DE102021004283A1 - Hochdruckpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, die als Fluid-Pumpe verwendbar ist. Sie besteht aus einem Gehäuse in dem eine Brennkammer integriert ist, in der ein Knallgas gezündet wird und dadurch die erzeugte Explosionskraft für die Hochdruckerzeugung auf das Fluid benutzt wird.Die Vorrichtung ist vergleichsweise leicht, klein und liefert eine gute Leistung. Sie kann in sehr vielen Bereichen als Fluid-Pumpe eingesetzt werden, wo das Leicht-Gewicht von Vorteil wäre. Sie kann als Pumpe für Wasserbeförderung in einem Pool, Haus, Garten oder auch in eine Feuerlösch-Düse oder Mehrzweckstrahlrohre eingesetzt werden. In dem Fall wäre die Feuerlösch-Düse mit einem Impuls-Strahl-Triebwerk ausgestattet, wodurch der Hochdruck auf das Löschmittel nicht über eine Wasser-Schlauchleitung, sondern in einem kleinem Gehäuse erzeugt wird, das direkt mit der Düse gekoppelt ist. Das Löschmittel strömt in Form von Impulsstrahlen aus der Düse heraus und trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Brandstelle. Auf diese Weise wird der Brand zuverlässig mit wenig Löschmittel / Löschwasser bekämpft.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, die einen Hochdruck auf einem Fluid impulsweise erzeugt. Die Vorrichtung funktioniert durch explosionsartige Expansion von Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, das durch Hochspannungselektroden gezündet wird. Der Hochdruck wird direkt auf das Fluid übertragen, dass über eine Fluidleitung geleitet wird.
• Es sind zahlreiche Pumpen und Pump-Systeme bereits bekannt, die einen Hochdruck auf einem Fluid erzeugen können.
• Für niedrige und mittlere Druckwerte sind z.B. Zentrifugal-Pumpen (Kreiselpumpe) gut geeignet. Eine Kreiselpumpe erzeugt einen konstanten Druck und kann eine relativ hohe Förderhöhe erreichen. Sogenannte Taumelringpumpen sind ebenso seit einer Zeit im Gebrauch.
• Weit verbreitet sind Kolben-Pumpen, die einen Hochdruck erzeugen. Die Kolbenbewegung wird elektrisch durch einen Elektromotor oder durch Verbrennungsmotoren bewirkt. Diese Pumpen sind optimal für sehr hohe Druckwerte geeignet. Sie können sehr genau die Pumpmenge dosieren, deswegen auch für präzise Dosierungen geeignet.
• DE102012202720A1 beschreibt eine Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluides, insbesondere Kraftstoff, z. B. Diesel, umfassend - vorzugsweise eine Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken, - ein Gehäuse, - wenigstens einen Kolben, - wenigstens einen Zylinder zur Lagerung des wenigstens einen Kolbens, - einen Arbeitsraum, - einen Einlasskanal zum Einleiten des Fluides in den Arbeitsraum, - einen Auslasskanal zum Ausleiten des Fluides aus dem Arbeitsraum, - einen Rücklaufkanal zum Ableiten des zwischen dem Kolben und dem Zylinder abströmenden Leckagefluides, wobei der Rücklaufkanal fluidleitend mit dem Einlasskanal verbunden ist.
• DE102012201035A1 beschreibt eine Hochdruckpumpe mit einem Kolben der angepasst ist, um sich hin- und her zu bewegen, einem Zylinder, der in einer Rohrform mit Boden ausgestaltet ist, eine Innenumfangswand, die den Kolben gleitbar führt, eine Innenbodenwand, die von der Innenumfangswand durchgehend ist, eine Außenumfangswand und ein Einlassloch und ein Abgabeloch, die die Innenumfangswand und die Außenumfangswand verbinden, sowie einem Pumpengehäuse.
