Устройство для управления потоком с использованием диафрагмы

Группа изобретений относится к арматуростроению и предназначена для управления потоком текучей среды, например, в водном хозяйстве. Устройство для управления потоком содержит входную сторону, выходную сторону, расположенный между входной и выходной сторонами уплотнительный элемент и диафрагму. Диафрагма выборочно открывает, или закрывает, или управляет степенью закрытия отверстия между входной и выходной сторонами, в зависимости от близости диафрагмы к уплотнительному элементу. Диафрагма содержит первую часть одной своей стороны, подверженную действию давления текучей среды с входной стороны, вторую часть той же самой ее стороны, подверженную действию давления текучей среды с выходной стороны, и противоположную сторону, подверженную действию управляющего давления текучей среды. Перемещение диафрагмы между открытым и закрытым состояниями управляется входным, выходным и управляющим давлениями, вызывающими деформацию диафрагмы. Управляющее давление текучей среды равно давлению текучей среды с входной стороны для закрытия упомянутого отверстия и меньше давления текучей среды с входной стороны для открытия упомянутого отверстия. Диафрагма содержит армированный эластомер, выполненный в форме чаши. Армирование предотвращает удлинение эластомера. Уплотнительный элемент содержит кольцо вокруг внешней части диафрагмы, выполненной в форме чаши. Имеется способ управления потоком текучей среды. Группа изобретений направлена на упрощение конструкции клапана с минимальным количеством движущихся частей и со стабильными и надежными эксплуатационными характеристиками. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройствам для управления потоком и, в особенности, к устройствам для управления потоком (например, клапанам) с использованием диафрагмы для управления потоком текучей среды.

Традиционно во всех регулирующих клапанах элемент, перекрывающий путь для жидких сред, такой как перекрывающий диск или диафрагма (перекрывающий элемент), перемещается против направления потока жидких сред. Когда клапан закрывается, перекрывающий элемент приближается к области клапана вверх по потоку. Когда клапан открывается, перекрывающий элемент отодвигается от расположенной вверх по потоку области, и его перемещению помогает поток, то есть элемент «отталкивается» от перекрывающего отверстия. Таким образом, перекрывающий элемент и его опорный механизм в общем случае расположены в области ниже по потоку с более низким давлением. Эта конфигурация изображена на Фиг.1.

Проблема с этим видом конструкции клапана в общем случае состоит в том, что механизм, удерживающий клапанный перекрывающий элемент, должен быть очень жестким, поскольку перекрывающий элемент в закрытом положении удерживается против пути потока текучей среды. В открытом положении клапана перекрывающий элемент также может подвергаться высоким скоростям потока, которые могут вызывать значительную турбулентность. В результате, конструкции клапана, в которых применяется традиционная конструкция перемещения перекрывающего элемента, содержат большое количество элементов, а также требуют использования металлических элементов с высокой прочностью для обеспечения необходимой надежности и стабильности. Обычно эти конструкции содержат скользящие друг по другу части, которые требуют смазывания, что труднодостижимо в некоторых применениях, например в водном хозяйстве. В применениях в водном хозяйстве также имеются твердые отложения на всех стенках труб и частях клапана, которые могут повлиять на правильную работу клапана для клапанов с механическими движущимися частями, особенно в долгосрочной перспективе.

Поэтому имеется потребность в упрощенной конструкции клапана с минимальным количеством движущихся частей, у которого будут стабильные и надежные эксплуатационные характеристики.

В соответствии с изобретением предложено устройство для управления потоком, содержащее входную сторону, выходную сторону, уплотнительный элемент, расположенный между входной и выходной сторонами, и диафрагму,

причем диафрагма выборочно открывает или закрывает или управляет степенью закрытия отверстия между входной и выходной сторонами, в зависимости от близости диафрагмы к уплотнительному элементу,

при этом диафрагма содержит первую часть одной своей стороны, подверженную действию давления текучей среды на входной стороне, вторую часть той же ее стороны, подверженную действию давления текучей среды на выходной стороне, и противоположную сторону, подверженную действию управляющего давления текучей среды, причем перемещение диафрагмы между открытым и закрытым состояниями управляется входным, выходным и управляющим давлениями, которые вызывают деформацию диафрагмы.

В этой конструкции для обеспечения уплотняющей функции используется гибкая диафрагма, при этом она управляется разностями давления внутри устройства. Открытие клапана включает деформацию диафрагмы, так что подвижные твердые элементы для направления движение клапана, такие, как уплотнительная перегородка, не требуются. Эта конструкция делает возможным использование малого числа элементов и простую сборку.

