ГАЗОСТАТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
GAS STATE OF HIGH PRESSURE

Изобретение относится к оборудованию для обработки порошковых и сплошных материалов при температурах до 700°С и давлениях до 500 МПа и наиболее эффективно может быть использовано для компактирования изделий из наноматериалов, насыщения сплавов-водородонакопителей для источников тока нового поколения, для исследования и создания элементов на основе водорода.
Аналогом заявляемого технического решения являются газостаты, описанные в трудах ВНИИМЕТМАШ (Сборник №54) «Новое в гидропрессовом машиностроении». М. 1978 г. стр.82…88. Газостат содержит водоохлаждаемый силовой контейнер, закрываемый с торцов пробками с уплотнениями. Внутри контейнера находятся нагреватель, теплоизоляционный колпак, корзина с обрабатываемыми заготовками, установленная на столе нижней пробки, и термопары для контроля температуры в рабочей зоне газостата.
Основными недостатками аналога являются использование в качестве рабочей среды ограниченной номенклатуры газов (аргона или азота) и относительно низкое давление рабочего газа (до 200 МПа), что снижает технологические возможности газостатов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является газостат высокого давления по патенту RU 2002583, B22F3/14, 1993 г., содержащий водоохлаждаемый силовой контейнер, герметично закрываемый верхней и нижней пробками, одна из которых выполнена с отверстием для вакуумирования и подачи рабочего газа, образующими рабочую камеру, внутри которой установлены теплоизоляционный колпак, нагреватель, стол, во внутренней полости которого размещена теплоизоляция, установленный на нижней пробке, и корзина для заготовок, расположенная на столе.
Одним из их недостатков прототипа является то, что в лабораторных газостатах с небольшим диаметром рабочей зоны и в газостатах без донного нагревателя наблюдается неравномерность нагрева. Кроме того, в таких газостатах при вакуумировании и подаче давления газа происходит скачкообразное перемещение нижней пробки (в газостатах со станиной рамной конструкции), в результате чего стакан с заготовками может наклониться и замкнуть на массу одну из ступеней нагревателя. Еще одним недостатком является то, что применяемые термопары стабильно работают в инертной газовой среде. В случае использования другой газовой среды необходимо изолировать термопары от ее воздействия, что достигается при использовании термопар, помещенных в металлические чехлы из нержавеющей стали (согласно ГОСТ 6616-94). Но такие термопары в чехлах предназначены для газов низкого давления, поэтому при высоких давлениях газа они требуют «усиления».
Предлагаемое изобретение позволяет получить технический результат в виде расширения технологических возможностей газостата за счет повышения давления и использования различных рабочих газов (водорода, углекислого газа, метана и др.) и снижает отрицательное влияние перечисленных выше недостатков. Технический результат достигается:
- снабжением газостата термопарами в герметичных металлических чехлах;
- приваркой к чехлам термопар втулок, соединенных между собой и металлическим чехлом сваркой для предотвращения их выталкивания газом высокого давления;
- установкой на концах чехлов наконечников в виде стаканчиков, приваренных к чехлам вблизи расположения спаев термопар;
- выполнением уплотнений пробок составными и содержащими эластичное уплотнение, опертое на пластически деформируемое при высоком давлении газа кольцо из полимерного материала, снабженное антиэкструзионным металлическим кольцом;
- жестким закреплением стола на нижней пробке;
- установкой на столе с осевым зазором, равным 0,1…0,5 наружного радиуса, корзины для заготовок.
Заявляемый газостат изображен на фиг.1, на которой представлен продольный разрез рабочей камеры газостата, на фиг.2, где показана конструкция уплотнения пробок газостата, и на фиг.3, на которой показано «усиление» чехлов термопар и их уплотнение.