• EP3368764B1 beschreibt eine Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Fördern eines Fluides, insbesondere Kraftstoff, z. B. Diesel, umfassend eine Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken, wenigstens einen Kolben, wenigstens einen Zylinder zur Lagerung des Kolbens, wobei sich der Kolben auf der Antriebswelle mit dem einen Nocken abstützt, sodass von dem Kolben eine Translationsbewegung aufgrund einer Rotationsbewegung der Antriebswelle ausführbar ist, wobei ein Ende einer Abdeckkappe an einem Vorsprung der übrigen Hochdruckpumpe aufliegt zur form- und kraftschlüssigen Befestigung des Endes der Abdeckkappe an dem Vorsprung, wobei die Abdeckkappe mit einer elastischen Vorspannkraft auf der übrigen Hochdruckpumpe aufliegt.
• DE102010027745A1 beschreibt eine Hochdruckpumpe, die insbesondere als Radial- oder Reihenkolbenpumpe für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dient, umfasst einen Zylinderkopf und eine Pumpenbaugruppe. Hierbei weist der Zylinderkopf eine Zylinderbohrung auf, in der ein Pumpenkolben der Pumpenbaugruppe geführt ist. Der Pumpenkolben begrenzt dabei in der Zylinderbohrung einen Pumpenarbeitsraum.
• DE102013215956A1 beschreibt eine Hochdruckpumpe zur Förderung eines Fluids mit einem Gehäuseteil mit einer Gehäuseausnehmung, sowie eine teilweise in der Gehäuseausnehmung angeordnete Pumpeneinheit mit einem Hochdruckkolben. Die Hochdruckpumpe weist eine Dichtung auf, die derart radial außerhalb des Hochdruckkolbens angeordnet ist, dass sie einen ersten Bereich der Gehäuseausnehmung fluiddicht von einem zweiten Bereich der Gehäuseausnehmung abdichtet.
• Es gibt auch zahlreiche Membran-Pumpen, die eine Membrane aufweisen, die in Schwingung versetzt wird, wobei ein Fluid in eine Kammer impulsweise gepresst wird. Zwei Ventile regeln dort die Druckübertragung. Die Ventile erlauben das Fluid-Fließen nur in eine Richtung. Ein Ventil ist in die Öffnung der Zufluss-Leitung und das andere in die Öffnung der Abfluss-Leitung eingebaut. Das Ventil in die Öffnung der Zuflußleitung erlaubt das Einfließen der Flüssigkeit in die Kammer, während das andere Ventil nur das Abfließen gestattet. Auf diese Weise werden die Membran-Schwingungen eine Fluid-Strömung in die Abflussleitung bewirken. So funktionieren viele der Kraftstoff-Pumpen in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Eine Membran-Pumpe arbeitet zwar schnell und zuverlässig, kann allerdings nicht sehr hohe Druckwerte erzeugen. Der maximale Druck ist dabei von der Beschaffenheit der Membrane abhängig.
• Interessant ist eine weitere Pumpe, die vom Nicola Tesla erfunden wurde, die auch als Teslaturbine bekannt ist. Sie ist relativ einfach gebaut und besteht aus parallel angeordneten Scheiben, die in einer Achsenwelle befestigt sind, die sich mit hoher Geschwindigkeit sich drehen. Das Wasser wird eingesaugt und durch die Scheiben beschleunigt.
• Hinzu kommen auch Impuls-Hochdruck-Erzeuger, die kurzzeitig einen Hochdruck auf einem Fluid erzeugen können.
• Der in den Patentansprüchen 1 bis 19 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine kleine, kompakte, einfache, möglichst auch tragbare, Hochdruckpumpe zu schaffen, die in der Lage ist, Fluid-Impulsstrahlen mit Hochdruck abzugeben.
• Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 19 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Vorteile der Erfindung sind:
• - tragbare Konstruktion, die leicht und unkompliziert zu transportieren ist,
• - sehr kompakte Bauweise,
• - effiziente Anwendung,
• - weniger bis kaum Verschleiß-Teile,
• - gute Druck-Leistung.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 12 erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Hochdruckpumpe mit dem Wasserstoff-Antrieb,
• 2 eine Vorrichtung mit einem Elektrolyse-Gerät ausgestattet,
• 3 eine Basis-Station, an dem die Wasserstoff-System-Hochdruckpumpe kurz angeschlossen wird, bis der Wasserstoff-Vorrat in die Pumpe bzw. Pumpen-Vorrats-Behälter übertragen wird,
• 4 eine Variante, bei der die Gas-Bläschen, die an den Elektroden während der Elektrolyse haften, gelöst und nach oben schwimmen,
• 5 die Piezoelemente als Schwing-Aktuatoren,
• 6 eine Elektromagnetspule, die mit einem Wechselstrom angetrieben wird, welche die Elektrode dann in die Längsachse zum Schwingen bringt,
• 7 funktioniert ähnlich wie eine Kolbenpumpe, allerdings die Kolbenbewegung wird durch Knallgas-Zündungen bewerkstelligt,
• 8 eine Vorrichtung in einem kompakten kleinen Gehäuse,
• 9 eine Variante mit einem Ventil oder Schließklappe,
• 10 eine drehbare Schleuse,
• 11 eine Vorrichtung, die anstatt des Ventils einen Piston aufweist, der die Kammer in zwei Teilen trennt: in eine Brennkammer und eine Fluidkammer,
• 12 eine elastische Membrane / Trennmembrane auf, die die Kammer in zwei Teilen trennt.
• Bei der Erfindung wird der Hochdruck auf das Fluid (z.B. Wasser) durch Verbrennung von Wasserstoff direkt in eine Brennkammer erzeugt und auf das Fluid geleitet. Das Gehäuse 1, in dem die Elemente eingebaut sind, ist mit einer Brennkammer 2 ausgestattet, in der Wasserstoff + Luftgemisch bzw. Knallgas 3 gezündet wird. Die Brennkammer ist teils mit Fluid 4 und teils mit Knallgas gefüllt. Das Knallgas befindet sich natürlich oben in die Kammer. Im oberen Teil der Kammer 5 ist auch mindestens eine (besser zwei) Hochspannungselektrode 6 eingebaut, die zumindest teilweise (vorzugsweise an deren Befestigungsstellen) mit eine wasserabweisenden Beschichtung 7 ausgestattet sind. In die Brennkammer fließt das Fluid, z.B. Wasser aus einer Zuflußleitung 8 und sobald eine bestimmte Menge erreicht worden ist, wird das Knallgas durch einen Hoch-Spannungsfunken 9 aus einer Hochspannungsquelle 10 und Elektroden gezündet. Die Zündung verdrängt die Flüssigkeit aus der Brennkammer mit Hochdruck. Durch Sperrventile 11 wird das Zurückfließen in die Zuflußleitung verhindert. Das Fluid wird durch eine Abflussleitung 12 von der Brennkammer nach außen befördert und somit entsteht eine Hochdruckabgabe. Das Abflussventil wird unmittelbar nachdem der Druck in die Brennkammer abfällt geschlossen und die Zuflußleitung geöffnet. Somit wird die Brennkammer wieder teilweise mit Fluid gefüllt. Gleichzeitig wird ein Gasgemisch aus Wasserstoff + Sauerstoff (oder statt reinem Sauerstoff, mit Luft) gefüllt und die Zündung kann erneut erfolgen (1).
