<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft einen kryogenen Kugelhahn, der als Armatur für Rohrleitungen zur Förderung von Flüssigkeiten niedriger Temperatur (gegen-200 C) geeignet ist, und der ein aus zwei unlösbar aneinander befestigten Gehäuseteilen bestehendes Gehäuse und ein auf dem Gehäuse unlösbar befestigtes und die verlängerte bewegliche Spindel umgebendes Schutzrohr aufweist.
Derartige Kugelhähne werden in Rohrleitungen zur Förderung von flüssigen Gasen wie z. B. flüssiger Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Propan, Butan usw., sowie zum Ablassen und Abstellen, bzw. zur Regelung der Strömung eingesetzt.
Sich in flüssigem Zustand befindende Gase mit äusserst niedriger Temperatur werden hauptsächlich in Kühlanlagen angewendet. Solche Kühlanlagen dienen zur Lagerung von Lebensmitteln, zur Konservierung von Blut und Körpergeweben ; sie werden jedoch auch auf dem Gebiet der Industrie verwendet, so z. B. bei der Stahlerzeugung oder zur Herstellung von als Treibstoff für Raketen dienendem Sauerstoff.
Die Tatsache, dass die kryogenen Kugelhähne bei äusserst niedriger Temperatur angewendet werden, bedingt, dass an die kryogenen Kugelhähne von den an die üblichen Rohrarmaturen und an für andere Zwecke dienende Kugelhähne gestellten Forderungen abweichende Ansprüche gestellt werden, so z. B. können als Grundstoffe der kryogenen Kugelhähne ausschliesslich säurebeständiger Stahl und Kupferlegierungen, deren Kupferanteil 63% überschreitet, verwendet werden, da sonstige, von den obenbeschriebenen Forderungen abweichende Stähle bzw. Metallegierungen bei der Anwendungstemperatur übermässig steif und brüchig werden. Das zur Abdichtung verwendete Material muss in dem Temperaturbereich zwischen +50 und-250 C eine entsprechende Plastizität aufweisen, da widrigenfalls die entsprechende Dichtung nicht zustandekommt.
Die in dem kryogenen Kugelhahn vorhandenen Materialien dürfen mit dem durch den Kugelhahn hindurchströmenden Medium, flüssigem Gas, keineswegs in eine chemische Reaktion treten. Der kryogene Kugelhahn ist derart auszugestalten, dass bei einer eventuellen Erwärmung oder beim Übergang in gasförmigen Zustand ein Schadhaftwerden, Risse oder ein Bruch im Kugelhahn vermieden werden. Eine weitere Forderung besteht darin, dass der kryogene Kugelhahn auf dieselbe Weise und gleichzeitig unter geringem Kraftaufwand geöffnet und geschlossen werden kann, wie dies bei allen üblichen Rohrarmaturen der Fall ist, ungeachtet dessen, dass in dem kryogenen Kugelhahn ein Medium von etwa -2000C strömt.
Es sind zahlreiche Kugelhähne bekannt, jedoch keiner von ihnen ist imstande, die genannten Forderungen restlos zu befriedigen. Es sind kryogene Kugelhähne bekannt, bei denen die Länge der sich bewegenden Spindel das Mehrfache der Spindellänge der für normale Industriezwecke dienenden Kugelhähne bzw. Rohrarmaturen beträgt. Die erhöhte Länge dient dazu, die Entfernung zwischen den Händen des Bedienungspersonals und dem das Medium niedriger Temperatur durchlassenden Gehäuse vergrössern zu können, so dass der von dem Bedienungspersonal ergriffene Dreharm-anstatt einer Temperatur von etwa -2000C - eine Temperatur aufweist, die an der Hand des Bedienungspersonals keine Verletzungen hervorruft.
