DE3852952T2

DE3852952T2 - Helium-druckdichtung für eine kryogene kühlvorrichtung.

Info

Publication number: DE3852952T2
Application number: DE3852952T
Authority: DE
Inventors: Alan Weeks
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2008-10-22
Also published as: EP0382782B1; WO1989003953A1; JPH03500916A; DE3852952D1; EP0382782A1; US4842287A; CA1317116C

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druckverschlüsse. Sie bezieht sich insbesondere auf verformbare Dichtungsverschlüsse für unter Druck stehende Heliumsicherheitsbehälter im linearen Antriebsystem eines Tieftemperaturkühlapparates.
Heliumtieftemperaturkühlaggregate weisen ein lineares Antriebsaggregat auf, in dem gasförmiges Helium wesentlichen Druckveränderungen unterliegt. In Folge der kleinen Größe des Heliumatoms bestehen wesentliche Probleme darin, einfache, preiswerte Verfahren zu finden, um unter Druck stehendes Helium in einem solchen Kühlapparat abzudichten.
Die in den druckbeaufschlagten Vorrichtungen üblichsten Dichtungen sind O-Ringe und Dichtungen, die aus gummiartigen Verbindungen aufgebaut sind. Diese Dichtungen werden allgemein in ineinandergreifenden Vertiefungen von benachbarten Teilen gelagert. Wenn sie Temperatur- und Druckspitzen ausgesetzt werden, was in Tieftemperaturkühlapparaten häufig auftritt, zersetzen sich solche Gummidichtungen und verursachen Leckagen und somit einen Verlust an Wirksamkeit oder gar Unbrauchbarkeit.
Die vorhandenen Heliumtieftemperaturkühlapparate verwenden Indium oder andere weiche Metalle als O-Ringe in den ineinandergreifenden Vertiefungen, um unter Druck stehendes Helium zurückzuhalten. Das US-Patent Nr. 4,418,918 offenbart z.B. die Verwendung eines verformbaren Metallrings, der vorzugsweise aus Indium hergestellt ist, und der durch einen dreieckig geformten Antidrehring plastisch verformt wird. Der Antidrehring wird in den Indiumring gepreßt, wodurch eine V-förmige Vertiefung gebildet wird, durch die die Verbindung zwischen den drehbar gesicherten Elementen eines Tieftemperaturkühlapparates gesichert wird. Indium absorbiert und hält Strahlung zurück, was es für Anwendungen, wo es zu einem möglichen Kontakt mit Strahlungsguellen kommen kann, ungeeignet macht.
Erfindungsgemäß wird ein Verschluß für einen Sicherheitsbehälter für unter Druck stehendes, gasförmiges Helium bereitgestellt, der
eine verformbare Dichtung,
erste und zweite Elemente, die das unter Druck stehende Helium so einschließen, daß die Dichtung zwischen den Elementen liegt und
der eine Druckeinrichtung aufweist zur Beaufschlagung des Drucks auf die ersten und zweiten Elemente, um die Dichtung zu verformen und einen Veschluß zu bilden,
der dadurch gekennzeichnet ist, daß die ersten und zweiten Elemente jeweils wenigstens zwei konzentrische Sägezahneinschnitte auf gegenüberliegenden Seiten des Verschlusses so aufweisen, daß die Sägezahneinschnitte die Dichtung verformen, um Vertiefungen an gegenüberliegenden Seiten der Dichtung zu bilden so, daß die verformte Dichtung wenigstens 20% eines Hohlraums eines Sägezahneinschnittes ausfüllt, der jedem Sägezahneinschnitt benachbart ist, und eine fortlaufende axiale Wand aufweist, die konzentrisch über der Dichtung angeordnet ist, so daß sich die Wand vollständig über die Oberfläche der äußeren Einfassung der Dichtung erstreckt, um die Dichtung relativ zu dem unter Druck stehenden, gasförmigen Helium zu unterstützen, das eine radiale Kraft auf der Seite der Dichtung vermittelt, die gegenüber der axialen Wand liegt.