверхность 66, на которую может действовать внутренняя поверхность сердечника, так что внутренняя поверхность сердечника и наружная поверхность периферийного фланца образуют таким образом дистанционный ограничивающий механизм. Направляющая пружина 58 (выполняющая функцию третьего упругого элемента) проходит между проходящим радиально наружу периферийным фланцем 60, расположенным около первого конца жесткого стержня, и проходящим радиально внутрь фланцем вокруг внутреннего пространства камеры внутри тарелки основного тарельчатого клапана. Направляющая пружина относительно ослаблена, когда клапанный узел находится в полностью закрытом положении, как показано на фигуре 1A, но сжата, когда вспомогательный клапан открыт, а основной клапан не открыт, как показано на фигуре 1C.
Элемент основного клапана, элемент вспомогательного клапана, жесткий стержень и каждая из основной, зарядной и направляющей пружин соосны. Основная пружина концентрична с и продолжается вокруг зарядной пружины.
В примере применения клапанный узел расположен внутри механизма, работающего с текучей средой, с впускным отверстием, соединенным с коллектором высокого давления, и выпускным отверстием, прикрепленным к рабочей камере с циклически изменяющимся объемом. Электромагнит соединен с источником тока, который выполнен с возможностью включения под управлением контроллера, чтобы позволить подачу тока к электромагниту, когда это необходимо.
Когда ток не подается к электромагниту, клапан занимает закрытое положение, показанное на фигуре 1A. Основная пружина обеспечивает отклоняющую силу, направленную наружу, и таким образом сердечник отклонен в наружном направлении, прижимая тарелку основного тарельчатого клапана в уплотняющий контакт с седлом основного клапана посредством контакта по наружной поверхности 62 и внутренней поверхности 64. Зарядная пружина ослаблена и таким образом прикладывает только небольшое усилие на жесткий стержень во внутреннем направлении (то есть кверху фигуры 1A). Направляющая пружина прикладывает противоположно направленное и обычно большее усилие на жесткий стержень в наружном направлении. Например, зарядная пружина может иметь натяг 10 Н и направляющая пружина может иметь натяг 15 Н. Таким образом, общее усилие на жестком стержне вследствие натяга внутри зарядной пружины и направляющей пружины отклоняет жесткий стержень, и следовательно, элемент вспомогательного клапана наружу в уплотняющий контакт с седлом вспомогательного клапана. Основной клапан и вспомогательный клапан также удерживаются в закрытых положениях разностью давлений между внутренней камерой клапанного узла и выпускным отверстием. Соответственно, в закрытом положении, показанном на фигуре 1A, клапанный узел закрыт и отсутствует канал для протекания текучей среды из клапана высокого давления через впускное отверстие к выпускному отверстию и в рабочую камеру.
Когда ток подается к электромагниту, образуется магнитная цепь, направляющая магнитный поток через сердечник. Электромагнит прикладывает притягивающую силу к сердечнику и ток через электромагнит выбран таким образом, чтобы сила, действующая на сердечник, была достаточной для перемещения сердечника из первого положения во второе положение. В обычном применении притягивающей силы будет недостаточно для перемещения сердечника, если сердечник был неподвижно соединен с элементом вспомогательного клапана. Однако согласно изобретению упругие соединения позволяют сердечнику перемещаться вначале без перемещения элемента вспомогательного клапана. Следовательно, возможно избежать нежелательных затрат мощности путем использования более слабой начальной притягивающей силы, чем было необходимо ранее. По мере того как сердечник перемещается из первого положения во второе положение, зазор между сердечником и участком корпуса уменьшается, и сила на сердечник увеличивается.
Фигура 2 представляет собой график изменения соответствующих сил во время перемещения сердечника вдоль канала из первого положения 100 во второе положение 102, которое ближе к электромагниту, чем первое положение. Канал продолжается непосредственно из первого положения во второе положение по прямой линии к центральной оси тороидального электромагнита. Усилие направляющей пружины 104 (которое действует во внутреннем направлении на тарелку основного тарельчатого клапана и наружном (отрицательная часть графика) направлении на жесткий стержень и встроенный элемент вспомогательного клапана) постоянно, когда сердечник начинает перемещаться, поскольку основной клапан и вспомогательный клапан остаются закрытыми, удерживаемыми на месте отклоняющей силой и разностью давлений. Усилие зарядной пружины 106 (которое действует в наружном направлении на сердечник и внутреннем (положительная часть графика) направлении на жесткий стержень и, следовательно, элемент вспомогательного клапана) монотонно возрастает, когда сердечник начинает перемещаться без перемещения жесткого стержня вследствие сжатия зарядной пружины. Усилие основной пружины 108 (которое действует в наружном направлении на сердечник) также монотонно возрастает по мере того, как сердечник перемещается из первого положения во второе положение. Разность давлений между впускным отверстием и выпускным отверстием клапанного узла остается постоянной, пока вспомогательный клапан остается закрытым и в результате постоянная сила 110 действует в наружном направлении на элемент вспомогательного клапана (и, таким образом, жесткий стержень, отрицательная часть на графике).
