МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Полезная модель относится к области точного машиностроения, именно к клапанным устройствам электромагнитного типа для регулирования параметров газовых и жидкостных потоков в системах автоматики и может быть использовано в устройствах для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
Известен электромагнитный клапан, содержащий корпус с входным и выходным каналами, электромагнит, якорь с запорным органом, выполненный с возможностью перемещения между седлом и электромагнитом и две шайбы, одна из которых выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, которые установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит - с другой стороны, причем одна из шайб жестко связана посредством штока с запорным органом и якорем, другая установлена неподвижно (см. патент RU №2282090, опубл. 20.08.2006 г.).
Известный предохранительный электромагнитный клапан предназначен для применения в системах автоматики безопасности теплоэнергетических установок при перекрытии сравнительно больших расходов рабочей среды. Недостатками известного клапана являются сложность конструкции, необходимость настройки прилегания запорного органа к седлу и ручного управления при переводе в открытое состояние, что препятствует использованию клапана в малогабаритных системах управления.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является электромагнитный клапан для систем автоматики, содержащий корпус с расположенными вдоль его оси входным и выходным каналами, между которыми установлен плунжер с запорным элементом и приводом его перемещения, включающим две электрические катушки, соединенные через блок управления с генератором импульсов тока (см. заявку на патент RU №2005113824, опубл. 20.06.2006 г. - прототип).
-8
Известный управляемый дозирующий клапан содержит магнитосвязанный с катушками подвижный диск, размещенный между ними и соединенный с одним из концов плунжера, на другом конце которого закреплен запорный элемент входного клапана. Диск выполнен из немагнитного материала с удельным омическим сопротивлением, не превышающим 1,5·10 Ом·м, например, из алюминия, обеспечивающего индукцию в нем вихревых токов при подаче импульсов тока на ту или иную катушку. К недостаткам известного клапана следует отнести сравнительно малую эффективность магнитного взаимодействия немагнитного диска с управляющими электрическими катушками, большое энергопотребление, создание запирающих усилий при постоянной подаче электропитания на катушки и отсутствие средств для фиксации крайних положений запорного элемента.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого по конструкции, надежного и эффективного электромагнитного клапана для систем автоматики, в частности, для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Дополнительно решаются задачи повышения функциональных возможностей клапана и повышение его экономичности.
Указанная задача решается тем, что в малогабаритном электромагнитном клапане для систем автоматики, содержащем корпус с расположенными вдоль его оси входным и выходным каналами, между которыми установлен плунжер с запорным элементом и приводом его перемещения, включающим две электрические катушки, соединенные через блок управления с генератором импульсов тока, согласно полезной модели, клапан снабжен механизмом фиксации открытого и закрытого положений запорного элемента, по отношению к седлу клапана, включающего постоянный магнит и вставки из магнитопроводящего материала для перемещения плунжера вдоль оси корпуса на величину хода запорного элемента, который выполнен в виде мембраны из эластичного материала, закрепленной на торце плунжера в форме трубки, причем входной канал клапана выполнен с возможностью осевого смещения для регулировки давления срабатывания клапана.
Кроме того, постоянный магнит может быть выполнен в виде кольца, а вставки могут быть выполнены в форме шайб.
Кроме того, постоянный магнит может быть закреплен на плунжере между электрическими катушками, а вставки могут быть закреплены на торцах катушек.
Кроме того, постоянный магнит может быть закреплен на корпусе между электрическими катушками, а вставки могут быть закреплены на плунжере по обе стороны от постоянного магнита.
Кроме того, постоянный магнит может быть закреплен на корпусе между электрическими катушками и снабжен вставками, скрепленными с его торцевыми поверхностями, причем третья вставка может быть закреплена на плунжере между упомянутыми двумя вставками.
Кроме того, корпус клапана может быть выполнен из диэлектрического или проводящего немагнитного материала, а плунжер может содержать радиальные отверстия, соединяющие его внутреннюю полость с полостью корпуса.
Предложенный электромагнитный клапан, выполненный по схеме проходного клапана, отличается высокой технологичностью и минимальным количеством конструктивных элементов в виде тел вращения, что обеспечивает простоту изготовления и надежность эксплуатации при малогабаритном исполнении для систем автоматического регулирования параметров газовых и жидких потоков. Технический результат в части экономичности клапана определяется малыми инерционными характеристиками его подвижных частей и отсутствием энергопотребления в крайних положениях запорного элемента. Кроме того, для переключения данного клапана достаточно подать от генератора импульсов тока в электрические катушки кратковременный электрический импульс, что позволяет увеличить амплитуду токового импульса и скорость переключения клапана в режиме аккумулирования тепла в обмотках электромагнита.
Достижение технического результата, в том числе, в части надежности обеспечивается благодаря использованию принятой схемы фиксации положения плунжера за счет использования свойств постоянного магнита и вставок из магнитопроводящего материала в форме шайб притягиваться друг к другу в крайних положениях хода плунжера.
Это позволяет избавиться от сложных механических устройств фиксации запорного элемента в закрытом и открытом положении, а повышение функциональных возможностей электромагнитного клапана связано с его способностью функционировать в
качестве обратного клапана или дросселя при соответствующей настройке осевого смещения седла клапана относительно запорного элемента.
На фиг.1 изображен продольный разрез малогабаритного электромагнитного клапана для систем автоматики.
