DE3750621T2

DE3750621T2 - Verdichter für Tieftemparaturkälteanlage mit von aussen einstellbarem Bypass- oder Ablassventil.

Info

Publication number: DE3750621T2
Application number: DE3750621T
Authority: DE
Inventors: Harry G Nicoll
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1986-02-27
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2007-02-20
Also published as: JPH0718609B2; EP0236018A3; US4718442A; DE3750621D1; EP0236018B1; CA1280001C; JPS62242771A; IL81649A; EP0236018A2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Tiefsttemperaturtechnik (Kryogenik). Sie bezieht sich insbesondere auf einen in einem kryogenen Kälteerzeuger verwendeten Kompressor.
In einem normalen Kompressor für einen kryogenen Kälteerzeuger wird Helium von einem kryogenen Kälteerzeuger zu einer Kompressorpumpe über eine Heliumrückleitung zurückgeführt. Öl wird in das Helium am Einlaß des Kompressors eingespritzt. Das Öl absorbiert die Kompressionswärme, die vom Helium abgegeben wird. Die kombinierte Mischung von Helium und Öl wird vom Kompressor durch eine Leitung zu einem Wärmeaustauscher gepumpt, wo die in der Mischung enthaltene Wärme abgegeben wird. Die Helium- und Ölmischung wird sodann zu einem Öl-Grobseparator gepumpt, der das Helium vom Öl abtrennt und das Öl wird über eine Leitung zum Kompressor zurückgeführt. Das Helium strömt von diesem Separator zu einem Ölnebelseparator, wo jeglicher Rest Ölnebel vom Helium abgetrennt wird.
Das Helium strömt vom Ölnebelseparator zu einem Adsorber, der alle verbleibenden Verunreinigungen aus dem Helium entfernt. Aus dem Adsorber wird das Helium sodann über eine Heliumzuführleitung zum Kältekopf eines kryogenen Kälteerzeugers, wie eines kryogenen Gifford-McMahon-Kälteerzeugers, gepumpt. Das Helium strömt durch den kryogenen Kälteerzeuger und kehrt über die Heliumrückleitung zurück zum Kompressor, wo der Zyklus abermals wiederholt wird.
Eine weitere Heliumleitung liegt zwischen der Heliumzuführleitung und der Heliumrückleitung. Innerhalb dieser Leitung ist ein Differenz-Druckentspannungsventil angeordnet. Die Leitung und das Ventil sind zwischen der Heliumrückleitung und der Heliumzuführleitung angeordnet. Jeder Überdruck, der sich in der Heliumzuführleitung zum kryogenen Kälteerzeuger aufbauen kann, kann durch diese Leitung und das Ventil entspannt und zum Ventil der Heliumrückführleitung kurzgeschlossen werden. Das Entspannungsventil öffnet sich automatisch und ermöglicht, daß Helium von der Zuführleitung zur Rückleitung strömt, wenn der Druck des Fluids innerhalb der Heliumzuführleitung einen gegebenen vorbestimmten voreingestellten Druck erreicht.
Die heutigen in die Leitung eingebauten Differenz-Druckentspannungsventile müssen jedoch an einem Prüfpult voreingestellt und in die Leitung eines Kompressors eingebaut werden, da alle Einstellungen innerlich sind. Wenn der Kompressor in Betrieb genommen wird und die Einstellungen im Entspannungsventil nicht korrekt oder dem Kompressor nicht angepaßt sind, muß das Ventil aus dem Kompressor herausgenommen und am Prüfpult nachgestellt werden. Diese Praxis ist kostspielig und verbraucht Gas und menschliche Arbeit. Außerdem ist es praktisch unmöglich, die Leistung jeder Kompressoreinheit optimal einzustellen.
US-A-3255774 zeigt ein einstellbares in die Leitung eingebautes Entspannungsventil mit einem ähnlichen Aufbau wie demjenigen des erfindungsgemäßen Ventils, welches dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht. Der Aufbau des beschriebenen Ventils ist jedoch derart, daß die Lage der Einlaß- und Auslaßteile in Bezug aufeinander fixiert ist.
