устройство для хранения жидких коллоидных субстанций и суспензий и способ изготовления вакуумной колбы

Формула изобретения

1. Устройство для хранения жидких коллоидных субстанций и суспензий, содержащее колбу, включающую установленные одна в другой с образованием вакуумной полости, соединенные между собой горловинами внешнюю и внутреннюю металлические оболочки, стенка последней из которых имеет участок, толщина которого меньше толщины остальной стенки, теплоизолирующую пробку, отличающееся тем, что устройство снабжено переходным элементом, внешняя стенка оболочки имеет конструктивное выполнение, аналогичное конструктивному выполнению внутренней оболочки, оба утоненных участка расположены выше максимального уровня заполнения колбы средой с образованием термического сопротивления, внутренние стенки оболочек выполнены зеркальными, переходной элемент соединен с внешней оболочкой колбы посредством опор, а теплоизолирующая пробка установлена в горловине так, что между ней и внутренней поверхностью горловины образован зазор.

2. Способ изготовления вакуумной колбы, заключающийся в соединении оболочек сваркой, отличающийся тем, что сварку проводят с одновременным вакуумированием колбы в вакуумной камере, при этом используют электронно-лучевую сварку.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к термосам или подобного вида емкостям, предназначенным для хранения и транспортировки сред различной вязкости, обеспечивающих как их минимальное остывание, так и минимальный нагрев.

Предлагаемый способ относится к способам соединения контактных поверхностей, в частности оболочек устройства.

Известна колба к термосу с вакуумной изоляцией (а.о. N 1284502, СССР, МКИ А 47 J 41/02, БИ N З 1987), содержащая изготовленные из разных сплавов внешнюю и внутреннюю оболочки, которые стыкуются попарно через соединительный (промежуточный) элемент, состоящий из биметаллической пары сплавов-аналогов.

Недостатками этого устройства являются отсутствие термических сопротивлений для снижения перетекания тепла со стальной внутренней на более теплопроводную (в 10 15 раз) алюминиевую внешнюю оболочку, а также недостаточная герметичность поверхности стыка биметаллической пары соединительного (промежуточного) элемента, получаемого посадкой с натягом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является колба для теплоизолированного сосуда (а.с. N 515509, СССР, МКИ⁴ А 47 J 41/02, БИ N 20, 1976), содержащая установленные коаксиально одна в другой с образованием вакуумной полости внешнюю и внутреннюю металлические оболочки, соединенные у горловины. В известном устройстве внутренняя оболочка имеет у горловины участок с меньшей толщиной стенки, чем остальная часть, что обеспечивает некоторое улучшение теплоизоляции колбы.

Недостатками этого устройства являются непосредственный контакт пробки с внутренней поверхностью внутренней оболочки, что обусловливает прямое перетекание тепла на нее, а также достаточно большая теплопередача через горловину на другие элементы устройства.

Известен способ изготовления сосуда с вакуумной изоляцией и устройство для осуществления этого способа (заявка N 2300850, ФРГ, МКИ А 47 J 41/02, Изобретения за рубежом, вып.4, бюлл. N 15, 1976), в котором вначале производят соединение внешней и внутренней коаксиально установленных оболочек традиционными видами сварки в зоне горловины. Затем, после установки сваренной конструкции в вакуумную камеру, через вытяжной штуцер, установленный на внешней оболочке, производят откачку воздуха из вакуумной полости.

Недостатками этого способа являются поэтапность соединения оболочек и откачки воздуха из вакуумной полости, что усложняет процесс изготовления устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ изготовления металлического термоса (заявка N 63-20129, Япония, МКИ⁴ А 47 J 41/02, В 23 К 31/02, Изобретения стран мира, вып.13, бюлл. N 3, 1989), в котором соединение крышки с внешним цилиндром (оболочкой) производят пайкой в вакуумной печи после ее вакуумирования, при этом припой заранее наносят на поверхность контакта крышки и цилиндра.

