Устройства и способы для контроля высвобождения вещества

Устройства в виде клапанов и способы для контроля высвобождения вещества являются особенно пригодными, но не ограничиваются этим, для контроля таких веществ как среды для гашения огня, находящиеся под давлением. Клапан содержат корпус, имеющий вход для присоединения к источнику вещества, выход и проход, простирающийся между ними, проход закрыт керамическим диском и снабжен средствами для приложения электрического импульса к диску для его разрушения и, таким образом, соединения входа и выхода. При этом керамический диск включает керамический материал, содержащий оксид металла и имеющий диэлектрическую прочность, равную или более низкую, чем 10⁵ В·м^-1. Способы включают в себя стадии удерживания веществ в контейнере, присоединения контейнера к клапану описанной конструкции и приложения электрического импульса к диску для разрушения диска и присоединения входа и выхода. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для контроля высвобождения вещества. Оно, в частности, относится, не ограничиваясь этим, к контролю таких веществ, как среды для гашения огня, находящиеся под давлением.

Известное устройство для контроля высвобождения вещества содержит корпус, имеющий вход для соединения с источником вещества, выход и проход, простирающийся между ними, проход закрывается, например, хрупким металлическим диском, который может быть разрушен посредством электромеханических или химических (пиротехнических или взрывных) средств для соединения входа и выхода и высвобождения вещества.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусматривается устройство для контроля высвобождения вещества, содержащее корпус, имеющий вход, для соединения с источником вещества, выход и проход, простирающийся между ними, проход закрывается керамическим элементом, и предусматриваются средства для приложения электрического импульса к элементу, для разрушения элемента и, таким образом, соединения входа и выхода.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусматривается способ для контроля высвобождения вещества, включающий в себя стадии удерживания вещества в контейнере, присоединения контейнера к устройству, содержащему корпус, имеющий вход для присоединения к источнику вещества, выход и проход, простирающийся между ними, проход закрывается керамическим элементом, и приложения электрического импульса к керамическому элементу для разрушения элемента и, таким образом, соединения входа и выхода.

Устройства и способы для контроля высвобождения вещества в форме сред для гашения огня, находящихся под давлением, в соответствии с настоящим изобретением, теперь будут описываться в качестве всего лишь примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг.1A изображает схематический вид клапана для контроля высвобождения сред для гашения огня, находящихся под давлением, находящегося между источником сред для гашения огня и выходом, в котором проход между источником и выходом закрывается посредством первой формы керамического диска;

Фиг.1B представляет собой вид, подобный фиг.1A, но изображающий электрическую цепь, систему контроля и переключатель для контроля открывания устройства;

Фиг.1C представляет собой вид, подобный фиг.1A и 1B, но изображающий разрушенный керамический элемент;

Фиг.2A представляет собой вид, подобный фиг.1A, но изображающий вторую форму керамического элемента;

Фиг.2B представляет собой вид, подобный фиг.1B, но изображающий вторую форму керамического элемента;

Фиг.2C представляет собой вид, подобный фиг.1C, но изображающий вторую форму разрушенного керамического элемента;

Фиг.3A представляет собой вид, подобный фиг.1A, но изображающий третью форму керамического элемента;

Фиг.3B представляет собой вид, подобный фиг.1B, но изображающий третью форму керамического элемента;

Фиг.3C представляет собой вид, подобный фиг.3A, но изображающий структуру третьей формы керамического элемента более подробно;

Фиг.3D представляет собой вид, подобный фиг.1C, но изображающий третью форму разрушенного керамического элемента;

Фиг.4 представляет собой общий вид первого, или второго, или третьего керамического элемента, содержащего круговую бороздку.

На чертежах, сходные элементы, как правило, обозначаются одинаковыми ссылочными номерами.

Обращаясь к фиг.1A, клапан 1 содержит корпус (не показан), изготовленный из металла или любого другого пригодного для использования материала, имеющий вход 3, выход 5 и проход 7, простирающийся между входом 3 и выходом 5. Вход 3 присоединяется к источнику 4 сред для гашения огня, находящихся под давлением, а выход 5 - к проходу 6 для доставки. Проход 7 закрывается с помощью первой формы керамического диска 9. В этом варианте осуществления керамический диск 9 содержит однородный керамический материал, имеющий низкую диэлектрическую прочность и описываемый более подробно ниже. Обращаясь к фиг.1B, керамический диск 9 присоединяется к источнику 10 электрического тока 11 посредством контроллера 12, приводимого в действие с помощью переключателя или других средств 13.

