МАЛОГАБАРИТНЫЙ КЛАПАН С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Полезная модель относится к области точного машиностроения, именно к клапанным устройствам электромеханического типа для регулирования параметров газовых и жидкостных потоков в системах автоматики и может быть использована в устройствах для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
Известен клапан с приводом от электродвигателя, содержащий корпус с входным и выходным каналами, запорный орган и привод его перемещения, включающий тягу, муфту сцепления и средства для блокировки возврата приводимых в движение деталей и определения нагрузки на запорный орган (см. заявку на патент РФ №2003136755, опубл. 20.05.2005 г.).
Недостатком известного клапана является сложность конструкции, содержащей значительное число взаимодействующих механических элементов, снижающих надежность устройства.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является клапан с электроприводом для систем автоматики, содержащий корпус с входным и выходным каналами, плунжер с запорным элементом и привод его перемещения, включающий электродвигатель, соединенный через блок управления с источником питания (см. заявку на патент RU №2000126467, опубл. 27.09.2002 г. - прототип).
Известный клапан предназначен для автоматической системы управления паровой турбины. Электромеханический привод клапана содержит передаточное устройство для установки положения запорного элемента, в конструкции которого предусмотрено использование планетарной передачи, кривошипного привода, электромагнитной зубчатой муфты, толкателя и системы возвратных пружин. К недостаткам известного клапана следует отнести сравнительно высокую сложность конструкции, невозможность
его использования для скоростного управления потоками жидкости и газа в диапазоне нескольких мл/с вследствие недостаточности средств для фиксации крайних положений запорного элемента и большой инерционности элементов привода.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого по конструкции, надежного и эффективного электромеханического клапана с электроприводом для систем автоматики, в частности, для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Дополнительно решаются задачи сокращения времени срабатывания, упрощение регулирования, повышения функциональных возможностей клапана, его экономичности, а также защиты от превышения давления в автоматическом и управляемом режимах.
Указанная задача решается тем, что в малогабаритном клапане с электроприводом для систем автоматики, содержащем корпус с входным и выходным каналами, плунжер с запорным элементом и привод его перемещения, включающий электродвигатель, соединенный через блок управления с источником питания, согласно полезной модели, клапан снабжен механизмом фиксации открытого и закрытого положений запорного элемента по отношению к седлу клапана, включающим штифт, закрепленный на донной части плунжера и толкатель штифта, насаженный на вал электродвигателя и снабженный центральным углублением для фиксации штифта и запорного элемента в открытом положении клапана, а вне углубления - в закрытом, при этом электродвигатель, толкатель, плунжер, запорный элемент и входной канал размещены вдоль оси корпуса, который в зоне хода штифта имеет направляющие пазы для его поступательного перемещения, а в зоне поворота толкателя - выступы для ограничения углов его поворота в диапазоне от 0 до 90°, причем запорный элемент выполнен в виде мембраны из эластичного материала, закрепленной на торце плунжера и ограничивающей герметичную полость в плунжере, заполненную воздухом при атмосферном давлении, а входной канал выполнен с возможностью осевого смещения для регулировки давления срабатывания запорного элемента.
Кроме того, упомянутые выступы в корпусе могут быть снабжены датчиками положения толкателя штифта, соединенными с блоком управления для отключения питания электродвигателя в закрытом и открытом положении клапана.
Указанный технический результат полезной модели достигается указанным выполнением механизма фиксации открытого и закрытого положения запорного элемента, а также плунжера с запорным элементом и других элементов клапана. При
этом необходимые регулировки для функционирования клапана обеспечиваются за счет упругости эластичной мембраны запорного элемента и наличия воздушной полости в плунжере.
Достижение технического результата также обеспечивается конструкцией толкателя, на поверхности которого выполнено диаметральное углубление для фиксации штифта, что в позволяет избавиться от сложных механизмов фиксации запорного элемента в закрытом и открытом положениях клапана и обеспечивает надежность этой фиксации. При этом для переключения клапана достаточно кратковременной подачи электропитания на электродвигатель, вращение которого обеспечивает необходимое перемещение запорного элемента при повороте вала электродвигателя и закрепленного на нем толкателя от нулевого положения на 90° до упора в ограничивающие выступы корпуса.
Предложенный клапан, отличается высокой технологичностью и минимальным количеством конструктивных элементов, 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 предельно малыми инерционными характеристиками его подвижных частей и отсутствием энергопотребления в крайних положениях запорного элемента благодаря своевременному отключению электродвигателя в крайних угловых положениях вала и толкателя. Повышение функциональных возможностей электромагнитного клапана связано с его способностью работать в режиме обратного клапана или дросселя при соответствующей настройке осевого смещения седла клапана относительно запорного элемента.
