-
Die
Erfindung betrifft eine Verdrängungsmaschine,
insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes
angeordneten Kolben, wenigstens ein im Bereich des Zylinderbodens angeordnetes
Auslassventil und wenigstens ein Einlassventil.
-
Mit
einer Ausnahme – nämlich des
Verbrennungsmotors – besitzen
sämtliche
bekannten Kolbenmaschinenkonstruktionen einen für ihre Funktion nachteiligen
Schad- bzw. Totraum – im
Folgenden nurmehr als Schadraum bezeichnet. Das Ziel aller Kolbenmaschinenkonstruktionen – unabhängig davon,
ob es sich um Gaskompressoren oder Flüssiggaspumpen für tiefe
Temperaturen handelt – ist
es, den Schadraum zu minimieren. Das Schadraumvolumen wird hauptsächlich von
dem erforderlichen Abstand zwischen Kolben und Zylinderboden im
oberen Totpunkt des Kolbens sowie den Ein- und Auslassventilen bestimmt.
Während
sich der Schadraum jedoch bei Flüssiggaspumpen
und niedrigen bestimmt Drücken
bei unterkühlter
Flüssigkeit
kaum oder nur unwesentlich auswirkt, ist sein Volumen im Hochdruckbereich – hierunter
fallen insbesondere Drücke oberhalb
von 100 bar – von
größter Bedeutung.
-
Beim
Verdichten von Flüssigkeiten,
wie bspw. verflüssigten
Wasserstoff, auf Drücke
oberhalb von 100 bar können
diese nicht mehr als ganz inkompressibel angesehen werden, wodurch
sich aufgrund der Molekülreibung
die Temperatur der zu pumpenden bzw. zu verdichtenden Flüssigkeit
erhöht.
-
Zusätzlich wird
durch die zwingend notwendige Abdichtung des Kolbens im Zylinder
Wärme erzeugt,
die ebenfalls auf die zu pumpende bzw. zu verdichtende Flüssigkeit übergeht.
Erschwerend kommt ferner hinzu, dass die handelsüblichen Hubtriebwerke für den Antrieb
solcher Pumpen in ihrer Stangenkraft begrenzt sind, so dass bspw.
der Kolben einer 1000-bar-Pumpe lediglich einen vergleichsweise kleinen
Durchmesser aufweisen kann. Aufgrund des daraus resultierenden geringen
Hubvolumens kann jeweils nur eine kleine Flüssigkeitsmenge in den Zylinder
eingebracht werden, welche sich mit der aus dem vorangegangenen
Druckhub im Schadraum verbleibenden warmen Flüssigkeit – bei Verwendung von flüssigem Wasserstoff
liegt dieser streng genommen nicht als Flüssigkeit sondern als überkritisches Gas
vor – vermischt
und anwärmt.
Bei den folgenden Hubzyklen und steigendem Förderdruck werden die Druckflüssigkeit
und somit auch die im Schadraum jeweils verbleibende Flüssigkeit
zusehends wärmer.
-
Dies
hat zunächst
eine Liefergradverschlechterung zur Folge, da die beim Druckhub
verbleibende Flüssigkeit
im Schadraum bei Hubumkehr entspannt und verdampft wird, wodurch
sich im Zylinder der Siededruck der noch vorhandenen warmen Flüssigkeit
einstellt und so die Zylinderbefüllung
negativ beeinflusst wird. Kommt es zu einer weiteren Förderdrucksteigerung,
wird die Förderflüssigkeit
somit zusehends wärmer.
Nach einer Erwärmung
um ca. 13 K erreicht sie bereits den kritischen Punkt bei 33,3 K,
ab dem der Wasserstoff ausschließlich in Gasform vorliegt.