Суммарная равнодействующая сила на вспомогательном клапане показана в виде линии 112 и видно, что в первом положении 100 она значительно больше суммарной силы 114, которая может быть приложена электромагнитом в противоположном (внутреннем открывающем) направлении. Однако суммарная сила 114 больше общей силы на сердечнике от открывающего усилия 106 от зарядной пружины 54 и направляющего усилия 104 от направляющей пружины 58, позволяя сердечнику перемещаться из первого положения 100. По мере того как сердечник перемещается из первого положения к положению открытия, открывающее усилие на сердечнике, приложенное зарядной пружиной, линейно возрастает, но суммарная сила, которую электромагнит прикладывает к сердечнику, возрастает пропорционально второму порядку и превосходит равнодействующую силу, требуемую для открытия элемента вспомогательного клапана, когда сердечник достигает положения 101 открытия между первым и вторым положениями. Место положения открытия будет изменяться в зависимости от разности давлений между впускным отверстием и выпускным отверстием. Конфигурация клапанного узла, когда сердечник достигает положения открытия, показана на фигуре 1B.
В примере с фигуры 2 общая сила, создаваемая на жестком стержне комбинацией зарядной и направляющей пружин, недостаточно велика сама по себе, чтобы переместить жесткий стержень против сил 110 текучей среды, которые возникают из-за разности давлений на элементе основного клапана. Возможно, что при малых разностях давлений общая сила будет достаточно велика и жесткий стержень переместится внутрь, перемещая элемент вспомогательного клапана из уплотняющего контакта с седлом вспомогательного клапана и открывая вспомогательный клапан, как показано на фигуре 1C. Однако в применениях с достаточно большими разностями давлений внутренняя поверхность 52 сердечника соприкасается с наружной поверхностью 66 периферийного фланца 26 в точке 101 открытия. Таким образом, наибольшее расстояние между сердечником и элементом вспомогательного клапана ограничено и имеется резкий скачок 116 открывающего усилия 106, которое прикладывается к жесткому стержню сердечником. Силы, действующей на жесткий стержень, теперь достаточно, чтобы переместить жесткий стержень внутрь, перемещая элемент вспомогательного клапана из уплотняющего контакта с седлом вспомогательного клапана и открывая вспомогательный клапан, как показано на фигуре 1C. Видно, что усилие, прикладываемое зарядной пружиной совместно с контактирующими внутренней и наружной поверхностями сердечника и периферийного фланца соответственно намного больше, чем сердечник мог бы обеспечить в открытом положении 100. Однако, поскольку сердечник переместился почти в закрытое положение в примере, показанном на фигуре 2, доступно намного большее открывающее усилие, чем имело бы место в противном случае.
Как только вспомогательный клапан открывается, он обеспечивает канал относительно небольшого сечения для протекания текучей среды из внутренней камеры клапанного узла через седло вспомогательного клапана и центральное отверстие в тарелке основного тарельчатого клапана к выпускному отверстию. Выпускное отверстие соединено с рабочей камерой, которая является фактически замкнутым объемом, поскольку открытие происходит настолько быстро, что любое изменение объема рабочей камеры является незначительным. Соответственно, текучая среда высокого давления подается к рабочей камере через вспомогательный клапан, давление во впускном отверстии и выпускном отверстии начинает уравновешиваться вследствие увеличения давления на выпускном отверстии. Суммарная сила, требуемая для перемещения жесткого стержня, начинает падать (118) по мере того, как уменьшается разность давлений. Усилие внутри зарядной пружины начинает падать (116) по мере того, как жесткий стержень начинает перемещаться относительно тарелки основного тарельчатого клапана, и усилие внутри направляющей пружины начинает возрастать (120) по мере того, как жесткий стержень перемещается относительно тарелки основного тарельчатого клапана, тем самым уменьшая длину направляющей пружины. Жесткий стержень установится в положении, где усилие от направляющей пружины и усилие от зарядной пружины равны.
