Электромагнитный клапан

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к предохранительным (отсечным) клапанам с электромагнитным приводом, используемым, в частности, в системах автоматики безопасности теплоэнергетических установок. Электромагнитный клапан (К) содержит механизм ручного управления для установки К в открытое состояние, электромагнит, седло К, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом К и электромагнитом, и две шайбы (Ш). Одна Ш выполнена из магнитного, другая Ш - из магнитопроводящего материала. Обе Ш установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит - с другой стороны. Одна из Ш жестко связана посредством штока с запорным органом и якорем, другая установлена неподвижно. При установке К в закрытое состояние обе Ш находятся в непосредственной близости друг от друга, а одна из Ш выполнена с возможностью регулировки конечного расстояния между ними. Изобретение направлено на снижение мощности (тока и напряжения), потребляемых К, и на расширение области его использования. 1 ил.

 

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к предохранительным (отсечным) клапанам с электромагнитным приводом, используемым в системах автоматики безопасности теплоэнергетических установок, технологических трубопроводных системах для управления потоком природного газа.

Известны электромагнитные клапаны прямого действия, например А.С. СССР N 1000654, МКИ F 16 К 31/02, опубл. 28.02.83. Бюл. N8.

Устройство содержит якорь, жестко связанный с запорным органом. В корпусе клапана имеется седло, к которому с помощью пружины прижимается запорный орган. Управление клапаном осуществляется с помощью электромагнитного привода встроенного типа с изолирующей трубкой, в которой размещены якорь и стопа. При подаче питания на электромагнитный привод якорь перемещается к стопе, увлекая за собой запорный орган, открывая тем самым затвор - клапан для прохода рабочей среды.

Недостатком клапана является необходимость использования электромагнита большой мощности. Причем с увеличением проходного сечения клапана увеличивается ход запорного органа и, как следствие, должна увеличиваться необходимая для установки клапана в открытое состояние мощность электромагнита. С ростом же мощности увеличивается рабочая температура электромагнитного привода, что ведет к снижению надежности клапана.

Известны электромагнитные клапаны с импульсным управлением, например А.С. №1657820, МКИ F 16 К 31/02, опубл. 23.06.91, Бюл. №23, Полезная модель №15044, МКИ G 08 В 17/10, опубл. 10.09.2000, Бюл. №25. В рабочем состоянии указанные устройства не потребляют электрической энергии и благодаря этому имеют высокую функциональную надежность. В А.С. №1657820 включение и выключение клапана осуществляется импульсами напряжения разной полярности, подаваемых на один электромагнит, в Полезной модели №15044 включение и выключение - с помощью двух самостоятельных электромагнитов.

В соответствии с правилами безопасности в газовом хозяйстве (Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления», ПБ 12-529-03, Москва, «Научно технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003 г. п.2.4.1, стр.31-32) обязательным требованием к предохранительным клапанам является наличие питающего напряжения на катушке электромагнита в рабочем состоянии клапана. При этом закрытие клапана может осуществляться только снятием напряжения питания с электромагнита. По этой причине клапаны с импульсным управлением не могут быть использованы в качестве предохранительных (отсечных) в системах автоматики безопасности оборудования, работающего с использованием природного газа.

Известны устройства, предназначенные для использования преимущественно в бытовых отопительных аппаратах, например «Запально-защитное устройство», А.С №1232899, F 23 N 5/24, опубл. 23.05.86, Бюл. №19, «Устройство для управления розжигом запальных горелок», А.С. №1590857, F 23 N 5/24, опубл. 07.09.90, Бюл. №33, «Устройство управления работой горелки». Патент № 2056590, F23N5/24, опубл. 20.03.96, Бюл. №8.

Основным элементом всех этих устройств является электромагнитный предохранительный клапан, в состав которого входят электромагнит, механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, запорный орган. Устройства не требуют посторонних источников питания. Мощность, потребляемая клапаном, не превышает 0,25 Вт.