-
Da
bei Hubumkehr der Schadraum einer Flüssigwasserstoff-Pumpe nunmehr
ausschließlich mit
Wasserstoffgas gefüllt
ist, wird dieses aus dem Schadraum entspannt und in diesen wieder
verdichtet, was letztendlich einen totalen Pumpenausfall zur Folge
hat. Die bei hohem Förderdruck
erzeugte Wärme
wirkt sich nicht nur im Zylinder der Flüssigwasserstoff-Pumpe ungünstig aus,
sondern sie verursacht darüber
hinaus aufgrund der Anwärmung
des Zylinders selbst, der durch die Zulaufflüssigkeit umspült und gekühlt wird,
sehr hohe Abgasverluste. Da Wasserstoff lediglich eine sehr kleine
Verdampfungswärme
besitzt, kann die schädliche
Abgasmenge bei hohem Druck größer sein
als die Pumpenförderleistung selbst.
-
Problematisch
wird die Abgasmenge des Weiteren beim Abkühlen der Pumpe, da sämtliche druckrelevanten
Bauteile, wie bspw. der Zylinder, bei hohem Förderdruck entsprechend dicke
Wandungen aufweisen müssen.
Diese daraus resultierenden großen
Massen werden im Falle einer Flüssigwasserstoff-Pumpe
von Umgebungstemperatur auf ca. 20 K abgekühlt. Das anfallende Abgas wird
im Regelfall in den Gasraum des Flüssigwasserstoff-Vorratstanks, aus
dem der zu pumpende Flüssigwasserstoff
entnommen wird, zurückgeführt, wodurch
eine (unerwünschte)
Tankdrucksteigerung aufgrund der Wärmeeinbringung erfolgt. Da
diese Anwärmung
im Regelfall nicht erwünscht
ist, muss der Tankdruck durch aufwendige Kompressoren, Rückverflüssiger und/oder
Ableitung des Gases in die Atmosphäre erneut abgesenkt werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Pumpe
anzugeben, die die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet und deren
Totraum insbesondere so klein wie möglich ausgebildet ist.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines
Zylinderraumes angeordneten Kolben sowie ein im Bereich des Zylinderbodens
angeordnetes Auslassventil, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Zylinderboden beweglich ausgebildet ist und im Zylinderboden
wenigstens ein Auslassventil angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß vermag
nunmehr der beweglich ausgebildete Zylinderboden das Anschlagen des
Kolbens federn aufzunehmen. Somit verbleibt auch im oberen Totpunkt
des Kolbens kein (unerwünschter)
Schadraum.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pumpe, die Gegenstände der
abhängigen
Patentansprüche
darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – der Sitz
des Zylinderbodens außerhalb
der Zylinderbohrung angeordnet ist, der Zylinderboden federkraftbelastet
ausgebildet ist, wobei die Befederdung vorzugsweise durch eine Tellerfeder
realisiert wird,
- – das
Auslassventil, das Einlassventil und/oder die Abdichtung des Auslassventiles
und/oder des Einlassventils zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial
bestehen,
- – das
Auslassventil federkraftbelastet ausgebildet ist,
- – das
Einlassventil als ein stirnseitig am Kolben angeordnetes, sich selbst
im Kolben zentrierendes, federkraftbelastetes Kegelsitzventil oder Flachsitzventil
ausgebildet ist,
- – die
Pumpe innerhalb eines Vakuumgehäuses angeordnet
ist,
- – zwischen
der Pumpe und dem Vakuumgehäuse wenigstens
eine Dichtung vorgesehen ist, die den Zwischenraum zwischen der
Pumpe und dem Vakuumgehäuse
in zwei Teilräume
unterteilt, und
- – die
Teilräume über eine
Druckausgleichsleitung verbunden oder verbindbar sind.
-
Die
erfindungsgemäße Pumpe
sowie weitere Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand
des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Die
Figur zeigt eine schematisierte seitliche Schnittdarstellung durch
eine Wasserstoff-Hochdruckkolbenpumpe
für Förderdrücke bis
zu 1000 bar, die einen vergleichsweise guten Liefergrad von bis
zu 90% und mehr aufweist.
-
Die
in der Figur dargestellte Pumpe besteht im Wesentlichen aus zwei
Hauptkomponenten, nämlich
einem Vakuumgehäuse
A und der in dieses Gehäuse
eingeschobenen Pumpe, die mittels der Dichtungen B und D gegen das
Vakuumgehäuse
A abgedichtet ist.
