Самозапирающийся клапан, приводимый в действие единственной микроминиатюрной катушкой - RU2678476C1

Чертежи

Описание

[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет по китайской заявке на патент № 201610268235.8 "ЗАПОРНЫЙ КЛАПАН, ПРИВОДИМЫЙ В ДЕЙСТВИЕ ЕДИНСТВЕННОЙ МИКРОМИНИАТЮРНОЙ КАТУШКОЙ", поданной в государственное Ведомство по интеллектуальной собственности 27 апреля 2016, все содержание которой настоящим включено в это описание путем отсылки.

Область изобретения

[0002] Настоящая заявка относится к запорному клапану, приводимому в действие единственном микроминиатюрной катушкой, который относится к области управления текучими средами космического аппарата.

Предпосылки

[0003] Запорный клапан, как управляющий клапан двигательной установки, в основном выполняет управление включением-выключением подачи рабочего тела в систему и является одним из важнейших компонентов систем, и в настоящее время микроспутники и наноспутники из-за их небольшого объема и малого веса требуют легких запорных клапанов массой менее 50 г или даже менее 30 г.

[0004] В обычном запорном клапане по существу применятся две катушки для управления открытым и закрытым состояниями клапана. Кроме того, для обеспечения надежности изделий, применяется гибкий опорный элемент для подвески и поддержки двух концов якоря. Такая структура имеет большое количество деталей и сложную конструкцию и, поэтому, не может быть реализована в микроминиатюрном запорном клапане. Для устранения противоречий между миниатюризацией конструкции запорного клапана и надежностью изделий необходимо миниатюризировать и улучшить конструкцию, чтобы она соответствовала требованиям к высокой интеграции, малому размеру, малому весу и высокой надежности системы.

[0005] Кроме того, в современных электромагнитных клапанах, имеющих высокие характеристики, по существ применяется гибкая подвеска якоря, ключевым компонентом которой является плоская диафрагменная пружина. Такая конструкция по существу имеет множество деталей, число которых превышает 5, соединение усложнено и по существу требует применения такого процесса, как электронно-лучевая сварка или лазерная сварка, что усложняет процесс производства. Еще более важно то, что из-за производственных ограничений сложно или даже невозможно применять плоскую диафрагменную пружину в клапане малого радиуса, например, в клапане радиусом менее 10 мм.

Краткое описание изобретения

[0006] Целью настоящего изобретения является устранение вышеописанных недостатков известной технологии для создания микроминиатюрного запорного клапана с однокатушечным приводом, конструкция которого позволяет значительно уменьшить вес и объем изделия и сократить количество деталей и, в итоге получить миниатюризированную конструкцию, высокую надежность и обеспечить характеристики быстрого реагирования изделия.

[0007] Эта цель в настоящем изобретении достигается в основном за счет следующих технических решений.

[0008] Микроминиатюрный запорный клапан с однокатушечным приводом, содержит узел якоря, тело клапана, магнитный сердечник и катушки. Узел якоря расположен во внутренней полости тела клапана и содержит якорь и шарик. И якорь, и тело клапана имеют структуру тела вращения, а шарик является сферическим шариком. На каждом из двух концов якоря рядом с торцевой поверхностью имеется N канавок, равномерно разнесенных по окружному направлению. В каждой канавке расположен один шарик. Канавка имеет комбинированную форму сферического сегмента с полой структурой и цилиндра. Сферический сегмент имеет диаметр, равный диаметру цилиндра, а шарик имеет диаметр меньший, чем диаметр сферического сегмента или цилиндра в канавке и больший, чем глубина канавки, при этом шарик изготовлен из немагнитного материала твердостью по шкале С Роквелла HRC>58, где N является положительным целым числом N≥3; и

магнитный сердечник, расположенный муфтой на периферийной поверхности тела клапана так, чтобы делить эту периферийную поверхность на две области, и в этих двух областях, соответственно, намотаны две катушки, соединенные последовательно для образования одной катушки.

[0009] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, диаметр шарика и глубина канавки удовлетворяет уравнению:

[0010] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, диаметр шарика и глубина канавки удовлетворяет уравнению:

[0011] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, сферический сегмент полой структуры имеет высоту, составляющую от 2/5 до 3/5 диаметра шарика.

[0012] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом шарик является керамическим шариком, изготовленным из нитрида кремния.