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine verformbare Dichtung, vorzugsweise ein weiches Metall, wie z.B. Kupfer, das zwischen zwei Elementen, wie ein Sandwich angeordnet ist, die teilweise den linearen Antrieb eines Heliumtieftemperaturkühlaggregats umschiießen. Diese Elemente weisen konzentrische Sägezahneinschnitte auf, die gegenüberliegende Seiten der Dichtung berühren. Da die zwei Elemente aus Metallen bestehen, die viel härter als die Dichtung sind, bewirkt die Druckanwendung, die die Elemente zusammendrückt, daß die Sägezahneinschnitte der beiden Elemente in das Dichtungsmaterial getrieben werden. Die Dichtung wird dadurch mit konzentrischen Vertiefungen auf beiden Seiten verformt, die den Sägezahneinschnitten der zwei "Klemmbacken" oder Elemente entsprechen. Das erhaltene Labyrinth der kreisförmigen Vertiefungen bildet einen wirksamen Verschluß gegenüber Helium, der weniger empfindlich gegenüber dem Oberflächenzustand als herkömmliche Verfahren der Reliumabdichtung ist.
Die Druckkraft der Klemmbacken auf der Dichtung verursacht ein Anschwellen oder eine Erweiterung ihrer äußeren und inneren Durchmesser. Eines der Elemente bildet eine axiale Wand gegenüber dem äußeren Durchmesser oder Einfassung der Dichtung. Diese Wand berührt und unterstützt die verformte Dichtung, wodurch den radialen Kräften entgegengewirkt wird, die durch den positiven Druck des Heliums in dem Kühlapparat verursacht werden.
Die Kupferdichtung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zu geringen Kosten leicht herstellbar und weist eine thermische Stabilität über den Bereich der Umgebungstemperaturen auf, indem sie ungefähr dem thermischen Expansionskoeffizienten der Verschlußbaueinheit mit der Dichtung entspricht.
Die oben dargelegten und weiteren Merkmale der Erfindung, einschließlich mehrerer neuer Einzelheiten der Konstruktion und Kombination der Teile, werden nunmehr speziell unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben und in den Ansprüchen aufgezeigt. Das ist so zu verstehen, daß der spezielle Heliumdruckverschluß, der in der Erfindung als Ausführungsform dargestellt wird, nur zur Verdeutlichung und nicht als eine Beschränkung der Erfindung dargestellt wird. Die grundsätzlichen Merkmale der Erfindung können in verschiedenen Ausführungsformen zur Anwendung kommen, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines linearen Antriebsaggregats eines Heliumtieftemperaturkühlaggregats mit der erfindungsgemäßen, verformbaren Dichtung.
Die Fig. 2 stellt eine vergrößerte Ansicht eines Querschnitts der durch Sägezahnelemente verformten Dichtung dar.
Die Fig. 3 stellt eine Draufsicht auf eine Dichtung dar.
Die Fig. 4 stellt eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer verformten Dichtung mit konzentrischen Vertiefungen darin dar.
Die Fig. 5 stellt eine vergrößerte Ansicht eines Flansches mit konzentrischen Sägezahneinschnitten dar, die dazu dienen einen Verschluß mit der Dichtung zu bilden.
Die Fig. 6 stellt eine vergrößerte Draufsicht einer Platte dar, die ein Ende des Antriebsaggregats bedeckt mit konzentrischen Sägezahneinschnitten, um einen Verschluß zu bilden.

