DE102007040089A1

DE102007040089A1 - Pump, in particular for cryogenic media

Info

Publication number: DE102007040089A1
Application number: DE200710040089
Authority: DE
Inventors: Martin BRÜCKLMEIER; Wilfried-Henning Reese
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009026991A1

Abstract

Es wird eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, beschrieben. Erfindungsgemäß - ist die Zylinderwand zumindest teilweise als eine dünne metallische Wand (4), die geeignet ist, die Dichtkräfte zu den Kolbenringen (3) aufzunehmen, ausgebildet und - ist die metallische Wand (4) von einer isolierenden Schicht (5) und/oder einem Kohlefaser- und/oder einem Kevlar-Verbundmaterial ummantelt, - wobei die isolierende Schicht (5) eine hohe Druckfestigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität aufweist und - die isolierende Schicht (5) in der sie umgebenden Zylinderwandung (1) angeordnet ist.A displacement machine, in particular a pump, having a piston arranged within a cylinder space is described. According to the invention - the cylinder wall is at least partially designed as a thin metallic wall (4) which is suitable for receiving the sealing forces to the piston rings (3), and - the metallic wall (4) is made of an insulating layer (5) and / or a carbon fiber and / or a Kevlar composite material, - wherein the insulating layer (5) has a high compressive strength, a high elastic modulus, a low thermal conductivity and a low heat capacity and - the insulating layer (5) in the surrounding cylinder wall ( 1) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben.The The invention relates to a displacement machine, in particular a pump having one disposed within a cylinder space Piston.

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.Generic displacement machines or pumps are well known from the prior art. When such positive displacement pumps are used to pump cryogenic media, such as liquid hydrogen (LH ₂ ), problems arise that are not an issue when pumping non-cryogenic media.

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.Currently especially with regard to the so-called high-pressure hydrogen production, due to the increasingly used liquid-hydrogen storage and the application for filling vehicle high-pressure accumulators becomes more important, the pump constructions that can be used for this purpose paid more attention.

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.Known Pump constructions, the realization of a high-pressure hydrogen production enable, currently generate next to the (desired) High-pressure hydrogen gas - this is gaseous Hydrogen, which is under a pressure of 250 to 900 bar, to understand - significant amounts of low pressure hydrogen gas - below be gaseous hydrogen, which under a pressure of 1.0 to 8.0 bar, to understand. The proportion of this Low pressure hydrogen gas can be up to 30%.

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.to Formation of this (undesired) low-pressure hydrogen gas It comes because the known pump designs the cylinder chamber of the displacement piston with the supplied, too Cool permanently pumping medium to a recondensation To reach the amount of gas as the residual gas dead or dead space the pump remains and / or due to the friction of the Pistons has arisen. To promote this low-pressure hydrogen gas Additional compressors are required to produce the low pressure gas store at about 450 bar and when filling the Supply vehicle tank.

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.The current state of the present filling technology provides, due to the aforementioned disadvantages, not to use LH ₂ pumps. The stored in the storage tank at the liquid hydrogen filling station liquid hydrogen is removed at a storage pressure of about 2.5 to 5 bar, warmed in heat exchangers to ambient temperature and then fed to a pre-compressor. This generates an intermediate pressure of about 25 bar and supplies the gas to a reciprocating compressor, which compresses the hydrogen to 250 to 300 bar. The thus compressed hydrogen is temporarily stored in a memory bundle. For refueling, the vehicle tank is initially filled by overflowing from the storage banks to about 450 bar. In order to be able to realize a refueling up to 700 bar accumulator pressure, the temporarily stored hydrogen is removed from the accumulator bundle by means of a so-called booster compressor with high delivery rate, compressed to approx. 850 bar and fed to the vehicle.

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.The still cold low-pressure hydrogen gas can be recycled to the LH ₂ storage tank from which the hydrogen to be delivered has been taken. However, this procedure results in the case of larger amounts of cold gas to an undesirable increase in pressure and temperature of the liquid in the storage container. Thus, the tank pressure must be lowered after reaching the maximum allowable working pressure either by blowing off gas or by compressing the gas to be blown off and caching the compressed gas.