Die lange Spindel ist in der unmittelbaren Nähe des Dreharmes mit einer Abdichtung versehen, um im Bereich der Dichtung Raumtemperatur zu erreichen, so dass die Dichtung die gestellte Aufgabe erfüllen kann. Der Nachteil der geschilderten Lösung besteht darin, dass der kryogene Kugelhahn einen recht grossen Einbauraum beansprucht. Bei Anlagen, die zur Herstellung von flüssigen Gasen mit niedriger Temperatur dienen, sowie bei einem Teil der Verbraucheranlagen ist die Verwendung einer so langen Spindel infolge des Raummangels nicht möglich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nach einer längeren Betriebszeit der Bereich des Dreharmes und der Dichtung unerträglich kalt wird, wie lang auch die Spindel ist.
Bei den bekannten kryogenen Kugelhähnen wird zur Abdichtung der Spindel und der Verschlusskugel Teflon (Polytetrafluoräthylen)-material verwendet. Von den bekannten Materialien ist tatsächlich Teflon am geeignetsten, da bei diesem nicht einmal bei -2500C Versprödung beobachtet werden kann ; beim Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, bei -196OC, ist es noch flexibel und dehnbar und tritt weder mit Sauerstoff, Stickstoff, Argon bzw. Propan-Butan in eine chemische Reaktion.
Der Nachteil der bekannten Teflondichtungen besteht jedoch darin, dass bei der Gestaltung der Dichtungsringe und des Sitzes diejenige Eigenschaft, dass bei einer 5 bis 6% überschreitenden Deformation die Materialcharakteristiken sich verschlechtern, nicht in Betracht genommen worden ist. Oft werden Teflonringe bzw. Pölster von grossen Dimensionen und Massen angewendet, die infolge
<Desc/Clms Page number 2>
der unvermeidlich auftretenden, verhältnismässig grossen Kraftwirkungen in einem, 5 bis 6% überschreitenden Mass deformieren, wodurch die Materialcharakteristiken sich verschlechtern und die Abdichtungsfähigkeit verloren geht.
Das Gehäuse von bekannten kryogenen Kugelhähnen wird im allgemeinen aus zwei Stücken verfertigt, die mit Schrauben aneinander befestigt werden. Das Mass der Befestigung und der Abdichtung ändert sich infolge der hochgradigen Temperaturschwankungen in einem weiten Bereich.
Die Befestigungsschrauben müssen oft nachgezogen oder gelöst werden. Findet nach erfolgtem Nachziehen der Schrauben eine bedeutende Erwärmung statt, kann es vorkommen, dass zu hohe Kraftwirkungen bei der Teflondichtung auftreten, und folglich das Teflon, sich wie eine Flüssigkeit verhält, sich ausbuchtet und seine Abdichtungsfähigkeit verliert.
Während des Betriebes der kryogenen Kugelhähne wird der Raum neben der Spindel ebenfalls von dem strömenden Mittel von niedriger Temperatur ausgefüllt. Schon während des Betriebes, aber hauptsächlich nach dem Abstellen des Flüssigkeitsstromes erhitzt sich ein Teil der in dem Raum neben der Spindel sich befindenden Flüssigkeit über den Siedepunkt und geht in gasförmigen Zustand über, wodurch sich sein Rauminhalt erhöht. Um ein durch die Volumenzunahme bedingte Druckerhöhung hervorgerufenes Schadhaftwerden des kryogenen Kugelhahnes zu vermeiden, werden Überdruckventile angewendet, die beim Auftreten eines vorbestimmten Druckes den Raum neben der Spindel mit dem Raum der Förderrohrleitung verbinden.
Der Nachteil dieser Vorgangsweise besteht darin, dass die Überdruckventile eine verhältnismässig komplizierte Konstruktion aufweisen ; sie werden unter Zuhilfenahme von Federn betätigt, wobei die Federn in dem Raum von niedriger Temperatur - etwa -2000C - angeordnet sind. Säurebeständige Materialien sind zur Herstellung von Federn ungeeignet. Kupferlegierungen sind nicht im geringsten dazu geeignet, ihre Elastizität unter den erwähnten Bedingungen bzw. Betriebsverhältnissen zu behalten ; als Folge davon findet das Einklemmen des Verschlusskörpers der Ventilkonstruktion recht oft statt, was zum Schadhaftwerden des Kugelhahnes führen kann.
