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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen cryogenen Koppler, der vorteilhafterweise zur Herstellung
einer Verbindung und zur Verbindungstrennung von Durchgängen für ein cryogenes
Medium, beispielsweise für
verflüssigtes
Helium oder verflüssigten
Stickstoff, die einer gewünschten
Stelle zuzuführen
sind, verwendet werden kann.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein cryogenes Medium, beispielsweise
verflüssigtes
Helium oder verflüssigter
Stickstoff, befindet sich typischerweise auf einer niedrigen Temperatur
im Bereich von 20 bis 100 K. Wenn ein solches cryogenes Medium einer
gewünschten
Stelle zugeführt
wird, werden Rohrleitungen verwendet, die aus einem Material gebildet
sind, das in der Lage ist, der niedrigen Temperatur effektiv zu
widerstehen. Im allgemeinen sind die Rohrleitungen miteinander an
den Flanschen an ihren gegenüberliegenden
Enden mit Bolzen und Muttern verbunden.
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Die Rohrleitungsverbindung mit Flanschen ist
mit dem Problem verbunden, dass nicht nur der Verbindungs- oder
Trennungsvorgang aufwändig
ist, sondern dass auch die Verbindungstrennung der Rohre unmöglich ist,
bis das cryogene Medium im Rohr ausgetragen ist und die Temperatur
dann auf etwa 260 K ansteigen gelassen wird.
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In jüngster Vergangenheit sind Koppler
des in
1 gezeigten oder
in
US 4 327 770 offenbarten Typs
in Gebrauch gekommen, die so gestaltet sind, dass die Strömungsdurchgänge einfach
durch einen Handgriff verbunden oder getrennt werden können. Diese
Art von Koppler umfasst eine mit einem inneren Durchgang
1 versehene
Buchse
2, die in Verbindung mit einem Rohr für das zugeführte Medium steht,
und einen Stecker
4, der entfernbar in eine Öffnung
2a auf
einer Seite der Buchse
2 eingesetzt ist und mit einem Durchgang
3 versehen
ist, der mit dem Durchgang
1 in Verbindung zu setzen ist.
Im Einsatz wird eine Hülse
bzw. Muffe
5 am Außenumfang
der Buchse 2 zum Gleiten gegen die Gegenkraft einer Feder S gebracht,
die an der Innenseite der Buchse
5 angeordnet ist, so dass
das freie Ende des Steckers
4 in die Öffnung
2a der Buchse
2 eingesetzt und
aus dieser entfernt werden kann. Die Hülse bzw. Muffe
5 wird
dann von der Feder
1 zu ihrer Ausgangsposition zurückgeführt, wodurch
die Verbindung oder Verbindungstrennung der Durchgänge für das zugeführte Medium
abgeschlossen ist. Eine solche Gestaltung ermöglicht es, die Verbindung oder
Verbindungstrennung der Durchgänge
in einer erleichterten und zuverlässigen Weise effizient durchzuführen. Dieser
Kopplertyp ist typischerweise mit Rückschlagventilen
6,
7 in
den Durchgängen
1,
3 versehen,
welche dazu dienen, ein Entweichen des zugeführten Mediums aus der Buchse
2 und
dem Stecker
4 selbst bei Vorhandensein des zugeführten Mediums
in den sich in den Stecker
4 oder die Buchse
2 erstreckenden
Rohren zu verhindern. Dies liegt daran, dass die Ventilkörper
6a und
7a der
Rückschlagventile
automatisch durch die Funktion der Federn
8 und
9 gegen die
Innenwände
der Buchse
2 bzw. des Steckers
4 gedrängt werden,
nachdem die Durchgänge
voneinander getrennt wurden.
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Der oben beschriebene herkömmliche
Koppler verwendet einen O-Ring P als Dichtungselement zwischen der
Buchse und dem Stecker zum Verhindern eines Leckens des zugeführten Mediums.
