МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ, ДОЗИРОВАНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МАЛЫХ ПОТОКОВ И КОЛИЧЕСТВ ЖИДКОСТИ
MULTI-PORT VALVE FOR SWITCHING, DOSING AND MOVING SMALL FLOWS AND QUANTITIES OF LIQUID

ВВЕДЕНИЕ
Многоканальный клапан предназначен для переключения, дозирования и перемещения малых потоков и количеств жидкости. Клапан относится к устройствам, обеспечивающим переключение и управление малыми потоками и количествами жидкостей, и, создающим герметичную стыковку и расстыковку гидравлических линий, прохождение по ним малых количеств рабочих жидкостей, и может быть использован: в медицинском оборудовании, фармацевтике, химической аппаратуре и биотехнологических проектах, например, при отборе жидких проб. Изобретение повышает надежность устройства за счет отверждения упругой втулки, содержащей каналы клапана, непосредственно в полости узла, и поэтому обеспечивает максимально точное и герметичное прилегание сопрягаемых поверхностей. Каналы, изготовленного в устройстве клапана, имеют малую длину и соответственно незначительный внутренний объем, поэтому уменьшается объем рабочих жидкостей в клапане и отсутствуют застойные зоны.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области химического медицинского оборудования, фармацевтики и биотехнологий, в частности, к устройствам переключения и распределения малых потоков и количеств жидкостей. Конкретно предложение относится к устройствам, обеспечивающим точное дозирование и перемещение жидкостей в линиях с проходными отверстиями менее 1 мм. Клапанные распределители и переключатели потоков жидкостей - широко применяемая техника. Они используются для управления и регулирования потоками жидкостей, и предназначены для переключения, отсечения, распределения и регулирования потоков нейтральных и агрессивных жидкостей. Особое место в этой области занимают устройства, распределяющие и переключающие потоки жидкостей в гидравлических линиях под давлением, с малыми проходными отверстиями, например, менее 1 мм. Подобные устройства востребованы в различных отраслях: медицинском оборудовании, фармацевтике, химической аппаратуре и биотехнологиях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство для дозирования малых количеств жидкостей, состоящее из корпуса с выпускным отверстием, присоединенного дозировочного клапанного блока, дозировочного вала, передаточного вала с транспортной канавкой (патент RU №2348013). Устройство обеспечивает герметичное дозирование малых количеств жидкости для одной гидравлической линии, т.е. имеет один выходной порт.
Недостатком устройства является неспособность клапанного блока осуществлять переключение нескольких, например, 6, 8 или 10 линий. Также устройство содержит большое количество движущихся деталей - дозировочный вал, передаточный вал.
Известен нагревательный поворотный клапан (патент US №9234608), состоящий из цилиндрического основания, удлиненного корпуса, переключающегося ротора с отверстиями, уплотнения ротора, приводного вала, совмещенного с шаговым двигателем, работающим по программе устройства управления. Устройство обеспечивает удобное пошаговое управление вращающейся части клапана посредством шагового двигателя с использованием устройства управления.
Недостатком устройства является неспособность переключать линии с жидкостью под давлением.
Известен клапан с мембранным уплотнением и самоустанавливающимся поршнем, где для прерывания потока жидкости между двумя отверстиями используется прижатие поршня к упруго деформируемой диафрагме, осуществляющей уплотнение (патент US №8851452). Отдельные элементы устройства выполнены самоцентрирующимися, для ограничения усилия на диафрагму при поджатии, для исключения повреждения уплотнения.
Недостаток этого устройства заключается в том, что обеспечивая защиту диафрагмы, устройство имеет громоздкую конструкцию из-за индивидуального уплотнения каждого канала посредством поджатия диафрагмы поршнем. Также описываемое устройство имеет большое количество поверхностей раздела сред.
Наиболее близким предлагаемому решению, является многоканальный мембранный клапан для дозирования и перемещения малых потоков и количеств жидкости (патент US №6202698), состоящий из корпуса, с установленными патрубками (портами) для размещения гидравлических линий количеством более 6 для обеспечения потоков различных жидкостей, диафрагмы из упруго деформируемого материала, камеры приема жидкости, и штоков-поршней, опирающихся на диафрагму. Клапан осуществляет переключение линий за счет взаимодействия штоков-поршней с упругой диафрагмой, соединяющей все порты, и перемещения штоков-поршней, в зависимости от изменения объема камеры приема жидкости, которые при перемещении вызывают замыкание-размыкание гидравлических линий за счет плотного прижатия поршней к упруго деформируемому материалу диафрагмы. В аспекте предлагаемого изобретения данное техническое решение рассматривается как прототип.
Недостатки такого решения заключаются: в трудоемкости изготовления и прецизионном монтаже устройства, в недостаточной надежности устройства из-за сложного взаимодействия деталей узла и большого количества деталей, недостаточной герметизации гидравлических линий без значительного механического поджатия.
РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ
Задачи, решаемые при реализации предлагаемого технического решения:
- обеспечение надежного сцепления (адгезии) наружных стенок втулки с корпусом и патрубками за счет изготовления упругой втулки клапана, с размещенными внутри каналами, непосредственно в корпусе, путем отверждения упругого материала;
- повышение точности совмещения каналов клапана с переключающимся отверстием (входом в канал) штуцера для обеспечения высокой герметизации;
- облегчение прохождения жидкости благодаря размещению центрального патрубка (порта) на торце штуцера, совмещенного со штоком;
- уплотнение штуцера во втулке за счет плотной посадки, обеспечивающей, при вращении последнего, удобную стыковку отверстий и беспрепятственное прохождение рабочих жидкостей в сочетании с возможностью вращения штуцера шаговым двигателем.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В предлагаемом техническом решении сформулированы основные отличительные признаки многоканального клапана для переключения, дозирования и перемещения малых потоков и количеств жидкости.
Многоканальный клапан для переключения, дозирования и перемещения малых потоков и количеств жидкости, состоящий из корпуса, размещенных на нем патрубков (портов), штуцера, совмещенного с валом шагового двигателя, упруго деформирующейся детали, осуществляющей при переключении каналов запирание-отпирание последних, путем взаимодействия с деталями конструкции, шарикового фиксатора и нажимных элементов; упруго деформирующейся детали, изготовленной в виде втулки путем отверждения упругого материала непосредственно в устройстве, имеющей прочное сцепление с внутренней поверхностью корпуса, патрубками и плотное прилегание к штуцеру; втулка снабжена каналами, отверстия которых контактируют с отверстиями патрубков (портов) с одной стороны, и отверстием в штуцере с другой, при поочередном переключении последнего; причем на торце штуцера размещен патрубок (порт), соединенный каналом с отверстием на цилиндрической части.
Признак: «упруго деформирующаяся деталь, изготовлена в виде втулки, путем отверждения упругого материала непосредственно в устройстве» обеспечивает герметизацию втулки по внутренней поверхности корпуса и патрубкам (портам).
Признак: «плотное прилегание к цилиндрическому штуцеру» обеспечивает герметичность при переключении (вращении) штуцера и совмещении отверстий каналов и отверстия штуцера. Вместе с тем, «плотное прилегание» не чрезмерно, и позволяет шаговому двигателю вращать штуцер.
Признак: «втулка снабжена каналами, отверстия которых контактируют с отверстиями патрубков (портов) с одной стороны и отверстием в штуцере с другой, при переключении последнего» обеспечивает пропускание через клапан жидкости без контакта с элементами конструкции; исключает потери жидкости при стыковке и расстыковке.
Признак: «на торце штуцера размещен патрубок (порт), соединенный каналом с отверстием на цилиндрической части» обеспечивает подачу и смешивание жидкостей, поступивших из разных портов в один канал и дальнейшее перемещение смеси по гидравлической линии в миксер. Причем процесс происходит в очень малом объеме, где не образуется застойных зон.
Реализация изобретения позволяет усовершенствовать конструкцию за счет снижения количества перемещающихся деталей, сократить протяженность и объем гидравлических линий, уменьшив количество рабочих жидкостей, одномоментно находящихся в клапане.
В результате достигаются следующие технические результаты:
1. В клапане, с упругой втулкой, исключены громоздкие приводные устройства для каждой линии, и вместе с тем, все линии взаимосвязаны, что превращает узел в многоходовое клапанное устройство, и обеспечивается высокая герметизация всех элементов.
2. Исключаются, за счет точной стыковки, потери рабочей жидкости при совмещении каналов клапана с отверстием штуцера, при переключении.
3. Уменьшается количество перемещающихся деталей, значительно облегчается монтаж устройства.
4. Процесс перемещения жидкостей происходит в коротких линиях и в малом объеме, поэтому не образуется застойных зон и устройство имеет минимальные габариты.
На основе использования стандартных для машиностроения материалов и технологических приемов, применения оригинальных простых решений, без разработки специальных дорогостоящих материалов и тонких технологий, предложен многоканальный клапан для переключения, дозирования и перемещения малых потоков и количеств жидкости. Отверждение упругого элемента непосредственно в полости устройства позволяет получить втулку требуемых размеров, с высокой адгезией к стенкам и точно расположенные внутренние каналы. За счет этого, в устройстве исключены громоздкие приводные устройства для каждой линии, и вместе с тем, все линии взаимосвязаны, что превращает узел в многоходовое клапанное устройство. Многоканальный клапан обладает высокой надежностью, за счет уменьшения количества перемещающихся деталей и исключительно высокой герметизацией места стыковки каналов упругой втулки и канала штуцера. Поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. имеет отличительные признаки от прототипа, новое конструктивное выполнение элементов и новые связи между элементами. Приведенные свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных решениях, и не являются суммой их свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия».
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение иллюстрируется чертежами (Фиг. 1 - Фиг. 3), где:
Фиг. 1 - отображает вид узла, подготовленного к отверждению втулки в камере тепла, с установленными технологическими (на период отверждения) деталями.
Фиг. 2 - отображает узел в процессе монтажа, перед подключением к шаговому двигателю.
