УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ЕМКОСТИ ГАЗОМ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ
DEVICE TO FILL VESSEL WITH HIGH-PURITY GAS

Изобретение относится к устройствам для заполнения емкостей газами высокой чистоты, в том числе во время и после механических воздействий, например вибрации, и может быть использовано для заполнения рабочими газами химических и фотодиссоционных лазеров, расположенных, в частности, на транспортных средствах.
Известно устройство для одновременного наполнения множества емкостей газом (патент РФ №2337866 от 22.08.2006 г., опубликован 10.11.2008 г.), которое содержит резервуар, соединенный, по меньшей мере, с одним источником вакуума и, по меньшей мере, с одним источником газа. В резервуаре размещены емкости. Емкости закрыты предохранительно-пропускным средством, выполненным с возможностью пропускания воздуха или газа в сторону меньшего давления. При этом обеспечивается либо вакуумирование емкости при вакуумировании резервуара, либо проникновение газа в емкости при запускании его в резервуар и прекращении проходимости предохранительно-пропускного средства при уравновешивании давления в емкости и вне ее.
Использование данного устройства весьма затруднительно для заполнения газами емкостей больших объемов, поскольку для их размещения потребуется крупногабаритный резервуар, что вызовет при его изготовлении и эксплуатации трудности в обеспечении высокой степени герметичности, необходимой для работы с газами высокой чистоты. Кроме того, для вакуумирования крупногабаритного резервуара с помещенными внутри него емкостями потребуется использование нескольких высокопроизводительных вакуумных насосов, потребляющих значительное количество электроэнергии. Такое устройство получается громоздким и энергоемким, обладает малой устойчивостью к внешним механическим воздействиям, что не позволяет его использовать в составе транспортного средства.
Известен способ заполнения газом динамически настраиваемых гироскопов (а.с. №1713342 от 13.09.89 г., опубликовано 20.06.96 г.), который реализуется устройством, содержащим гироскоп, вентили, манометры, систему напуска, ловушки, сорбционный насос, баллон с газом, высоковакуумную камеру, масс-спектрометр, электроразрядный магнитный насос.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, которая делает его менее надежным, приводит к повышению стоимости изготовления, а следовательно, отпускной цены. При этом усложняется работа на устройстве, в результате чего повышается вероятность ошибочных действий операторов, работающих на нем. В данном устройстве присутствуют составные части (например, масс-спектрометр) с малой устойчивостью к механическим воздействиям, в связи с чем становится невозможным его применение в мобильных передвижных комплексах, где уровень механических воздействий во время транспортирования высок.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для заполнения баллонов сжатым газом (патент РФ №2189522 от 28.12.2000 г., опубликован 20.09.2002 г.), которое по первому варианту исполнения содержит запорный клапан и электроконтактный манометр, соединенный с магистралью высокого давления, заправочный рукав с разъемом для баллонов, обратным клапаном и трехходовым краном. Запорный клапан снабжен дренажным клапаном, связанным с магистралью низкого давления, а трехходовой кран установлен между разъемом заправочного рукава и обратным клапаном по направлению потока газа. По второму варианту исполнения предлагаемое устройство содержит запорный клапан и электроконтактный манометр, соединенный с магистралью высокого давления, заправочный рукав с разъемом для баллонов и обратным клапаном. Запорный клапан снабжен дренажным клапаном, связанным с магистралью низкого давления, а заправочный рукав снабжен шаровым краном, установленным перед обратным клапаном по направлению потока, и клапаном сброса, расположенным за обратным клапаном перед разъемом баллона.
Недостатком этого устройства является отсутствие в его конструкции системы вакуумирования, в результате чего становится затруднительной откачка газа из емкости до давления, обеспечивающего необходимую чистоту газа, заполняющего сосуд. Использование в магистралях гибких рукавов, имеющих высокое газовыделение как в варианте изготовления из полимерных материалов (эти материалы обладают высоким газовыделением), так и в варианте изготовления из металлических гофрированных элементов (газ выделяется из складок гофр), приводит к существенному увеличению времени откачки газа из емкости. Кроме того, гофрированные элементы имеют высокие гидравлические сопротивления газовому потоку, что также увеличит время вакуумирования (например, коэффициент сопротивления трения у труб с гладкими стенками при Re>2000 не превышает 0,04, тогда как у армированных рукавов этот показатель равен 0,1 (см. И.Е.Идельчик «Справочник по гидравлическим сопротивлениям». М.: Государственное энергетическое издательство, 1960). Низкий ресурс гибких рукавов в условиях воздействия транспортных нагрузок и климатических факторов существенно снижает надежность конструкции, уменьшает запас прочности.
Задачей, решаемой заявляемым устройством, является надежное заполнение емкостей газами высокой чистоты (в частности, химических и фотодиссоционных лазеров рабочими газами) за короткий промежуток времени, в различных климатических условиях, во время и после воздействия транспортных нагрузок.