Die Elastizität
des O-Rings P tendiert jedoch dazu, infolge von Schrumpfung verlorenzugehen,
insbesondere wenn der Koppler unter der cryogenen Temperaturbedingung
eingesetzt wird. Daher ist es wiederum schwierig, die Buchse und
den Stecker miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen,
solange das zugeführte
Medium im Durchgang nicht beseitigt ist und die Temperatur auf etwa
260 K angehoben ist, wie im Fall der oben erwähnten Flansch-Rohrverbindung.
Der Einsatzbereich des herkömmlichen
Kopplers liegt von –20°C bis +180°C hinsichtlich
der Temperatur und bei etwa 5 MPa hinsichtlich des Normaldrucks,
und es gibt derzeit keine bekannten Koppler, die in einem niedrigeren
Temperaturbereich eingesetzt werden können.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen verbesserten cryogenen Koppler bereitzustellen, der
in der Lage ist, eine Verbindung oder Verbindungstrennung selbst
unter einem Tieftemperaturzustand in einer leichteren und zuverlässigen Weise und
ohne Entweichen des zugeführten
Mediums herzustellen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein cryogener Koppler nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Die vorliegende Erfindung eliminiert
die Verwendung eines O-Rings, der erheblich von der Temperatur des
zugeführten
Mediums beeinflusst wird. Stattdessen wird eine Dichtungsanordnung
zwischen den gegenüberliegenden
Endflächen
des Steckers und der Buchse angeordnet und weist eine elastische Eigenschaft
auf, die im wesentlichen von der cryogenen Temperatur unbeeinflusst
bleibt. Somit können die
Buchse und der Stecker des Kopplers ohne jegliche Probleme selbst
bei einem Tieftemperaturzustand in einer leichten und äußerst zuverlässigen Weise
miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.
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Wenn übrigens die Buchse und der
Stecker des Kopplers miteinander bei an Ort und Stelle befindlicher
Dichtungsanordnung zu verbinden sind, wäre die erforderliche Befestigungskraft
größer bei zunehmender
Festziehtoleranz (tightening allowance). In diesem Fall können die
Buchse und der Stecker jeweils durch Klemmen gehalten und miteinander
verbunden werden, während
sie allmählich
aneinander gepresst werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die Dichtungsanordnung
erste und zweite Harz-Dichtungsringe, die mit gegenüberliegenden
Endflächen
der Buchse bzw. des Steckers in Eingriff bringbar sind, und einen Metall-Dichtungsring,
der zwischen dem ersten und zweiten Harz-Dichtungsring und angrenzend
an diese angeordnet ist.
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In diesem Fall wird bevorzugt, dass
die ersten und zweiten Harz-Dichtungsringe Fluor-Harz umfassen,
und/oder der Metall-Dichtungsring rostfreien Stahl, Kupfer oder
Kupferlegierung umfasst.
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Vorzugsweise hat der Metall-Dichtungsring eine
mit einem ringförmigen
Steg versehene Oberfläche,
die mit einem der ersten und zweiten Harz-Dichtungselemente in Eingriff
bringbar ist. In diesem Fall weist der Metall-Dichtungsring eine
gegenüberliegende
Oberfläche
auf, die mit einer Ringnut versehen sein kann, so dass die Ringnut
mit dem anderen des ersten oder zweiten Harz-Dichtungselements in
Eingriff bringbar ist.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtungsanordnung
ferner einen Rückhaltering,
der mit einer Innenumfangsfläche
der Öffnung
in der Buchse in Eingriff steht, um die Dichtungsringe in der Öffnung festzuhalten.
