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Die Erfindung betriff eine Kolbenpumpe zum Fördern von auch tiefst kalten Fluiden, wie flüssigen Wasserstoff, wobei die Kolbenpumpe in zwei Druckstufen ausgeführt, vertikal angeordnet, in einem Vakuumgehäuse von oben in dieses als Tauchpumpe eingeschoben und über ein Zugrohr in Längsrichtung gehalten ist, und der Stufenkolben der Pumpe in Längsrichtung verschiebbar in einem Zylinder angeordnet ist, welcher einer Hochdruckseite und am anderen Ende einem Vorverdichtungsraum zugeordnet ist, und sich hier das Zugrohr anschließt, in welchem sich eine Kolbenstange befindet, deren Ende mit dem Stufenkolben und am anderen Ende mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Axialantrieb, welcher diese verschiebbar antreibt, verbunden ist.
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Eine gattungsgemäße Kolbenpumpe, welche aber horizontal angeordnet ist, ist aus
DE 10 2007 022 961 A1 , deren Inhalt zur Gänze zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung zu zählen ist, bekannt.
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In der Tieftemperatur-Technik werden - wie in der allgemeinen Verfahrenstechnik - Pumpen sowohl in Produktionsanlagen, sog. Prozesspumpen, oder in Notversorgungsanlagen integriert, als auch zum Abfüllen von gasförmigen oder flüssigen Produkten eingesetzt.
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Das bevorzugte Einsatzgebiet von Kolbenpumpen liegt bei hohen Drücken und kleineren Fördermengen, wobei die geforderten Fördermengen und -drücke stetig größer werden.
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Die horizontalen Antriebssysteme dieser Pumpen sind in herkömmlicher Technik mit mechanischen Hubtriebwerken ausgestattet und werden nachfolgend nicht weiter behandelt.
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Die Zulaufbedingungen an den Pumpen sind bei Tieftemperaturanlagen besonders kritisch zu erfassen, da die zu fördernde Flüssigkeit meist nur eine geringe Unterkühlung aufweist, d.h. nahe am Siedepunkt ist, und naturgemäß in den Leitungen zur Pumpe aus der Umgebung Wärme zugeführt wird.
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Gängige Tieftemperaturpumpen werden zum Pumpen von flüssigem Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoff in horizontaler Anordnung verwendet.
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Da bei diesen Anwendungsfällen die tiefste Einsatztemperatur bei ca. -200°C liegt und die Verdampfungswärme relativ groß ist, werden bei den herkömmlichen Pumpen keine großen Anforderungen an Isolation und Abdichtung gestellt, so dass die Wärmeverluste aus Reibung und Wärmeleitung weniger schwer wiegen.
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Hinzu kommt noch, dass diese verflüssigten Gase verhältnismäßig preisgünstig erzeugt werden.
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Die gängigen Tieftemperaturpumpen sind jedoch zum Pumpen von flüssigem Wasserstoff aufgrund der dabei auftretenden hohen Kälteverluste eher nicht geeignet.
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Wasserstoff weist auch nur ⅙ der Verdampfungswärme von Stickstoff auf, die Temperatur von flüssigem Wasserstoff liegt bei -253°C und seine Viskosität ist sehr gering.
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Außerdem ist die Herstellung des flüssigen Wasserstoffs kostenintensiv.
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Aus diesen Gründen werden an Tiefsttemperaturpumpen, die zum Fördern von Flüssigkeiten im Temperaturbereich von unter -200°C, insbesondere zum Pumpen von flüssigem Wasserstoff, geeignet sein sollen, besondere Anforderungen gestellt.
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Da der Betrieb von LH2-Hochdruckpumpen nur mit unterkühlter Förderflüssigkeit aufgrund der kleinen Verdampfungswärme möglich ist, müssten diese an Tanks mit entweder sehr großen konstanten statischen Höhen (Hochtank) oder mit einem stetigen Tankdruckaufbau beim Pumpbetrieb erfolgen. Durch das anschließende Entspannen des Tanks durch Gasablass wäre diese Option sehr teuer und nachteilig.
