ГЕРМЕТИЧНЫЙ БОКС ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ГЕРМЕТИЗИРУЮЩАЯ ПАНЕЛЬ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНОГО БОКСА
SEALED BOX FOR OPTICAL EQUIPMENT AND SEALED PANEL FOR SEALED BOX

Группа изобретений относится к крупногабаритным газонаполненным корпусным конструкциям лазерной техники и может быть использована в лазерных установках для размещения оптического оборудования, которое по условиям эксплуатации должно находиться в среде, отличной от среды основного помещения лазерной установки (заполнение специальным газом, более высокий класс чистоты газа и т.п.). Также элементы конструкции бокса могут быть использованы в иных областях техники в случаях, когда требуется создать локальный герметизированный объем.
Известен герметичный бокс, представленный в многоканальной физической установке NIF [Fusion science and technology, Vol 69, january/february 2016, Spaeth et al. NIF Laser description, p. 34-38,], который по технической и физической сущности выбран в качестве наиболее близкого аналога. Представленный герметичный бокс содержит сварной металлический корпус с несъемными узлами ввода/вывода лазерного излучения, ввода вакуумных, газовых магистралей, ввода электрических и оптических кабелей и силовой металлический каркас с элементами для крепления оптического оборудования. Металлический корпус снабжен юстируемыми опорными блоками с монтажными пластинами, в которых выполнены пазы. Силовой металлический каркас образован стержневыми и/или листовыми элементами, соединенными между собой. Стержневые элементы выполнены из труб квадратного и/или прямоугольного и/или круглого сечения. Силовой металлический каркас с установленным на него оптическим оборудованием образует «крупную оптомеханическую сборочную единицу», называемую «сменная линейная единица», которая устанавливается в герметичный металлический корпус с использованием специально разработанного подъемника-манипулятора в виде «автономно управляемого роботизированного транспортера». На каждой имеются установочные элементы, которые сопрягаются с ответными элементами металлического корпуса.
Представленный герметичный бокс имеет следующие недостатки:
- обладает большими массогабаритными характеристиками, что обусловлено выполнением герметичного металлического корпуса и силового каркаса в виде отдельных конструкций;
- не обеспечивает доступ к оптическим элементам, установленным в нем, для диагностики, обслуживания и замены без демонтажа крупной оптомеханической сборки;
- для демонтажа крупной оптомеханической сборки необходимо использование спецоборудования в виде роботизированного транспортера;
- не обеспечивает возможность линейной и угловой ручной юстировки по отдельности для каждого установленного в нем оптического прибора;
- обладает высокой стоимостью, которая обусловлена большой металлоемкостью и трудоемкостью изготовления.
Для герметизирующей панели для герметичного бокса, в качестве наиболее близкого аналога выбрана панель, представленная в статье о многоканальной физической установке NIF [SPIE Digital Library, LLNL-JRNL-619472, February 20, 2013, The National Ignition Facility - Beam Area Increase, S.C. Burkhart, A. Awwal et al, p. 15] и выполненная в виде металлического листа с ребрами жесткости и со сформированными по периметру на заданном расстоянии от его края отверстиями под крепежные элементы и установленными с лицевой стороны ручками, а с тыльной - уплотнительной прокладкой.
Недостатками представленной герметизирующей панели являются:
- большая масса, обусловленная большой толщиной листа герметизирующей панели, а также наличием дополнительных деталей в виде ребер жесткости;
- высокая стоимость, обусловленная большой металлоемкостью, наличием дополнительных деталей в виде ребер жесткости, большим объемом механической обработки.
- выступание ручек за габарит панели с лицевой стороны, что увеличивает общий габарит конструкции.
Технический результат изобретения заключается в расширении эксплуатационных возможностей за счет уменьшения массогабаритных характеристик и обеспечения доступа к каждому элементу отдельно для его диагностики, обслуживания, замены, ручной юстировки, а также снижения затрат на изготовление за счет уменьшения металлоемкости и трудоемкости.