Техническим результатом является увеличение запаса прочности устройства, степени его транспортабельности, повышение срока эксплуатации с обеспечением высоких показателей надежности при снижении трудоемкости процесса заполнения, упрощении операций по подсоединению устройства к емкости, уменьшении стоимости изготовления.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для заполнения емкости газом высокой частоты дополнительно содержит систему вакуумирования, снабженную трубопроводом с разъемом для емкости и коммутационной арматурой, на последнем трубопроводе установлено средство измерения давления газа, при этом оба трубопровода выполнены из металлических труб и закреплены на платформе, элементы крепления трубопроводов обеспечивают возможность перемещения трубопроводов по поверхности платформы или их непосредственное крепление к ней.
Средство измерения давления газа может состоять из двух вакуумметров, один из которых деформационного типа для измерения низкого вакуума, а второй - термовакуумный манометрический преобразователь для измерения среднего вакуума.
Средства измерения давления газа могут быть установлены непосредственно на трубопроводе системы вакуумирования.
Элементы крепления трубопроводов могут быть выполнены в виде хомутов.
Платформа может быть выполнена с возможностью перемещения относительно емкости.
Заправочный трубопровод может быть подсоединен по центру емкости.
Наличие системы вакуумирования, снабженной трубопроводом с разъемом для емкости и коммутационной арматурой, позволяет быстро подсоединиться к сосуду и к вакуумному насосу, отвакуумировать сосуд за короткий промежуток времени до давления, необходимого для сохранения высокой чистоты заполняемых газов. Высокая чистота газов внутри сосудов обеспечивается также:
- наличием средства измерения давления газа, что позволяет надежно контролировать давление газа в сосуде во время его вакуумирования, исключая возможность заполнения сосуда рабочей средой до момента достижения необходимого вакуума;
- выполнением трубопроводов из металлических труб, имеющих, в отличие от прочих материалов, ничтожно малое газовыделение.
Металлический трубопровод системы вакуумирования, обладающий низким гидравлическим сопротивлением, позволит провести откачку газа из емкости за короткий промежуток времени.
Следует отметить, что использование для измерения давления газа двух вакуумметров, один из которых деформационного типа для измерения низкого вакуума, а второй - термовакуумный манометрический преобразователь для измерения среднего вакуума, позволяет проводить:
- с помощью вакуумметра деформационного типа - первичный контроль давления и контроль давления при отсутствии электроэнергии;
- с помощью термовакуумного манометрического преобразователя - контроль давления среднего вакуума перед заполнением газов высокой чистоты;
- сохранение контроля давления при отказе одного из вакуумметров.
Установка средств измерения давления газа непосредственно на трубопроводе системы вакуумирования позволит, во-первых, максимально близко приблизить средства измерения к газовой полости сосуда, что существенно повысит точность измерения, во-вторых, исключить дополнительные газовые коммуникации, повышающие вероятность появления течей, снижающие прочность и жесткость устройства, усложняющие его конструкцию.
То, что трубы закреплены на платформе с помощью элементов крепления, и то, что трубы металлические, существенно увеличивает запас прочности устройства, степень его транспортабельности, повышает срок эксплуатации, обеспечивает высокие показатели надежности. Высокая жесткость данной сборки обеспечивает значительную вибропрочность и виброустойчивость конструкции, что особенно важно, например, при длительном транспортировании с высоким уровнем нагрузок, приводящих в устройствах с меньшей жесткостью и прочностью к усталостному разрушению материалов конструкции с потерей ее работоспособности.
Использование элементов крепления трубопроводов (например, в виде наиболее широко распространенных и простых в изготовлении хомутов), обеспечивающих возможность перемещения трубопроводов по поверхности платформы, позволит за короткий промежуток времени герметично подсоединить трубопроводы к емкости, что обеспечит быстрое и надежное вакуумирование и заполнение ее внутренней полости газами высокой чистоты.
Выполнение платформы с возможностью перемещения относительно емкости позволит упростить проведение сборочных работ, сделает данный процесс более технологичным.
Подсоединение заправочного трубопровода по центру емкости обеспечит за минимальное время наилучшую равномерность распределения рабочего газа по всему объему емкости.
На фиг.1 приведен пример конкретного исполнения заявляемого устройства, на фиг.2 показан вид сверху, на фиг.3 - вид А, фрагмент фиг.2:
1 - емкость с подсоединительными узлами;
2 - заправочный трубопровод;
3 - разъем для подстыковки трубопровода для вакуумирования;
4 - коммутационный узел заправочного трубопровода;
5 - трубопровод для вакуумирования;
6 - разъем для подстыковки заправочного трубопровода;
7 - коммутационный узел трубопровода для вакуумирования;
8 - вакуумметр деформационного типа;
9 - термовакуумный манометрический преобразователь;
10 - платформа;
11 - хомут трубопровода для вакуумирования;
12 - хомут заправочного трубопровода.
