DE19516029C1

DE19516029C1 - Kupplung für tiefkalte verflüssigte Medien

Info

Publication number: DE19516029C1
Application number: DE19516029A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Gladbach; Peter Dr Ott
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2015-05-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung für tiefkalte ver flüssigte Medien zum Verbinden zweier vakuumisolierter Leitungsenden nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kupplungen zum Verbinden zweier Leitungen sind bekannt (DE 34 09 694 A1) Werden diese Kupplungen für das Be füllen von Kryobehältern eingesetzt, treten beim Durch fluß der Kryoflüssigkeiten außen Vereisungen auf, die unerwünscht sind und dazu führen können, daß der Kupp lungsstecker und die Kupplungsdose nicht mehr voneinander getrennt werden können. Dieses Problem tritt auch dann auf, wenn es beim Herstellen der Verbindung der Lei tungsenden zum Lufteinschluß kommt und die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit als Kondensat an dem tiefkalten Kupplungsstecker und der Kupplungsdose gefriert (DE-OS 30 03 398). Es ist dann erforderlich, die Umfüllvorrichtung warm zu fahren, damit die Kupplung gelöst werden kann, ohne daß Feuchtigkeit in der Umfüll vorrichtung kondensieren kann. Hinzu kommt, daß beim Eindringen von Umgebungsluft in die Umfüllvorrichtung sich ein explosives Gemisch zum Beispiel bei Wasserstoff oder Erdgas, bilden kann, so daß diese vor Gebrauch mit einem Inertgas gespült werden muß. Des weiteren kann bei Helium oder Wasserstoff aufgrund der niedrigen Siedetemperaturen restlicher Sauerstoff oder Stick stoff, der in der Umfüllvorrichtung ist, ausgefrieren, was zu einem Versagen von Bauteilen, wie Magnetventilen, führen kann.

Aus der DE 40 41 337 A1 ist bereits eine Kupplung für Flüssiggase bekannt, bei der das Eindringen von Umge bungsluft vermieden werden soll, indem vor dem eigent lichen Verbinden der Leitungsenden durch entsprechende Schaltung eines Ventils über ein Spülmedium das Um gebungsmedium entfernt wird. Dabei ist die beim Warm fahren und/oder Spülen der Umfüllvorrichtung benötigte Zeit wesentlich länger als die eigentliche Betankungs zeit eines Kryotanks mit einer Kryoflüssigkeit. Hinzu kommt, daß die Kupplung beim Kupplungsvorgang nicht mehr gasfrei ist.

Nach der US 4,335,747 wird der unerwünschte Gasein schluß durch jeweils einen am Leitungsende angeordneten Kugelhahn mit ineinanderpassenden Oberflächen vermieden, die vor dem Verbinden des Kupplungssteckers mit der Kupplungsdose die Umgebungsluft verdrängen. Der Kupplungsvorgang erfolgt hierbei in den zwei Arbeits schritten Abdichten nach außen und Verbinden der Durch flußleitungen. Dabei sind separate Absperrventile für die Durchflußleitungen erforderlich. Hinzu kommt, daß die Kugelhähne nicht vakuumisoliert sind und beim Ent kuppeln austretende Kryoflüssigkeit zum Einfrieren der Kugelhähne führt. Nach dem gleichen Prinzip wie die US 4,335,747 aufgebaute Kupplung sind aus der DE 41 04 711 A1 und der DE 42 19 912 A1 bekannt, die jedoch nach dem Verbinden des Kupplungssteckers mit der Kupplungsdose einem Spülvorgang unterzogen werden.

