CN102414429B - 两相氢泵及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氢泵，其包含泵壳体和加热机构。泵壳体通过壳体入口接收液态氢。加热机构将液态氢汽化为气态氢。泵壳体在气态氢的预定压力水平下通过壳体出口释放气态氢。例如当泵壳体中的液态氢降到低于液耗水平时，泵壳体关闭壳体出口。泵壳体打开并且额外的液态氢通过壳体入口进入泵壳体。

Description

两相氢泵及方法

技术领域

本发明总体上涉及燃料系统，并且更具体涉及用于将液态氢转化为气态氢的系统和方法。

背景技术

就减少排放且提高燃料效率而言，氢提供了多个优于石油基燃料的优点。例如，当氢用于燃料电池以产生用于驱动电动机的电力时，副产物是水。当氢在例如涡轮发动机或者活塞式发动机的内燃发动机中燃烧时，与由石油基燃料的燃烧引起的排放相比，其废气排放相对低。氢作为燃料的另一个优点是与例如喷射燃料的石油基燃料相比通常每质量的能量密度(energy-per-mass density)较高。例如，氢含有的每单位质量能量大致是石油基燃料的三倍。

为了最小化所需的存储体积，氢可以以液态形式有效地存储。尽管以液态形式存储氢需要将温度维持在低于大致-420℉，但是与将要存储气态形式氢的大量槽相比，可以存储液态氢的低压最小化交通工具的总重量。

上述与氢有关的优点可以应用于某些交通工具。例如，高海拔长耐久性(high-altitude long-endurance)(HALE)飞机可以得益于氢基推进系统。HALE飞机可以设计用于在高达65000英尺的海拔工作，并且可以在空中停留多达十四天或者更长时间。然而，各种其他交通工具和系统可以得益于氢作为石油基燃料的替换。

为了在燃料电池或者内燃发动机中使用氢，氢必须处于气态状态。此外，需要增加气态氢的压力，从而适合燃料电池或者内燃发动机的操作要求。用于在适合的温度和压力下将液态氢转化为气态氢的现有技术方法包括使用热交换器和机械泵。热交换器可以用于将液态氢汽化为气态氢用作燃料。不幸地是，热交换器通常体积庞大。

在例如HALE飞机的长耐久性应用中，机械泵必须能够连续工作很长时间。液态氢的极端低温和氢的低粘稠度限制了机械泵的效率和可靠性。更具体地说，因为极端低温，机械泵暴露于液态氢的部分可以经历显著的热收缩。为了调和机械泵的各部分之间热收缩差异，必须设计且制造具有相对大公差的泵配合构件(mating components)。然而，大的公差可以减小泵效率。

此外，机械泵通常包括需要润滑从而最小化摩擦且防止磨损的旋转构件。不幸地是，液态氢的相对低的粘稠度最小化氢充当润滑剂的能力。此外，液态氢的低温最小化可用于该泵的适合润滑剂(例如，Teflon(特氟纶))的可利用数目。

能够看出，本领域中存在对于用于在适当的工作温度和压力下将液态氢转化为气态氢的系统和方法的需要。在这点上，本领域中存在对于用于将液态氢转化为气态氢的系统和方法的需要，其需要活动部件的数目最少，并且其中气态氢可以以可靠且有效的方式连续产生。

发明内容

与氢燃料有关的上述需要由本公开具体解决，在一个实施例中，本公开提供了包含泵壳体和加热机构的氢泵。泵壳体被配置成例如通过壳体入口接收液态氢，例如来自供给槽的液态氢。该加热机构被配置成汽化泵壳体内含有的液态氢，从而产生气态氢。

此外，该加热机构被配置成增加气态氢的压力，以便气态氢可以在达到气态氢的预定压力时从壳体出口连续释放。该气态氢可以从壳体出口连续释放，直到泵壳体中的液态氢降低到预定水平之下，这时壳体出口可以关闭。然后，剩余的气态氢可以从泵壳体排出，从而便于在新的周期开始接收泵壳体内部额外的液态氢。

在一个实施例中，氢泵可以这样配置，在关闭壳体出口之后且排出剩余液态氢之前，壳体入口暂时打开(即，持续预定时段)。以这个方式，泵壳体内部较高压力的气态氢通过壳体入口流出泵壳体，并且与液态氢混合，从而减少气态氢的温度。

