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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kryopumpe, aufweisend einen von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder, in denen eine einen Plunger führende Zylinderlauffläche eingelassen ist, und wobei in dem Zylinderkopf ein Pumpenarbeitsraum eingelassen ist, der über ein Einlassventil mit einer ein Medium führenden Zuführleitung verbunden ist, und der mit einem mit einer Druckleitung zusammenwirkenden Auslassventil lströmungsverbunden ist.
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Stand der Technik
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Eine derartige Kryopumpe ist aus der
DE 21 55 624 C3 bekannt. Diese Kryopumpe ist zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit, insbesondere Helium, ausgebildet. Ein Plunger der Kryopumpe ist in einer in einem Zylinder ausgebildeten Zylinderlauffläche bewegbar, wobei ein Zylinderboden und ein Zylinderkopf des Zylinders jeweils mit einem Einlassventil und einem Auslassventil versehen sind. Über die Einlassventile und Auslassventile ist ein in dem Zylinderkopf und in dem Zylinderboden befindlicher Pumpenarbeitsraum mit einer Zuführleitung und einer Druckleitung verbunden.
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Eine weitere Kryopumpe ist aus der
DE 10 2014 001 625 A1 bekannt. Diese Kryopumpe ist an einer Brennkraftmaschine verbaut und zur Förderung eines kryogenen Kraftstoffs ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine hinsichtlich der Funktion verbesserte Kryopumpe bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Zuführleitung mit einer mit der Kryopumpe zusammenwirkenden Kühlleitung verbunden ist, und dass die Kühlleitung stromabwärts des Zusammenwirkens mit der Kryopumpe mit der Zuführleitung stromaufwärts des Einlassventils verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann ganz allgemein die Kryopumpe mittels des von der Kryopumpe zu fördernden, zuströmenden Mediums gekühlt werden. Dabei gelangt das Medium nach dem Durchströmen der mit der Kryopumpe zusammenwirkenden Kühlleitung wieder in die Zuführleitung und wird über das Einlassventil in einen Pumpenarbeitsraum eingebracht. Bei dieser allgemeinen Ausgestaltung wird der gesamte Mediumstrom zur Kühlung der Kryopumpe herangezogen. Im Ergebnis wird dadurch der Wärmehaushalt des Gesamtsystems verbessert und eine einfache mit einem geringen Bauteileaufwand verbundene Kühlung der Kryopumpe ermöglicht. und die Funktion der Kryopumpe verbessert.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Zuführleitung eine Abzweigung auf, die mit der mit der Kryopumpe zusammenwirkenden Kühlleitung verbunden ist, und wobei die Kühlleitung stromabwärts des Zusammenwirkens mit der Kryopumpe über eine Einzweigung wieder mit der Zuführleitung stromabwärts der Abzweigung verbunden ist. Diese Ausgestaltung eröffnet mehrere Möglichkeiten einer geregelten oder ungeregelten Kühlung der Kryopumpe mittels des von der Kryopumpe zu fördernden, zuströmenden Mediums, auf die nachfolgend noch eingegangen wird. Im Fall einer teilweisen Einleitung des Mediums in die Kühlleitung wird dieses nach der Kühlung der Kryopumpe wieder in die Zuführleitung eingeführt und mit dem in der Zuführleitung unter Umgehung der Kühlleitung geführten Mediumstrom vermischt. Dadurch wird in Ergebnis der Wärmehaushalt des Gesamtsystems mit der Möglichkeit des Eingehens auf spezielle Anforderungen verbessert.
