Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХКАМЕРНЫЙ ГАЗОСТАТ

Изобретение относится к оборудованию для обработки материалов в реакционной газовой среде при одновременном воздействии на них высоких давлений и температур, создаваемых в рабочей камере газостата.

Для обработки материалов в реакционной газовой среде используют двухкамерные газостаты, где в одной из камер размещены обрабатываемые в реакционной среде изделия, а в другой - инертный нейтральный газ, изолирующий контейнер, пробки, уплотнения и другие детали газостата, предохраняющие от воздействия реакционной среды. Разделение газостата на две камеры осуществляется стаканообразной перегородкой. Каждая камера соединена со своим газовым приводом (компрессором с баллонной станцией, клапанами, дросселями, аппаратурой управления). Основное требование к газовому приводу и системе управления - обеспечение одинакового давления в обеих камерах как во время подъема давления, нагрева, выдержки, так и при охлаждении и сбросе давления газа.

Аналогом заявленного изобретения является двухкамерный газостат, описанный в книге: Г.А. Кривонос, Л.Ю. Максимов, А.Д. Зверев «Процессы и оборудование для газостатической обработки», М., Металлургия, 1994 г., стр.288.

Газостат содержит контейнер с пробками, образующими внутреннее пространство рабочей камеры, перегородку (оболочку), отделяющую внутреннюю камеру от наружной, расположенной на промежуточной нижней пробке. Внутри разделяющей оболочки размещают обрабатываемые изделия. С внешней стороны оболочки установлены нагреватель и термоизоляционный колпак. Наружная камера соединена с источником инертной, а внутренняя - с источником реакционной сред. В системе сравнения давлений наружной и внутренней камер установлен дифференциальный датчик, выполненный в виде корпуса, разделенного гибкой мембраной. Полость датчика, расположенная по одну сторону мембраны, соединена с наружной камерой, по другую сторону мембраны - с внутренней камерой.

При работе газостата в случае повышения давления в наружной камере прогиб мембраны датчика в одну сторону приводит к включению газового привода внутренней камеры и соответствующему повышению в ней давления.

В случае повышения давления во внутренней камере прогиб мембраны в другую сторону приводит к включению привода наружной камеры и соответствующему повышению давления в ней.

Включение газовых приводов производят микровыключатели, установленные в дифференциальном датчике давления.

Основной недостаток аналога заключается в том, что система поддержания давлений построена на элементах, не обладающих характеристиками, необходимыми для обеспечения непрерывного гибкого регулирования технологических параметров рабочего цикла обработки. Система не позволяет контролировать допустимый перепад давлений на стадии подъема температуры во внутренней камере при достижении максимального давления, выдержке обрабатываемого изделия при заданных давлении и температуре на стационарном режиме, и сбросе давления газа в контейнере. Кроме того, малый объем камеры дифференциального датчика не позволяет гибко регулировать давление в камерах газостата, время срабатывания клапанов и компрессоров достаточно велико, и для плавного регулирования давлений требуется соответствующее устройство.

Прототипом заявленного технического решения является двухкамерный газостат, описанный в патенте РФ №2393058, B22F 3/15 от 22.08.2008 г.

Газостат содержит силовую станину, контейнер с верхней и нижней пробками, образующими рабочую камеру, перегородку, разделяющую рабочую камеру на наружную для нейтральной (инертной) среды и внутреннюю камеру для реакционной рабочей среды, баллонные станции инертной и рабочей реакционной сред с запорными клапанами и дросселями, соединенными с компрессорами, системы нагрева и управления.

Газостат оснащен устройством синхронизации давления в наружной и внутренней камерах, выполненным в виде трех датчиков, соединенных между собой и с процессором системы управления.

Основным недостатком прототипа является то, что даже при использовании высокоточных датчиков давления перепад давления в камерах в пределах 1МПа может привести либо к подъему перегородки (в случае более высокого давления в камере с реакционной средой) и разгерметизации внутренней полости рабочей камеры, либо к ее деформации при высоких температурах.

Задачей настоящего изобретения является устранение упомянутых недостатков и создание надежного двухкамерного газостата с требуемой величиной давления и температуры в течение всего цикла обработки изделий в газостате.

Технический результат достигается за счет более точного и плавного регулирования давления в камерах газостата.

