ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН
ELECTROMAGNETIC VALVE

Настоящее изобретение относится к электромагнитному клапану, содержащему первый канал, второй канал, клапанный элемент и седло клапана, расположенное между указанным первым каналом и указанным вторым каналом, катушку и бугельный узел, указанная катушка магнитно связана с указанным бугельным узлом, указанный бугельный узел имеет подвижный якорь.
Такой электромагнитный клапан известен, например, из документов US 5460349 А или US 6783110 В2, или DE 202005013233 U1.
Такой электромагнитный клапан может, например, быть использован как регулирующий клапан в системе охлаждения или кондиционирования воздуха. Однако возможны и другие варианты применения.
Клапанный элемент и седло клапана вместе создают переменное сопротивление потока для текучей среды, текущей из одного канала в другой канал. Положение клапанного элемента относительно седла клапана управляется бугельным узлом и катушкой. Когда на катушку подают ток, положение подвижного якоря изменяется.
При приведении в действие такого электромагнитного клапана часто появляется определенный шум. Такой шум может быть в виде «щелчков» и в виде «гидравлического удара».
Целью настоящего изобретения является удержание шума на низком уровне. Этой цели достигают с помощью электромагнитного клапана, описанного в начале, отличающегося тем, что управление указанным клапанным элементом происходит в результате разницы давлений между первым давлением на первой стороне указанного клапанного элемента и вторым давлением на второй стороне указанного клапанного элемента, причем по меньшей мере одно из указанного первого давления и указанного второго давления управляется с помощью указанного якоря, причем указанный якорь содержит первую переднюю поверхность на первом конце и вторую переднюю поверхность на втором конце, противоположном указанному первому концу, причем указанная первая передняя поверхность и указанная вторая передняя поверхность соединяются первым протоком, указанный первый проток имеет первое дроссельное устройство для поддержания низкой скорости потока текучей среды, протекающей через указанный первый проток.
Когда якорь перемещается, объем камеры на первой передней поверхности якоря увеличивается или уменьшается. Следовательно, определенный объем текучей среды должен быть перемещен в эту камеру или из нее. Эта текучая среда перемещается через первый проток. Дроссельное устройство создает сопротивление этому движению, вследствие чего может поддерживаться небольшой поток текучей среды. Поскольку якорь контролирует только давление и якорь перемещается только с низкой скоростью, клапанный элемент будет перемещаться с аналогичной низкой скоростью. Чем меньше скорость, тем ниже шум. Поскольку клапанный элемент управляется давлением, скорость перемещения клапанного элемента может в целом быть поддержана на более низком уровне, чем при воздействии магнитных сил. Это уменьшает шум в виде «щелчка», когда клапанный элемент или якорь останавливаются в своих конечных положениях. В этом клапане якорь управляет движением клапанного элемента. Поскольку якорь перемещается медленно, движение клапанного элемента также является медленным. Следовательно, шум, производимый так называемым гидравлическим ударом, также может быть уменьшен.
Предпочтительно второй проток соединяет указанную первую сторону и указанную вторую сторону указанного клапанного элемента, указанный второй проток имеет второе дроссельное устройство для поддержания низкой скорости потока текучей среды, протекающей по указанному второму протоку. Когда клапанный элемент перемещается под действием разности давлений на клапанном элементе, определенное количество текучей среды должно протечь по второму протоку. Когда это движение текучей среды по второму протоку ограничено таким образом, что поддерживается низкая скорость потока, это приводит к тому, что само движение клапанного элемента также является медленным. Это более медленное перемещение клапанного элемента уменьшает шум.
Предпочтительно указанный первый проток расположен между указанным якорем и стенкой кожуха, окружающего указанный якорь, и/или указанный второй проток расположен между указанным клапанным элементом и стенкой кожуха, окружающего указанный клапанный элемент. В предпочтительном варианте осуществления указанный клапанный элемент и указанный якорь расположены в трубчатом кожухе один за другим. В якорном элементе или в клапане не требуется отверстия, прохода, трубки и т.п. для первого протока и/или второго протока. Первый проток и/или второй проток могут быть легко образованы между кожухом и якорным элементом или клапаном соответственно.
В предпочтительном варианте осуществления кожух выполнен в виде трубки, имеющей одинаковый диаметр для указанного якоря и указанного клапанного элемента. Такую трубку легко изготовить.
В предпочтительном варианте осуществления указанное первое дроссельное устройство и/или указанное второе дроссельное устройство имеет поверхностную структуру на стенке указанного протока. Это представляет собой простой способ для образования ограничения для текучей среды, проходящей по протоку. Поверхностная структура вызывает завихрения в потоке, таким образом уменьшая среднюю скорость потока через проток. Поверхностная структура увеличивает сопротивление потока без необходимости применения малых допусков, которые могли бы увеличить себестоимость.