Die Erfindung schafft ein von außen einstellbares, eingebautes Druckentspannungsventil, welches aufweist: einen Einlaßteil mit einer Einlaßöffnung, die an eine Zuführleitung anschließbar ist; einen Auslaßteil mit einer Auslaßöffnung, die an eine Auslaßleitung anschließbar ist; einen Kompressionsteil, der einen Kanal enthält, zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung, wobei der Kompressionsteil derart freiliegt, daß er ergriffen und gedreht und so bezüglich des Einlaßteils und des Auslaßteils axial verschoben werden kann; einen Ventilteil, der in die Berührung mit dem Einlaßteil zum Schließen der Einlaßöffnung vom Inneren des Kanals her axial verschiebbar ist; und eine Kompressionsfeder, die vom Kompressionsteil gegen den Ventilteil gedrückt wird, um den Ventilteil in die Berührung mit dem Einlaßteil entgegen Fluiddrücken zu belasten, wobei die Kompression der Feder durch Drehung des Kompressionsteils bezüglich des Einlaßteils und des Auslaßteils von außen einstellbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßteil und der Auslaßteil gegeneinander verschiebbar sind, und daß der Kompressionsteil mit dem Einlaßteil und mit dem Auslaßteil verschraubt ist, um den Einlaßteil mit dem Auslaßteil zu verbinden.
Die Erfindung umfaßt ferner ein solches Ventil in einer kryogenen Kälteerzuger-Kompressoreinheit mit einem von außen einstellbaren eingebauten Entspannungsventil. Das von außen einstellbare eingebaute Entspannungsventil ist in einer Heliumleitung zwischen der Heliumzuführleitung und der Heliumrückleitung in einem kryogenen Kälteerzeuger-Kompressor angeordnet. Das von außen einstellbar eingebaute Ventil besteht aus einem koaxialen Einlaßteil, einem Auslaßteil und einem von außen einstellbaren Kompressionsfederteil, die zusammen einen Ventilkanal bilden. Innerhalb des Einlaßteils ist ein Ventilsitz vorgesehen, gegen den ein Ventilteil durch eine Feder gedrückt wird. Der von außen einstellbare Kompressionsfederteil ist zwischen den Einlaß- und Auslaßteil geschaltet, so daß er von außen durch Drehung eingestellt werden kann, was zu einer Axialverschiebung bezüglich des Einlaß- und Auslaßteils führt, wodurch die Kompression der Feder entgegen dem Ventilteil geändert wird. Auf diese Weise können die Druckeinstellungen innerhalb des Ventils von außen eingestellt werden, ohne daß das Ventil aus der Fluidleitung herausgenommen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das von außen einstellbare eingebaute Entspannungsventil einen Ventilteil auf, der ein Tellerventil ist. Das Tellerventil weist einen zylindrischen Abschnitt, einen Kegelstumpfabschnitt und einen O-Ring auf. Der zylindrische Abschnitt des Ventils bildet einen Hohlraum. Eine Feder ist in dem Hohlraum des Ventils angeordnet und drückt gegen einen darin angeordneten Halterand. Der kegelstumpfförmige Abschnitt des Tellerventils geht vom zylindrischen Teil des Ventils aus. Eine ovale Nut ist in das flache Ende des äußeren Abschnitts des kegelstumpfförmigen Abschnitts eingearbeitet. In dieser Nut ist ein O-Ring angeordnet. Der O-Ring ist durch Umbiegen der Flanken, die die Nut umgeben, eingeschlossen. Nur ein Teil des O-Rings, der zur Abdichtung einer ebenen Fläche ausreicht, steht aus der Nut vor.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen kryogenen Kälteerzeuger-Kompressor und
Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes von außen einstellbares Entspannungsventil.