• Der Druck ist hier recht hoch und vor allem die Druckimpulse werden mit gleich hohem Druck abgegeben, bei gleicher Knallgas-Menge. Hinzu kommt, dass die Druckwerte, beliebig einstellbar sind. Falls höhere Druckwerte gebraucht werden, z.B. weil eine größere Strahlreichweite erforderlich wäre, kann der Druck durch größere Wasserstoff- bzw. Knallgas-Mengen bei der Zündung erhöht werden. Hier wird der Hochdruck auf das Löschmittel durch Brennvorgang der portionierten Mengen des Wasserstoffs erzeugt und ist konstant, unabhängig von der Anzahl der abgegeben Impulse, solange der Wasserstoffvorrat reicht. Der Wasserstoff wird in eine Vorratskammer (eine Kartusche oder Druckbehälter) 13 gelagert oder durch Elektrolyse unmittelbar vor dem Einsatz erzeugt. Den durch Elektrolyse gewonnen Wasserstoff kann man direkt beim Einsatz verwenden oder noch besser unmittelbar davor in einem Druckbehälter oder Vorratsflasche mehr oder weniger komprimiert zwischenlagern.
• Die Vorrichtung kann direkt mit einem Elektrolyse-Gerät 14 ausgestattet werden, das Wasser in chemischen Bestandteilen spalten kann (2). Alternativ wäre auch ein Elektrolyse-Gerät in Form einer Basis-Station 15, an der die Wasserstoff-System-Hochdruckpumpe kurz angeschlossen wird, bis der Wasserstoff-Vorrat in die Pumpe bzw. Pumpen-Vorrats-Behälter übertragen wird (3). Der Wasserstoff kann einige Stunden oder unmittelbar vor dem Einsatz erzeugt werden und in einem Behälter aufgesammelt werden. In der Regel würde die Menge für einen kurzen Betrieb reichen, wenn das Elektrolyse-Gerät ein paar Stunden davor eingeschaltet wird. Mit einem Hochstrom aus einer eingebauten Lithiumzelle oder noch besser aus einer externen Versorgung / Stromleitung kann schnell eine brauchbare Menge an Wasserstoff innerhalb von 30 Minuten gewonnen werden. Die Elektrolyse-Methode bringt Vor- und Nachteile mit. Vorteilhaft wäre, dass der Wasserstoff relativ schnell zu Verfügung wäre, was eine Unabhängigkeit von externen Wasserstoff-Versorgern bedeuten würde. Nachteilig ist, dass die Wasserstofferzeugung eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Kleinere Wasserstoffmenge können zwar innerhalb von einigen Minuten erzeugt werden, allerdings würde die Menge nur für ein paar Impulse reichen. Mit Hochleistungs-Elektrolyse-Geräten ist natürlich deutlich schneller der Wasserstoff zu Verfügung hergestellt. Wenn ein kleines Elektrolyse-Gerät länger (z.B. eine halbe Stunde) vor dem Einsatz eingeschaltet wird, dann ist die Wasserstoffmenge, die dabei erzeugt wird, relativ groß und für einige hunderte Impulsen ausreichend. Natürlich es ist bekannt, dass das reine Wasser mit eine kleine Menge aus einem Additiv versehen soll, um die Elektrolyse zu optimieren (z.B. eine kleine Menge an eine Säure oder Salz oder Lauge) und das wird hier auch angewendet.
