RU2221966C1

RU2221966C1 - Shutoff device for high-pressure cylinders

Info

Publication number: RU2221966C1
Application number: RU2002115878/06A
Authority: RU
Inventors: А.С. Карегин; А.Н. Щербаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П.Королева"
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; high-pressure vessels. SUBSTANCE: proposed shutoff device contains chamber with sealing member and shutoff member arranged in chamber, and channel connecting chamber space with cylinder, and shutoff valve. Shutoff member is installed for travel in axial direction. Sealing member is made if material chemically to material under sealing. Melting point of material is lower than melting point of coating applied to inner surface of chamber walls and wetted by sealing member. Shutoff member is made of n pins where n=1, 2, etc. Device is furnished with sealing member heater and filter installed in channel and made of nonwettable material. EFFECT: improved sealing, thermal stability and reliability of device, possibility of repeated use. 4 dwg

Description

Изобретение относится к арматуростроению, в частности к запорным устройствам для герметизации баллонов высокого давления. The invention relates to valve engineering, in particular to locking devices for sealing high-pressure cylinders.

Известно техническое решение, реализующее способ герметизации резервуара с жидкостью [1] , стенки которого образуют углубление с отверстием, через отверстие заливается жидкость, а затем на него накладывается под давлением слиток мягкого металла, подвергающегося пластической деформации, а углубление заполняется термопластичной смолой. A technical solution is known that implements a method of sealing a reservoir with a liquid [1], the walls of which form a recess with a hole, a liquid is poured through the hole, and then an ingot of soft metal subjected to plastic deformation is superimposed on it under pressure, and the recess is filled with a thermoplastic resin.

Недостатком такого технического решения является невозможность многоразового применения и его невысокая герметичность при использовании в сосудах высокого давления. The disadvantage of this technical solution is the impossibility of reusable use and its low tightness when used in pressure vessels.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является запорное устройство [2], содержащее камеру с расположеннными в ней герметизирующей прокладкой и подвижным затвором, в стенках которой выполнены отверстия, связывающие полость камеры с баллоном, и снабженную штуцером. The closest in technical essence to the claimed technical solution is a locking device [2], containing a chamber with a sealing gasket located therein and a movable shutter, in the walls of which holes are made connecting the chamber cavity with a cylinder and equipped with a fitting.

Недостатком известного способа и устройства является низкая холодоустойчивость и низкая герметичность, так как при заправке баллонов высокого давления для исключения их перегревания используется рабочая среда с низкой температурой, а материалы, которые применяются для герметизации запорных устройств, не выдерживают низких температур; а более холодостойкие материалы менее пластичны и не обладают высокими герметизирующими свойствами. The disadvantage of this method and device is low cold resistance and low tightness, since when refueling high-pressure cylinders to avoid overheating, a low-temperature working medium is used, and the materials that are used to seal shut-off devices do not withstand low temperatures; and more cold-resistant materials are less ductile and do not have high sealing properties.

Задачей изобретения является повышение герметичности, теплоустойчивости и надежности конструкции, а также многоразовое использование, в том числе в невесомости. The objective of the invention is to increase the tightness, heat resistance and reliability of the structure, as well as reusable use, including in zero gravity.

Поставленная задача достигается тем, что в запорном устройстве преимущественно для баллонов высокого давления, содержащем камеру с расположенными в ней герметизирующим элементом и затвором, установленным с возможностью перемещения в осевом направлении, а также канал, связывающий полость камеры с баллоном, и заправочную арматуру, согласно изобретению герметизирующий элемент выполнен из химически нейтрального по отношению к герметизируемому веществу материала, температура плавления которого ниже температуры плавления нанесенного на внутреннюю поверхность стенок камеры покрытия, смачиваемого герметизирующим элементом, при этом затвор выполнен в виде n штырей, взаимодействующих с герметизирующим элементом, где n=1, 2 и т.д., а также введены нагреватель герметизирующего элемента и фильтр из несмачиваемого герметизирующим элементом материала, установленный в канале. The problem is achieved in that in the locking device, mainly for high-pressure cylinders, containing a chamber with a sealing element located therein and a shutter mounted to move in the axial direction, as well as a channel connecting the chamber cavity to the cylinder, and filling valves, according to the invention the sealing element is made of a material chemically neutral with respect to the substance to be sealed, the melting temperature of which is lower than the melting temperature deposited on the inner surface of the walls of the coating chamber wetted by the sealing element, wherein the shutter is made in the form of n pins interacting with the sealing element, where n = 1, 2, etc., as well as a heater of the sealing element and a filter made of a material that is not wettable by the sealing element, installed in the channel.