В особо предпочтительном варианте осуществления указанная поверхностная структура представляет собой пилообразный профиль. Такой пилообразный профиль образует много малых ограничений между якорем и стеной кожуха и/или между клапанным элементом и стенкой кожуха.
Предпочтительно указанный пилообразный профиль содержит углубления, проходящие по окружности или винтообразно вокруг указанного клапанного элемента. Это представляет собой простой способ для получения указанного пилообразного профиля.
Предпочтительно указанный клапанный элемент содержит сквозной проход, контрольный клапан, расположенный на конце указанного прохода, обращенном к указанному якорю, указанный якорь воздействует на указанный контрольный клапан. Когда якорь перемещается к клапанному элементу и воздействует на контрольный клапан в направлении закрытия, давление на первой стороне клапанного элемента увеличивается и передвигает клапанный элемент в направлении к седлу клапана. Когда якорь перемещается от клапанного элемента и воздействует на контрольный клапан в направлении открытия, давление на первой стороне клапанного элемента уменьшается, и давление на второй стороне клапанного элемента перемещает клапанный элемент от седла клапана. Другими словами, якорь должен управлять только контрольным клапаном и не должен непосредственно перемещать клапанный элемент. Клапанный элемент следует за движением якоря. Расстояние между клапанным элементом и якорем будет оставаться почти постоянным.
Предпочтительно указанный контрольный клапан содержит элемент контрольного клапана, указанный якорь удерживает указанный элемент контрольного клапана. Даже если контрольный клапан открыт, и элемент контрольного клапана поднят с отверстия прохода на первой стороне клапанного элемента, элемент контрольного клапана удерживается якорем. В предпочтительном примере якорь содержит кольцеобразную стенку, в которой размещен элемент контрольного клапана.
В предпочтительном варианте осуществления указанный клапанный элемент содержит дроссельный конус на одном конце возле указанного седла клапана, указанный конус выполнен с возможностью вставки в отверстие, окруженное указанным седлом клапана. Такой конус позволяет открывать клапан постепенно.
Предпочтительно указанный клапан имеет ход, соответствующий по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 75% внутреннего диаметра указанного седла клапана. Этот ход является довольно большим. Обычно ход соответствует приблизительно 25% внутреннего диаметра седла клапана. Вследствие большего хода клапанному элементу требуется больше времени для перемещения из первого конечного положения во второе конечное положение. Это является дополнительной возможностью для удержания шума, производимого электромагнитным клапаном, на низком уровне.
В предпочтительном варианте осуществления указанный клапанный элемент и/или указанный якорь снабжены запорным элементом, изготовленным из устойчивого к давлению пластмассового материала, в частности PTFE. Когда такой запорный элемент контактирует со своей ответной частью, например, соответствующим седлом клапана, шум контакта по существу отсутствует. Политетрафторэтилен (PTFE) препятствует прилипанию запорного элемента к его ответной части.
Предпочтительно указанный клапанный элемент снабжен устройством ограничения хода. Это является дополнительным признаком для устранения или по меньшей мере уменьшения произведения шума. Устройство ограничения хода предотвращает контакт клапанного элемента с подвижным якорем, когда клапанный элемент достигает полностью открытого состояния. В частности, в сочетании с запорным элементом из пластмассового материала, имеется дополнительное преимущество, состоящее в том, что можно сократить или в оптимальном случае избежать износа запорного элемента.
Предпочтительно указанное устройство ограничения хода имеет форму буртика, взаимодействующего с частью кожуха. Такой буртик представляет собой по существу увеличенный диаметр клапанного элемента, который может проходить полностью вокруг клапанного элемента в направлении по окружности или который может быть прерван. Такой буртик может входить в контакт с частью кожуха, например, вышеупомянутой стенкой кожуха, окружающей клапанный элемент, когда клапанный элемент находится в полностью открытом состоянии.
Предпочтительные примеры настоящего изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показан электромагнитный клапан в закрытом состоянии,
на фиг. 2 показан электромагнитный клапан во время открытия,
на фиг. 3 показан электромагнитный клапан в полностью открытом состоянии,
на фиг. 4 показан увеличенный вид дроссельного конуса клапана в частично открытом состоянии,
на фиг. 5 показан дроссельный конус в полностью открытом состоянии,
на фиг. 6 показан увеличенный вид якоря,
на фиг. 7 показан подробный вид VII, обозначенный на фиг. 6,
на фиг. 8 показан контрольный клапан в открытом состоянии,
на фиг. 9 показан контрольный клапан в закрытом состоянии, и
на фиг. 10 показан дополнительный вариант осуществления электромагнитного клапана в открытом состоянии.