氢泵可以包括相互连接泵壳体和供给槽的中间部分。中间部分可以含有液态氢，并且可以为气态氢与液态氢混合提供位置。随着气态氢与液态氢的混合，泵壳体中剩余的气态氢可以通过排出管线排出，以便减少泵壳体内部的压力。剩余气态氢的排出允许额外的液态氢在新的周期开始时流入壳体入口。排出管线可以选择性地通过中间部分，以便在剩余气态氢传送到供给槽之前提取排出管线中剩余的气态氢的热量。从剩余气态氢提取热量减少了汽化泵壳体中液态氢所需热量的量。

本公开的技术效益包括将氢的汽化和抽运合并为单个无源闭合系统，而不需要机械泵或者常规的热交换器。无源氢泵提供用于在想要的工作温度和压力下以有效且可靠的方式产生气态氢的装置。

已经讨论的特征、功能和优点在本公开的各个实施例中能够单独获得，或者可以在其他实施例中合并，进一步的细节能够参考下面的下列描述和附图。

一种氢泵，包含：

泵壳体，其被配置成通过壳体入口接收液态氢；和

加热机构，其被配置成将所述液态氢汽化为气态氢并且增加其在所述泵壳体内部的压力；

其中：

所述泵壳体被配置成当达到所述气态氢的预定压力时通过壳体出口释放所述气态氢；

所述泵壳体被配置成关闭所述壳体出口并且从所述泵壳体排出剩余气态氢，从而允许额外的液态氢通过所述壳体入口进入所述泵壳体。

这种氢泵进一步地包含：

供给槽，该供给槽连接到所述壳体入口，并且被配置成存储所述液态氢。

这种氢泵进一步地包含：

入口阀，该入口阀耦合到所述壳体入口，并且操作打开以便在所述泵壳体接收所述液态氢，所述入口阀响应于所述液态氢到达所述泵壳体中液位水平而操作关闭。

在这种氢泵中：

所述入口阀响应于所述液态氢降到低于液耗水平而操作打开。

这种氢泵进一步地包含：

排出管线，该排出管线在所述泵壳体和所述供给槽之间延伸，用于从所述泵壳体排出剩余气态氢。

一种无源氢泵，包含：

供给槽，其被配置用于存储液态氢；

泵壳体，其被连接到所述供给槽，并且被配置用于从所述供给槽接收所述液态氢；

入口阀，其被插入所述供给槽和所述泵壳体之间；

加热机构，其被配置用于在所述泵壳体内部将所述液态氢汽化为气态氢并且增加其压力；

流量控制阀，其被配置为当达到所述泵壳体内部的预定压力时从所述泵壳体释放所述气态氢，所述流量控制阀被配置成当所述泵壳体中的液态氢降到低于液耗水平时关闭；

排出管线，其在所述供给槽和所述泵壳体之间延伸；和

排出阀，其被安装在所述排出管线中，并且被配置成从所述泵壳体排出剩余气态氢到所述供给槽，从而减少所述泵壳体内部的压力，以便液态氢从所述供给槽流入所述泵壳体。

这种氢泵进一步地包含：

耦合到所述泵壳体的液位传感器和液耗传感器的至少一个，并且被配置成感测所述泵壳体中所述液态氢的液位水平。

这种氢泵进一步地包含：

中间部分，其被插入所述入口阀和所述供给槽之间；

其中所述泵壳体被配置成当所述泵壳体中的液态氢降到低于所述液耗水平时打开所述壳体入口，以便所述泵壳体中的气态氢流入所述中间部分，并且与所述液态氢混合。

这种氢泵进一步地包含：

扩散器，被配置成减小气态氢从所述排出管线排放到所述供给槽的速率。

一种抽运氢的方法，包含的步骤有：

在泵壳体中接收液态氢；

在所述泵壳体中将所述液态氢汽化为气态氢；

当达到预定压力时，从所述泵壳体释放所述气态氢；和

从所述泵壳体排出剩余气态氢，以便额外的液态氢流入所述泵壳体。

这种方法进一步包含的步骤有：

在汽化所述液态氢之前封闭所述泵壳体。

这种方法进一步包含的步骤有：

加热所述泵壳体内部的所述液态氢，从而增加其内部所述气态氢的压力。

在这种方法中，所述液态氢源于供给槽，排出所述泵壳体中所述剩余气态氢的步骤包含：

排出所述剩余气态氢到供给槽，从而减少所述泵壳体内部的压力，以便所述额外的液态氢流入所述泵壳体。