Нанесение покрытия, смачиваемого герметизирующим элементом, на внутреннюю поверхность стенок камеры позволяет устранить зазоры и исключить утечки герметизируемого вещества. The application of a coating wetted by a sealing element on the inner surface of the walls of the chamber eliminates gaps and eliminates leakage of the substance being sealed.

На фиг. 1 изображен общий вид запорного устройства; на фиг.2, 3, 4 - варианты исполнения затвора. In FIG. 1 shows a General view of the locking device; figure 2, 3, 4 - versions of the shutter.

Запорное устройство баллона 1 содержит канал 2 в виде трубопровода, установленный в канале 2 фильтр 3 и камеру 4, которая снабжена нагревателем 5. Канал 2 связывает камеру 4 с баллоном 1. Внутренняя поверхность стенок камеры имеет покрытие 6, смачиваемое находящимся на нем герметизирующим элементом 7. Штыри 8 установлены на направляющем устройстве 9, которое имеет привод 10. Камера 4 связана с выходным трубопроводом 11. Фильтр 3 и штыри 8 выполнены предпочтительно из несмачиваемого герметизирующим элементом 7 материала. The locking device of the cylinder 1 contains a channel 2 in the form of a pipeline, a filter 3 installed in the channel 2 and a chamber 4, which is equipped with a heater 5. The channel 2 connects the chamber 4 with the cylinder 1. The inner surface of the walls of the chamber has a coating 6 wetted by the sealing element 7 located on it The pins 8 are mounted on a guide device 9, which has a drive 10. The chamber 4 is connected to the outlet pipe 11. The filter 3 and the pins 8 are preferably made of a material which is not wettable by the sealing element 7.

Запорное устройство работает следующим образом. The locking device operates as follows.

В исходном состоянии, когда в баллоне 1 имеется герметизируемое вещество под давлением, штыри 8 находятся в положении, изображенном на фиг.1, герметизирующий элемент 7 находится в твердом состоянии и закрывает кончики штырей 8, герметизируя, тем самым, баллон 1. Материалом, используемым в качестве герметизирующего элемента 7 для хранения, например, водорода, может быть сплав ПОССу-61. Для вскрытия баллона 1 штыри 8 при помощи, например, электрического привода 10 перемещаются в крайнее верхнее положение и протыкают отверстия в герметизирующем элементе 7, после чего они перемещаются приводом в крайнее нижнее положение, освобождая отверстия и предоставляя герметизируемому веществу выходить через выходной трубопровод 11 к потребителю. Привод, например, может быть выполнен в виде трехпозиционного электромоторного привода типа 11Ф35. 15Э0000-0. При необходимости загерметизировать оставшееся в баллоне герметизируемое вещество или после заправки баллона 1 штыри 8 приводом 10 перемещаются в исходное положение, затем герметизирующий элемент 7 расплавляется при помощи нагревателя 5 (на фиг.1 изображен электронагреватель), растекаясь по покрытию 6 и смачивая его, и заливает отверстия, пробитые штырями 8 при вскрытии баллона 1. После этого нагреватель 5 отключается и герметизирующий элемент 7, остывая, переходит в твердое состояние, герметизируя баллон 1. Фильтр 3 предназначен для предохранения трубопровода 2 от попадания в него капель герметизирующего элемента 7. Штыри 8 диаметром 1-2 мм и фильтр 3 для хранения водорода могут быть выполнены, например, из стали Х15Н24В4ТШ. Смачиваемое покрытие 6 герметично размещается в корпусе камеры 4, например, при помощи "холодной" сварки. Для хранения водорода оно может быть выполнено, например, из меди марки M1. Герметизирующий элемент 7 в расплавленном состоянии располагается на смачиваемом покрытии 6 даже в состоянии невесомости. Это позволяет надежно герметизировать баллоны на космических аппаратах. In the initial state, when there is a pressurized substance in the cylinder 1, the pins 8 are in the position shown in Fig. 1, the sealing element 7 is in the solid state and closes the ends of the pins 8, thereby sealing the cylinder 1. The material used as the sealing element 7 for storing, for example, hydrogen, may be an alloy POSSu-61. To open the cylinder 1, the pins 8, using, for example, an electric drive 10, are moved to the highest position and holes are pierced in the sealing element 7, after which they are moved by the drive to the lowest position, freeing the holes and allowing the substance to be sealed to exit through the outlet pipe 11 to the consumer . The drive, for example, can be made in the form of a three-position electromotor drive type 11F35. 15E0000-0. If necessary, seal the substance to be sealed in the cylinder, or after refueling the cylinder 1, the pins 8 with the actuator 10 are moved to their original position, then the sealing element 7 is melted using the heater 5 (an electric heater is shown in Fig. 1), spreading over the coating 6 and wetting it, and fill it holes punched by pins 8 when opening the cylinder 1. After that, the heater 5 is turned off and the sealing element 7, cooling, goes into a solid state, sealing the cylinder 1. Filter 3 is designed to protect If the pipeline 2 does not get droplets of the sealing element 7. Pins 8 with a diameter of 1-2 mm and a filter 3 for storing hydrogen can be made, for example, of steel Kh15N24V4TSh. Wettable coating 6 is hermetically placed in the housing of the chamber 4, for example, using "cold" welding. For storage of hydrogen, it can be made, for example, of copper grade M1. The sealing element 7 in the molten state is located on the wettable coating 6 even in a state of zero gravity. This allows you to reliably seal cylinders on spacecraft.

