ГАЗООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО
GAS EXCHANGE DEVICE

Предлагаемое устройство относится к области средств регулирования газовоздушного потока и может быть использовано в системах управления технологическими процессами, в частности для обеспечения дозированного газообмена герметизированных объемов с внешней средой.
Регулирование газообмена герметизированных объемов с внешней средой может быть осуществлено с помощью существующих конструкций дроссельных устройств, которые используются для регулирования расхода газа при постоянном перепаде давления (см., например, книгу: Л.А.Залманзон. Проточные элементы пневматических приборов контроля и управления. АН СССР, 1961 г., стр.7).
Актуальность проблемы точного регулирования газообмена между герметичными объемами и средой основана на потребности в средствах обеспечения максимально точного и контролируемого изменения степени разгерметизации таких объемов.
Известно устройство для регулирования газообмена герметизированных объемов с внешней средой, содержащее металлический корпус и регулировочный орган (патент РФ №02022190, МПК F16R 47/14, опубл. 30.10.1994 г.).
К недостаткам известного устройства относится достаточно сложное выполнение и недостаточно точное регулирование газообмена между гермообъемом и внешней средой за счет поддержания заданной степени разгерметизации гермообъема и возможности восполнения снижающейся при эксплуатации концентрации газа.
Известно в качестве прототипа заявляемого устройство для регулирования газообмена герметизированных объемов с внешней средой (патент РФ №02066805, МПК F16R 47/14, опубл. 20.09.1996 г.), содержащее металлический корпус и регулировочный орган.
К недостаткам известного устройства (дросселя) относится достаточно сложное выполнение и недостаточно точное регулирование газообмена между гермообъемом и внешней средой за счет поддержания заданной степени разгерметизации гермообъема и возможности восполнения снижающейся при эксплуатации концентрации газа.
Задачей предлагаемого устройства является разработка конструкции для обеспечения высокоточного дозированного газообмена герметизированных объемов с внешней средой с требуемой степенью разгерметизации.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в обеспечении упрощения конструкции более точного регулирования газообмена между гермообъемом и внешней средой путем поддержания контролируемой и регулируемой заданной степени разгерметизации гермообъема за счет использования мембранных элементов с фиксированной величиной пористости и динамического изменения гидравлического сопротивления проточной части устройства и возможности восполнения снижающейся при эксплуатации концентрации газа.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном газообменом устройстве, содержащем металлический корпус и регулировочный орган, согласно изобретению металлический корпус выполнен в виде составного полого цилиндра, диаметр носовой части которого меньше диаметра торцевой части, регулировочный орган выполнен в виде пакета из заданного числа пористых мембранных элементов, каждый из которых установлен во внутренней полости торцевой части корпуса герметично посредством эластичных кольцевых уплотнений, размещенных между каждым мембранным элементом из такого расчета, чтобы суммарное динамическое сопротивление пакета мембранных элементов потоку газа было равно заданной степени разгерметизации герметизированного объема, мембранные элементы размещены с возможностью перемещения в полости торцевой части корпуса, пакет мембран поджат с торца прижимной гайкой посредством прижимных шайб, размещенных между прижимной гайкой и пакетом мембранных элементов, выполненных из пористого металла группы никеля или из неметалла, такого как керамика на основе оксидов металлов третьей группы периодической системы элементов, для фиксации устройства в рабочем положении снаружи носовой части цилиндрического корпуса за одно целое с ним выполнен фланец, на который опирается гайка для соединения устройства со штуцером обратного клапана герметизированного объема, носовая часть корпуса, в кольцевой выемке наружной поверхности которого имеется кольцевое эластичное уплотнение круглого сечения, перекрывающее зазор между внутренней поверхностью штуцера герметизированного объема и наружной поверхностью носовой части корпуса, входит в полость отверстия обратного клапана герметизированного объема с возможностью его открытия при достижении крайнего положения.
Предлагаемое устройство поясняется следующим образом.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого газообменного устройства, где:
1 - носовая цилиндрическая часть составного корпуса;
2 - накидная гайка;
3 - торцевая цилиндрическая часть составного корпуса;
4 - пакет пористых мембранных элементов;
5 - прижимная гайка;
6 - прижимная шайба;
7 - пакет эластичных кольцевых уплотнений пакета мембранных элементов;
8 - кольцевое эластичное уплотнение носовой части корпуса;
Корпус 1 устройства выполнен в виде составного полого цилиндра. Корпус 1 по длине имеет различные диаметры, диаметр носовой части которого меньше диаметра торцевой части.