Важным достоинством указанных клапанов является использование ЭДС термопары для удержания клапана в открытом состоянии. Это позволяет рассматривать электромагнит как искробезопасную цепь и на этой основе упростить его конструкцию, в частности использовать электромагниты в негерметичном относительно рабочей среды исполнении. Однако это обстоятельство одновременно является и существенным недостатком таких конструкций. Использование ЭДС термопары не позволяет включать в цепь питания электромагнита другие, помимо датчика пламени, устройства аварийных защит. Связано это с тем, что максимальная величина ЭДС термопары очень мала, не более 50 милливольт. При этом для нормальной работы рассматриваемого предохранительного клапана сопротивление его катушки и подводящих проводников не должно превышать сотых долей ома. Для выполнения этого условия проводники от термопары выполнены медными и толстыми, а подсоединение к электромагниту имеет специальное конструктивное исполнение, позволяющее минимизировать его переходное сопротивление. По этой причине попытка включить последовательно в цепь питания электромагнита контакты любого аварийного датчика, либо какое-то другое устройство, которое выполняло бы функцию отключения клапана при аварийной ситуации, неизбежно приведет к недопустимому росту сопротивления цепи нагрузки термопары. В результате роста сопротивления нагрузки ток катушки электромагнита будет недостаточен для удержания клапана в рабочем состоянии.

Другим недостатком рассматриваемых клапанов является наличие в их конструкции пружины, с помощью которой запорный орган клапана после отключения ЭДС термопары прижимается к седлу. Наличие этого элемента приводит к тому, что более 70% ЭДС термопары расходуется на то, чтобы компенсировать в рабочем состоянии усилие, создаваемое пружиной и направленное против силы, удерживающей клапан в открытом состоянии. В итоге в клапанах рассматриваемой конструкции нельзя использовать пружину с большим усилием воздействия на запорный орган и, как следствие, сложно обеспечить высокую герметичность затвора клапана. Исключена возможность применения таких клапанов на проходные сечения более 25 мм, поскольку с ростом проходного сечения клапана необходимо увеличивать усилие пружины на запорном органе.

Наиболее близким к заявляемому является «Пусковой клапан», А.С. №781476, F 16 K 31/11, опубл. 23.11.80, Бюл. №43.

Устройство содержит магнитную систему (электромагнит), седло клапана, запорный орган с якорем, механизм ручного управления, с помощью которого клапан устанавливается в открытое состояние, либо, при необходимости, вручную переводит его в закрытое состояние, две шайбы, одна из них выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, возвратные пружины: одна - для перемещения запорного органа с якорем и кнопкой «Пуск» в исходное (закрытое ) состояние и герметизации затвора клапана, другая - для возврата в исходное состояние кнопки «Стоп».

В рабочем (открытом) состоянии клапан удерживается с помощью электромагнита. Включение - выключение клапана осуществляется с помощью механизма ручного управления. В случае аварии отключение клапана выполняется отключением напряжения питания магнитной системы (электромагнита).

Недостатком клапана является наличие в его конструкции пружины, с помощью которой запорный орган клапана после отключения питания электромагнита прижимается к седлу. Наличие этого элемента приводит к тому, что значительная часть мощности питания электромагнита расходуется на то, чтобы компенсировать в рабочем состоянии усилие, создаваемое пружиной и направленное против силы, удерживающей клапан в открытом состоянии.

Задачей изобретения является снижение мощности (тока и напряжения), потребляемых электромагнитным предохранительным клапаном, и на этой основе - расширение области его использования.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом электромагнитном клапане, содержащем механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, седло клапана, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом клапана и электромагнитом, две шайбы, одна из них выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, причем обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит - с другой, согласно изобретению одна из шайб жестко связана, например, посредством штока с запорным органом и якорем, другая установлена неподвижно, например, на корпусе клапана, при установке клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга, а одна из шайб выполнена с возможностью регулировки конечного расстояния между ними.

Достижение технического результата в описываемом клапане обеспечивается использованием свойства двух шайб притягиваться к друг другу. Наличие у них такого свойства обусловлено тем, что одна из шайб выполнена из магнитного, а другая - из магнитопроводящего материала. В предлагаемой конструкции клапана это позволяет отказаться от использования запирающей пружины, с помощью которой в известных аналогах и прототипе якорь - запорный орган прижимается к седлу при его закрытии и удержании в этом состоянии. Как следствие, это позволяет в два раза и более снизить мощность, потребляемую электромагнитом.