Возможен вариант исполнения затвора (см. фиг.2), когда исходное положение штырей 8 - крайнее нижнее. В этом варианте исполнения штыри устанавливаются только в два крайних положения вместо трех, как в варианте на фиг. 1. Привод для этого устройства может быть выполнен, например, в виде двухпозиционного электромоторного привода типа 400ГК.3201-0. При перемещении в крайнее верхнее положение штыри пробивают отверстие в твердом герметизирующем покрытии 7, после чего они возвращаются в исходное положение. При расплавлении герметизирующего элемента 7 он не затекает в отверстия для штырей из-за того, что материал, в котором расположены отверстия, не смачивается герметизирующим элементом 7, а сам герметизирующий элемент имеет силы поверхностного натяжения, не позволяющие ему проникнуть в них ввиду их малых размеров. Поэтому диаметр штырей не должен превышать 1 мм. A possible embodiment of the shutter (see figure 2), when the initial position of the pins 8 is the lowest. In this embodiment, the pins are mounted in only two extreme positions instead of three, as in the embodiment of FIG. 1. The drive for this device can be made, for example, in the form of a two-position electric motor drive type 400GK.3201-0. When moving to their highest position, the pins punch a hole in the solid sealing coating 7, after which they return to their original position. When the sealing element 7 is melted, it does not flow into the pin holes due to the fact that the material in which the holes are located is not wetted by the sealing element 7, and the sealing element itself has surface tension forces that do not allow it to penetrate into them due to their small size . Therefore, the diameter of the pins should not exceed 1 mm.

На фиг.3 изображен вариант исполнения затвора также с двумя крайними положениями штырей. В режимах герметизации и хранения штыри 8 находятся в крайнем верхнем положении, в режиме расхода рабочего тела из баллона 1 или в режиме заправки его - в крайнем нижнем положении. Диаметр штырей 8 значительно превышает диаметры штырей в предыдущих вариантах (до 6 мм и более), и, по крайней мере, верхние части штырей выступают над герметизирующим элементом 7 для того, чтобы одним движением обеспечить открытие отверстия. Верхняя часть штыря имеет смачиваемое герметизирующим элементом 7 покрытие и может иметь пазы. Figure 3 shows an embodiment of the shutter also with two extreme positions of the pins. In the sealing and storage modes, the pins 8 are in the highest position, in the flow rate of the working fluid from the cylinder 1 or in the refueling mode in the lowermost position. The diameter of the pins 8 is significantly greater than the diameters of the pins in the previous versions (up to 6 mm or more), and at least the upper parts of the pins protrude above the sealing element 7 in order to ensure the opening of the hole in one motion. The upper part of the pin has a coating wetted by the sealing element 7 and may have grooves.

