КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ И КАРТРИДЖ ДЛЯ ЕГО СНАРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G21F5/00 

Изобретение относится к средствам для очистки, хранения и подачи газов, преимущественно водорода и его изотопов, а также гелия, аргона и других. Изобретение может быть использовано в лазерной технике, в микроэлектронике, системах очистки гелиевого теплоносителя высокотемпературных газовых реакторов, в ядерной и термоядерной технологии, а также в автомобильном транспорте.

Развитие многих современных технологий выдвигает проблему создания совершенных технических средств очистки, хранения, транспортировки и дозирования различных газов, например водорода и его изотопов, гелия, аргона и других. К такому оборудованию в ряде случаев предъявляются весьма жесткие требования по надежности, взрывопожаробезопасности, ядерной безопасности, геометрическим размерам, кинетическим характеристикам поглощения и выделения газа и другим параметрам.

Известен контейнер для хранения и дозированной подачи водорода и его изотопов, который состоит из корпуса с двумя фланцами, формирующих герметичную цилиндрическую емкость, внутри которой размещен стакан с порошком урана [1]. В верхней части корпус выполнен водоохлаждаемым, а в нижней его части размещен наружный нагреватель, верхний фланец соединен трубопроводом с запорным вентилем. Недостатком этого контейнера является его недостаточная безопасность, обусловленная отсутствием защитной оболочки, высокими рабочими температурами сорбента (температура полного разложения тритида урана около 700^oС) и пирофорными свойствами порошка урана, а также значительными термическими напряжениями в материале корпуса, возникающими в результате большого перепада температур по его высоте.

Наиболее близким к заявляемому является контейнер для водорода и его изотопов, описанный в отчете [2]. Контейнер выполнен в виде горизонтально расположенной цилиндрической вакуумированной емкости, герметизированной по торцам фланцевыми соединениями. Внутри емкости на двух трубопроводах, смонтированных на одном из наружных фланцев, размещена герметичная камера, образованная расположенными концентрично наружной и внутренней цилиндрическими обечайками. Наружная обечайка с одного торца соединена с помощью кольцевой заглушки с внутренней обечайкой, а с другого торца герметизирована заглушкой дисковой формы. Внутренняя обечайка также заглушена с другого торца дисковой заглушкой, размещенной с некоторым зазором с дисковой заглушкой наружной обечайкой. Соединенные, как описано выше, обечайки и заглушки формируют герметичную камеру U-образной формы. Камера разделена на несколько зон радиальными пластинами, которые приварены к внутренней обечайке. К каждой зоне подведен трубчатый фильтр, вокруг которого размещен порошок сорбента для газов, например образующий гидрид материал для поглощения водорода или его изотопов. Со стороны одного из фланцевых соединений в полость, образованную внутренней обечайкой, введен электрический нагреватель. Сорбент для поглощения водорода изготовлен из образующего гидрид материала - металлического урана - и представляет собой порошок, размещенный вокруг трубчатых фильтров по зонам рабочей камеры, которые сформированы в зазоре между наружной и внутренней обечайками никелевыми пластинами. Контейнер работает следующим образом. Подлежащий сорбции газ поступает в предварительно вакуумированную камеру контейнера, образованную внутренней обечайкой, через входной патрубок и затем через трубчатые фильтры в отсеки, заполненные образующим гидрид материалом, где происходит поглощение изотопов водорода. Отвод выделяющегося при поглощении изотопов водорода тепла осуществляется потоком охлаждающего газа (азота), подаваемого в центральную часть контейнера. По завершении сорбции изотопов водорода примеси, если они присутствовали в исходном газе, могут быть удалены через выходной патрубок. Для десорбции ранее поглощенного газа производится нагрев образующего гидрид материала посредством внутреннего электрического нагревателя. При этом теплопередача осуществляется преимущественно излучением. Выделяющийся газ выводится из контейнера через выходной патрубок.

Недостатком контейнера является: а) неравномерное распределение слоя образующего гидрид материала по объему отсека; б) неэффективная передача тепла к слою материала, образующего гидрид; в) допустимо только горизонтальное положение контейнера при эксплуатации из-за возможности попадания порошка образующего гидрид материала на дно внутренней обечайки через небольшие зазоры между никелевыми радиальными пластинами и наружной стенкой внутренней обечайки; г) отсутствует тепловая защита фланцевого уплотнения камеры; д) отсутствует возможность изменения числа работающих отсеков с образующим гидрид материалом при существенном изменении объема перерабатываемого газа; е) невысокая скорость поглощения и выделения газа из-за довольно большой длины зоны массопереноса (около 3 см).