Технический результат достигается тем, что в герметичном боксе для размещения оптического оборудования, содержащем металлический корпус с узлами ввода/вывода лазерного излучения, ввода вакуумных, газовых магистралей, ввода электрических и оптических кабелей, с юстируемыми опорными блоками с монтажными пластинами, в которых выполнены взаимно перпендикулярные пазы, и силовой каркас, выполненный из стержней квадратного и/или прямоугольного сечения, соединенных между собой, с элементами крепления размещаемого оптического оборудования, новым является то, что что металлический корпус и силовой каркас выполнены в виде единой сборно-сварной конструкции из герметично закрепленных на внешних поверхностях стержней силового каркаса герметизирующих панелей, причем стержни силового каркаса, к которым крепятся герметизирующие панели, сварены между собой герметично, а для крепежных элементов герметизирующих панелей на внешних поверхностях этих стержней сформированы отверстия, при этом элементы крепления оптического оборудования выполнены юстируемыми с возможностью линейного и углового перемещения каждого оптического прибора по отдельности.
Кроме этого, элементы крепления размещаемого оптического оборудования дополнительно могут быть оснащены выдвижными элементами загрузки оборудования. Взаимно перпендикулярные пазы монтажных пластин опорных блоков могут быть выполнены Т-образными, а узлы ввода/вывода лазерного излучения, ввода вакуумных, газовых магистралей, ввода электрических и оптических кабелей могут быть выполнены съемными с применением фланцевых соединений и средств уплотнения.
В герметизирующей панели для герметичного бокса технический результат достигается тем, что наряду с общими с прототипом признаками, а именно: с металлическим листом со сформированными по периметру на заданном расстоянии от его края отверстиями под крепежные элементы и установленными с лицевой стороны ручками, а с тыльной - уплотнительной прокладкой, включены новые, а именно: в средней ее части на тыльной стороне установлен, по меньшей мере, один разгрузочный элемент со средствами регулировки, обеспечивающий дополнительную точку крепления на силовом каркасе герметичного бокса, при установке более одного разгрузочного элемента их местоположение определяют расчетным образом из условия одинаковой деформации в различных зонах металлического листа, а ручки выполнены с отсутствием выступания за габаритный размер панели с лицевой стороны.
Кроме того, в герметизирующей панели разгрузочный элемент может быть выполнен в виде втулки или изогнутой под углом пластины, частично охватывающих силовой каркас герметичного бокса, либо ответный элемент, установленный на силовом каркасе. Металлический лист по периметру может быть усилен уголковым профилем, высота которого с учетом толщины листа подобрана из условия сжатия уплотнительной прокладки 25-40%.
Влияние отличительных признаков патентной формулы герметичного бокса для размещения оптического оборудования на технический результат.
Выполнение металлического корпуса и силового каркаса в виде единой сборно-сварной конструкции из герметично закрепленных на внешних поверхностях стержней силового каркаса герметизирующих панелей, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики бокса, обеспечить доступ к каждому прибору отдельно для его диагностики, обслуживания и замены без использования спецоборудования, что расширяет эксплуатационные возможности, а также снизить затраты на изготовление за счет уменьшения металлоемкости, длины сварных швов и объема механической обработки.
Герметичная сварка между собой стержней квадратного и/или прямоугольного сечения силового каркаса, к которым крепятся герметизирующие панели и формирование на внешних поверхностях стержней силового каркаса отверстий для крепежных элементов герметизирующих панелей позволяют обеспечить минимальные количество деталей, сварных швов и объем механической обработки, что положительно влияет на достигаемый технический результат.
Выполнение элементов крепления размещаемого оптического оборудования юстируемыми с возможностью линейного и углового перемещения позволяет проводить юстировку каждого оптического прибора, установленного в бокс по отдельности, что также расширяет эксплуатационные возможности устройства.
Дополнительное оснащение герметичного бокса выдвижными элементами загрузки оборудования позволяет упростить установку оптических приборов большой массы и габаритов в бокс, что также положительно влияет на технический результат.
Выполнение взаимно перпендикулярных пазов монтажных пластин опорных блоков Т-образными обеспечивают удобство и скорость монтажа герметичного бокса на опорную поверхность.
Исполнение узлов ввода/вывода лазерного излучения, ввода вакуумных, газовых магистралей, ввода электрических и оптических кабелей съемными, с применением фланцевых соединений и средств уплотнения позволяет осуществлять быструю замену этих узлов на месте эксплуатации при возможном их повреждении или при изменении состава оборудования, размещаемого в боксе, что также влияет на достигаемый технический результат.
Влияние отличительных признаков патентной формулы герметизирующей панели для герметичного бокса на технический результат.
