DE2154184A1

DE2154184A1 - Elektrode zur Verwendung für ein mit einer Öffnung versehenes Druckgefäß

Info

Publication number: DE2154184A1
Application number: DE19712154184
Authority: DE
Inventors: Arnold G. Warren Pa. Bowles (V.StA.)
Original assignee: National Forge Co
Current assignee: National Forge Co
Priority date: 1970-12-22
Filing date: 1971-10-30
Publication date: 1972-07-13
Also published as: SE384945B; FR2119318A5; GB1365946A; US3660593A; BE774611A

Description

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National Forge Company, Irvine/ Pennsylvania, V.St.A.

Elektrode zur Verwendung für ein mit einer Öffnung versehenes Druckgefäß

Die Erfindung betrifft Elektroden zur Verwendung für Druckgefäße und insbesondere Elektroden zur Durchführung durch Druckgefäßwände oder -deckel.

Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen elektrische Leistung Heizeinrichtungen oder einer anderen elektrischen Vorrichtung innerhalb eines abgedichteten Druckgefäßes zugeführt werden muß. Im allgemeinen wird die Leistung über einen leitenden Stab geleitet, der durch die Druckgefäßwand bzw. durch den Druckgefäßdeckel hindurchgeführt ist. Solche Elektroden müssen den folgenden Anforderungen gerecht werden:

(a) Sie müssen gegen das unter hohem Druck stehende Fluid, entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, innerhalb des Gefäßes abgedichtet sein;

(b) sie müssen von dem Gefäß elektrisch isoliert sein;

(c) sie müssen der Kraft des Druckes innerhalb des Gefäßes , die die Elektrode aus dem Gefäß herausdrücken will, standhalten können;

(d) und sie müssen der Erhitzung im leitenden Teil der Elektrode während der Übertragung elektrischer Energie durch die Elektrode standhalten können.

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Bei einigen bekannten Druckgefäßelektroden wird das Abdichtungsverfahren verwendet, das gewöhnlich für das Abdichten von Kolbenstangen, Ventilschäften, Tauchkolbenpumpen und dergleichen angewendet wird. Im allgemeinen wird eine Dichtungspackung gegen den leitenden Stab gepreßt, der durch die Gefäßwand oder den Gefäßdeckel geführt ist, um eine Dichtung zu erzielen. Die Einspannung des Stabes verursacht ferner eine Reibungswirkung, welche*verhindert, daß der Stab aus der Druckgefäßwand bzw. aus dem Druckgefäßdeckel durch .die Endkraft unter der Wirkung des unter Druck stehenden Mediums herausgedrückt wird. Für Anwendungsfälle, bei denen ein Medium unter hohem Druck verwendet wird, muß die Länge der Packung beträchtlich sein, damit eine ausreichende beschränkende Reibungskraft auf den Stab ausgeübt wird. In allen Anwendungsfällen muß eine solche Dichtungspackung elastisch und durch die hohen Temperaturen unbeeinflußbar sein, die in der Elektrode erzeugt werden, wenn sie elektrische Energie leitet.

Bei einer anderen bekannten Elektrode wird ein sich verjüngender leitender Stab verwendet, der in einer Stopfbüchsenpackung innerhalb der Gefäßwand bzw. des Gefäßdeckeis sitzt. Die Isolierung ist zwischen dem Stab und der Stopfbüchse angeordnet. Die Verjüngung ist derart, daß der Stab nicht durch das Medium herausgepreßt werden kann, wenn das Gefäß unter Druck gesetzt wird. Ein Nachteil dieser Bauform besteht darin, daß die Isolierung sowohl dem hohem Druck des Mediums als auch der in der Elektrode erzeugten hohen Temperatur standhalten muß. Die Isolierung wird im Betrieb gewöhnlich durchschlagen, und es kommt auch vor, daß solche Elektroden, da sie aus einem zu weichen Material hergestellt sind, aus dem Druckgefäß wie Geschosse einer Flinte herausgedrückt werden.