[0013] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, магнитный сердечник разделен на M секций магнитного сердечника, имеющих одинаковую длину дуги вокруг поверхности тела клапана. M секций магнитного сердечника равномерно распределены вокруг поверхности тела клапана. Две катушки, расположенные с двух сторон от магнитного сердечника, соединены последовательно в одну катушки в зазореа между двумя соседними секциями магнитного сердечника, при этом M является положительным целым числом M≥3.

[0014] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, длина дуги каждой из M секций магнитного сердечника составляет от 55 до 65 градусов, а количество M секций магнитного сердечника составляет от 3 до 5.

[0015] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане, приводимом в действие одной катушкой, магнитный сердечник находится в среднем положении в осевом направлении тела клапана, и ширина магнитного сердечника в осевом направлении тела клапана составляет т 1 до 3 мм.

[0016] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом отношение диаметра шарика к диаметру сферического сегмента канавки описываются следующим равенством:

[0017] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, нижние центральные точки N канавок находятся в одной плоскости и эта плоскость перпендикулярна оси якоря. Расстояние от нижней центральной точки каждой из N канавок до торцевой поверхности якоря, находящейся рядом с соответствующей канавкой, составляет от 5% до 25% осевой длины якоря.

[0018] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, рядом с торцевой поверхностью на каждом из двух концов якоря расположены три канавки, равномерно распределенные по окружному направлению.

[0019] В вышеупомянутом микроминиатюрном запорном клапане с однокатушечным приводом, узел якоря расположен во внутренней полости тела клапана и между шариком и внутренней полостью тела клапана имеется зазор от 0,03 до 0,08 мм, обеспечивающий скользящую посадку.

[0020] Настоящее изобретение дает следующие положительные эффекты по сравнению с известной технологией:

(1) В запорном клапане по настоящему изобретению применяется магнитный сердечник (т.е., постоянный магнит) для реализации конечного командного состояния функции удержания клапана, далее, магнитная цепь смещена и, поэтому, имеет полярность, и переключение между командным состоянием открывания и командным состоянием закрывания осуществляется с использованием катушки возбуждения и подачи возбуждающего сигнала, имеющего некоторую ширину импульса и полярность, противоположную полярности катушки. В такой конструкции за счет соединения катушек, расположенных с двух сторон от магнитного сердечника, последовательно в единую катушку, осуществляется управление переключением между открыванием и закрыванием клапана. Необходимый размер окна катушки уменьшен на ½ по сравнению с известным запорным клапаном с двумя катушками при том же количестве ампер-витков. Поэтому вес и объем изделия такой конструкции существенно снижены.

(2) В структуре подвески якоря электромагнитного клапана на основе шариковой опоры, применяемой в запорном клапане по настоящему изобретению, N канавок особой формы равномерно распределены на каждом из двух концов якоря в окружном направлении. В каждую из канавок помещен один керамический шарик из нитрида кремния для формирования узла якоря. Канавка имеет глубину меньшую, чем диаметр применяемого шарика, чтобы диаметр окружности, образованной шариками был больше, чем диаметр окружности якоря. наконец, между периферией с диаметром, определенным шариком, и внутренней полостью клапана возникает скользящая посадка, чтобы между якорем и телом клапана не возникало трение скольжения во время движения якоря, и чтобы шарик катился, а не оставался в относительно статичном состоянии. Далее, в процессе движения якоря благодаря тому, что шарик изготовлен из немагнитного материала, трение между шариком, телом и якорем имеет характер трения качения, и величина силы трения по существу пренебрежимо мала, и клапан не будет страдать от явления "самозагрязнения", вызванного трением скольжения.

(3) Структура подвески якоря электромагнитного клапана на основе шариковой опоры по настоящему изобретению устраняет необходимость в использовании гибкого опорного элемента, применяемого в конструкции традиционной структуры подвески якоря, упрощает структуру якоря и сокращает количество деталей, поэтому структура якоря становится более компактной и имеет меньший вес и, в итоге, обеспечиваются более высокие характеристики быстродействия изделия при миниатюризации изделия.

(4) В настоящем изобретении за счет оптимального положения и формы канавки в узле якоря и соотношения [размеров] канавки и шарика структура подвески якоря имеет более высокие структурные характеристики и более обоснованную и компактную структуру, что дополнительно повышает надежность и быстродействие структуры подвески якоря при использовании такой подвески с шариковой опорой по настоящему изобретению время реакции клапана можно сократить на 15-30%, а расхождение во времени реакции клапана можно довести до ±0,1 мс.