在这种方法中，所述排出所述剩余气态氢的步骤包含在从所述泵壳体排出剩余气态氢之前，移除所述气态氢中夹带的液态氢小液滴。

在这种方法中，所述泵壳体包括将所述供给槽流体耦合到壳体入口的中间部分，所述中间部分被配置成含有液态氢，所述方法进一步包含的步骤有：

当所述泵壳体中液态氢降到低于液耗水平时打开所述壳体入口，以便所述泵壳体中的气态氢流入所述中间部分，并且与所述中间部分中的液态氢混合。

附图说明

在参考附图时，本公开的这些及其他特征会变得显而易见，其中所有相同的数字指的是相同的部件，并且其中：

图1是两相氢泵在周期开始的示意图，并且示出通过入口阀流体耦合到泵壳体的供给槽和中间部分；

图2是氢泵的示意图，其中入口阀打开，从而允许泵壳体接收通过壳体入口的液态氢；

图3是氢泵的示意图，其中泵壳体充满液态氢，并且为了在流量控制阀释放，加热元件将液态氢汽化为气态氢；

图4是氢泵的示意图，其中泵壳体液态氢耗尽并且入口阀打开从而允许气态氢与液态氢在中间部分混合；

图5是氢泵的示意图，其中为了减少泵壳体内部的压力，使得液态氢可以流入该泵壳体，排出阀打开，允许剩余的气态氢从泵壳体排出；

图6是氢泵的示意图，其中泵壳体充满液态氢，并且入口阀和排出阀关闭，从而便于在另一个周期开始时液态氢汽化为气态氢；

图7是从液态氢产生气态氢的方法；

图8是对于氢泵的实施例的氢气流速随时间的曲线图；和

图9是在可以包括氢泵的交通工具的实施例中飞机的透视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中附图展示只是为了示出本公开优选及各种实施例目的，而不是为了限制本公开的目的，图1中示出如可以用于将液态氢12转化为气态氢14的氢泵10的示意图。如上所述，气态氢14可以用作燃料，例如如下面所提到的用于内燃发动机、燃料电池或者用于多种其他应用，而不限制。

就广义来说，氢泵10包含泵壳体36和加热机构54。泵壳体36可以配置用于通过壳体入口38接收液态氢12。更具体地说，液态氢12可以存储在供给槽20中，例如适合于将氢维持在低于大约-420℉的温度的低温供给槽20。在这点上，供给槽20可以配置作为采用有源和/或无源保温体的低温供给槽20，以便将氢维持在液态状态。然而，供给槽20可以采用本领域中任何用于将氢维持在液态状态的已知技术。尽管供应槽20通常示出为球形形状的容器，但是其可以以任何适当尺寸、形状和构造提供，而不限制。

在将液态氢12接收进入泵壳体36时，加热机构54可以被配置成将泵壳体中的液态氢12汽化为气态氢14。此外，加热机构54可以被配置成将泵壳体36中气态氢14的压力增加到适合由氢泵10下游的构件使用的水平。例如，对于内燃发动机，氢泵10可以被配置成产生在大约-10℉到250℉温度范围内且在大约60到100psia(磅/平方英寸)压力范围内的气态氢14。然而，氢泵10可以被配置成提供任何温度和压力的气态氢14用于广泛应用。

仍旧参考图1，示出供给槽20由供给管线26流体耦合泵壳体36。该泵壳体36可以包括壳体入口38，其中入口阀30可以流体耦合到给壳体入口38。入口阀30可以操作打开并关闭，从而允许液态氢12进入泵壳体36，和/或允许气态氢14流出泵壳体36，以便气态氢14可以以下面将更详细描述的方式与液态氢12混合。

简要参考图4，氢泵10可以进一步包括中间部分28，中间部分28被插入入口阀30和供给槽20之间的供给管线26。如下面将更详细描述的，中间部分28可以提供这样的位置，为了降低气态氢14的温度，来自泵壳体36的气态氢14可以在该位置与液态氢12混合。此外，中间部分28可以提供这样的位置，含有剩余气态氢34的排出管线74通过该位置可以便于在将剩余气态氢34传送到供给槽20之前从剩余气态氢34提取热量，也如下将述。