Фиг. 3 - отображает узел, подключенный через муфту к шаговому двигателю, с подключенными гидравлическими линиями (силиконовыми трубками), и закрепленный неподвижно относительно вращающегося штуцера.
1. Упругая втулка;
2. Корпус;
3. Общий патрубок;
4. Подводящие патрубки;
5. Штуцер;
6. Уплотнительное кольцо;
7. Крышка;
8. Крепежный элемент;
9. Шарик;
10. Пружина;
11. Винт;
12. Стержни технологические;
13. Технологический штуцер с отверстиями;
14. Шайба;
15. Гайка;
16. Нажимной фланец;
17. Винты с пружинами;
18. Силиконовая трубка;
19. Муфта;
20. Шаговый двигатель;
21. Скоба;
22. Крепежный элемент.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Монтаж устройства (фиг.1) происходит следующим образом. Внутренние стенки корпуса 2 подготавливаются к взаимодействию с составом для изготовления упругой втулки (зачищаются, обезжириваются и покрываются клеем-адгезивом). В корпусе 2 размещается технологический штуцер с отверстиями 13, по периметру корпуса 2 размещаются и поджимаются подводящие (отводящие) патрубки 4, в отверстиях которых размещаются технологические стержни 12 (заранее обработанные силиконовой смазкой), с заходом в отверстия технологического штуцера 13. Образовавшаяся полость между корпусом 2, технологическим штуцером 13 и технологическими стержнями 12 плотно заполняется материалом для изготовления упругой втулки. На корпусе 2 и технологическом штуцере 13 размещается нажимной фланец 16. В отверстия фланца и корпуса 2 вставляются нажимные элементы 17, с пружинами, которые поджимаются до полного сжатия пружин, обеспечивая давление нажимного фланца на материал для изготовления упругой втулки. Весь узел размещается в камере тепла, с установленной для отверждения материала температурой. Материал под действием давления фланца и необходимой температуры, размягчается, заполняя при этом все зазоры, и, до отверждения прилипает к стенкам корпуса, образуя при этом упругую втулку 1. Устройство извлекается из камеры тепла, и после остывания, из корпуса удаляются технологические стержни 12 (места размещения технологических стержней во втулке образуют каналы клапана), отворачиваются винты 17, снимается нажимной фланец 16. Отворачивается гайка 15, снимается шайба 14 и технологический штуцер 13.
Подготовка устройства (фиг.2, 3) к работе производится в следующем порядке. В цилиндрическое отверстие получившейся упругой втулки 1, с натягом вставляется штуцер 5. В корпус 2 вворачивается центральный патрубок 3, с уплотнительным кольцом 6. При помощи стержня 12 производится совмещение отверстия в штуцере 5 с отверстием в одном из патрубков 4. Размещается и закрепляется винтами 8 крышка 7. В канале крышки 7 размещается шарик 9, взаимодействующий с выступами штуцера 5. Шарик поджимается пружиной 10, которая фиксируется винтом 11. Корпус 2 клапана закрепляется на скобе 21 крепежным элементом 22, что обеспечивает неподвижность корпуса 2. К патрубкам 4 и центральному патрубку 3 подсоединяются силиконовые трубки 18, по которым под давлением подаются рабочие жидкости к патрубкам 4. Штуцер 5 совмещается через муфту 19 с валом шагового двигателя 20. Шаговый двигатель 20 включается и переключает (вращает) штуцер, поочередно подводя отверстие канала штуцера к отверстию одного из восьми каналов втулки. При этом шаговый двигатель 20 работает по программе системы управления, совершая необходимое количество шагов и совмещая отверстия каналов втулки и штуцера на заданное время, тем самым клапан обеспечивает дозирование необходимых микро количеств жидкости, поступающей из каждого канала. Например, стыковка с 1 -м каналом - 2 секунды, стыковка с 3-м каналом 5,5 секунд и т.д. При этом давление и внутренний диаметр каналов постоянны и дозировка регулируется изменением времени стыковки.
Многоканальный клапан работает следующим образом: К патрубкам 4 подключены силиконовые трубки 18, через которые под давлением подаются жидкости. В соответствии с заданным алгоритмом шаговый двигатель 20 переключает (вращает) штуцер 5, относительно неподвижного корпуса 2, поочередно совмещая отверстие штуцера, с отверстиями восьми каналов втулки 1. Каждый порт подключается к отверстию в штуцере на заданное системой управления время, что позволяет выполнить дозировку необходимого количества жидкости. Попадая в центральный канал, жидкости перемещаются через центральный патрубок 3 по силиконовой трубке 18 для дальнейшего смешивания в миксере, согласно заданной программой рецептуре.
Таким образом, происходит поочередное подключение каждого из восьми каналов, с жидкостями, к центральному каналу и дозирование жидкости для приготовления раствора, в соответствии с заданной рецептурой, по программе системы управления. При этом обеспечивается высокая герметизация, полностью исключаются потери жидкости, уменьшаются габариты устройства за счет исключения большого количества перемещающихся деталей, а также уменьшается длина и объем каналов. Устройство может работать и в обратную сторону, распределяя жидкость по каналам при подаче из центрального канала, что актуально, например, при отборе проб жидкости.