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Elektromagnetisch schaltbares Hochtemperaturventil
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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch schaltbares Hochtemperaturventil,
insbesondere für den Reaktorbau, mit einem Gehäuse, in welchem ein Schaltelement
beweglich angeordnet ist, sowie einem am Gehäuse angebauten Elektromagneten zur
Betätigung des Schaltelementes.
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Es sind Hochleistungsmagnete bekannt, die mit geeigneten Isolationswerkstoffen
ausgerüstet bei Ventilen bis zu einer Auslegungstemperatur von etwa 350 bis 3600C
eingesetzt werden. Verwendet werden hierzu Aluminium-Metallbandspulen, die jedoch
bei 100%-Einschaltdauer relativ viel Eigenwärme entwickeln. Dies hat zur Folge,
daß der Strom stark abfällt. Die verminderte Stromaufnahme wiederum führt zu einer
Leistungsminderung des Magneten, außerdem wird durch die hohe Eigenerwärmung der
Spule deren Lebensdauer oder Betriebsdauer eingeschränkt.
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Auf verschiedenen technischen Gebieten, insbesondere auf dem Gebiet
der Reaktortechnik werden nun Ventile für Medientemperaturen bis zu etwa 5600C verlangt,
wie sie in Primärkreisen von Kernreaktoren auftreten. Bei Temperaturen dieser Größenordnung
sind die bisherigen Kühlmethoden nicht mehr ausreichend, mindestens jedoch nicht
optimal, eine Temperatursenkung der Magnetspulen ist jedoch zur Steigerung ihrer
Leistung und Verlängerung Ihrer Lebensdauer erwünscht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß sein Elektromagnet (insbesondere die Magnetspule)
wirksam gekühlt wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß an der Magnetspule
des Elektromagneten eine Kühleinrichtung angeordnet
ist, in welcher
ein flüssiges oder verflüssigbares Kühlmittel in geschlossenem Kreislauf strömt.
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Vorzugsweise ist das Kühlmittel ein Alkalimetall, insbesondere Natrium,
es kann aber auch gegebenenfalls ein Wärmeträgeröl sein.
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Zweckmäßigerweise ist die Kühleinrichtung in Form eines ringförmigen
Gehäuses ausgebildet, das die Magnetspule wenigstens an ihrer Außenseite umschließt.
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Das Gehäuse kann an seiner Außenwand ferner mit Kühlrippen ausgerüstet
sein, außerdem kann eine mattschwarze Verchromung vorgesehen sein.
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Die Innenwand des Gehäuses besteht zweckmäßigerweise aus einem magnetischen
Isolator, z.B. einem austenitischen Stahl, um Streueinflüsse des Magnetfeldes des
Elektromagneten auf das Kühlmittel zu vermeiden.
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Vorteilhafterweise ist das Gehäuse in radialer Richtung durch eine
oben und unten Durchlaßöffnungen freilassende Zwischenwand unterteilt, die sich
in Umfangsrichtung im wesentlichen durch das gesamte Gehäuse erstreckt, um die Zirkulation
des Kühlmittels in senkrechter Richtung zu erhöhen.
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Bei Verwendung eines Alkalimetalles, das bei Raumtemperatur fest ist,
wird zweckmäßigerweise zur anfänglichen Verflüssigung des Kühlmittels eine Heizeinrichtung
in das Gehäuse eingebaut.
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Die Zirkulation des Kühlmittels kann ferner durch ein von außen angelegtes,
wanderndes Magnetfeld unterstützt werden.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend
anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die im Schnitt schematisch einen
Teil eines Ventilgehäuses mit einem Elektromagneten und einer Kühleinrichtung zeigt.
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In der Figur ist nur schematisch ein Teil eines Gehäuses 12 eines
Ventiles gezeigt, insbesondere eines Hochtemperaturventiles für flüssige oder gasförmige
heiße Medien. In das Gehäuse 12 ist ein Elektromagnet 16 mit einer Spule 18 eingebaut
oder geeignet am Gehäuse angebaut und es ist ein Schaltelement 14 vorgesehen, das
hier durch den Magnetanker gebildet wird und das dazu dient, eine nichtgezeigte
Ventilspindel in ihre jeweilige Schaltstellung zu schalten. Zu diesem Zweck wird
der Elektromagnet periodisch aus- und eingeschaltet, d.h. an die Spule 18 wird entsprechend
dem Schaltrhythmus des Ventils eine elektrische Energie angelegt.
