CN105909973B - 一种放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置。该防爆破装置利用真空规管、真空开关、高真空电磁阀、安全爆破片的特点，结合PLC控制系统软硬件，充分考虑到各种潜在的安全隐患，在整个真空度范围5×10²Pa~1×10⁵ Pa内，组成了具有四级防护功能的防爆破装置，该防爆破装置具有安全性好、响应快、可靠性高的优点，对处于复杂而特殊的真空环境中的玻璃隔板起到了很好的安全保护作用。

Description

一种放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置

技术领域

本发明属于压力容器防爆泄压领域，具体涉及一种放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置。

背景技术

目前，压力容器中防止超压或过度真空的装置主要是安装安全爆破片和泄压阀，对于安全爆破片和泄压阀，已经有相关的国家标准和若干专利。众所周知，安全爆破片主要是由爆破片和夹持器等组成的压力泄放装置，爆破片两侧压力差达到预设定值时，爆破片即刻动作（破裂或脱落），并泄放流体介质，属于一次性的泄压装置，爆破片破裂后不可恢复和再投入使用。泄压阀，又名安全阀，可以根据系统的工作压力自动启闭，当达到安全压力的上限时能够自动开启，把压力释放一部分，当压力下降到安全压力以下时，泄压阀自动关闭，所以泄压阀属于可重复使用型安全装置。

当前，在大型高功率激光装置中，在大口径光束传输路径中有一块真空玻璃隔板，尺寸是400mm（长）×400mm（宽）×10mm（厚），放置在两个真空容器之间，由于大口径激光要通过该玻璃，所以不能采用不锈钢板或者铝板，必须采用玻璃板，玻璃作为透射光学元件，必须能透过高能、高密度、大口径的光束，且对光束能量损耗和光路指向性的影响要尽量小，这就要求玻璃隔板尽量薄，实际试验选择厚度为10cm的石英玻璃作为真空隔离板，但是，作为隔离真空的玻璃隔板，两侧安全压差必须控制在10000Pa以内（玻璃隔板两侧额定工作压力分别是在1×10^-4Pa（高真空）和1000Pa（低真空）），当隔板两侧压差大于10000Pa时，玻璃隔板就有破碎的危险，会损害真空容器中的其他贵重光学元件，甚至损坏真空机组。为了对复杂真空环境中的玻璃隔板进行有效保护，必须研制一套专用的功能完备的防爆破安全泄压装置，来达到此项苛刻的安全要求。

目前，国内和国外尚无此类特殊用途的防爆破泄压装置，通常采用安装安全爆破片和泄压阀保护，而大型高功率激光装置对安全性、可靠性、气密性、快速性要求较高，并且要有一定的自恢复能力。爆破片属于一次性耗材器件，爆破后不能恢复，功能单一，不能单独使用来完成本特殊真空系统中的安全防护，只能作为其中机械泄压级安全防护的组成器件。泄压阀的气密性低，无法对两侧都是真空的环境进行可靠真空隔离和密封；尤其在两侧1000Pa这样的小压差下，更无法实现快速开阀泄压（对于泄压阀，压差越大，泄压越快）。以上两种安全防护装置均不满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置。

本发明的放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置，其特点是，包括高真空容器、低真空容器、高真空管道、低真空管道、高真空规管、低真空规管、真空开关Ⅰ、真空开关Ⅱ、高真空电磁阀Ⅰ、高真空电磁阀Ⅱ、安全爆破片Ⅰ、安全爆破片Ⅱ、电气控制线路、PLC（Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器，简称PLC）控制系统；

所述的高真空容器和低真空容器之间放置玻璃隔板；所述的高真空管道与高真空容器连通，高真空管道上安装有高真空规管和真空开关Ⅰ；所述的低真空管道与低真空容器连通，低真空管道上有安装低真空规管和真空开关Ⅱ；所述的高真空管道和低真空管道之间并联高真空电磁阀Ⅰ、高真空电磁阀Ⅱ、安全爆破片Ⅰ和安全爆破片Ⅱ；

