CN113138152A - 一种超高压气体渗透测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超高压气体渗透测试装置，包括机架、压力系统、合模与密封系统、计量系统、控制系统和温控系统，压力系统包括丝杆电机、丝杆活塞、高压活塞、缸体、弹性气囊、三通管件和测试气源；合模与密封系统包括锁模机构、动模板、定模板、密封圈、多孔垫片；计量系统包括压力传感器、气体检测仪、真空传感器、气体浓度报警器；控制系统包括人机交互面板、采集卡、气泵和安全阀。本发明检测装置通过机械、液压和精密控制相结合，具有超高压检测、无极伺服调压、高压锁模、快变模温、测试样品快速装卸、适用气体种类丰富和节能安全等优点，测试压力可达35‑70MPa超高压，解决了当前高压渗漏系数检测装备耗能大、压力低、操作复杂和供压不稳定等问题。
Description
技术领域
本发明属于特种检测装备领域，具体涉及一种超高压气体渗透测试装置。
背景技术
随着Ⅳ型储氢瓶等高压储气容器的快速发展，越来越多的高压储气容器将采用密度更小的聚合物材料作为主要的阻隔层，以提高储气密度和经济效益；而且，越高的压力越有利于提高储气密度，进而提高经济效益。但在应用聚合物作为阻隔层前，需要对聚合物材料的气体阻隔性能进行测试以检测材料是否满足储氢瓶塑料内胆使用要求。以Ⅳ型储氢瓶为例，其储氢压力通常为35MPa、50MPa和70MPa等极高的压力。储氢瓶内胆材料的氢气阻隔性能是影响氢储运效率的关键因素之一，而且氢气的泄漏量关系到车辆安全和人身安全问题。因此，设计一种可靠的高性能阻隔材料对提高储氢瓶的储氢密度和安全性十分重要。而验证储气瓶塑料内胆材料阻隔性能的关键是设计一种针对超高压气体渗透检测的装备。
现有的多数材料气体渗透性能检测装置是高压腔室压力与大气压相等，而对低压腔室抽真空进行实验测定；或者少数气体渗透检测仪器在高压腔室充入低于5MPa的高压气体，低压腔室抽真空进行检测测定。但是，两腔体之间的压力差仍不满足例如高压储氢瓶的超高压测试要求。而目前国内外一些科研单位研制用于实验的超高压气体渗透检测仪器，其结构复杂，不具备高低温便携控制的能力，难以模拟环境温度随时间变化等情况；除此之外，目前高压腔室的高压除供给稳定性不足的缺陷外，还耗能巨大。因此，需要设计一种稳定可靠的适用于超高压检测和交变温度环境检测的材料气体渗透检测仪器。
发明内容
针对常用的气体渗透检测装备难以适用于超高压气体的渗透检测以及适用于高压检测的设备受高压供给不稳定不连续、温度调节范围窄、速度慢、耗能大等因素限制的问题，本发明提出一种用于超高压气体的渗透测试装置，通过机械增压、无极伺服调压、恒温与快变模温、高压机械锁模等方式，实现安全可靠的材料气体渗透系数检测，进一步优化气体渗透检测装备的应用范围并降低能耗。
本发明一种超高压气体渗透测试装置的结构包括机架、压力系统、合模与密封系统、计量系统、控制系统和温控系统等，所述压力系统包括丝杆电机、丝杆活塞、高压活塞、缸体、弹性气囊、一号三通管件和测试气源；所述合模与密封系统包括锁模机构、动模板、定模板、密封圈、多孔垫片；所述计量系统包括压力传感器、气体检测仪、真空传感器、气体浓度报警器；所述温控系统包括加热冷却部件和热电偶等；所述控制系统包括人机交互面板、采集卡、气泵和安全阀等。
本发明一种超高压气体渗透测试装置的连接方式是：丝杆电机与缸体通过安装架固接，丝杆电机的丝杆一端与丝杆活塞固接，丝杆活塞可在缸体的一侧小端内滑动，并在工作过程中被限制无法进入缸体的中间大缸体部分；丝杆活塞与缸体壁面通过机械密封等形式滑动密封。丝杆活塞与高压活塞之间的缸体内充入液压油，高压活塞可在缸体内滑动；高压活塞与缸体壁面也通过机械密封等形式滑动密封；高压活塞的另一端与缸体另一侧的小端内弹性气囊接触。弹性气囊与缸体的出口紧密连接，并通过机械密封等形式密封。三通管件有两个，分别为一号三通管件、二号三通管件，缸体的出口与一号三通管件的一端直接连接；一号三通管件一端与测试气源相连，另外一端经压力传感器和样品室相连。