WO2019046876A1 - Kryogenes absperrventil - Google Patents

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Gerhard COMELLI
Stefan LEEB
Marietta JANCAR
Gerald JARITZ
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Ventrex Automotive GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a valve according to the preamble of patent claim 1 and the use according to claim 7.
  • valves which are used at very low temperatures of the medium flowing through the valves, ie in the range below -40 ° C. and well below.
  • These valves are predominantly polytetrafluoroethylene (PTFE) and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), which are mixed with various additives, e.g. Graphite can be mixed, used as sealing materials.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • Graphite can be mixed, used as sealing materials.
  • very low temperatures for example below -100 ° C, which occur approximately in the production of liquid nitrogen, known from the prior art valves have a greatly deteriorated tightness, causing increased internal and / or external leakage occur.
  • low-temperature resistant materials include polyamide-imide (PAI), polyarylimide (PI), ultra-high molecular weight polyethylene (UHMW-PE), and perfluoroalkoxyalkanes (PFA) which have been tested for suitability in cryogenic valves. Although the results showed an increased tightness, although lower, but still occurring leakage problems were found especially in the range below -150 ° C, for example at -196 ° C, the temperature of liquid nitrogen.
  • PAI polyamide-imide
  • PI polyarylimide
  • UHMW-PE ultra-high molecular weight polyethylene
  • PFA perfluoroalkoxyalkanes
  • Object of the present invention is therefore to improve the tightness of cryogenic valves with a range of below -40 ° C.
  • valve seal consists of a polyketone (PK).
  • valve seal is arranged in the valve seat or on the closing element.
  • valve seal and / or the valve seat have a maximum roughness R zmax of less than or equal to 3.6 ⁇ .
  • valve seal on the valve seat, it is provided that the deviation of the concentricity between valve seat and valve seal is less than or equal to 0.8 mm.
  • the pressure range of the valve is between 0 and 100 bar of the medium flowing in the flow channel.
  • valve is designed as a pressure relief valve or as a check valve or as a manually operated valve or as a solenoid valve.
  • Another aspect of the invention is the use of a polyketone as the material of a valve seal of a cryogenic valve, wherein the flowing medium in the valve is a cryogenic medium and a temperature of less than -40 ° C, preferably below -100 ° C, particularly preferred below -150 ° C, and is preferably liquid or gaseous nitrogen or liquid or gaseous oxygen or liquid or gaseous hydrogen or liquid or gaseous natural gas or liquid or gaseous methane or liquid or gaseous carbon monoxide or liquid or gaseous carbon dioxide.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the valve according to the invention in the form of an automatic solenoid valve
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the valve according to the invention in the embodiment as a manually operated valve
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the valve according to the invention, which is designed as a pressure relief valve is.
  • a first embodiment of the valve 10 according to the invention is shown, which is designed as an automatic solenoid valve.
  • the valve 10 comprises a valve housing 1 1, in which a flow channel 1 is formed.
  • the flow channel 1 extends from one end of the housing 1 1 via a valve seat 2 across the other end of the housing 1 first
  • a medium can enter the housing 1 1 of the valve 10 and exit via the valve seat 2 further in the flow channel 1 from the housing 1 1 of the valve 10 again.
  • a closing element 3 is arranged, which is linearly adjustable in the flow channel 1 relative to the valve seat 2.
  • valve seal 5 is arranged between the valve seat 2 and the closing element 3, which seals the flow channel 1 between the valve seat 2 and the closing element 3 in the closed state of the valve 10.
  • the valve seal 5 consists of a polyketone.
  • the polyketone Sustakon from Röchling Sustaplast SE & Co. KG used.
  • the valve 10 shown in FIG. 1 is designed for a cryogenic application, wherein in the case of cryogenic valves, the medium flowing in the flow channel 1 has a temperature of below -40 ° C., preferably below -100 ° C., and particularly preferably below -150 ° C., having.
  • the flowing medium in the flow channel 1 is any cryogenic medium, preferably liquid nitrogen at a temperature below -196 ° C, liquid or gaseous nitrogen or liquid or gaseous oxygen or liquid or gaseous hydrogen or liquid or gaseous natural gas or liquid or gaseous methane or liquid or gaseous carbon monoxide or liquid or gaseous carbon dioxide.