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Um die nötige Unterkühlung der Förderflüssigkeit nicht durch den Vorratstank aufwändig herstellen zu müssen, werden Hochdruckpumpen in zweistufiger Ausführung gebaut.
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Der Zylinder ist mit einer kleineren Hochdruckbohrung und einer größeren Niederdruckbohrung ausgeführt. Der Kolben ist im Bereich der Hochdruckbohrung mit speziellen hochdichten Kolbenringen, welche sehr geringe Reibung verursachen, bestückt. Im Bereich der Niederdruckbohrung ist dieser mit einem Kolbenbund versehen, an welchem ein durch die Mitnehmer befestigter Schleppkolben mit einem ebenfalls hochdichten Kolbenring (Kolbenringe) in diesem gehalten und in einer Zylinderbuchse geführt ist. Durch den Schleppkolben wird die Niederdruckbohrung in einen Vorverdichtungsraum und einen Zulaufraum aufgeteilt. Wird der Kolben aus der hinteren Totpunktlage in Richtung Druckhub bewegt, so kommen die Mitnehmer des Schleppkolbens am Kolbenbund zur Anlage, wobei sich zwischen dem Kolbenbund und dem Schleppkolben ein Spalt einstellt. Wird der Kolben weiter in Richtung Druckhub bewegt, zieht der Kolbenring (die Kolbenringe) die Zylinderbuchse bis zum konstruktiven Anschlag auf (Zwangssteuerung). Bei diesem Vorgang strömt Förderflüssigkeit widerstandslos aus dem Vorratsraum in den Zulaufraum und von hier in den Vorverdichtungsraum ein. Bei Hubumkehr werden der Spalt und durch Mitnahme der Ladebuchse durch den Kolbenring (die Kolbenringe) im Schleppkolben auch der Ringspalt verschlossen, sodass sich ab jetzt der Ladedruck aufbauen kann.
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Die in der obengenannten
DE 10 2007 022 961 A1 beschriebene LH2-Kolbenpumpe in horizontaler Anordnung, ist hierfür zwar geeignet, sie weist jedoch in der vertikalen Anordnung auch Nachteile auf.
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So ist es mit den horizontalen, in der Druckkraft begrenzten jetzigen mechanischen Hubtriebwerken nicht mehr möglich, mit diesen Pumpen die geforderten sehr großen Liefermengen bei Förderdrücken von 1.000 bar und höher z.B. zur Betankung von mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen wirtschaftlich zu erbringen.
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Desweiteren kommt es beim Ableiten der überschüssigen durch Wärmeleitung und Reibung mit Gas beladenen Flüssigkeitsmengen durch den Ladedruckbegrenzer aus dem oberen Vorverdichtungsraum in den unteren Zulaufraum auch zu einem zusätzlichen expansiven Gasanfall.
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Dieser Gasanfall wirkt sich in der horizontalen Pumpenanordnung auf die Befüllung des Zulaufraumes kaum aus, da durch die liegende Lage des Zylinders und dessen am Umfang verteilten Strömungsbohrungen das anfallende Gas über die oberen Strömungsbohrungen durch die von unten eintretende Förderflüssigkeit in natürlicher Strömung ausgeschoben wird.
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Da eine Gasableitung aus diesem unteren Zulaufraum in der vertikalen Pumpenanordnung nur beschränkt möglich ist, wird dieses Gas immer wieder dem Vorverdichtungsprozess im oberen Vorverdichtungsraum zugeführt, wobei sich der Liefergrad der Pumpe bei hohen Drücken wesentlich verschlechtert.
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Durch diesen Vorgang werden auch der sonst mögliche Warmstart sowie der sonst mögliche Einsatz als Kaltgasverdichter der LH2-Pumpe negativ beeinflusst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Pumpe anzugeben, die die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet und mit welcher auch in vertikaler Anordnung die überschüssige Flüssigkeitsmenge aus dem oberen Vorverdichtungsraum nicht in den unteren Zulaufraum abgeleitet werden muss.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einer Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
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Um auch die geforderten sehr großen Liefermengen zum kurzzeitigen Betanken von mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen an Wasserstofftankstellen bei sehr hohen Drücken zu realisieren und dies mit mechanischen Hubtriebwerken nicht mehr wirtschaftlich möglich ist, werden die zum Betrieb der erfindungsgemäßen Kolbenpumpen sehr hohen Antriebskräfte durch ein Hydraulikaggregat erzeugt, dessen oszillierender Hydraulikzylinder über eine Laterne am Vakuumgehäuse und somit am Zugrohr befestigt ist und dessen Kolbenstange mit der Pumpenkolbenstange verbunden diese antreibt.