样品室用于测试样品，其由定模板、动模板、多孔垫片以及密封圈等组成，定模板侧的腔室为高压腔室，动模板侧的腔室为低压腔室。定模板与动模板通过密封圈等部件/结构密封。定模板与锁模机构固接。锁模机构由推力轴承、丝杆、转盘、支座等组成，丝杆与支座螺纹配合，丝杆与转盘固接，丝杆与固定在动模板上的推力轴承配合，定模板上安装有拉杆，动模板与拉杆滑动连接，当转动转盘使丝杆旋转时，可以带动动模板在拉杆上轴向移动。定模板孔道内放置有热电偶，定模板上开设有液体流动孔，定模板与动模板中间的腔体内有多个密封圈和一个多孔垫片。样品测试时在定模板上的安放顺序为一号号密封圈、样品、二号密封圈、多孔垫片、三号号密封圈，动模板上设有一个气道经过真空传感器与二号三通管件相连，二号三通管件的另外两端分别连接气体检测仪和真空泵。样品室外侧放置有气体浓度报警器。
本发明一种超高压气体渗透测试装置的具体测试方式是：将气囊中的气体完全排出。然后将已处理完成的样品放入样品室中，并使用锁模机构密封样品室。在人机交互面板中设定样品室温度，使样品处的温度处于预定值的误差范围内。在人机交互面板上设定高压腔室压力与低压腔室真空度；测试气源向弹性气囊和样品室中充入一定量气体，完成后关闭一号阀门；丝杆电机转动，推动丝杆活塞运动，并通过液压油驱动高压活塞运动，挤压弹性气囊，压力传感器监控压力值大小，控制系统调节使得压力值稳定处于预定值。同时，真空泵运转，当真空传感器检测到真空度达到预定值时，真空泵关闭，并关闭二号阀门。气体检测仪测量气体传输量，记录气体传输量与时间关系曲线，具体操作规范参照国家法规标准。试验装置应安放在通风良好处，并由气体浓度报警器监控。
所述缸体具体结构是两端小腔体，中间大腔体。丝杆电机传递给丝杆活塞的推力通过液压增压和工字型圆盘增力的方式传导到弹性气囊，弹性气囊受到挤压形变，弹性气囊内部气体因挤压而压力增大。腔体直径比例由具体需求确定。采用该结构的优点是可以通过小电机实现高压增压和精确的压力控制。所述丝杆电机具有反应速度快、刚性大、精度高的优点，可以通过控制系统的调节为测试提供稳定的气体压强。该方案也可需用其他动力装置作为动力源，例如直线电机等。
所述高压腔室优选通过挤压气囊提供高压气体，以降低泄漏。亦可以选用去掉气囊而提高高压活塞的密封性能的方式进行密封。
所述多孔垫片采用具有较好氢相容性的金属材料制造，其边缘无孔，中间部分开孔。多孔垫片可使较大或较薄的样品在压力差的作用下不发生破坏，同时也不影响气体渗透的检测。针对小样品或较厚的样品，也可选用去掉多孔垫片。所述多孔垫片的孔径和分布方式可由检测需要确定，优选多孔垫片的孔在多孔垫片上均匀分布。
所述合模与密封系统可选直接通过密封圈密封，其结构简单，易于加工制造；也可选用螺纹密封和迷宫密封的单一或组合形式，其能通过延长气体流动路径降低泄露。
所述锁模机构优选机械方式，可以手动转动转盘使丝杆旋转也可采用电动的方式驱动丝杆转动，本结构能为样品室提供极高的锁模力以保证气密性，并且快速装夹的设计有助于减少样品在空气中暴露的时间。所述机械锁模方式也可选用液压、曲轴等提供锁模力，针对传统的测试装备，也可采用螺栓紧固的方式提供锁模力。
所述测试气源优选通过气泵等增压部件将测试气体输入样品室和气囊。也可利用高压储气瓶直接为样品室和气囊供气。供气结束后，断开测试气源与样品室的连接，通过控制压力系统的气囊大小控制压力。
所述加热冷却部件优选在模具内开设液体流动孔，通过改变输入到液体流动孔道中的液体温度或液体类型可精确和快速控制模温。也可选用电加热的方式用于高温或精度要求不高的温度控制。
本发明所述一种超高压气体渗透检测装置的所有与样品室直接或间接连接的部位都需要采用机械密封、密封圈等多种方式密封以保证密封的可靠性。
本发明一种超高压气体渗透检测装置通过机械、液压和精密控制相结合，具有超高压检测、无极伺服调压、高压锁模、快变模温、测试样品快速装卸、适用的气体种类丰富和节能安全等优点，测试压力可达35-70MPa的超高压，解决了当前高压渗漏系数检测装备耗能大、压力低、操作复杂和供压不稳定等问题。