  • the temperature occurring in these media flowing in the flow channel 1 temperature can be significantly below -150 ° C depending on the pressure, whereby the components of the valve, in particular the valve seat 2 and the valve seal 5, are cooled to below -150 ° C.
  • a valve seal 5 made of a polyketone an excellent return and Energy absorption, good dimensional stability, excellent resistance to hydrolysis and chemicals, a particularly good abrasion resistance and also has very good thermo-mechanical properties.
  • valve 10 is designed as a manually operated valve and has a leading in a housing 1 1 in cross-section circular flow channel 1.
  • an adjustable closing element 3 is arranged opposite a valve seat 2, with which the flow of a medium flowing in the flow channel 1 can be regulated or adjusted.
  • a valve seal 5 is arranged, which consists of a polyketone.
  • the adjustment of the closing element 3 takes place in this embodiment of the valve 10 by an unillustrated hand wheel or other adjusting mechanisms, which adjusts the closing element 3 in the direction of the valve seat 2.
  • the polyketone Riamaxx HR 00 St was used by RiaPolymers GmbH for the valve seal 5.
  • Fig. 3 is a third embodiment of the valve 10 according to the invention, which is designed as a pressure relief valve shown.
  • the valve 10 comprises a closing element 3, which is pressed by a spring 13 in the direction of the valve seat 2.
  • the closing element 3 has, at the end facing the valve seat 2, a valve seal 5 which seals the flow channel 1 with respect to the surroundings of the valve 10. If the pressure in the flow channel 1 increases, the spring is compressed and the flow path of the pending in the flow channel 1 medium released, whereby the pressure in the flow channel 1 is reduced.
  • the polyketone Riamaxx HR 00 Z of the company RiaPolymers GmbH was used for the valve seal 5.
  • valve 10 As an alternative to the embodiments of the valve 10 shown in FIGS. 1 to 3, other configurations such as check valves or other valves known from the prior art may also be provided.
  • valves 10 shown in FIGS. 1 to 3 advantageously have a slight deviation of the concentricity between the valve seat 2 and the valve seal 5, which is preferably less than or equal to 0.8 mm.
  • the embodiments of FIGS. 2 and 3 and also of the embodiments not shown can have a surface roughness with a maximum roughness R zm ax of 3.6 ⁇ , by which the tightness of the valve 10 in closed state is further increased.
  • valves 10 or valves 10 according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 lies in the range between 0 and 100 bar, whereby pressures beyond this may also be present in the flow channel 1 in the valves 10 according to the invention.
  • valve seals 5 made of the polyketones Sustakon from Röchling Sustaplast SE & Co. KG, Riamaxx HR 00 Z nature of the company RiaPolymers GmbH, Riamaxx HR 00 St nature of the company RiaPolymers GmbH and Riamaxx HR P18 AR of the company RiaPolymers GmbH tested, valve seals according to the invention 5 but can also optionally from any other known from the prior art polyketone with or without additives.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (10) zum Einsatz im Tieftemperaturbereich, insbesondere unter -40 °C, vorzugsweise unter -100 °C, besonders bevorzugt unter -150 °C, umfassend einen Strömungskanal (1) und ein in dem Strömungskanal (1) entgegen einem Ventilsitz (2) relativ verstellbares Schließelement (3), mit dem ein definierter Strömungsquerschnitt für das im Strömungskanal (1) strömende Medium freigebbar ist, wobei das Ventil (10) eine Ventildichtung (5) umfasst, die im geschlossenen Zustand des Ventils (10) den Strömungskanal (1) zwischen Ventilsitz (2) und Schließelement (3) abdichtet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ventildichtung (5) aus einem Polyketon besteht.

