клапан электромагнитный запорный

Формула изобретения

1. Клапан электромагнитный запорный, содержащий соленоид, постоянный магнит, якорь и запорный узел с магнитопроводами, замыкающими его осевое и внешнее магнитное поле, причем запорный узел содержит проходную полость, в которую введены подводящий и отводящий газовые каналы, а якорь и магнитопроводы выполнены из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что клапан дополнительно снабжен сердечником из магнитомягкого материала, размещенным в центральном канале соленоида, причем одна из торцевых поверхностей сердечника контактирует с магнитопроводом, проходная полость запорного узла сформирована с одной стороны торцевой поверхностью сердечника, с противоположной - поверхностью одного из полюсов постоянного магнита, а с боковых - магнитопроводом, по крайней мере, один из газовых каналов проходит через полюс постоянного магнита, обращенный в проходную полость, якорь выполнен по форме проходной полости и установлен в ней с возможностью поступательного движения, а расстояние между встречными торцами якоря и сердечника равно перемещению якоря между закрытым и открытым состояниями клапана.

2. Клапан электромагнитный запорный по п.1, отличающийся тем, что постоянный магнит изготовлен из сплава, например, неодим-железо-бор - NdFeB.

3. Клапан электромагнитный запорный по п.1, отличающийся тем, что на поверхности элементов, формирующих проходную полость и поверхности якоря, нанесено противокоррозионное покрытие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для управления потоками газов и жидкостей, а именно к запорным клапанам с электромагнитным приводом, что дает возможность его использования в устройствах и системах с дистанционным автоматизированным управлением, в том числе в приборах и устройствах для анализа газов и для приготовления газовых смесей. Клапан может быть использован в газоаналитических приборах в лабораторной практике и в исследовательских работах.

Известен запорный клапан, содержащий корпус, имеющий проходную полость для прохода газа или жидкости и газовые вход и выход, запорный элемент, соленоид, причем газовые вход и выход связаны с внутренней полостью корпуса, а запорный элемент является якорем электромагнитного привода [Европейский патент ЕР 1441163 А, опубл. 28.07.2004, Бюллетень 2004/31].

Недостаток клапана заключается в том, что при прекращении подачи тока на соленоид электромагнитного привода, отсутствует фиксированное положение запорного элемента (случайное положение - открыт или закрыт), что делает его неприемлемым в газоаналитических приборах. Кроме того, необходимость в постоянной подаче энергии на соленоид в процессе работы ведет к повышенному энергопотреблению, что ограничивает возможности его применения в автономных и других энергодефицитных системах.

В качестве прототипа выбран запорный клапан [Патент JP 6017962, опубл. 1994-1-25]. Клапан состоит из запорного узла, содержащего корпус с проходной полостью, в которой открываются подводящий и отводящий газовые каналы, соленоид, постоянный магнит, установленный напротив наружного конца якоря, и окружающие соленоид магнитопроводы, выполненные из магнитомягкого материала. Устройство данного клапана обеспечивает нормально закрытое состояние за счет пружины, прижимающей запорный элемент к отверстию одного из газовых каналов, а постоянный магнит позволяет снизить электрическую мощность, потребляемую при открытии клапана.

Недостатком рассматриваемого клапана является увеличение внутреннего объема проходной полости запорного узла и величины ее внутренней поверхности, вследствие размещения пружины в проходной полости корпуса запорного узла, что оказывает отрицательное влияние на точность измерений газоаналитических приборов и устройств для приготовления эталонных и градуировочных смесей. Это влияние также проявляется в искажении состава газа из-за смешения очередной пробы с оставшейся в проходной полости клапана частью предыдущих проб и из-за адсорбции компонентов пробы на внутренних поверхностях проходного объема. Кроме того сила притяжения якоря к постоянному магниту существенно ослаблена зазором между якорем и постоянным магнитом. Это приводит к излишнему потреблению электрической мощности соленоидом для поддержания открытого положения клапана.

Задачей изобретения является повышение точности измерений газоаналитических приборов и уменьшение искажений состава газа или жидкости при измерениях, а также уменьшение габаритов клапана и снижение энергопотребления.

Предложен клапан запорный электромагнитный, который содержит соленоид, постоянный магнит, якорь и запорный узел с магнитопроводами, замыкающими его осевое и внешнее магнитное поле. В центральном канале соленоида дополнительно размещен сердечник из магнитомягкого материала, причем он установлен так, что одна из его торцевых поверхностей контактирует с магнитопроводом. Запорный узел содержит проходную полость, которая сформирована с одной стороны торцевой поверхностью сердечника, с противоположной - поверхностью одного из полюсов постоянного магнита, обращенного в проходную полость, а с боковых - внутренней поверхностью кольцевого магнитопровода. В эту полость открываются подводящий и отводящий газовые каналы. Якорь и магнитопроводы выполнены из магнитомягкого материала. Обращенный к проходной полости полюс постоянного магнита может быть снабжен полюсным наконечником, через который проходит, по крайней мере, один из газовых каналов.

Якорь выполнен по форме проходной полости и установлен в ней с возможностью поступательного движения, а расстояние между встречными торцами якоря и сердечника равно перемещению якоря между закрытым и открытым состояниями клапана.