Недостатками этого способа являются недостаточная герметичность шва пайки из-за малой диффузии припоя на контактных поверхностях при переменном термонагружении устройства, а также вспомогательная операция нанесения припоя.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для хранения и транспортировки жидких, коллоидных субстанций и суспензий различной вязкости, в котором снижение теплопередачи обеспечивается термическим сопротивлением оболочек за счет изменения их толщин и выполнения внутренних стенок зеркальными, а теплопотери на пробку исключены выполнением зазора между ней и внутренней поверхностью внутренней оболочки, что обеспечивает близкую к исходной температуру среды и за счет этого увеличивает период хранения.

В основу изобретения поставлена задача упрощения способа соединения секций устройства для хранения жидких, коллоидных субстанций и суспензий, в котором их стыковка производится электроннолучевой сваркой одновременно с вакуумированием вакуумной полости изоляционной колбы и за счет этого обеспечивается сохранение в последней вакуума высокого уровня.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для хранения и транспортировки жидких, коллоидных субстанций и суспензий, содержащем колбу, включающую установленные одна в другой с образованием вакуумной полости, соединенные между собой горловинами внешнюю и внутреннюю металлические оболочки, стенка последней из которых имеет участок, толщина которого меньше толщины остальной стенки, и теплоизолирующую пробку, согласно изобретению, устройство снабжено переходным элементом, внешняя стенка оболочки имеет конструктивное выполнение, аналогичное конструктивному выполнению внутренней оболочки, оба утоненных участка расположены выше максимального уровня заполнения колбы средой с образованием термического сопротивления, внутренние стенки оболочек выполнены зеркальными, переходной элемент соединен с внешней оболочкой колбы посредством опор, а теплоизолирующая пробка установлена в горловине так, что между ней и внутренней поверхностью горловины образован зазор.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления вакуумной колбы, заключающемся в соединении оболочек сваркой, согласно изобретению, сварку производят с одновременным вакуумированием колбы в вакуумной камере, при этом используют электроннолучевую сварку.

Сущность изобретения заключается в следующем. При выполнении внешней и внутренней оболочек колбы с единой толщиной перетекание тепла с внутренней нa внешнюю при остывании или с внешней на внутреннюю при нагреве среды, заполняющей рабочую емкость колбы, происходит по образующей без снижения теплопотерь по закону теплопроводности. Выполнение одновременно внешней и внутренней оболочек в зоне, расположенной выше максимального уровня заполнения средой, с переменной толщиной создает термическое сопротивление, что за счет уменьшения проходных сечений позволяет снизить тепловые потери при остывании (или нагрев охлажденной среды) на 25 35 Выполнение внутренних стенок оболочек зеркальными позволяет снизить теплопотери лучистым тепловым потоком между оболочками на 35 45 Контакт переходного элемента с внешней оболочкой колбы осуществляется с помощью отдельных опор, также снижающих тепловые потери. Зазор между теплоизолирующей пробкой и внутренней поверхностью горловины полностью исключает прямое перетекание тепла по конструкции на нее.

Сущность изобретения заключается в том, что соединение секции изоляционной колбы устройства с одновременным ее вакуумированием производят электроннолучевой сваркой в электроннолучевой системе (ЭЛС), что позволяет упростить способ, а также повысить качество сварных швов.

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг.2 переменная толщина одновременно внешней и внутренней оболочек, а также зазор между теплоизолирующей пробкой и горловиной.

Изоляционная вакуумная колба представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух получаемых сваркой отдельных секций, оболочек внешней 1 и внутренней 2 с утоненными участками 3 горловины, а также переходного элемента 4, который с помощью опор 5 крепится к внешней поверхности оболочки 1.

Внутренняя поверхность вакуумной полости 6 имеет зеркальную поверхность 7. Между горловиной колбы и переходным элементом 4 установлено теплоизолирующее уплотнение 8. Оболочки соединяются между собой кольцевым сварным швом и фиксируются спицами 9. Теплоизолирующая пробка 10 представляет собой полый пластиковый корпус с теплоизолирующим наполнителем 11 и имеет с внутренней поверхностью горловины зазор 12. Уплотнение между теплоизолирующей пробкой 10 и переходным элементом 4 осуществляется с помощью эластичного кольца 13.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После заполнения рабочей емкости изоляционной колбы нагретой или охлажденной средой ее герметизируют с помощью теплоизолирующей пробки 10 и эластичного кольца 13.