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 Wärmaustausch 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.In general, each pump introduces heat energy into the medium to be pumped during the compression and delivery stroke. The heating of the medium depends on the compression ratio of the pump. Cryopumps for LH ₂ would thermodynamically isentropic compression - this means that there is no heat exchange with the environment - with friction-free piston during the compression and displacement from 0.25 to 45 MPa heat the fluid by about 15 K, while the Medium at a compression of 0.25 to 90 MPa by about 24 K would heat. Such heating of the medium would not be detrimental to the pumping system if the heated medium can not heat exchange with these components due to adiabatic cylinder wall and piston system design. The heated medium would then be directed to the high pressure side without reaction to the pump system. There, the heating of the medium is not harmful, since the high-pressure medium for further use is then further warmed in a heat exchanger. Such "adiabatic pumping systems" can not be realized so far, because due to the high pressures of 45 to 90 MPa metallic components, eg. For the cylinder wall, are required. However, these result in a significant heat exchange in the pump system.

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.The cylinder walls of the prior art pumps are designed with a considerable wall thickness due to the high pressures occurring in the cylinder chamber. The wall thickness depends on the cylinder diameter and material and is usually at least 6 mm to 35 mm and more when using high-strength stainless steels. Due to its good conductivity and large mass during the compression and displacement stroke, the metal cylinder wall absorbs considerable amounts of heat from the heated pumped liquid and returns it to the (deeply cold) liquid newly supplied to the suction stroke during stroke reversal. As a result, cold gas is produced on the bulb wall, which due to its low density prevents optimal filling of the cylinder with (cryogenic) liquid. This effect can lead to a significant deterioration of the degree of filling of the cylinder. In the next delivery stroke, this leads to a further, even higher heating of the fluid and a temperature cycle which can lead to zero pump delivery.

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 LH₂ 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.To prevent this undesirable effect, it has already been proposed to realize a cooling of the cylinder wall. Such a pump construction is from the unpublished German patent application 10 2007 035 616 known. This solution allows a thermodynamically quasi-isothermal compression, since not only the cylinder wall, but also a large part of the medium to be pumped is cooled. The cooling of the cylinder wall can be carried out in the compression and promotion of LH ₂ only by a medium with a lower temperature; Usually, therefore, the cooling is carried out with the pumping medium supplied. Theoretically, it would also be possible to cool with externally cooled helium gas; However, such a procedure would be realized only in exceptional cases because of the associated costs and effort. This cooling, when done with the supplied fluid, leads to evaporation of a proportion of the supplied fluid. The thereby undesirably produced cold gas, the proportion of which can be up to 20% of the flow, is lost for the promotion and must be otherwise compressed or used with the disadvantages described above.

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.Another technical problem of LH ₂ displacement machines or pumps is that they must first be cold-started after a standstill period before restarting. This is usually done by conveying medium, which is removed from the storage tank and recycled in the circuit as cold gas to the storage tank, flows through the LH ₂ -Verdrängungsmaschinen or pump. However, unwanted heat is also introduced into the storage container in this procedure. Since when using the LH ₂ displacement machines or pump as a filling pump in a hydrogen filling station for vehicles several longer downtime per day are expected (must), can be introduced into the storage tank by the above-described cold driving procedure significant amounts of heat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, anzugeben, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.task The present invention is a generic Displacement machine, in particular a pump, indicate which avoids the aforementioned disadvantages.

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 als eine dünne metallische Wand, die geeignet ist, die Dichtkräfte zu den Kolbenringen aufzunehmen, ausgebildet und
– die metallische Wand von einer isolierenden Schicht und/oder einem Kohlefaser- und/oder einem Kevlar-Verbundmaterial ummantelt ist,
– wobei die isolierende Schicht eine hohe Druckfestigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität aufweist und
– die isolierende Schicht in der sie umgebenden Zylinderwandung angeordnet ist.