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Die Pumpe selbst ist an einem in der Figur nicht dargestellten Flüssigwasserstofftank angeschlossen. Dieser besitzt eine untere, zur Pumpe hin steigende Flüssigkeitsleitung, sowie eine in den oberen Tankgasraum mündende, ebenfalls stetig steigende Rückgasleitung. Die Pumpe, welche mittels Kupplungen an den Tankleitungen angeschlossen ist, stellt in der vertikalen Anordnung die Verbindung der beiden Tankleitungen her. Nach Öffnen der Tankventile strömt die Förderflüssigkeit über den unteren Zulauf (E) durch die Pumpe und steigt über den Ringraum (12) und den Vorratsraum (I) über den oberen Anschluss (F) in die mit dem Tankinhalt kommunizierende Rückgasleitung.
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Mit dieser Anordnung stellt sich aufgrund des oberen horizontalen Anstiches der Rückgasleitung (F) an deren Scheitelpunkt ein Flüssigkeitsspiegel (C) in der Pumpe ein, dem sich nach oben hin ein Gasraum (S) anschließt. Damit wird es erfindungsgemäß möglich, dass der Vorverdichtungsraum (III) unterhalb und die Überströmkanäle (P) aber auch oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (C) im Gasraumniveau liegen können.
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Bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe kommt es bei der Vorverdichtung der zu fördernden Flüssigkeit in dem durch die verschiebbare Zylinderbuchse (17), mittels den am Kolbenbund (10a), durch die Mitnehmer (16) befestigten, Schleppkolben (15), vollkommen verschlossenen Vorverdichtungsraum (III) entsprechend dem gewählten Einstelldruck des mit der Druckfeder (21) belasteten Dichtkörpers (20) im Ladedruckbegrenzungsgehäuse (19), welches auf der oberen Stirnseite des Vorverdichtungsraumes (III) von diesem aus am Zugrohr (24) zentrisch befestigt ist, zu einem Überströmen - nicht in den unteren Zulaufraum (IV) - sondern über die Überströmkanäle (P), dem Ringraum (R) und den Bohrungen (N) in den Vorratsraum (I).
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Anordnung des Ladedruckbegrenzungsgehäuses (19) im Vorverdichtungsraum (III) auch der obere Schadraum darin sehr positiv verkleinert wird. Dies hat den Vorteil, dass die mögliche Ladedruckhδhe nicht vom Schadraum - großer Gas-Schadraum bewirkt kleinen Ladedruck - sondern nur durch die eingestellte Kraft der Druckfeder (21) auf den Dichtkörper (20) bestimmt wird, was sich besonders vorteilhaft auf den möglichen Warmstart und der möglichen Kaltgasverdichtung der Pumpe auswirkt.
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Erfindungsgemäß wird die überschüssige mit Gas beladene Flüssigkeitsmenge entstanden aus der Abkühlung der relevanten Bauteile sowie der Vorverdichtung aus dem Vorverdichtungsraum (III) nach oben über die Überströmkanäle (P) in den äußeren Ringraum (R), dann in den Vorratsraum (I) und der Gasanteil von dort über die Rückgasleitung (F) zum LH2-Vorratstank abgeleitet.
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Hierbei werden auch die im Gasraumniveau liegenden metallischen Anschlussmassen, welche auch als Überströmkanäle (P) ausgeführt und isoliert durch das aus Kunststoff hergestellte Zugrohr (24) sind, als Wärmespeicher von tiefem Temperaturniveau abgekühlt.
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Somit wird vorteilhaft erreicht, dass die bei der vertikalen Pumpenanordnung bei Pumpenstillstand von außen her wärmeleitenden Teile nicht direkt mit der Flüssigkeit in Berührung kommen und der Wärmespeicher hier als abbaubarer Wärmepuffer dient.