Постоянный магнит может быть изготовлен из сплава большой магнитной силы, например, неодим-железо-бор - NdFeB.

На поверхностях элементов, формирующих проходную полость и поверхности якоря, может быть нанесено противокоррозионное покрытие.

Существенными признаками являются: наличие сердечника, размещенного специальным образом, проходной полости, сформированной элементами магнитной цепи, и якоря специальной формы. За счет этого уменьшается внутренний объем проходной полости и величина образующих ее поверхностей. Это приводит к тому, что уменьшаются искажения состава пробы, связанные с адсорбцией на внутренних поверхностях проходной полости, и повышается точность измерений. Уменьшение внутреннего объема проходной полости существенно в случаях управления потоками, попеременно содержащими окислители и восстановители, смешение которых может вызвать взрыв, т.е. достигается повышение безопасности использования клапана при работах с несовместимыми веществами. Полюсный наконечник постоянного магнита может быть введен в конструкцию клапана с целью упрощения технологии его изготовления, т.к. формирование седла и отверстий в магнитотвердом материале затруднено свойствами материала. Клапан имеет небольшие габариты и низкое энергопотребление.

Клапан запорный электромагнитный в конкретном исполнении представлен на чертеже. Клапан содержит соленоид 1, магнитопроводы 2, 3, запорный узел 4, содержащий постоянный магнит 5 типа NdFeB, якорь 6 из магнитомягкого материала, магнитопровод 7, проходную полость 8, подводящий и отводящий газовые каналы 9, 10, сердечник 11 из магнитомягкого материала, втулки 12, 13, 14 из немагнитного материала, полюсный наконечник 15 постоянного магнита 5, прокладки из упруго-эластичного материала 16, 17, накидную гайку 18 из немагнитного материала.

Сердечник 11 размещен в центральном канале соленоида 1 таким образом, что одна из его торцевых поверхностей образует часть внутренней поверхности проходной полости 8, а другой конец сердечника 11 находится в магнитном контакте с магнитопроводом 3. Поверхность одного из полюсов постоянного магнита 5 с полюсным наконечником 15 образует часть внутренней поверхности проходной полости 8, противолежащую торцу сердечника 11.

Отверстие, по крайней мере, одного из газовых каналов 9, 10 открывается на поверхности полюсного наконечника магнита 5. Большая часть боковой поверхности проходной полости 8 образована внутренней поверхностью магнитопровода 7, имеющего форму кольца. Якорь 6 из магнитомягкого материала размещен внутри цилиндрической проходной полости 8 и имеет форму цилиндра с диаметром, обеспечивающим легкоходовую посадку. Высота якоря 6 меньше высоты проходной камеры на величину перемещения якоря между положениями «закрыто» и «открыто». Таким образом, якорь 6 почти полностью заполняет объем проходной полости 8, уменьшая ее свободный объем.

В конкретном исполнении общий объем проходной полости 0,110 см ³, запорного элемента - 0,104 см³ . Т.о., свободный объем проходной камеры составляет 0,006 см ³. На внутренние поверхности элементов, формирующих проходную камеру, может быть нанесено противокоррозионное покрытие.

В исходном (обесточенном) положении клапан закрыт. Прижатие запорного элемента к седлу на полюсном наконечнике происходит за счет притяжения якоря 6 к постоянному магниту 5. При подаче напряжения на соленоид 1 возникает магнитодвижущая сила в цепи, состоящей из сердечника 11, магнитопроводов 3, 2, 7 и якоря 6, большая, чем сила притяжения якоря 6 к постоянному магниту 5. Якорь 6 притягивается к сердечнику 11 и открывает клапан. Клапан остается в открытом положении до тех пор, пока на соленоид подано напряжение, достаточное для удержания якоря. При снятии напряжения якорь притягивается к седлу и закрывает клапан. В положении клапана «закрыт», сила притяжения якоря 6 к полюсу магнита (поз.4.1) F₁ k/L₁ ², где L₁ - толщина прокладки. Для открытия клапана требуется создание магнитодвижущей силы F₂ >F₁, например U 15 В (результат испытаний конкретного исполнения экспериментального образца заявляемого клапана). Когда клапан перешел в положение «открыт», расстояние между полюсом магнита и якорем возросло и, соответственно, сила притяжения якоря к магниту уменьшилась. Для удержания якоря в положении «открыт» достаточна сила F ₃<F₂, которая, как показали испытания клапана, достигается при U 1 В, что позволяет снизить потребляемую мощность в (15/1) ² 225 раз.

Если через клапан с внутренним объемом проходной полости 1 см³ в очередной процедуре вводится объем пробы 10 см³, содержащей по 50% веществ X1 и Х2, то около 1 см³ пробы остается в клапане. В анализе следующей пробы, содержащей, например, 40% вещества X1 и 60% вещества Х2, новая проба смешается с остатком предыдущей и концентрации станут 41% и 59% соответственно. Т.е., в данном случае происходит искажение состава пробы на 1,7-2%.

Предложенный клапан запорный электромагнитный повышает точности измерений газоаналитических приборов и уменьшает искажение состава газа или жидкости при измерениях, а также обладает уменьшенными габаритами и низким энергопотреблением.