Выполнение поставленной задачи и достигаемый при этом технический результат обеспечивается тем, что двухкамерный газостат, содержащий силовую станину, контейнер с пробками, образующими рабочую камеру с наружной камерой для инертной газовой среды, и отделенную от нее герметичной перегородкой внутреннюю камеру с реакционной средой, газовую систему управления инертной средой и газовую систему управления реакционной средой, а также систему нагрева, оснащен емкостью высокого давления с двумя полостями, образуемыми за счет закрепления в упомянутой емкости гибкой мембраны тарельчатой формы, причем одна из полостей соединена с наружной камерой и газовой системой инертной среды, а другая - с внутренней камерой и газовой системой реакционной среды, при этом в каждой полости емкости смонтированы микровыключатели для управления системой автоматического выравнивания давления в наружной и внутренней камерах газостата.

Для повышения чувствительности и точности мембрану выполняют в виде гибкой тарелки из эластичного материала, наружный фланец которой закреплен неподвижно, а эластичная тарельчатая часть занимает промежуточное положение между основаниями емкости высокого давления, в которые вмонтированы микровыключатели, не касаясь их. Микровыключатели, пока мембрана не касается их, выключены и включаются, когда мембрана под действием давления газа прогибается и касается микровыключателя. Для плавного регулирования давления в камерах газостата и предотвращения чрезмерно частого переключения клапанов управления в газовой системе поддержания давления объем емкости высокого давления желательно делать не менее 1 л.

Для управления клапанами, работающими в паре с емкостью высокого давления, предусмотрена своя программа переключения клапанов для каждого этапа газостатической обработки в процессоре.

Конструкция двухкамерного газостата приведена на чертеже (фиг.1).

Двухкамерный газостат 1 содержит газовую систему инертной среды 2, газовую систему рабочей реакционной среды 3 и емкость высокого давления 4, обеспечивающую поддержание давлений в наружной и внутренней камерах газостата с минимальным перепадом давлений по величине.

Кроме того, газостат включает силовую станину 5, контейнер 6, закрытый с торцов верхней 7 и нижней 8 пробками с уплотнениями. Полость контейнера 6 разделена стаканообразной перегородкой 9 на две камеры: внутреннюю 10 для реакционной среды и наружную 11 для инертного газа. Внутренняя камера 10 предназначена для размещения обрабатываемых изделий. В наружной камере 11 размещены нагреватели 12 с токоподводами и термоизоляционный колпак 13, закрепленные на верхней пробке 7.

Газовая система инертной среды 2 включает компрессор 14. Необходимые для осуществления рабочего цикла потоки инертной газовой среды, заключенные в баллонной станции 15, осуществляются с помощью запорно-регулирующих управляемых клапанов 16, 17, 18, 19, 20 и дросселя 21.

Газовая система реакционной среды 3, выполняющая аналогичные функции, состоит из компрессора 22, баллонной станции 23 реакционной среды, запорно-регулирующих управляющих клапанов 24, 25, 26, 27, 28 и дросселя 29.

Емкость высокого давления 4 разделена на две полости мембраной 30, занимающей промежуточное положение между основаниями 31 и 32 емкости. Для снижения перепада давлений в камерах газостата 10 и 11 мембрана 30 выполнена в виде оболочки тарельчатой формы. В основания 31 и 32 емкости высокого давления вмонтированы микровыключатели 33 и 34.

Работа газостата осуществляется следующим образом.

Силовая станина 5 с помощью силового цилиндра сдвинута с оси контейнера 6. Нижнюю пробку 8 опускают и сдвигают вместе с перегородкой 9 с оси контейнера. Перегородку 9 снимают с нижней пробки и на теплоизоляционную плиту 35 нижней пробки устанавливают обрабатываемые изделия. Перегородку 9 крепят к нижней пробке 8, которую подают на ось контейнера 6 и вводят ее в полость контейнера. Благодаря уплотнению 36 внутренняя камера 10 герметично изолируется от наружной камеры 11. Силовую станину 5 надвигают на контейнер и фиксируют на оси контейнера 6. Далее обе камеры контейнера вакуумируют с помощью вакуумного насоса (не показан).

Рассмотрим этапы работы системы.

Напуск инертного и реакционного газов в контейнер газостата

Для напуска инертного газа открывают клапаны 17 и 18, а для напуска реакционного газа - клапаны 25 и 26. Так как давление газа в баллонных станциях 15 и 23 может быть различным, то мембрана 30 емкости высокого давления 4 прижимается к одному из микровыключателей 33 или 34. Если, например, давление в баллонах 23 выше, то мембрана прижимается к микровыключателю 33, который закрывает клапан 26 и подача реакционного газа прекращается. Как только давление газов в камерах газостата выравнивается, мембрана занимает исходное промежуточное положение, отходит от микровыключателя 33, и клапан 26 вновь открывается. Так как давление в баллонных станциях может быть различным, то в процессе заполнения камер газостата самотеком из баллонов, в обеих камерах устанавливается одинаковое давление, равное значению давления в станции с меньшим давлением.