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Der Anker 14 ist in einer Magnetschlußhülse 20 aus magnetischem Material
angeordnet, die ihrerseits mit einer korrosionsfesten Auskleidung 22 versehen ist.
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Die Magnetschlußhülse 20 ist, wie dargestellt, durch ein Zwischenstück
50 aus unmagnetischem Werkstoff unterbrochen, das mit Hilfe von Schweißnähten mit
dem magnetischen Werkstoff der Magnetschlußhülse 20 verbunden ist. Zwischen der
Innenwand der Spule 18 und der Außenwand der Magnetschlußhülse 20 ist eine thermische
Isolierschicht 24 angeordnet. Die Spule 18 ist auf ihrer Außenseite von einem aus
magnetischem Material bestehenden Spulenmantel 26 umgeben und es ist zwischen diesem
Mantel 26 und der Spule 18 eine Schicht 28 angeordnet, die eine gute Wärmeleitfähigkeit
und eine gute elektrische Isolierfähigkeit besitzt. Der magnetische
Fluß
verläuft dann längs der Linie 52 um die Spule 18 und durch den Anker 14.
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Der Spulenmantel 26 ist nun, wie dargestellt, auf seiner Außenseite
(und gegebenenfalls, was jedoch nicht dargestellt ist, auch auf seiner Unterseite)
mit einem Kühlmantel oder einem Gehäuse 34 umgeben, in welchem ein Kühlmittel 48
zirkuliert. Das Gehäuse 34 verläuft ringförmig um den Spulenmantel 26 und es erstreckt
sich in axialer Richtung wenigstens über die axiale Länge der Spule 18, zweckmäßigerweise
ist jedoch die axiale Höhe h des Kühlgehäuses 34 größer als die axiale Höhe der
Spule 18.
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Im oberen Teil des Gehäuses 34 oberhalb der Spule 18 kann zwischen
der Innenwand des Gehäuses 34 und der Außenseite des Spulenmantels 26 gegebenenfalls
eine thermische Isolierschicht 30 vorgesehen werden, um den Innenraum des Gehäuses
12, der z.B. Elektroanschlüsse oder Stellungsanzeigen für die Ventilspindel aufnehmen
kann, thermisch abzuschirmen.
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Das Gehäuse 34 ist zweckmäßigerweise an seiner Außenseite mit sternförmig
vorstehenden Kühlrippen 36 versehen, um die Kühlwirkung zu steigern. Außerdem ist
die gesamte Kühleinrichtung 32, bestehend aus dem Gehäuse 34 und den Kühlrippen
36, vorteilhafterweise an der Außenseite mattschwarz verchromt, um die Wärmeabstrahlung
zu erhöhen.
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Im Innern des Gehäuses oder des Kühlmantels 34, der, wie erwähnt,
einen Ringraum um den Elektromagneten 16 bzw. um den Spulenmantel 26 bildet, befindet
sich nun ein Kühlmittel 48, das z.B. ein Alkalimetall wie Natrium oder Kalium oder
auch gegebenenfalls ein Wärmeträgeröl sein kann.
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In dem Gehäuse 34 ist eine Zwischenwand 38 angeordnet, in radialer
Richtung gesehen etwa in der Mitte zwischen der Innenwand und der Außenwand des
Gehäuses 34, und diese Zwischenwand ist oben und unten mit Durchtrittsöffnungen
40 für den Durchtritt des Kühlmittels 48 versehen. Zweckmäßigerweise reicht die
Zwischenwand an ihrem oberen Ende nicht bis zum oberen Ende des Gehäuses 34, so
daß dort ein Durchflußkanal entsteht, während sie an ihrem unteren Ende z.B. mit
Hilfe schmaler Stege auf dem Boden 54 des Gehäuses 34 aufsitzt. Zusätzlich kann
die Zwischenwand 38 durch Abstandshalter 46 abgestützt und gehalten sein.