有利地是，如这里所公开的氢泵10提供了无源闭合系统，该系统合并汽化液态氢12和连续抽运氢的需要，以便可以为下游使用连续传送气态氢14，下游使用例如内燃发动机、燃料电池或者任何其他系统、环境、应用、组装、结构或者交通工具，而不限制于此。例如，氢泵10可以被包含到多种应用和产业，包括但不限于精炼厂操作(refineryoperation)、食品加工、发电厂冷却和核反应堆设施(nuclear reactorfacilities)。此外，氢泵10可以并入多种制造操作和其他过程，包括而不限于热处理、焊接和化学合成。

仍旧参考图1，在一个实施例中，泵壳体36可以包含水平部分42，该水平部分42可以与竖直部分44相邻。水平部分42可以配置用于含有或者放置从供给槽20接收的液态氢12，并且以便液态氢12可以停留(settle)在水平部分42。在这点上，水平部分42可以被配置成通过壳体入口38接收液态氢12。水平部分42可以以任何尺寸、形状或者构造提供用于接收液态氢12。此外，使用加热机构54热量可以应用到在水平部分42的液态氢12。

竖直部分44可以从水平部分42向上延伸。尽管竖直部分可以置于相对于水平部分42的任何位置，但是如图1所示，竖直部分44可以位于水平部分42的一个相对末端。此外，竖直部分44可以以任何尺寸或者形状配置，并且不限于图中所示的那些。竖直部分44可以提供位置，在该位置气态氢14可以在泵壳体36内部累积。

尽管以L形构造示出，但是泵壳体36可以以任何便于接收液态氢12和加热液态氢12的尺寸、形状和构造提供。此外，泵壳体36可以以任何为了从泵壳体36离开便于气态氢14的汽化和累积的构造提供。在这点上，泵壳体36可以被配置成当泵壳体36内部的气态氢14到达预定压力时，通过壳体出口40释放气态氢14。当液态氢12降到低于预定水平时，泵壳体36的壳体出口40可以被配置成关闭。此外，如图4所示，在关闭壳体出口40之后，泵壳体36可以操作排出留在泵壳体36中的剩余气态氢34，以便减少泵壳体36内部的压力。如图5所示且如下将更详细描述的，用这个方式，额外的液态氢12可以通过壳体入口38进入泵壳体36。

氢泵10可以包括流量控制阀60，该流量控制阀60可以流体耦合到壳体出口40或者集成/结合到壳体出口40。流量控制阀60可以包括流量控制阀入口64和流量控制阀出口66。流量控制阀入口64可以流体耦合到壳体出口40。流量控制阀出口66可以经由传送管(未示出)流体耦合到下游构件，以便下游构件可以接收来自氢泵10的气态氢14。该流量控制阀60可以以任何合适构造提供，例如止回阀、压力调节器58或者任何调节壳体出口40打开和关闭的其他适合的阀装置或机构。流量控制阀60可以包括控制阀致动器(control valve actuator)62，其可以被配置成打开流量控制阀60，从而考虑在达到泵壳体36内部的气态氢14的预定压力时从泵壳体36释放气态氢14。此外，当气态氢14的压力降到低于预定压力时，和/或当泵壳体36中的液态氢12的水平降到低于例如图4中所示液耗水平53的预定水平时，流量控制阀60可以被配置成关闭。

在一个实施例中，可以相应于泵壳体36内部液态氢12的感测水平调节流量控制阀60。例如，流量控制阀60或者控制阀致动器62可以连通耦合一个或更多水平传感器48，其可以安装在泵壳体36的内部或者结合到泵壳体36，例如如图1所示的水平部分42中。在这点上，泵壳体36可以包括一个或更多液位传感器(fill sensor)50和/或一个或更多液耗传感器(depletion sensor)52。如图1所示，该液位传感器50和液耗传感器52可以连通耦合流量控制阀60、入口阀30和/或排出阀70。液位传感器50和液耗传感器52可以提供作为被配置成感测液态氢12的水平的任何适当的机构。例如，液位传感器50和/或液耗传感器52可以提供作为光学传感器、超声波传感器、或者任何其他适当的位传感装置。