• Um der Erhöhung der Widerstand in den Elektroden entgegenzuwirken, wird ein kleiner Schwingelement 16 (z.B. eine elektromagnetische Schwingspule) mit einem schwingenden Körper 17 oder mit einer Schwing-Membrane 18, die ähnlich wie bei einem Lautsprecher konstruiert ist oder ein Piezo-Lautsprecher 19 in das Wasser bei der Elektrolyse unmittelbar in der Elektrodennähe eingetaucht. Durch die Schwingungen, z.B. mit 30-1000Hz, werden die Gas-Bläschen 20, die an den Elektroden 21 während der Elektrolyse haften, gelöst und nach oben schwimmen (4). Die Schwingungen müssen nicht permanent erzeugt werden. Es reichen kurze Aktivierungen an Zeitabständen, um das zu erreichen. Dadurch spart man auch den Strom, der dafür angewendet wird. Gegebenfalls können auch die Elektroden 21 selbst mit Schwingelemente 16 oder Schwingspulen 22 mechanisch gekoppelt werden, die diese in kleinen Zeitintervallen kurz durch Vibrationen „schütteln“, wodurch die Gasbläschen nach oben aufsteigen. Auch Piezoelemente 23 sind dafür auch gut geeignet (5). Die direkten Schwingungen sind optimal, um die Bläschen nach oben schwimmen zu lassen. Die einfachste Variante wäre die Elektroden am oberen Ende, das über den Wasserpegel steht, mit einem Eisenteil 24 oder einem kleinen Magneten (z.B. Magnetstab) 25 zu verbinden. Eine kleine Elektromagnetspule 26 in der Nähe oder drauf gestülpt, die mit einem Wechselstrom angetrieben wird, bringt die Elektrode dann in die Längsachse zum Schwingen (6). Die Amplitude kann relativ klein sein (z.B. 1mm oder weniger). Ein paar kleine Führungsringe 27 aus Kunststoff in dem Wasserbad 28, die fest eingebaut sind, in denen die Elektroden eingeführt sind, erlauben eine Bewegung der Elektroden in die Längsachse, aber dennoch halten diese an Ort und Stelle. Die Bewegung der Elektroden in deren Längsachse ist zwar sehr klein, aber die Luftbläschen können nicht mehr haften und steigen nach oben auf. Die Vibrationen sollen nicht unbedingt permanent erzeugt werden, sondern können in Zeitintervallen erzeugt werden. Z.B. alle 20 Sekunden eine Vibrationsdauer von 0,3 - 0,8 Sekunden würde schon reichen, um die Elektrode von Gasbläschen zu befreien. Eine elektronische Zeitschaltung oder Zeitsteuerung kann automatisch die Vibrationen steuern. Es reicht aber die Schwingungen auch einfach auf das Wasser zu übertragen, um die Bläschen aufsteigen zu lassen. In dem Fall kann auch Ultraschall zum Einsatz kommen.
• Der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse wird unterschiedlich angeben und beträgt ca. 60 bis 90%. Der Wirkungsgrad kann durch Vibrationselemente ebenso etwas gesteigert werden. Durch Verwendung von speziellen Katalysatoren, welche die Wissenschaftler aus der MIT vor kurzem erfunden haben, kann der Wirkungsgrad fast bis zu 99% erhöht werden.
• Der Antrieb für diese Hochdruckpumpe ist ähnlich wie bei einem ein Puls-Triebwerk konzipiert. Allerdings wird hier nicht die kinetische Energie des explosionsartig expandierenden Gases (Knallgases) 3für die Erzeugung einer Schubkraft benutzt, sondern vielmehr dessen Potentiale Energie zum Zündzeitpunkt direkt auf das Wasser / Fluid abgegeben wird, dass wiederum eine kinetische Energie dadurch gewinnt. Die Potentiale Energie, die durch den erzeugten Explosions-Druck aufgebaut wird, wird aus der Brennkammer 2 in die Fluidkammer 29 weitergegeben und dort das Fluid, z.B. das Wasser mit hoher Geschwindigkeit verdrängt. Dadurch wird ein Fluid- / Wasserstrahl erzeugt, der aus der Abflussleitung herausströmt. Sobald die Druckkammer leer wird und der Druck stark nachgelassen hat, wird das Sperrventil 11 geöffnet und die Fluidkammer 29 wieder mit Fluid blitzschnell befüllt. Für eine fast unterbrechungsfreie Impulsabgabe auf das Fluid, kann die Vorrichtung doppelt gebaut werden. Dadurch, dass mehrere Brennkammern eingebaut sind, wird der Zeitpunkt der fehlenden Antriebs-Kraft durch eine andere Brennkammer kompensiert, die im Betrieb geht während einer inaktiven Phase der anderen Brennkammer. Durch die wechselhafte Aktivierung der Brennkammer wird gewährleistet, dass allgemein ein Hochdruck-Löschmittelstrahl nahezu mit unterbrechungsfreien Druck bzw. permanent erzeugt und aufrechterhalten wird.