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In Weiterbildung der Erfindung umgibt zumindest ein Teilabschnitt der Kühlleitung den Zylinderkopf. In weiterer Ausgestaltung umgibt ein Teilabschnitt der Kühlleitung zusätzlich oder alternativ den Zylinder der Kryopumpe. Insbesondere der Zylinderkopf und auch der Zylinder erwärmen sich beim Betrieb der Kryopumpe, also bei einer Abwärtsbewegung und Aufwärtsbewegung des Plungers zur Förderung des beispielsweise über eine Vorförderpumpe über die Zuführleitung und das Einlassventil in den Pumpenarbeitsraum eingebrachten Mediums über das Auslassventil und die Druckleitung in beispielsweise einem Druckspeicher. Das kalte, im besten Fall unterkühlte, Medium wird also mittels eines beispielsweise durch die Vorförderpumpe erzeugten Vorförderdrucks durch die Zuführleitung in die Kühlleitung gefördert und nimmt die Wärme aus der Kompression, aus der Reibung sowie die von der Umgebung über die Isolation in die Kryopumpe gelangende Wärme auf. Dadurch ist eine ausreichende Kühlung der Kryopumpe, insbesondere des Zylinderkopfs und/oder des Zylinders gewährleistet. Das Medium gelangt anschließend in den Pumpenarbeitsraum und wird bei der eigentlichen Förderung der Kryopumpe in die Druckleitung ausgeschoben. Vorteilhaft dabei ist, dass die in der Kryopumpe erzeugte Wärmemenge nicht zurück in das Niederdrucksystem des Mediums vor der Kryopumpe gelangt.
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In Weiterbildung der Erfindung umgibt zumindest ein Teilabschnitt der Kühlleitung den Zylinderkopf und/oder den Zylinder. Die Kühlleitung kann beliebig ausgebildet sein und beispielsweise als Rohr um die Bauteile herumgewickelt sein. Das Rohr beziehungsweise die Kühlleitung ist zumindest in dem Teilabschnitt, der mit dem Zylinderkopf und/oder dem Zylinder zusammenwirkt aus einem eine gute Wärmeübertragung sicherstellenden Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt. Für einen guten Wärmeübergang kann eine Wärmeleitpaste, die gegebenenfalls auch als Kleber fungiert, zwischen den Bauteilen aufgebracht werden. Dadurch ist die wirkungsvolle Kühlung der thermisch vornehmlich belasteten Bereiche der Kryopumpe sichergestellt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Zylinderkopf und/oder der Zylinder zumindest einen einen Abschnitt der Kühlleitung bildenden Kühlkanal auf. Dieser Kühlkanal kann direkt bei der Fertigung der genannten Bauteile in geeigneter Weise ausgebildet werden. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, den Kühlkanal als eine von einer Hülse umfassten äußeren Eindrehung auszubilden. Die Eindrehung kann beispielsweise den Zylinder und/oder Zylinderkopf spiralförmig umfassen. Diese Eindrehung kann mechanisch in den Zylinder und/oder Zylinderkopf eingearbeitet sein oder aber beispielsweise bei einem gegossenen Zylinder oder Zylinderkopf direkt eingegossen werden. Diese Ausgestaltung kann ausdrücklich auch mit der externen Kühlleitung kombiniert sein.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Hülse einen mit der Eindrehung zusammenwirkenden Einführungsanschluss und einen mit der Eindrehung zusammenwirkenden Abführleitungsanschluss auf. An diese Anschlüsse werden die weiteren mit der Zuführleitung verbundenen Kühlleitungsabschnitte angebunden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an der Abzweigung ein Schaltventil angeordnet, mit dem die Einleitung von Medium in die Kühlleitung steuerbar ist. Somit kann die Kühlung der Kryopumpe gezielt angeschaltet oder abgeschaltet werden oder gegebenenfalls auch die Kühlleistung eingestellt werden. Dabei ist das Schaltventil in Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise ein 3/2 Wegeventil, das in verschiedensten Bauarten und Baugrößen beispielsweise aus der Hydraulik zur Verfügung steht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich vor der Einzweigung ein in die Zuführleitung wirkendes Rückschlagventil in die Kühlleitung eingebaut. Dieses Rückschlagventil verhindert eine Rückströmung von Medium in die Kühlleitung.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die so ausgebildete Kryopumpe zur Anwendung an einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine vorgesehen. Dies ist das bevorzugte Anwendungsgebiet der erfindungsgemäß ausgebildeten Kryopumpe, wobei aber auch andere Anwendungen denkbar sind.
