شیر برقی چیست؟

شیر برقی (Solenoid Valve) یک تجهیز الکترومکانیکی است. از آن برای بستن، باز کردن، توزیع یا مخلوط کردنِ مقدارِ مشخصی از جریانِ گاز یا مایع استفاده می‌­شود. شیر برقی توسط جریانِ الکتریکی، پور‌ت‌های ورود و خروج سیال را کنترل می‌کند، یعنی از جریان الکتریکی برای ایجادِ حرکتِ خطی استفاده می‌کند.

شیر برقی LMC

در ادامه برای آشنایی با نحوه عملکرد شیر برقی، ابتدا اجزای آن را بررسی می‌کنیم.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، شیر برقی از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که به اختصار آن‌ها را توضیح می‌دهیم.

بدنه (Valve body):

شیر را به خطوط لوله متصل می‌کند.
پورت ورودی (Inlet port): درگاه ورود سیال است. سیال از این طریق وارد شیر می‌شود.
پورت خروجی (Outlet port): درگاهِ خروجِ سیال است. سیال از طریق آن از شیر خارج می‌شود. شیر برقی‌ها بسته به کاربرد ممکن است چندین خروجی داشته باشند.

بوبین:

قسمتی از شیر که به‌صورت استوانه تو خالی است و سیم پیچ در آن قرار دارد.

سیم پیچ (Solenoid coil):

با عبور جریان، میدان مغناطیسی ایجاد می‌­کند.

کانکتور(Conector):

شیر برقی دیلماتیک

محل اتصال سیم به منبع است. از این طریق برق به بوبین می‌رسد.
پیستون (Plunger/piston): قسمت استوانه‌ای شکلِ شیر است. با اتصال به برق در خلاف جهت فنر (به سمت بالا یا پایین) برای بستن یا باز کردنِ شیر، حرکت می‌کند. پیستون از مواد فرومغناطیس ساخته شده است و در فضای تو خالی سیم پیچ قرار دارد.

حفره (Orifice):

ارتباط دهنده درگاه ورودی و خروجی است. پیستون با حرکت خود این روزنه را باز و بسته می‌کند. شیر برقی بسته به کاربرد می‌تواند یک یا چند روزنه داشته باشد.
فنر (Spring): علاوه بر این که مانع سقوط پیستون به‌دلیل گرانش می‌­شود، حرکت آن را نیز کنترل می‌کند. وقتی شیر بی‌برق است، در حالت NC، فنر پیستون را به سمت پایین فشار می‌دهد، در نتیجه مسیر را می‌بندد و در حالت NO، فنر پیستون را بالا نگه می‌دارد تا مسیر باز بماند.
آب‌بند (Seal): از ورود آب به بوبینِ شیر جلوگیری می‌کند.
حال با توجه به شناختی که نسبت به اجزای شیر برقی پیدا کرده‌اید، عملکرد آن را توضیح می‌دهیم.

عملکرد سلونوئید ولو

یک شیر برقی از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

بوبین
بدنه شیر
همانطور که در شکل ۲ مشاهده می‌کنید، بوبین دارای یک سیم پیچ در اطرافِ یک هسته فرومغناطیس، به نام پیستون است. با توجه به شکل ۳ (تصویر متحرک) با برقدار شدن بوبین، اطراف سیم پیچ، میدانِ مغناطیسی ایجاد می‌­شود.

این میدان، ایجاد جاذبه کرده و پیستون را خلافِ جهتِ فنر حرکت می‌­دهد (وظیفه سیم پیچ حرکت دادن پیستون با ایجادِ میدانِ مغناطیسی است). عملکرد فنر با‌توجه به نوع شیر، مسیر سیال را کنترل (باز/بسته) می‌کند.

نمایش تغییر وضعیت دریچه شیر برقی در اثر ایجاد میدان مغناطیسی
شکل ۳- نمایش تغییر وضعیت دریچه شیر برقی در اثر ایجاد میدان مغناطیسی

عملکرد شیر برقی اسپولی

شیر‌ها تعدادی پورت ورودی و خروجی دارند که مسیر سیال از طریق آن‌ها مشخص می‌شود. حرکت اسپول این پورت‌ها را باز و بسته می‌کند. برای تغییر موقعیت شیر باید بوبینِ شیر تحریک شود.

بعد از تحریکِ بوبین، فشنگیِ داخل بوش به اسپول ضربه می‌زند، اسپول بر نیروی فنر غلبه می‌کند و باعث حرکت آن می‌­شود. مطابق شکل زیر، حرکت اسپول باعث می‌شود حفره‌های باز، بسته و حفره‌های بسته، باز شوند. بدین ترتیب مسیر سیال تغییر می‌کند.

نحوه عملکرد فشنگی را در ویدئوی زیر مشاهده کنید. فشنگی با اتصال بوبین به برق پرتاب می‌شود و به لامپ می‌خورد در نتیجه لامپ خاموش می‌شود. برای درک بهتر عملکرد شیر برقی اسپولی، در ادامه درباره اسپول بیشتر توضیح می‌دهیم.

بیشتر بدانید

اسپول (spool) چیست؟

قطعه‌ای استوانه‌­ای از جنس فلز، داخلِ شیر است که می‌­تواند به‌صورت افقی در بدنه حرکت کند. مطابق شکل ۵ این قطعه را در فاصله‌های مشخصی با دقت زیاد تراش داده و ماشینکاری می‌­کنند تا بتواند با تغییر موقعیت آن (عقب/جلو شدن) مطابق شکل ۴ پورت‌های ورودی و خروجی را بنا به نیاز، باز و بسته کند.