При использовании клапан 1 приводится в действие посредством работы переключателя или других средств 13, которые заставляют контроллер прикладывать электрический импульс к диску 9. Электрический импульс вызывает потенциальное перенапряжение или токовое перенапряжение керамического диска 9, которое приводит к пробою оксида в керамическом материале керамического диска 9, приводящему к появлению трещин, которые распространяются под давлением через диск 9. Этот механизм приводит к разрушению диска 9, как изображается на фиг.1C, тем самым, соединяя вход 5 и выход 7 и делая возможным высвобождение сред для гашения огня, находящихся под давлением.

Для оптимизации механизма разрушения в соответствии с этим первым вариантом осуществления, диэлектрическая прочность керамического материала, формирующего диск 9, предпочтительно равна или ниже, чем 10⁵ Вм^-1. Для разрушения диска, возникающего из-за потенциального перенапряжения, керамический материал предпочтительно представляет собой один из материалов, из композита ZrO₂/MgO, MgO, MgAl₂O₄, Al₂O₃ или Y₂O₃. Для разрушения диска, возникающего из-за токового перенапряжения, керамический материал предпочтительно представляет собой один из материалов, из LaCrO₃, LaCoO₃, La₂NiO₄ или NiMn₂O₄.

Фиг.2A, 2B и 2C изображают второй вариант осуществления настоящего изобретения. Клапан 1 фиг.2A является в целом таким же, как клапан 1 на фиг.1A, при этом сходным элементам даются одинаковые ссылочные номера, и они не описываются подробно. Во втором варианте осуществления имеется вторая форма керамического диска 9, содержащего первый и второй керамический материалы 15, 17, размещенные для формирования первого и второго отдельных слоев, причем первый керамический материал 15 формирует первый слой диска 9 (расположенный ближе ко входу 3) и имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения, а второй керамический материал 17 формирует второй слой диска 9 (расположенный ближе к выходу 5) и имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения.

В этом втором варианте осуществления приложение электрического импульса при работе переключателя 13 (смотри фиг.2B) вызывает разрушение керамического диска 9 под действием теплового расширения. Первый керамический материал 15 (имеющий относительно высокий коэффициент теплового расширения) будет расширяться до степени большей, чем второй керамический материал 17 (имеющий относительно низкий коэффициент теплового расширения). Этот механизм приводит к разрушению диска 9, как изображается на фиг.2C, тем самым, соединяя вход 9 и выход 5 и делая возможным высвобождение сред для гашения огня.

Чтобы вызвать нагрев диска при приложении электрического импульса, один из двух керамических материалов 15, 17 должен иметь также низкое электрическое удельное сопротивление. Низкое электрическое удельное сопротивление преимущественно создается посредством второго керамического материала 17. В дополнение к этому поверхность диска 9 преимущественно металлизируется с тем, чтобы циркуляция электрического тока была однородной, тем самым исключая пробой и благоприятствуя теплопереносу между двумя керамическими материалами 15, 17. Поверхность диска 9 может металлизироваться посредством физического осаждения из паровой фазы (PVD) или химического осаждения из паровой фазы (CVD), и используемый металл представляет собой предпочтительно материал на основе алюминия или на основе никеля.

Для оптимизации механизма разрушения в соответствии с этим вторым вариантом осуществления различие между коэффициентами теплового расширения керамических материалов 15, 17 составляет примерно 5%. Если разница между коэффициентами теплового расширения керамических материалов 15, 17 является слишком большой, диск 9 может неожиданно разрушиться, когда температура окружающей среды повышается. Первый керамический материал 15 с относительно высоким коэффициентом теплового расширения предпочтительно представляет собой один из материалов, из Al₂O₃, композита ZrO₂/Y₂O₃, композита ZrO₂/MgO или MgO. Второй керамический материал 17, формирующий диск 9 и имеющий относительно низкий коэффициент теплового расширения и электрическое удельное сопротивление, равное или меньшее, чем 2·10² Ом·м, предпочтительно представляет собой один из материалов, из La₂NiO₄, ZnO, LaCrO₃, LaCoO₃ или NiMn₂O₄.