Es sind Ausführungsformen bekannt, bei denen der den die Spindel umschliessenden Raum von aussen her begrenzenden Gehäuseteil oder ein sonstiger Bestandteil mit einer Heizvorrichtung versehen wird, unter Zuhilfenahme derer die Erwärmung der Flüssigkeit bzw. der Übergang in den gasförmigen Zustand in dem in der Richtung des Dreharmes liegenden Teil des die Spindel umgebenden Raumes gefördert wird.
Der Nachteil dieser Vorgangsweise besteht darin, dass einerseits die Heizvorrichtung den Preis des kryogenen Kugelhahnes beträchtlich erhöht, anderseits Betriebsstörungen recht häufig sind.
Die Wirksamkeit ist auch nicht befriedigend, da der den neben der Spindel liegenden Raum von aussen her begrenzende säurebeständige Stahl äusserst schwer bearbeitet werden kann ; der Stahl ist zu teuer, und weist eine verhältnismässig schlechte Wärmeleitfähigkeit auf.
Aus der GB-PS Nr. 869, 101 ist ein Ventil bekannt, das an sich nicht als kryogener Kugelhahn, und auch nicht als Kugelhahn angesprochen werden kann. Dieses Ventil wird vor allem für Strömungen in Rohrleitungen von flüssigen Metallen von hoher Temperatur, die auch radioaktiv sein können, verwendet und seine Aufgabe ist es, das Aussickern von gefährlichen Schmutzstoffen zu verhindern.
Bei dem Ventil sind zwischen der sich bewegenden Spindel und dem Gehäuse wellenförmige Rohrmembranen angeordnet. Wenn diese Rohrmembranen schadhaft werden, führen sie das flüssige Metall in den endseitig dicht abgesperrten schmalen Spalt zwischen der beweglichen Spindel und dem Gehäuse. Im Spalt wird die kleine Menge von flüssigem Metall mit sehr kleinem Querschnitt abgekühlt und sie wird fest, weil der den Spalt umgebende und verhältnismässig grosse Gehäuseteil und die sich bewegende Spindel einen Teil der Wärme dem Metall entziehen und aufnehmen.
Die DE-AS 1148830 zeigt ein Ventil, das für kryogene Zwecke verwendet werden kann. Die Aufgabe dieses Ventil ist es, dass, im Falle der Abnutzung des Ventilsitzes, das Nachschleifen ohne Demontage bzw. Auseinandernehmen verrichtet werden kann, obgleich die um die bewegliche Spindel herum angeordnete Schutzleitung mit staubförmiger Isoliermasse umgeben ist.
Die DE-OS 1675460 zeigt einen herkömmlichen Kugelhahn. Im wesentlichen besteht dieser aus zwei Teilen, die ohne Spanabhebung hergestellt und miteinander verschweisst werden. Die Hülse der Mitnehmerwelle wird ins Gehäuse durch eine Hartlötverbindung geführt.
<Desc/Clms Page number 3>
Die GB-PS Nr. l, 393, 852 zeigt eine Anordnung, die darauf abzielt, dass zwischen den stehenden und sich bewegenden Elementen und Metallelementen der Armatur eine elektrisch leitende Verbindung besteht, um die elektrostatische Aufladung und Funkenentladung zu vermeiden.
Die AT-PS Nr. 334706 zeigt einen üblichen Kugelhahn. Mit dieser bekannten Konstruktion versucht man die Abnutzung und das Schadhaftwerden der Auflageflächen des Kugelhahnes dadurch zu vermeiden, dass auf eine der Auflageflächen mittels Plasmadispersionsverfahren eine metallische hochreine Molybdänschicht aufgetragen wird.
Die DD-PS Nr. 112812 zeigt ein Gehäuse eines Hahnes, das aus zwei halben Kugelschalen zusammengeschweisst ist. Die Kugelschalenhälften werden ohne Spanabhebung hergestellt und miteinander in einer, von der Symmetrieebene der Kugelhahnarmatur abweichenden Ebene zusammengeschweisst.