Этап закачки инертного и реакционного газов компрессорами 14 и 22

Перед закачкой газа клапаны 17 и 25 закрывают, а клапаны инертной среды 19, 18 и реакционной среды 27 и 26 открывают и начинают закачку газов в камеры газостата компрессорами.

Если, например, давление в газовой системе реакционного газа выше, то мембрана 30 замыкает контакты микровыключателя 33, который открывает клапан 25 и закрывает клапан 26, в результате чего реакционный газ циркулирует по замкнутому контуру: баллон 23, клапан 27, компрессор 22, клапан 25 и далее баллон 23. Как только давление инертного газа возрастет, мембрана 30 емкости высокого давления займет промежуточное положение, микровыключатель 33 отключится, в результате чего клапан 25 закроется, а клапан 26 откроется, и реакционный газ от компрессора 22 начнет поступать во внутреннюю камеру 10 контейнера 6 газостата.

После закачки газа до требуемого давления начинается этап нагрева изделий. При этом процессор, управляющий работой клапанов, использует другую программу управления.

Этап нагрева

При нагреве, как правило, давление в камере 10 с реакционным газом возрастает быстрее, чем в камере 11 с инертным газом, так как камера 11 интенсивно охлаждается. Поэтому мембрана 30, замыкая контакты микровыключателя 33, дает команду на открытие клапанов 19 и 18 и включает компрессор 14 инертного газа. Если производительность компрессора 14 недостаточна и микровыключатель 33 остается замкнутым, то реле времени в системе управления газостатом открывает клапан 24 и реакционный газ из камеры 10 газостата через дроссель 29 начинает сбрасываться в баллон 23, в результате чего давление в камерах газостата выравнивается. Как только мембрана 30 займет промежуточное положение, компрессор 14 отключается, клапаны 19, 18, 24 закрываются, и сброс реакционного газа из внутренней камеры газостата прекращается.

После завершения процесса нагрева и выдержки начинается этап охлаждения изделий, который обычно для повышения производительности процесса осуществляют при максимально возможном давлении.

Этап охлаждения

При охлаждении инертный газ в наружной камере газостата 11 охлаждается быстрее. Поэтому и давление в наружной камере падает быстрее, в связи с чем, мембрана 30 емкости высокого давления прижимается к верхнему основанию 31, замыкает контакты микровыключателя 33, который открывает клапан 24, и реакционный газ через теплообменник (не показан) и дроссель 29 поступает в баллоны 23. После выравнивания давлений, мембрана 30 занимает промежуточное положение, микровыключатель отключается и клапан 24 закрывается.

После охлаждения начинается этап сброса давления газов. Для этого открывают клапаны 16 и 24. Инертный газ через дроссель 21 и клапан 16 поступает в баллоны 15, а реакционный через дроссель 29 и клапан 24 направляется в баллоны 23. Так как объемы камер газостата разные и давление в баллонах 15 и 23 не одинаково, то емкость высокого давления 4 позволяет выравнивать давления в камерах. Для этого этапа используется своя программа управления клапанами. Так, например, при снижении давления в камере 10 с реакционным газом, мембрана 30 прижимается к нижнему основанию 32 емкости высокого давления, микровыключатель 34 дает команду на закрытие клапана 24 и дальнейшее снижение давления прекращается.

После сброса газа в баллоны начинается этап откачки газа из контейнера газостата компрессорами 14 и 22. Откачка осуществляется по другой программе. При откачке инертного газа клапаны 16, 18 и 19 закрыты, а клапаны 20 и 17 открыты. Аналогично для откачки реакционного газа клапаны 24, 26 и 27 закрыты, а клапаны 28 и 25 открыты. Если давление в одной из камер газостата, например, в камере с реакционным газом снижается быстрее, то мембрана замыкает микровыключатель 34, который дает команду клапану 28 на закрытие и компрессор 22 прекращает откачку реакционного газа до выравнивания давлений в обеих камерах газостата.

После откачки газа станину газостата 5 перемещают с оси контейнера, нижнюю пробку 8 опускают и поворачивают в положение выгрузки изделий, перегородку 9 отсоединяют и обработанные изделия снимают с нижней пробки.

Использование емкости высокого давления, разделенной гибкой мембраной, по разные стороны которой установлены микровыключатели и каждая полость которой соединена с одной из камер контейнера газостата, позволяет повысить точность регулирования давлений реакционной и нейтральной рабочих сред на всех этапах газостатической обработки и, следовательно, надежность работы газостата за счет:

- выравнивания давлений в камерах газостата;

- обеспечения заданной программы рабочего цикла системы на каждом этапе работы газостата;

- использования гибкой эластичной мембраны тарельчатой формы.