附图说明
图1是一种超高压气体渗透测试装置的总体示意图。
图2是一种超高压气体渗透测试装置的样品室示意图，密封是挤压形式。
图3是一种超高压气体渗透测试装置的另一种样品室示意图，密封为螺纹密封加端面密封圈形式。
图4是一种超高压气体渗透测试装置的另一种样品室示意图，密封相当于迷宫式加密封圈形式。
图5是一种超高压气体渗透测试装置的样品室锁模状态三维图。
1-人机交互面板，2-丝杆电机，3-丝杆活塞，4-液压油，5-缸体，6-高压活塞，7-弹性气囊，8-一号三通管件，9-压力传感器，10-样品室，11-转盘，12-锁模结构，13-真空泵，14-二号阀门，15-二号三通管件，16-气体检测仪，17-真空传感器，18-气体浓度报警器，19-测试气源，20-一号阀门，21-安装架，22-拉杆，23-高压腔室，24-热电偶，25-一号密封圈，26-定模板，27-样品，28-三号密封圈，29-低压腔室，30-多孔垫片，31-二号密封圈，32-四号密封圈，33-动模板，34-丝杆，35-推力轴承，36-支座，37-五号密封圈，38-六号密封圈。
具体实施方式
如图1所示，一种超高压气体渗透测试装置的结构包括机架、压力系统、合模与密封系统、计量系统、控制系统和温控系统等。所述压力系统包括丝杆电机2、丝杆活塞3、高压活塞6、缸体5、弹性气囊7、一号三通管件8和测试气源19；所述合模与密封系统包括锁模机构12、动模板33、定模板26、多个密封圈(一号密封圈25；三号密封圈28；二号密封圈31；32四号密封圈)、多孔垫片30；所述计量系统包括压力传感器9、气体检测仪16、真空传感器17、气体浓度报警器18；所述温控系统包括加热冷却部件和热电偶24等；所述控制系统包括人机交互面板1、采集卡、气泵、安全阀等。
所述合模与密封系统可选直接通过密封圈密封，其结构简单，易于加工制造；也可选用螺纹密封和迷宫密封的单一或组合形式，图3所示为螺纹密封加端面密封圈形式，图4所示密封相当于迷宫式加密封圈形式，在迷宫处设置两个密封圈(五号密封圈37和六号密封圈38)，其能通过延长气体流动路径降低泄露。
本发明一种超高压气体渗透测试装置的连接方式是：丝杆电机2与缸体5通过安装架21固接，丝杆电机2的丝杆一端与丝杆活塞3固接，丝杆活塞3可在缸体5的一侧小端内滑动，并在工作过程中被限制无法进入缸体5的中间大缸体部分；丝杆活塞3与缸体5壁面通过机械密封等形式滑动密封。丝杆活塞3与高压活塞6之间的缸体内充入液压油4，高压活塞6可在缸体5内滑动；高压活塞6与缸体5壁面也通过机械密封等形式滑动密封；高压活塞6的另一端与缸体5另一侧的小端内弹性气囊7接触。弹性气囊7与缸体5的出口紧密连接，并通过机械密封等形式密封。缸体5的出口与一号三通管件8的一端直接连接；一号三通管件8一端与测试气源19相连，另外一端经压力传感器9和样品室10相连。样品室10用于测试样品，如图2所示，其由定模板26、动模板33、多孔垫片30以及密封圈(25；28；31；32)等组成，定模板26侧的腔室为高压腔室23，动模板33侧的腔室为低压腔室29。定模板26与动模板33通过密封圈等部件/结构密封。定模板26与锁模机构12固接。锁模机构12由推力轴承35、丝杆34、转盘11、支座36等组成，丝杆34与支座36螺纹配合，丝杆34与转盘11固接，丝杆34与固定在动模板33上的推力轴承35配合，定模板26上安装有拉杆22，动模板33与拉杆22滑动连接，当转动转盘11使丝杆34旋转时，可以带动动模板33在拉杆22上轴向移动，如图5所示。定模板26孔道内放置有热电偶24，定模板26上开设有液体流动孔，定模板26与动模板33中间的腔体内有多个密封圈和多孔垫片30。样品测试时在定模板上的安放顺序为一号密封圈25、样品27、二号密封圈31、多孔垫片30、三号密封圈28，动模板33上设有一个气道经过真空传感器17与二号三通管件15相连，二号三通管件15的另外两端分别连接气体检测仪16和真空泵13。样品室10外侧放置有气体浓度报警器18。