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Zusammengefasst sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kryopumpe:
- - Es erfolgt keine Rückführung von zu Kühlzwecken benützten Medium in das Niederdrucksystem bzw. in den Tank. Dadurch wird der Wärmehaushalt des Systems verbessert.
- - Es ist kein zusätzliches beziehungsweise aufwendiges Leitungssystem für die Kühlung der Kryopumpe notwendig.
- - Es besteht eine große Freiheit der Positioniermöglichkeiten der Kryopumpe im Bezug zu dem Tank.
- - Die Haltedauer des Mediums, insbesondere eines Gases, in dem Tank bis zu einem vorgegebenen Abblasedruck wird durch einen reduzierten Wärmeeintrag in den Tank erhöht.
- - Entstehende Gasanteile werden durch die Kühlung gezielt ausgetragen und können sich nicht sammeln beziehungsweise müssen nicht in den Tank zurückgeführt werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kryopumpe, die mit einer an eine Zuführleitung für ein Medium angeschlossenen Kühlleitung versehen ist, und
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kryopumpe, die mit einer an eine Zuführleitung für ein Medium angeschlossenen Kühlleitung versehen ist.
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1 zeigt den für die Darstellung der Erfindung interessierenden Teil einer Kryopumpe 1, die insbesondere eine NG-Hochdruckpumpe (NG = Natural Gas) ist, die beispielsweise an einer Brennkraftmaschine zur Förderung des Mediums in Form von kalten, flüssigen Gas zur Anwendung kommt.
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Das kalte, flüssige Medium in Form von Gas wird in einem Tank 2 bevorratet und von einer Vorförderpumpe 3, die beispielsweise entgegen der Darstellung auch direkt in den Tank 2 eingesetzt sein kann, in eine Zuführleitung 4 gefördert. Die Zuführleitung 4 mündet über ein in einen Zylinderkopf 5 der Kryopumpe 1 eingelassenes Einlassventil 6 in einem Pumpenarbeitsraum 7 der Kryopumpe 1. Der Zylinderkopf 5 ist beispielsweise einstückig mit einem Zylinder 8 ausgebildet, wobei in den Zylinder 8 und ggf. auch in den Zylinderkopf 5 eine Zylinderlauffläche 9, die in den Pumpenarbeitsraum 7 übergeht, eingelassen ist, in der ein Plunger 10 axial bewegbar angeordnet ist.
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Die axiale Hin und Her Bewegung des Plungers 10 wird beispielsweise von einer Nockenwelle bewirkt, die mit dem nicht dargestellten Ende des Plungers 10 zusammenwirkt.
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Neben dem Einlassventil 6 ist in dem Zylinderkopf 5 ein Auslassventil 11 eingebaut, dass mit einer Druckleitung 12 verbunden ist. Die Druckleitung 12 mündet beispielsweise in einen Druckspeicher 13, in dem das von der Kryopumpe 1 geförderte Medium in Form von Gas gespeichert wird. Der Druckspeicher 13 ist über zumindest eine Injektorleitung mit einem Injektor verbunden, von dem das Gas gesteuert in einen zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine direkt eingespritzt wird. Alternativ kann das in dem Druckspeicher 13 gespeicherte Gas auch über zumindest einen Injektor in eine Ansaugleitung der Brennkraftmaschine eingeblasen werden.