Genaue Beschreibung der Erfindung

In der Fig. 1 wird ein lineares Antriebsaggregat eines Heliumtieftemperaturkühlapparats dargestellt, wobei ein Verschluß entsprechend vorliegender Erfindung Verwendung findet. Man verwendet einen linearen Motor, um die Bewegung einer Armatur 10 in dem Kompressor 5 und die Bewegung eines Verdrängerkolbens (nicht dargestellt) zu steuern. Bei dem linearen Motor wird ein involuter, laminierter Ständer 20 eingesetzt, der erstmalig in dem US-Patent 4,761,960 von G. Higham et al. offenbart wurde, was am 14. Juli 1986 unter dem Titel "Tieftemperaturkühlapparatsystem mit einem involuten, laminierten Ständer für seinen linearen Antriebsmotor" eingereicht wurde.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist dieser Kompressor 5 eine Hubkolbenarmatur 10 auf, die das Heliumgas in einen Kompressorkopfraum 24 preßt. Von dem Kopfraum 24 durchströmt das Gas eine Öffnung 14 in dem feststehenden Kolbens 11 zu vorgeformten Löchern durch den Kolben 11 und die Platte 31, um das Leitungsrohr 13 zu bilden. Das Rohr 13 verläuft entlang des Kerns des feststehenden Kolbens 11 und biegt dann in dem Einsatzstück 98 in einem rechten Winkel ab zu einem Gasanschlußstutzen 15. Von dem Gasanschlußstutzen 15, wird das Gas einem Kühlfinger eines Tieftemperaturkühlapparates zugeführt, wie z.B. bei einem Spalt-Stirling Kühlapparat, bei dem ein Verdrängerkolben untergebracht ist, wie in dem US-Patent 4,545,209 offenbart. Der feststehende Kolben 11, der an einem Ende auf die Platte 31 montiert ist, ist die einzige Stütze für die Armatur 10.
Die Platte 31 ist ausgestattet mit einer Bleikugel 53 und einer Sicherungsschraube 52, um die Öffnung 17 zu verschließen. Der Kompressor wird mit Heliumgas durch die Öffnung 17 befüllt. Man ermöglicht dem Gas mit einem Armaturenvolumen 12 des Kolbenzylinders in Verbindung zu stehen durch die Öffnung 16, die mit einem zweiten, vorgeformten Leitungsrohr 18 in Verbindung steht. Während des Kompressionsvorgangs ist die Kugel 53 jedoch gegenüber der Platte 31 durch die Sicherungsschraube 52 fixiert, um die Öffnung 17 zu schließen. Eine Abdeckungsschraube 19 zum Schutz vor Staub ist vorgesehen, um Staub und Abriebteilchen daran zu hindern, zu dem Kugelverschluß 53 und Schraubenverschluß 52 zu gelangen.
Die Armatur 10 weist eine Eisenmasse 38 auf, die an einen Auskleidungskern 82 befestigt ist. Man verwendet Eisen wegen seiner hohen magnetischen Permeabilität und hohen magnetischen Induktion, wobei jedoch andere Materialien, die die gleichen Charakteristika aufweisen, eingesetzt werden können. Ein Ring 25 aus einer Wolframlegierung oder einem anderen, hochdichten, nichtmagnetischen Material kann an einem Ende der Armatur eingesetzt werden, um eine höhere Masse zu ergeben, um die Resonanzfrequenz bei der Funktion auszugleichen und dazu beizutragen, das Massezentrum der Armatur in den Grenzen der Spaltdichtung des Kolbens zu halten.
Um die Lage der Armatur festzustellen, verwendet man einen Sensor 80, um einen Zielmagnet 81 aufzufinden, der an einem Ende der Armatur 10 eingebaut ist. Der Magnet 81 ist an einem erweiterten Zylinder 85 befestigt, der in einem Ausdehnungsbereich 86 des Armaturengehäuses 26 während des Laufens des Motors oszilliert. Indem man den Magnet 81 und den Sensor 80 von dem Ständer 20 isoliert, wird das magnetische Feld des Magnets 80 von dem magnetischen Feld des Ständermagneten 22 entkoppelt. Der Kolben 11 ist vorzugsweise dicht in einen keramischen Zylinder 83 eingepaßt, der an der Armatur 10 befestigt ist, um eine Spaltdichtung dazwischen zu liefern. Es ist bevorzugt, daß eine Hülse 82, die aus nichtmagnetischem, hoch widerstandsfähigem Edelstahl hergestellt ist, den Zylinder 83 auskleidet. Eine Auskleidung 84 aus einem mischkeramischen Werkstoff ist auf dem Kolben 11 befestigt, um einen Teil der Spaltdichtung zu bilden.