-
Die
in der Figur dargestellte Flüssigwasserstoff-Pumpe
unterscheidet sich von den bisher bekannten Wasserstoffpumpen durch
mehrere konstruktive Merkmale. So wird der Innenraum des Vakuumgehäuses A nach
dem Einbau der Pumpe mittels der Dichtung C in zwei Räume I und II aufgeteilt. Die
Abdichtung dieser Teilräume
zur Umgebung erfolgt über
die Dichtungen B und D.
-
Die
Pumpe besitzt erfindungsgemäß lediglich
einen so kleinen Schadraum, dass dieser auch im Falle eines hohen
Förderdruckes
als vernachlässigbar
angesehen werden kann. Der Schadraum besteht lediglich aus dem aufgrund
von Fertigungstoleranzen erforderlichen minimalen Spalt – dessen Maße liegen
im Mikrometerbereich – zwischen
Kolben 2 und Zylinderwand 1 bis zur ersten Kolbenringdichtung 19 sowie
einem aufgrund von Fertigungstoleranzen erforderlichen minimalen
Spalt – dessen Maße ebenfalls
im Mikrometerbereich liegen – am Kopf
des Einlassventiles 8 und Ausslassventiles 6.
-
Diese
Minimierung des Schadraumes wird im Wesentlichen durch folgende
Konstruktionsmerkmale möglicht.
Zum einen ist erfindungsgemäß der Zylinderboden 3 beweglich
ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Zylinderboden 3 federkraftbelastet
ausgebildet, wobei die Federkraft vorzugsweise durch eine wie in
der Figur dargestellt Tellerfeder 4 realisiert wird. Der
beweglich ausgebildete Zylinderboden 3 ist mittels wenigstens
einer Radialdichtung 5 gegen den Zylinder 1 abgedichtet.
Alternativ oder ergänzend
zu der bzw. den Radialdichtungen 5 können Flächendichtungen vorgesehen werden.
-
Der
Sitz des beweglich ausgebildeten Zylinderbodens 3 ist vorzugsweise
außerhalb
der Zylinderbohrung stirnseitig angeordnet; sofern der Sitz des
Zylinderbodens innerhalb der Zylinderbohrung angeordnet ist, wäre eine
Außenabstützung vorzusehen.
Im Zylinderboden 3 ist zudem wenigstens ein Auslassventil 6 angeordnet.
Dieses ist ebenfalls vorzugsweise federkraftbelastet – dargestellt
durch die Feder 7 – ausgebildet.
-
Das
Einlassventil 8 ist als ein stirnseitig am Kolben 2 angeordnetes,
sich selbst im Kolben 2 zentrierendes, federkraftbelastetes
Kegelsitzventil – wie in
der Figur dargestellt – oder
Flachsitzventil ausgebildet. Von Vorteil ist bei den vorgenannten
Ventilkonstruktionen, dass aufgrund der gewählten Geometrien von Ventil
und Sitz eine große
Sitzfläche
erreicht wird, wodurch sich selbst bei hohem Druck eine nur kleine
spezifische Flächenpressung
ergibt. Somit kann das Einlassventil 8 auch aus einem Kunststoffmaterial
gefertigt sein.
-
Die
Befestigung und Befederung des Einlassventils 8 erfolgt über ein
Gewindestück
mit Führung 9,
auf das das Einlassventil 8 aufgeschraubt ist. Über einen
dünnen
Haltedraht 10 ist das Einlassventil 8 mit einer
Rückholfeder 11 verbunden.
Die Federteller 12 und 13 der Rückholfeder 11 sind
so ausgebildet, dass sie eine definierte Hubbegrenzung 14 des
Einlassventils 8 über
den Haltedraht 10 gewährleisten.