本发明一种超高压气体渗透测试装置的具体测试方式是：将气囊7中的气体完全排出。然后将已处理完成的样品27放入样品室10中，如图2所示。并使用锁模机构12密封样品室10，如图5所示。在人机交互面板1中设定样品室10温度，使样品27处的温度处于预定值的误差范围内。在人机交互面板1上设定高压腔室23压力与低压腔室29真空度；测试气源19向弹性气囊7和样品室10中充入一定量气体，完成后关闭一号阀门20；丝杆电机2转动，推动丝杆活塞3运动，并通过液压油4驱动高压活塞6运动，挤压弹性气囊7，压力传感器9监控压力值大小，控制系统调节使得压力值稳定处于预定值。同时，真空泵13运转，当真空传感器17检测到真空度达到预定值时，真空泵13关闭，并关闭二号阀门14。气体检测仪16测得气体传输速率，直至气体传输速率达到恒定值，继续保持48h后停止试验，记录氢气传输量与时间关系曲线。由试验装备的安全标准，试验装置应安放在通风良好处，并由气体浓度报警器18监控。
以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，均属于本发明。
Claims (6)
1.一种超高压气体渗透测试装置，其特征在于：包括机架、压力系统、合模与密封系统、计量系统、控制系统和温控系统等，所述压力系统包括丝杆电机、丝杆活塞、高压活塞、缸体、弹性气囊、三通管件和测试气源；所述合模与密封系统包括锁模机构、动模板、定模板、密封圈、多孔垫片；所述计量系统包括压力传感器、气体检测仪、真空传感器、气体浓度报警器；所述温控系统包括加热冷却部件和热电偶等；所述控制系统包括人机交互面板、采集卡、气泵和安全阀等；丝杆电机与缸体通过安装架固接，丝杆电机的丝杆一端与丝杆活塞固接，丝杆活塞可在缸体的一侧小端内滑动，并在工作过程中被限制无法进入缸体的中间大缸体部分；丝杆活塞与缸体壁面通过机械密封等形式滑动密封；丝杆活塞与高压活塞之间的缸体内充入液压油，高压活塞可在缸体内滑动；高压活塞与缸体壁面也通过机械密封等形式滑动密封；高压活塞的另一端与缸体另一侧的小端内弹性气囊接触；弹性气囊与缸体的出口紧密连接，并设置有密封结构，三通管件有两个，分别为一号三通管件、二号三通管件，缸体的出口与一号三通管件的一端直接连接；一号三通管件一端与测试气源相连，另外一端经压力传感器和样品室相连；样品室用于测试样品，其由定模板、动模板、多孔垫片以及密封圈组成，定模板侧的腔室为高压腔室，动模板侧的腔室为低压腔室；定模板与动模板间设置有密封，定模板与锁模机构固接，锁模机构由推力轴承、丝杆、转盘、支座等组成，丝杆与支座螺纹配合，丝杆与转盘固接，丝杆与固定在动模板上的推力轴承配合，定模板上安装有拉杆，动模板与拉杆滑动连接，定模板孔道内放置有热电偶，定模板上开设有液体流动孔，定模板与动模板中间的腔体内有多个密封圈和一个多孔垫片，样品室外侧放置有气体浓度报警器。
2.根据权利要求1所述的一种超高压气体渗透测试装置，其特征在于：所述缸体具体结构是两端小腔体、中间大腔体。
3.根据权利要求1所述的一种超高压气体渗透测试装置，其特征在于：多孔垫片采用具有较好氢相容性的金属材料制造，其边缘无孔，中间部分开孔。
4.根据权利要求1所述的一种超高压气体渗透测试装置，其特征在于：锁模机构选用手动转动转盘使丝杆旋转或采用电动的方式驱动丝杆转动。
5.根据权利要求1所述的一种超高压气体渗透测试装置，其特征在于：测试气源选择通过气泵增压部件将测试气体输入样品室和气囊，或利用高压储气瓶直接为样品室和气囊供气。
6.根据权利要求1所述的一种超高压气体渗透测试装置，其特征在于：加热冷却部件选择在模具内开设液体流动孔，通过改变输入到液体流动孔道中的液体温度或液体类型可精确和快速控制模温，或选用电加热的方式用于高温或精度要求不高的温度控制。
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