Устройство герметизации диффузионной ячейки для измерения проницаемости или диффузии через мембраны

 

Использование: в измерительной технике для измерения проницаемости или диффузии через мембраны. Сущность изобретения: устройство для герметизации диффузионной ячейки содержит цилиндрическое основание, в котором выполнены отверстия в осевом направлении, входящие в полость кольцевого паза в торце основания. В отверстия вставлены штифты, свободно опирающиеся на нажимное кольцо и прижимную гайку. Основание может быть снабжено цилиндрическим хвостовиком с резьбой, на которую навернута прижимная гайка. Размер резьбы гайки меньше внутреннего диаметра кольцевого паза. Центры отверстия в осевом направлении основания расположены по среднему диаметру кольцевого паза. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении проницаемости или диффузии через мембраны.

Известно устройство герметизации диффузионной ячейки для измерения диффузии в пленочных материалах, содержащее упругий уплотнительный элемент [1] При сборке такого устройства упругие деформации в уплотнительном элементе создают растягивающее напряжение в образце мембраны.

Известно устройство герметизации диффузионной ячейки для измерения диффузии в пленочных материалах [2] Это устройство состоит из основания с радиальными и кольцевым пазами, крышки, гайки и крепежных элементов. В кольцевой паз вставлен упругий уплотнительный элемент с нажимным кольцом, а в радиальные шпонки.

Однако технология изготовления шпонок, используемых в известном устройстве, трудоемка из-за сложной конфигурации. Вырезание радиальных пазов в основании также представляет сложность. Кроме того, в процессе герметизации такого устройства (при затягивании гайки) происходит скольжение гайки и нажимного кольца по конусным поверхностям шпонки. Вследствие этого, а также из-за большого напряжения в зоне механического контакта возникает опасность задира, что снижает надежность работы.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства герметизации.

Для этого в основании выполнены отверстия в осевом направлении, выходящие в полость кольцевого паза, в которые вставлены штифты, свободно опирающиеся на нажимное кольцо и прижимную гайку. Кроме того, с целью уменьшения внешнего диаметра устройства при неизменном диаметре испытуемой мембраны основание снабжено цилиндрическим хвостовиком с резьбой, на которую навернута прижимная гайка, а размер резьбы меньше внутреннего диаметра кольцевого паза. Для равномерного распределения усилия сжатия от прижимной гайки к нажимному кольцу центры отверстий в осевом направлении основания расположены по среднему диаметру кольцевого паза.

На фиг. 1 изображено для сравнения сечение известного устройства (прототипа). В зонах механических контактов между гайкой 1 и шпонкой 2, а также между шпонкой и нажимным кольцом 3 действуют нормальная сила N и сила трения F. Нажимное кольцо сжимает уплотнительный элемент с силой Т. Из равенства вертикальных проекций сил следует Т + Fsin α Ncosα из закона сухого трения F kN, где k коэффициент трения. Отсюда следует N T/(cosα -k sin α ). По зависимости величины N от α (см.фиг.2) видно, что N минимальная для α= 0. Таким образом, для снижения вероятности задира в зоне механического контакта рационально выбрать конструкцию устройства, в котором α= 0, т.е. сила для сжатия уплотнительного элемента передавалась бы от гайки к нажимному кольцу параллельно осевому направлению. Этим доказывается повышение надежности работы предлагаемого устройства.

Полную герметизацию предлагаемого устройства можно достигнуть двумя вариантами.

1. На фиг.3 изображено предлагаемое устройство, которое состоит из основания 1 с кольцевым пазом и отверстиями в осевом направлении, прижимной гайки 2, штифтов 3, вставленных в отверстия, а также нажимного кольца 4 и уплотнительного элемента 5, вставленных в кольцевой паз основания. На дренажной решетке 7 расположен испытуемый образец 8. Сверху устройство закрыто крышкой 9 с помощью крепежных элементов 11. Каналы 10 предназначены для подвода и отвода рабочего тела (диффузанта). Между основанием 1 и крышкой 9 расположена уплотнительная прокладка 6. Таким образом, герметичность обеспечивается как между верхней и нижней камерами ячейки с помощью прокладки 5, так и между внутренними камерами и окружающей средой с помощью прокладки 6.

2. На фиг.4 изображен второй вариант предлагаемого устройства. Крышка и основание такой ячейки имеют одинаковые конструкции, за исключением дренажной решетки, подводящих каналов и размеров уплотнительной прокладки. Хотя для некоторых задач по измерению диффузии и проницаемости возможно создание мембранной ячейки, у которой основание и крышка имеют одинаковые конструкции дренажной решетки, подводящих каналов и равные размеры уплотнительных прокладок.

Порядок герметизации ячейки следующий: сначала стягивается крышка с основанием с помощью крепежных элементов, затем герметизируется нижний стык мембрана-основание затягиванием прижимной гайки на основании и наконец герметизируется верхний стык мембрана-крышка с помощью гайки на крышке.

При закручивании прижимной гайки уплотнительный элемент деформируется только в перпендикулярном к мембране направлении; в плоскости мембраны деформации нет, так как уплотнительный элемент заключен в кольцевом пазу. Поэтому в мембране не создается растягивающих напряжений.

На фиг.5 изображен один из вариантов предлагаемого устройства, в котором размер резьбы прижимной гайки близок внешнему диаметру основания, что упрощает конструкцию основания. Во втором варианте (см. фиг.3) основание снабжено цилиндрическим хвостовиком с резьбой, на которую навернута прижимная гайка, а размер резьбы меньше внутреннего диаметра кольцевого паза. Преимущество последнего варианта заключается в том, что при неизменном диаметре образца испытуемой мембраны устройство имеет меньший внешний диаметр (габарит).

Отверстия в осевом направлении в основании наиболее рационально располагать так, чтобы их центры находились на среднем диаметре кольцевого паза (см.фиг.6,а). Это обеспечит равномерное распределение механического напряжения в нажимном кольце. По конструктивным соображениям отверстия могут быть смещены ближе к наружному (см.фиг.6,б) или к внутреннему диаметрам паза. Кроме того, для более равномерного распределения механической нагрузки на нажимное кольцо, отверстия можно равномерно распределить в границах кольцевого паза в шахматном порядке (см.фиг.6,в).

В диффузионной ячейке с устройством герметизации, как в прототипе, при рабочих давлениях свыше 10-11 МПа при герметизации наблюдались явления задира металла на контактных поверхностях. Ячейка, имеющая устройство герметизации предлагаемой конструкции позволяла проводить измерения при давлении до 15 МПа без разрушения контактных поверхностей, кроме того, использование предлагаемого устройства позволяет исключить на стадии изготовлении малопроизводительные фрезерно-станочные работы.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ГЕРМЕТИЗАЦИИ ДИФФУЗИОННОЙ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ИЛИ ДИФФУЗИИ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ, содержащее цилиндрическое основание, охваченное прижимной гайкой и имеющее кольцевой паз в торце, примыкающем к мембране, внутри которого установлены упругий уплотнительный элемент и жесткое нажимное кольцо, отличающееся тем, что в основании выполнены отверстия в осевом направлении, выходящие в полость кольцевого паза, в которые вставлены штифты, свободно опирающиеся на нажимное кольцо и прижимную гайку.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основание снабжено цилиндрическим хвостовиком с резьбой, на которую навернута прижимная гайка, а размер резьбы меньше внутреннего диаметра кольцевого паза.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центры отверстий в осевом направлении основания расположены по среднему диаметру кольцевого паза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6