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Vom Boden 54 des Kühlgehäuses 34 aus ragt ein Heizelement 42, z.B.
ein Heizstab oder eine Heizpatrone, in das Gehäuse 34 hinein, zweckmäßigerweise
in dem Bereich zwischen der Zwischenwand 38 und der Innenwand des Gehäuses 34, um
das Kühlmittel am Anfang anzuheizen und zu verflüssigen, wenn ein Kühlmittel verwendet
wird, das bei Raumtemperatur fest ist, wie z.B. Natrium oder Kalium. Gegebenenfalls
kann aber auch ein festes Kühlmittel durch die von der Spule 18 erzeugte Wärme am
Anfang angewärmt und verflüssigt werden.
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Zum Einbringen des Kühlmittels in das Gehäuse 34 ist an diesem an
seiner Oberseite eine verschließbare Einfüll-&fnung 44 vorgesehen. Das Kühlgehäuse
34 ist im übrigen hermetisch geschlossen, um jeglichen Austritt an Kühlmittel zu
verhindern.
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Das Kühlmittel arbeitet nach dem natürlichen Umlaufprinzip, d.h. zwischen
der Zwischenwand 38 und der Innenwand des Gehäuses 34 steigt das Kühlmittel nach
oben und zwischen der Zwischenwand 38 und der Außenwand des Gehäuses 34 strömt es
nach unten, wobei es jeweils durch die öffnungen 40 oben
und unten
zwischen der Wand 38 und dem Boden 54 bzw. dem Deckel 56 des Kühlgehäuses 34 hindurchtritt.
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Wenn das Ventil in Tätigkeit gesetzt wird und es wird von einem Medium
durchströmt, das eine relativ hohe Temperatur hat, beispielsweise eine Temperatur
bis zu etwa 5600C, so ist es erforderlich, Wärme abzuführen, um die Temperatur der
Spule 16, 18, die selbst noch eine zusätzliche Eigenwärme entwickelt, nicht zu hoch
ansteigen zu lassen. Im Betrieb tritt daher die Wärme durch den Spulenmantel 26
und die Innenwand des Gehäuses 34 hindurch und erwärmt das Kühlmittel insbesondere
im Bereich zwischen der Wand 38 und der Innenwand des Gehäuses 34. Dieses Kühlmittel
wird, falls es sich um Kalium oder Natrium handelt, durch die Wärmezufuhr verflüssig,
seine Temperatur steigt und es beginnt, wie durch die Pfeile in der Zeichnung dargestellt,
an der Innenseite der Wand 38 infolge seiner geringeren Dichte nach oben zu steigen,
worauf es seine Wärme wenigstens teilweise an die Außenwand des Gehäuses 34 und
an die Rippen 36 abgibt und zwischen der Wand 38 und der Außenwand des Gehäuses
34 infolge seiner wieder, aufgrund der Abkühlung, größer werdenden Dichte nach unten
strömt. Es tritt, wie erwähnt, durch die öffnungen 14 zwischen der Wand 38 und dem
Boden 54 hindurch und wieder in den Bereich zwischen der Wand 38 und der Innenwand
des Gehäuses 34 ein, worauf es wieder erwärmt wird und nach oben steigt, womit der
Kreislauf geschlossen ist. Die Anfangserwärmung des Kühlmittels kann, wie bereits
ausgeführt, auch durch die zeitweilig betätigte Heizeinrichtung 42 herbeigeführt
werden, oder die letztere kann auch ergänzend zu der normalen Erwärmung des Kühlmittels
mitherangezogen werden.
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In jedem Fall wird die Heizeinrichtung 42 abgeschaltet, wenn das Kühlmittel
48 flüssig geworden ist.
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Bei Verwendung eines Wärmeträgeröles, das bei Raumtemperatur flüssig
ist, wird die Heizeinrichtung 42 nicht benötigt.
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Der Umlauf des Kühlmittels kann gegebenenfalls durch ein von außen
angelegtes, wanderndes Magnetfeld unterstützt werden.
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Die Verwendung einer Zwischenwand 38, die z.B. aus Al203 bestehen
kann, ist nicht unbedingt erforderlich, es hat sich aber gezeigt, daß die Zirkulation
und damit die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe des Kühlmittels durch eine solche Wand
beträchtlich verbessert werden können.
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Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann die Temperatur
der Spule abgesenkt werden, d.h. es können z.B. anstelle von Aluminiumspulen kostengünstigere
Kupferspulen verwendet werden. Weiterhin kann die Leistung der Spule gesteigert
und ihre Lebensdauer verlängert werden. Bei Verwendung von Aluminiumspulen kann
hingegen der Temperatureinsatzbereich des Ventils erhöht werden.