Как только вспомогательный клапан открыт, разность давлений на элемент основного тарельчатого клапана быстро падает, и элемент основного клапана может быть поднят с седла основного клапана и смещен в положение, показанное на фигуре 1D, посредством сил, передаваемых через жесткий стержень и направляющую пружину. Следовательно, текучая среда может свободно протекать из впускного отверстия в выпускное отверстие. Основной клапан обычно будет оставаться открытым, когда клапанный узел находится в открытом положении, однако это не является обязательным. Основной клапан будет отклонен к открытию, поскольку общее усилие, прикладываемое направляющей пружиной, теперь превосходит общее усилие, прикладываемое зарядной пружиной так долго, пока сердечник удерживается во втором положении, тем самым исключая усилие основной пружины, которое в противном случае будет действовать, чтобы закрыть основной клапан. Основной клапан закроется снова вследствие действия основной пружины, и вспомогательный клапан закроется снова вследствие более высокого усилия натяга направляющей пружины по сравнению с зарядной пружиной, когда ток, текущий через электромагнит, отключат. Поскольку основная пружина действует непосредственно на сердечник, который опирается непосредственно на элемент основного клапана, тарелка основного тарельчатого клапана начинает быстро перемещаться к седлу основного клапана, как только ток, текущий через электромагнит, отключат. Поскольку она прикреплена к перемещающемуся параллельно вспомогательному клапану, направляющая пружина, которая открывает основной клапан, сжимается незначительно во время закрытия, обеспечивая то, что полное усилие основной пружины доступно для ускорения закрытия.
В показанной конструкции клапана образована магнитная цепь, содержащая первый участок магнитной цепи, который продолжается через контактный мостик и сердечник, и второй участок магнитной цепи, который продолжается через клетку тарельчатого клапана и тарелку основного тарельчатого клапана. Первый и второй магнитные участки соединены параллельно.
Когда клапанный узел находится в положении, показанном на фигуре 1A, и ток вначале подается на электромагнит, магнитный поток проводится главным образом через кольцевой корпус клапана, контактный мостик и сердечник и через зазор между сердечником и участком корпуса. Плотность магнитного потока через клетку тарельчатого клапана и тарелку основного тарельчатого клапана относительно мала, поскольку магнитное сопротивление первого участка магнитной цепи существенно меньше магнитного сопротивления второго участка магнитной цепи.
Сердечник притягивается к участку корпуса и начинает перемещаться к участку корпуса. Периферийный фланец вокруг сердечника расположен так, чтобы контактный мостик почти соприкасался с сердечником по всей площади сечения контактного мостика не только, когда сердечник находится в первом положении, но и в течение первой части перемещения сердечника. Сердечник перемещается от тарелки основного тарельчатого клапана, которая не может вначале перемещаться, и магнитное сопротивление второго участка магнитной цепи увеличивается еще больше.
Как только сердечник достигает второго положения после того, как вспомогательный клапан начал открываться, сердечник соприкасается с участком корпуса и удерживается на месте рядом с участком корпуса, пока ток продолжает протекать через электромагнит. Однако периферийный фланец расположен так, чтобы во втором положении перекрытие между периферийным краем и контактным мостиком было значительно меньше всей площади сечения контактного мостика. Это увеличивает магнитное сопротивление соединения между контактным мостиком и сердечником.
Через короткий промежуток времени элемент вспомогательного клапана соприкасается с сердечником, который сам остается в соприкосновении с участком корпуса. Пока ток продолжает пропускаться через электромагнит, магнитная цепь замыкается через электромагнит, клетку тарельчатого клапана, тарелку основного тарельчатого клапана и сердечник. Таким образом, в открытом положении тарелка основного тарельчатого клапана магнитно притягивается к сердечнику и подвергается действию силы, которая сопротивляется силам Бернулли, которые действуют на тарелку основного тарельчатого клапана, вызванной быстрым течением текучей среды из впускного отверстия мимо периферии тарелки основного тарельчатого клапана в выпускное отверстие и затем в рабочую камеру по градиенту давления. Таким образом, тарелка основного тарельчатого клапана удерживается открытой посредством магнитной цепи.
Механизм упрощен увеличенным магнитным сопротивлением соединения между контактным мостиком и сердечником, который направляет магнитный поток через клетку тарельчатого клапана и тарелку основного тарельчатого клапана (выполняющую функцию второго участка магнитной цепи). Несмотря на то что полное сопротивление канала через контактный мостик и сердечник к участку корпуса может быть ниже, когда сердечник находится во втором положении, чем в первом положении, поскольку сердечник находится в непосредственном контакте с участком корпуса, отношение магнитного сопротивления канала через контактный мостик и сердечник к участку корпуса к магнитному сопротивлению канала через тарелку основного тарельчатого клапана больше, когда сердечник находится во втором положении, и тарелка основного тарельчатого клапана удерживается в открытом положении. Таким образом, большая часть магнитного потока направляется через тарелку основного тарельчатого клапана, чем имело бы место в противном случае, увеличивая доступную удерживающую силу.
Как только ток на электромагните отключается, магнитное поле ослабевает, и тарелка основного тарельчатого клапана перемещается в наружном направлении до уплотняющего контакта с седлом основного клапана.