Клапан, содержит корпус 1 с расположенными вдоль его оси входным и выходным каналами 2, 3, между которыми установлен плунжер 4 в виде толстостенной трубки с запорным элементом 5 и приводом его перемещения, включающим две электрические катушки 6, 7, соединенные через блок управления с генератором импульсов тока (не показаны). Механизм фиксации открытого и закрытого положений запорного элемента 5 клапана включает постоянный магнит 8, выполненный в виде кольца и закрепленный на плунжере 4 между электрическими катушками 6, 7, причем вставки 9, 10 в форме шайб из магнитопроводящего материала закреплены на торцах упомянутых катушек по обе стороны от упомянутого магнита. Это обеспечивает возможность перемещения плунжера 4 вдоль оси корпуса 1 на величину хода запорного элемента 5. Последний выполнен в виде мембраны из эластичного материала, закрепленной на торце плунжера 4 в форме трубки. Для регулировки давления срабатывания клапана входной канал 2 выполнен с возможностью осевого смещения в направлении мембраны запорного элемента 5.
Предложенное выполнение клапана предусматривает также обращенное выполнение механизма фиксации открытого и закрытого положений запорного элемента 5 клапана, при котором постоянный магнит 8 закреплен на корпусе 1 между упомянутыми катушками, а вставки в форме шайб закреплены на плунжере 4 по обе стороны от упомянутого магнита. Другое выполнение упомянутого механизма фиксации предусматривает схему, при которой магнит 8 закреплен на корпусе 1 между упомянутыми катушками вместе с вставками в форме шайб, скрепленными с его торцевыми поверхностями, причем третья вставка из магнитопроводящего материала закреплена на плунжере 4 между упомянутыми двумя вставками для магнитного взаимодействия с ними в открытом и закрытом положении запорного элемента 5 клапана.
Для функционирования электромагнитного клапана возможно выполнение корпуса 1 из диэлектрического материала (пластмассы) или из проводящего немагнитного материала (латунь), при этом плунжер может быть выполнен из магнитопроводящего или немагнитного материала. Для снижения гидравлических потерь на прохождение текучей среды от входного канала к выходному и для уменьшения постоянной времени
переключения клапана плунжер 4 содержит радиальные отверстия 11, соединяющие его внутреннюю полость с полостью корпуса 1.
Предложенный электромагнитный клапан был изготовлен и испытан для использования в системе автоматики малогабаритного источника питания на топливных элементах. Габаритные размеры изготовленного электромагнитного клапана: диаметр 12 мм, длина 35 мм. Для плунжера 4 и вставок 9, 10 использовалась сталь 20. Кольцевой магнит 8 толщиной 3 мм изготовлен из редкоземельного сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) с аксиальной намагниченностью с наружным и внутренним диаметрами, соответственно, 9 и 4 мм.
Корпус 1, входной и выходной каналы 2, 3 выполнены из латуни. Электрические катушки 6, 7 с количеством витков 80 и напряжением питания 3 В намотаны на каркасе высотой 10 мм проводом ПЭВ ⌀ 0,1 мм, при этом внутренний диаметр катушки равен 5 мм, а наружный - 9 мм.
Клапан рассчитывался на расход воздуха или водорода в диапазоне 1-20 мл/с при рабочих давлениях 0,3-0,4 атм и режиме отсечки газа в области давления 0,5 ати. Герметичность клапана в сопряжении запорного элемента 5 и седла клапана обеспечивается за счет выполнения мембраны запорного элемента 5 из эластичных материалов, например резины или полиуретана.
Электромагнитный клапан работает следующим образом.
При настройке клапана сначала регулируется усилие прижатия седла входного канала 2 клапана к мембране запорного элемента 5, таким образом, что при положении плунжера 4 в состоянии закрыто, запорный элемент 5 отжимается от седла клапана при заданном давлении. Дополнительную регулировку упомянутого усилия можно производить перемещением магнита 8 по плунжеру 4.
Электромагнитный клапан находится в закрытом положении, когда запорный элемент 5 прилегает к седлу клапана и переводится в это положение при включении электрической катушки 7. Закрытое положение клапана фиксируется силами магнитного притяжения между постоянным магнитом 8 и вставкой 10. Открытие клапана происходит посредством отключения катушки 7 и включения катушки 6 со сменой полярности напряжения, при этом запорный элемент 5 отходит от седла клапана и плунжер 4
фиксируется в этом положении за счет сил магнитного притяжения между магнитом 8 и вставкой 9. При этом регулируемый поток воздуха или водорода проходит от входного канала 2 через полость корпуса 1, радиальные отверстия 11 и полость плунжера 4 к выходному каналу 3.
Если в состоянии закрыто давление превышает установленное регулировкой, то запорный элемент 5 отжимается от седла входного канала и излишек давления стравливается до тех пор, пока оно не будет соответствовать установленному регулировкой и ниже, после чего клапан закрывается. При возникновении противодавления, запорный элемент 5 прижимается к седлу клапана и перекрывает противоток. Механизм клапана совершает только возвратно - поступательные движения, что существенно упрощает конструкцию клапана и снижает требования к точности его изготовления.
Для переключения клапана требуется кратковременное включение электрических катушек 6, 7, что позволяет экономить электроэнергию, а за счет теплоемкости упомянутых катушек получить большие электромагнитные силы для перемещения плунжера 4. Конструкция электромагнитного клапана была испытана на проходных сечениях входного канала 0,6; 0,8 и 1 мм, в качестве рабочей среды использовался воздух и водород с избыточным давлением до 1 ати. Предложенный клапан может быть использован в системах автоматики малогабаритных источников питания на топливных элементах.