Заявляемый газостат состоит из контейнера 1, верхней 2 и нижней 3 пробок с уплотнениями 4, нагревателя 5, имеющего несколько зон нагрева, теплоизоляционного колпака 6, стола 7, жестко прикрепленного к нижней пробке 3, на ребрах 8 которого установлена корзина 9, имеющая многочисленные отверстия на боковой поверхности и на дне (на фиг.1 не показаны) для более равномерного нагрева заготовок, размещенных в корзине. Для предотвращения чрезмерного нагрева нижней пробки 3 внутри стола 7 размещена теплоизоляция 10. Для уплотнения пробок (фиг.2) и термопар (фиг.3) при высоком давлении газа используются составные уплотнения, включающие эластичное уплотнение 11, опирающееся на пластически деформируемое кольцо 12 из полимерного материала, например из фторопласта, которое для предотвращения его выдавливания уплотнено антиэкструзионным кольцом 13.
Термопара 14 для предотвращения ее контакта с рабочим газом размещена в герметичном металлическом чехле 15, к которому приварена втулка 16. Для предотвращения выдавливания чехла при высоком давлении газа он «усилен» кольцами 17, приваренными друг к другу, чехлу и втулке, а также «усилен» стаканчиком 18, приваренным к чехлу вблизи спая термопары для предотвращения смятия и нарушения герметичности чехла. Места сварки 19 указаны на фиг.3.
Работа газостата осуществляется следующим образом. После загрузки заготовок в корзину 9, подачи ее в контейнер и закрытия пробки замкнутое пространство вакуумируется через отверстие в одной из пробок. При вакуумировании нижняя пробка скачкообразно втягивается по направлению к верхней пробке 2, что может привести к «выскакиванию» стола 7 из посадочного места и его перекосу. Особенно это возможно в газостатах с малым диаметром рабочей зоны, что может привести к контакту корзины с нагревателем. Поэтому стол жестко закреплен на нижней пробке. После вакуумирования производится подача рабочего газа в полость контейнера. При этом пробки рывком смещаются в противоположном направлении, выбирая зазоры между пробками и рамой (на фиг.1 не показана). Если стол не закреплен на нижней пробке, то возможен его перекос и контакт корзины с нагревателем. Одновременно с подачей газа производится нагрев заготовок нагревателем 5. Для повышения равномерности нагрева между корзиной и столом имеется зазор Н, обеспечивающий циркуляцию газа и улучшающий перенос тепла от нагревателя к заготовкам через отверстия в дне корзины, при этом отверстия в стенке корзины также способствуют улучшению нагрева заготовок. Высота зазора Н между дном корзины 9 и столом 7 составляет 0,1…0,5 ее радиуса.
При подъеме давления газ действует на эластичные уплотнения 11, которые опираются на кольца 12 из полимерного материала, которые пластически деформируются, заполняют неровности контактируемых металлических поверхностей и препятствуют утечке рабочего газа. Для предотвращения выдавливания полимерного материала в зазоры (особенно большие между контейнером и пробками) предусмотрены антиэкструзионные кольца 13. При высоком давлении газа и температуре теплообмен увеличивается, поэтому верхняя пробка и контейнер защищены от перегрева теплоизоляционным колпаком 6, а нижняя пробка - теплоизоляцией 10, расположенной в столе 7 на нижней пробке.
После завершения обработки заготовок производится их охлаждение, сброс давления рабочего газа и извлечение корзины с заготовками из контейнера.
Предлагаемое изобретение позволяет за счет снабжения газостата термопарами в герметичных металлических чехлах, приварки к чехлам термопар втулок, соединенных между собой и металлическим чехлом сваркой для предотвращения их выталкивания газом высокого давления, установки на концах чехлов наконечников в виде стаканчиков, приваренных к чехлам вблизи расположения спаев термопар, выполнения уплотнений пробок, составными и содержащими эластичное уплотнение, опертое на пластически деформируемое при высоком давлении газа кольцо из полимерного материала, снабженное антиэкструзионным металлическим кольцом, жесткого закрепления стола на нижней пробке, установки на столе с осевым зазором, равным 0,1…0,5 наружного радиуса, корзины для заготовок:
- расширить технологические возможности газостата высокого давления в результате повышения давления обработки и расширения диапазона рабочих газов, повышения равномерности нагрева заготовок и работоспособности термопар, сокращения теплопотерь;
- повысить надежность работы;
- предотвратить возможность контакта корзины с нагревателем.