To solve this problem, a displacement machine, in particular a pump, comprising a disposed within a cylinder chamber piston proposed, which is characterized in that

- The cylinder wall at least partially as a thin metallic wall, which is adapted to receive the sealing forces to the piston rings, formed and
The metallic wall is covered by an insulating layer and / or a carbon fiber and / or a Kevlar composite material,
- wherein the insulating layer has a high compressive strength, a high elastic modulus, a low thermal conductivity and a low heat capacity, and
- The insulating layer is disposed in the surrounding cylinder wall.

Die erfindungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe ermöglicht die Realisierung einer thermodynamisch quasi adiabat ausgeführten Zylinderwand. Dies kann durch zwei zueinander alternative Konstruktionsmöglichkeiten erreicht werden, nämlich zum einen durch eine Kombination aus metallischer Wand und isolierender Schicht und zum anderen durch eine Kombination aus metallischer Wand und einem Kohlefaser- und/oder einem Kevlar-Verbundmaterial, wobei jedoch auch die Realisierung der beiden vorgenannten Kombinationen in einer Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe möglich ist.The Displacement machine according to the invention or pump allows the realization of a thermodynamic quasi adiabatic cylinder wall. This can be done by two mutually alternative construction options be achieved, namely on the one hand by a combination made of metallic wall and insulating layer and on the other by a combination of metallic wall and a carbon fiber and / or a Kevlar composite material, but also the realization of the both aforementioned combinations in a displacement machine or pump is possible.

Mittels der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe kann – sofern für die isolierende Schicht bzw. das Kohlefaser- und/oder Kevlar-Verbundmaterial Materialien gewählt werden, die die Eigenschaft besitzen, 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.through the displacement machine according to the invention or pump can - if for the insulating layer or the carbon fiber and / or Kevlar composite materials which possess the property of heat neither to transport nor to store - now reached be that heat transfer to that in the intake stroke supplied and to be conveyed medium almost omitted. As a result, the unwanted evaporation of the supplied Medium can be avoided on the piston wall.

Unter dem vorgenannten Begriff "dünne metallische Wand" seien Wanddicken von ca. 1 bis 3 mm zu verstehen. Diese Wanddicken können die hohen Kräfte und Spannungen, die in der Zylinderwand bei einem Innendruck von 45 bis 90 MPa auftreten, nicht aufnehmen. Sie sind jedoch geeignet, die Dichtkräfte zu den Kolbendichtungen aufzunehmen und eine geeignete Reiboberfläche mit geringer Reibung für die Kolbendichtungen zu bieten.Under the above-mentioned term "thin metallic wall" are wall thicknesses of about 1 to 3 mm to understand. These wall thicknesses can not absorb the high forces and stresses that occur in the cylinder wall at an internal pressure of 45 to 90 MPa. However, they are capable of accommodating the sealing forces to the piston seals and a suitable friction surface with low friction to offer for the piston seals.

Die dünne metallische Wand ist von einer isolierenden Schicht und/oder einem Kohlefaser- und/oder Kevlar-Verbundmaterial ummantelt. Diese müssen eine ausreichend hohe Festigkeit und ein ausreichend hohes Elastizitätsmodul aufweisen. Deren Wärmeleitung und Wärmekapazität sollte jedoch so gering wie möglich sein.The thin metallic wall is of an insulating layer and / or a carbon fiber and / or Kevlar composite material sheathed. These must have a sufficiently high strength and sufficient have high modulus of elasticity. Their heat conduction and heat capacity should be as low as to be possible.

