DE1950221A1

DE1950221A1 - Vorrichtung zur Entspannung von UEberdruecken

Info

Publication number: DE1950221A1
Application number: DE19691950221
Authority: DE
Inventors: Welch Kimo Merlin
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1968-10-18
Filing date: 1969-10-04
Publication date: 1970-05-27
Also published as: BE740282A; FR2020994A1; JPS4937937B1; US3515309A; SE353949B; GB1224089A

Description

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. DR. HERMANN FAY

79 Ulm, den 2.10.1969

United States Atomic 1950221

Energy Commission
Germantown, Maryland

Vorrichtung zur Entspannung von Überdrücken

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entspannung von Überdrücken.

Es ist bei unter Druck stehenden Systemen der verschiedensten Arten üblich, für einen Schutz gegen Überdrucke zu sorgen, um Verletzungen von Personen oder Schäden an der Ausrüstung, einschliesslich der gegen Zerstörung durch Überdrucke besonders empfindlichen Instrumentierung zu vermeiden« In vielen Druck- und Vakuumsystemen, wie beispielsweise in einem G-asmischsystem oder einem geschlossenen kryogenen Pumpsystem, ist es wünschenswert, daß der Schutz gegen Überdrucke bei einem genau vorgebbaren Differentialdruck wirksam wird, um die Zerstörung empfindlicher

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Instrumente zu verhindern, die häufig schon bei nur geringeren Überdrucken Schaden nehmen können. Schutz bei genau vorgebbaren Differentialdrucken ist auch in Drucksystemen von Bedeutung, in welchen ein schneller Druckaufbau bis zu Werten stattfinden kann, die zu Personen- und Sachschäden führen scannen» Derartig schnelle Druckzunahmen sollen durch schnell arbeitende. Schutzeinrichtungen sofort unterbunden werden. Ein genauer und schneller Schutz soll vorzugsweise erreicht werden, ohne zu aufwendigen und komplizierten Anordnungen Zuflucht nehmen zu müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine wirksame und schnelle Entspannung auftretender Überdrücke bei vorgebbaren Werten des Differentialdruckes ermöglicht." Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht äecln, eine im Rahmen der Erfindung zur Entspannung des Überdruckes verwendete, durch einen elektrischen Strom zum Zerreissen kommende Membran unter eine vorgebbare mechanische Spannung zu setzen und diese Membran frei von Falten und an ihrem Rand vakuumdicht einzuspannen.

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Zur Entspannung der Überdrucke arbeitet die Erfindung mit einer differential vom Überdruck beaufschlagten, elektrisch leitenden Membran, die unter der Wirkung zunehmenden Differentialdruckes bis zum elektrischen Kontakt mit einer Elektrode bewegt wird, die in einem vorgegebenen Abstand von der Membran angeordnet ist, wenn diese unter einem normalen Druck steht. Zwischen der Elektrode und der Membran ist eine elektrische Stromquelle angeschlossen, so daß beim Kontakt der Membran mit der Elektrode ein elektrischer Strom fließt, der schnell und wirksam die Membran zerreißt, um die Entspannung des Überdruckes durch die zerrissene Membran hindurch zu ermöglichen. Der Strom wird über eine Strombegrenzungseinrichtung zugeführt, die einerseits den Strom über eine begrenzte Zeit auf einen sicheren Wert beschränkt, andererseits die Wahl eines Stromwertes erlaubt, der ausreicht, um die Membran im gewünschten Ausmaß tatsächlich zu zerreißen. Der Differentialdruck, bei dem die Membran zerreißt, kann genau vorgegeben werden durch Wahl der Membrandicke, des Elektrodenabstandes und der Membranspannung bei faltenfreier Einspannung der Membran. Eine solche Einspannung der Membran wird durch eine Anordnung erreicht, bei der die Membran auf der einen Seite mit ihrem Rand über einer Wulst liegt, die halbkreisförmigen Querschnitt besitzt und über die Fläche

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eines ersten Flansches vorsteht. Ein zweiter Flansch dient dazu, einen Dichtring gegen die andere Seite der Membran, zu drücken und hierdurch die Membran faltenfrei bis zu dem gewünschten Wert zu spannen. Der Dichtring,~ die Flansche und die Membran bilden dabei gleichzeitig eine Hochvakuumdiehtung.

Im Ergebnis ist die Vorrichtung nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine differential vom Überdruck beaufschlagte und sich unter seiner Wirkung durchbiegende elektrisch leitende Membran, ferner eine von der Membran elektrisch isolierte Elektrode, die der Membran mit normalerweise freiem -Abstand gegenüber steht und mit ihr in elektrischen Kontakt gerät, wenii sich die Membran als Folge eines Überdruckes durchbiegt, xmd durch | eine zwischen die Membran und die Elektrode geschaltete elektrische Stromquelle, die einen die Membran zerreissenden elektrischen Strom erzeugt, wenn sich die Membran bis zum elektrischen und mechanischen Kontakt mit der Elektrode durchbiegt, so daß die Membran an der Kontaktstelle zerrissen wird.