Устройство для управления потоком предпочтительно содержит клапан с входным отверстием и выходным отверстием, при этом клапан содержит:

уплотнительный элемент, расположенный на первой стороне диафрагмы, причем как входное отверстие, так и выходное отверстие находятся на первой стороне диафрагмы на противоположных сторонах уплотнительного элемента;

управляющую камеру, выполненную на противоположной, второй стороне диафрагмы,

при этом диафрагма выполнена с возможностью деформации между первым положением, в котором давление в управляющей камере, соответствующее давлению на входе, толкает часть мембраны в контакт с уплотнительным элементом, и вторым положением, в котором входное давление отталкивает часть мембраны от уплотнительного элемента для соединения входного отверстия и выходного отверстия.

Клапан может управляться путем соединения управляющей камеры с входным отверстием или выходным отверстием клапана, таким образом, чтобы клапан был в закрытом или открытом состоянии.

Таким образом, этот пример изобретения обеспечивает конструкцию клапана, в которой как входное отверстие для текучей среды, так и выходное отверстие для текучей среды находятся на первой стороне диафрагмы, на стороне, противоположной месту расположения уплотнения. Управляющая камера позади диафрагмы управляет деформацией диафрагмы между первым положением, в котором давление в управляющей камере, соответствующее давлению на входе, толкает часть диафрагмы в контакт с уплотнительным элементом, и вторым положением, в котором входное давление отталкивает часть диафрагмы от уплотнительного элемента для соединения входного отверстия и выходного отверстия.

Мембрана предпочтительно содержит армированный эластомер. Могут быть использованы Кевлар, углеродное волокно, Zylon или другие армирующие материалы.

Мембрана предпочтительно закреплена своими концами, при этом промежуточная часть выполнена с возможностью деформации к уплотнительному элементу и от него.

В одном примере мембрана может быть выполнена в форме чаши с твердым верхним внешним краем и твердым нижним внутренним краем и гибкой мембраной, соединяющей края. Это обеспечивает элемент, который может просто быть опущен на место. Уплотнительный элемент в таком случае может быть расположен вокруг внешней части чаши. Входное отверстие для текучей среды выполнено вокруг внешней части чаши выше уплотнительного элемента, а выходное отверстие для текучей среды выполнено вокруг внешней части чаши ниже уплотнительного элемента.

Для управления деформацией гибкой мембраной внутри чаши может быть расположен направляющий элемент. Мембрана в форме чаши сжимается, чтобы отодвинуться от уплотнительного элемента, и это сжатие может управляться направляющим элементом для задания требуемых характеристик потока. Направляющий элемент может иметь жесткую поверхность, в контакте с которой сжимается гибкая мембрана.

В другом примере диафрагма содержит гибкую часть и жесткую часть, причем жесткая часть соприкасается с уплотнительным элементом при нахождении устройства в закрытом состоянии. Таким образом, диафрагма может быть составным элементом. Входная сторона и выходная сторона могут быть ограничены первым кольцевым проходом внутри второго кольцевого прохода. Эта конструкция может быть двунаправленной так, чтобы входное отверстие могло быть внутренним проходом или внешним проходом. В этом случае жесткая часть может содержать крышку для закрытия первого кольцевого прохода. Это, в свою очередь, обеспечивает затвор между входным отверстием и выходным отверстием.

В любой из конструкций предпочтительно предусмотрен управляющий клапан, для выборочного соединения входного отверстия для текучей среды или выходного отверстия для текучей среды с управляющей камерой.

Изобретение также предлагает способ сборки устройства для управления потоком, включающий:

использование кожуха, ограничивающего два оконечных узла, которые могут служить как входное отверстие и выходное отверстие, и уплотнительный элемент;

опускание мембраны, выполненной в форме чаши, в кожух, причем мембрана ограничивает управляющую камеру внутри чаши, и входное и выходное отверстия для текучей среды на внешней части чаши, разделенные уплотнительным элементом.

Изобретение также обеспечивает способ управления потоком текучей среды между входным отверстием и выходным отверстием, включающий:

управление давлением в управляющей камере, с обеспечением, тем самым, деформации диафрагмы между первым и вторым положениями, причем уплотнительный элемент, входное отверстие и выходное отверстие расположены на первой стороне мембраны, а управляющая камера расположена на противоположной стороне диафрагмы,

при этом диафрагму деформируют между первым положением, в котором давление в управляющей камере толкает указанную часть мембраны в контакт с уплотнительным элементом, и вторым положением, в котором входное давление отталкивает часть мембраны от уплотнительного элемента для соединения входного отверстия и выходного отверстия.