所述的高真空规管和低真空规管的真空读数通过电气控制线路传输至PLC控制系统，PLC控制系统的控制命令通过电气控制线路传输至高真空电磁阀Ⅰ和高真空电磁阀Ⅱ；

所述的真空开关Ⅰ或真空开关Ⅱ的设定值控制高真空电磁阀Ⅰ或高真空电磁阀Ⅱ打开或关闭；

所述的高真空容器和低真空容器之间的压差值控制安全爆破片Ⅰ和安全爆破片Ⅱ的爆破，安全爆破片Ⅰ和安全爆破片Ⅱ的爆破方向相反。

所述的玻璃隔板的尺寸范围为：矩形范围为200mm×200mm~ 400mm×400mm，厚度范围为2.5 mm ~10mm；圆形直径范围为Φ200mm~ 400mm，厚度范围为2.5 mm ~10mm。

所述的高真空规管为复合真空计，压力测量范围为5×10^-8 Pa ~1.5×10⁵ Pa；低真空规管的压力测量范围为5×10^-2 Pa ~1.5×10⁵ Pa。

所述的真空开关Ⅰ或真空开关Ⅱ的设定值A为5000Pa，精度为±100 Pa。

所述的高真空电磁阀Ⅰ（10）和高真空电磁阀Ⅱ（11）为内置不锈钢波纹管密封结构的角阀，漏率为5×10^-10 Pa·m³/s，开方向和关方向的压差均≤1.3×10⁵ Pa，工作最小压强为1×10^-6 Pa。

所述的安全爆破片Ⅰ和安全爆破片Ⅱ的爆破压力设定值B为10000Pa（B=2A），精度为±5% 。

本发明的的防爆破装置基于以下设计思路：

需要保护的玻璃隔板放置在高真空容器和低真空容器之间，起真空隔离的作用。为了确保玻璃隔板的安全，必须严格控制玻璃隔板两侧的压强差，本发明的防爆破装置首先是通过PLC电气软件程序根据真空规管的读数自动控制声光报警和电磁阀自动的打开和关闭、其次是机械真空开关直接电气硬件控制电磁阀自动打开和关闭、以及完全由两个机械式爆破片双向超压爆破的方式，多种防爆破方式按照压强逐渐增大的顺序有机结合，实现了对玻璃隔板的四级有效保护。

第一级保护是将PLC控制系统通过电气控制线路与高真空规管和低真空规管连接在一起，PLC控制软件自动对真空规管进行实时监测，当任意一个真空规管的读数超过设定值时，PLC的自动控制程序会发出“漏气报警”命令给蜂鸣器发出声光报警，实现第一级声光报警。

第二级保护是将PLC控制系统通过电气控制线路与高真空规管和低真空规管，以及两个并联的高真空电磁阀Ⅰ和高真空电磁阀Ⅱ连接在一起。当第一级的“漏气报警”没有得到有效处理，真空规管的读数继续上升到“自动开阀”的阈值时，PLC程序软件根据真空规管的读数自动控制高真空电磁阀Ⅰ和高真空电磁阀Ⅱ开阀泄压，实现PLC软件自动控制开阀泄压保护。

第三级保护是将真空开关Ⅰ或真空开关Ⅱ的通过电气控制线路与高真空电磁阀Ⅰ或高真空电磁阀Ⅱ相连。当第一级和第二级保护失效，玻璃隔板两侧的压强继续增大，达到真空开关Ⅰ或真空开关Ⅱ的设定值时，真空开关Ⅰ或真空开关Ⅱ出触点信号控制高真空电磁阀Ⅰ或高真空电磁阀Ⅱ打开，实现电气硬件开阀泄压保护；

第四级保护是由高真空容器和低真空容器之间并联的安全爆破片Ⅰ和安全爆破片Ⅱ组成，爆破方向相反。当前三级保护均失效，玻璃隔板两侧的压强继续增大，达到安全爆破片的设定爆破阈值时，爆破片自动爆破泄压，实现机械级硬件保护。