В прототипе в соответствии с принципом его работы пружина всегда стремится удержать запорный орган на седле клапана. В этом устройстве выбор величины усилия запирающей пружины - всегда результат компромисса. Для обеспечения высокой герметичности затвора клапана усилие пружины должно быть большим. Однако с ростом усилия запирающей пружины необходимо увеличивать мощность электромагнита. При переводе запорного органа с помощью механизма ручного управления в открытое состояние пружина дополнительно сжимается, соответственно сила, с которой пружина стремится переместить запорный орган к седлу, увеличивается.

Другими словами, в случае, когда усилие пружины важно для обеспечения герметичности клапана (в случае, когда клапан закрыт), величина этого усилия минимальна. И, наоборот, когда усилие пружины вредно (в случае, когда клапан открыт), величина этого усилия принимает максимальное значение.

В заявляемом устройстве одна из шайб, выполненная из магнитного материала и представляющая собой постоянный магнит, жестко установлена, например, на штоке с запорным органом и якорем. Она имеет возможность перемещения вместе с запорным органом и якорем.

При установке клапана в закрытое состояние, когда запорный орган прижимается к его седлу, эта шайба располагается в максимальной близости от второй шайбы. Учитывая то, что вторая шайба установлена неподвижно в корпусе клапана и выполнена из магнитопроводящего материала, обе шайбы притягиваются друг к другу с максимальным усилием. В результате это же усилие, с которым первая шайба притягивается ко второй, прикладывается одновременно к запорному органу, заставляя его с такой же силой прижиматься к седлу клапана.

При установке клапана в открытое состояние запорный орган с помощью механизма ручного управления перемещается к электромагниту и при наличии напряжения питания на катушке электромагнита удерживается в этом состоянии. Одновременно с запорным органом и якорем в сторону электромагнита перемещается шток с постоянным магнитом. В результате увеличивается расстояние между первой шайбой, представляющей собой постоянный магнит, и второй шайбой, выполненной из магнитопроводящего материала. Сила, с которой первая шайба притягивается ко второй, уменьшается пропорционально квадрату расстояния между ними. Соответственно, сила, с которой запорный орган стремится вернуться к седлу клапана, принимает минимальное значение.

При этом не имеет значения, какая из шайб выполнена в виде постоянного магнита, а какая - в виде магнитопроводящего элемента. Любая из них может быть жестко связана с запорным органом и якорем либо установлена неподвижно в корпусе клапана. Важно, что между ними существует сила магнитного притяжения, которая изменяется с изменением расстояния между ними.

Другими словами, в заявляемом устройстве обеспечивается максимальное усилие, с которым запорный орган прижат к седлу в случае, когда клапан закрыт, чем обеспечивается наилучшая герметизация затвора клапана и, наоборот, - минимальное усилие, с которым запорный орган стремится к седлу клапана, в случае, когда клапан открыт, чем обеспечивается минимизация ЭДС (мощности), подводимой к катушке электромагнита, необходимой для удержания клапана в открытом состоянии.

Выполнение в конструкции заявляемого устройства одной из шайб с возможностью изменения расстояния до другой шайбы позволяет сохранить минимальный гарантированный зазор между шайбой - постоянным магнитом и шайбой, выполненной из магнитопроводящего (ферромагнитного) материала при закрытом затворе клапана.

Установка и поддержание зазора между постоянным магнитом и шайбой из магнитопроводящего материала является необходимым условием для создания усилия, прижимающего запорный орган к седлу клапана. При отсутствии такого зазора невозможно обеспечить и тем более гарантировать наличие прижимного усилия на седле и соответственно гарантировать нормальную работу клапана. Необходимость поддержания рассматриваемого зазора обусловлена тем, что из-за неизбежных погрешностей при изготовлении деталей клапана и его сборке очень сложно добиться полной синхронности двух событий: момента, когда запорный орган прижат к седлу, и момента, когда магнит прижат к шайбе из магнитопроводящего материала. В результате возможен случай, когда постоянный магнит прижат к шайбе из магнитопроводящего материала, а запорный орган еще не прижат к седлу. Следствием такой ситуации будет потеря герметичности затвора клапана. Возможность регулировки положения шайбы из магнитопроводящего материала относительно шайбы - постоянного магнита позволяет избежать такой опасности.

При этом не имеет значения, какая из шайб выполнена с возможностью регулировки минимального расстояния между ними. Такая возможность может быть выполнена как у той шайбы, которая установлена неподвижно, так и у другой, которая жестко связана с запорным органом и якорем. Важно, чтобы такая возможность хотя бы у одной из этих шайб была.