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Bei jeder Art der vorangehend beschriebenen Elektroden muß der leitende Stab bei der Betriebstemperatur eine ausreichende Festigkeit haben, damit er dem hohen Druck innerhalb des Gefäßes standhalten kann. Reines Kupfer, das die höchste Leitfähigkeit von dem gewöhnlich zur Verfügung stehenden Materialien hat, kann in den meisten Fällen nicht verwendet werden, da seine Festigkeit bei zunehmender Temperatur sehr rasch verringert. Es muß deshalb eine Elektrode aus einem weniger leitfähigen Material verwendet werden, die eine große Querschnittsfläche, bezogen auf eine Kupferelektrode, von der gleichen Strombelastbarkeit hat. Im allgemeinen ist dieses Ersatzmaterial, zum Beispiel Beryllium-Kupfer, auch teurer als nicht-legiertes Kupfer.

Um die Nachteile der bisher verwendeten Elektroden zu vermeiden, soll durch die Erfindung eine Elektrode zur Verwendung mit einem mit einer öffnung versehenen Druckgefäß geschaffen werden, die einen elektrisch leitenden Stab aufweist, welcher in die öffnung im Gefäß eingesetzt ist, sowie eine Isolierhülse, die über den Stab geschoben ist, um diesen gegenüber der Gefäßwand elektrisch zu isolieren, wobei sich die erfindungsgemäße Elektrode dadurch unterscheidet, daß der Stab an seinem einen Ende sich in das Innere des Gefäßes erstreckt und an diesem Ende mit elektrisch leitendem Kontakt eine elektrisch leitende Verstärkung sitzt, die dazu dient, die Ausübung einer nach außen gerichteten Endbelastung durch den Stab durch das Druckmittel innerhalb des Gefäßes zu verhindern, und daß die Isolierung die elektrisch leitende Verstärkung von der Innenfläche des Gleises elektrisch isoliert und daß ferner eine Abdichtung vorgesehen ist, welche verhindert, das Druckmittel im Gefäß zwischen dem Stab und der Gefäßöffnung austritt.

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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verstärkung durch einen festen Block gebildet, der eine wesentlich größere Querschnittsfläche als der leitende Stab hat. Dieser Block hat die Aufgabe, die nach außen gerichtete Kraft, welche durch das Druckmittel erzeugt wird, gegen die Gefäßwand statt gegen das nach innen gerichtete Ende des Stabes zu verteilen, wodurch eine Endbelastung des Stabes im wesentlichen vermieden wird.

Gemäß einer weiteren beispielsweisen Ausführungsform der ^ Erfindung ist ein zweiter Block zwischen der Isolierung ™ und der Innenfläche des Gefäßes vorgesehen. Der zweite Block weist eine ringförmige Verengung in einem Bereich auf, an welchem er die Innenfläche des Gefäßes berührt. Eine zweite Dichtung umgibt die ringförmige Verengung an ihrem Umfang, um das Austreten des Druckmittels durch die Stabdurchführung zu verhindern. Der Zweck dieser ringförmigen Einschnürung ist, die übertragung von Biegekräften in der Gefäßwand bzw. im Gefäßdeckel unter der Wirkung des hohen Druckes innerhalb des Gefäßes auf die Isolierung und den ersterwähnten Block zu verhindern. Bei Anwendungsfällen mit sehr hohen Drucken wird die Isolierung gewöhnlich aus einem unbiegsamen bzw. j) unelastischen Material, beispielsweise aus einem keramischen Stoff, hergestellt und sollen die auf sie ausgeübten Biegekräfte so gering wie möglich gehalten werden.