Обращаясь затем к фиг.3A, 3B и 3C, клапан 1 этих фигур является в целом таким же, как и клапан 1 фиг.1A-1C и 2A-2C, где сходные элементы имеют одинаковые ссылочными номера, и они не описываются подробно. В третьем варианте осуществления третья форма керамического диска 9 содержит композит из керамического материала 19, имеющего высокую теплопроводность, и углерода. При приведении в действие клапана 1 посредством работы переключателя 13 электрический импульс прикладывается к керамическому диску 9, который разрушается посредством сгорания композита. Электрический импульс нагревает диск 9, приводя к сгоранию углерода в диске 9, создавая вакансии 21 в диске 9 (смотри фиг.3C). Сгорание углерода ослабляет диск 9, который затем разрушается под действием давления, оказываемого на диск 9 средами для гашения огня (смотри фиг.3D), тем самым соединяя вход 3 и выход 5 и делая возможным высвобождение сред для гашения огня.

Для оптимизации механизма разрушения в соответствии с этим третьим вариантом осуществления электрическое удельное сопротивление керамического материала 19, составляющего диск 9, предпочтительно является равным или более низким, чем 2·10² Ом·м. Керамический материал 19 предпочтительно представляет собой один из материалов, из LaCrO₃, SiC или La₂NiO₄. Углерод, включенный в диск 9, предпочтительно представляет собой углерод в форме графита.

Элемент может иметь первую и вторую противоположные стороны, а средства для облегчения разрушения могут включать в себя бороздку на первой поверхности элемента. В любом из вариантов осуществления, описанных здесь, со ссылками на фиг.1А-1С, фиг.2А-2С или фиг.3А-3D, и для преимущественного облегчения разрушения диска 9, диск 9 может формироваться с противоположными первой и второй сторонами 23, 25 и с бороздкой 27 на второй стороне 25. Это изображено на фиг.4, на которой бороздка 27 располагается по окружности диска 9, бороздка 27 представляет собой кольцевую бороздку 27, концентричную с диском 9 и расположенную по периферии диска 9. Механизм разрушения для диска 9 в этом случае представляет собой распространение трещин и трещинообразование от бороздки 27, так что центр диска 9 удаляется, соединяя вход и выход и высвобождая среду для гашения огня. При использовании керамический диск 9 устанавливается так, что вторая сторона 25 обращена к выходу 5. Обнаружено, что при наличии такой бороздки 27 требуется меньше энергии для осуществления разрушения диска 9, по сравнению с омском 9 без такой бороздки 27. В одном из исследований электрическое поле, как обнаружено, является приблизительно в три раза более сильным вокруг бороздки 27, по сравнению с диском 9 без бороздки 27, приводя к более высоким напряжениям. Присутствие бороздки 27 также приводит к более чистому и более контролируемому разрушению диска 9. Хотя бороздка 27, как описано, облегчает разрушение диска 9, и другие средства могут предусматриваться для этой цели. Например, может использоваться какая-либо другая форма ослабления поверхности.

Разумеется, специалисту в данной области будет понятно, что любой пригодный для использования альтернативный керамический материал, сочетание керамических материалов или керамический композит может использоваться в соответствии с вариантами осуществления, описанными здесь. В дополнение к этому варианты осуществления, описанные здесь, не предназначаются и не должны использоваться для ограничения рамок настоящего изобретения. Вместо этого должно быть ясно, что любая приходная для использования система из корпуса, содержащего керамический диск для закрывания прохода между входом и выходом, может использоваться в качестве клапана для контроля высвобождения вещества.

Клапаны, описанные выше, контролируют высвобождение среды для гашения огня. Контроль высвобождения среды для гашения огня осуществляется посредством разрушения керамического диска. По этой причине клапан может работать только один раз, после чего необходимо вмешательство для замены разрушенного керамического диска, чтобы опять сделать возможной работу клапана.

Хотя описывается хрупкий диск, должно быть понятно, что этот хрупкий элемент может иметь любую пригодную для использования форму - например, круговую или прямоугольную - и может не быть абсолютно плоским. Форма, как правило, будет определяться внутренней формой корпуса или трубы, в которой располагается хрупкий элемент. Хрупкий элемент, как правило, будет представлять собой плоский лист или мембрану из материала.