Der Stutzen wird an der Kugelschale auch durch Schweissen befestigt.
Ziel der Erfindung ist es, einen kryogenen Kugelhahn zu schaffen, bei dem die Länge der Spindel die Länge der Spindel der herkömmlichen kryogenen Kugelhähne bedeutend unterschreitet, gleichzeitig aber die Temperatur der Dichtung rund um den Dreharm und die Temperatur der in der Nähe sich befindenden Spindel praktisch der Raumtemperatur entspricht. Dies soll auch für den in der Richtung der Spindeldichtung und des Dreharmes liegenden Teil des die Spindel umschliessenden Raumes gelten, wo immer ein gasförmiges Medium vorhanden ist. Es besteht weiterhin die Forderung, dass die Kugel und die Spindeldichtung nur solchen Kraftwirkungen ausgesetzt werden, die in dem Material der Dichtung eine Verformung von max. 5 bis 6% hervorrufen.
Ferner darf die Verbindung zwischen dem rund um die Spindel vorhandenen Raum und dem Raum der Förderrohrleitung unter keinen Umständen unterbrochen werden. Es soll somit das sich praktisch ständig um die bewegliche Spindel herum befindliche Gas von niedriger Temperatur erwärmbar sein.
Erfindungsgemäss wird das gesetzte Ziel bei einem Kugelhahn der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass ein die rund um das Schutzrohr steif befestigten Rippen tragendes Aluminiumrohr vorhanden ist, dass zwischen dem Mantel der Spindel und dem Schutzrohr, bzw. dem inneren Mantel eines daran befestigten Rohransatzes eine aus paarweise alternierenden Blechscheiben und Dichtungsringen bestehende Dichtung mit Sandwichstruktur angeordnet ist, wobei in der Wand einer Verschlusskugel in dem in der Sperrstellung in der Richtung der Einlassöffnung liegenden Teil eine Obergangsbohrung ausgeführt ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumrohr und die sich daran befindenden Rippen als ein einziges Werkstück als Guss ausgeführt sind.
Der erfindungsgemässe kryogene Kugelhahn wird an Hand eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles, in der Zeichnung näher erläutert.
Ein Gehäuseteil --2-- des Gehäuses des kryogenen Kugelhahnes kann in eine Bohrung eines Gehäuseteiles --1-- eingeschoben werden. Die Gehäuseteile-l und 2-- sind in der gewünschten Position aneinander geschweisst. In dem Gehäuseteil --1-- ist ein Sitz --3-- vorgesehen, in dem eine Tellerfeder --4--, ein an der Innenfläche der erwähnten Feder sich abstützender, einen Winkelprofilquerschnitt aufweisender, kreisförmiger Stützring --5-- und ein auf den Stützring --5-- aufgepasster, aus Teflonmaterial verfertigter, die Aufgabe des Sitzes erfüllender Dichtungsring --6-angeordnet sind.
In der Innenfläche des Gehäuseteiles --2-- ist ein Sitz --7-- ausgestaltet, in dessen Innenteil eine ringförmige Schulter --6-- ausgebildet ist. In dem Sitz --7-- bzw. zwischen dem Aussenmantel der Schulter --6-- und dem Aussenmantel des Sitzes --7-- ist ein die Aufgabe des Sitzes erfüllender, aus Teflon verfertigter Dichtungsring --9-- eingesetzt. Die mit Durchlassöffnungen --10-- parallele Höhe der Schulter --6-- ist niedriger, als die Höhe des Aussenmantels des Sitzes --7--.
In dem Raum zwischen den Gehäuseteilen-l und 2--, zwischen den Dichtungsringen ist eine Verschlusskugel angeordnet, die auf an sich bekannte Weise mit einer Spindel --12-- verbunden ist. Die Spindel ist von einem an der oberen Seite des Gehäuseteiles-l-angeschweissten Schutzrohr --13-- umschlossen. Oben, an dem Schutzrohr --13-- ist ein angeschweisster Rohransatz --14-- vorhanden, der in seinem Inneren mit einem Muttergewinde ausgestattet ist. In das Muttergewinde kann eine Druckbüchse --15-- eingeschraubt werden.