3
В качестве примера конкретного исполнения можно рассмотреть устройство, предназначенное для заполнения газами высокой чистоты емкостей объемом до 2 м и более. Устройство может быть использовано, например, для заполнения рабочими газами химических и фотодиссоционных лазеров.
В состав устройства входят (фиг.1, 2, 3) размещенные на платформе поз.10, выполненной из листа металла толщиной, например, 10-15 мм, заправочный трубопровод поз.2 и трубопровод для вакуумирования поз.5. На одном конце трубопровода поз.5 расположен разъем поз.3, предназначенный для герметичного подсоединения к штуцеру емкости поз.1, на другом конце - коммутирующее устройство поз.7 (например, клапан КВР-63), к которому подсоединяется вакуумный насос. На трубопроводе поз.5 размещаются вакуумметры деформационного и теплового типов поз.8 и 9 соответственно (например, марок ВПЗУ и ПМТ-2). Трубопровод поз.5 может быть выполнен из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т, с внутренним диаметром 60-80 мм.
В состав трубопровода поз.2 входит разъем для подстыковки поз.6 и коммутационный узел поз.4 (например, кран А14-Л327), предназначенные для герметичного подсоединения к штуцеру емкости поз.1 и к источнику газа (например, баллону) соответственно. Трубопровод поз.2 может быть выполнен из стали 12Х18Н10Т и термообработан (отожжен) для облегчения гибки при изготовлении. Внутренний диаметр такого трубопровода может составлять 5-15 мм. Такой диаметр является оптимальным для быстрого (за несколько минут) заполнения сосуда рабочими газами при минимальных габаритах и массе.
Трубопроводы поз.2 и 5 закреплены на платформе поз.10 с помощью элементов крепления, выполненных в виде хомутов поз.11 и 12. Хомуты поз.11 и 12 имеют пазы, благодаря которым при ослаблении затяжки винтов (не показаны) хомуты поз.11 и 12 совместно с трубопроводами поз.2 и 5 могут перемещаться по поверхности платформы поз.10, что существенно упрощает процесс подсоединения трубопроводов к емкости поз.1, повышает надежность в обеспечении герметичности соединения.
Устройство работает следующим образом. Платформу поз.10 с трубопроводами поз.2 и 5 устанавливают в непосредственной близости около емкости поз.1 и закрепляют. Крепление трубопроводов поз.2 и 5 к платформе поз.10 ослабляют, после чего указанные трубопроводы перемещают по платформе поз.10 для подвода их разъемов поз.3 и 6 к подсоединительным узлам емкости поз.1. После этого герметично соединяют разъемы поз.3 и 6 с подсоединительными узлами емкости. Затем винты завинчиваются, в результате чего хомуты поз.11 и 12 прижимают трубопроводы поз.2 и 5 к поверхности платформы поз.10. Данная конструкция приобретает жесткость и становится устойчивой к внешним механическим воздействиям, возникающим во время транспортирования, в результате чего повышается надежность устройства в процессе его эксплуатации. К коммутационному узлу поз.7 подсоединяют вакуумный насос (не показан) и через трубопровод поз.5 производят откачку газовой среды из емкости поз.1 до остаточного давления не более 1 Па. Такое давление является минимальным и достаточным для обеспечения требуемой чистоты рабочего газа. Величину давления в емкости поз.1 определяют с помощью вакуумметров поз.8 (низкий вакуум) и поз.9 (средний вакуум). После этого коммутационный узел поз.7 закрывают. К коммутационному узлу поз.4 подсоединяют баллон с газом (не показан), после чего заполняют емкость поз.1 требуемым количеством рабочего газа, коммутационный узел поз.4 закрывают. В результате того что подвод газа осуществляется по центру емкости поз.1, за минимальное время обеспечивается необходимая равномерность распределения рабочего газа в объеме емкости.
После заполнения от трубопроводов поз.2 и 5 отсоединяют вакуумный насос и баллон с газом и проводят необходимые работы с емкостью (если это газовый или фотодиссоционный лазер, то производят генерацию лазерного излучения). Так как рассматриваемая конструкция обладает высокой виброустойчивостью, устройство совместно с емкостью при необходимости можно транспортировать (например, автомобильным транспортом) к месту проведения работ.
В результате за короткий промежуток времени при минимальной трудоемкости производится подсоединение устройства к емкости и заполнение емкости газом высокой чистоты. После этого емкость с устройством может транспортироваться как при отрицательных, так и при положительных температурах внешней среды на расстояние до нескольких тысяч километров любым видом транспорта к месту проведения работ. Срок службы этого устройства превышает 10 лет, а стоимость минимальна.