-
Nachdem
bei der in der Figur dargestellten Pumpenkonstruktion die Zylinderbefüllung mit
dem zu pumpenden Medium durch die zentrale Bohrung 15 im
Kolben 2 erfolgt und die Kolbenwandung durch die hohe Druckkraft
bestimmt wird, ist die Befestigung des Einlassventils 8 mittels
des (dünnen)
Haltedrahts 10 von besonderem Vorteil, da ein vergleichsweise
großer
Querschnitt der Kolbenbohrung 15 für die Zylinderbefüllung zur
Verfügung
steht bzw. frei bleibt.
-
Beim
Ausschieben aus dem Zylinder 1 wird die zu fördernde
Flüssigkeit über das
sich öffnende Auslassventil 6 sowie
den Ringspalt 16 der Ausgangsleitung 17 und über diese
dem Verbraucher zugeführt.
-
Beim
Ausschieben der zu pumpenden Flüssigkeit öffnet das
Auslassventil 6 gegen die Federkraft der Feder 7 und
das Fluid wird über
den Ringspalt 16 zum Verbraucher gefördert. Erst wenn der Kolben 2 am
oberen Punkt über
die Zylinderbohrung ausfährt,
wird der federkraftbelastete Zylinderboden 3 gegen die
Federkraft angehoben und verhindert damit ein Anschlagen des Kolbens 2 und
eine Beschädigung
der Komponenten (Zylinderboden, Kolben), wie es üblicherweise bei einem nicht
federkraftbelasteten Zylinderboden der Fall wäre.
-
Der
Hubweg des federbelasteten Zylinderbodens 3 ist von den
Toleranzen im Antrieb, in der Kolbenstange, im Kolben 2 und
im Zylinder 1 abhängig und
aufgrund thermischer Dehnungen bei verschiedenen Betriebstemperaturen
der Pumpe veränderlich.
Der Hub des Kolbens 2 ist geometrisch unter Berücksichtigung
aller Toleranzen und Längenänderungen
derart einzustellen, dass er am oberen Umkehrpunkt den federbelasteten
Zylinderboden 3 um einige zehntel Millimeter anhebt. Aufgrund
der Planparallelität
des Kolbens 2 mit Einlassventil 8 zum Zylinderboden 3 und
Auslassventil 6 erfolgt diese Berührung und Platzierung in vorteilhafter
Weise schadraumfrei. Je nach der Betriebsart und Toleranzen der
Komponenten der erfindungsgemäßen Pumpe
kann der Hubweg des federbelasteten Zylinderbodens 3 maximal
bis ca. 1 bis 2 mm betragen.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe wird der durch das
Vakuumgehäuse
A festgelegte Gehäuseinnenraum
nach dem Einbau der Pumpe mittels der Dichtung C in zwei Räume I und II aufgeteilt.
Weist die LH2-Pumpe – wie in der Figur dargestellt – eine Rückgasleitung
F zu einem in der Figur nicht dargestellten Flüssigwasserstofftank auf, kann
unmittelbar nach dem Öffnen des
Flüssigzulaufventils
aufgrund des minimalen Schadraumes ein sog. Warmstart der Pumpe
realisiert werden, das sämtliche
relevanten Massen mittels der über
die Zuleitung E und den Raum I strömende Flüssigkeit allmählich abgekühlt werden.
Die flüssigkeitsdichte
Dichtung C sowie der Gasverschluss am ansteigenden Abschnitt des
Verbindungsrohres 18 verhindern wirkungsvoll, dass Flüssigkeit
aus dem Raum I in den Raum II gelangen kann, um
dort die großen
Massen der Hochdruckbauteile durch Verdampfen von Flüssigkeit
abzukühlen. Der
Druckausgleich der beiden Räume I und II erfolgt ebenfalls
mittels des Verbindungsrohres 18.
-
Beim
Warmstart der LH2-Pumpe wird die angewärmte und
zum Teil mit Gas versetzte Flüssigkeit aus
der Zuleitung E im Raum III vorverdichtet. Hierbei erfolgen
die Einkondensation des vorhandenen Gases sowie die Unterkühlung der
Flüssigkeit. Über die zentrale
Bohrung 15 des Kolbens 2 und über das Einlassventil 8 wird
die Förderflüssigkeit
in den vorerst noch warmen Zylinder gedrückt. Bei diesem Vorgang wird
die unterkühlte
Flüssigkeit
durch Umschieben in den Zylinder 1 nicht entspannt, so
dass sich an der Flüssigkeitsoberfläche ein
isolierender Gasfilm bilden kann. Dieser ermöglicht die teilweise Flüssigbefüllung des
vorerst noch warmen Zylinders 1.