Eine Kupplung zum Erleichtern und Beschleunigen des Betankungsvorganges, zum Beispiel von Erdgastanks für Fahrzeuge, ist daher wünschenswert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung für kryogene Medien zu schaffen, die im kalten Zustand gelöst werden kann und mit der die Befüllzeit von Kryobehältern verringert wird.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be rücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe er findungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Kupplung vermeidet beim Durchfluß von tiefkalten Medien, wie zum Beispiel flüssig-Erdgas außen eine Vereisung durch eine Überlappung von Vakuumräumen im zusammengesteckten Zustand. Im Inneren dieser Vakuum räume sind auf der Kupplungsdose und dem Kupplungs stecker am Ende der Leitungen Mittel vorgesehen, die die Leitungen im entkuppelten Zustand verschließen. Werden die Kupplungsdose und der Kupplungsstecker zusammengeschoben, so erfolgt über stirnseitig angeord nete Mittel als erstes das Abdichten der beiden ge schlossenen Durchströmöffnungen gegeneinander nach außen.

Vorteilhaft bestehen die Mittel aus einem an der Stirn seite der aufnehmenden Kupplungsdose angeordneten Dicht wulst und aus einer am eindringenden Kupplungsstecker vorgesehenen Dichtscheibe. Der metallische Dichtwulst ist dabei einstückig mit dem Ventilgehäuse verbunden. Er trifft beim Einführen des Kupplungssteckers in die Kupplungsdose auf die am Kupplungsstecker vorgesehene, vorzugsweise aus PTFE bestehende Dichtscheibe. Über die Kraft von Federn und über die Druckbeaufschlagung des kryogenen Mediums ist eine dichte Verbindung zwischen Dichtwulst und Dichtscheibe immer sichergestellt. Erst wenn die Kupplungsteile weiter zusammengeschoben werden, öffnen sich die Durchströmöffnungen und geben den Durchgang für das kalte Medium frei. Im Bereich der Kupplung wird die zwischen dem Schließkörper der Kupplungsdose und der Dichtscheibe des Kupplungssteckers von dem Dichtwulst eingeschlossene Umgebungsluft beim Kuppeln weitestgehend durch das Volumen einer Ver drängungsplatte verdrängt so daß ein Inertisieren beziehungsweise Spülen der Kupplung entfällt. Vorteil haft ist es möglich, das beim Kupplungsvorgang einge schlossene Luftvolumen auf V_L < 150 mm³ (= 0.15 cm³) bei einer Nennweite von DN 13 zu begrenzen. Hierdurch wird die Reinheit der umzufüllenden Stoffe nicht beeinflußt. Die Kupplung ermöglicht eine saubere Umfülltechnik für alle kryogenen Medien, insbesondere mit T_Siede < 77 K. Hinzu kommt, daß der Abdichtvorgang bei dem Kupplungsvorgang stattfindet. Abdichtvorgang und Kupplungsvorgang werden beim Zusammenstecken des Kupplungssteckers in die Kupplungsdose ausgeführt. Sie finden dabei selbsttätig statt.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert.

Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Kupplung im entkuppelten Zustand;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Kupplung im halb gekuppelten Zustand;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungs gemäßen Kupplung im gekuppelten Zustand.

Die erfindungsgemäße Kupplung nach den Fig. 1 bis 3 umfaßt einen Kupplungsstecker 10 und eine Kupplungsdose 11 zum Verbinden zweier Leitungsenden 12, 13. Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, wird die Verbindung durch Zu sammenstecken und Verschrauben des Kupplungssteckers 10 mit der Kupplungsdose 11 hergestellt. Auf dem vakuum isolierten Kupplungsgehäuse 14 des Kupplungssteckers 10 ist hierzu eine Überwurfmutter 15 und auf dem ebenfalls vakuumisolierten Kupplungsgehäuse 18 der Kupplungsdose 11 ein Gewinde 16 angeordnet. Über die Verschraubung wird die benötigte mechanische Kraft, die den Kupplungs stecker 10 in die Kupplungsdose 11 drückt und damit den Weg für das tiefkalte Medium frei gibt, aufgebracht. Eine leichtgängige Verschraubung wird durch Anordnung von Kugeln 19 zwischen dem Kupplungsgehäuse 14 und der Überwurfmutter 15 erreicht, auf welchen die Überwurf mutter 15 abrollt. Andere Arten der Kraftaufbringung zum Zusammenstecken und Verbinden von Kupplungsdose 11 und Kupplungsstecker 10 liegen im Rahmen der Erfindung, wie zum Beispiel Hebel, Exzenter oder mit fremdmediumbetriebene Zylinder.