Die weiteren Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen Und der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestelltenAusführungsbeispieles..

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Die Figur zeigt teilweise im Querschnitt eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Entspannung von Überdrucken.

Die Figur zeigt eine Vorrichtung 10 zur Entspannung »von Überdrucken, die durch eine Vakuumleitung 12 mit einem nicht dargestellten Vakuumsytem in Verbindung steht. Die Vorrichtung 10 besitzt eine dünne elektrisch leitende Membran 14, die über eine Stützbuchse 16 gespannt ist. Die Buchse ist mittig in der Fläche eines Flansches 18 montiert, der am Rohr 12 befestigt ist. Mittig gegenüber der Membran 1.4 ist mit Hilfe eines an einem Flansch 24 befestigten Rahmens 22 eine Elektrode in Form einer elektrisch leitenden spitzen Nadel 20 angeordnet. Die Nadel 20 ist mit Hilfe der Isolatoren 26 gegenüber dem Rahmen 22 elektrisch isoliert. Der Nadelschaft besitzt ein Gewinde, um den Abstand der Nadel von der Membran 14 einstellen zu können. Im gewünschten Abstand ist die Nadel mit Hilfe der Muttern 28 gehalten.

Die Membran 14 ist dadurch über die Buchse 16 gespannt,· daß der Rand der Membran auf einer Wulst 30 liegt, die halbkreisförmigen Querschnitt besitzt und über die Fläche des Flansches 18 vorsteht. Über der anderen Seite des Membranrandes liegt ein Diehtring 32 aus duktilem Metall,

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der den Membranrand zwischen sich und der Wulst 30 einschließt. Eine der Wulst 30 gegenüber liegende halbkreisförmige Wulst 34 befindet sich auf der Fläche eines den Dichtring 32 einpressenden Planschen 24. Die Plansche 18 und 24 sind gleichmässig mit Hilfe von in gleichen Abständen über den Planschumfang verteilt angeordneten Schrauben 36 und Muttern 38 zusammengezogen. HJsrdurch wird der Dichtring 32!von "einem rechtwinkligen Ausgangsquerschnitt zu einem Querschnitt verformt, der den halbkreisförmigen Ifülsten 30 und 34 entspricht, wobei der Dichtring gleichmäßig radial einwärts zur Mittelachse der Vorrichtung 10 hin verformt wird. Die einwärts verformte Kante des Dichtrings, die der Membran anliegt, nimmt die Membran umfangsseitig geringfügig in Richtung auf die Fläche des Flansches 18 mit und spannt hierdurch die Membran faltenfrei über die Stirnfläche der Buchse 16. Ein mit dem Vakuumsystem kommunizierendes Loch 40 befindet sich mittig in der Buchse und ist mit der Nadel 20 axial ausgerichtet, so daß die Mitte der Membran mit der Achse der Nadel, der Flansche undder Buchse fluchtet.

Die beschriebene Montage der Membran 14 ergibt eine Membranspannung, die für Membranen aus gleichem Material, gleicher Dicke und gleichem Durchmesser im wesentlichen

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vergleichbar ist mit anderen Membranhalterungen. Überdies wird bei gleichmässigem Anzug der Schrauben 36 nicht nur die Membran gespannt, sondern am Membranrand gleichzeitig eine Vakuumdichtung erzeugt; und wegen der Gestalt der halbkreisförmigen Wulste 30 und 34 führt der Anzug der Schrauben trotz der Verformung des Dichtringes zu keinerlei Scherbeanspruchungen der Membran durch diese Wulste oder den Dichtring.

Zwischen die Nadel 20 una Membran 14 ist eine Stromquelle 42 eingeschaltet. Eine Strombegrenzungseinrichtung kann mit der Stromquelle verbunden sein. Im Ausführungsbeispiel ist eine Sicherung 44 in Serie mit der Stromquelle, der Nadel und der Membran geschaltet.

Ein wghrend des Betriebes der Vorrichtung 10 im Vakuumrohr 12 entstehender unerwünschter Druckanstieg über den Umgebungsdruck beaufschlagt gleichmässig die Membran durch das Buchsenloch 40 und die Pumplöcher 46. Hierdurch wird die Membran symmetrisch von der Buchse 16 fortbewegt, bis sie schließlich einen elektrischen Kontakt mit der Nadel 20 bildet, wodurch ein Kurzschluß über die Stromquelle 42 steht. Hierdurch fliesst ein.-hoher elektrischer Strom durch die Membran an der Kontaktatelle, der in einem der Nadel gegenüber liegenden Membranbereich eine Öffnung

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zur Entspannung des Überdruckes erzeugt.