Die eben beschriebene Armatur 10 wird von einem Druckgehäuse 26 umgeben. Die Größe des Druckgehäuses ist so ausgelegt, daß das Heliumgas in dem Arbeitsvolumen 12 frei zwischen dem Druckgehäuse 26 und der Eisenmasse 38 strömen kann, während die Armatur 10 sich hin und her bewegt.
Ein Ständer 20 ist um den Umfang des Druckgehäuses 26 angeordnet. Der Ständer 20 weist zwei Rollen 21, die zwischen involuten Schichtungen 23 angeordnet sind und von einem Magneten 22 getrennt werden. Dieser statische Aufbau wird ferner in dem US-Patent 4,761,960 von G. Higham et al. beschrieben, das oben zitiert ist und das hier mitaufgenommen wird. Zwei Schutzschilder 90 wurden konzentrisch angeordnet über den involuten Schichtungen 23, um die magnetischen Flußlinien entlang der inneren Wand 51 des Gehäuses 50 zu leiten.
Als Konsequenz der Hin- und Herbewegung der Armatur 10 werden von dem Kompressor 5 mechanische Vibrationen erzeugt. Um die Vibrationen zu eliminieren, ist ein passiver Vibrationsabsorber oder dynamischer Absorber 39 an einem Ende des Kompressors befestigt und so abgestimmt, daß er mit der gleichen Frequenz wie die Arbeitsfrequenz des Kompressors in Resonanz tritt. Der dynamische Absorber 39 weist vorzugsweise eine Ausgleichsmasse 40 auf, die an den Flansch 45 zwischen zwei Federn 41 und 42 montiert ist und die eine geringe Dämpfcharakteristik besitzt. Als Ergebnis wird die axiale Kompressorbewegung durch die axiale Vibration von der Ausgleichsmasse 40 des Absorbers 39 aufgegangen. Eine weitere Beschreibung eines dynamischen Absorbervorgangs findet man in der WO-A-88/01036 von G. Higham et al., die betitelt ist "Vibrationsisoliersystem für eine sich linear hin- und herbewegende Maschine".
Bei der vorliegenden Erfindung werden Isolatoren verwendet, die an gegenüberliegenden Enden des Kompressors montiert sind. Die zwei Isolatoren besitzen flache Spiralfedern 61 und 71, die in axialer Richtung weich sind, während sie in radialer Richtung steif sind. Der äußere Durchmesser der zwei Federn 61 und 71 ist an den Endplatten 60 bzw. 70 des Gehäuses befestigt. Die Innendurchmesser sind an den Flanschen 62 und 72 unter Verwendung der Bolzen 64 und 74 montiert. Die Federn sind auf gummartigem Material 95 und 96 befestigt, das sich an beiden Kompressorenden 5 befindet und eine wesentliche Dämpfung dem Isolatorsystem verleiht. Die äußere Oberfläche der Wand 51 ist mit Fett versehen, um dazu beizutragen, Wärme von dem Ständer 20 abzuführen, während es dazu beiträgt die interne Vibration des Kompressors zu dämpfen.
Eine Dichtung 30 aus Weichmetall ist zwischen der Platte 31 und dem Flansch 32 angeordnet, der verformt wird, um das Armaturvolumen 12 der linearen Antriebseinheit von der äußeren Atmosphäre abzudichten. Die Fig.2 stellt eine vergrößerte Ansicht der verformten Dichtung 30 vorliegender Erfindung dar. Eine Platte 31 mit Sägezahneinschnitten 37 wird gegen die Dichtung 30 gepreßt, um die Vertiefungen 34 auf deren einen Seite zu bilden. Die Sägezahneinschnitte 29 des Flansches 32 sind an gegenüberliegenden Seiten der Dichtung 30 angeordnet, um Vertiefungen 28 zu erzeugen. Die Sägezahneinschnitte 37 der Platte 31 passen zu den Sägezahneinschnitten 29 des Flansches 32 so, daß die mit der Platte 31 korrespondierenden Vertiefungen 34 von den Vertiefungen 28 des Flansches 32 gegeneinander versetzt sind. Der Hohlraum, der jedem Sägezahneinschnitt der Platte 31 und dem Flansch 32 benachbart ist, ist wenigstens zu 20 Vol.-% mit dem Dichtungsmaterial gefüllt, um einen genügend langen Leckageweg durch die Oberfläche der verschlossenen Dichtung sicherzustellen.