Die untere Fläche der Druck- büchse --15- stützt sich auf einer aus säurebeständigem Stahl verfertigten Blechscheibe --16--
<Desc/Clms Page number 4>
ab, unter welcher ein aus Teflonmaterial verfertigter Dichtungsring --17-- und paarweise alternierend weitere Blechscheiben --16-- und Dichtungsringe --17-- angeordnet sind. Der unterste Verdich- tungsring --17-- stützt sich auf einer, an der Spindel --12-- ausgestalteten Schulter --16-- ab, die sich über einen weiteren Dichtungsring --17-- auf einer Haltescheibe --19-- abstützt, welche wieder auf der in der Bohrung des Schutzrohres --13-- ausgearbeiteten Schulter anliegt. An dem aus dem Rohransatz --14-- hervorragenden Ende ist ein Dreharm --20-- auf an sich bekannte Weise befestigt.
Auf dem Schutzrohr ist ein Aluminiumrohr --21-- befestigt, dessen Aussenmantel von aus Aluminium verfertigten scheibenförmigen Rippen --22-- umgeben ist. Das Aluminiumrohr --21-- wird vorzugsweise durch Giessen hergestellt, in einem erhitzten Zustand auf das Schutzrohr --13-- aufgezogen und während der Abkühlung angeschrumpft. Über dem Aluminiumrohr --21-- und den Rippen kann eine vorzugsweise aus Stahl verfertigte Scheibe --23-- an dem Schutzrohr --13-- befestigt werden, die einen grösseren Durchmesser als die Rippen --22-- aufweist und dabei auch dicker ist. Der Scheibe --23-- wird die Aufgabe zugeteilt, die Rippen --22-- vor dem Schadhaftwerden zu schützen.
Die Rippen --22-- können aus von einem Aluminiumrohr bzw. einem Aluminiumblech ausgeschnittenen Scheiben hergestellt werden, die durch Schweissen oder auf irgendeine andere, an sich bekannte Weise aneinander befestigt werden können.
An dem in der Sperrstellung in der Richtung der Einlassöffnung des kryogenen Kugelhahnes liegenden Teil der Kugel --11-- ist eine Bohrung --24-- ausgestaltet.
Bei der Montage des erfindungsgemässen kryogenen Kugelhahnes wird das Schutzrohr-13an dem Gehäuseteil-l-angeschweisst. Nach erfolgtem Einsetzen der Tellerfeder --4--, des Stützringes --5-- und des Dichtungsringes --6-- in den Sitz --3-- wird die Kugel --11-- in die Bohrung des Gehäuseteiles-l-eingeschoben'und unter Zuhilfenahme der in das Schutzrohr --13-- eingeschobenen Spindel --12-- in die gewünschte Position gebracht ;
darauffolgend wird der Dichtungsring --9-- in den Sitz --7-- des Gehäuseteiles --2-- eingewalzt und der Gehäuseteil --2-- in die Bohrung des Gehäuseteiles-l-eingeschoben. In der Montagevorrichtung wird der Gehäuseteil - in solcher Tiefe in die Bohrung des Gehäuseteiles-l-eingeschoben, dass zwischen den Dich- tungsringen --6 und 9--, sowie der Kugel --11-- ein befriedigendes Anliegen erreicht wird, wobei in diesem Zustand die Gehäuseteile --1 und 2-- aneinander geschweisst werden.
Nachher werden das Aluminiumrohr --21-- bzw. die Rippen --22-- und die Scheibe --23-- auf dem Schutzrohr --13-befestigt ; nach Einsetzen der Haltescheibe --19-- werden die Spindel --12--, die Blechscheiben - mit Sandwichstruktur und die Dichtungsringe --17-- eingeschoben, die unter Zuhilfenahme der Druckbüchse --15-- an die Schulter --16-- gepresst werden ; nachher wird der Dreharm --20-auf die übliche Weise befestigt.