Конкретный пример реализации предложенного изобретения приведен ниже. Например, оценка снижения температуры среды в устройстве с единой и переменной толщиной одновременно внешней и внутренней оболочек изоляционной колбы:

материал оболочек нержавеющая сталь 12X18H10Т ГOCТ 5582-75,

среда вода с начальной среднеобъемной температурой плюс 95^oС,

рабочий объем (объем заполнения средой) 2,5 дм³,

расчетное (рабочее) время 24 часа,

степень черноты зеркальной поверхности вакуумной полости 0,1 0,12,

толщины внешней и внутренней оболочек:

для колбы с единой толщиной 0,5 мм,

для колбы с переменной толщиной в месте термического сопротивления внешней и внутренней оболочек 0,3 мм.

Расчет теплового состояния колбы устройства и теплопотерь средой проводился решением уравнения теплопроводности в двумерной постановке



с использованием ПЭВМ.

Результаты расчета температуры воды в конце рабочего времени приведены ниже: плюс 51^oС для единой толщины внешней и внутренней оболочек,

плюс 66^oС для переменной толщины одновременно внешней и внутренней оболочек.

Как видно, термическое сопротивление обеих оболочек, веркальная поверхность вакуумной полости, крепление переходного элемента к изоляционной колбе с помощью отдельных опор, а также зазор между теплоизолирующей пробкой и горловиной позволяет снизить тепловые потери (повышение температуры воды на 15 градусов или 29).

Предлагаемое изобретение позволяет одновременно снизить как остывание, так и нагрев среды, находящейся в колбе устройства, и увеличить период хранения.

Способ осуществляется в ЭЛС, состоящей из вакуумной камеры, электроннолучевых пушек и вакуумной системы.

Вакуумная камера состоит из собственно камеры, откатных ворот для ее герметизации, манипулятора с планшайбой для прокрутки свариваемой колбы и окна (иллюминатора) для визуального контроля процесса сварки.

Электроннолучевые пушки (ЭЛИ) представляют собой источник электронных пучков высокой энергии, способных в условиях высокого вакуума осуществлять плавление буртов на состыкованных деталях, т.е. производить их сварку. При этом электроннолучевые пушки снабжены механизмом настройки на свариваемый проворачиваемый стык.

Вакуумная система состоит из:

форвакуумных насосов, обеспечивающих первую степень вакуумирования вакуумной камеры и вакуумной полости изоляционной колбы до низкого уровня;

высоковакуумных паромасляных агрегатов, выполняющих вторую степень вакуумирования вакуумной камеры и вакуумной полости изоляционной колбы до среднего уровня;

высокомолекулярного насоса, обеспечивающего третью степень вакуумирования вакуумной камеры и вакуумной полости изоляционной колбы до высокого уровня.

При реализации способа выполняются следующие (основные) технологические операции.

Свариваемые внешняя 1 и внутренняя 2 оболочки изоляционной колбы устройства стыкуют поверхностями, имеющими бурты и подлежащими сварке на манипуляторе с планшайбой. Затем манипулятор и планшайба с состыкованными на них своими контактными поверхностями оболочками помещают в вакуумную камеру. Производят герметизацию вакуумной камеры (с помещенными в нее манипулятором, планшайбой и состыкованными внешней и внутренней оболочками колбы) откатными воротами.

Производят одновременное вакуумирование вакуумной камеры и вакуумной полости изоляционной колбы устройства последовательно до низкого, среднего и высокого уровней. Выполняют настройку фокуса электроннолучевой пушки на свариваемый стык. По заданной программе или в автономном режиме осуществляют сварку состыкованных поверхностей оболочек 1 и 2.

Предлагаемый способ позволяет одновременно производить вакуумирование и электроннолучевую сварку секций изоляционной колбы устройства, а также повысить качество сварных швов.