Das Dichtungsmaterial ist in der Lage einem großen Temperaturbereich zwischen -62ºC und 71ºC standzuhalten, von dem ein Kühlapparat üblicherweise erfaßt werden kann. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Dichtungsmaterials kann an die thermischen Koeffizienten sowohl der Platte 31 als auch dem Flansch 32 eng angepaßt werden, um die Unversehrtheit der Dichtung während der thermischen Übergänge sicherzustellen. Die Charakteristika einer niedrigen Streckspannung des ausgewählten Dichtungsmaterials erlaubt es mit den Sägezahneinschnitten auf der Gegenplatte 31 und dem Flansch 32 übereinzustimmen, um Verschiebungen bei dem thermischen Ausdehnungskoeffzienten zu kompensieren. Das Dichtungsmaterial ist auch in bezug auf Helium relativ undurchlässig, dessen kleine Atomgröße die Behälterdurchlässigkeit zu einem wesentlichen Problem werden läßt. In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man ausgeglühtes Kupfer als Dichtungsmaterial. Die Fig. 3 zeigt eine Kupferdichtung, die bei 1000ºF 30 Minuten lang geglüht wurde, bevor sie durch die Platte 31 und den Flansch 32 verformt wurde. Das Glühen bewirkt, daß die Dichtung von Sauerstoff befreit wird mit einer Härte von 40 auf der Rockwell-F-Skala. Die Dichtung kann Heliumdrücken von über 1000 psi mit einer Leckrate von weniger als 2 x 10&supmin;&sup8; scc He/sec standhalten.
Die axiale Wand 35 der Platte 31 ist über der Dichtung 30 konzentrisch angeordnet. Der äußere Durchmesser oder die Einfassungsoberfläche 27 der Dichtung wurde durch den Druck der Platte 31 gegenüber der Dichtung 30 und dem Flansch 32 verformt. Die Oberfläche der Platte 31 liefert eine Stütze der Oberfläche 27 der Dichtung 30 bei einer auf die Oberfläche 36 bewirkten Drucklast. Da der Kolben in dem linearen Antrieb hin und her getrieben wird, gibt es an der Dichtung 30 während jedem Kreislauf große Druckveränderungen. Die axiale Stützwand 35 dient dazu, den radialen Kräften bei Spitzendrücken entgegenzuwirken, die dazu neigen, die Dichtung radial nach außen zu verlagern.
Die Oberfläche des Innendurchmessers 36 quillt auch leicht auf. Es besteht jedoch in vorliegender Ausführungsform keine Notwendigkeit, daß eine Stütze für den Innendurchmesser der Dichtung notwendig ist, weil es in der Antriebseinheit während eines normalen Vorgangs einen positiven Druck gibt. Die dichten, ringförmigen Zwischenräume zwischen der Platte 31 und dem Flansch 32 dienen der Ausrichtung und tragen nicht zur Dichtigkeit der Verbindung bei. Die Dichtungen 30 und die Bleikugel 53 sowie der Schraubverschluß 32 sind die einzigen ersetzbaren Verschlüsse, die bei dem Kompressoraufbau eingesetzt werden, um das Helium zurückzuhalten. Die übrigen Verbindungen, die das Armaturenvolumen zwischen dem Flansch 32 und dem Druckgehäuse 26 sowie zwischen dem Gehäuse 26 und dem ausgefahrenen Zylinder 86 bestimmen, sind beide geschweißt.
Die Figuren 4, 5 und 6 stellen vergrößerte Ansichten des Teils der verformten Dichtung dar sowie Draufsichten auf den Flansch 32 und die Platte 31, die konzentrische Sägezahneinschnitte 29 bzw. 37 jedes Elements zeigen. Die Löcher 120 für die Bolzen 121, die dazu dienen, die Platte 31 und den Flansch 32 zusammenzupressen, sind über den Sägezahneinschnitten jedes Elements angeordnet, um eine einheitliche Druckverteilung zu liefern. Es befinden sich wenigstens zwei konzentrische Sägezahneinschnitte sowohl auf dem Flansch 32 als auch auf der Platte 31, so daß beide Leckagewege ein langes Labyrinth bilden.