Jedes Kupplungsgehäuse 14, 18 bildet einen sich nahezu über die gesamte Länge von Kupplungsstecker 10 bzw. Kupplungsdose 11 erstreckende, isolierende Vakuumring kammer, die sich im zusammengeschobenen Zustand von Kupplungsstecker 10 und Kupplungsdose 11 überlappen und ein Vereisen der Kupplung beim Durchfluß von tiefkalten Medien in den Leitungsenden 12, 13 verhindern. An jedem Leitungsende 12, 13 sind die sich gegenüberliegenden Mittel 20, 21 zum Öffnen und Schließen der Durchström- Öffnungen 25, 36 angeordnet. Die Mittel 20 der Kupplungs dose 11 bestehen aus einem das Leitungsende 13 ver schließenden Schließkörper 22 aus PTFE. Der Schließ körper 22 liegt über Feder 27 und Medium kraftbeauf schlagt an dem Ventilsitz 17. Dieser ist innerhalb eines mit dem Leitungsende 13 verbundenen Ventilgehäuses 24 angeordnet und in Form einer sich unter einem Winkel verjüngenden Wand 9 des Ventilgehäuses 24 ausgebildet. Die sich verjüngende Wand 9 endet in einem kreisring förmig ausgebildeten, stirnseitig angeordneten Mittel 8 zum Abdichten, das als Dichtwulst ausgebildet ist. In dem zwischen Schließkörper 22 und Mittel 8 verblei benden Raum des Ventilgehäuses 24 ist eine Verdrängungs platte 23 angeordnet. Die Verdrängungsplatte 23 füllt den Raum radial und axial bis zur Ebene des Dichtwulstes so aus, daß aufgrund von Fertigungstoleranzen nur ein Luftvolumen V_L < 150 mm³ eingeschlossen ist. Mit einem Gewindebolzen 26 ist die Verdrängungsplatte 23 an einem Haltekörper 28 befestigt, an dem die Feder 27 anliegt. Zwischen Haltekörper 28 und Verdrängungsplatte 23 ist der Schließkörper 22 angeordnet. An dem Haltekörper 28 ist ein Gehäuse 29 mit einer in Strömungsrichtung des verflüssigten kryogenen Mediums verlaufenden Öffnung 30 befestigt. Das Gehäuse weist eine Schulter 31 auf, an der sich die Feder 27 mit ihrem anderen Ende abstützt.

Die Mittel 21 des Kupplungssteckers 10 bestehen eben falls aus einer Verdrängungsplatte 32, die über Ge windebolzen 33 in einen Gewindestopfen 34 eingeschraubt ist. Der Gewindestopfen 34 ist an dem Leitungsende 12 befestigt. Zwischen der Verdrängungsplatte 32 und dem Gewindestopfen 34 ist eine Dichtung 35, insbesondere eine kreisringförmige Dichtscheibe aus PTFE, ange ordnet. Die Dichtung 35 dichtet das Leitungsende 12 ab. Die Verdrängungsplatte 32 ist von einem als Dichtscheibe ausgebildeten Mittel 50 umgeben, die kreisringförmig ausgebildet ist. Das Mittel 50 ist dem Mittel 8 der Kupplungsdose 11 gegenüberliegend angeordnet. Sie stützt sich an einer Trägerhülse 38 ab, deren elastisches Gegen lager eine Feder 39 ist. Die Feder 39 liegt mit ihrem anderen Ende an einem am Leitungsende 12 befestigten Lagerflansch 46 an. Über Ringdichtungen 41, 42 ist die Trägerhülse 38 radial gegenüber dem Vakuumgehäuse 14 und axial über Dichtung 35 abgedichtet. Die Ring dichtungen 41, 42 und die Dichtscheibe sind über Gewinde- und Distanzringe 43, 44, 45 an der Trägerhülse 38 befestigt.