(5) В запорном клапане по настоящему изобретению за счет хорошей конструкции структуры магнитного сердечника и оптимизации формы и размера структуры магнитного сердечника, катушки, расположенные с двух сторон от магнитного сердечника соединены последовательно друг с другом для образования единой катушки, поэтому объем и вес запорного клапана существенно уменьшены при том, что обеспечивается высокая надежность изделия.

Краткое описание чертежей

[0021] Фиг. 1 - вид в перспективе в сечении запорного клапана с однокатушечным приводом по настоящему изобретению.

[0022] Фиг. 2 - сечение запорного клапана с однокатушечным приводом по настоящему изобретению.

[0023] Фиг. 3 - схематический вид, иллюстрирующий в сечении структуру магнитного сердечника по настоящему изобретению.

[0024] Фиг. 4а - продольное сечение узла якоря по настоящему изобретению.

[0025] Фиг. 4b - поперечное сечение узла якоря по настоящему изобретению по линии, показанной на фиг. 4а.

[0026] Фиг. 5 - схематический вид структуры подвески якоря по настоящему изобретению.

[0027] Фиг. 6а - вид сигнала возбуждения запорного клапана с однокатушечным приводом по настоящему изобретению.

[0028] Фиг. 6 - характеристическая кривая тока в процессе открывания и закрывания запорного клапана с однокатушечным приводом по настоящему изобретению.

Подробное описание

[0029] Далее следует более подробное описание вариантов настоящего изобретения.

[0030] На фиг. 1 представлен вид в перспективе в сечении запорного клапана с однокатушечным приводом, по настоящему изобретению. На фиг. 2 представлено сечение запорного клапана с однокатушечным приводом, по настоящему изобретению. Микроминиатюрный запорный клапан с однокатушечным приводом, по настоящему изобретению, содержит узел якоря, тело 3 клапана, магнитный сердечник 5 и катушки 6. Узел якоря и тело 3 клапана образуют структуру подвески якоря. Магнитный сердечник 5 расположен муфтой на периферийной поверхности тела 3 клапана и делит периферийную поверхность тела 3 клапана на две области, и в этих двух областях соответственно намотаны две катушки 6, соединенные последовательно в одну катушку. Магнитный сердечник 5 разделен на M магнитных секций, имеющих равные длины дуг вокруг поверхности тела 3 клапана, при этом М секций магнитного сердечника равномерно распределены вокруг поверхности тела 3 клапана. М секций магнитного сердечника находятся в одной плоскости, перпендикулярной оси тела 3 клапана. На фиг. 3 приведен схематический вид секционной структуры сердечника по настоящему изобретению (на фиг. 3 сердечник разделен на 3 секции). Магнитный сердечник 5 расположен в средней части тела клапана в осевом направлении тела клапана и ширина магнитного сердечника 5 в осевом направлении тела 3 клапана составляет от 1 до 3 мм. Две катушки 6 расположены по обе стороны от магнитного сердечника 5 и соединены последовательно в одну катушку в зазоре между соседними двумя секциями магнитного сердечника 5, при этом М является положительным целым числом и M≥3.

[0031] Длина дуги каждой из М секций магнитного сердечника 5 равна от 55 до 65 градусов, а количество секций магнитного сердечника равно от 3 до 5.

[0032] В конструкции микроминиатюрного запорного клапана с однокатушечным приводом, как показано на фиг. 2, применяется магнитный сердечник (т.е., постоянный магнит) для реализации конечного командного состояния функции удержания клапана, далее, магнитная цепь смещена и, поэтому, имеет полярность, и переключение между командным состоянием открывания и командным состоянием закрывания осуществляется с использованием катушки возбуждения и подачи возбуждающего сигнала, имеющего некоторую ширину импульса и полярность, противоположную полярности катушки, что конкретно описывается следующим образом. Из катушки запорного клапана выходят две линии А и В, из которых конец В всегда заземлен. После подачи на катушку импульса определенной амплитуды и ширины, клапан открывается и открытое положение клапана после отключения питания поддерживается магнитным потенциалом, создаваемым магнитным сердечником. Когда нужно закрыть клапан, на катушку подается отрицательный импульс определенной амплитуды и ширины для закрывания клапана и, аналогично, закрытое положение клапана поддерживается магнитным потенциалом, создаваемым магнитным сердечником после отключения питания. В такой конструкции за счет последовательно соединения катушек, расположенных с двух сторон от магнитного сердечника, для образования единой катушки, размер требуемого окна катушки сокращается на ½ по сравнению с обычным запорным клапаном с двумя катушками с тем же количеством ампер-витков, то есть, размер окна катушек, расположенных с двух сторон в такой конструкции равен размеру одной катушки в известном клапане. Поэтому вес и объем изделия существенно уменьшаются.