Таким образом:

1. выполнение жесткой связи, например, посредством штока между одной из шайб и якорем с запорным органом,

2. установка другой шайбы неподвижно, например, на корпусе клапана,

3. размещение обеих шайб в непосредственной близости друг от друга при установке клапана в закрытое состояние,

4. выполнение одной из шайб с возможностью изменения конечного расстояния между шайбами (при установке клапана в закрытое состояние),

- позволяют отказаться от использования в заявляемом устройстве запирающей пружины и на этой основе добиться снижения мощности, потребляемой электромагнитным приводом.

Конструкция электромагнитного клапана приведена на чертеже.

Электромагнитный клапан содержит механизм ручного управления 1 для установки клапана в открытое состояние, электромагнит 2, якорь с запорным органом 3, шток 4 с шайбой - постоянным магнитом 5, шайбу 6 из ферромагнитного материала, седло 7, кнопку 8, шток 9 и возвратную пружину 10 механизма ручного управления, элементы герметизирующего уплотнения - уплотняющие шайбы 11, 12 соответственно для шайбы 6 из ферромагнитного материала и штока 9 механизма ручного управления, рабочую поверхность 13 электромагнита 2.

Электромагнитный клапан работает следующим образом.

В исходном состоянии напряжение питания на электромагните 2 отсутствует, шайба - постоянный магнит 5, установленная на штоке 4, находится под воздействием сил притяжения к шайбе из ферромагнитного материала 6, при этом между ними остается небольшой зазор (˜ 0,5 мм). Запорный орган 3 с якорем посредством штока 4 и шайбы - постоянного магнита 5 прижат к седлу 7 клапана. Клапан находится в закрытом состоянии.

При включении питания электромагнита 2 и перемещении запорного органа 3 с якорем к рабочей плоскости 13 электромагнита 2 с помощью механизма ручного управления 1 сила притяжения между шайбой - постоянным магнитом 5 и шайбой 6 из ферромагнитного материала уменьшается пропорционально квадрату расстояния между ними, а сила притяжения между рабочей поверхностью 13 электромагнита 2 и запорным органом 3 с якорем увеличивается. В момент, когда якорь с запорным органом 3 вплотную подходит к рабочей поверхности 13 электромагнита 2, сила притяжения между ними становится достаточной для удержания якоря с запорным органом 3 в верхнем положении, а клапана - в открытом состоянии. При этом сила притяжения между шайбой - постоянным магнитом 5 и шайбой 6 из ферромагнитного материала минимальна и не оказывает заметного влияния на усилие удержания якоря с запорным органом 3 у рабочей поверхности 13 электромагнита 2. После открытия клапана воздействие на кнопку 8 механизма ручного управления 1 прекращается, кнопка 8 и шток 9 с помощью пружины 10 возвращаются в исходное состояние.

В случае отключения напряжения питания электромагнита 2 запорный орган 3, жестко связанный посредством штока 4 с шайбой - постоянным магнитом 5, под действием их веса и небольшой силы притяжения между постоянным магнитом 5 и ферромагнитной шайбой 6 перемещается в исходное состояние. По мере этого перемещения сила притяжения между постоянным магнитом 5 и ферромагнитной шайбой 6 увеличивается. В момент, когда запорный орган 3 с якорем упираются в седло 7 клапана, эта сила близка к максимуму. Величина силы притяжения между постоянным магнитом 5 и ферромагнитной шайбой 6 может изменяться либо выбором мощности постоянного магнита 5, либо выбором зазора между постоянным магнитом 5 и ферромагнитной шайбой 6. Изменение зазора между шайбами 5, 6 осуществляется изменением положения ферромагнитной шайбы 6.

Герметичность клапана в области ферромагнитной шайбы 6 и штока 9 механизма ручного управления 1 обеспечивается с помощью уплотняющих шайб 11 и 12.

Заявляемый клапан выполнен с применением следующих материалов и комплектующих.

Конструкция электромагнита была испытана на клапанах с проходным сечением 15, 20, 25, 32, 40, 50 мм. В качестве рабочей среды использовался воздух с давлением до 0,1 МПа.

1. В клапане, приведенном на чертеже, элементы магнитопровода электромагнита были изготовлены из стали 20880 («Армко») с отжигом после механической обработки.