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Da beim Pumpbetrieb die aus dem Vorratstank entnommene große Flüssigkeitsmenge den Tankdruck auch absenkt, ist das zum Abkühlen der Überströmkanäle (P) durch Verdampfen von Flüssigkeit anfallende Gas zum Tankdruck konstant halten eher erwünscht.
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Desweiteren wird die überschüssige Flüssigkeitsmenge durch die Bohrungen (N) in den Vorratsraum (I) und von hier die anfallenden Gasblasen über die Rückgasleitung in den Tank sehr vorteilhaft erst dann abgeführt, nach dem das oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (C) befindende Gasvolumen (S) aufgefüllt ist.
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Dadurch wird weiter vorteilhaft erreicht, dass durch eventuelle unterkühlte Zulaufflüssigkeit - durch z.B. unbeabsichtigten Tankdruckaufbau oder bei langen nicht in Betrieb kaltstehender LH2-Pumpe - und dadurch durch Einkondensierung des Gaspolsters durch die minimale Wärmeleitung von außen dieses hierdurch immer vorrangig aufrecht erhalten bleibt.
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Hierdurch wird ebenfalls sehr vorteilhaft eine zuverlässige Pulsationsdämpfung der Zulaufflüssigkeit durch das Gaspolster gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Pumpe sowie weitere Ausgestaltungen derselben sind nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine schematisierte seitliche Schnittdarstellung durch eine vertikal angeordnete Pumpe, welche auch als Wasserstoffhochdruckpumpe für Förderdrücke bis 1.000 bar und höher geeignet ist, die einen vergleichsweise guten Liefergrad von bis zu 90 % und mehr wie auch sehr große Liefermengen aufweist.
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Die zum Betrieb solcher Pumpen erforderlichen sehr hohen Antriebskräfte werden beispielsweise durch ein Hydraulikaggregat erzeugt, dessen Hydraulikzylinder über eine Laterne am Vakuumgehäuse befestigt und dessen Kolbenstange mit der Pumpenkolbenstange verbunden, diese antreibt.
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Aufgrund der relativ großen Massen des Antriebes wird die Pumpe vorteilhaft vertikal angeordnet, wobei sich der Hydraulikzylinder über der Pumpe befindet.
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Die in der Figur dargestellte Pumpe unterscheidet sich von den bisher bekannten und verwendeten Pumpen durch mehrere Konstruktionsmerkmale.
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So besteht die dargestellte Pumpe im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten, nämlich einem vertikalen Vakuumgehäuse (A) und der in dieses Gehäuse als Tauchpumpe eingeschobenen Pumpe, die mittels der Dichtungen (B) und (D) gegen das Vakuumgehäuse (A) abgedichtet ist.
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Da die komplette Pumpe in ein Vakuumgehäuse eingeschoben ist und nur eine Verbindungsstelle von der Pumpe zum Gehäuse existiert, die darüber hinaus im Warmen durch einen O-Ring abgedichtet liegt, wird eine hervorragende Isolation der Tiefsttemperaturkolbenpumpe erreicht. Um die Wärmeleitung und damit auch die Ruheverdampfung gering zu halten, ist das Gehäuseinnenrohr von nur kleinem Querschnitt. Durch das Zugrohr (24), welches die Verbindung vom warmen Gehäuse zur kalten Pumpe herstellt und aus glasgewebeverstärktem Kunststoff besteht, der über sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aber sehr großer Zug- und Druckfestigkeit verfügt, werden die großen Pumpenkräfte übertragen. Dazu ist das Zugrohr (24) an beiden Enden mit Gewinden versehen, an welchen Metallbauteile fest verschraubt und verklebt sind. Somit besteht das Zugrohr erfindungsgemäß mit dem Gehäuseabschlussflansch im Warmen und dem Anschlussgewindestück mit den Überströmkanälen (P) im Kalten aus einer Einheit. Außerdem tragen auch die extrem reibungsarmen Kolbenringe zu einer äußerst niedrigen Wärmeerzeugung beim Lauf der Pumpe bei.