На фиг.1 изображен продольный разрез малогабаритного клапана с электроприводом для систем автоматики.
Малогабаритный клапан содержит корпус 1 с расположенными вдоль его оси входным каналом 2 и электродвигателем 3, между которыми установлен плунжер 4 с запорным элементом 5 и приводом их поступательного перемещения, включающим штифт 6 и толкатель 7, имеющий возможность вращения до двух выступов 8 на корпусе 1 (показан один выступ). Блок управления электродвигателем с источником питания не показаны. Клапан снабжен механизмом фиксации открытого и закрытого положений запорного элемента 5 по отношению к седлу клапана на входном канале 2, включающим
штифт 6, закрепленный на донной части плунжера 4 и толкатель 7 штифта 6. Толкатель 7 насажен на вал электродвигателя 3 и снабжен центральным углублением для фиксации упомянутых штифта и плунжера в открытом положении клапана, а вне углубления - в закрытом.
Корпус 1 в зоне хода штифта 6 имеет направляющие пазы для его поступательного перемещения, а в зоне поворота толкателя 7 - упомянутые выступы 8 для ограничения углов поворота толкателя в диапазоне от 0 до 90°. Запорный элемент 5 выполнен в виде мембраны из эластичного материала, закрепленной на торце плунжера 4. При этом. входной канал 2 выполнен с возможностью осевого смещения для регулировки давления срабатывания запорного элемента 5, а упомянутая мембрана ограничивает герметичную полость в плунжере 4, заполненную воздухом при атмосферном давлении. Упомянутые выступы 8 в корпусе 1 могут быть снабжены датчиками положения толкателя штифта (не показаны), соединенными с блоком управления для своевременного отключения питания электродвигателя 3 в закрытом и открытом положении клапана. Выходной канал клапана обозначен поз.9.
Предложенный электромагнитный клапан был изготовлен и испытан для использования в системе автоматики малогабаритного источника питания на топливных элементах. Габаритные размеры изготовленного электромагнитного клапана: диаметр 10 мм, длина 25 мм. Плунжер 4 диаметром 5 мм изготовлен из бронзы, а корпус 1, выходной и входной каналы 9, 2 выполнены из латуни, при этом ход упомянутых плунжера и запорного элемента составляет примерно 1 мм. Электродвигатель 3 привода запорного элемента 5 имеет диаметр 4 мм, длину 11 мм, напряжение питания 3 В и мощность 30 мВт при скорости вращения 20-100 об/мин. Клапан рассчитывался на расход воздуха или водорода в диапазоне 1-20 мл/с при рабочих давлениях 0,3-0,4 ата и режиме отсечки газа в области давления 0,5 ата.
Герметичность при сопряжении запорного элемента 5 с седлом клапана обеспечивается за счет выполнения его мембраны из эластичных материалов, например резины или полиуретана. Герметичная замкнутая полость в теле плунжера 4, заполненная воздухом при атмосферном давлении, предназначена для создания дополнительного прижимного усилия мембраны к седлу за счет упругости заключенного в герметичной полости воздуха.
Малогабаритный клапан работает следующим образом.
При настройке клапана сначала регулируют усилие прижатия седла клапана к мембране запорного элемента 5, таким образом, что при положении плунжера 4 в состоянии закрыто, запорный элемент 5 отжимается от седла при заданном давлении.
Клапан находится в закрытом положении, когда запорный элемент 5 прилегает к седлу клапана и переводится в это положение при включении напряжения одной полярности на электродвигателе 3 для вращения его вала в одном направлении. Открытие клапана происходит посредством повторного включения электродвигателя со сменой полярности питающего напряжения, при этом запорный элемент 5 отходит от седла клапана и плунжер 4 фиксируется в этом положении за счет сил механического контакта между штифтом 6 и толкателем 7. При этом регулируемый поток воздуха или водорода проходит через внутреннюю полость корпуса 1 клапана в выходной канал 9.
Если в состоянии закрыто давление превышает установленное регулировкой, то запорный элемент 5 отжимается от седла клапана 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 поступательно-возвратные движения, что существенно упрощает конструкцию и снижает требования по точности изготовления. Для переключения клапана требуется кратковременное включение электродвигателя, что позволяет экономить электроэнергию и одновременно получить большие усилия для перемещения плунжера.
Конструкция 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 ата. Предложенный клапан может быть использован в малогабаритных источниках питания водородно-воздушных топливных элементов