2. Соединение внешнего и центрального магнитопроводов в области рабочей поверхности выполнялось с помощью латунной шайбы и припоя, с помощью которого заполнялся зазор между центральным и внешним элементами магнитопровода на рабочей поверхности электромагнита 2.

3. Запорный орган 3 и якорь выполнены как одна деталь из стали 20880. Для герметизации затвора клапана на запорный орган 3 со стороны, обращенной к седлу 7 клапана, установлено уплотнение из резины НО-68.

4. Седло клапана 7, шток 4 для размещения шайбы - постоянного магнита 5, корпус механизма ручного управления 1 и его шток 9 выполнены из немагнитного материала.

5. Герметизация механизма ручного управления 1 в области ферромагнитной шайбы 6 и штока 9 выполнена с помощью шайб 11, 12, изготовленных методом литья из резины НО-68.

6. Шайба - постоянный магнит 5 выполнена из самарий-кобальта в виде диска диаметром 10 мм, высотой 10 мм. В клапанах на проходные сечения 40 и 50 мм для увеличения усилия удержания клапана в закрытом состоянии шайба - постоянный магнит 5 выполнялась из двух дисков.

7. Катушка электромагнита 2 выполнена в бескаркасном варианте проводом ПЭВ1, диаметр провода без изоляции - 0,07 мм, количество витков - 5600, сопротивление катушки - 1090 ом, индуктивность - 0,46 Гн.

Внутренний диаметр катушки 8 мм, наружный диаметр 18 мм, высота катушки 13,5 мм.

8. Питание электромагнита 2 в клапанах с проходным сечением 15, 20, 25, 32, 40, 50 мм осуществлялось постоянным напряжением 8-10 В. При этом во всех случаях использовалась одна и та же катушка электромагнита.

Мощность, потребляемая электромагнитом, не превысила 0,1 Вт.

Описываемый клапан обеспечивает снижение мощности, потребляемой клапаном, более чем в два раза по сравнению с мощностью, необходимой для нормальной работы прототипа (0,25 Вт).

Это позволяет расширить область использования заявляемого электромагнитного клапана на проходные сечения до 50 мм и более, создает благоприятные условия для достижения высокой герметичности затвора клапана путем подбора необходимой мощности постоянного магнита.

Снижение потребляемой мощности в предлагаемом электромагнитном клапане позволяет на основании результатов испытаний его опытных образцов считать электромагнит искробезопасным при питании от внешнего источника с напряжением 8-10 В, током источника - не более 10 мА и индуктивностью катушки электромагнита - не более 0,5 Г (см. Государственный стандарт Союза ССР «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «Искробезопасная электрическая цепь». Технические требования и методы испытаний. ГОСТ 22782.5-78 (СТ СЭВ 3143-81), с.31, черт.2).

Последнее обстоятельство практически снимает все ограничения на использование заявляемого электромагнитного клапана в качестве предохранительного (отсечного).

Таким образом, заявляемый клапан может быть использован как в составе устройств автоматики бытовых газовых водонагревателей, так и самостоятельно на входе газифицированного оборудования большой мощности.

В случае его использования в бытовых газовых водонагревателях питание электромагнита клапана может быть выполнено как от автономного источника питания, так и от ЭДС термопары. В первом случае появляется возможность существенно расширить функции автоматики безопасности путем установки в цепь его питания необходимого числа аварийных датчиков. Во втором случае, равно как и первом, созданы условия для обеспечения высокой герметичности затвора клапана путем подбора мощности постоянного магнита.

В случае использования его на входе мощного газопотребляющего оборудования клапан обеспечивает высокую функциональную надежность и безопасность. Благодаря возможности исполнения электромагнита в виде искробезопасной цепи клапан может размещаться во взрывоопасных помещениях без применения специальных защитных конструкций.

Электромагнитный клапан, содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, седло клапана, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом клапана и электромагнитом, две шайбы, одна из них выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, причем обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит с - другой, отличающийся тем, что одна из шайб жестко связана, например, посредством штока с запорным органом и якорем, другая установлена неподвижно, при установке клапана в закрытое состояние обе шайбы находятся в непосредственной близости друг от друга, а одна из шайб выполнена с возможностью регулировки конечного расстояния между ними.