DE10339843A1

DE10339843A1 - Kälteerzeuger

Info

Publication number: DE10339843A1
Application number: DE10339843A
Authority: DE
Inventors: Mario Pietrangeli; Holger Dietz
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24
Also published as: WO2005028970A1

Abstract

Bei einem Kälteerzeuger mit einem Kreislauf, der eine Druckquelle, einen pulsierenden Refrigerator und ein Rückschlagventil aufweist, ist das Rückschlagventil (13) mit einer Haltevorrichtung (30) versehen, die das Dichtelement (24) im Öffnungszustand festhält. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Rückschlagventil die Pulsationsbewegungen mitmacht. Dadurch wird ein erhöhter Verschleiß des Rückschlagventils vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kälteerzeuger mit einem pulsierenden Refrigerator, der einen an eine Hochdruckquelle anschließbaren Druckanschluss und einen mit einem Rückschlagventil verbundenen Niederdruckanschluss aufweist, wobei das Rückschlagventil ein durch Fluiddruck bewegbares Dichtelement enthält.

Rückschlagventile, die in Leitungen mit pulsierenden Strömungen eingesetzt werden, unterliegen häufigen Lastspielen, insbesondere wenn die betreffenden Geräte im Dauerbetrieb arbeiten. Hierbei kann es zu Abnutzungserscheinungen und Funktionsversagen kommen. Ein spezielles Anwendungsgebiet bilden Kälteerzeuger, die einen pulsierend arbeitenden Refrigerator enthalten. Der Refrigerator ist mit einer Druckquelle zu einem Kreislauf geschaltet. Der Kreislauf enthält im Rücklauf zwischen Refrige rator und Druckquelle ein Rückschlagventil, das in der genannten Richtung durchlässig ist, vom Einlass der Druckquelle zum Niederdruckanschluss des Refrigerators jedoch sperrt. Ein Refrigerator ist beispielsweise ein Kaltkopf, wie er in EP 0 437 661 A1 (Leybold AG) beschrieben ist. Ein solcher Kaltkopf weist einen Hochdruckanschluss und einen Niederdruckanschluss auf, die mit einem Helium-Kompressor verbunden werden. Der Kaltkopf arbeitet nach dem Gifford/McMahon-Prinzip. Er enthält in einem zylindrischen Arbeitsraum einen Verdränger, der mit einem zentralen Regenerator ausgerüstet ist und von dem Kolben periodisch bewegt wird. Derartige Kälteerzeuger werden insbesondere für Vakuum-Kryopumpen benutzt. Wenn die Druckquelle wegen Beendigung des Arbeitsbetriebes oder aus anderen Gründen stillgesetzt wird, entsteht an dem Kaltkopf ein Heliumgasnebel, der zur Druckquelle zurückfließen soll. Andererseits müssen Gegenströmungen von der Druckquelle zum Kaltkopf vermieden werden. Aus diesem Grund befindet sich in der Rücklaufleitung, die vom Kaltkopf zur Druckquelle führt, ein Rückschlagventil. Infolge des pulsierenden Betriebes des Kaltkopfes, der mit einer Frequenz von etwa 2 Hz arbeitet, ist das Rückschlagventil zahlreichen Lastspielen ausgesetzt. Dabei ergeben sich bei Standardanwendungen mehr als 60 Mio. Lastspiele pro Jahr. Dies bedeutet, dass das Rückschlagventil einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist, mit der dauernden Gefahr eines plötzlichen Versagens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ein Rückschlagventil zwischen Refrigerator und Druckquelle enthaltenden Kälteerzeuger zu schaffen, bei dem die Belastung des Rückschlagventiles erheblich verringert ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Rückschlagventil für Leitungen oder Geräte mit pulsierenden Strömungen zu schaffen, das infolge einer geringen Beanspruchung eine hohe Lebensdauer hat.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 7. Hiernach enthält das Rückschlagventil eine steuerbare Haltevorrichtung, die das Dichtelement im Öffnungszustand hält.

Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass eine Haltevorrichtung vorgesehen ist, die die Funktion des Rückschlagventils zwangsweise unterbindet und das Dichtelement zwangsweise im Öffnungszustand hält. Dadurch wird erreicht, dass das Rückschlagventil in seinen Bewegungen der pulsierenden Strömung nicht folgt. Vielmehr bleibt es solange im Öffnungszustand, wie die Erregung der Haltevorrichtung dauert. Da das Rückschlagventil während des laufenden Betriebes keine Lastspiele ausführt, ist es nur einem sehr geringen Verschleiß unterworfen. Das Rückschlagventil mit Haltevorrichtung eignet sich daher besonders für im Dauerbetrieb arbeitende pulsierende Kreisläufe.

Die Erfindung ist vorwiegend und mit besonderem Vorteil bei Kälteerzeugern anwendbar, die in einem Kreislauf eine Druckquelle und einen Refrigerator, z.B. einen Kaltkopf, enthalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement mit einer Ventilstange verbunden, auf die die Haltevorrichtung einwirkt. Die Ventilstange ermöglicht sowohl eine Führung des Dichtelements als auch die Kopplung des Dichtelements mit der Haltevorrichtung. Darüber hinaus kann sie als Führungselement für eine Ventilfeder dienen.

Zweckmäßigerweise ist die Haltevorrichtung aktiviert, solange der Druckerzeuger in Funktion ist, und deaktiviert, solange der Druckerzeuger außer Funktion ist. Die Steuerung der Haltevorrichtung erfolgt somit in Abhängigkeit von dem Lieferdruck der Druckquelle. Andererseits besteht auch die Möglichkeit der Kopplung mit dem Schalter, über den die Druckquelle ein- und ausgeschaltet wird. Wichtig ist, dass bei einem Kälteerzeuger die Funktion der Haltevorrichtung beendet wird, wenn der von der Druckquelle gelieferte Druck nachlässt oder aufhört. Die Haltekraft der Haltevorrichtung ist so bemessen, dass das Ventil bei den auftretenden pulsierenden Druckschwankungen geöffnet bleibt. Beim Abschalten der Hilfsenergie der Haltevorrichtung oder beim Ausfall der Haltevorrichtung nimmt das Rückschlagventil sein normales Betriebsverhalten an, d.h. es wird von den auftretenden Druckschwankungen geöffnet und geschlossen.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Kreislaufs eines Kälteerzeugers,
2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Rückschlagventils, und
3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Rückschlagventils.
In 1 ist ein Kälteerzeuger 10 dargestellt, der einen Fluidkreislauf mit einer Druckquelle 11, z.B. einem Kompressor, einem Kaltkopf 12 und einem Rückschlagventil 13 aufweist. Der Kaltkopf 12 entspricht beispielsweise demjenigen von EP 0 437 661 A1 . Der Kaltkopf kann in eine Kryopumpe eingesetzt werden, um ein Vakuum zu erzeugen. Der Kaltkopf 12 weist einen Hoch druckanschluss 14 und einen mit dem Rückschlagventil 13 verbundenen Niederdruckanschluss 15 auf. Das Rückschlagventil 13 ist von dem Niederdruckanschluss 15 zum Einlass der Druckquelle 11 durchlässig, sperrt aber in Gegenrichtung. Das Rückschlagventil 13 hat die Aufgabe, beim Abschalten oder einem Ausfall der Druckquelle 11 zu verhindern, dass der entstehende Heliumgasölnebel zu dem Kaltkopf 12 zurückströmt.
In 2 ist eine erste Ausführungsform des Rückschlagventils 13 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Rückschlagventil weist ein Ventilgehäuse 20 auf mit einem axialen Gaseinlass 21, der in eine Ventilkammer 22 mündet. Aus der Ventilkammer 22 führt ein Gasauslass 23 heraus. In der Ventilkammer befindet sich ein Dichtelement 24, das mit einem Ventilsitz 25 zusammenwirkt, um im Schließzustand den Gaseinlass 21 zu verschließen und im Öffnungszustand die Verbindung zwischen Gaseinlass 21 und Gasauslass 23 freizugeben. Das Dichtelement 24 ist hier eine Ventilscheibe. Diese ist mit einer Ventilstange 26 verbunden, welche sich durch die Ventilkammer 22 hindurch erstreckt. Die Ventilstange führt durch eine Stützwand 27 hindurch. Die Stützwand 27 dient ferner zum Abstützen einer Ventilfeder 28, welche das Dichtelement 24 gegen den Ventilsitz 25 drückt und somit eine Vorspannung für das Rückschlagventil erzeugt.