Примеры изобретения теперь будут описаны со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 используется для объяснения принципа работы известных клапанов;

Фиг.2 используется для объяснения принципа работы клапана, выполненного в соответствии с изобретением;

Фиг.3 используется для более подробного объяснения принципа работы клапана, выполненного в соответствии с изобретением;

Фиг.4 изображает первый пример применения клапана, выполненного в соответствии с изобретением;

Фиг.5 изображает направляющий элемент, используемый для управления сжатием диафрагмы, изображенной на Фиг.4;

Фиг.6 изображает другой пример возможной конструкции диафрагмы, выполненной в соответствии с изобретением; и

Фиг.7 изображает пример клапана, основанного на первом примере;

Фиг.8 изображает второй пример применения клапана, выполненного в соответствии с изобретением, когда клапан находится в закрытом состоянии;

Фиг.9 изображает клапан, изображенный на Фиг.8, в открытом состоянии;

Фиг.10 изображает клапан, изображенный на Фиг.8, перемещающийся к открытому состоянию;

Фиг.11 изображает более подробно возможную конструкцию составной диафрагмы; и

Фиг.12 изображает пример клапана, основанного на втором примере.

Фиг.2 используется для объяснения общей концепции, лежащей в основе конструкции клапана, выполненного в соответствии с изобретением. В настоящем изобретении перекрывающий элемент является гибким, прикреплен к корпусу клапана и расположен главным образом в области высокого давления клапана (входная сторона). Это является противоположным традиционным конструкциям, в которых поток через перекрывающую апертуру (отверстие) клапана действует на перекрывающий элемент, отодвигая его от перекрывающей апертуры (отверстия).

В конструкции, изображенной на Фиг.2, поток через клапан способствует закрытию клапана путем притяжения перекрывающего элемента в перекрывающую апертуру (отверстие) клапана.

Как показано на Фиг.2, гибкий перекрывающий элемент имеет закрытое состояние (сплошные линии), в котором элемент герметично закрывает отверстие, и открытое состояние (пунктир), в котором элемент деформируется для обеспечения прохода между входным отверстием и выходным отверстием. Принцип работы клапана будет описан подробно ниже. По существу, давление в объеме внутренней полости гибкого элемента определяет, находится ли клапан в открытом или закрытом состоянии.

Фиг.3 используется для объяснения принципа работы клапана более подробно и изображает поперечное сечение. Поток через клапан управляется гибкой диафрагмой 1, армированной металлической или полимерной проволокой или тканью. Объем на входе имеет давление P₁, а объем на выходе имеет давление P₂. Объемы на входе и выходе клапана находятся на одной стороне диафрагмы, разделяющей объемы. Давление P₁ всегда выше или равно давлению P₂.

Часть 2 кожуха клапана, действующая как уплотнительный элемент, обеспечивает точку 3 герметизации на той же самой стороне диафрагмы 1, причем эта точка герметизации разделяет входной и выходной объемы. Как станет более очевидно из последующего описания, точка герметизации в предпочтительном варианте выполнения является кольцом.

Управляющая камера 4 клапана выполнена на противоположной стороне мембраны 1 посредством самой мембраны и других частей 5 кожуха клапана. Внутреннее давление P₃ внутри камеры может управляться, причем давление P₃ равно или меньше, чем давление P₁.

Концы диафрагмы 1 закреплены двумя жесткими элементами (наплывами) 6 и 7, обеспечивающими контактную поверхность с другими частями 5 кожуха клапана. Эти элементы 6, 7 могут быть присоединены к частям 5 кожуха клапана и герметично изолированы большим количеством способов (механическим зажимом, герметизацией с кольцевым уплотнителем и т.д.), не показанными на чертежах.

Когда давление P₃ в камере 4 равно входному давлению P₁ (камера 4 соединена с входным объемом) клапан будет закрыт, потому что:

- отсутствуют силы, действующие на диафрагму 1 между наплывом 6 и точкой 3 герметизации и содержащие нормальный (ортогональный) компонент, поскольку давления с обеих сторон диафрагмы равны;

- имеются силы, действующие на диафрагму 1 между точкой 3 герметизации и наплывом 7 и содержащие нормальный компонент, раздувающий (выпячивающий) эту часть диафрагмы 1 в выходной объем, причем эти силы толкают диафрагму 1 в контакт с уплотнительным элементом 2.

В точке 3 герметизации все силы, действующие на диафрагму 1 между точкой 3 герметизации и наплывом 7, будут преобразованы в чистую продольную силу F, которая, действуя вдоль диафрагмы 1, растягивает ее в прямую поверхность между точкой 3 герметизации и наплывом 6. Металлические или полимерные волокна с высоким пределом прочности на растяжение, армирующие диафрагму 1 и закрепленные с наплывами 6 и 7, предотвращают ее удлинение.

Пространственное расположение наплывов 6, 7 и уплотнительного элемента 2, а также длины диафрагмы 1 между точкой 3 герметизации и наплывом 7, важно для получения нормальной силы между диафрагмой 1 и точкой 3 герметизации достаточной величины, для обеспечения надежной (плотной) герметизации.