Специалисту в данной области также будет понятно, что устройства, описанные здесь со ссылками на прилагаемые чертежи, являются пригодными не только для контроля высвобождения любой среды для гашения огня, находящейся под давлением, принимающей форму, например, жидкости, газа или порошка, но являются в той же степени пригодными для контроля высвобождения любого другого соответствующего вещества.

1. Устройство для контроля высвобождения вещества, содержащее корпус, имеющий вход для соединения с источником вещества, выход и проход, простирающийся между ними, причем проход закрыт керамическим элементом и снабжен средствами для приложения электрического импульса к элементу для разрушения элемента и, таким образом, соединения входа и выхода, при этом керамический элемент включает керамический материал, содержащий оксид металла и имеющий диэлектрическую прочность, равную или более низкую, чем 10⁵ В·м^-1.

2. Устройство по п.1, в котором керамический элемент конфигурирован для создания средств для облегчения разрушения элемента при приложении электрического импульса.

3. Устройство по п.2, в котором элемент имеет первую и вторую противоположные стороны, а средства для облегчения разрушения включают в себя бороздку на первой поверхности элемента.

4. Устройство по п.3, в котором первая поверхность располагается ближе к выходу.

5. Устройство по п.4, в котором керамический элемент представляет собой диск.

6. Устройство по п.5, в котором бороздка представляет собой кольцевую бороздку, концентричную с диском и расположенную по периферии элемента.

7. Устройство по п.1, в котором керамический элемент содержит композит ZrO₂/MgO, MgO, MgAl₂O₄, Al₂O₃ или Y₂O₃.

8. Устройство по п.1, в котором керамический элемент содержит LaCrO₃, LaCoO₃, LaNiO₄ или NiMn₂O₄.

9. Устройство для гашения огня, содержащее:
контейнер, содержащий среду для гашения огня, находящуюся под давлением; устройство по любому из предыдущих пунктов для контроля высвобождения среды для гашения огня.

10. Способ контроля высвобождения вещества, включающий в себя стадии:
удерживания вещества в контейнере;
присоединения контейнера к устройству, содержащему корпус, имеющий вход для присоединения к источнику вещества, выход и проход, простирающийся между ними, причем проход закрыт керамическим элементом; и
приложения электрического импульса к керамическому элементу для разрушения элемента и, таким образом, соединения входа и выхода, при этом керамический элемент включает керамический материал, содержащий оксид металла и имеющий диэлектрическую прочность, равную или более низкую, чем 10⁵ В·м^-1.

11. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию конфигурирования элемента для создания средств для облегчения разрушения элемента при приложении электрического импульса.

12. Способ по п.11, в котором элемент имеет первую и вторую противоположные стороны и создание средства для облегчения разрушения элемента включает формирование бороздки на первой поверхности элемента.

13. Способ по п.12, в котором первая поверхность находится ближе к выходу.

14. Способ по любому из пп.10-13, в котором керамический элемент представляет собой диск.

15. Способ по п.14, в котором бороздка представляет собой кольцевую бороздку, концентричную с диском и расположенную по периферии диска.

16. Способ контроля высвобождения вещества, включающий в себя стадии:
удерживания вещества в контейнере;
присоединения контейнера к устройству, содержащему корпус, имеющий вход для присоединения к источнику вещества, выход и проход, простирающийся между ними, причем проход закрыт керамическим элементом; и
приложения электрического импульса к керамическому элементу для разрушения элемента и, таким образом, соединения входа и выхода, при этом керамический элемент включает однородный керамический материал, содержащий оксид и имеющий достаточно низкую диэлектрическую прочность, так что электрический импульс приводит к разрушению керамического элемента, вызывая потенциальное перенапряжение или токовое перенапряжение, которое приводит к пробою оксида.

17. Способ по п.16, дополнительно включающий стадию конфигурирования элемента для создания средств для облегчения разрушения элемента при приложении электрического импульса.

18. Способ по п.17, в котором элемент имеет первую и вторую противоположные стороны и создание средства для облегчения разрушения элемента включает формирование бороздки на первой поверхности элемента.

19. Способ по п.18, в котором первая поверхность находится ближе к выходу.

20. Способ по любому из пп.16-19, в котором керамический элемент представляет собой диск.

21. Способ по п.20, в котором бороздка представляет собой кольцевую бороздку, концентричную с диском и расположенную по периферии диска.