Die kryogene Kälteerzeuger-Kompressoreinheit 10 gemäß Fig. 1 ist ein Beispiel einer Kompressoreinheit für einen kryogenen Kälteerzeuger. Sie zeigt eine Heliumrückleitung 12, die von einem kryogenen Kälteerzeuger zur Kompressorpumpe 14 zurückströmendes Helium führt. Öl wird in das Helium am Einlaß zur Kompressorpumpe 14 eingespritzt, und das Öl absorbiert die Kompressionswärme des Heliums, wenn das Helium von der Kompressorpumpe komprimiert wird. Die Helium-Öl-Mischung wird sodann durch die Leitung 16 zum und durch den Wärmeaustauscher 18 geführt. Die Helium-Öl-Mischung strömt vom Wärmeaustauscher 18 durch die Leitung 20 zum Öl-Grobseparator 22. Das abgetrennte Öl wird zur Kompressorpumpe 14 über die Leitung 24 zurückgeleitet. Das Helium wird vom Öl-Grobseparator 22 durch die Leitung 26 zu einem Ölnebelseparator 28 gepumpt, wo jeglicher rückständige Ölnebel vom Helium abgetrennt wird. Das Helium wird vom Ölnebelseparator 28 durch einen Adsorber 32 gepumpt, welcher das Helium weiter filtert. Das Helium strömt sodann zum kryogenen Kälteerzeuger über die Heliumzuführleitung 30. Die Gasleitung 34 liefert weiteres Helium zur Heliumzuführleitung 30, wenn das System beladen wird.
Zwischen der Heliumrückleitung 12 und der Heliumzuführleitung 30 ist die Leitung 36 vorgesehen. In der Leitung 36 ist ein eingebautes von außen einstellbares Differenz-Druckentspannungsventil 38 angeordnet. Wenn der Druck des Heliums innerhalb der Zuführleitung 30 einen bestimmten Wert oberhalb des Druckes erreicht, der zur Überwindung der auf das Ventil einwirkenden Vorspannung notwendig ist, öffnet sich das Ventil und ermöglicht eine Heliumströmung von der Heliumzuführleitung zur Heliumrückleitung und regelt so den Druck in der Zuführleitung. Das Entspannungsventil 38 ist so ausgebildet, daß die Druckeinstellung des Ventils von außen einstellbar ist. So ist es nicht erforderlich, das Ventil aus der Leitung 36 herauszunehmen, anders als bei eingebauten Entspannungsventilen nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das von außen einstellbare Entspannungsventil 40. Ein von außen einstellbarer Federkompressionsteil 44 ist sowohl am Auslaßteil 42 als auch am Einlaßteil 46 befestigt. Der Auslaßteil 42 und der Einlaßteil 46 weisen übliche Einrichtungen zur Verbindung der Heliumleitungen mit einer Auslaßöffnung 54 bzw. Einlaßöffnung 74 auf. Das Ventil gemäß Fig. 2 ist an der Einlaß- und Auslaßöffnung mit Gewinde versehen und durch Einschrauben mit der Heliumleitung verbunden, es können jedoch auch andere Mittel, wie Anlöten der Ventilöffnungen an die Heliumleitung, angewendet werden. Auslaßteil 42, Kompressionsteil 44 und Einlaßteil 46 sind koaxial. Sie bilden zusammen einen inneren Ventilkanal 48. Der Auslaßteil 42 kann am Kompressionsteil 44 durch Innengewinde 50 befestigt sein. Neben dem Innengewinde 50 nahe an der Auslaßöffnung 54 ist ein O-Ring 56 in einer Ausnehmung innerhalb der Wand des Auslaßteils 42 angeordnet. Der Innenumfang des O-Rings erstreckt sich über die Kanten des Gewindes 50 hinaus, so daß eine Abdichtung zwischen dem O-Ring und dem glatten, nicht mit Gewinde versehenen Ende 52 des Kompressionsteils 44 gebildet wird, wenn der Kompressionsteil in den Auslaßteil 42 geschraubt ist. Diese Abdichtung verhindert ein Lecken von Helium.