Description

Kryogenes Absperrventil
Die Erfindung betrifft ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie die Verwendung gemäß Anspruch 7.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Ventilen bekannt, die bei sehr tiefen Temperaturen des durch die Ventile strömenden Mediums, also im Bereich unter -40°C und deutlich darunter, zum Einsatz kommen. Bei diesen Ventilen werden vorwiegend Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polychlortrifluorethylen (PCTFE), die mit diversen Zusatzstoffen wie z.B. Graphit vermengt sein können, als Dichtwerkstoffe verwendet. Bei sehr tiefen Temperaturen, beispielsweise unter -100°C, die etwa bei der Produktion von flüssigem Stickstoff auftreten, weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Ventile eine stark verschlechterte Dichtheit auf, wodurch erhöhte interne und/oder externe Leckagen auftreten. Weitere aus dem Stand der Technik bekannte tieftemperaturbeständige Werkstoffe sind Polyamidimid (PAI), Polyarylimid (PI), Ultra- Hochmolekulares-Polyethylen (UHMW-PE) sowie Perfluoroalkoxyalkane (PFA), die auf ihre Tauglichkeit in Tieftemperaturventilen getestet wurden. Die Ergebnisse zeigten zwar eine erhöhte Dichtheit, jedoch wurden insbesondere im Bereich unter -150°C, beispielsweise bei -196°C der Temperatur von flüssigem Stickstoff, zwar geringere, aber dennoch auftretende Dichtheitsprobleme aufgefunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Dichtheit von Tieftemperaturventilen mit einem Einsatzbereich von unter -40°C zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Ventildichtung aus einem Polyketon (PK) besteht.
Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass Polyketone, die in der Regel nur bei Temperaturen von deutlich über 0°C zum Einsatz kommen, auch bei stark negativen Temperaturen von unter -40°C und besonders unter -100°C ihre ausgezeichnete Eigenschaften, wie ein exzellentes Rückstell- und Energieaufnahmevermögen, eine gute Dimensionsstabilität, eine hervorragende Hydrolyse und Chemikalienbeständigkeit, eine besonders gute Abriebfestigkeit und zudem sehr gute thermomechanische Eigenschaften beibehalten. Weiters wurde daher die Eignung der Polyketone (PK) bei kryogenen Temperaturen unter Verwendung von flüssigen Stickstoff mit einer Temperatur von -196°C erprobt und dessen ausgezeichnete Abdeckung der Anforderungen an einen Dichtwerkstoff für kryogene Ventile erkannt. Allen voran sind vor allem der Abrieb und die Kälteflexibilität als herausragend aufgefunden worden. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche näher definiert:
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ventildichtung im Ventilsitz oder am Schließelement angeordnet ist.
Um die Dichtheit des Ventils weiter zu verbessern, ist vorgesehen, dass die Ventildichtung und/oder der Ventilsitz eine maximale Rautiefe Rzmax von kleiner gleich 3,6 μηι aufweisen.
Um eine vorteilhafte Auflage der Ventildichtung auf dem Ventilsitz bereit zu stellen, ist vorgesehen, dass die Abweichung der Konzentrizität zwischen Ventilsitz und Ventildichtung kleiner gleich 0,8 mm ist.
Weiters ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Druckbereich des Ventils zwischen 0 und 100 bar des im Strömungskanals fließenden Mediums liegt.
Vorteilhafte Anwendungen sehen vor, dass das Ventil als Überdruckventil oder als Rückschlagventil oder als händisch betätigtes Ventil oder als Magnetventil ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung von einem Polyketon als Werkstoff einer Ventildichtung eines kryogenen Ventils, wobei das in dem Ventil strömende Medium ein kryogenes Medium ist und eine Temperatur von kleiner -40°C, vorzugsweise unter -100°C, besonders bevorzugt unter -150°C, aufweist und vorzugsweise flüssiger oder gasförmiger Stickstoff oder flüssiger oder gasförmiger Sauerstoff oder flüssiger oder gasförmiger Wasserstoff oder flüssiges oder gasförmiges Erdgas oder flüssiges oder gasförmiges Methan oder flüssiges oder gasförmiges Kohlenmonoxid oder flüssiges oder gasförmiges Kohlendioxid ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften, aber nicht einschränkend zu verstehenden, Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben: Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils in der Ausbildung als automatisches Magnetventil, Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils in der Ausbildung als händisch betätigtes Ventil und Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, das als Überdruckventil ausgebildet ist.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils 10 dargestellt, das als automatisches Magnetventil ausgebildet ist. Das Ventil 10 umfasst ein Ventilgehäuse 1 1 , in dem ein Strömungskanal 1 ausgebildet ist. Der Strömungskanal 1 erstreckt sich von einem Ende des Gehäuses 1 1 über einen Ventilsitz 2 hinweg zum anderen Ende des Gehäuses 1 1 . Im Strömungskanal 1 kann ein Medium in das Gehäuse 1 1 des Ventils 10 eintreten und über den Ventilssitz 2 weiter im Strömungskanal 1 aus dem Gehäuse 1 1 des Ventils 10 wieder austreten. Im Bereich des Ventilsitzes 2 ist ein Schließelement 3 angeordnet, das linear im Strömungskanal 1 relativ zum Ventilsitz 2 verstellbar ist. Durch das Schließelement 3 ist ein definierter Strömungsquerschnitt für das im Strömungskanal 1 strömende Medium zwischen Ventilsitz und Schließelement freigebbar, sodass die Strömungsmenge des Mediums, die durch das Ventil 10 durchtritt, einstellbar ist. An dem Schließelement 3 ist zwischen dem Ventilsitz 2 und dem Schließelement 3 eine Ventildichtung 5 angeordnet, die im geschlossenen Zustand des Ventils 10 den Strömungskanal 1 zwischen Ventilsitz 2 und Schließelement 3 abdichtet. Die Ventildichtung 5 besteht aus einem Polyketon. Beispielhaft wurde bei dieser Ausführungsform das Polyketon Sustakon der Firma Röchling Sustaplast SE &Co. KG verwendet.