В альтернативных вариантах выполнения тарелка основного тарельчатого клапана может непосредственно контактировать с участком корпуса в открытом положении. Тарелка основного тарельчатого клапана или участок корпуса могут содержать выступ, чтобы облегчить этот непосредственный контакт.
В альтернативных вариантах выполнения соответствующая магнитная цепь может быть использована для открытия элемента клапанных узлов, которые не включают в себя вспомогательные клапаны.
Хотя тарелка основного тарельчатого клапана полностью выполнена из ферромагнитного материала в этом примере варианта выполнения, специалисту в данной области техники ясно, что элемент основного клапана может содержать как ферромагнитную область, так и неферромагнитную область.
Конструкция клапана, раскрытая здесь, имеет существенные преимущества перед конструкцией клапана в GB 2,430,246. Сердечник способен перемещаться близко к электромагниту перед открытием вспомогательного клапана, чтобы обеспечить наибольшее открывающее усилие на вспомогательном клапане, а вспомогательный клапан способен иметь тоже перемещения, как и перед тем, когда он начал свое движение, и следовательно, подвержен действию уменьшенной силы со стороны давления текучей среды, поскольку давление в рабочей камере выравнивается, он полностью открыт действием сжатой вспомогательной пружины. Также электромагнит способен прикладывать притягивающую магнитную силу к основному клапану, чтобы удерживать его в открытом положении, прикладывая ее непосредственно, а не только через действие пружины, которая растянута и, следовательно, способна обеспечить только слабую удерживающую силу. Эти преимущества означают, что может быть обеспечен клапан, который потребляет меньше энергии и который может открываться против больших разностей давлений.
Фигура 3 представляет собой схематичный чертеж механизма, работающего с текучей средой, обозначенного в целом 200, включающего в себя показанный клапанный узел 202, в качестве клапана высокого давления, который регулирует поток гидравлической текучей среды между коллектором 204 высокого давления и рабочей камерой 206. Рабочая камера ограничена внутренним пространством цилиндра 208 и поршнем 210, который механически соединен с вращением коленчатого вала 212 подходящим механическим соединением 214 и который совершает возвратно-поступательное перемещение внутри цилиндра, чтобы циклически изменять объем рабочей камеры. Клапан 216 низкого давления регулирует поток текучей среды между коллектором 218 низкого давления и рабочей камерой. Пример механизма, работающего с текучей средой, включает в себя множество рабочих камер, механически соединенных с вращением одного коленчатого вала, с подходящими разностями фаз. Датчик 220 положения и скорости вала определяет мгновенные угловое положение и скорость вращения вала и передает сигналы о положении и скорости вала на контроллер 222, что позволяет контроллеру определить мгновенную фазу циклов каждой отдельной рабочей камеры. Контроллером обычно является микропроцессор или микроконтроллер, который при использовании выполняет записанную программу. Клапан низкого давления выполнен с возможностью электронного включения, и открытие и/или закрытие клапанов высокого и низкого давлений активно управляется контроллером.
Пример механизма, работающего с текучей средой, выполнен с возможностью выполнения функции либо насоса, либо мотора в альтернативных рабочих режимах. При работе в режиме насоса текучая среда низкого давления принимается из коллектора низкого давления и выпускается через клапан высокого давления в коллектор высокого давления. Мощность на валу таким образом преобразуется в энергию текучей среды. При работе в режиме насоса текучая среда высокого давления принимается из коллектора высокого давления и выпускается через клапан низкого давления в коллектор низкого давления. Энергия текучей среды таким образом преобразуется в мощность на валу.
Контроллер регулирует открытие и/или закрытие клапанов высокого и низкого давлений, чтобы задать перемещение текучей среды через каждую рабочую камеру поциклово с зависимостью фаз от циклов объема рабочей камеры, чтобы задать общий расход текучей среды через механизм. Таким образом, механизм, работающий с текучей средой, функционирует согласно принципам, раскрытым в EP 0 361 927, EP 0 494 236 и EP 1 537 333, содержимое которых включено сюда путем ссылки.
Клапанный узел согласно настоящему изобретению имеет особенное преимущество в связи с механизмами, работающими с текучей средой, этого типа, поскольку он может быстро открываться (за нескольку миллисекунд) против разности давлений без излишнего потребления энергии. Более того, поскольку клапанный узел может удерживаться в открытом положении конструкцией магнитной цепи, существенный объем текучей среды может протечь через клапанный узел за короткий период времени без увлечения к закрытию клапанного узла. Клапанный узел может быть полезным в качестве клапана как низкого, так и высокого давления.
Дополнительные модификации и изменения могут быть сделаны в пределах объема изобретения, раскрытого здесь.