Технической задачей изобретения является увеличение скорости поглощения или выделения газа за счет снижения фильтрационного сопротивления в слое образующего гидрид материала. Кроме того, ставится задача устранения перечисленных выше недостатков известной конструкции.

Поставленная задача решается в заявляемом контейнере для газов (включающем вакуумированный цилиндрический корпус с фланцами, размещенную внутри корпуса герметичную камеру U-образной формы, размещенный в камере сорбент для газов, размещенный во внешней полости корпуса нагреватель, сообщенные с камерой патрубки подачи и отвода газа и систему защиты от поступления газов в окружающую среду) за счет того, что камера сформирована тремя цилиндрическими концентрично размещенными обечайками, наружная обечайка соединена одним торцом с нижним фланцем, другой торец наружной обечайки соединен с помощью кольцевой заглушки с торцом внутренней обечайки, которая заглушена на противоположном торце дисковой заглушкой, средняя обечайка закреплена на верхнем фланце, размещена в зазоре между наружной и внутренней обечайками и делит камеру на две зоны, на средней обечайке выполнены продольные пазы с перфорацией, в которых установлены картриджи с сорбентом для газов.

В частном варианте выполнения изобретения модуль с картриджами размещен между средней обечайкой и наружной обечайкой.

В другом частном варианте выполнения изобретения патрубки подачи и отвода сообщены с разными зонами камеры.

В другом частном варианте выполнения изобретения внешняя полость для размещения нагревателя выполнена в корпусе со стороны, противоположной фланцевому соединению.

В другом частном варианте выполнения изобретения нагреватель размещен с обеспечением теплового контакта с внутренней обечайкой корпуса, например, путем наполнения вакуумированного зазора между нагреваемой стенкой и внутренней обечайкой корпуса теплопроводным материалом.

В другом частном варианте выполнения изобретения элементы камеры выполнены из материала с низкой проницаемостью для газов, например из бронзы БРАЖ 9-4, в случае использования водорода и его изотопов.

Поставленная цель достигается также тем, что картридж для снаряжения контейнера содержит проницаемый для газа чехол с размером пор от 2 до 10 мкм, шириной от 4 до 12 мм и толщиной от 1 до 2 мм, внутри чехла размещена смесь порошка сорбента для газов и порошка инертного теплопроводного материала при объемной доле порошка теплопроводного материала от 0,30 до 0,50.

В частном варианте выполнения картриджа размеры частиц порошка сорбента и порошка теплопроводного материала составляют от 50 до 140 мкм.

В другом частном варианте выполнения картриджа чехол выполнен из металлических волокнистых структур.

В другом частном варианте выполнения картриджа чехол выполнен в виде каркаса из металлической сетки, внутри которого помещен дополнительный чехол из проницаемого для газа материала.

В другом частном варианте выполнения картриджа для порошка сорбента используют интерметаллическое соединение, образующее с газом стабильное твердое соединение при температурах от 20 до 200^oC и разлагающееся с выделением газа при температурах от 280 до 325^oС, например соединение состава Zr_1-yTi_yCo, где 0,1<у<1.

В другом частном варианте выполнения картриджа для порошка сорбента используют интерметаллическое соединение, образующее с газом стабильное твердое соединение при температурах от 20 до 200^oC и разлагающееся с выделением газа при температурах от 280 до 325^oС, например соединение состава Zr_1-yTi_y(Cо+Ni), где 0,1<у<1, в котором никеля содержится до 50 ат%.

В другом частном варианте выполнения картриджа для порошка сорбента используют интерметаллическое соединение Zr_0,9 Ti_0,1 Co_0,5 Ni_0,5.

В другом частном варианте выполнения картриджа коэффициент "у" задают от 0,2 до 0,3.

В другом частном варианте выполнения картриджа порошок теплопроводного материала выполнен из меди.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 приведен продольный разрез контейнера.

На фиг.2 приведен поперечный разрез контейнера.

На фиг.3 приведена схема поперечного сечения картриджа.

Контейнер (см. фиг. 1) сформирован тремя цилиндрическими концентрично расположенными обечайками: наружной (1), средней (2) и внутренней (3). Наружная обечайка (1) соединена одним торцом с нижним фланцем (4), другой торец наружной обечайки (1) соединен с помощью кольцевой заглушки (5) с торцом внутренней обечайки (3), которая заглушена на противоположенном торце дисковой заглушкой (6). Средняя обечайка (2) закреплена на верхнем фланце (7) и размещена в зазоре между наружной (1) и внутренней (3) обечайками и делит рабочую камеру U-образной формы на две зоны (8) и (9). Формирующие рабочую камеру элементы (обечайки, трубопроводы, фланцы, заглушки) выполнены из материала с низкой проницаемостью для газов, например из бронзы БРАЖ 9-4.