Например, между растянутой диафрагмой 1 и прямой, перпендикулярной к прямой, соединяющей точку 3 герметизации и наплыв 7, может быть определен угол α. Чем больше угол α, тем больше нормальная сила, которая будет приложена к точке герметизации. Оптимизация конфигурации поверхности и свойств диафрагмы 1 и уплотнительного элемента 2 у точки 3 герметизации также сильно влияет на качество герметизации клапана.

Когда давление P₃ внутри управляющей камеры 4 станет меньше, чем давление P₁, силы с большим нормальным (ортогональным) компонентом будут приложены к поверхности диафрагмы 1, и это отодвинет ее от входного объема к положению, показанному пунктиром на Фиг.3. Это перемещение приведет к образованию зазора между элементом 2 и поверхностью диафрагмы 1 таким образом, чтобы жидкие среды могли протекать через зазор из входного объема к выходному объему клапана, как обозначено номером позиции 9.

Степень открытия клапана будет зависеть от давления P₃ в управляющей камере 4 относительно давлений P₁ и P₂. Как показано выше, если управляющая камера 4 соединена с входным объемом, клапан будет закрыт. Точно так же, если управляющая камера 4 соединена с выходным объемом, то клапан будет открыт, и понижение давления в клапане в этом случае будет зависеть от конфигурации составляющих частей клапана и длины и гибкости/жесткости диафрагмы 1.

Диафрагма 1 может быть изготовлена с использованием широкого диапазона эластомеров (резин, полиуретанов и т.д.) и армирована различными волокнами или плетеными структурами из металла, углерода, Кевлара, Zylon и т.д. Корпус диафрагмы также может быть наполнен различными упругими элементами (то есть металлической пружинистой проволокой или лентами) для достижения требуемых или оптимальных свойств диафрагмы.

Управляющая камера 4, входное отверстие и выходное отверстие клапана могут быть соединены известным способом, так, чтобы клапан мог функционировать как сервоуправляемый клапан для управления давлением. В таком сервоуправляемом клапане для управления давлением давление в управляющей камере управляет работой клапана. Управляющая камера не находится на основном пути потока текучей среды. В одной конструкции, когда давление в управляющей камере равно входному давлению, клапан закрыт из-за разницы в площадях (давление управляющей камеры действует на область большего размера, чем область тарелки клапана, подверженная действию входного потока текучей среды). Для открытия клапана давление в камере уменьшается так, чтобы входной поток текучей среды открыл клапан (как показано на Фиг.1). Для управления таким способом конструкцией клапана, выполненного в соответствии с изобретением, управляющий клапан может управлять соединением объема 4 либо с входным, либо с выходным давлением.

Диафрагма для клапана, выполненного в соответствии с изобретением, может быть выполнена как замкнутая конструкция различной формы, например, в форме 10 чаши, присоединенной к жесткому верхнему внешнему краю/наплыву 11, как показано на Фиг.4. Эта конкретная конструкция обеспечивает простой элемент, который может просто быть опущен в корпус клапана сверху. Кольцевой уплотнительный элемент 12 может затем быть размещен вокруг наружной части 10 чаши. Входной объем текучей среды расположен вокруг наружной части 10 чаши выше уплотнительного элемента 12, а выходной объем текучей среды расположен вокруг наружной части 10 чаши ниже уплотнительного элемента 12.

Как показано на Фиг.5, твердый направляющий элемент 13 может быть установлен внутри чаши 10 и прочно прикреплен к части кожуха клапана (например, к верхней крышке клапана) для управления деформацией гибкой диафрагмы (чаши), когда течение потока наталкивается на чашу 10 от входного объема. Диафрагма 10 в форме чаши сжимается, чтобы отодвинуться от уплотнительного элемента 12, и это сжатие может управляться направляющим элементом для защиты диафрагмы (чаши) 10 от нежелательной деформации и придавать требуемые характеристики потока клапану. Направляющий элемент 13 содержит жесткую поверхность требуемой формы, в контакте с которой сжимается гибкая диафрагма (чаша) 10.

Дополнительные жесткие элементы 14, показанные на Фиг.5, крепко присоединены (например, посредством химической связи) к диафрагме (чаше) 10, и они обеспечивают необходимую симметричную форму диафрагме при ее деформации потоком жидкой среды.

