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Die
Erfindung betrifft eine Verdrängungsmaschine, insbesondere
eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten
Kolben.
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Gattungsgemäße
Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen sind aus dem Stand der
Technik hinlänglich bekannt. Werden derartige Verdrängungsmaschinen
bzw. Pumpen zum Pumpen kryogener Medien, wie bspw. Flüssig-Wasserstoff
(LH2), verwendet, treten Probleme auf, die
beim Pumpen nicht-kryogener Medien kein Thema sind.
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Gegenwärtig
wird insbesondere im Hinblick auf die sog. Hochdruck-Wasserstofferzeugung,
die aufgrund der immer öfter angewendeten Flüssig-Wasserstoff-Speicherung
und der Anwendung zur Befüllung von Fahrzeug-Hochdruckspeichern
an Bedeutung gewinnt, den dafür verwendbaren Pumpenkonstruktionen
verstärkte Aufmerksamkeit geschenkt.
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Bekannte
Pumpenkonstruktionen, die die Realisierung einer Hochdruck-Wasserstofferzeugung
ermöglichen, erzeugen gegenwärtig neben dem (gewünschten)
Hochdruckwasserstoffgas – hierunter sei gasförmiger
Wasserstoff, der unter einem Druck von 250 bis 900 bar vorliegt,
zu verstehen – erhebliche Mengen an Niederdruckwasserstoffgas – hierunter
sei gasförmiger Wasserstoff, der unter einem Druck von
1,0 bis 8,0 bar vorliegt, zu verstehen. Der Mengenanteil dieses
Niederdruckwasserstoffgas kann bis zu 30% betragen.
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Zur
Bildung dieses (unerwünschten) Niederdruckwasserstoffgases
kommt es, da die bekannten Pumpenkonstruktionen den Zylinderraum
des Verdrängungskolbens mit dem zugeführten, zu
pumpenden Medium permanent kühlen, um eine Rückkondensation
der Gasmenge zu erreichen, die als Restgas im Tot- bzw. Schadraum
der Pumpe zurückbleibt und/oder aufgrund der Reibung des
Kolbens entstanden ist. Zur Förderung dieses Niederdruckwasserstoffgases
sind zusätzliche Kompressoren erforderlich, um das Niederdruckgas
bei ca. 450 bar zu speichern und bei einer Befüllung dem
Fahrzeugtank zuzuführen.
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Der
aktuelle Stand der gegenwärtigen Fülltechnik sieht
aufgrund der vorgenannten Nachteile vor, keine LH2-Pumpen
zu verwenden. Der im Speichertank an der Flüssigwasserstoff-Tankstelle
gespeicherte Flüssigwasserstoff wird bei einem Speicherdruck
von ca. 2,5 bis 5 bar entnommen, in Wärmetauschern auf
Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend
einem Vorkompressor zugeführt. Dieser erzeugt einen Zwischendruck
von ca. 25 bar und führt das Gas einem Kolbenverdichter
zu, der den Wasserstoff auf 250 bis 300 bar verdichtet. Der derart
verdichtete Wasserstoff wird in einem Speicherbündel zwischengespeichert.
Zur Betankung wird zunächst der Fahrzeugtank durch Überströmen
aus den Speicherbänken bis ca. 450 bar gefüllt.
Um eine Betankung bis 700 bar Speicherdruck realisieren zu können,
wird mittels eines sog. Booster-Kompressors mit hoher Förderleistung
der zwischengespeicherte Wasserstoff aus dem Speicherbündel
entnommen, auf ca. 850 bar komprimiert und dem Fahrzeug zugeführt.
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Das
noch kalte Niederdruckwasserstoffgas kann in den LH2-Speicherbehälter,
aus dem der zu fördernde Wasserstoff entnommen wurde, zurückgeführt
werden. Diese Verfahrensweise führt jedoch im Falle größerer
Mengen an Kaltgas zu einer unerwünschten Druck- und Temperaturerhöhung
der im Speicherbehälter befindlichen Flüssigkeit.
Somit muss der Tankdruck nach Erreichen des maximal zulässigen
Arbeitsdruckes entweder durch Abblasen von Gas oder durch Komprimieren
des abzublasenden Gases und Zwischenspeichern des komprimierten
Gases erniedrigt werden.
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Generell
gilt, dass jede Pumpe während des Kompressions- und Förderhubes
Wärmeenergie in das zu fördernde Medium einbringt.