Der erfindungsgemässe kryogene Kugelhahn weist unter anderem die folgenden Vorteile auf :
Die Dimensionen, insbesondere die Stärken der Dichtungsringe --6, 9 und 17-- werden so gering gewählt, dass diese beim Zusammenpressen eine geringe Deformation - unter 5 bis 6% - erleiden. Bei einer so geringen Deformation bleiben die Materialcharakteristiken der Teflondichtungsringe auch bei einer äusserst niedrigen Temperatur-etwa-250 C-unverändert und behalten ihre Plastizität. Die Dichtungsringe sind so umschlossen, dass eine Deformation ausschliesslich in der zur einwandfreien Dichtung erforderlichen Richtung erfolgen kann. Das rund um die Spindel ausgebildete Dichtungssystem mit Sandwichstruktur sichert eine besonders gute und zuverlässige Dichtung.
Dadurch, dass die Gehäuseteile --1 und 2-- während der Montage auf eine, die Forderung hinsichtlich einer guten Dichtung befriedigenden Weise gegeneinander eingestellt werden und die Gehäuseteile unlösbar aneinander befestigt sind, kann die einwandfreie Dichtung der Dichtungsringe --6, 9--, insbesondere des für die vollkommene Abdichtung unerlässlichen Dichtungsringes --9-erreicht werden.
Die Spindel --12-- kann verhältnismässig kurz dimensioniert werden, da das auf dem Schutzrohr --13-- eng anliegende Aluminiumrohr --21-- und die Rippen --22-- - ohne etwaige besondere Massnahme oder Anwendung einer Heizvorrichtung - soviel Wärme von der Umgebung in den zwischen dem Schutzrohr --13-- und der Spindel --12-- vorhandenen Raum zu führen imstande sind, dass diese zur Erwärmung der in dem Raum vorhandenen Flüssigkeit über den Siedepunkt ausreichend ist ; folglich kommt die Spindel --12-- mit einer Flüssigkeit nicht in Berührung, eine Berührung findet nur mit einem gasförmigen Medium statt. Durch das Gas wird die Wärmeströmung
<Desc/Clms Page number 5>
verlangsamt ; so weisen praktisch der Dichtungsraum und der Dreharm --20-- ständig Raumtemperatur auf.
Im Hinblick darauf, dass weder eine Kondensatbildung noch Eisbildung zu befürchten ist, findet das Schliessen und Öffnen leicht, mit geringem Kraftaufwand statt ; auch die Zuverlässigkeit der Dichtung bleibt erhalten. Der Raum zwischen der Spindel --12-- und dem Schutzrohr --13-bleibt auch beim geschlossenen Zustand des kryogenen Kugelhahnes mit dem Innenraum der die Flüssigkeit zu dem kryogenen Hahn fördernden Rohrleitung verbunden, so kann die Flüssigkeit in dem Raum zwischen der Spindel --12-- und dem Schutzrohr --13-- keineswegs plötzlich verdampfen und einen die Beschädigung des Kugelhahnes verursachenden Überdruck hervorrufen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kryogener Kugelhahn, der als Armatur für Rohrleitungen zur Förderung von Flüssigkeiten niedriger Temperatur (gegen-200 C) geeignet ist, und der ein aus zwei unlösbar aneinander befestigten Gehäuseteilen bestehendes Gehäuse und ein auf dem Gehäuse unlösbar befestigtes und die verlängerte bewegliche Spindel umgebendes Schutzrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die rund um das Schutzrohr (13) steif befestigten Rippen (22) tragendes Aluminiumrohr (21) vorhanden ist, dass zwischen dem Mantel der Spindel (12) und dem Schutzrohr (13), bzw.
dem inneren Mantel eines daran befestigten Rohransatzes (14) eine aus paarweise alternierenden Blechscheiben (16) und Dichtungsringen (17) bestehende Dichtung mit Sandwichstruktur angeordnet ist, wobei in der Wand einer Verschlusskugel (11) in dem in der Sperrstellung in der Richtung der Einlassöffnung liegenden Teil eine Übergangsbohrung (24) ausgeführt ist.