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Im Zylinder (8) ist ein Kolben (10), welcher als Stufenkolben fungiert, in Längsrichtung verschiebbar angeordnet.
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Der Stufenkolben unterteilt den Zylinderinnenraum in eine Niederdruckkammer und am anderen Ende in eine Hochdruckkammer.
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Durch den Schleppkolben (15) - welcher über die Mitnehmer (16) am Kolbenbund (10a) befestigt, den Stufenkolben gestaltet-wird die Niederdruckkammer in einen Vorverdichtungsraum (III) und einen Zulaufraum (IV) aufgeteilt.
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In der Hochdruckkammer, die der Druckseite der Kolbenpumpe zugeordnet ist, ist am Kolbenkopf ein mit einer Druckfeder (5) belastetes, mit einem Zugdraht (4) gehaltenes, sich selbst im Kolben zentrierendes Halbkugeleinlassventil (2) angebracht, über das die in dem Vorverdichtungsraum (III) vorkomprimierte Flüssigkeit über die sich im Kolben befindende Bohrung (f) in die Hochdruckkammer gedrückt wird.
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An der Hochdruckkammer selbst ist ein als Zylinderboden wirkendes, mit einer Druckfeder (9) belastetes Auslassventil (1), dessen Ventilsitz (b) sich außerhalb der Hochdruckzylinderbohrung stirnseitig befindet - und somit den minimalen Schadraum vorgibt - über das die in auf Betriebsdruck gebrachte Flüssigkeit durch die Zylinderkühlbohrungen (i) an eine Ableitung (j) abgegeben wird.
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Die Abdichtung des Kolbens (10) im Hochdruckzylinder (8) bewirken gut dicht schließende Kolbenringe (14) aus einer verschleißfesten PTFE-Mischung.
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Aus dem gleichen Material sind auch der Führungsring (14a), welcher den Kolben zentriert, sowie der Ladekolbenring (15a) hergestellt.
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Der Zylinder ist aus rostbeständigem Stahl, die Lauffläche ist hart und feinst bearbeitet.
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Die Abdichtung der Kolbenstange, deren Oberfläche ebenfalls hart und feinst bearbeitet ist, wird von mehreren besonders geformten Hutmanschetten aus einer PTFE-Mischung übernommen.
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Zur Verbesserung der Dichtwirkung wird über den konischen Teil der Hutmanschette ein geschlitzter Spannring aus dem gleichen Material mit einer Wurmfeder gelegt.
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Die Funktionsweise der auch Wasserstoffkolbenpumpe ist folgende:
- Das Fördermedium fließt, von einem LH2-Vorratstank kommend, durch den unteren horizontalen Rohranschluss (E) in die vertikal angeordnete Pumpe ein und kühlt alle relevanten Bauteile ab.
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Das dabei anfallende Gas entweicht über die obere Rückgasleitung (F) zu einem in der Figur nicht dargestellten Flüssigwasserstofftank zurück.
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Um auch ein möglichst schnelles Abkühlen der großen erforderlichen Hochdruckzylindermassen (8) zu erreichen, werden diese über die sich in der Zylinderwand befindenden Bohrungen (i) beim Durchströmen der Förderflüssigkeit von innen, sowie über die Zirkulationsbohrungen (L) und (M) im Raum (II) durch die Zulaufflüssigkeit von außen gekühlt.
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Nach ausreichender Abkühlung der Pumpe kann sie bei voller Leistung in Betrieb genommen werden.
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Es kann aber auch ein Warmstart ohne Vorkühlung der Pumpe aufgrund der „minimalen Schadräume“ im Vorverdichtungsraum (III) und im Hochdruckraum vorgenommen werden, indem durch Verdampfen von Förderflüssigkeit die relevanten Teile erst beim Lauf der Pumpe immer weiter abgekühlt und das hierbei entstehende Gas durch Verdichten im Vorverdichtungsraum (III) und der somit verbundenen Aufladung des Hochdruckraumes direkt dem Verbraucher zugeführt wird. Da Hochdruckpumpen hauptsächlich zum Auffüllen von Druckbehältern für Gase verwendet werden und diesen Pumpen daher im Regelfall Flüssigkeitsverdampfern nachgeschaltet werden, ist die Abführung des erzeugten Gases - resultierend aus der vorbeschriebenen Abkühlung - äußerst kostengünstig und technisch hochwertig anzusehen.