Установка в средней части герметизирующей панели на тыльной стороне, по меньшей мере, одного разгрузочного элемента со средствами регулировки, обеспечивающего дополнительную точку крепления на силовом каркасе герметичного бокса, позволяет по условиям прочности и жесткости значительно уменьшить толщину листа панели и избежать введения ребер жесткости, частично снять нагрузку с крепежных элементов, обеспечить однозначность установки герметизирующей панели на силовом каркасе, в результате чего улучшаются эксплуатационные характеристики за счет меньшей массы и удобства монтажа панели и уменьшается стоимость за счет уменьшения металлоемкости и объема механической обработки.
Определение, при установке более одного разгрузочного элемента, их местоположения расчетным образом из условия одинаковой деформации в различных зонах, позволяет выбрать наиболее оптимальную толщину листа панели, что также влияет на достигаемый технический результат.
Выполнение ручек с отсутствием выступания за габаритный размер панели с лицевой стороны позволяет обеспечить минимальные габаритные размеры герметичного бокса, а также обеспечить большую безопасность персонала при эксплуатации.
Выполнение в герметизирующей панели разгрузочного элемента в виде втулки или изогнутой под углом пластины, частично охватывающих силовой каркас герметичного бокса, либо ответный элемент, установленный на силовом каркасе, являются наиболее оптимальными вариантами с точки зрения изготовления и удобства при последующей сборке.
Установка по периметру металлического листа уголкового профиля, высота которого с учетом толщины листа подобрана из условия сжатия уплотнительной прокладки 25-40%, позволяет локально, без увеличения толщины листа, повысить жесткость панели в местах установки крепежных элементов, а также ограничивает степень сжатия уплотнительной прокладки, тем самым обеспечивая необходимые условия ее работы.
Рассмотрим реализацию предлагаемой группы изобретений, представленных на фиг. 1-5.
На фиг. 1 - фрагмент герметичного бокса со снятой герметизирующей панелью;
На фиг. 2 - фрагмент герметичного бокса в разрезе;
На фиг. 3 - вариант съемного узла ввода-вывода лазерного излучения (а), ввода вакуумной или газовой магистрали (б), ввода электрических кабелей (в);
На фиг. 4 - опорный блок в разрезе;
На фиг. 5 - разгрузочный элемент в виде втулки (а) и изогнутой под углом пластины (б);
На фиг. 6 - ручка герметизирующей панели.
На фигурах позициями обозначены:
1 - силовой каркас;
2 - герметизирующая панель;
3 - опорные блоки;
4 - элементы крепления оптического оборудования
5 - лист герметизирующей панели;
6 - уголковый профиль герметизирующей панели;
7 - уплотнительная прокладка герметизирующей панели;
8 - крепежные элементы герметизирующей панели;
9 - средства уплотнения съемного узла;
10 - крепежные элементы съемного узла;
11 - усиливающая накладка съемного узла;
12 - фланец;
13 - трубопровод с фланцем;
14 - панель разъемов;
15 - нижняя монтажная пластина;
16 - верхняя монтажная пластина;
17 - Т-образный болт;
18 - разгрузочный элемент;
19 - средства регулировки.
Герметичный бокс для размещения оптического оборудования включает в себя металлический корпус, ограничивающий внутренний герметизированный объем бокса, образован силовым каркасом 1 и закрепленными на нем герметизирующими панелями 2, и представляет собой сборно-сварную конструкцию (см. фиг. 1).
Металлический корпус выполнен со съемными узлами ввода-вывода лазерного излучения (см. фиг. 3а) и/или ввода вакуумных и газовых магистралей (см. фиг. 3б) и/или ввода электрических и оптических кабелей (см. фиг. 3в). Съемные узлы выполнены с применением фланцевых соединений и уплотнительных прокладок 9. Узел ввода-вывода лазерного излучения включает в себя фланец 12, уплотнительную прокладку 9, усиливающую накладку 11 и крепежные элементы 8, и предназначен для стыковки бокса с герметичным световодом или герметичной установки оптического элемента на панель герметичного бокса (см. фиг. 3а). Узел ввода вакуума или газа включает в себя трубопровод с фланцем 13, уплотнительную прокладку 9, усиливающую накладку 11 и крепежные элементы 8 (см. фиг. 3б). Узел ввода электрических и оптических кабелей предназначен для обеспечения дистанционной автоматической работы оборудования, размещаемого в боксе, включает в себя панель разъемов 14 с герметичными проходными разъемами, уплотнительную прокладку 9, усиливающую накладку 11 и крепежные элементы 8 (см. фиг. 3в). При этом разъемы расположены в нише, образованной панелью разъемов 14, уплотнительной прокладкой 9, усиливающей накладкой 11, и могут быть закрыты защитной крышкой, что значительно уменьшает вероятность их повреждения и загрязнения.