Der Rückhaltering
kann entweder aus Harz oder Metall sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
Schnittansicht zur Darstellung eines herkömmlichen Kopplers,
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2 eine
Schnittansicht zur Darstellung einer Ausführungsform des cryogenen Kopplers
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
auseinandergezogene Ansicht zur Darstellung des cryogenen Kopplers
von 2, wobei die Buchse
und der Stecker voneinander getrennt sind,
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4 eine
Schnittansicht zur Darstellung eines Beispiels der Dichtungsanordnung,
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5 eine
Schnittansicht zur Darstellung eines weiteren Beispiels der Dichtungsanordnung,
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6a und 6b jeweils eine Längsschnittansicht
und eine Vorderansicht des Ventilkörpers,
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7a und 7b jeweils eine Vorderansicht und
Seitenansicht zur Darstellung eines Beispiels des Dichtungsrings,
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8a und 8b jeweils eine Vorderansicht und
eine Seitenansicht zur Darstellung eines weiteren Beispiels des
Dichtungsrings,
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9a und 9b jeweils eine Vorderansicht und
eine Seitenansicht zur Darstellung des Metall-Dichtungsrings, und
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10a und 10b jeweils eine Vorderansicht und
eine Seitenansicht zur Darstellung des Rückhalterings.
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BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es wird nun auf 2 eingegangen, in der eine Gesamtstruktur
des cryogenen Kopplers gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt ist. Der cryogene Koppler gemäß der Erfindung
umfasst eine Buchse 10 und einen Stecker bzw. Stopfen 11,
die im wesentlichen auf die gleiche Weise wie bei dem herkömmlichen
Koppler, der oben mit Bezug auf 1 beschrieben
wurde, miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können.
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So weist die Buchse 10 einen
Durchgang 10a auf, der mit einem Mediumzuführdurchgang
verbunden ist, sowie ein Ventil 10b zum
Blockieren des Durchgangs 10a, wenn die Buchse 10 von
dem Stecker 11 getrennt wird bzw. ist. Der Stecker 11 ist
abnehmbar in einer im wesentlichen zylindrischen Öffnung an
einem Ende der Buchse 10 aufgenommen und hat einen Durchgang 11a,
der mit dem Durchgang 10a in Verbindung steht. Ähnlich wie
die Buchse 10 weist auch der Stecker 11 ein Ventil 11b zum Blockieren
des Durchgangs 11a auf, wenn der Stecker bzw. Stopfen 11 von
der Buchse 10 getrennt wird bzw. ist.
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Wenn der Stecker 11 in die Öffnung der Buchse 10 aufgenommen
ist, bleibt ein Spalt bzw. Zwischenraum 12 zwischen dem
freien Ende des Steckers 11 und der Innenwand der Buchse 10,
die dem Ende des Steckers 11 gegenüberliegt. Wie insbesondere
in 3 gezeigt ist, ist
in einem zustand, in dem der Stecker 11 von der Buchse 10 getrennt
ist, eine Dichtungsanordnung 13 in dem Zwischenraum 12 angeordnet.
Die Dichtungsanordnung 13 dient dazu, ein unerwünschtes
Entweichen des zugeführten Mediums
aus der Verbindung zwischen der Buchse 10 und dem Stecker 11 zu
verhindern. Die Dichtungsanordnung 13 umfasst einen Rückhaltering 13a,
ein Paar Harz-Dichtungsringe 13b und einen Metall-Dichtungsring 13c,
der von den Harz-Dichtungsringen 13b eingeklemmt ist. Der
Rückhaltering 13a hält die Dichtungsringe 13b und 13c in
ihrer Position. Der Metall-Dichtungsring 13c weist einen
ringförmigen
Steg t1 auf seiner einen Seite und eine
ringförmige
Ausnehmung t2 auf seiner gegenüberliegenden Seite
auf. Der ringförmige
Steg t1 ist dicht mit der Dichtungsfläche eines
der Harz-Dichtungsringe 13b in Eingriff bringbar, während die
ringförmige
Ausnehmung t2 mit der Dichtungsfläche des
anderen Harz-Dichtungsrings 13b in engen Eingriff bringbar ist.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Verbindung zwischen dem Stecker 11 und der Buchse 10.
Wenn der Stecker 11 und die Buchse 10 miteinander
verbunden sind bzw. werden, hat die Dichtungsanordnung 13 eine
reduzierte Dicke infolge des Zusammenpressens der Dichtungsringe 13b und 13c relativ
zueinander. In diesem Fall wird der ringförmige Steg t1 am
Metall-Dichtungsring 13c in den benachbarten Harz-Dichtungsring 13b gezwungen, während der
Harz-Dichtungsring 13b auf der gegenüberliegenden Seite teilweise
in die ringförmige
Ausnehmung t2 gezwungen wird, wodurch eine
verbesserte Dichtungseigenschaft bereitgestellt wird.