[0033] На фиг. 5 приведен схематический вид конструкции подвески якоря по настоящему изобретению. Узел якоря находится во внутренней полости тела 3 клапана. Узел якоря содержит якорь 1 и шарик 2, при этом и якорь 1 и тело 3 клапана имеют форму тел вращения, которые изготовлены обычной токарной обработкой. Шарик 2 является сферическим. На тех частях в окружном направлении, которые расположены рядом с торцевой поверхностью на каждом из двух концов якоря 1 по окружному направлению распределены N канавок 4. В каждой из канавок расположен один шарик 2. Канавки 4 могут быть изготовлены способом лазерного гравирования.

[0034] На фиг. 4а приведено продольное сечение узла якоря по настоящему изобретению, а на фиг. 4b показано поперечное сечение узла якоря по настоящему изобретению (сечение по линии, показанной на фиг. 4а). Канавка 4 имеет комбинированную форму сферического сегмента и цилиндра и имеет полую структуру. Диаметр сферического сегмента равен диаметру цилиндра, а диаметр шарика 2 меньше диаметра сферического сегмента или цилиндра канавки 4 и больше, чем глубина канавки 4, и описывается равенством:

или, предпочтительно:

[0035] Сферический сегмент полой структуры имеет высоту, равную от 2/5 до 3/5 диаметра шарика 2. Отношение диаметра шарика 2 и диаметра сферического сегмента (цилиндра) канавки 4 описываются следующим равенством:

и, предпочтительно,

[0036] нижние центральные точки N канавок находятся в одной плоскости, перпендикулярной оси якоря 1, а расстояние от нижней центральной точки каждой из N канавок 4 до торца якоря 1, ближайшего к соответствующей канавке 4Ю составляет от 5% до 25% осевой дины якоря; при этом узел якоря расположен во внутренней полости тела 3 клапана и между шариком 2 и внутренней стеной полости тела 3 клапана имеется зазор от 0,03 до 0,08 мм, обеспечивающий скользящую посадку.

[0037] Шарик 2 изготовлен из немагнитного материала, имеющего твердость по шкале С Роквелла HRC>58 и, например, является шариком из нитрида кремния. Материалы якоря и тел клапана являются мягким магнитным сплавом. Материалом магнитного сердечника является NdFeB или сплав самария и кобальта.

Первый вариант

[0038] Магнитный сердечник 5 установлен на периферийную поверхность тела 3 клапана так, чтобы делить эту периферийную поверхность тела 3 клапана на две области. В этих двух областях соответственно намотаны две катушки 6, последовательно соединенные в одну катушку. Количество витков в одной катушке равно 800. Магнитный сердечник разделен на три секции с одинаковой длиной дуги вокруг поверхности тела 3 клапана, и эти три секции магнитного сердечника равномерно распределены по поверхности, при этом длина дуги каждой из трех секций магнитного сердечника равна 60 градусов, как показано на фиг. 3. Магнитный сердечник 5 расположен в средней части тела клапана в осевом направлении тела 3 клапана, и ширина магнитного сердечника в осевом направлении тела 3 клапана равна 2 мм. Две катушки 6, расположенные по обе стороны магнитного сердечника 5 соединены последовательно в одну катушку в зазоре между двумя соседними секциями магнитного сердечника.