На средней обечайке (2) выполнены продольные пазы (10) и перфорация (11), в пазах (10) установлены картриджи (12) (см. фиг.2 и фиг.3). Картриджи (12) выполнены в виде проницаемого для газа чехла (13), заполненного порошком (14) сорбента и порошком (15) теплопроводного материала. Чехол (13) картриджа (12) выполнен из металлической сетки, или металловолокнистых структур, или их комбинаций.

Картриджи (12) размещены в зоне (8) между средней обечайкой (2) и наружной обечайкой (1). Патрубок (16) подачи газа сообщен с зоной (9), а патрубок (17) отвода газа сообщен с зоной (8) камеры. Внешняя полость (18) для размещения нагревателя (не показан) выполнена в корпусе со стороны, противоположной фланцевому соединению. Корпус контейнера изолирован от окружающей среды оболочкой (19), закрепленной на нижнем фланце (4), а полость (20) между оболочкой (19) и корпусом подключена патрубком (21) к системе вакуумирования или подачи инертного газа (не показана). В полость (20) между оболочкой (19) и внутренней обечайкой (3) помещен теплопроводный материал (22) для снижения теплового сопротивления между нагревателем и камерой контейнера. Патрубок (21) служит для вакуумирования. В корпусе выполнена защитная полость (23), сообщенная патрубком (24) с системой вакуумирования или подачи инертного газа. Картридж (12) выполнен шириной от 4 до 12 мм и толщиной от 1 до 2 мм. Внутри чехла (13) помещена смесь порошков сорбента (14) и порошка инертного теплопроводного материала (15) при объемной доле порошка теплопроводного материала в смеси от 0,30 до 0,50. Размеры частиц порошка сорбента (14) и порошка теплопроводного материала (15) составляют от 50 до 140 мкм. В качестве сорбента (14) используют интерметаллическое соединение, образующее с газом стабильное твердое соединение при температурах от 20 до 200^oC и разлагающееся с выделением газа при температурах от 280 до 325^oС, например соединение состава Zr_1-yTi_yCo, где 0,1<у<1 или соединение состава Zr_1-yTi_y(Cо+Ni), где 0,1<у<1, в котором Со до половины заменяют на никель, в частности соединение Zr0,9 Ti0,1 Co0,5 Ni0,5. Оптимальный диапазон значений коэффициента "у" составляет от 0,2 до 0,3.

Контейнер работает следующим образом. Сорбируемый газ, например водород и его изотопы, поступает через патрубок 16 в предварительно вакуумированную полость (9) контейнера и через перфорацию (11) в обечайке (2) и проницаемый чехол (13) внутрь картриджа (12), где поглощается слоем сорбента из образующего гидрид материала (14). При этом образуется твердое соединение, стабильное при температурах от 20 до 200^oС. По завершении сорбции газа (например, водорода или его изотопов) газообразные примеси (если они присутствовали в исходном газе) удаляются через выходной патрубок (17). Для десорбции ранее поглощенного газа производится нагрев картриджа нагревателем, размещенным в полости (18). Передача тепла от нагревателя к картриджу (12) осуществляется через стенку (19), теплопроводный материал (22), внутреннюю обечайку (3) и среднюю обечайку (2). При нагреве порошка картриджа до температур от 280 до 325^oС, образованный ранее при более низких температурах гидрид разлагается с выделением газа, который выводится из контейнера через патрубок (17). Внутри картриджа нагрев сорбента (14) ускоряется за счет того, что в него добавляют порошок (15) из высокотеплопроводного, инертного к сорбенту и газам материала, например из меди. Экспериментально установлены оптимальные характеристики геометрических размеров картриджа, состав смеси порошков в картридже, а также вид сорбента. Эти параметры указаны выше при описании сущности изобретения.

Заявляемый контейнер для водорода и его изотопов и картридж для его снаряжения позволяют существенно увеличить скорость поглощения и выделения газа за счет снижения фильтрационного сопротивления в слое образующего гидрид материала. Кроме того, с помощью изобретения получено равномерное распределение слоя образующего гидрид материала по объему рабочей камеры, ускорение нагрева образующего гидрид слоя; обеспечена надежная тепловая защита фланцевого уплотнения камеры и высокая скорость поглощения и выделения газа из-за малой толщины зоны массопереноса. С учетом вышеизложенного контейнер может найти применение при очистке, хранении и подачи газов, преимущественно водорода и его изотопов, а также гелия, аргона и других. Изобретение может быть использовано в лазерной технике, в микроэлектронике, системах очистки гелиевого теплоносителя высокотемпературных газовых реакторов, в ядерной и термоядерной технологии, а также в автомобильном транспорте.