Как показано на Фиг.6, диафрагма может быть выполнена в форме чаши с жестким верхним внешним краем 11, а также жестким нижним внутренним краем 15, и гибкой диафрагмой 16, соединяющей эти края. Введение внутреннего края 15 в конструкцию делает возможным уменьшение пространства, необходимого для выходного объема, и обеспечивает элемент, к которому могут быть прикреплены концы волокон, армирующих чашу 16 диафрагмы. Внутренний край 15 может быть прикреплен к различным частям кожуха клапана (например, штырям 17 и 18) или закреплен с направляющим элементом, установленным внутри чаши и обеспечивающим фиксированное соединение с корпусом клапана. Точно так же, в этой конструкции уплотнительный элемент 19 расположен вокруг наружной части чаши 16. Входной объем расположен вокруг наружной части чаши выше уплотнительного элемента 19, а выходной объем расположен вокруг наружной части чаши ниже уплотнительного элемента 19. Эта конструкция также обеспечивает элемент, который может просто быть опущен на свое место внутрь корпуса клапана.

Фиг.7 изображает пример клапана, выполненного в соответствии с изобретением с применением диафрагмы, описанной выше. Как показано, входное отверстие 20 для текучей среды расположено выше уплотнительного элемента 21, а выходное отверстие 22 для текучей среды расположено ниже уплотнительного элемента 21. Диафрагма(ы), выполненная в соответствии с настоящим изобретением, может иметь различные формы как в раздутом, так и в сжатом состояниях. В сжатом состоянии диафрагмы ее форма может управляться направляющим элементом, который, будучи установленным в диафрагме, защищает ее от нежелательной деформации. Диафрагма предпочтительно содержит армированный эластомер. Могут быть использованы Кевлар, углеродистое волокно и волокно Zylon или другие армирующие материалы.

Изобретение было описано выше с использованием примеров однонаправленных клапанов управления потоком. Концепция, лежащая в основе изобретения, может быть точно так же применена к двунаправленным клапанам. Пример двунаправленного клапана, работающего с использованием тех же самых основных концепций, изображен на Фиг.8.

В этом случае клапан не может иметь постоянные (назначенные) входной и выходной оконечные узлы, поскольку направление потока жидкой среды может меняться в любое время. Почти все устройства для управления потоком (клапаны) испытывают перепад давления даже в полностью открытом положении, когда жидкие среды протекает через клапан. В этом случае является уместным определить входное отверстие и выходное отверстие. Входное отверстие - это область, в которой жидкие среды втекают в устройство, или же это объем внутри устройства, где давление выше, чем у выходного отверстия (в конкретный момент времени). Выходное отверстие - это область, в которой жидкие среды вытекают из устройства, или же это объем внутри устройстве, где давление ниже, чем у входного отверстия.

Двунаправленная возможность достигается путем выполнения двух модификаций в показанных ранее конструкциях. Первая модификация относится к ориентации элементов.

На Фиг.8 входной и выходной объемы А и В снова находятся на одной стороне диафрагмы 80, 82. Неподвижная уплотнительная часть 84 представляет собой границу между этими двумя объемами и выполнена в форме цилиндра (не обязательно круглого) внутри внешнего кожуха. Другая сторона диафрагмы 80, 82 ограничивает управляющую камеру 86. Элементы теперь ограничивают один объем (объем А) внутри другого (объема В), а диафрагма действует как крышка, которая может открывать или закрывать внутренний объем (объем А) для соединения его с внешним объемом (объемом В). Несмотря на то, что эта конструкция крышки отличается по ориентации от примеров, приведенных выше, работа клапана такая же в том отношении, что входное отверстие и выходное отверстие расположены на одной стороне диафрагмы, а управляющая камера расположена на противоположной стороне. Снова, давления у входного отверстия и выходного отверстия приложены к меньшей области диафрагмы, чем область диафрагмы, к которой приложено давление управляющей камеры. Именно эти относительные области делают возможной управление клапаном таким же образом, как это описано выше. Тем не менее, эта конструкция способствует двунаправленной возможности клапана.

Вторая модификация касается конструкции диафрагмы. Диафрагма содержит гибкую внешнюю часть 80 и жесткую внутреннюю часть 82. Внутренняя часть 82 действует как крышка для закрытия внутреннего объема А.

Диафрагма содержит кольцевую гибкую часть 80 диафрагмы, армированную металлической или полимерной проволокой или плетеной тканью. Например, армирующая проволока может проходить радиально от отверстия, ограниченного для крышки и наиболее удаленного края. Кольцо может быть круглым, эллиптическим или иметь другую форму.

Внешний край гибкой части 80 диафрагмы закреплен жесткими элементами (наплывами) 88 с частями 92 и 94 внешнего кожуха клапана. Внутренний край гибкой части 80 диафрагмы закреплен жесткими элементами (наплывами) 90 с крышкой 82.

Соединение и герметизация между гибкой частью 80 диафрагмы и крышкой и между гибкой частью 80 диафрагмы и частями кожуха клапана могут быть осуществлены большим количеством способов (механическим зажимом, герметизацией с кольцевым уплотнителем и т.д.), не показанными на чертежах.