在一个实施例中，当液态氢12到达泵壳体36的水平部分42内部的液位水平(fill level)51时，液位传感器50可以感测。该液位传感器50可以产生达到液位水平51的信号。这些信号可以被提供到流量控制阀60、入口阀30、排出阀70和/或到氢泵10的任何其他操作机构。当液态氢12降到低于指示泵壳体36是空的液耗水平53时，液耗传感器52可以操作以感测和/或指示。

氢泵10可以包括传感线68，传感线68可以在流量控制阀60和泵壳体36之间延伸。传感线68可以被配置成提供表示在壳体出口40气态氢14的背压的信号。背压可以由任何适合的传感机构感测，例如由一个或更多压力转换器(未示出)。泵壳体36内部，更具体地是泵壳体36的竖直部分44内部的气态氢14的积累可以被感测并且经由传感线68传递到流量控制阀60，以便流量控制阀60可以由此调节。例如，该流量控制阀60可以打开从而在泵壳体36内部达到预定压力时释放气态氢14。

在一个实施例中，该流量控制阀60可以位于或者置于高于泵壳体36的高度和/或高于壳体出口40的高度，从而便于释放气态氢14。然而，该流量控制阀60可以位于相对于泵壳体36的任何高度。同样，供给槽20也可以置于高于壳体入口38的高度，以便便于液态氢12重力供料到泵壳体36。然而，图1-6的示意图表示氢泵10的设置，并且这些示意图将不看作限制关于氢泵10所包括的供给槽20、泵壳体36、流量控制阀60及其他构件的相对位置的替换设置。例如，供给槽20可以位于与泵壳体36相同的高度。可替换，供给槽20可以位于低于泵壳体36的高度。该氢泵10可以选择性地包括用于促使液态氢12进入泵壳体36的辅助泵。例如，氢泵10可以包括增压泵46，其可以在壳体入口38流体耦合到泵壳体36，用于增加液态氢12进入泵壳体36的流速。

仍旧参考图1，氢泵10可以包括加热机构54，加热机构54可以被配置成汽化泵壳体36中的液态氢12，从而产生气态氢14。加热机构54也可以被配置成通过连续将热量应用到液态氢12和/或到气态氢14增加泵壳体36内部气态氢14的压力。在实施例中，加热机构54可以包含围绕或者覆盖至少泵壳体36的水平部分42的外面部分放置的外表安装的加热元件。可替换或者除了外面安装设置，加热机构54可以包含一个或更多加热元件，这些加热元件延伸进入泵壳体36的内部，例如在一个或更多位置进入水平部分42和/或竖直部分44。

不考虑具体构造，该加热机构54可以被配置成增加液态氢12的温度。例如，加热机构54可以被配置成引起液态氢12逐渐汽化为气态氢14或者从而连续将液态氢12汽化为气态氢14。在实施例中，加热机构54可以被配置成间歇地或者周期性地加热液态氢12到引起汽化的温度。此外，加热机构54可以被配置成增加气态氢14的温度和/或压力到符合下游构件的操作要求的水平，气态氢14被传递到例如内燃发动机的下游构件。

该氢泵10可以进一步地包括排出管线74，排出管线74可以从泵壳体36延伸，从而允许排出气态氢14。在图1所示的实施例中，该排出管线74可以在泵壳体36和供给槽20之间延伸，如图4所示，用于排出剩余气态氢34到供给槽20。例如，在操作氢泵10期间的预定时间，例如当泵壳体36内部的液态氢12耗尽时，可以期望减少泵壳体36内部的压力，从而允许在另一个周期开始时额外的液态氢12流入泵壳体36。为了调节泵壳体36的排出，该排出管线74可以包括耦合到排出阀致动器72的排出阀70。排出阀致动器72可以连通地耦合液位传感器50和/或液耗传感器52，或者氢泵10的其他传感和控制元件，例如入口阀30和流量控制阀60，但不限于此。

排出阀70可以响应于接收指示泵壳体36内部的液态氢12在或者低于液耗水平53的信号操作打开。如图4所示，打开的排出阀70允许剩余的气态氢34从泵壳体36排出到例如供给槽20。与排出阀70的打开同时，入口阀30可以被打开从而便于额外的液态氢12进入泵壳体36。排出阀70可以仍旧打开，直到液态氢12到达例如如图3所示的泵壳体36内部液位水平51的预定水平。在到达如液位传感器50所感测的液位水平51时，排出阀70、入口阀30和流量控制阀60可以被关闭，以便封闭泵壳体36从而允许汽化液态氢12和产生气态氢14。可选择的，入口阀30可以在打开入口阀30之前被打开预定时段，从而允许气态氢14流出泵壳体36，其中气态氢14可以在中间部分28或者在供给管线26与液态氢12混合。气态氢14与液态氢12的混合可以减少气态氢14的温度。