Die isolierende Schicht kann im Gegensatz zu dem Kohlefaser- und/oder Kevlar-Verbundmaterial die hohen Kräfte und Spannungen nicht selbst aufnehmen, kann diese jedoch übertragen. Daher ist die isolierende Schicht innerhalb der umgebenden Metallwände der Zylinderwandung eingebaut, wobei die isolierende Schicht vorzugsweise gasdicht eingebaut ist. Vorzugsweise wird dieser Raum evakuiert. Die isolierende Schicht ist somit von einer wesentlich festeren äußeren Metallwand umgeben, die dann in der Lage ist, die von der Isolationsschicht übertragenen Kräfte aufzunehmen.The insulating layer can be unlike the carbon fiber and / or Kevlar composite the high forces and tensions can not record, but can transfer them. Therefore is the insulating layer inside the surrounding metal walls installed the cylinder wall, wherein the insulating layer is preferably is installed gas-tight. Preferably, this space is evacuated. The insulating layer is thus of a much firmer outer Surrounded metal wall, which is then able to transmit the forces transmitted by the insulation layer take.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass

– die isolierende Schicht zumindest teilweise aus einem Keramikmaterial besteht, die Festigkeit des Kohlefaser- oder des Kevlar-Verbundmaterials wenigstens 3000 N/mm², vorzugsweise wenigstens 4500 N/mm² beträgt, und
– die Druckfestigkeit der isolierenden Schicht wenigstens 2000 N/mm², vorzugsweise wenigstens 5.000 N/mm² beträgt und/oder das Elastizitätsmodul der isolierenden Schicht wenigstens 170.000 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 KJKg^–1K^–1, vorzugsweise höchstens 0,2 KJKg^–1K^–1 beträgt.

Further advantageous embodiments of the displacement machine according to the invention, which are the subject of the dependent claims, are characterized in that

The insulating layer consists at least partly of a ceramic material, the strength of the carbon fiber or Kevlar composite material is at least 3000 N / mm ² , preferably at least 4500 N / mm ² , and
- The compressive strength of the insulating layer is at least 2000 N / mm ² , preferably at least 5000 N / mm ² and / or the modulus of elasticity of the insulating layer is at least 170,000 N / mm ² and / or
The thermal conductivity of the insulating layer is at most 8 Wm ^-1 K ^-1 , preferably at most 1.5 Wm ^-1 K ^-1 , and / or the specific heat capacity of the insulating layer is at most 0.7 KJKg ^-1 K ^-1 , preferably at most 0 , 2 KJKg ^-1 K ^-1 .

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.in this connection refer to the latter information on compressive strength, for Young's modulus, for thermal conductivity as well as the specific heat capacity on one Temperature of 300 K or relate to ambient conditions. Under Cryogenic conditions may be significantly different from those listed Values deviate.

Die erfindungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe sowie weitere Ausgestaltungen derselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The Displacement machine according to the invention or pump and other embodiments thereof, the objects represent the dependent claims are in the following with reference to the embodiment shown in the figure explained.

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.The Figure shows a schematic side sectional view through a high-pressure hydrogen piston pump for delivery pressures up to 1000 bar, which has a comparatively good delivery rate of up to 90% and more.

Durch eine Zylinderwandung 1 wird ein Zylinderraum 6 definiert. Innerhalb dieses Zylinderraumes 6 ist ein Kolben 2 angeordnet. Die Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderwandung 1 erfolgt mittels einer oder mehrerer Kolbendichtungen 3.Through a cylinder wall 1 becomes a cylinder space 6 Are defined. Within this cylinder space 6 is a piston 2 arranged. The seal between the piston and the cylinder wall 1 done by means of one or more piston seals 3 ,

Erfindungsgemäß ist die Zylinderwand zumindest teilweise als eine dünne metallische Wand 4 ausgebildet. Diese muss dergestalt ausgebildet sein, dass sie die Dichtkräfte zu den Kolbenringen 3 aufzunehmen vermag.According to the invention, the cylinder wall is at least partially as a thin metallic wall 4 educated. This must be designed so that they the sealing forces to the piston rings 3 able to absorb.