Силовой каркас 1, обеспечивающий герметичность, прочность и жесткость конструкции бокса выполнен из стержней квадратного и/или прямоугольного сечения, соединенных между собой при помощи сварки. Стержни изготавливаются из стандартных труб из стали или алюминиевых сплавов, могут быть защищены после сварки лакокрасочным или иным покрытием, выбираются с соблюдением условия достаточной прочности и жесткости конструкции, а также в зависимости от конкретных условий эксплуатации, назначения и т.п.
На внешних поверхностях стержней силового каркаса 1, к которым крепятся герметизирующие панели 2, сформированы отверстия для крепежных элементов 8 герметизирующих панелей 2. Отверстия выполняются вне зон, ограниченных габаритами уплотнительных прокладок 7 герметизирующих панелей 2 и могут быть резьбовыми или гладкими, с последующей установкой «гаечных» заклепок, для случая, если резьбовое отверстие, выполненное в стенке трубы силового каркаса 1, не удовлетворяет условиям прочности. Таким образом, внутренние полости труб, к которым крепятся герметизирующие панели 2, сообщаются с окружающей средой через отверстия, то есть эти трубы должны быть сварены между собой герметично. При этом следует отметить, что выполнение сквозных отверстий в стенках труб силового каркаса 1, к которым крепятся герметизирующие панели 2, в зонах, отличных от зон, описанных выше, не допускается, так как герметичность каркаса в таком случае будет утрачена (см. фиг. 2). Стержни силового каркаса, к которым герметизирующие панели 2 не крепятся, герметичной сварки не требуют и допускают выполнение в них отверстий без ограничений, так как они целиком находятся во внутреннем герметичном объеме бокса.
Для обеспечения условий работы уплотнительных прокладок 7 герметизирующих панелей 2 в местах их стыковки с силовым каркасом 1 необходимо обеспечить шероховатость поверхностей стержней силового каркаса 1 не более Ra 2,5 мкм. При этом, как правило, трубы в состоянии поставки имеют не худшую шероховатость поверхностей, поэтому механическая обработка поверхностей стержней силового каркаса 1 после сварки в большинстве случаев не требуется, за исключением снятия усилений сварных швов с соответствующей шероховатостью в местах стыковки силового каркаса 1 с уплотнительными прокладками 7 герметизирующих панелей 2.
Юстируемые опорные блоки 3 с монтажными пластинами с Т-образными пазами также включают в себя винты со сферическими опорными поверхностями, ответные винтам опорные фланцы, элементы выборки люфтов и крепления к опорной поверхности, устанавливается на соответствующие ответные приварные элементы силового каркаса 1.
Элементы крепления оптического оборудования 4 выполнены юстируемыми, с возможностью линейного и углового перемещения каждого оптического прибора по отдельности, устанавливаются на соответствующие ответные приварные элементы силового каркаса 1 (см. фиг. 1).
Дополнительно герметичный бокс оснащен выдвижными элементами (на фиг. не показано) загрузки оборудования, выполненными в виде телескопических штанг с элементами крепления для соответствующих приборов.
Герметизирующая панель 2 для герметичного бокса в простейшем случае включает в себя металлический лист 5, стандартные профили уголкового сечения 6, которые закреплены к металлическому листу 5 по периметру с лицевой стороны при помощи контактной или других видов сварки (герметичность сварных швов не требуется), уплотнительную прокладку 7 из резинового профиля, приклеенную по периметру с тыльной стороны на заданном расстоянии от края герметизирующей панели 2. Высота уголкового профиля 6 с учетом толщины металлического листа подобрана из условия сжатия уплотнительной прокладки 7 25-40%. Следует отметить, что после сварки механическая обработка металлического листа 5 или уголкового профиля 6 герметизирующей панели 2 в большинстве случаев также не требуется. По периметру герметизирующей панели 2 на заданном расстоянии от ее края сформированы отверстия под крепежные элементы 8, в качестве которых для удобства использованы невыпадающие винты.
Герметизирующие панели 2, предназначенные для обслуживания оборудования, установленного в герметичный бокс, снабжены ручками, которые выполнены с отсутствием выступания за габаритный размер герметизирующей панели 2 с лицевой стороны и представляют собой диск с буртом и выборкой под пальцы руки, установленный на металлический лист 5 герметизирующей панели 2 герметично при помощи сварки или иным способом (см. фиг. 6).