Auf das rückwärtige Ende der Ventilstange 26 wirkt eine Haltevorrichtung 30, die imstande ist, die Ventilstange und somit auch das Dichtelement 24 im Öffnungszustand festzuhalten. Die Haltevorrichtung 30 ist im vorliegenden Fall pneumatisch oder hydraulisch. Sie weist einen Zylinder 31 auf, in welchem das rückwärtige Ende der Ventilstange 26 als Kolben bewegbar ist. Eine Steuerleitung 32 erzeugt in dem Zylinder 31 ein Vakuum, um die Ventilstange 26 in der rückwärtigen Endstellung festzuhalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 ist die Haltevorrichtung 30 eine elektromagnetische Haltevorrichtung. Sie weist eine Magnetspule 33 auf, die auf einem rohrförmigen Kern 34 sitzt. Bei elektrischer Erregung der Magnetspule 33 wird das aus Eisen oder Ferritmaterial bestehende Ende der Ventilstange 26 in den Kern 34 eingezogen, so dass das Dichtelement 24 in der Öffnungsstellung gehalten wird.
Die Haltevorrichtung 30 ist in beiden beschriebenen Fällen steuerbar. Sie braucht externe Energie, um das Dichtelement 24 in der Öffnungsstellung festzuhalten. Bei einem Ausfall dieser externen Energie ist die Haltevorrichtung 30 wirkungslos. Das Rückschlagventil arbeitet dann wie ein konventionelles Rückschlagventil.
Die Haltevorrichtung 30 ist erregt oder aktiviert, solange die Druckquelle 11 Druck erzeugt. Hierzu kann ein Drucksensor vorgesehen sein, der mit dem Auslass des Kompressors verbunden ist und der die Zuführung von Hilfsenergie zu der Haltevorrichtung 30 veranlasst, solange der Druck einen Schwellenwert übersteigt.
Der Kaltkopf 12 führt einen pulsierenden Betrieb mit einer Frequenz von etwa 2 Hz durch. Die Haltevorrichtung 30 verhindert, dass das Rückschlagventil 13 den Pulsationsbetrieb mitmacht. Es hält das Rückschlagventil im Öffnungszustand, so dass keine unnötigen Lastspiele durchgeführt werden.
Durch die vorstehende Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele wird der Schutzbereich, der durch die Patentansprüche bestimmt wird, nicht eingeschränkt.

Claims

Kälteerzeuger mit einem pulsierenden Refrigerator (12), der einen an eine Druckquelle (11) anschließbaren Hochdruckanschluss (14) und einen mit einem Rückschlagventil (13) verbundenen Niederdruckanschluss (15) aufweist, wobei das Rückschlagventil (13) ein durch Fluiddruck bewegbares Dichtelement (24) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (13) eine steuerbare Haltevorrichtung (30) enthält, die das Dichtelement (24) im Öffnungszustand festhält.
Kälteerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (24) mit einer Ventilstange (26) verbunden ist, auf die die Haltevorrichtung (30) einwirkt.
Kälteerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (30) aktiviert ist, solange der Druckerzeuger (11) in Funktion ist, und deaktiviert wird, wenn der Druckerzeuger außer Funktion ist.
Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (30) eine elektromagnetische Haltevorrichtung ist.
Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung eine Fluid betätigte Haltevorrichtung ist.
Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (30) im energielosen Zustand das Dichtelement (24) freigibt.