参考图4，氢泵10可以包括热量提取机构76，该热量提取机构76被配置成自从泵壳体36排出的剩余气态氢34提取热量。从剩余气态氢34提取热量减少了汽化泵壳体36中液态氢12所需热量的量。在一个实施例中，热量提取机构76可以包含一部分排出管线74，其贯穿可以填充液态氢12的中间部分28。中间部分28中排出管线74的部分可以形成或成形弯曲路径，以便最大化暴露于液态氢12的排出管线74的表面积的值。然而，热量提取机构76不限于排出管线74通过中间部分28，而是可以包含多种用于从排出管线74中的剩余气态氢34提取热量的替换构造。

参考图1，在一个实施例中，氢泵10可以进一步地包括凝聚式过滤器(coalescing filter)56，从而防止在排出管线74的内部形成液态氢12的小液滴。这些小液滴可以随气态氢14带入泵壳体36内部。如果留下未过滤，液态氢12小液滴可以陷入排出管线74内，这可以导致排出管线74堵塞。该凝聚式过滤器56可以安装在排出管线74的入口，其可以延伸进入如图1-6所述的泵壳体36。凝聚式过滤器56可以以任何适当的构造提供，其防止液态氢12小液滴进入排出管线74或者排出管线74内液态氢12小液滴的形成。例如，该凝聚式过滤器56可以包含这样的设置，其迫使剩余气体进入具有多个转弯的弯曲路径，从而在进入排出管线46之前将液滴从气态氢14中分离。

在氢泵10的一个实施例中，该排出管线74可以在供给槽20终止，其可以包括扩散器24，从而减速气态氢14离开排出管线74的速率。在这点上，扩散器24可以防止或者最小化液态氢12的表面的干扰，该干扰可以引起供给槽20内部的喷溅，并且可以引起供给槽20的空部容积/气隙(ullage)22内部压力降低和/或扩散器24的堵塞。该扩散器24可以通过防止直接排放到供给槽20中液态氢12的表面上防止这种喷溅。

现在经参考图7的流程图和图1-6的示意图描述氢泵10的操作。图7说明汽化液态氢12从而形成气态氢14的方法。在示意图中，该液态氢12表示为占据氢泵10的液体部分16。该气态氢14表示为占据氢泵10的气态部分18。方法包含通过氢泵10以无源方式抽运液态氢12，而不利用辅助泵，尽管可以包括辅助泵从而提高液态氢12的流速。该方法的步骤150可以包含在操作周期开始时通过打开连接供给槽20和泵壳体36的供给管线26中的入口阀接收泵壳体36中的液态氢12。

如图1所示，供给槽20可以位于便于液态氢从供给槽20进入泵壳体36的重力送料的高度。然而，作为替换或者除了重力送料设置，该液态氢12可以使用例如机械泵的单独的抽运机构提供到泵壳体36。来自供给槽20的液态氢12可以流过供给管线26，并且可以通过和/或填充中间部分28。从图1能够看出，步骤150中入口阀30可以最初处于关闭情况。入口阀30可以由图1所示的入口阀致动器32调节，并且该致动器32可以连通地耦合液位传感器50和/或液耗传感器52和/或耦合例如流量控制阀60和排出阀70的其他构件。

参考图2，在步骤152中，入口阀致动器32可以打开入口阀30，允许液态氢12从供给槽20流出并且流入中间部分28，以便在泵壳体36内部接收液态氢12。入口阀30可以维持在打开位置，直到液态氢12在泵壳体36内部到达预定水平，例如图2中所示的液位水平51。液位水平51可以由液位传感器50感测或者由另一个适当的传感机构感测。