Die Stromquelle kann in üblicher Weise 110 Volt Y/eöhselstrom ftihreni obwohl andere Spannungswerte, sowohl Wechsel- wie Gleichspannung gleichermaßen geeignet sind. Die Sicherung 44 bildet ein billiges und bequemes Mittel zur Begrenzung der Größe und Dauer des Kurzsehlusstromes,

_ oiwohl statt dessen auch andere Strombegrenzungseinrichtungen, wie Trennschalter oder aufgeladene Kondensatoren als Stromquelle benutzt werden können. Die Nadel-20 kann, wie in der Figur dargestellt, in einer scharfen Spitze enden, um eine kleine öffnung bei verhältnismassig geringem Kurzschlusstrom zu zeugen, so daß eine Sicherung und eine Stromquelle geringer Leistung verwendet werden können. Die Nadel kann aber auch stumpf sein und in Verbindung mit einer stärkeren Sicherung und Stromquelle, also bei höherem KurzSchlußstrom, benutzt

" werden damit eine größere Öffnung für einen größeren Fluß und damit ein schnellerer Abbau des Überdruckes erreicht v/ird.

Der differentiale Überdruck, bei dem die Zerstörung der Membran 14 stattfindet, kann durch Einstellen der Nadel auf die bekannten Membrandurchbiegungen bei bekannten

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drucken genau vorgegeben werden. Die Membrandurchbiegungen lassen sich auch durch Wahl der Membrandicke und des Membranmateriales vorgeben.

In einem gebauten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden Kupfer- und Aluminiumbranen mit einer Dicke von 0,0508 mm in Verbindung mit einem Vakuumrohr von 25,4 mm äusseren Durchmesser erprobt. Die !Tadel befand sich in einem Abstand von ungehähr 0,254 mm gegenüber der Membran. Zwischen der Membran und der Nadel war eine Wechselstromquelle von 110 Volt in Serie mit einer 4 Ampere-Sicherung eingeschaltet. Es ergab.'sich, daß die Kupfermembran zuverlässig bei auf die Membran wirkender Druckdifferenz von weniger als etwa 0,1 Kilopond cm (1?4 psi) zerstört wurde. Die Membranen waren vakuumdicht, und zwar mit einer beobachteten Leckrate von weniger als 10 ' Normal cm /sek Helium.

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Claims

Ansprüche

(^Vorrichtung zur Entspannung von Überdrücken, gekennzeichnet durch eine differential vom Überdruck beauf-

™ schlagte und sich unter seiner Wirkung durchbiegende elektrisch leitende Membran (14), ferner eine von der Membran (14) elektrisch isolierte Elektrode (20), die der Membran mit normalerweise freiem Abstand gegenüber steht und mit ihr in elektrischen Kontakt gerät, wenn sich die Membran als Folge eines Überdruckes durchbiegt, und durch eine zwischen die Membran (14) und die Elektrode (20) geschaltete elektrische Stromquelle (42), die einen die Membran zerreißenden elektrischen Strom er-

W zeugt, wenn sich die Membran bis zum elektrischen und mechanischen Kontakt mit der Elektrode durchbiegt, so daß die Membran an der Kontaktstelle zerreißt·

2e Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strombegrenzungseinrichtung (44) für den von der Stromquelle (42) erzeugten Strom vorgesehen ist.

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3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung (42) eine elektrische
Sicherung ist·

4· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Elektrode (20)
und der Membran (14) einstellbar ist·

5· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) eine Nadel mit scharfer Spitze ist·

6. Vorrichtung naoh den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Btlchse (16) und eine Spanneinrichtung vorgesehen sind, um die Membran (14) über die Buchse zu
spannen·

7· Vorrichtung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung aus einem ersten Flansch (18) besteht, in dem die Buchse (16) montiert ist und der auf
der Planschfläche eine vorstehende, entsprechend dem
Rand der Membran (14) umlaufende Wulst (30) von halbkreis-

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förmigem Querschnitt aufweist, an der die Membran (14) im Bereich ihres Bandes anliegt, ferner aus einem zweiten Plansch (24) und einem zwischen diesem Plansch (24) und der Membran (14) eingelegten Dichtungsring (32), sowie aus Mitteln zum Zusammenziehen der beiden Plansche (18, 24)> um den Dichtungsring (32) und die Membran (14) um die Wulst (30) herum zu verformen und hierdurch die Membran (14) über die Buchse (16) zu spannen»

8_β Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (32) aus duktilem Metall besteht»

9· Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite Plansch (24) eine über seine Planschflache vorstehende Wulst (34) halbkreisförmigen Querschnittes aufweist, um den Dichtungsring (32) gleichmäßig radial einwärts zu verformen.

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