Die Erwärmung des Mediums ist vom Kompressionsverhältnis
der Pumpe abhängig. Kryopumpen für LH2 würden
bei einer thermodynamisch isentropen Verdichtung – dies bedeutet,
dass kein Warmaustausch mit der Umgebung erfolgt – mit
reibungsfreien Kolben während des Kompressions- und Verdrängungshubes
von 0,25 auf 45 MPa das Fluid um ca. 15 K anwärmen, während
sich das Medium bei einer Kompression von 0,25 auf 90 MPa um ca.
24 K erwärmen würde. Diese Erwärmung
des Mediums würde für das Pumpensystem keine Nachteile
bringen, wenn das erwärmte Medium aufgrund einer adiabaten
Ausführung von Zylinderwand und Kolbensystem keinen Wärmeaustausch
mit diesen Komponenten ausführen kann. Das erwärmte
Medium würde dann ohne Rückwirkung auf das Pumpensystem
zur Hochdruckseite geführt. Dort ist die Erwärmung
des Mediums nicht schädlich, da das Hochdruckmedium zur
weiteren Verwendung anschließend in einem Wärmetauscher weiter
angewärmt wird. Derartige "adiabate Pumpsysteme" können
bisher nicht verwirklicht werden, da aufgrund der hohen Drücke
von 45 bis 90 MPa metallische Komponenten, bspw. für die
Zylinderwand, erforderlich sind. Diese haben jedoch einen erheblichen
Wärmeaustausch in dem Pumpensystem zur Folge.
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Die
Zylinderwände der zum Stand der Technik zählenden
Pumpen sind aufgrund der im Zylinderraum auftretenden hohen Drücke
mit einer erheblichen Wandstärke ausgeführt. Die
Wandstärke ist abhängig von dem Zylinderdurchmesser
und -material und beträgt bei der Verwendung hochfester
Edelstähle im Regelfall wenigstens 6 mm bis zu 35 mm und
mehr. Die metallene Zylinderwand nimmt wegen ihrer guten Leitfähigkeit
und großen Masse während des Kompressions- und
Verdrängungshubes aus der erwärmten Förderflüssigkeit
erhebliche Wärmemengen auf und gibt diese bei Hubumkehr
wieder an die für den Saughub neu zugeführte (tiefkalte)
Flüssigkeit ab. An der Kolbenwand entsteht dadurch Kaltgas,
das aufgrund seiner geringen Dichte eine optimale Füllung
des Zylinders mit (tiefkalter) Flüssigkeit verhindert.
Dieser Effekt kann zu einer wesentlichen Verschlechterung des Füllungsgrades
des Zylinders führen. Diese führt im nächsten
Förderhub zu einer weiteren, noch höheren Erwärmung
des Fluids und einem Temperaturkreislauf der bis zur Nullförderung der
Pumpe führen kann.
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Um
diesen unerwünschten Effekt zu verhindern, wurde bereits
vorgeschlagen, eine Kühlung der Zylinderwand zu realisieren.
Eine derartige Pumpenkonstruktion ist aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10
2007 035 616 bekannt. Diese Lösung ermöglicht
eine thermodynamisch quasi isotherme Verdichtung, da nicht nur die
Zylinderwand, sondern auch ein großer Teil des zu fördernden
Mediums gekühlt wird. Die Kühlung der Zylinderwand
kann bei der Kompression und Förderung von LH
2 nur
durch ein Medium mit geringerer Temperatur erfolgen; üblicherweise
erfolgt die Kühlung daher mit dem der Pumpe zugeführten
Fördermedium. Theoretisch wäre es auch möglich,
mit extern gekühltem Heliumgas zu kühlen; eine
derartige Verfahrensweise würde jedoch wegen der damit
verbundenen Kosten und des Aufwandes nur in Ausnahmefällen realisiert
werden. Diese Kühlung führt, wenn sie mit dem
zugeführten Fördermedium erfolgt, zu einer Verdampfung
eines Anteiles des zugeführten Fördermediums.
Das dabei unerwünscht produzierte Kaltgas, dessen Anteil
bis zu 20% der Fördermenge betragen kann, geht für
die Förderung verloren und muss mit den oben beschriebenen
Nachteilen anderweitig komprimiert bzw. genutzt werden.
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Ein
weiteres technisches Problem von LH2-Verdrängungsmaschinen
bzw. -Pumpen besteht darin, dass diese nach einer Stillstandperiode
vor einem erneuten Start zunächst kaltgefahren werden müssen.