参考图3，步骤154可以包含在液态氢12到达例如液位水平51的预定水平时关闭入口阀30。优选封闭泵壳体36，从而大体上消除泵壳体36中的出口。例如，泵壳体36可以通过将入口阀30、流量控制阀60和排出阀70维持在关闭位置封闭。步骤156可以包含使用加热机构54将热量应用到泵壳体36内部的液态氢12，从而增加液态氢12的温度，以便液态氢12汽化并且产生气态氢14。封闭泵壳体36可以在液态氢12汽化为气态氢14之前实行，从而防止气态氢14从泵壳体36排放或者漏出。加热液态氢12可以包含将热量应用到水平部分42的外部的和/或应用到竖直部分44。此外，加热液态氢12可以包含通过任何适合的途径直接或间接将热量施加到液态氢12，这些途径包括但不限于围绕泵壳体36的外部的延伸的加热元件，和/或通过在水平部分42内部安装一个或更多探针，以便该探针延伸进入液态氢12。

从图3能够看出，泵壳体36可以在水平部分42中含有液态氢12并且在竖直部分44中含有气态氢14，尽管气态氢14也可以填充水平部分42的一部分，反之亦然。在一个实施例中，泵壳体36可以形成L形构造，这可以便于气态氢14在竖直部分44内均匀累积，并且这也可以便于加压的气态氢14通过壳体出口40和/或流量控制阀60均匀流出竖直部分44。由于液态氢12进入泵壳体36，水平部分42的横向取向可以便于液态氢12的安放。在这点上，水平部分42可以包括一个或更多壳体入口38，并且不限于含有单个壳体入口38的示出的具体构造。

仍旧参考图3，步骤158可以包含当泵壳体36内部达到气态氢14的预定压力时打开流量控制阀60。当打开流量控制阀60时，气态氢14可以从泵壳体36释放，以便传递到下游构件。气态氢14可以由于加热机构54对其加热而连续产生。在这点上，产生在预定压力水平的气态氢14可以继续将流量控制阀60维持在与维持气态氢14的预定压力相对应的打开位置。

加热液态氢122可以是连续的、间歇的和/或以所需要为基础，用于产生气态氢14。此外，根据气态氢14可以传递到的下游系统的要求，可以将热量应用于液态氢12和/或应用于气态氢14。在一个实施例中，当泵壳体36内部的液态氢12降到低于如由图1-6所示的液耗传感器52可以感测的预定水平时，该加热可以不继续。

参考图4，当液态氢12降到低于液耗水平53时，步骤160包含关闭流量控制阀60。泵壳体36可以在水平部分42和/或竖直部分44中含有剩余气态氢34。步骤162可以包含打开入口阀30，其中泵壳体36中相对较高的压力导致剩余气态氢34或者气态氢14通过壳体入口38流回并且进入供给管线26和/或中间部分28。当通过壳体入口38流回时，气态氢14遇到液态氢12，并且可以在步骤164与液态氢12混合。这种混合可以将气态氢14的温度减少到大体等于液态氢12的温度。

参考图5，步骤166包含打开排出阀70，从而排出保留在泵壳体36中的剩余气态氢34，从而减小其内部的压力。排出管线74可以将泵壳体36连接到供给槽20，以便当排出阀70打开时，剩余气态氢34流过排出管线74，并且排放到供给槽20。在步骤168中，可以通过使排出管线74的一部分通过中间部分28，从排出管线74中的气态氢14提取热量。然而，使用替换设置，可以从剩余气态氢34提取热量。例如，排出管线74可以通过氢泵10含有液态氢12的任何部分，以便在排放其进入供给槽20之前，提取剩余气态氢34内含有的热量。

仍旧参考图5，该方法可以进一步包含在气态氢14进入排出管线74之前，移除在泵壳体36中的剩余气态氢34中夹带的液滴的步骤。在这点上，可以采用如上所述的凝聚式过滤器56以防止液滴进入排出管线74，否则这可以堵塞排出管线74。从图5能够看出，当排出阀70打开时，入口阀30可以打开，以便额外的液态氢12可以流入泵壳体36，而同时排出气态氢14到供给槽20。

参考图6，步骤170可以包含在新的周期开始时用液态氢12填充泵壳体36。液态氢12可以流入壳体入口38，并且取代剩余气态氢34或者气态氢14，迫使将自泵壳体36排出的气态氢14通过排出管线74。当入口阀30在打开位置时，液态氢12可以流入泵壳体36。入口阀30可以仍然打开，直到泵壳体36内部液态氢12到达预定水平，例如由液位传感器50指示的液位水平51。泵壳体36可以通过关闭入口阀30、排出阀70和流量控制阀60封闭，而加热机构54将热量应用到液态氢12。上述描述步骤可以连续重复，直到供给槽20内的液态氢12耗尽或者可以在较早时间终止该操作。