Claims

1. Verschluß für einen Behälter für unter Druck stehendes gasförmiges Helium, der

eine verformbare Dichtung (30);

erste und zweite Elemente (31, 32), die unter Druck stehendes Helium so einschließen, daß die Dichtung (30) zwischen den Elementen (31, 32) angeordnet ist,

eine Druckeinrichtung (121) aufweist zum Druckbeaufschlagen auf die ersten und zweiten Elemente (31, 32), um die Dichtung (30) zu verformen und (34, 28) einen Verschluß zu bilden,

dadurch gekennzeichiiet, daß

die ersten und zweiten Elemente jeweils wenigstens zwei konzentrische Sägezahneinschnitte (37, 29) auf gegenüberliegenden Seiten des Verschlusses so aufweisen, daß die Sägezahneinschnitte die Dichtung verformen, um Vertiefungen auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung zu bilden, so daß die verformte Dichtung (30) wenigstens 20% eines Hohlraums eines Sägezahneinschnitts ausfüllt, der jedem Sägezahneinschnitt (37, 29) benachbart ist und eine fortlaufende axiale Wand (35) aufweist, die konzentrisch über der Dichtung (30) angeordnet ist, so daß sich die Wand (35) vollständig über die Oberfläche (27) der äußeren Einfassung der Dichtung erstreckt, um die Dichtung (30) relativ zu dem unter Druck stehenden, gasförmigen Helium zu unterstützen, das eine radiale Kraft auf der Seite der Dichtung vermittelt, die gegenüber der axialen Wand liegt.

2. Verschluß nach Anspruch 1, wobei der beaufschlagte Druck eine vertiefungsfreie äußere Einfassung (27) der Dichtung (30) verformt, so daß sich die äußere Einfassung (27) ausdehnt, um die Wand (35) zu berühren.

3. Verschluß nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das unter Druck stehende Heliuin radiale Kräfte auf die Dichtung (30) ausübt, denen durch die axiale Stützwand (35) entgegengewirkt wird.

4. Verschluß nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die verformbare Dichtung (30) innere und äußere Einfassungen (36, 27) aufweist, so daß die innere Einfassung (36) das unter Druck stehende Helium umschließt und die äußere Einfassung (27) einem Fluid bei einem Druck ausgesetzt wird, der niedriger als der des Heliums ist.

5. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Elemente (31, 32) Helium in einem Arbeitsvolumen eines Kompressors eines Tieftemperaturkühlapparats einschließen.

6. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die konzentrischen Sägezahneinschnitte (37) des ersten Elements (31) gegenüber einem Hohlraum orientiert werden, der jedem Sägezahneinschnitt (29) des zweiten Elements (32) benachbart ist auf gegenüberliegenden Seiten der Dichtung (30).

7. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (30) weicher als die ersten und zweiten Elemente (31, 32) ist.

8. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckeinrichtung eine Vielzahl von Bolzen (121) in Löchern (120) aufweist, so daß das Festspannen der Bolzen den Abstand zwischen den gezackten Elementen (31, 32) verringert.

9. Verschluß nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 8, wobei der Verschluß (30) unter Druck stehendes Helium in einem Arbeitsvolumen eines linearen Antriebmotors enthält.

10. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (30) aus geglühtem Kupfer besteht.

11. Verschluß nach Anspruch 10, wobei das Kupfer eine Härte von etwa 40 (Rockwell-F-Skala) aufweist.

12. Verschluß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Elemente (31, 32) thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die im wesentlichen denjenigen der Dichtung (30) ähnlich sind.