Снаружи носовой части корпуса 1 за одно целое с ним выполнен фланец, на который опирается накидная гайка 2 для соединения устройства со штуцером обратного клапана герметизированного объема (на фиг.1 не показан).
Регулировочный орган выполнен в виде пакета 4 из заданного числа пористых мембранных элементов, каждый из которых установлен во внутренней полости торцевой части корпуса 3 герметично посредством эластичных кольцевых уплотнений 7, размещенных между каждым мембранным элементом из такого расчета, чтобы суммарное динамическое сопротивление пакета мембранных элементов потоку газа было равно заданной степени разгерметизации герметизированного объема, мембранные элементы пакета 4 размещены с возможностью перемещения в полости торцевой части корпуса 3, пакет 4 мембран поджат с торца прижимной гайкой 5 посредством прижимных шайб 6, размещенных между прижимной гайкой и пакетом мембранных элементов.
Мембранные элементы пакета 4 выполнены из пористого металла группы никеля, или из неметалла, такого как керамика на основе оксидов металлов третьей группы периодической системы элементов. Для фиксации устройства в рабочем положении снаружи носовой части корпуса 1 за одно целое с ним выполнен фланец, на который опирается гайка 2 для соединения устройства со штуцером обратного клапана герметизированного объема,
На наружной поверхности носовой 1 части корпуса выполнена кольцевая выемка, в которую установлено эластичное уплотнение 8 круглого сечения, перекрывающее зазор между внутренней поверхностью штуцера герметизированного объема и наружной поверхностью этой части корпуса. Это обеспечивает герметизацию соединения предлагаемого устройства с внутренней полостью обратного клапана герметизированного объема.
Корпус 1 устройства носовой его частью входит в полость отверстия обратного клапана герметизированного объема так, что позволяет открыть его без разгерметизации герметизированного объема при достижении крайнего положения за счет того, что длина носовой цилиндрической части корпуса выполнена равной глубине отверстия штуцера обратного клапана.
Сборка и монтаж устройства осуществляется в следующей последовательности. С торца корпуса 1 устанавливается (до соприкосновения с фланцем) гайка 2. В полость торцевой части 3 корпуса 1 вставляются последовательно эластичные уплотнения 7 и мембранные элементы 4, причем последний из эластичных кольцевых уплотнений устанавливается следом за последним мембранным элементом.
Пакеты мембранных элементов и кольцевых эластичных уплотнений с торца поджимаются прижимной гайкой 5 посредством прижимных шайб 6.
Носовая часть корпуса 1 с надетым эластичным уплотнением 8 вставляется в отверстие штуцера обратного клапана герметизированного объема. С помощью гайки 2 устройство окончательно монтируется на штуцер обратного клапана герметизированного объема.
Устройство работает следующим образом.
Для задействования предлагаемого устройства его устанавливают в полость штуцера обратного клапана (не показан) герметизированного объема. Дозированный газообмен герметизированного объема с внешней средой происходит естественным путем за счет градиентов парциальных и абсолютных давлений газа между герметизированным объемом и внешней средой. Перенос газа из герметизированного объема во внешнюю среду и (или) в обратном направлении осуществляется через пакет пористых мембранных элементов и отверстие в носовой части корпуса 1.
Как показали экспериментальные исследования предлагаемого устройства, данная конструкция позволяет максимально точно регулировать газообмен между герметизированным объемом и внешней средой. Результаты экспериментов сведены в таблицу 1.
Таким образом, использование предлагаемого устройства обеспечивает возможность упрощения конструкции в части конструктивного исполнения регулировочного органа и более точного регулирования газообмена между герметизированным объемом и внешней средой, чем в прототипе, путем поддержания контролируемой и регулируемой заданной степени разгерметизации гермообъема за счет использования мембранных элементов с фиксированной величиной пористости и динамического изменения гидравлического сопротивления проточной части устройства и возможности восполнения снижающейся при эксплуатации концентрации газа, а также восполнения снижающейся при эксплуатации концентрации газа.
Возможность промышленной реализации заявляемого устройства подтверждается следующими примерами конкретной реализации.
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемое устройство реализовано на опытном образце, представленном на фиг.1.