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Für eine erfindungsgemäße Kühlung der Kryopumpe 1, speziell des Zylinderkopfs 5 und/oder des Zylinders 8, ist eine Kühlleitung 14 vorgesehen, von der ein Teilabschnitt spiralförmig um den Zylinderkopf 5 und/oder den Zylinder 8 geführt ist. Dabei kann die spiralförmige Umwicklung an dem Kühlbedarf der Bauteile angepasst sein, indem beispielsweise der gegenseitige Abstand der Kühlwicklungen variiert. Die Zuführleitung 4 weist eine Abzweigung 15 auf, in der ein als 3/2 Wegeventil ausgebildetes Schaltventil 16 angeordnet ist und wobei das Schaltventil 16 weiterhin mit der Kühlleitung 14 verbunden ist. Grundsätzlich kann die Zuführleitung 4 aber auch ohne Abzweigung in die Kühlleitung 14 und nach der Kühlung der Kryopumpe 1 wieder vor dem Einlassventil 6 in die Zuführleitung 4 übergehen.
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Das Schaltventil 16 ist so ausgebildet, dass in einer Schaltstellung ((in 1 dargestellt) die Kühlleitung 14 vollständig abgesperrt ist und das Gas durch das Schaltventil 16 ausschließlich über die Zuführleitung 4 weiter zu dem Einlassventil 6 geleitet wird. In einer zweiten Schaltstellung des Schaltventils 16 wird das Gas dagegen ausschließlich in die Kühlleitung 14 eingeleitet.
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Die Kühlleitung 14 mündet ihrerseits stromabwärts des Zusammenwirkens mit der Kryopumpe 1 über eine Einzweigung 17 wieder in die Zuführleitung 4, wobei die Einzweigung 17 stromabwärts der Abzweigung 15 angeordnet ist. Im Bereich der Einzweigung 17 oder im Bereich davor ist in die Kühlleitung 14 ein Rückschlagventil 18 angeordnet, dass ein Einströmen von Gas von der Einzweigung 17 in die Kühlleitung 14 unterbindet.
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Das Schaltventil 16 kann aber auch so ausgebildet sein, dass bei einer Einleitung von Gas in die Kühlleitung 14 gleichzeitig auch ein Teilstrom des Gases direkt weiter durch die Zuführleitung 4 zu dem Einlassventil 6 gefördert wird. Dabei kann durch entsprechende Ausgestaltung des Schaltventils 16 die Aufteilung der Gasströme kontinuierlich verstellbar sein. Zwischen der Abzweigung 15 und der Einzweigung 17 kann in die Zuführleitung 4 ein Zuführleitungsrückschlagventil 19 eingebaut sein, was in Richtung zu der Einzweigung 17 öffnet.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem der 1 durch ein anderes Zusammenwirken der Kühlleitung 14 mit der Kryopumpe 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Abschnitt der Kühlleitung 14 als äußere Eindrehung 20 ausgebildet, die in den Zylinderkopf 5 und/oder den Zylinder 8 eingelassen ist. Die Eindrehung 20 wird nach außen von einer Hülse 21 verschlossen, wobei die Hülse 21 beispielsweise dicht auf den Zylinderkopf 5 und/oder Zylinder 8 aufgepresst ist. In die Hülse 21 ist ein Einführleitungsanschluss 22 und ein Abführleitungsanschluss 23 eingelassen, die beide mit entsprechenden Abschnitten der Kühlleitung 14 verbunden sind. Gegebenenfalls kann der Abführleitungsanschluss 23 so ausgebildet sein, dass dieser beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung und Weiterführung der Hülse 21 direkt mit dem Einlassventil 6 zusammenwirkt. Die Eindrehung 20 kann beliebig an entsprechende Anforderungen angepasst sein und entgegen der Darstellung in 2 beispielsweise auch spiralförmig gegebenenfalls mit unterschiedlichen Windungsabständen ausgebildet sein. Auch ist es bei beiden Ausführungsbeispielen möglich die Strömungsrichtung des Gases im Bereich des zu kühlenden Zylinderkopfs 5 und/oder Zylinders 8 umzukehren, das heißt also beispielsweise den Einführleitungsanschluss 22 im Bereich des Zylinderkopfs 5 und den Abführleitungsanschluss 23 im Bereich des Zylinders 8 anzuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2155624 C3 [0002]
- DE 102014001625 A1 [0003]