• Die Vorrichtung aus der 7 funktioniert ähnlich wie eine Kolbenpumpe, allerdings die Kolbenbewegung wird durch Knallgas-Zündungen bewirkt. Ein Kolben, der drin eingebaut ist, trennt die Brennkammer in zwei Teilen: in eine Brennkammer 2 und in eine Fluidkammer 29. Sobald das Knallgas in die Brennkammer 2 gezündet wird, wird der Kolben 30 in Richtung der Fluidkammer 29 verschoben und dadurch ein Druck dort auf das Fluid erzeugt wird.
• Weil die Elektrolyse seit fast 200 Jahren bekannt ist, sind auch durch zahlreiche empirische Versuche und Industrie-Gewinnung von Wasserstoff, die Vorgänge und Stromwerte dafür bekannt. Um einen dm³ an Wasserstoff zu erzeugen, benötigt man ca. 5Wh Strom. Mit mehreren parallel laufenden Elektrolyse-Zellen kann die Wasserstoffgewinnung ziemlich schnell erfolgen. Pro Zelle können z.B. 1,9V und 2,63A zu Verfügung gestellt werden. Eine Komprimierung des Wasserstoffvorrats kann von Vorteil sein, weil dann der Vorratsbehälter etwas kleiner gestaltet werden könnte, ist allerdings nicht unbedingt notwendig. Man kann den Wasserstoff auch in einem luftballonähnlichen Behälter für ein paar Stunden gut aufbewahren. Wasserstoff zündet sich nicht, solange er nicht mit Sauerstoff oder Luft (damit ist darin die enthaltene Sauerstoff gemeint) vermischt wird, somit ist es relativ sicher den aufzubewahren.
• Die 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung besteht aus einem kompakten kleinen Gehäuse 1, in dem das Hochdruckerzeugungs-System eingebaut ist, dass einen Hochdruck auf dem Fluid erzeugt. Die Druckerzeugung ist unabhängig von dem Zuflussdruck. Somit kann mit der Vorrichtung auch eine nahezu drucklose Leitung angeschlossen werden. Die Vorrichtung ist eine Art H²-Booster, der einen extrem hohen Druck erzeugt, deren Werte z.B. zwischen 5 und 1000 Bar oder noch höher betragen können. Die Druckenergie wird in eine Kammer erzeugt, die teilweise mit Fluid und Knallgas gefüllt wird. Das Knallgas schwebt über das Fluid und wird in eine Kuppe 31 oben aufgesammelt. Das Gasgemisch, bzw. Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft) / Knallgas, wird durch eine elektrische Vorrichtung, bestehend aus einem Hochspannungserzeuger 32 und Hochspannungselektroden 6 gezündet. Als Energiequelle 33 kann ein Akku oder auch ein Stromanschluss sein. Das Knallgas expandiert und der Druck wird auf das Fluid übertragen und eine blitzschnelle Verdrängung findet statt. Auf diese Weise wird ein Hochdruckimpuls auf das Fluid abgebeben, der diesen mit sehr hoher Geschwindigkeit durch eine Fluidleitung (Schlauch oder Rohr) bewegt. Dies ist die einfachste Variante, weil relativ wenige Elemente und kaum bewegliche Teile eingebaut sind.