Der Kompressionsteil 44 enthält zwei Sätze von Außengewinden 58 und 60, so daß der Kompressionsteil sowohl in den Auslaßteil 42 als auch in den Einlaßteil 46 geschraubt werden kann. In der Mitte des Kompressionsteils 44 ist ein Organ vorgesehen, an dem ein Schlüssel angesetzt werden kann, um den Kompressionsteil zu drehen. In diesem Fall ist das Organ eine Sechskantmutter 61, die auf den Kompressionsteil 44 aufgeschweißt ist. Das Einstellorgan kann jedoch aus ebenen Abschnitten bestehen, die an der Außenseite des Kompressionsteils angearbeitet sind, oder aus Löchern, die in den Umfang des Kompressionsteils für einen Spannschlüssel gebohrt sind. Wenn die Endeinstellung durchgeführt ist, kann eine Drahtfeststellschraube oder ein Epoxykleber an den Gewinden des Kompressionsteils angewendet werden, um eine Drehung zu verhindern. Das zunächst am Auslaßteil gelegene Ende des zylindrischen Kompressionsteils enthält eine Bohrung 63, die es axial durchsetzt. Die Bohrung 63 erweitert sich in einen Hohlraum 62, in den eine Feder 64 eingepaßt ist. Ein Halterand 65 ist an der Stelle ausgebildet, an der sich die Bohrung 63 in den Hohlraum 62 erweitert. Dieser Halterand 65 drückt die Feder 64 zusammen, wenn sich der Kompressionsteil 44 in den Einlaßteil 46 hinein und aus dem Auslaßteil heraus dreht.
Der Einlaßteil 46 bildet einen inneren Hohlraum 66, der sich in die Bohrung 70 verengt, welche einen Dichtrand 72 nahe der Einlaßöffnung 74 bildet. Innerhalb des Hohlraums 66 ist ein Ventilteil 76 angeordnet, der in diesem Fall ein Tellerventil ist. Eine Schließkraft wird auf das Tellerventil durch die Feder 64 ausgeübt.
Der Einlaßteil 46 weist ferner ein Innengewinde 78 auf, das dem Kompressionsteil 44 ermöglicht, sich axial in den Hohlraum 66 zu verschieben. Neben dem Innengewinde 78 nahe der Einlaßöffnung 74 ist in einer Ausnehmung innerhalb der Innenfläche des Einlaßteils 74 ein O-Ring 77 angeordnet. Der Innenumfang des O-Rings erstreckt sich über die Kanten des Gewindes 78 hinaus nach innen, so daß eine Dichtung zwischen dem O-Ring und dem Kompressionsteil 44 gebildet wird.
Das Tellerventil 76 besteht aus einem zylindrischen Teil 80 proximal zum Auslaßteil und einem kegelstumpfförmigen Teil 102 proximal zur Einlaßöffnung 74. Das Ende des kegelstumpfförmigen Teils 102 nahe der Einlaßöffnung 74 ist so gearbeitet, daß er einen Hohlraum 106 und Flansche 108 und 110 bildet. In diesen Hohlraum ist ein O-Ring 104 eingelegt. Der Hohlraum ist so geformt, daß er etwa 90% des O-Rings einschließt. Der O-Ring wird durch Umbiegen der Flansche 108 und 110 auf den O-Ring eingeschlossen. Dies ermöglicht, daß der O-Ring ausreichend vorsteht, so daß er gegen eine ebene Fläche, wie den Dichtrand 72, abdichten kann.
Der zylindrische Teil 80 des Tellerventils bildet einen Hohlraum 114. Ein Halterand 116 ist innerhalb des Tellerventils ausgebildet, wo sich der zylindrische Teil 80 des Ventils zur Bildung des kegelstumpfförmigen Teils 102 des Ventils 76 verengt. Die Feder 64 ist innerhalb des Hohlraums 114 des Tellerventils und innerhalb des Hohlraums 62 des Kompressionsteils 64 angeordnet. Die Feder 64 wird zusammengedrückt, wenn sich der Kompressionsteil 44 axial weiter in den Einlaßteil 46 verschiebt. Die Feder übt ihrerseits eine Vorspannung gegen den Halterand 116 aus.
Die gegen den Halterand 116 ausgeübte Vorspannung bewirkt, daß das Tellerventil 76 am Halterand 72 festgelegt wird. Diese Vorspannung bedingt den Betrag des Gasdrucks, der in der Gaszuführleitung erforderlich ist, um das Tellerventil 76 zu öffnen und eine Gasströmung von der Zuführleitung durch das Entspannungsventil und in die Heliumrückleitung zu ermöglichen.
Der von außen einstellbare Kompressionsteil kann entweder mit Innen- oder Außengewinde versehen sein, so daß er sich in den Einlaßteil schraubt oder der Einlaßteil sich in den Kompressionsteil schraubt.