Die Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich übrigens aus der nachfolgenden näheren Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, und zwar zeigen:

Figur 1 eine Ansicht im vertikalen Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung, in einem Teil einer Druckgefäßwand oder eines Druckgefäßdeckels eingesetzt;

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-tr-

Figur 2 eine Ansicht im vertikalen Schnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, in einem Teil einer Druckgefäßwand oder eines Druckgefäßdeckels eingesetzt.

In Figur 1 ist ein Teil des Druckgefäßes 10 dargestellt, der entweder ein Teil der Gefäßwand oder ein Teil des Deckels auf dem Gefäß sein kann. Wenn nachfolgend die Bezeichnung "Wand" verwendet wird, so ist darunter entweder ein Teil der Druckgefäßwand oder des Druckgefäß-' deckeis zu verstehen. Durch eine Durchführung 14 in der Gefäßwand 10 erstreckt sich ein Stab 12 aus leitendem Material in das Innere des Gefäßes. Der Stab ragt über die Innenfläche 16 der Gefäßwand 10 hinaus. Eine Hülse 18 umgibt den Stab 12 und isoliert diesen elektrisch von der Gefäßwand 10.

Das sich nach Innen erstreckende Ende 20 des Stabes ist in einem ringförmigen Block bzw. in ein ringförmiges festes Verstärkungselement 22 eingeschraubt, das aus einem hochfesten elektrisch leitenden Material, wie Stahl, hergestellt ist und eine Querschnittsfläche hat, die wesentlich größer als diejenige der Querschnittsfläche des Stabes 12 ist. Unter "wesentlich größer" ist das 9- bis 16-fache der Querschnittsfläche zu verstehen (was einem dreifachen bis vierfachen Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des Stabes entspricht).

Der Block ist mit einem Gewindeansatz 24 versehen, der dazu dient, eine Zuleitung 26 von einer Einrichtung (nicht gezeigt) aufzunehmen, die innerhalb des Druckgefäßes mit elektrischer Energie beliefert werden soll.

Zwischen dem Block 22 und der Gefäßwand-Innenfläche 16 ist eine Isolierung 28 in Form einer Scheibe angeordnet. Der leckende Stab 12 und die Hülse 18 sind durch eine

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Bohrung 29 in der Isolierscheibe 28 hindurchgeführt. Um die Isolierscheibe 28 herum ist ein O-Dichtungsring 30 angeordnet, der sich ebenfalls zwischen der Gefäßwand-Innenfläche 16 und dem Block 22 befindet. Der Dichtungsring 30 verhindert das Austreten des Druckmittels durch die Durchführung 14 und das Aufbauen eines Druckes zwischen dem Block 22 und dem Ende 20 des Stabes. Wie ersichtlich, wird der Dichtungsring 30 nicht unmittelbar der hohen Temperatur des Stabes während der Übertragung der elektrischen Leistung ausgesetzt.

P Wenn das Gefäß unter Druck gesetzt wird, übt das Fluid bzw. Druckmittel eine nach.außen gerichtete Kraft gegen den Block 22 aus, die über die Isolierscheibe 28 gegen die Gefäßwand 10 übertragen wird. Da der leitende Stab an einer Bewegung in der Durchführung 14 nicht wesentlich beschränkt wird, wird keine Druckbelastung auf diesen durch das unter Druck stehende Medium ausgeübt und absorbiert der Block 22 die ganze nach außen gerichtete Kraft. Hierdurch wird die Herstellung des Stabes aus einem guten elektrischen Leiter, beispielsweise aus Kupfer, und mit einer kleineren Querschnittsfläche als bei den bekannten Elektroden, welche dem nach außen gerichteten Druck des Me-

diums standhalten müssen.. , .

Das äußere Ende 32 des Stabes 12 ist mit einem Gewinde zur Aufnahme einer äußeren Stromzuführung 34 versehen. Die Isolierscheibe 28 kann aus einem hochfesten Kunststoff für Ausführungsformen hergestellt werden, bei

2 denen der Druck wesentlich geringer als 1400 kg/cm (20 000 psi) beträgt. In Anwendungsfällen mit höheren Drucken wird die Isolierscheibe aus einem keramischen Stoff hergestellt.