-
Beim
folgenden Druckhub entsteht dann eine innige Berührung von Flüssigkeit
mit dem Zylinder 1, wodurch ein Teil der Wärme des
Zylinders auf die sich im Zylinder befindende Flüssigkeit übergeht und diese anwärmt und
verdampft. Bei Druckhubende befindet sich im minimierten Schadvolumen
noch eine sehr geringe Masse an Flüssigkeit bzw. überkritischen
Gas bei Verwendung von flüssigem
Wasserstoff.
-
Aufgrund
des minimierten Schadvolumens ist nur ein kleiner Rückhub des
Kolbens 2 erforderlich, um das Gas auf den Einströmdruck der
Flüssigkeit
zu entspannen. Hierbei fällt
auch die Temperatur des entspannten Gases auf ein niedrigeres Niveau. Da
Hochdruckpumpen hauptsächlich
zum Auffüllen von
gasförmigen
Druckbehältern
verwendet werden und diesen Pumpen daher im Regelfall Flüssigkeitsverdampfer
nachgeschaltet werden, ist die Abführung der erzeugten Wärme – resultierend
aus der vorbeschriebenen Abkühlung
und Reibung – aus
der Pumpe durch die Förderflüssigkeit
als äußerst kostengünstig und
technisch hochwertig anzusehen. Durch das Abkühlen der Pumpe bzw. des Teilraumes I sowie
der Anschlussleitungen E und F von und zu einem in der Figur nicht
dargestellten Flüssigwasserstofftank
steigt dessen Innendruck. Nach sehr kurzer Zeit des Pumpbetriebes
nimmt der Zylinder 1 mit Kolben 2 und Anschlussteilen
Tiefsttemperatur an und kann dann mit dem entsprechend hohen Zylinderfüllungsgrad
effektiv Flüssigkeit
pumpen.
-
Aufgrund
des minimalen Schadraumes eignet sich die erfindungsgemäße Pumpe
auch als Kaltgasverdichter, nachdem sie vorher im Flüssigbetrieb kalt
betrieben wurde. Aufgrund der bereits abgekühlten Massen während des
Flüssigbetriebes
erfolgt durch die nicht mehr notwendige Abkühlung der beteiligten Massen
der Pumpe keine Anwärmung
des Kaltgases.
-
Das
Kaltgas wird aus dem Gasraum des Vorratstanks der Pumpe zugeführt, im
Raum III der Pumpe vorverdichtet und in den Zylinder 1 gedrückt. Während des
Vorfahrhubes des Kolbens 2 erfolgt durch die erforderliche
Kompressions- und Ausschubarbeit sowie die Reibung der Kolbendichtungen 14 eine
Erwärmung
des geförderten
Kaltgases. Da der Kolben 2 aufgrund des minimierten Schadraumes
die gesamte Masse des Kaltgases ausschiebt, ist diese Erwärmung des
ausgeschobenen Kaltgases für
den nächst
folgenden Aufdruck- bzw Füllvorgang
(Rückhub
des Kolbens) nicht schädlich,
da das entstandene erwärmte
Gas nahezu vollständig
dem Verbraucher zugeführt
wird, und damit eine Erwärmung
des Kolbens 2 und der Zylinderwand 1 der Pumpe
auf ein Minimum reduziert wird. Es erfolgt somit im nächsten Füllvorgang
des Zylinders 1 eine sehr gute Füllung des Zylinderraumes mit
Kaltgas.
-
Die
erfindungsgemäße Pumpe
eignet sich insbesondere für
die Hochdruckerzeugung an Flüssigwasserstofftankstellen
mit Flüssigvorratstank
Die erfindungsgemäße Pumpe
ermöglicht
die Erzeugung gasförmigen
Hochdruckwasserstoffs aus Flüssigwasserstoff
bis 1000 bar und darüber.