Claims

1. Von außen einstellbares, eingebautes Druckentspannungsventil, welches aufweist:

einen Einlaßteil (46) mit einer Einlaßöffnung (74), die an eine Zuführleitung (30) anschließbar ist;

einen Auslaßteil (42) mit einer Auslaßöffnung (54), die an eine Auslaßleitung (36) anschließbar ist;

einen Kompressionsteil (44), der einen Kanal (48) enthält, zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der Einlaßöffnung (74) und der Auslaßöffnung (54), wobei der Kompressionsteil (44) derart freiliegt (61), daß er ergriffen und gedreht und so bezüglich des Einlaßteils (46) und des Auslaßteils (42) axial verschoben werden kann;

einen Ventilteil (76), der in die Berührung mit dem Einlaßteil (46) zum Schließen der Einlaßöffnung (74) vom Inneren des Kanals her axial verschiebbar ist; und

eine Kompressionsfeder (64), die vom Kompressionsteil (44) gegen den Ventilteil (76) gedrückt wird, um den Ventilteil (76) in die Berührung mit dem Einlaßteil (46) entgegen Fluiddrücken zu belasten, wobei die Kompression der Feder (64) durch Drehung des Kompressionsteils (44) bezüglich des Einlaßteils (46) und des Auslaßteils (42) von außen einstellbar ist;

dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßteil und der Auslaßteil gegeneinander verschiebbar sind, und daß der Kompressionsteil (44) mit dem Einlaßteil (46) und mit dem Auslaßteil (42) verschraubt ist, um den Einlaßteil (46) mit dem Auslaßteil (42) zu verbinden.

2. Druckentspannungsventil nach Anspruch 1, welches ferner aufweist einen ersten O-Ring (77) zwischen dem Einlaßteil (46) und dem Druckteil (44) und einen zweiten O-Ring (56) zwischen dem Auslaßteil (42) und dem Kompressionsteil (44) zur Abdichtung des Fluidweges (48) von der Einlaßöffnung (74) zur Auslaßöffnung (54).

3. Druckentspannungsventil nach Anspruch 2, bei welchem jedes Ende des Kompressionsteils (44) ein Außengewinde (58, 60) im Zusammenwirken mit Innengewinden am Einlaßteil (46) bzw. Auslaßteil (42) aufweist, und daß der Kompressionsteil (44) einen nicht mit Gewinde versehenen Fortsatz jenseits der Gewinde (58, 60) an jedem seiner Enden aufweist, wobei der erste und zweite O-Ring (77, 56) jeweils zwischen dem nicht mit Gewinde versehenen Fortsatz und dem Einlaßteil bzw. Auslaßteil (46, 42) angeordnet ist.

4. Druckentspannungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Kompressionsfeder (64) innerhalb des Kompressionsteils (44) gehalten ist und am reduzierten Innendurchmesserabschnitt (116) des Kompressionsteils anliegt.

5. Druckentspannungsventil nach Anspruch 1, bei welchem beide Enden des Kompressionsteils (44) mit Außengewinde (58, 60) versehen und jeweils innerhalb des Einlaßteils (46) bzw. Auslaßteils (42) angeordnet sind.

6. Druckentspannungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Einlaßöffnung (74) und die Auslaßöffnung (54) jeweils mit einem Gewinde zum Anschluß an Zuführleitung (30) bzw. Auslaßleitung (36) versehen sind.

7. Druckentspannungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der Ventilteil (76) ein Tellerventil ist.

8. Druckentspannungsventil nach Anspruch 7, bei welchem der näher an der Auslaßöffnung (54) gelegene Teil (80) des Tellerventils (76) zylindrisch und der näher an der Einlaßöffnung (74) gelegene Teil (102) kegelstumpfförmig ist, innerhalb des zylindrischen Teils (80) des Tellerventils (76) ein Hohlraum (114) vorgesehen ist, in welchen die Feder (64) eingelegt ist, der Hohlraum (114) einen Halterand (116) aufweist, an dem die Feder (64) anliegt, der kegelstumpfförmige Teil (102) des Tellerventils (76) eine Anzahl von Bohrungen enthält, die sich radial durch denselben zum Hohlraum (114) innerhalb des zylindrischen Teils des Ventils erstrecken, das Ende des kegelstumpfförmigen Teils (102) des Tellerventils (76) einen Hohlraum (106) mit zwei Verbindungsflanschen (108, 110) enthält, die sich von diesen in axialer Richtung erstrecken, ein O-Ring (104) innerhalb des Hohlraums (106) angeordnet und in seiner Lage eingeschlossen ist, indem die Flanschenden (108, 110) gegen den O-Ring (104) umgefalzt sind, wodurch nur einem Teil des O-Rings (104) ermöglicht wird, sich über den Hohlraum (106) hinaus genügend weit zu erstrecken, um eine flache Oberfläche abzudichten.

9. Verfahren zum Erzeugen einer veränderlichen Druckentspannung in einer Fluidzuführleitung, bei welchem ein von außen einstellbares eingebautes Druckentspannungsventil (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 an eine Fluidzuführleitung (30) und eine Auslaßleitung (36) angeschlossen wird, wobei der Druckteil (44) gedreht wird, während Einlaß- und Auslaßteil (46, 42) an der Zuführleitung (30) und der Auslaßleitung (36) befestigt bleiben.

10. Von außen einstellbares eingebautes Druckentspannungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer kryogenen Kälteerzeuger- und Kompressoranlage, in der Helium durch eine Heliumrückleitung (12) von einem kryogenen Kälteerzeuger zu einer Kompressorpumpe (14) geleitet wird, wo das Helium mit Öl vermischt und komprimiert wird, und das Helium zu einem und durch einen Wärmeaustauscher (18) gepumpt wird, von dem Wärmeaustauscher (18) das Helium- und Ölgemisch zu einem Ölseparator (22) gepumpt wird, von welchem das Öl zum Kompressor (18) und das Helium zum kryogenen Kälteerzeuger über die Heliumzuführleitung (30) zurückgepumpt wird, eine Heliumverbindungsleitung (36) zwischen der Heliumzuführ- und -rückleitung (30, 12) angeordnet ist, und die Verbindungsleitung (36) das genannte eingebaute Differenz-Druckentspannungsventil (38) enthält, das sich öffnet, um eine Strömung des Heliums von der Heliumzuführleitung (30) in die Heliumrückleitung (12) zu ermöglichen, wenn der Druck innerhalb der Heliumzuführleitung (30) einen vorbestimmten Wert übersteigt, und wobei das Ventil (38) von außen einstellbar ist, während es in die Verbindungsleitung (36) eingeschaltet ist.