[0039] Как показано на фиг. 4а и 4b, и якорь 1 и тело 3 клапана имеют структуру тела вращения, которая получена обычной токарной обработкой. Кроме того, три равномерно распределенные по окружному направлению канавки 4, выполнены на каждом из двух концов якоря 1 способом лазерной гравировки. Канавка 4 имеет комбинированную форму полого полусфероида и цилиндра. Полый полусфероид или цилиндр имеет диаметр d=1,2 мм, цилиндр имеет высоту h=0,3 мм, а глубина канавки 4 равна d/2+h=0,9 мм. В каждой из канавок 4 установлен один шарик из нитрида кремния. Шарик 2 имеет диаметр D=1 мм, при этом h

[0040] В этом варианте явление "самозагрязнения" клапана, вызванное трением скольжения, возникнуть не может и гибкий опорный элемент, применяемый в конструкции традиционной структуры подвески якоря не нужен, что упрощает конструкцию якоря и сокращает количество деталей. Размер окна, необходимого для катушки, сокращается на ½, поэтому запорный клапан становится более компактным и имеет меньший объем и вес и, в итоге обладает более высокой надежностью и характеристиками быстродействия, при миниатюризации изделия.

[0041] На фиг. 6а приведена диаграмма, иллюстрирующая возбуждающий сигнал для запорного клапана с однокатушечным приводом, по настоящему изобретению; на фиг. 6b показана токовая характеристическая кривая процесса открывания и закрывания запорного клапана с однокатушечным приводом, по настоящему изобретению. Позицией Е на фиг. 6а обозначен сигнал открывания, а позицией F сигнал закрывания; на фиг. 6b позицией G обозначена токовая характеристическая кривая процесса открывания запорного клапана с однокатушечным приводом, а позицией H обозначена токовая характеристическая кривая процесса закрывания запорного клапана с однокатушечным приводом. Во-первых, из фиг. 6а и 6b видно, что конструкция с единственной катушкой работоспособна. Во-вторых, из фиг. 1 видно, что поскольку применяется конструкция с единственной катушкой, размер окна катушки клапана уменьшен наполовину и соответственно, объем и вес уменьшены наполовину. Кроме того, из фиг. 4 и 5 видно, что что применение структуры шариковой опоры не ограничивается величиной объема якоря и позволяет миниатюризировать изделие. Дополнительно, благодаря шариковой опоре первоначальное трение скольжения, требующее большей площади контакта и большей силы трения между двумя частями, заменено на линейное трение качения, создающее пренебрежимо малую силу трения. Поэтому сила трения, которая изменяется во времени и является нелинейной и требующая преодоления во время открывания и закрывания клапана, может быть устранена, что уменьшает инерционность клапана и улучшает время реакции клапана. Применяя такую подвеску с шариковой опорной время реакции клапана можно уменьшить на 15-30%, и разбросом времени реакции клапана можно управлять в пределах ±0,1 мс. Наконец, благодаря устранению трения скольжения, "самозагрязнение" клапана, вызванное веществом, образующимся при движении движущихся частей из-за трения скольжения, не возникает, и в итоге надежность запорного клапана повышается.

[0042] Выше описан предпочтительный вариант настоящего изобретения, и объем настоящего изобретения им не ограничивается. Специалистам понятны замены и изменения, которые могут быть внесены в изобретения, не выходят за пределы объема настоящего изобретения.

[0043] Объекты, подробно не описанные в вышеприведенном описании, относятся к области, известной специалистам.

Реферат

Изобретение относится к запорному клапану, приводимому в действие единственной микроминиатюрной катушкой. Клапан с однокатушечным приводом содержит: узел якоря, тело клапана, магнитный сердечник и катушки. Узел якоря расположен во внутренней полости тела клапана и содержит якорь и шарик, причем якорь и тело клапана являются телами вращения, а шарик является сферическим шариком. В участках, расположенных в окружном направлении рядом с торцевой поверхностью каждого из двух концов якоря, выполнено N канавок, равномерно разнесенных по окружному направлению, причем в каждой канавке расположено по одному шарику. Каждая канавка имеет комбинированную форму, содержащую сферический сегмент полой структуры и цилиндр, при этом диаметр сферического сегмента равен диаметру цилиндра, а шарик имеет диаметр меньший, чем диаметр сферического сегмента или цилиндра в канавке, и больше, чем глубина канавки. Шарик выполнен из немагнитного материала, имеющего твердость по шкале С Роквелла HRC>58, а N является положительным целым числом N≥3. Магнитный сердечник расположен на периферийной поверхности тела клапана для деления периферийной поверхности тела клапана на две области, причем в двух областях соответственно намотаны две катушки, соединенные последовательно в одну катушку. Техническим результатом является создание клапана, конструкция которого позволяет уменьшить вес и объем изделия и сократить количество деталей. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула

.

.

.