本发明的放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置利用真空规管、真空开关、高真空电磁阀、安全爆破片的特点，结合PLC控制系统软硬件，充分考虑到各种潜在的安全隐患，在整个真空度范围5×10²Pa ~1×10⁵ Pa内，组成了具有四级防护功能的防爆破装置，该防爆破装置具有安全性好、响应快、可靠性高的优点，对处于复杂而特殊的真空环境中的玻璃隔板起到了很好的安全保护作用。

附图说明

图1为本发明的放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置的结构图。

图中，1.玻璃隔板，2.高真空容器，3. 低真空容器，4.高真空管道，5.低真空管道，6.高真空规管，7.低真空规管，8.真空开关Ⅰ，9.真空开关Ⅱ，10. 高真空电磁阀Ⅰ，11.高真空电磁阀Ⅱ，12.安全爆破片Ⅰ，13. 安全爆破片Ⅱ，14.电气控制线路，15.PLC控制系统。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明。

以下实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

如图1所示，本发明的放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置，包括高真空容器2、低真空容器3、高真空管道4、低真空管道5、高真空规管6、低真空规管7、真空开关Ⅰ8、真空开关Ⅱ9、高真空电磁阀Ⅰ10、高真空电磁阀Ⅱ11、安全爆破片Ⅰ12、安全爆破片Ⅱ13、电气控制线路14、PLC控制系统15；

所述的高真空容器2和低真空容器3之间放置玻璃隔板1；所述的高真空管道4与高真空容器2连通，高真空管道4上安装有高真空规管6和真空开关Ⅰ8；所述的低真空管道5与低真空容器3连通，低真空管道5上有安装低真空规管7和真空开关Ⅱ9；所述的高真空管道4和低真空管道5之间并联高真空电磁阀Ⅰ10、高真空电磁阀Ⅱ11、安全爆破片Ⅰ12和安全爆破片Ⅱ13；

所述的高真空规管6和低真空规管7的真空读数通过电气控制线路14传输至PLC控制系统15，PLC控制系统15的控制命令通过电气控制线路14传输至高真空电磁阀Ⅰ10和高真空电磁阀Ⅱ11；

所述的真空开关Ⅰ8或真空开关Ⅱ9的设定值控制高真空电磁阀Ⅰ10或高真空电磁阀Ⅱ11打开或关闭；

所述的高真空容器2和低真空容器3之间的压差值控制安全爆破片Ⅰ12和安全爆破片Ⅱ13的爆破，安全爆破片Ⅰ12、安全爆破片Ⅱ13的爆破方向相反。

所述的玻璃隔板的尺寸范围为：矩形范围为200mm×200mm~ 400mm×400mm，厚度范围为2.5 mm ~10mm；圆形直径范围为Φ200mm~ 400mm，厚度范围为2.5 mm ~10mm。

所述的高真空规管为复合真空计，压力测量范围为5×10^-8 Pa ~1.5×10⁵ Pa；低真空规管的压力测量范围为5×10^-2 Pa ~1.5×10⁵ Pa。

所述的真空开关Ⅰ或真空开关Ⅱ的设定值A为5000Pa，精度为±100 Pa。

所述的高真空电磁阀Ⅰ（10）和高真空电磁阀Ⅱ（11）为内置不锈钢波纹管密封结构的角阀，漏率为5×10^-10 Pa·m³/s，开方向和关方向的压差均≤1.3×10⁵ Pa，工作最小压强为1×10^-6 Pa。