Unmittelbar unterhalb des Gewindestopfens 34 sind die Durchströmöffnungen 25 radial in dem Leitungsende 12 angeordnet. Über eine zwischen Trägerhülse 38 und Außen wand des Leitungsendes 12 angeordneten rohrförmigen Dichtkörper 47 sind die Durchströmöffnungen 25 bei nicht verbundenen Kupplungsteilen verschlossen.

Die Leitungsenden 12, 13 werden durch Zusammenstecken des Kupplungssteckers 10 in die Kupplungsdose 11 ver bunden. Beim Schrauben der Überwurfmutter 15 auf das Gewinde 16 wird der Kupplungsstecker in Richtung des Schließkörpers 22 der Kupplungsdose 11 bewegt, bis das aus elastischem Material bestehende Mittel 50 auf dem Mittel 8 liegt. Wie Fig. 2 zeigt, überlappen sich dabei die vakuumisolierten Kupplungsgehäuse 14, 18. Aufgrund der durch Verdrängungsplatten 23, 32 und Mittel 50 nahezu ebenen Stirnflächen von Kupplungsstecker 10 und Kupplungsdose 11 wird das zwischen Mittel 50 und Mittel 8 vorhandene Umgebungsgas nahezu vollständig verdrängt. Das aufgrund von Fertigungstoleranzen zwischen Mittel 50 und Mittel 8 eingeschlossene Luftvolumen V_L ist auf < 150 mm³ begrenzt.

Der Kupplungsstecker 10 bewegt sich gegen die Kraft der Feder 27 und des Mediendruckes 51 weiter, bis der Schließkörper 22 von dem Ventilsitz 17 abhebt. Das Leitungsende 12 mit dem Gewindestopfen 34, der Dichtung 35, der Verdrängungsplatte 32 und dem Lagerflansch 46 bewegt sich hierzu in Richtung der Kupplungsdose 11, während sich der Dichtkörper 47 mit der Trägerhülse 38 stationär an dem Ventilgehäuse 24 abstützt. Dabei öffnen sich auch die Durchströmöffnungen 25 am Lei tungsende 12 selbsttätig und geben den Durchfluß des kryogenen Mediums frei. Die Kupplung kann in beiden Richtungen durchströmt werden.

Claims

1. Kupplung für tiefkalte verflüssigte Medien zum Ver binden vakuumisolierter Leitungsenden über eine Kupplungsdose und einen Kupplungsstecker, die jeweils an den äußeren Leitungsenden Mittel auf weisen, die in den Leitungsenden vorgesehenen Durch strömöffnungen vor deren Öffnung gegen Umgebungsgas abdichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8, 50) zum Abdichten an den Stirn seiten von Kupplungsdose (11) und Kupplungsstecker (10) und beim Kontakt innerhalb der vakuumisolierten Leitungsenden (12, 13) angeordnet sind und beim Verbinden von Kupplungsstecker (10) und Kupplungsdose (11) die Durchströmöffnungen (25, 36) selbsttätig öffnen.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8, 50) ein an den Stirnseiten der Kupplungsdose (11) vorgesehener Dichtwulst und eine an der Stirnseite des Kupplungssteckers (10) vorge sehene Dichtscheibe sind.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheibe aus einem elastischen Material besteht.

4. Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material PTFE ist.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsdose (11) ein Ventilgehäuse (24) aufweist, in dem ein Schließkörper (22) angeordnet ist, der kraftbeaufschlagt an einem Ventilsitz (17) des Ventilgehäuses (24) anliegt.

6. Kupplung nach Anspruchs 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schließkörper (22) eine Verdrängungs platte (23) angeordnet ist, welche den Raum des Ven tilgehäuses (24) radial und axial bis zur Ebene des Dichtwulstes ausfüllt.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupplungsstecker (10) einen kraftbeauf schlagten, rohrförmigen Dichtkörper (47) aufweist, der die radial aus dem Leitungsende (12) austretenden Durchströmöffnungen (25) verschließt.