Многокомпонентная диафрагма 80,82 может быть изготовлена вместе как единое целое, и это обсуждается ниже.

Жесткая часть 82 крышки содержит уплотнительный элемент 96, обеспечивающий точку герметизации с краем цилиндрической уплотнительной части 84 (не обязательно круглой). Уплотнительный элемент 96 контактирует с поверхностью уплотнительной части 84.

Управляющая камера 86 клапана образована стороной диафрагмы (то есть гибкой частью 80 и жесткой крышкой 82) на противоположной стороне от входного и выходного объемов. Внутреннее давление в управляющей камере может управляться, например, путем соединения этой камеры 86 с входным отверстием или выходным отверстием клапана.

Теперь будет объяснена работа клапана. Фиг.9 и 10 показывают одну и ту же конструкцию клапана, но с крышкой, находящейся в различных положениях. Номера позиций, показанные на Фиг.8, не повторяются на Фиг.9 и 10, но элементы, изображенные на Фиг.9 и 10, идентичны элементам, показанным на Фиг.8, как станет очевидно далее.

Клапан закрыт, если управляющая камера 86 соединена с объемом с относительно высоким давлением (например, входным давлением), и открыт, если управляющая камера соединена с объемом с относительно низким давлением (например, выходным давлением). Это будет объяснено более подробно ниже.

Рассмотрим два случая, когда клапан закрыт: когда объем А является входным объемом и объем В является выходным объемом, и наоборот (как показано на Фиг.8),

(i) Объем А является входным объемом, Объем В является выходным объемом.

Давление в объеме А тогда выше, чем давление в объеме В, при этом управляющая камера соединена с объемом А. В этом случае давления на обе стороны крышки 82 равны, так что результирующая сила F_L, которая может быть определена как функция площади крышки и разности давлений, приложенных к крышке, равна нулю. В то же время давление, приложенное к диафрагме со стороны камеры 86, выше, чем давление со стороны выходного объема (объем В). Эта разность давлений создает силу F_D, приложенную к диафрагме и направленную к выходному объему В. Поскольку диафрагма соединена одним краем с крышкой, она толкает крышку вниз к уплотнительной части 84 кожуха клапана, закрывая входной объем посредством уплотнительного элемента 96.

(ii) Объем А является выходным объемом, Объем В является входным объемом.

Давление в объеме А ниже, чем давление в объеме В, при этом управляющая камера соединена с объемом В. В этом случае давление на крышку со стороны управляющей камеры 86 выше, чем давление со стороны объема А, причем эта разность давлений создает силу F_L, приложенную к крышке и направленную к выходному объему А. Эта сила придавливает крышку вниз к части 84 кожуха клапана, закрывая выходной объем А крышкой с уплотнительным элементом 96. Диафрагма имеет равные давления с обеих сторон, так что результирующая сила, приложенная к диафрагме, равна нулю, таким образом, она никоим образом не влияет на силу F_L, приложенную к крышке.

Рассмотрим два случая, когда клапан будет открыт: когда объем А является входным объемом и объем В является выходным объемом, и наоборот:

(iii) Объем А является входным объемом, Объем В является выходным объемом.

Давление в объеме А выше, чем давление в объеме В, при этом управляющая камера соединена с объемом В. В этом случае давление на крышку 82 со стороны объема А выше, чем давление на крышку от стороны управляющей камеры 86, причем эта разность давлений создает силу F_L, приложенную к крышке и направленную наружу выходного объема В. Эта сила отодвигает крышку от уплотнительной части 84 кожуха клапана, удерживая клапан открытым, как показано на Фиг.10.

Давление на диафрагму со стороны управляющей камеры также будет меньше, чем давление на противоположную сторону диафрагмы, так что сила, созданная этой разностью давлений и приложенная к диафрагме, направлена в противоположную сторону относительно объема А, и поэтому также способствует отодвиганию крышки от уплотнительной части 84 кожуха клапана и удержанию клапана открытым.

(iv) Объем А является выходным объемом, Объем В является входным объемом.

Давление в объеме А ниже, чем давление в объеме В, при этом управляющая камера соединена с объемом А. В этом случае давление на обе стороны крышки 82 равны, так что результирующая сила F_L, которая может быть определена как функция площади крышки и разности давлений, приложенных к крышке, равна нулю. В то же время давление, приложенное к диафрагме со стороны управляющей камеры, выше, чем давление с другой стороны (входного объема В). Эта разность давлений создает силу F_D, приложенную к диафрагме и направленную к объему 86 управляющей камеры. Поскольку диафрагма соединена одним краем с крышкой, она толкает (поднимает) крышку от уплотнительной части 84 кожуха клапана

Положение крышки в закрытом состоянии изображено на Фиг.8, положение крышки в открытом состоянии изображено на Фиг.9, и положение крышки посредине между открытым и закрытым состояниями изображено на Фиг.10.