所述的安全爆破片Ⅰ和安全爆破片Ⅱ的爆破压力设定值B为10000Pa（B=2A），精度为±5% 。

以被保护的玻璃隔板1的尺寸为400mm（长）×400mm（宽）×10mm（厚）为例加以说明，该玻璃隔板1的理论爆破压力，即极限压强为Pj=50000Pa，安全系数取：γ=（极限压力Pj/许用压力Px）≥5，许用压力为Px≤极限压力Pj/5=10000Pa 。因此，选用复合型高真空规管6，即将两种真空计集成在一个小型的单元内，压力测量范围为5×10^-8 Pa ~1×10⁵ Pa；低真空规管7的压力测量范围为5×10^-2 Pa ~1.5×10⁵ Pa；真空开关Ⅰ8或真空开关Ⅱ9的设定值A为5000Pa，精度为±100 Pa；高真空电磁阀Ⅰ10和高真空电磁阀Ⅱ11为内置不锈钢波纹管密封结构的角阀，漏率为5×10^-10 Pa·m³/s，开方向和关方向的压差均≤1.3×10⁵ Pa，工作最小压强为1×10^-6 Pa。安全爆破片Ⅰ12和安全爆破片Ⅱ13的的爆破压力设定值B为10000Pa（B=2A=许用压力为Px），精度为±5% 。

本发明的放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置，对玻璃隔板1进行基于PLC软件、电气硬件和纯机械有机结合的四级保护。每一级保护的具体工作过程如下所述：

第一级保护是PLC控制系统15通过电气控制线路14与高真空规管6和低真空规管7连接在一起，实现PLC程序软件自动控制声光报警保护。具体工作过程为：高真空规管6通过高真空管道4实时监测高真空容器2的真空度P1，低真空规管7通过低真空管道5实时监测低真空容器3的真空度P2，两个真空规管的真空读数通过电气控制线路14传输到PLC控制系统15，PLC控制软件自动进行实时监测，当任意一个真空规管的读数超过设定值时，即P1≥1500Pa或者P2≥1500Pa， PLC的自动控制程序会发出“漏气报警”命令给蜂鸣器发出声光报警，实现第一级声光报警，可以将玻璃隔板1两侧的压强差控制在0~1500Pa之间。

第二级保护为PLC控制系统15通过电气控制线路14与高真空规管6和低真空规管7，以及两个并联的高真空电磁阀Ⅰ10和高真空电磁阀Ⅱ11连接在一起，实现PLC程序软件根据高真空规管6和低真空规管7的读数自动控制高真空电磁阀Ⅰ10和高真空电磁阀Ⅱ11，实现PLC软件自动控制开阀泄压保护。具体工作过程为：高真空规管6通过高真空管道4实时监测高真空容器2的真空度P1，低真空规管7通过低真空管道5实时监测低真空容器3的真空度P2，高真空规管6和低真空规管7的真空读数通过电气控制线路14传输到PLC控制系统15，PLC控制软件自动进行实时监测，当第一级的“漏气报警”没有得到及时有效处理，高真空规管6和低真空规管7的读数继续上升，当任意一个高真空规管6或低真空规管7的读数超过设定值时，即P1≥3000Pa或P2≥3000Pa， PLC的自动控制程序会发出“开阀泄压”命令，高真空电磁阀Ⅰ10和高真空电磁阀Ⅱ11自动强制开阀泄压，玻璃隔板1两侧之间的压强迅速减小直至平衡，实现第二级开阀泄压保护，可以将玻璃隔板1两侧的压强差控制在1500~3000Pa之间。

第三级保护是由真空开关Ⅰ8或真空开关Ⅱ9的通过电气控制线路14与高真空电磁阀Ⅰ10或高真空电磁阀Ⅱ11相连。当出现PLC 软件死机或者没有上电开机等故障，第一级和第二级PLC控制软件保护失效，高真空电磁阀Ⅰ10或高真空电磁阀Ⅱ11未能及时打开泄压，玻璃隔板1两侧的压强继续增大，达到真空开关Ⅰ8或真空开关Ⅱ9的设定值A为5000Pa时，不通过PLC软件，真空开关Ⅰ8或真空开关Ⅱ9输出触点控制信号，直接触发控制继电器打开高真空电磁阀Ⅰ10或高真空电磁阀Ⅱ11，实现电气硬件开阀泄压保护；

第四级保护是由高真空容器2和低真空容器3之间并联的安全爆破片Ⅰ12和安全爆破片Ⅱ13组成，爆破方向相反。当果整个电气系统出现停电等特殊情况，无法发挥电磁阀联通泄压功能，前三级保护均失效时，玻璃隔板1两侧的压强继续增大，达到安全爆破片Ⅰ12和安全爆破片Ⅱ13的设定爆破阈值B为10000Pa（B=2A=许用压力为Px）时，完全独立于电气系统，安全爆破片Ⅰ12和安全爆破片Ⅱ13自动爆破泄压，实现纯机械级硬件保护。