Корпус 1 (сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72) устройства выполнен в виде составной (из носовой и торцевой частей) полой цилиндрической детали, имеющий по длине различные диаметры.
Во внутреннюю полость торцевой части цилиндрического корпуса 1 вмонтирован стационарно регулировочный орган, выполненный в виде пакета 4 из заданного числа пористых мембранных элементов (в условиях примера - 8 мембранных элементов, выполненных из пористого прессованного никеля марки ФНС-05 (пористостью 0,5 мкм) и вмонтированных сваркой в кольцевые обечайки из стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72). Для герметизации зазоров между каждой из мембран и корпусом установлены эластичные (резина по ОСТ 95 1158-73) кольцевые уплотнения 7.
Количество мембранных элементов выбрано из такого расчета, чтобы суммарное динамическое сопротивление пакета мембранных элементов потоку газа было равно заданной степени разгерметизации герметизированного объема.
Пакет мембранных элементов 4 поджат с торца прижимной гайкой 5 посредством прижимных шайб 6, размещенных между прижимной гайкой и пакетом мембранных элементов, выполненных из пористого металла группы никеля.
Снаружи носовой части корпуса 1 за одно целое с ним выполнен фланец, на который опирается гайка 2 для соединения устройства со штуцером обратного клапана герметизированного объема (на фиг.1 не показан).
На наружной поверхности носовой 1 части корпуса выполнена кольцевая выемка, в которую установлено эластичное уплотнение 8 (кольцо резиновое 024 по ОСТ 95 1158-73) круглого сечения, перекрывающее зазор между внутренней поверхностью штуцера герметизированного объема и наружной поверхностью этой части корпуса.
Корпус 1 устройства носовой его частью входит в полость отверстия обратного клапана герметизированного объема так, что позволяет открыть его без разгерметизации герметизированного объема при достижении крайнего положения за счет того, что длина носовой цилиндрической части корпуса выполнена равной глубине отверстия штуцера обратного клапана.
Сборка и монтаж устройства осуществляется в следующей последовательности.
С торца корпуса 1 устанавливается (до соприкосновения с фланцем) гайка 2.
В полость торцевой части 3 корпуса 1 вставляются последовательно эластичные уплотнения 7 и мембранные элементы 4, причем последний из эластичных кольцевых уплотнений устанавливается следом за последним мембранным элементом.
Пакеты мембранных элементов и кольцевых эластичных уплотнений с торца поджимаются прижимной гайкой 5 посредством прижимных шайб 6.
Носовая часть корпуса 1 с надетым эластичным уплотнением 8 вставляется в отверстие штуцера обратного клапана герметизированного объема. С помощью гайки 2 устройство окончательно монтируется на штуцер обратного клапана герметизированного объема.
Пример 2. В условиях примера 1 выполнен данный пример, но в качестве материала мембранных элементов взята керамика на основе оксида алюминия, вмонтированная в обечайку из стали посредством клеевого соединения.
Результаты экспериментов сведены в табл.
Таблица
Примеры реализации
Регулировоч-ный орган
Степень разгерметизации
Регулируемы параметры устройства
Достигнутые результаты
1
2
3
4
5
Устройство прототипа
Выполнен в виде штока, соединенного с дроссельным элементом
Обеспечена возможность регулирования только в узком диапазоне величин, с резкой неконтролируемой потерей герметичности, которую лимитирует спецификой посадочного места дроссельного элемента
Возможность регулирования только за счет изменения проходного сечения дросселя
Необходимость использования при монтаже дополнительного переходного устройства и необходимость сложных механических манипуляций при эксплуатации известного устройства путем многократного подбора положения дроссельного элемента для обеспечения заданного газодинамического сопротивления
Устройство заявленноеПример 1
Выполнен в виде пакета мембранных элементов, выполненных из пористых металлов или керамики
Обеспечена возможность более точного регулирования в более широком диапазоне величин с незначительной и контролируемой потерей степени разгерметизации
Возможность регулирования сопротивления потоку газа путем подбора необходимого количества мембранных элементов, типа пористого материала и величины пористости (пористость 0,5%)
Отсутствует необходимость в дополнительном переходном устройстве, функцию которого воспринимает носовая цилиндрическая часть корпуса, упрощается эксплуатация за счет применения системы элементов динамического сопротивления потоку с однократно рассчитанными газодинамическими показателями