Крупногабаритные герметизирующие панели снабжены одним или несколькими разгрузочными элементами 18 со средствами регулировки 19 (см. фиг. 5) в виде винтов или деталей с пазами, расположенными в средней части герметизирующей панели 2 на тыльной стороне и обеспечивающими дополнительную точку крепления, удобство и однозначность монтажа панели на силовом каркасе 2 герметичного бокса. Количество разгрузочных элементов 18 определяется допустимой величиной деформации панели под действием заданного избыточного давления при заданной толщине металлического листа 5, которая в свою очередь выбирается конструктивно с учетом изготовления и эксплуатации. При установке более одного разгрузочного элемента их местоположение определяют расчетным образом из условия одинаковой деформации в различных зонах металлического листа.
Разгрузочный элемент 18 выполнен в виде втулки (см. фиг. 5а) или изогнутой под углом пластины (см. фиг. 5б), частично охватывающих силовой каркас 1 герметичного бокса, либо ответный элемент, установленный на силовом каркасе 1.
Рассмотрим работу герметичного бокса. После проведения комплексных подготовительных работ, герметичный бокс устанавливается на месте эксплуатации в проектное положение с использованием опорных блоков 3, которые позволяют производить линейную и угловую регулировку положения бокса, а также жесткую его фиксацию. При этом сначала к основанию крепятся нижние монтажные 15 пластины с Т-образными пазами из комплекта опорных блоков 3, затем на них устанавливается силовой каркас 1 с заранее установленными герметизирующими панелями 2 и опорными блоками 3 с верхними монтажными пластинами 16 с Т-образными пазами. После чего с помощью опорных блоков 3 производится регулировка положения герметичного бокса, выборка люфтов и фиксация Т-образными «станочными» болтами 17, головки которых заводятся в соответствующие открытые Т-образные пазы верхних монтажных пластин 16, поворачиваются на 90°, пропускаются в Т-образные пазы нижних монтажных пластин 15, поворачиваются по часовой стрелке до упора и крепятся гайками (см. фиг. 4). Демонтаж производится в обратном порядке.
На следующем этапе к узлам ввода-вывода лазерного излучения (см. фиг. 3а) металлического корпуса герметичного бокса крепятся герметичные световоды или герметично устанавливаются узлы оптических окон, осуществляется «внешние» подключения к узлам ввода вакуумных и/или газовых магистралей (см. фиг. 3б) и/или узлам ввода электрических и оптических кабелей (см. фиг. 3в).
Установка приборов в герметичный бокс производится с помощью средств загрузки после демонтажа необходимого количества герметизирующих панелей. Ручная линейная и угловая юстировка, фиксация приборов осуществляется при помощи юстируемых элементов крепления. Далее следует «внутренние» подключения приборов к узлам ввода вакуумных и/или газовых магистралей (см. фиг. 3б) и/или узлам ввода электрических и оптических кабелей (см. фиг. 3в) и проверка на герметичность и работоспособность.
Крепление ранее снятых герметизирующих панелей 2 осуществляется винтами 8, которые при затягивании формируют усилие, в результате чего происходит герметизация за счет деформации уплотнительной прокладки 7. Затяжка винтов 8 проводится до соприкосновения ребра уголкового профиля 6 герметизирующей панели 2 и поверхности силового каркаса 1. При заполнении герметичного бокса газом под избыточным давлением панель испытывает нагрузку, под действием которой происходит ее деформация, которая в зоне расположения разгрузочного элемента 18 достигает величины проектного монтажного зазора между разгрузочным элементом 18 и ответным элементом каркаса, равным 1-2 мм, после чего разгрузочный элемент 18 панели входит в зацепление с ответным элементом каркаса, тем самым предотвращая дальнейшую деформацию панели в зоне расположения разгрузочного элемента 18 и значительно, до нескольких десятков раз, снижая величину деформации в других зонах.
На предприятии была проведена конструкторская разработка и изготовлена серия опытных образцов герметичных боксов различных размеров. Опытные образцы были испытаны на прочность и герметичность, была проверена работа механизмов и систем. По результатам испытаний боксы подтвердили заявленные технические характеристики и были приняты в эксплуатацию. Таким образом, предлагаемое изобретение позволило расширить эксплуатационные возможности за счет уменьшения массогабаритных характеристик и обеспечения доступа к каждому элементу отдельно для его диагностики, обслуживания, замены и ручной юстировки, а также снижения затрат на изготовление за счет уменьшения металлоемкости и трудоемкости.