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Durch die Dichtung (11) wird erfindungsgemäß erreicht, dass beim Betrieb wie auch beim Stillstand der Pumpe die ankommenden bzw. anfallenden Gasblasen nicht in den Zulaufraum (IV) über die Bohrungen (V) gelangen können, sondern über den Ringraum (12) am äußeren Durchmesser des Vorratsraumes (I) aufsteigen und über die obere horizontale Rückgasleitung (F) zum Vorratstank zurückgeführt werden.
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Da der Scheitelpunkt der oberen Rückgasleitung (F) auch den Flüssigkeitsspiegel (C) in der Pumpe bestimmt, wirkt der darüber liegende, entsprechend dimensionierte Gasraum (S) nicht nur von den von außen her führenden Teilen zur Flüssigkeit hin als Isolator, sondern er wirkt auch als Pulsationsdämpfer der Zulaufflüssigkeit.
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Aufgrund der Kolbenbewegung aus der Endlage der Hochdruckhubes ausgehend wird durch Mitnahme des Schleppkolbens (15) durch den Kolbenbund (10a) erst der Spalt (U) sowie durch das Verschieben der Zylinderbuchse (17) durch die Reibung des hochdichten Kolbenrings (15a) des Schleppkolbens (15) auch der obere Spalt (O) an der Dichtscheibe (18) verschlossen.
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Da das Hubvolumen des somit dicht verschlossenen Vorverdichtungsraumes (III) ein Vielfaches des Pumpenhochdruckraumes darstellt, erfolgt durch die Volumensverkleinerung die Druckerhöhung der Förderflüssigkeit im Vorverdichtungsraum (III), während sich bei diesem Vorgang der Zulaufraum (IV), entsprechend der Volumensvergrößerung in diesem, über die unteren Zulaufbohrungen (V) aus dem Vorratsraum (I) mit möglichst gasblasenfreier Flüssigkeit füllt.
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Durch die Druckerhöhung im Vorverdichtungsraum (III) wird die Förderflüssigkeit unterkühlt und eventuell vorhandenes Gas einkondensiert und durch die Kolbenbohrung (f) über das druckfederbelastete Einlassventil (2) in den Hochdruckraum der Pumpe gedrückt.
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Bei Ladehubende wird aufgrund des im Vorverdichtungsraum (III) noch herrschenden Ladedruckes der Ladekolbenring (die Ladekolbenringe) (15a) auch noch weiter an die verschiebbare Zylinderbuchse (17) angepresst. Bei einsetzendem Rückhub erfolgt somit sofort durch diesen aufgrund der Kraft des auf die freie Fläche des Schleppkolbens (15) am Kolbenbund (10a) zum Zulaufraum hin wirkenden Ladedruck ein Öffnen des durch die Zylinderbuchse (17) an der Dichtscheibe (18) verschlossenen Spaltes (O) durch Mitnahme dieser Zylinderbuchse, wodurch der vorhandene Ladedruck sofort über die Bohrungen (N) in den Vorratsraum (I) abgeführt wird und sich so wieder ein Druckausgleich einstellt, welcher dem Tankdruck entspricht. Aufgrund dieses Druckausgleiches wird ab jetzt der Schleppkolben (15) durch die Befestigung dieses am Kolbenbund (10a) weiter gezogen. Diese auch besonders vorteilhafte Befestigung des Schleppkolbens mit dem Kolben erfolgt bei Montage. Hierbei wird durch radiales Verschieben des mit zwei Mitnehmerwinkeln (16) versehenen Schleppkolben (15), dieser am Kolbenbund (10a) nur eingehakt. Dadurch wird es möglich, auf die im Vorverdichtungsraum (III) sonst notwendigen mit Toträumen behafteten Stege zur Mitnahme des Schleppkolbens (15) zu verzichten. Bei weiterem durch den Kolben (10) veranlasstem Rückhub erfolgt aufgrund der Schleppkolbenringreibung an der Zylinderbuchse deren Mitnahme bis zum konstruktiv vorgesehenen Anschlag, wodurch sich der volle Spalt (O) einstellt. Bei diesem Vorgang wurde auch der Spalt (U) zwischen dem in der Zylinderbuchse (17) geführten Schleppkolben (15) und dem Kolbenbund (10a) geöffnet, sodass jetzt die sich bereits im Zulaufraum (IV) befindende Flüssigkeit, ohne ein federbelastendes Ventil öffnen zu müssen, widerstandslos von hier in den Vorverdichtungsraum (III) umgeschoben wird. Da dieser Vorgang unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (C) stattfindet, wird dadurch eine vollständige Füllung dieses Vorverdichtungsraumes (III) erreicht. Bei Hubumkehr wird erst der Spalt (U) und durch Mitnahme des Schleppkolbens (15) durch den Kolbenbund (10a) über die Ladekolbenringreibung die Zylinderbuchse (17) zwangsverschoben und mit dieser Zylinderbuchse (17) der Spalt (O) verschlossen, wobei sich der Ladedruck erneut aufbaut.