На фиг.4 изображен вариант исполнения затвора, когда при пробивании штырями 8 герметизирующего элемента 7 происходит совмещение сквозного отверстия 12 в штыре и полости камеры 4 и перетекание герметизируемого вещества из баллона 1 потребителю. В режимах герметизации и хранения штыри находятся в исходном положении, когда их кончики залиты герметизирующим веществом, в режиме расхода герметизируемого вещества из баллона 1 или в режиме заправки - в крайнем верхнем положении. Размеры сквозного отверстия 12 выбираются, исходя из требований расхода герметизируемого вещества. Сквозное отверстие может быть выполнено в виде паза. Figure 4 shows an embodiment of the shutter when, when piercing with pins 8 of the sealing element 7, the through hole 12 in the pin and the cavity of the chamber 4 is combined and the sealed substance flows from the cylinder 1 to the consumer. In the sealing and storage modes, the pins are in the initial position when their tips are filled with a sealing substance, in the consumption mode of the substance to be sealed from the cylinder 1 or in the filling mode, in the highest position. The dimensions of the through hole 12 are selected based on the flow rate requirements of the substance to be sealed. The through hole can be made in the form of a groove.

При создании запорного устройства необходимо учитывать совместимость материалов между собой и рабочим телом. Например, при хранении водорода под высоким давлением необходимо учитывать коэффициент прилипания водорода к металлу [3], учитывать водородную коррозию металлов [4] и т.п. Не поглощают водород такие материалы, как медь, вольфрам. Высокой стойкостью к водороду обладает алюминий. When creating a locking device, it is necessary to take into account the compatibility of materials between themselves and the working fluid. For example, when storing hydrogen under high pressure, it is necessary to take into account the coefficient of hydrogen adhesion to metal [3], take into account hydrogen corrosion of metals [4], etc. Materials such as copper and tungsten do not absorb hydrogen. High resistance to hydrogen has aluminum.

Для уменьшения усилия пробивания герметизирующего элемента 7 штырями 8 возможен небольшой нагрев герметизирующего элемента 7 для его размягчения. To reduce the force of penetration of the sealing element 7 by pins 8, a slight heating of the sealing element 7 is possible to soften it.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет надежно и в течение длительного времени с высокой степенью герметичности хранить герметизируемое вещество, в том числе в невесомости. Оно может быть также использовано для герметизации баллонов с агрессивными средами и т.п. Thus, the proposed device allows you to reliably and for a long time with a high degree of tightness to store the sealed substance, including in zero gravity. It can also be used to seal cylinders with aggressive media, etc.

Литература:
1. Заявка Японии 55-17866, публ. 1980 г. , 14.05; 5-447, заявлено 18.10.73, 48-117074.Literature:
1. Japanese application 55-17866, publ. 1980, May 14; 5-447, claimed 18.10.73, 48-117074.

2. Патент РФ 2164320, F 17 С 5/00. 2. RF patent 2164320, F 17 C 5/00.

3. Захаров А.П. Взаимодействие водорода с металлами. Институт физической химии. - М.: Наука, 1987. 3. Zakharov A.P. The interaction of hydrogen with metals. Institute of Physical Chemistry. - M.: Science, 1987.

4. Романов И.В. и др. Получение жидкого водорода. - М.: Химия, 1967. 4. Romanov I.V. and others. Obtaining liquid hydrogen. - M.: Chemistry, 1967.

5. Водород в металлах./ Под ред. Г.Альфельда и И.Фелькля, в 2-х томах. - М.: Мир, 1987. 5. Hydrogen in metals. / Ed. G. Alfeld and I. Felkl, in 2 volumes. - M.: Mir, 1987.

Claims

The locking device is mainly for high-pressure cylinders, comprising a chamber with a sealing element located therein and a shutter arranged to move in the axial direction, as well as a channel connecting the chamber cavity to the cylinder, and filling valves, characterized in that the sealing element is made of chemically material, neutral with respect to the material to be sealed, whose melting temperature is lower than the melting temperature of the coating applied to the inner surface of the walls of the chamber In this case, the shutter is wetted by the sealing element, and the shutter is made in the form of n pins interacting with the sealing element, where n = 1, 2, etc., as well as a heater of the sealing element and a filter made of a material that is not wettable by the sealing element installed in the channel.