Электромагнитный клапан 1 содержит первый канал 2 и второй канал 3. Два канала 2, 3 клапана 1 могут быть соединены, например, с контуром, в котором циркулирует хладагент. В этом случае клапан 1 может быть использован как регулирующий клапан.
Клапан 1 содержит клапанный элемент 4, взаимодействующий с седлом 5 клапана. Клапанный элемент 4 имеет первую сторону 6 и вторую сторону 7. Кроме того, клапанный элемент 4 содержит сквозной проход 8, соединяющий первую сторону 6 и вторую сторону 7. Контрольный клапан 9, который более подробно будет описан со ссылкой на фиг. 8 и 9, расположен в конце прохода 8 на первой стороне 6.
Клапанный элемент 4 расположен в трубчатом кожухе 10. Клапанный элемент 4 выполнен с возможностью перемещения в кожухе 10 вдоль продольной оси 11 кожуха 10.
Кожух 10 окружен катушкой 12, на которую может быть подана электрическая энергия через электрическое соединение 13. Катушка 12 является частью магнитной цепи. Кроме нее магнитная цепь содержит бугельный узел, имеющий первую часть 14 бугеля, окружающую кожух 10, неподвижную вторую часть 15 бугеля, расположенную в кожухе 10, и подвижный якорь 16, также расположенный в кожухе 10. Пружина 17 расположена между второй частью 15 бугеля и якорем 16 и отодвигает якорь 16 от второй части 15 бугеля. Кожух 10 имеет форму трубки, имеющей одинаковый диаметр для клапанного элемента 4 и якоря 16.
Когда на катушку 12 подают электрический ток, бугельный узел намагничивается, и вторая часть 15 бугеля магнитно притягивает подвижный якорь 16 против усилия пружины 17.
Якорь 16 имеет первую переднюю поверхность 18 и вторую переднюю поверхность 19.
Первый проток 21 находится между кожухом 10 и якорем 16. Второй проток 20 находится между клапанным элементом 4 и кожухом 10.
Первое пространство 22 сжатия находится между клапанным элементом 4 и якорем 16. Второе пространство 23 сжатия находится между якорем 16 и второй частью 15 бугеля.
Более подробно клапанный элемент 4 представлен на фиг. 4 и 5. Клапанный элемент 4 содержит дроссельный конус 24 на второй стороне 7, т.е. стороне, обращенной к седлу 5 клапана. На фиг. 4 клапанный элемент 4 представлен в частично открытом состоянии. В этом состоянии дроссельный конус 24 частично вставлен в отверстие 25, которое окружено седлом 5 клапана.
Когда дроссельный конус 24 перемещается в отверстие 25, сопротивление потока через зазор 26 между дроссельным конусом 24 и седлом 25 клапана постепенно падает.
На фиг. 8 и 9 представлены дополнительные детали контрольного клапана 9. Контрольный клапан 9 содержит элемент 27 контрольного клапана в форме шара и седло 28 контрольного клапана в форме конуса. Диаметр элемента 27 контрольного клапана больше, чем самый большой диаметр седла 28 контрольного клапана.
Якорь 16 на своей второй передней поверхности 19 имеет кольцеобразную стенку 29, окружающую пространство 30, вмещающее элемент 27 контрольного клапана. Кольцеобразная стенка 29 может быть заменена по меньшей мере тремя выступами, выходящими из второй передней поверхности 19 якоря 16 в направлении к клапанному элементу 4.
На фиг. 9 контрольный клапан 9 представлен в закрытом состоянии. Элемент 27 контрольного клапана прижимается к седлу 28 контрольного клапана с помощью якоря 16.
На фиг. 6 представлен увеличенный вид якоря 16. На фиг. 7 показан подробный вид VII, обозначенный на фиг. 6. Можно видеть, что якорь 16 на своей окружности имеет пилообразный профиль 31. Пилообразный профиль 31 имеет ряд вершин 32 и впадин 33. Каждая вершина 32 вместе с кожухом 10 образует ограничение для текучей среды, проходящей через второй проток 21. Кроме того, последовательность вершин 32 и впадин 33 приводит к образованию турбулентного потока, таким образом сокращая максимально возможную скорость потока, проходящего по первому протоку 21. Поверхностная структура, образованная пилообразным профилем 31, увеличивает сопротивление потока или гидравлическое сопротивление без необходимости применения малых допусков, которые бы увеличивали издержки производства.