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Bei diesem Vorgang wird die durch den Ladedruck unterkühlte Flüssigkeit durch Umschieben in den Zylinder (8) nicht entspannt, so dass sich an der Flüssigkeitsoberfläche ein isolierender Gasfilm bilden kann. Dieser ermöglicht auch die Flüssigbefüllung des vorerst noch warmen Zylinders (8).
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Entsprechend dem gewählten Einstelldruck des Ladedruckbegrenzers (19) öffnet sich dieser während der Vorverdichtung des Mediums, so dass es zu einem Abströmen von Flüssigkeit über die oberen Überströmkanäle (P), den Ringraum (R) und den Bohrungen (N), welche sich oberhalb der Zulaufbohrungen (V) befinden, in den Vorratsraum (I) kommt.
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Die erfindungsgemäße Ableitung des Überdruckes nach oben, beim Warmstart, ist auch deshalb besonders vorteilhaft, da das verdichtete Gas im Vorverdichtungsraum (III) mit der Kompressionswärme beladen ist und somit das wärmere Gas von der Erzeugungsstätte weggeführt wird und immer kälter werdendes Gas aus dem Zulaufraum (IV) nachströmt. Eine Gasabführung in den unteren Zulaufraum (IV) würde eine ständig weitere schädliche Temperaturerhöhung bewirken.
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Die Größe der Druckerhöhung wird durch die Vorspannung der Druckfeder (21) auf den Dichtkörper (20) im Ladedruckbegrenzergehäuse (19) bestimmt, welches sich als eine Einheit an der oberen Stirnseite des vertikal angeordneten Vorverdichtungsraumes (III) befindet und von diesem aus an dem Zugrohr (24) zentrisch durch Schrauben befestigt ist.
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Bevorzugt übernimmt die Kolbenstangenführungsbuchse (22) - sie besteht aus einem Stahlrücken und hat an der Lauffläche eine aufgesinterte Schicht aus Zinnbronze, deren Poren mit PTFE aufgefüllt sind, womit die Trockenlaufeigenschaft hergestellt wird - aber nicht nur die Führung der Kolbenstange, sondern sie stellt auch die zentrierende Verbindung zwischen der Führung (23) und dem Ladedruckbegrenzergehäuse (19) her.
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Von Vorteil ist weiter, dass die Führungsbuchse (22) im Bereich des Dichtkörpers (20) mit deren Außendurchmesser die Führung des Dichtkörpers (20) am Innendurchmesser herstellt.
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Durch den engen Spalt zwischen der Kolbenstangenführungsbuchse (22) und der Kolbenstange entsteht ein Drosselspalt, welcher durch die Dichtung (25) noch weiter die durch den Vorverdichtungsprozess erregte Druckpulsation abbaut, so dass sich im Zwischenraum der Dichtung (25) und der nicht dargestellten äußeren Kolbenstangenabdichtung im Warmen ein stationärer Druck einstellt und somit sehr vorteilhaft der Wärmetransport aufgrund von Konvektion von außen entfällt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007022961 A1 [0002, 0017]