-
Die
Erzeugung von Hochdruckwasserstoff aus Flüssigwasserstoff hat auch bei
der Fahrzeugbetankung einen großen
Vorteil. Der sich im Fahrzeug befindende Hochdruckspeicher wird
an der Wasserstofftankstelle von dem in ihm herrschenden niedrigen
Druck auf den maximalen Druck befüllt. Hierbei steigt die Temperatur
in dem Hochdruckspeicher beträchtlich
an. Nach einer gewissen Zeit erwärmt
sich die große
Metallmasse des Druckbehälters
des Hochdruckspeichers und kühlt
das Gas ab, wodurch der Druck auf den Druck p2 =
p1 × T2/T1 abfällt. Um
einen möglichst
großen
Aktionsradius des mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeuges mit einer
Speicherfüllung zu
erreichen, ist ein häufiges
und zeitaufwendiges Nachfüllen
des Hochdruckspeichers erforderlich.
-
Für die Erzeugung
von Hochdruckwasserstoff mit der erfindungsgemäßen Pumpe ist dieser im Regelfall
ein Verdampfer nachgeschaltet, um die mittels der Pumpe geförderte Flüssigkeit
zu verdampfen. Das auf diese Weise erzeugte Hochdruckgas wird in
einem ausreichend dimensionierten Vorrats- bzw. Zwischenspeicher
zur Fahrzeug-Betankung bereitgehalten.
-
Da
die erfindungsgemäße Pumpe
unmittelbar nach dem Öffnen
des sich in der Pumpenzulaufleitung E angeordneten Ventils gegen
den maximalen Druck gestartet werden kann, ist es möglich, Flüssigkeit
gezielt dosiert in einen Fahrzeugspeicher zur Abkühlung des
Gases einzuspeisen oder das einströmende Gas abzukühlen. Hierzu
wird der der Pumpe nachgeschaltet Verdampfer mittels einer Bypass-Leitung
umgangen. Diese Möglichkeit
ist bei Verwendung von Hochdruckfahrzeugspeichern in Leichtbauweise
von besonderem Vorteil, da die aus Kunststoff hergestellten Druckbehälter mit
einer Metallinnenhaut für
die Wärmeabfuhr
zur Abkühlung
des Hochdruckgases nicht geeignet sind.
-
Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpe seien
nachfolgend nochmals stichpunktartig aufgelistet:
- – kleiner
Schadraum – die
Pumpe kann daher thermodynamisch annähernd als ideale Maschine angesehen
werden
- – daraus
resultierend ein hoher möglicher
Förderdruck
sowie ein sehr guter Liefergrad
- – sofortiger
Betrieb bzw. Start als LH2-Pumpe ohne Abkühlzeit gegen
maximalen Druck möglich
- – Aufteilung
des Gehäuseinnenraumes
in zwei Räume – dadurch
nur geringe abzukühlende
Massen des Raumes I, wenig Abgas und geringe Abkühlzeit
- – Verwendung
als Kaltgasverdichter, insbesondere zur gasverlustfreien Tankdruckabsenkung
-
Es
sei betont, dass die vorbeschriebene, erfindungsgemäße Pumpe
problemlos und ohne großen
konstruktiven Aufwand an alle erforderlichen Liefermengen und Förderdrücke sowie
an unterschiedlichste verflüssigte
Gase angepasst werden kann. Aufgrund der verlustfreien Abführung des
gesamten anfallenden Gases ist das erfindungsgemäße Pumpenkonzept nicht nur
für Luftgase
und Wasserstoff von besonderer Bedeutung, sondern es besitzt darüber hinaus
große
Vorteile beim Verdichten von vergleichsweise teueren, verflüssigten
Edelgasen, wie bspw. Xenon, Krypton und Helium. Des Weiteren kann
das erfindungsgemäße Pumpenkonzept
des minimalen Schadraums bei allen Verdrängungsmaschinen, wie Kolbenkompressoren,
Kühlmaschinen, usw.
eingesetzt werden.