Таким образом, показана двунаправленная возможность клапана.

Диафрагма может рассматриваться как перекрывающий элемент. Этот перекрывающий элемент может быть единым элементом, или же он может содержать большое количество частей, например, многочисленные слои. Он может быть выполнен более чем одним способом. Обеспечение жесткой части крышки способствует герметизации, поскольку форма уплотнения 96 может точно соответствовать форме уплотнительной части 84 для обеспечения надежной герметизации. Симметрия гибкой части 80 диафрагмы означает, что крышка поднимается поступательным образом, отклонение при этом избегается. Кроме того, форма крышки может быть выбрана такой, чтобы благоприятно влиять на стабильность движения крышки. Например, форма может создавать требуемый режим потока между входным и выходным объемами. Крышка может иметь, например, куполообразную форму (что частично показано на Фиг.11). Клапан устойчив в своем открытом или закрытом состоянии, при этом форма частей кожуха может быть выбрана такой, чтобы, когда клапан находится в открытом состоянии, крышка прилегала к части кожуха клапана.

Таким образом, предпочтительной конструкцией перекрывающего элемента клапана является гибкая диафрагма и жесткий элемент. Они могут быть изготовлены в виде единого целого, как объяснено со ссылкой на Фиг.11.

Диафрагма выполнена из армирующей металлической или полимерной проволоки или плетеной ткани 101 и двух кольцевых твердых элементов (наплывов): внешнего наплыва 102 и внутреннего наплыва 103. Проволока или плетеная ткань закреплены петлей вокруг внешнего наплыва 102. Слои сведены близко друг к другу так, что они окружают наплыв. Свободные концы обоих слоев согнуты вокруг внутреннего наплыва 103 и зажаты между наплывом 103 и конусовидным внешним краем крышки 104. После сборки конструкция полностью или частично покрывается эластомером, предпочтительно с использованием химического связующего вещества (веществ), гарантирующего сильную связь эластомера с механической структурой перекрывающего элемента.

Крышка 104 имеет углубление с уплотнительным элементом 105 (что соответствует номеру позиции 96 на Фиг.8), обеспечивающее надежную герметизацию с частью кожуха клапана, действующим как уплотнительный элемент.

Для уверенности в том, что клапан будет надежно работать все время, в управляющей камере 86 между крышкой 82 перекрывающего элемента клапана и верхом управляющей камеры может быть установлена пружина сжатия (не показана). Эта пружина работает как элемент положительной обратной связи для обеспечения лучшей бистабильной работы клапана между открытым и закрытым состояниями. Тем не менее, конструкция клапана также может использоваться для управления скорости потока путем приложения регулируемого давления к управляющей камере, а именно, такого давления, которым можно управлять так, чтобы оно было требуемым управляющим давлением, величина которого находится между входным и выходным давлениями. Это сделало бы возможным удержание клапана в промежуточном состоянии, как показано на Фиг.10.

Фиг.12 изображает пример этого варианта выполнения клапана, выполненного в соответствии с изобретением, чтобы показать, что клапан может быть выполнен в той же стандартной конфигурации, которая изображена на Фиг.7. Один из объемов А и В соединен с одной стороной клапана, и другой объем соединен с другой стороной клапана. Отверстие управляющего давления находится наверху кожуха клапана.

Как упомянуто выше, одним применением настоящего изобретения, представляющим особый интерес, являются водяные управляющие клапаны, например, используемые в системе водопроводной воды.

Как упомянуто выше, маленький регулировочный клапан управляющего давления может быть соединен стандартным известным способом с управляющей камерой клапана так, чтобы соединение с входным или выходным отверстием для текучей среды позволило клапану работать в качестве сервоуправляемого клапана регулирования давления. Этот сервоуправляемый клапан для управления давлением не подвержен воздействию со стороны скоростей потока текучей среды или объемов главного клапана и, поэтому, может служить надежным недорогим устройством. Он может приводиться в действие механически или приводиться в действие электрически.

Как можно видеть из описания, приведенного выше, особенно первый пример конструкции клапана, выполненного в соответствии с изобретением, может содержать намного меньше элементов. В пределе, это могут быть два основных элемента главного корпуса клапана: кожух, ограничивающий два оконечных узла, действующих как входное отверстие или выходное отверстие, а также как и уплотнительный элемент, и диафрагму. Диафрагма может быть просто опущена на место для сборки клапана, а крышка затем может удерживать неподвижные части диафрагмы (края) на месте. Сервоуправляемый клапан для управления давлением может затем быть предусмотрен в качестве установленного снаружи элемента.