Такая же поверхностная структура предусмотрена на окружности клапанного элемента 4.
В состоянии, представленном на фиг. 1, клапан 1 закрыт, т.е. соединение между первым каналом 1 и вторым каналом 2 перекрыто. Клапанный элемент 4 контактирует с седлом 5 клапана, и конус 24 полностью вставлен в отверстие 25.
В этом состоянии текучая среда, входящая в клапан через первый канал 2, проходит через второй проток 20 и увеличивает давление в первом пространстве 22 сжатия, поскольку эта текучая среда не может пройти через контрольный клапан 9. Контрольный клапан 9 закрыт с помощью якоря 16. Хотя давление на обеих сторонах 6, 7 клапанного элемента 4 одинаково, клапанный элемент 4 прижат к седлу 5 клапана, поскольку давление в первом пространстве 22 сжатия действует на большую площадь, чем давление на второй стороне 7 клапанного элемента. На второй стороне 7 седло 5 клапана покрывает часть площади давления и соединяет ее с более низким давлением.
Однако если катушка 12 возбуждена, и якорь 16 притянут второй частью 15 бугельного узла против усилия пружины 17, якорь 16 немного смещен от клапанного элемента 4. В этом случае элемент 27 контрольного клапана поднимается с седла 28 контрольного клапана, и текучая среда в первом пространстве 22 сжатия может выйти по проходу 8, таким образом понижая давление во втором пространстве 22 сжатия. В результате разницы давлений между второй стороной 7 и первой стороной 6 клапанный элемент 4 передвигается за якорем 16, пока контрольный клапан 9 движется в направлении закрытия. Это движение является довольно медленным, поскольку поверхностная структура на окружности клапанного элемента 4 обеспечивает дросселирование потока через второй проток 20. Движение якоря 16 является также медленным, поскольку текучая среда во втором пространстве 23 сжатия может выйти только через первый проток 21, который имеет, как описано выше, определенное сопротивление потока. Движение клапанного элемента 4 управляется движением якоря 16. Поскольку якорь 16 может передвигаться только с низкой скоростью, скорость клапанного элемента также является ограниченной. Следовательно, можно уменьшить шум, производимый не только «щелчком», но также шум, производимый гидравлическим ударом.
На фиг. 2 клапан 1 представлен во время открытия или закрытия.
В полностью открытом состоянии, представленном на фиг. 3, якорь 16 был перемещен для контакта со второй частью 15 бугеля. Дроссельный конус 24 был полностью извлечен из отверстия 25.
Клапанный элемент 4 имеет ход, соответствующий по меньшей мере 50% внутреннего диаметра седла 25 клапана, т.е. диаметра отверстия 25, которое также может быть названо главным отверстием. Ход представляет собой расстояние, на которое клапанный элемент 4 перемещается между полностью закрытым состоянием, представленным на фиг. 1, и полностью открытым состоянием, представленным на фиг. 3. Ход соответствует растяжению второго пространства 23 сжатия параллельно оси 11 кожуха 10. На фиг. 10 представлен дополнительный вариант осуществления клапана в открытом состоянии. Элементы, которые были описаны в сочетании с вариантом осуществления, представленным на фиг. 1-9, обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
Фильтр или сетка 34 была добавлена для удаления загрязняющих веществ из другой части, поступающих вместе с хладагентом через клапан 1.
Клапанный элемент 4 снабжен на своей нижней стороне 7 запорным элементом 35, изготовленным из пластмассового материала, такого как политетрафторэтилен (PTFE). Этот запорный элемент 35 входит в контакт с седлом 5 клапана, когда клапанный элемент 4 переводят в закрывающее положение. Кроме того, якорь 16 снабжен запорным элементом 36, изготовленным из пластмассового материала, такого как политетрафторэтилен (PTFE). Этот запорный элемент 36 заменяет контрольный клапан 9, представленный на фиг. 1-9.
Клапанный элемент 4 снабжен устройством 37 ограничения хода в форме закругленного буртика. Когда клапанный элемент 4 находится в полностью открытом состоянии, наподобие представленного на фиг. 10, это устройство 37 ограничения хода входит в контакт с кожухом 10. Устройство 37 ограничения хода ограничивает ход клапанного элемента 4, так что в открытом положении, представленном на фиг. 10, клапанный элемент 4 не входит в контакт с запорным элементом 36 якоря 16. Следовательно, можно избежать повреждения запорного элемента 36 якоря 16, когда клапанный элемент 4 в результате разницы давлений прижимается к запорному элементу 36.