Das in Fig. 1 dargestellte Ventil 10 ist für eine kryogene Anwendung ausgebildet, wobei bei kryogenen Ventilen das im Strömungskanal 1 fließende Medium eine Temperatur von unter -40°C, vorzugsweise unter -100°C, und besonders bevorzugt unter -150 °C, aufweist. Das im Strömungskanal 1 fließende Medium ist jedes kryogene Medium, wobei bevorzugt flüssiger Stickstoff bei einer Temperatur von unter -196°C, flüssiger oder gasförmiger Stickstoff oder flüssiger oder gasförmiger Sauerstoff oder flüssiger oder gasförmiger Wasserstoff oder flüssiges oder gasförmiges Erdgas oder flüssiges oder gasförmiges Methan oder flüssiges oder gasförmiges Kohlenmonoxid oder flüssiges oder gasförmiges Kohlendioxid. Die bei diesen im Strömungskanal 1 strömenden Medien auftretende Temperatur kann abhängig vom Druck deutlich unter -150°C liegen, wodurch auch die Bauteile des Ventils, insbesondere der Ventilsitz 2 und die Ventildichtung 5, auf unter -150°C abgekühlt werden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Ventildichtung 5 aus einem Polyketon ein exzellentes Rückstell- und Energieaufnahmevermögen, eine gute Dimensionsstabilität, eine hervorragende Hydrolyse- und Chemikalienbeständigkeit, eine besonders gute Abriebsfestigkeit und zudem sehr gute thermomechanische Eigenschaften aufweist.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils 10 in einer Schnittansicht dargestellt. Das Ventil 10 ist als händisch betätigtes Ventil ausgebildet und weist einen in einem Gehäuse 1 1 führenden im Querschnitt kreisförmigen Strömungskanal 1 auf. In dem Strömungskanal 1 ist gegenüber einem Ventilsitz 2 ein verstellbares Schließelement 3 angeordnet, mit dem der Durchfluss eines in dem Strömungskanal 1 fließenden Mediums regulierbar bzw. verstellbar ist. An dem Schließelement 3 ist wiederum eine Ventildichtung 5 angeordnet, die aus einem Polyketon besteht. Die Verstellung des Schließelements 3 erfolgt bei dieser Ausführungsform des Ventils 10 durch ein nicht dargestelltes Handrad oder andere Verstellmechanismen, welche das Schließelement 3 in Richtung des Ventilsitzes 2 verstellt. Beispielhaft wurde bei dieser Ausführungsform für die Ventildichtung 5 das Polyketon Riamaxx HR 00 St natur der Firma RiaPolymers GmbH verwendet.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils 10, das als Überdruckventil ausgebildet ist, dargestellt. Das Ventil 10 umfasst ein Schließelement 3, das durch eine Feder 13 in Richtung des Ventilsitzes 2 gedrückt wird. Das Schließelement 3 weist an dem dem Ventilsitz 2 zugewandten Ende eine Ventildichtung 5 auf, die den Strömungskanal 1 gegenüber der Umgebung des Ventils 10 abdichtet. Steigt der Druck im Strömungskanal 1 an, wird die Feder komprimiert und der Strömungsweg des im Strömungskanal 1 anstehenden Mediums freigegeben, wodurch der Druck im Strömungskanal 1 reduziert wird. Beispielhaft wurde bei dieser Ausführungsform für die Ventildichtung 5 das Polyketon Riamaxx HR 00 Z natur der Firma RiaPolymers GmbH verwendet.