Die metallische Wand 4 wiederum ist von einer isolierenden Schicht 5 ummantelt. Diese isolierende Schicht 5 weist eine hohe Druckfestigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie eine niedrige Wärmekapazität auf. Die isolierende Schicht 5 ist gasdicht in der sie umgebenden Zylinderwandung 1 angeordnet.The metallic wall 4 in turn is of an insulating layer 5 jacketed. This insulating layer 5 has a high compressive strength, a high elastic modulus, a low thermal conductivity and a low heat capacity. The insulating layer 5 is gas-tight in the surrounding cylinder wall 1 arranged.

Die isolierende Schicht 5 besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Keramikmaterial, wie beispielsweise Siliziumnitrid (Sl₃N₄) oder Zirkoniumoxid (ZrO₂), oder ähnlichen Werkstoffen.The insulating layer 5 preferably consists at least partially of a ceramic material, such as silicon nitride (Sl ₃ N ₄ ) or zirconium oxide (ZrO ₂ ), or similar materials.

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.silicon nitride has a hitherto of other ceramics not achieved combination of excellent material properties, such as high toughness, high strength, even at high temperatures, excellent thermal shock resistance, excellent Wear resistance, low thermal expansion, medium thermal conductivity and good chemical Durability includes. The advantages of zirconium oxide are: high fracture toughness, thermal expansion, that of Is similar to cast iron, highest bending fracture and Tensile strength, high wear and corrosion resistance, low thermal conductivity, oxygen ion conductivity and very good tribological properties.

Die erfindungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe schafft mit einem überschaubaren konstruktiven und finanziellen Aufwand die Möglichkeit, gattungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe für unterschiedlichste Anwendungsfälle zu nutzen und die mit der Kompression bestimmter Medien verbundenen Nachteile weitestgehend zu vermeiden. Die Erfindung erlaubt darüber hinaus eine schnellere Kaltfahrprozedur, so dass die Wiederinbetriebnahme einer Pumpe nach einer (längeren) Stillstandszeit innerhalb eines kürzeren Zeitraumes erfolgen kann.The Displacement machine according to the invention or pump creates a manageable constructive and financial expense the possibility of generic Displacement machine or pump for a variety of applications too use and connected with the compression of certain media To avoid disadvantages as much as possible. The invention allows about it In addition, a faster cold procedure, so that the restart a pump after a (longer) downtime within a shorter period of time.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102007035616 [0010]

Claims

Displacement machine, in particular a pump, having a piston arranged within a cylinder space, characterized in that - the cylinder wall is at least partially designed as a thin metallic wall ( 4 ), which is suitable, the sealing forces to the piston rings ( 3 ), trained and - the metallic wall ( 4 ) of an insulating layer ( 5 ) and / or a carbon fiber and / or a Kevlar composite material, - wherein the insulating layer ( 5 ) has a high compressive strength, a high modulus of elasticity, a low thermal conductivity and a low heat capacity, and - the insulating layer ( 5 ) in the surrounding cylinder wall ( 1 ) is arranged.

Displacement machine according to claim 1, characterized in that the insulating layer ( 5 ) gas-tight in the surrounding cylinder wall ( 1 ) is arranged.

Displacement machine according to claim 1 or 2, characterized in that the insulating layer ( 5 ) consists at least partially of a ceramic material.

Displacement machine according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that - the compressive strength of the insulating layer ( 5 ) is at least 2000 N / mm ² , preferably at least 5000 N / mm ² and / or - the modulus of elasticity of the insulating layer ( 5 ) is at least 170,000 N / mm ² and / or - the thermal conductivity of the insulating layer ( 5 ) is at most 8 Wm ^-1 K ^-1 , preferably at most 1.5 Wm ^-1 K ^-1 , and / or - the specific heat capacity of the insulating layer ( 5 ) is at most 0.7 KJKg ^-1 K ^-1 , preferably at most 0.2 KJKg ^-1 K ^-1 .

Displacement machine according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the strength of the carbon fiber or Kevlar composite material is at least 3000 N / mm ² , preferably at least 4500 N / mm ² .