Dies geschieht üblicherweise dadurch, dass Fördermedium,
das aus dem Speicherbehälter entnommen und im Kreislauf
als Kaltgas zu dem Speicherbehälter zurückgeführt
wird, die LH2-Verdrängungsmaschinen
bzw. -Pumpe durchströmt. Jedoch wird auch bei dieser Verfahrensweise
unerwünschte Wärme in den Speicherbehälter
eingebracht. Da bei einer Verwendung der LH2-Verdrängungsmaschinen
bzw. -Pumpe als Füllpumpe in einer Wasserstoff-Tankstelle
für Fahrzeuge mehrere längere Stillstandszeiten
pro Tag erwartet werden (müssen), können durch
die vorbeschriebene Kaltfahrprozedur erhebliche Wärmemengen
in den Speicherbehälter eingebracht werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße
Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, anzugeben,
die die vorgenannten Nachteile vermeidet.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird eine Verdrängungsmaschine,
insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes
angeordneten Kolben, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Zylinderwand zumindest teilweise aus einem isolierenden
Material ausgebildet ist, wobei dieses eine hohe Festigkeit, ein
hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und
eine niedrige Wärmekapazität aufweist und die auftretenden
Zylinderdruck- und Zugkräfte aufzunehmen vermag.
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Da
in der Zylinderwand hauptsächlich Zugspannungen auftreten,
ist insbesondere die Zugfestigkeit des isolierenden Materials von
Bedeutung.
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Die
erfindungsgemäße Verdrängungsmaschine
bzw. Pumpe ermöglicht die Realisierung einer thermodynamisch
quasi adiabat ausgeführten Zylinderwand.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine
bzw. Pumpe kann – sofern für die Zylinderwand
ein Material gewählt wird, das die Eigenschaft besitzt,
Wärme weder zu transportieren noch zu speichern – nunmehr
erreicht werden, dass ein Wärmeübergang auf das
im Ansaughub zugeführte und zu fördernde Medium
nahezu unterbleibt. Dadurch kann die unerwünschte Verdampfung
des zugeführten Mediums an der Kolbenwand vermieden werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Verdrängungsmaschine, die Gegenstände der abhängigen
Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – das isolierende Material zumindest
teilweise aus einem Keramikmaterial gebildet ist und die Zugfestigkeit
der isolierenden Schicht wenigstens 200 N/mm2,
vorzugsweise wenigstens 500 N/mm2 beträgt
und/oder
- – das Elastizitätsmodul der isolierenden Schicht wenigstens
130.000 N/mm2 vorzugsweise wenigstens 210.000
N/mm2 beträgt und/oder die Wärmeleitfähigkeit
der isolierenden Schicht höchstens 8 Wm–1K–1, vorzugsweise höchstens 1,5
Wm–1K–1 beträgt
und/oder die spezifische Wärmekapazität der isolierenden
Schicht höchstens 0,7 KJ/Kg–1K–1, vorzugsweise höchstens
0,2 Wm–1K–1 beträgt.
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Hierbei
beziehen sich die letztgenannten Angaben zur Druckfestigkeit, zum
Elastizitätsmodul, zur Wärmeleitfähigkeit
sowie zur spezifischen Wärmekapazität auf eine
Temperatur von 300 K bzw. auf Umgebungsbedingungen beziehen. Unter
kryogenen Bedingungen können die Werte wesentlich von den angeführten
Werten abweichen.
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Das
isolierende Material besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus
einem Keramikmaterial, wie beispielsweise Siliziumnitrid (Sl3N4) oder Zirkoniumoxid
(ZrO2), oder ähnlichen keramischen
Werkstoffen.
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Siliziumnitrid
verfügt dabei über eine bislang von anderen Keramiken
nicht erreichte Kombination von hervorragenden Werkstoffeigenschaften,
wie hohe Zähigkeit, hohe Festigkeit, auch bei hohen Temperaturen,
ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, hervorragende
Verschleißbeständigkeit, niedrige Wärmedehnung,
mittlere Wärmeleitfähigkeit und gute chemische
Beständigkeit umfasst. Die Vorteile von Zirkoniumoxid sind:
hohe Bruchzähigkeit, Wärmedehnung, die der von
Gusseisen ähnlich ist, höchste Biegebruch- und
Zugfestigkeit, hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit,
niedrige Wärmeleitfähigkeit, Sauerstoffionenleitfähigkeit
und sehr gute tribologische Eigenschaften.
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Da
die Festigkeit der vorgenannten Materialien ähnlich denen
von hochfesten Edelstählen ist oder diese übertrifft,
werden die Wandstärken erfindungsgemäßer
Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen annähernd identisch
zu den Wandstärken herkömmlicher Verdrängungsmaschinen
bzw. Pumpen sein. Die Wandstärken erfindungsgemäßer
Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen sind abhängig
von dem Zylinderdurchmesser und Zylinderinnendruck und betragen
bei der Verwendung von Keramikmaterial im Regelfall zwischen wenigstens
6 und 35 mm oder mehr.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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