Die Verwendung einer keramischen Isolierscheibe erfordert die Abänderung der Ausbildung der Ausführungsform

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nach Figur 1, um ein Biegen der keramischen Scheibe durch das Biegen der Gefäßwand 10, wenn das Fluid unter Druck gesetzt wird, zu verhindern.

Bei der in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine elektrische Zuleitung 34' vorgesehen, die auf das äußere Ende eines leitenden Stabes aufgeschraubt ist. Der leitende Stab 36 ist von einer Isolierhülse 38 umgeben und durch eine öffnung 14' in der Gefäßwand 10* hindurchgeführt. Der leitende Stab 36 und die Hülse 38 ragen in das Gefäß hinein und stehen an der Gefäßwand-Innenfläche 16* um einen bestimmten Betrag über. Auf das nach innen ragende Ende 42 des Stabes ist ein erster Block 40 aufgeschraubt. Dieser erste Block 40 weist einen Gewindeteil 44 auf, der zur Aufnahme einer Elektrode von der Einrichtung dient, die mit elektrischer Energie beliefert werden soll.

Zwischen dem ersten Block 40 und der Gefäßwand-Innenfläche 16' ist ein zweiter Block 46 vorgesehen. Zwischen den Blöcken 40 und 46 befindet sich eine Isolierung 48 aus einem unelastischen hochwiderstandsfähigen Material, beispielsweise aus einem keramischen Stoff. Die Isolierung 48 hat gewöhnlich die Form einer Scheibe und ist gleichachsig um den nach innen ragenden Teil des Stabes 36 und der Hülse 38 herum angeordnet. Die Scheibe 48 ist zwischen den Blöcken 40 und 46 gleichachsig von einem O-Dichtungsring 50 umgeben. Die gegenüberliegenden Flächen der Blöcke 40 und 46 auf jeder Seite der Scheibe 48 und des O-Ringes 50 sind glatt gechliffen, um durch die Blöcke auf die Scheibe und die Dichtung ausgeübte Kräfte gleichmäßig zu verteilen.

Der Block 46 weist eine ringförmige Verengung bzw. Einschnürung 52 an der Stelle auf, an der er die Gefäßwand-Innenfläche 16' berührt. Diese Einschnürung bzw. Verengung 52 ist gleichachsig von einem O-Dichtungsring 54

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umgeben. Die O-Ringe 50 und 54 verhindern das Entweichen des unter Druck stehenden Mediums durch die Durchführung 14'.

Der Zweck der ringförmigen Verengung 52 des Blockes 46 besteht darin,, die übertragung irgendeines Biegemomentes von der Gefäßwand 10' auf die Scheibe 48, wenn das Gefäß unter Druck gesetzt wird, auf ein Mindestmaß herabzusetzen, um zu verhindern, daß in der Scheibe 48 Risse auftreten und diese dadurch zu einem unvollständigen Isolator wird. Ferner hat sie die Aufgabe, zu verhindern, daß diese Biege- W momente auf den leitenden Stab 36 ausgeübt werden.

Obwohl bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen die Blöcke als auf den leitenden Stab aufgeschraubt beschrieben wurden, können natürlich auch andere Mittel zur Befestigung des leitenden Stabes an dem Block verwendet werden, vorausgesetzt, daß das nach innen ragende Ende des leitenden Stabes nicht dem Druckmittel ausgesetzt wird.

Bei beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsformen wird die nach außen gerichtete Kraft des Druckmittels nicht unmittelbar auf das nach innen ragende Ende des Stabes aufgebracht, sondern stattdessen auf einen starren Verstärkungsblock, der aus einem Material von hoher Festigkeit hergestellt ist. Der leitende Stab kann daher aus einem Material von geringer Festigkeit, das jedoch ein guter elektrischer Leiter ist, hergestellt werden.