Источники информации
1. ТУ 95 2168-90 "Тритий на уране". Приложение 1 (справочное), с.12.

2. Tritium, Report Kernforschungszentrum Karlsruhe, No.5055, July 1992.

Контейнер для водорода и его изотопов и картридж для его снаряжения предназначены для использования в лазерной технике и микроэлектронике. Контейнер включает в себя камеру U-образной формы. Камера сформирована верхним и нижним фланцами и тремя цилиндрическими концентрично размещенными обечайками. Наружная обечайка соединена одним торцом с внутренним фланцем. Другой торец - с торцом внутренней обечайки. Последняя заглушена на противоположном торце. На наружном фланце закреплена средняя обечайка. Последняя разделяет камеру на две зоны. Картридж для снаряжения контейнера содержит проницаемый для газа чехол. Размер пор последнего составляет от 2 до 10 мкм. Внутри чехла размещена смесь порошка сорбента для газов и инертного к газу и сорбенту порошка теплопроводного материала при объемной доле порошка теплопроводного материала от 0,3 до 0,5. Обеспечивается увеличение скорости поглощения или выделения газа за счет снижения фильтрационного сопротивления. 2 с. и 10 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Контейнер для газов, включающий цилиндрический корпус, герметичную камеру U-образной формы, размещенный в камере сорбент для газа, размещенный в центральной полости корпуса нагреватель, сообщенные с камерой патрубки подачи и отвода газа и систему защиты от поступления газов в окружающую среду, отличающийся тем, что камера сформирована верхним и нижним фланцами и тремя цилиндрическими концентрично размещенными обечайками, причем наружная обечайка соединена одним торцом с внутренним фланцем, а другим - с торцом внутренней обечайки, заглушенной на противоположном торце, на наружном фланце закреплена средняя обечайка, которая разделяет камеру на две зоны, на наружной поверхности средней обечайки размещены картриджи с сорбентом для газов.2. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что картриджи размещены в продольных пазах на наружной поверхности средней обечайки, в которой выполнена перфорация.3. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что патрубки подачи и отвода газа сообщены с разными зонами камеры.4. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что осевая полость для размещения нагревателя выполнена в корпусе со стороны, противоположной фланцевому соединению.5. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что нагреватель размещен с обеспечением теплового контакта с внутренней обечайкой корпуса.6. Контейнер по п.1, отличающийся тем, что элементы камеры выполнены из материала с низкой проницаемостью для газов, например из бронзы.7. Картридж для снаряжения контейнера по п.1 содержит проницаемый для газа чехол с размером пор от 2 до 10 мкм, шириной от 4 до 12 мм и толщиной от 1 до 2 мм, внутри чехла размещена смесь порошка сорбента для газов и инертного к газу и сорбенту порошка теплопроводного материала при объемной доле порошка теплопроводного материала от 0,3 до 0,5.8. Картридж по п.7, отличающийся тем, что размеры частиц порошков сорбента и теплопроводного материала составляют от 50 до 140 мкм.9. Картридж по п.7, отличающийся тем, что чехол выполнен из металловолокнистых структур или металлической сетки и металловолокнистых структур.10. Картридж по п.7, отличающийся тем, что для порошка сорбента используется интерметаллическое соединение, образующее с газом стабильное твердое соединение при температурах от 20 до 200°С и разлагающееся с образованием газа при температурах от 280 до 325°С, например соединение состава Zr_1-yTi_yCo, где 0,1<у<1, преимущественно от 0,2 до 0,3.11. Картридж по п.7, отличающийся тем, что для порошка сорбента используют интерметаллическое соединение, образующее с газом стабильное твердое соединение при температурах от 20 до 200°С и разлагающееся с выделением газа при температурах от 280 до 325°С, например соединение состава Zr_1-yTi_y(Cо+Ni), где 0,1<у<1, в котором никеля содержится до 50 ат.%.12. Картридж по п.7, отличающийся тем, что для порошка сорбента используют интерметаллическое соединение Zr_0,9 Ti_0,1 Co_0,5 Ni _0,5.13. Картридж по п.7, отличающийся тем, что для порошка теплопроводного материала используют медь.