Alternativ zu den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausbildungen des Ventils 10 können auch andere Ausbildungen wie Rückschlagventile oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Ventile vorgesehen sein.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ventile 10 weisen vorteilhaft eine geringe Abweichung der Konzentrizität zwischen dem Ventilsitz 2 und der Ventildichtung 5 auf, die vorzugsweise kleiner gleich 0,8 mm ist. Wie zur ersten Ausführungsform der Fig. 1 gezeigt, können auch die Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 und auch der nicht dargestellten Ausführungsformen eine Oberflächenrauhigkeit mit einer maximalen Rautiefe Rzmax von 3,6 μηι aufweisen, durch die die Dichtheit des Ventils 10 im geschlossenem Zustand weiter erhöht wird.
Der Einsatzbereich der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten bzw. der erfindungsgemäßen Ventile 10 liegt im Bereich zwischen 0 bis 100 bar, wobei auch darüber hinausgehende Drücke im Strömungskanal 1 in den erfindungsgemäßen Ventilen 10 anliegen können.
Für die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 wurden Ventildichtungen 5 aus den Polyketonen Sustakon der Firma Röchling Sustaplast SE &Co. KG, Riamaxx HR 00 Z natur der Firma RiaPolymers GmbH, Riamaxx HR 00 St natur der Firma RiaPolymers GmbH und Riamaxx HR P18 AR der Firma RiaPolymers GmbH erprobt, erfindungsgemäße Ventildichtungen 5 können aber auch optional aus jedem anderen aus dem Stand der Technik bekannten Polyketon mit oder ohne Zusatzstoffen bestehen.

Claims

Patentansprüche
1 . Ventil (10) zum Einsatz im Tieftemperaturbereich, insbesondere unter -40°C, vorzugsweise unter -100°C, besonders bevorzugt unter -150°C, umfassend einen Strömungskanal (1 ) und ein in dem Strömungskanal (1 ) entgegen einem Ventilsitz (2) relativ verstellbares Schließelement (3), mit dem ein definierter Strömungsquerschnitt für das im Strömungskanal (1 ) strömende Medium freigebbar ist, wobei das Ventil (10) eine Ventildichtung (5) umfasst, die im geschlossenen Zustand des Ventils (10) den Strömungskanal (1 ) zwischen Ventilsitz (2) und Schließelement (3) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildichtung (5) aus einem Polyketon besteht.
2. Ventil (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildichtung (5) im Ventilsitz (2) oder am Schließelement (3) angeordnet ist.
3. Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildichtung (5) und/oder der Ventilsitz (2) eine maximale Rautiefe Rzmax von kleiner gleich 3,6 μηι aufweisen.
4. Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Konzentrizitat zwischen Ventilsitz (2) und Ventildichtung (5) kleiner gleich 0,8 mm ist.
5. Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbereich des Ventils (10) zwischen 0 und 100 bar des im Strömungskanals (1 ) fließenden Mediums liegt.
6. Ventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) als Überdruckventil oder als Rückschlagventil oder als händisch betätigtes Ventil oder als Magnetventil ausgebildet ist.
7. Verwendung von einem Polyketon als Werkstoff einer Ventildichtung (5), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das in dem Ventil (10) strömende Medium ein kryogenes Medium ist und eine Temperatur von kleiner -40°C, vorzugsweise unter -100°C, besonders bevorzugt unter -150°C aufweist und vorzugsweise flüssiger oder gasförmiger Stickstoff oder flüssiger oder gasförmiger Sauerstoff oder flüssiger oder gasförmiger Wasserstoff oder flüssiges oder gasförmiges Erdgas oder flüssiges oder gasförmiges Methan oder flüssiges oder gasförmiges Kohlenmonoxid oder flüssiges oder gasförmiges Kohlendioxid ist.
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