Ferner wird die Dichtung um die öffnung in der Gefäßwand herum zwar hohen Drucken ausgesetzt, jedoch nicht den hohen Temperaturen, welche durch das Hindurchleiten elektrischer Energie durch den leitenden Stab erzeugt werden. Dies ermöglicht eine größere Vielfalt und

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Wirtschaftlichkeit in der Verwendung der Dichtungsraaterialien. Die im Stab erzeugten Temperaturen betragen etwa 260 ⁰C (etwa 500 ⁰F), während die Temperatur an der Dichtung 150 ⁰C (300 ⁰P) beträgt, es sei denn, daß das Fluid innerhalb des Gefäßes auf einer wesentlich verschiedenen Temperatur gehalten wird. O-Dichtungsringe sind im allgemeinen für Temperaturbereiche bis zu 230 ⁰C (450 ⁰F) erhältlich.

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Claims

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Patentansprüche

l^/ Elektrode zur Verwendung für ein mit einer öffnung versehenes Druckgefäß, welche Elektrode durch einen elektrisch leitenden Stab, der in die öffnung im Druckgefäß eingesetzt ist, und eine Isolierhülse gebildet wird, die auf den Stab ausgeschoben ist, um diesen gegen die Gefäßwand elektrisch zu isolieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab sich mit seinem einen Ende in das Innere des Gefäßes erstreckt und an diesem Ende mit elektrischem Kontakt eine elektrisch leitende Verstärkung (22 bzw. 40, 46) trägt, die dazu dient, die Ausübung einer nach außen gerichteten Endbelastung auf den Stab durch das innerhalb des Gefäßes unter Druck stehende Fluid zu verhindern, und eine Isolierung (28 bzw. 48) vorgesehen ist, durch welche die Verstärkung von der Innenfläche des Druckgefäßes elektrisch isoliert wird, und ferner eine Dichtung (30 bzw. 50, 54) vorgesehen ist, um zu verhindern, daß im Druckgefäß unter Druck stehendes Fluid zwischen dem Stab und der Druckgefäßöffnung entweicht.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung (22 bzw. 40, 46) eine wesentlich größere Querschnittsfläche als der Stab hat, die Isolierung (28 bzw. 48) zum Stab gleichachsig ist und die Dichtung durch mindestens einen O-Ring (30 bzw. 50) gebildet wird, der die Isolierung umgibt.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung durch einen festen Block gebildet wird, die Isolierung durch eine Isolierscheibe, welche zwischen der einen Fläche des Blocks und der Innenfläche

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des Gefäßes angeordnet ist, und die die Isolierung umgebende Dichtung ebenfalls zwischen der erwähnten einen Fläche des Blockes und der Innenfläche des Gefäßes angeordnet ist.
4. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung durch einen ersten Block (40) auf dem nach innen ragenden Ende des Stabes und einen zweigten Block (46) gebildet wird, welch letzterer gleichachsig um den Stab und die Isolierhülse herum angeordnet ist und sich zwischen dem ersten Ansatz und der Innenfläche des Gefäßes befindet.
5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Block mit einer ringförmigen Verengung in einem Bereich ausgebildet ist, an welchem er die Innenfläche des Gefäßes berührt, die Isolierung (48) zwischen dem ersten (40) und dem zweiten (46) Block angeordnet ist, um zu verhindern, daß sie in elektrischen Kontakt miteinander kommen.
6. Elektrode nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zweite Dichtung (54), welche die ringförmige Verengung gleichachsig umgibt, um das Entweichen des unter Druck stehenden Mediums durch die Staböffnung zu verhindern.
7. Elektrode nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Verengung des zweiten Blocks ausreicht, die übertragung einer Biegebewegung in der Wand des Druckgefäßes auf die Isolierung im wesentlichen zu verhindern.

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L e e r s e ι i e