参考图8，示出如氢泵10的实施例的测试期间所测的气态氢14的流速对时间的曲线图。该曲线图包括说明气态氢14的预测流速(即，预测的ave.mdot)的水平线。在大约120秒的操作时间中，所测试的氢泵10的实施例产生大约每小时8-14磅氢的质量流量。曲线图的左手侧上的曲线所示的流速的初始增大与在启动时液态氢12的热分层有关。该曲线通过蒸发掉泵壳体36内部的液态氢12表示液态氢12的汽化。由于圆柱形泵壳体36内部液态氢的减少的表面积，曲线图右手侧上的曲线示出的流速下降可以与蒸发期间泵壳体36中液态氢表面积的减少有关。

参考图9，示出可以将氢泵10包含在内的飞机100，例如高海拔长耐久性(即，HALE)飞机100。能够看出，飞机100可以包括具有机翼104和尾部106的机身102的常规设置。飞机100可以包括一个或更多推进单元108，推进单元108可以以多种构造提供，包括但不限于用于燃烧由氢泵10产生的气态氢14的涡轮设置和/或活塞设置的内燃发动机。

尽管实施例中示出且描述可以结合到图9所示的飞机100中的氢泵10，但是应该注意，氢泵10及方法可以结合到包括海上、陆地、空中和/或航天器的任何系统、子系统、组件、子组件、结构和交通工具。此外，该氢泵10可以并入任何应用，并且可以用于如上指出的任何产业、操作或者过程。有利地是，氢泵10及方法提供了用于以可靠且有效的方式汽化和抽运由任何下游构件应用的氢的无源闭合系统。

本公开附加的变形和改进对于本领域技术人员可以显而易见。因此，这里描述且示出的部件的特殊组合意图只用来表示本公开的某些实施例，并且不意图作为在本公开的精神和范围内的替换的实施例和装置的限制。

Claims (10)

1.一种氢泵，包含：

供给槽，其存储液态氢；

泵壳体，其被配置成通过壳体入口接收液态氢；和

加热机构，其包括在所述泵壳体外部的加热元件和延伸到所述液态氢内的探针中的至少一种，所述加热机构被配置成将所述液态氢汽化为气态氢并且增加其在所述泵壳体内部的压力；

其中：

所述泵壳体被配置成当达到所述气态氢的预定压力时通过壳体出口释放所述气态氢；

所述泵壳体被配置成关闭所述壳体出口并且从所述泵壳体排出剩余气态氢，从而允许额外的液态氢通过所述壳体入口进入所述泵壳体。

2.根据权利要求1所述的氢泵，其中：

所述供给槽连接到所述壳体入口。

3.根据权利要求1所述的氢泵，进一步地包含：

入口阀，该入口阀耦合到所述壳体入口，并且操作打开以便在所述泵壳体接收所述液态氢，所述入口阀响应于所述液态氢到达所述泵壳体中液位水平而操作关闭。

4.根据权利要求3所述的氢泵，其中：

所述入口阀响应于所述液态氢降到低于液耗水平而操作打开。

5.根据权利要求2所述的氢泵，进一步地包含：

排出管线，该排出管线在所述泵壳体和所述供给槽之间延伸，用于从所述泵壳体排出剩余气态氢。

6.一种抽运氢的方法，包含的步骤有：

在泵壳体中接收液态氢；

在所述泵壳体中将所述液态氢汽化为气态氢；

当达到预定压力时，从所述泵壳体释放所述气态氢；和

从所述泵壳体排出剩余气态氢，以便额外的液态氢流入所述泵壳体。

7.根据权利要求6所述的方法，

进一步包含的步骤有：在汽化所述液态氢之前封闭所述泵壳体。

8.根据权利要求6所述的方法，进一步包含的步骤有：

加热所述泵壳体内部的所述液态氢，从而增加其内部所述气态氢的压力。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述液态氢源于供给槽，排出所述泵壳体中所述剩余气态氢的步骤包含：

排出所述剩余气态氢到供给槽，从而减少所述泵壳体内部的压力，以便所述额外的液态氢流入所述泵壳体。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述排出所述剩余气态氢的步骤包含在从所述泵壳体排出剩余气态氢之前，移除所述气态氢中夹带的液态氢小液滴。