Пример, приведенный выше, является клапаном. Тем не менее, изобретение распространяется в более общем смысле на устройства для управления потока, то есть на любое устройство, управляющее проходом текучей среды от входной стороны к выходной стороне. Например, изобретение может быть применено к оборудованию, в котором давление создается центробежной силой. Действительно, клапан может быть использован для управления потоком текучих сред, или текучих сред, содержащих зернистые материалы, такие как суспензии.

Из примеров, приведенных выше, должно быть ясно, что диафрагма может быть полностью гибкой или частично гибкой. Во всех случаях поверхность диафрагмы образует уплотнение, и оно может ограничиваться в твердой форме с использованием жесткой части диафрагмы, или же оно может быть ограничено с использованием гибкой части. Это не меняет способ работы клапана с точки зрения управления движением диафрагмы с использованием различных относительные давлений.

Различные модификации будут очевидны для специалиста в данной области.

1. Устройство для управления потоком, содержащее:
входную сторону,
выходную сторону,
уплотнительный элемент, расположенный между входной и выходной сторонами, и
диафрагму, которая выборочно открывает или закрывает или управляет степенью закрытия отверстия между входной и выходной сторонами, в зависимости от близости диафрагмы к уплотнительному элементу,
при этом диафрагма содержит первую часть одной своей стороны, подверженную действию давления текучей среды с входной стороны, вторую часть той же самой ее стороны, подверженную действию давления текучей среды с выходной стороны, и противоположную сторону, подверженную действию управляющего давления текучей среды, причем перемещение диафрагмы между открытым и закрытым состояниями управляется входным, выходным и управляющим давлениями, вызывающими деформацию диафрагмы,
при этом управляющее давление текучей среды равно давлению текучей среды с входной стороны для закрытия упомянутого отверстия и меньше давления текучей среды с входной стороны для открытия упомянутого отверстия, и
диафрагма содержит армированный эластомер, выполненный в форме чаши, причем армирование предотвращает удлинение эластомера, и уплотнительный элемент содержит кольцо вокруг внешней части диафрагмы, выполненной в форме чаши.

2. Устройство по п.1, которое содержит клапан с входным отверстием и выходным отверстием, содержащий:
уплотнительный элемент, расположенный на первой стороне диафрагмы, причем как входное отверстие, так и выходное отверстие находятся на первой стороне диафрагмы на противоположных сторонах уплотнительного элемента;
управляющую камеру, выполненную на противоположной, второй стороне диафрагмы,
причем диафрагма выполнена с возможностью деформации между первым положением, в котором давление в управляющей камере, соответствующее давлению во входном отверстии, толкает часть мембраны в контакт с уплотнительным элементом, и вторым положением, в котором входное давление отталкивает часть мембраны от уплотнительного элемента для соединения входного отверстия и выходного отверстия.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором диафрагма закреплена на своих концах.

4. Устройство по п.1 или 2, в котором диафрагма имеет твердый верхний внешний край, твердый нижний внутренний край и гибкую мембрану, соединяющую эти края.

5. Устройство по п.1, в котором входное отверстие для текучей среды выполнено вокруг внешней части чаши выше уплотнительного элемента, а выходное отверстие для текучей среды выполнено вокруг внешней части чаши ниже уплотнительного элемента.

6. Устройство по п.4, дополнительно содержащее внутри чаши направляющий элемент для управления деформацией гибкой мембраны.

7. Устройство по п.6, в котором направляющий элемент содержит жесткую поверхность, в контакте с которой сжимается гибкая мембрана.

8. Устройство по п.1 или 2, дополнительно содержащее сервоуправляемый клапан для управления давлением для выборочного соединения входного отверстия для текучей среды и выходного отверстия для текучей среды с управляющей камерой.

9. Способ управления потоком текучей среды между входным отверстием и выходным отверстием, включающий:
управление давлением в управляющей камере с обеспечением тем самым деформации диафрагмы с армированным эластомером, выполненным в форме чаши, между первым и вторым положениями без удлинения, причем на первой стороне диафрагмы расположены уплотнительный элемент в форме кольца внешней части диафрагмы, входное отверстие и выходное отверстие, а на противоположной стороне диафрагмы расположена управляющая камера,
при этом диафрагму деформируют между первым положением, в котором давление в управляющей камере толкает часть диафрагмы в контакт с уплотнительным элементом, и вторым положением, в котором входное давление отталкивает часть диафрагмы от уплотнительного элемента с обеспечением соединения входного отверстия и выходного отверстия,
при этом управляющее давление текучей среды сделано равным давлению текучей среды с входной стороны для закрытия упомянутого отверстия и меньше давления текучей среды с входной стороны для открытия упомянутого отверстия.