下表1为矩形、表2为圆形的玻璃隔板1的相关技术数据。

表1

表2

Claims (6)

1.一种放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置，其特征在于，包括高真空容器（2）、低真空容器（3）、高真空管道（4）、低真空管道（5）、高真空规管（6）、低真空规管（7）、真空开关Ⅰ（8）、真空开关Ⅱ（9）、高真空电磁阀Ⅰ（10）、高真空电磁阀Ⅱ（11）、安全爆破片Ⅰ（12）、安全爆破片Ⅱ（13）、电气控制线路（14）、PLC控制系统（15）；

所述的高真空容器（2）和低真空容器（3）之间放置玻璃隔板（1）；所述的高真空管道（4）与高真空容器（2）连通，高真空管道（4）上安装有高真空规管（6）和真空开关Ⅰ（8）；所述的低真空管道（5）与低真空容器（3）连通，低真空管道（5）上有安装低真空规管（7）和真空开关Ⅱ（9）；所述的高真空管道（4）和低真空管道（5）之间并联高真空电磁阀Ⅰ（10）、高真空电磁阀Ⅱ（11）、安全爆破片Ⅰ（12）和安全爆破片Ⅱ（13）；

所述的高真空规管（6）和低真空规管（7）的真空读数通过电气控制线路（14）传输至PLC控制系统（15），PLC控制系统（15）的控制命令通过电气控制线路（14）传输至高真空电磁阀Ⅰ（10）和高真空电磁阀Ⅱ（11）；

所述的真空开关Ⅰ（8）通过设定值控制高真空电磁阀Ⅰ（10）和高真空电磁阀Ⅱ（11）同时打开或关闭；所述的真空开关Ⅱ（9）通过设定值控制高真空电磁阀Ⅰ（10）和高真空电磁阀Ⅱ（11）同时打开或关闭；

所述的高真空容器（2）和低真空容器（3）之间的压差值控制安全爆破片Ⅰ（12）和安全爆破片Ⅱ（13）的爆破，安全爆破片Ⅰ（12）、安全爆破片Ⅱ（13）的爆破方向相反。

2.根据权利要求1所述的放置在真空环境中的玻璃隔板的防爆破装置，其特征在于，所述的玻璃隔板（1）的尺寸范围为：矩形范围为200mm×200mm~ 400mm×400mm，厚度范围为2.5 mm ~10mm；圆形直径范围为Φ200mm~ 400mm，厚度范围为2.5 mm ~10mm。

3.根据权利要求1所述的放置在真空环境中的玻璃隔板（1）的防爆破装置，其特征在于，所述的高真空规管（6）为复合真空计，压力测量范围为5×10^-8 Pa ~1.5×10⁵ Pa；低真空规管（7）的压力测量范围为5×10^-2 Pa ~1.5×10⁵ Pa。

4.根据权利要求1所述的放置在真空环境中的玻璃隔板（1）的防爆破装置，其特征在于，所述的真空开关Ⅰ（8）或真空开关Ⅱ（9）的设定值A为5000Pa，精度为±100 Pa。

5.根据权利要求1所述的放置在真空环境中的玻璃隔板（1）的防爆破装置，其特征在于，所述的高真空电磁阀Ⅰ（10）和高真空电磁阀Ⅱ（11）为内置不锈钢波纹管密封结构的角阀，漏率为5×10^-10 Pa·m³/s，开方向和关方向的压差均≤1.3×10⁵ Pa，工作最小压强为1×10^-6 Pa。

6.根据权利要求1所述的放置在真空环境中的玻璃隔板（1）的防爆破装置，其特征在于，所述的安全爆破片Ⅰ（12）和安全爆破片Ⅱ（13）的爆破压力设定值B为10000Pa（B=2A），精度为±5% 。