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Bei der Dichtungsanordnung 13 des
Kopplers gemäß der vorliegenden
Erfindung ist bevorzugt, dass der Dichtungsringhalter 13a Phosphorbronze mit
einer verbesserten Bearbeitbarkeit und hoher Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Korrosion infolge von Feuchtigkeit oder dergleichen aufweist. Das
Material für
den Rückhaltering 13a ist
jedoch nicht notwendigerweise auf Phosphorbronze beschränkt, vorausgesetzt,
dass es in der Lage ist, die Dichtungsringe durch ihre eigene Elastizität in der Öffnung der
Buchse 10 zu halten, wodurch gewährleistet wird, dass die Dichtungsringe
keine unerwünschte
Verschiebung erfahren. Der Rückhaltering 13a dient
nicht nur dazu, die Dichtungsringe in ihrer Position zu halten,
sondern liefert auch einen verbesserten Dichtungseffekt, da der
Rückhaltering
per se als eine Art Dichtungsring fungiert. Ferner wird bevorzugt,
dass die Harz-Dichtungsringe 13b Fluorharz
umfassen, wie zum Beispiel Tetrafluorethylen oder Trifluorchlorethylen.
Diese Art von Fluorharz ist auf dem Markt beispielsweise als Teflon® leicht
erhältlich.
Es wird auch bevorzugt, dass der Metall-Dichtungsring 13c aus rostfreiem
Stahl, insbesondere aus rostfreiem Austenitstahl (zum Beispiel SUS304L)
oder aus Kupfer oder Kupferlegierung besteht. Die Stärke und
die Außen-
und Innendurchmesser jedes Dichtungsrings können in angemessener Weise
gemäß der Abmessung
des Spalts bzw. Zwischenraums 12 in dem Koppler festgelegt
werden.
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5 zeigt
eine modifizierte Ausführungsform
eines Metall-Dichtungsrings 13c in der Dichtungsanordnung 13.
Der ringförmige
Steg t1 des Metall-Dichtungsrings 13c kann
einen Querschnitt aufweisen, wie er in 5 gezeigt ist. Es ist auch möglich, zwei
oder mehr ringförmige
Stege t1 vorzusehen, die in konzentrischer
Weise angeordnet sind, um den Wirkungsgrad der Dichtung zu verbessern.
Sowohl 2 als auch 5 zeigen eine Ausführungsform, bei
der die ringförmige
Ausnehmung t2 auf der gegenüberliegenden
Seite des ringförmigen
Vorsprungs t1 vorgesehen ist. Je nach den
Betriebsbedingungen des cryogenen Kopplers kann es möglich sein,
ein Entweichen des zugeführten
Mediums auch ohne die ringförmige
Ausnehmung t2 zuverlässig zu verhindern. Das Vorsehen
der ringförmigen
Ausnehmung t2 wird jedoch bevorzugt, weil
der Metall-Dichtungsring selbst als Feder fungiert, um den gewünschten
Oberflächendruck,
der erforderlich ist, um die Dichtungsfunktion zu erzielen, selbst
nach wiederholtem Langzeiteinsatz des Kopplers stabil aufrechtzuerhalten.
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Wie in 2 gezeigt
ist, ist der cryogene Koppler mit einem Ventil 10b und
einem Ventil 11b als Mittel zum Blockieren des Durchgangs
des zugeführten
Mediums versehen, wenn der Stecker bzw. Stopfen von der Buchse 10 getrennt
wird bzw. ist. Diese Ventile 10b, 11b weisen jeweils
einen Ventilkörper
gemäß den 6a und 6b auf. Der Ventilkörper kann mit einem Dichtungselement
S1, wie zum Beispiel einen O-Ring, versehen sein,
um die Dichtungsfunktion zu verbessern. Am bevorzugtesten umfasst
das Dichtungselement S1 Fluorharz wie zum Beispiel
Teflon® im
Hinblick auf eine positive Verhinderung des Entweichens des zugeführten Mediums unter
einer cryogenen Temperaturbedingung, und auch im Hinblick auf die
Kompatibilität
des Materials mit dem zugeführten
Medium an den Kontaktflächen. Das
Dichtungselement S1 hat einen Querschnitt,
der kreisförmig
(2 und 3) oder rechteckig (6a) sein kann.