نمایی از یک اسپول
شکل ۵- نمایی از اسپول
مزایای استفاده از سلونوئید ولو
سرعت عملکرد بالا
قابلیت اطمینان بالا
عمر طولانی
جریان مصرفی کم
صدای کم
طراحی ساده (معمولاً بسته یا باز است)
بیشتر بدانید

در سیستم‌های برق، شیر برقی نقش عملگر را برعهده دارد. به این صورت که سنسور، کمیتِ فیزیکی (نور، دما، رطوبت و …) را خوانده و به کنترلر (plc، میکرو، مدار فرمان و…) ارسال می‌کند. کنترلر‌ داده‌های دریافت شده را پردازش می‌کند و براساس آن به عملگر (شیر برقی، موتور، المنت و …) فرمان می‌دهد.

شیر برقی شاکو

در سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، شیر برقی نقشِ کنترلر دارد. منبعِ توان (یونیت هیدرولیک) انرژی تولید می‌کند و آن را به کنترلر (شیر‌های کنترل برقی یا دستی مانند شیرِ کنترلِ جهت، شیرِ کنترلِ فشار و شیرِ کنترلِ سرعت) می‌دهد. در نهایت کنترلر، فرمانِ حرکت را به عملگر (جک هیدرولیک) ارسال می‌کند.

کاربردهای شیر برقی

از شیر برقی‌ها در محیط‌های صنعتی، تولیدی و آزمایشگاهی برای کار با مواد زیر استفاده می‌شود:

مایعات سرد و گرم
هوای فشرده
بخار
روغن معدنی، روغن طبیعی و …
محلول آبی
گاز‌های قابل احتراق
از شیر برقی در لوازم خانگی، تجاری و صنعتی برای کاربرد‌های زیر استفاده می‌‌شود:

سیستم‌های گرمایش و جریان آب
شبکه‌های آبیاری
کارواش
زهکشی
کنترل آب استخر شنا
یخچال
تفنگ‌های پینت بال
پمپ‌های فشار و سایر ابزارهای هوای فشرده
کالیبراسیون و تست
سیستم آب­رسانی ساختمان
سیستم تصفیه آب آشامیدنی
تصفیه آب‌های فاضلابی
سیستم‌های خنک کننده
سیستم‌های روانکاری
سیستم‌های تهویه ساختمانی بزرگ
سیستم‌های حفاظتی (سیستم‌های قفل اتوماتیک برای قفل درب استفاده می‌­شود)
سیستم‌های اطفاء حریق
کمپرسورها
شیر اطمینان و تخلیه
سوخت رسانی
تجهیزات حمل و نقل
تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی (از شیر برقی برای کنترل جریان، جهت و فشارِ مایع استفاده می‌­کنند مانند تجهیزات آنالیز خون)
پکیج
ماشین لباسشویی و ظرف­شویی
انواع سلونوئید ولو
انواع مختلفی از شیر برقی‌‌ها­ وجود دارند. می‌توان آن‌ها را براساس کاربرد، ساختار و شکل دسته‌بندی کرد.

A. دسته‌بندی شیر برقی بر اساس عملکرد

شیر برقی­‌ها بر اساس کاربرد دو دسته هستند:

۱- شیر تحریک مستقیم (direct acting valve)

از شیر برقی­‌های تحریک مستقیم برای حجم کم سیال و پورت‌های کوچک استفاده می‌­شود. پیستون به‌صورت مکانیکی به سوزن سوپاپ متصل شده است. هنگام تحریک بوبین، پیستون بالا می‌رود و سوزن را بلند می‌کند. حفره برای عبور جریان باز می‌شود. (شکل ۳)

هنگامی که شیر برقی بسته است:

فشار داخلی، پیستون را به داخل سوراخ می‌کشد. در برخی از شیرها فشار فنر نیز به بسته نگه داشتن آن کمک می‌­کند. تفاوت فشار زیاد در ورودی و فشار کم در خروجی باعث می‌­شود که پیستون در بالای دهانه نگه داشته شود.

نکته: هرچه اختلاف فشار بین ورودی و خروجی بیشتر باشد، باز کردن شیر دشوارتر است.

هنگامی که شیر برقی باز می‌­شود:

۱- جریان داخلی از طریق دهانه به باز نگه داشتن پیستون کمک می‌­کند.

۲- جاذبه مغناطیسی، پیستون را بالا نگه می­‌دارد.

۲- شیر تحریک غیر مستقیم/پیلوتی (Indirect/pilot)

شیر برقی غیرمستقیم از انرژی فشار سیال، برای باز و بسته کردن نشیمنگاه شیر (valve seat) استفاده می‌کند، بنابراین برای کار کردن به اختلاف فشار (حداقل ۰.۱ بار) نیاز دارد. همانطور که در شکل ۶ می‌بینید با ورودِ سیال به شیر، سیال از روزنه‌ کنار دیافراگم در مسیرِ شیرِ بالا قرار می‌گیرد.

زمانی که شیر بالا از طریق برق تحریک شود، پیستون بر نیروی فنر غلبه کرده، به سمت بالا حرکت می‌کند. سیال وارد درگاه خروجی می‌شود و به دیافراگم فشار وارد می‌کند. دیافراگم فنر را به سمت بالا حرکت می‌دهد، درنتیجه مسیر سیال به‌طور کامل باز می‌شود.

سیستم پیلوت به‌عنوان یک تقویت کننده عمل می‌کند، طوری که حتی با یک شیر برقی با نیروی مغناطیسی کمتر (نسبت به شیری که مستقیماً فعال می‌شود)، سیالاتی با نرخ جریان بالاتر را کنترل می‌کند. پیستون و دیافراگم هر دو به‌عنوان عناصر آب‌بند برای نشیمنگاه اصلی استفاده می‌شوند.