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Der cryogene Koppler gemäß der vorliegenden
Erfindung wird durch Verbinden der Buchse 10 und des Steckers 11 miteinander
verwendet, wobei der Stecker 11 in die Öffnung der Buchse 10 aufgenommen
wird. In diesem Fall kann die Abmessung vom freien Ende des Steckers 11 zur
Anlagefläche der
Buchse 10 0,7 mm betragen. Die Einzelheiten der Dichtungsringe 13b, 13c und
des Rückhalterings 13a sind
in den 7a, 7b, den 8a, 8b,
den 9a, 9b und den 10a, 10b gezeigt. Diese Elemente sind
in dem Spalt bzw. Zwischenraum 12 in der in 5 gezeigten Art und Weise
angeordnet.
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Es sind Untersuchungen vorgenommen
worden, um zu bestimmen, ob es zu einem Entweichen von verflüssigtem
Helium aus dem Koppler kommt, während
das verflüssigte
Helium zugeführt
wird, wobei der zu der Buchse 10 verlaufende Durchgang
mit einem Behälter
verflüssigten
Heliums verbunden wurde und der Stecker 11 mit einem Heliumgas-Rückgewinnungsdurchgang verbunden
wurde, und um die Einfachheit bzw. Leichtigkeit der Verbindung und
Verbindungstrennung des Kopplers bei verschiedenen Temperaturen
zu überprüfen.
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Für
diese Untersuchung ist ein Thermoelement (Gold-Eisen/Nickel-Chrom-Legierung, bekannt als
ChromelTM) eingesetzt worden, um die Temperatur
des Kopplers zu messen. Es wurde ermittelt, dass der Koppler auf
einer Temperatur von 20 bis 30 K war. Der Druck in dem Heliumgas-Rückgewinnungsdurchgang wurde
ebenfalls mit einem Druckmesser gemessen, und es wurde ermittelt,
dass der Druck während
der Zuführung
des Mediums etwa 300 mm H2O im Schnitt betrug,
und der Maximaldruck 800 mm H2O betrug,
wenn das verflüssigte
Helium den Behälter
vollständig
füllte
und überzulaufen
begann.
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Ein Handdetektor "CHECK B4" (hergestellt von Edwards Corp.) wurde
verwendet, um das Entweichen des verflüssigten Heliums bei verschiedenen
Temperaturpegeln von 130 K, 120 K, 100 K, 70 K und 20 bis 30 K zu
testen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Entweichen des verflüssigten
Heliums aus dem Koppler bei jedem Temperaturpegel konkret verhindert
werden konnte. Es war so möglich,
die funktionellen Vorteile und die Wirksamkeit des cryogenen Kopplers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bestätigen.
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Außerdenm wurden die Buchse und
der Stecker während
des Messvorgangs miteinander verbunden und voneinander getrennt,
wobei sich herausstellte, dass der Vorgang schnell ohne irgendwelche
Probleme oder Schwierigkeiten ausgeführt werden konnte. Es wurden
wiederholte Tests ausgeführt, indem
der Koppler mehrere hundert Male verbunden und getrennt wurde, wobei
sich herausstellte, dass die Dichtungseigenschaften gut eingehalten
werden konnten.
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Die vorliegende Erfindung stellt
somit einen verbesserten cryogenen Koppler bereit, der in der Lage
ist, ein Entweichen des cryogenen Mediums nach außen zu verhindern,
wenn die Durchgänge
in der Buchse und dem Stecker miteinander verbunden werden, und
der eine einfache Verbindung und Verbindungstrennung der Durchgänge selbst
unter einer Tieftemperaturbedingung ermöglicht.