• Die Variante mit einem Ventil ist auf der 9 dargestellt worden. Hier wird die Brennkammer 2 durch einem Ventil oder Schließklappe 34 in zwei Teilen getrennt: in eine Brennkammer 2 und eine Fluid-Kammer bzw. Fluidkammer 29. Das Ventil ist vielmehr eine Klappe, ein Flatterventil 35 oder ein Klappen-System, das das Strömen nur in eine Richtung erlaubt. Die Brennkammer ist mit einer Kartusche oder einen kleinen Vorrats-Tank (Druck-Behälter) 13 mit Wasserstoff gefüllt, gekoppelt. Von dort aus wird durch einen Ventil 36 dosiert eine kleine Menge Gas oder Wasserstoff in die Brennkammer fließen, die dann teilweise auch mit Frischluft befüllt und vermischt wird. Die Frischluftzufuhr erfolgt von selbst über ein nach unten gerichtetes Rohr 37 mit einer Schließklappe 38 (oder Flatterventil), die nur Frischluft-Einströmen zulässt oder durch ein zweites Ventil. Denkbar ist auch eine kleine Hohlsphärischen-Schleuse 39 einzubauen, die mit eine kleinen Öffnung 40 versehen ist und wie ein Kugelgelenk in eine Kugelpfanne 41 sich dreht. Sobald die Hohlsphäre mit der Öffnung nach außen zeigt, wird sie mit Frischluft gefüllt. Sie wird dann so gedreht, dass die Öffnung nach innen in die Brennkammer zeigt. Auf diese Weise wird Frischluft in proportionierte Mengen in die Brennkammer gebracht und mit Wasserstoff vermischt (10). Die Hohlsphäre kann elektrisch durch Elektromagnetspulen 42 außen und einem magnetischen Bereich 43 in die Hohlsphäre eingebaut, gedreht werden. In die Wand der Brennkammer ist mindestens eine Hochspannungs-Elektrode 33 eingebaut. Ein Hochspannungsgenerator 32 befindet sich außerhalb der Kammer in einem wasser-geschütztem Kapsel-Gehäuse 44 und ist elektrisch mit der Elektrode gekoppelt. Um eine Hochspannung mit sehr kleinen, kompakten Elementen zu erzeugen, gibt es heutzutage eine Vielzahl von Möglichkeiten. Der Hochspannungsgenerator kann eine batterielose Piezo-Schaltung, wie sie in vielen Feuerzeugen vorkommt oder eine elektronische Kaskaden-Schaltung sein, die über kleine Kondensatoren und Dioden eine Spannung aus einer Energie-Quelle vervielfältigt. Solche Schaltungen sind relativ kompakt, klein und funktionieren mit wenig Energie. Über eine Kipp-Schaltung wird ein Impulsstrom oder Wechselstrom erzeugt, der dann über die Kaskade weitergeleitet wird, die die Spannung stufenweise erhöht. Man kann auch Hochspannungsgeneratoren einbauen, die über kleine Transformatoren die Hochspannung erzeugen. Die batterielose Variante mit einem Piezoelement-Funken-Erzeuger wäre eine optimale Lösung wenn man den Druck nur in wenigen Impulsen erzeugen muss, aber nicht als Dauereinsatz-Hochdruckpumpe geeignet.
• Über einem Schalter 45 kann der Hochspannungs-Generator ein und ausgeschaltet werden. Die Hochspannungs-Stromimpulse werden dann synchron mit den Brennphasen abgegeben, was durch die Überwachung der Wasserstoff-Einspritzung in die Brennkammer erfolgt. Um das Zurückfließen des Fluiden in die Zuflußleitung zu verhindern, kann z.B. ein Sperrventil oder Flatterventil eingebaut werden. Sobald das Gas, vorzugsweise Wasserstoff in die Brennkammer gelangt und dort sich mit Frischluft vermischt, wird es durch einen Hochspannungs-Funken gezündet. Das erzeugt kurzzeitig einen enorm hohen Druck, der das Flatter-Ventil (oder eine Schliessklappe) 35 öffnet und den Druck auf das Fluid überträgt. Weil das Fluid nicht zurück in dem Schlauch fließen kann (das wird durch einem Durchflussventil / Sperrventil verhindert), wird es blitzartig verdrängt und durch die Abflussleitung nach außen von der Brennkammer beschleunigt. Das Flatterventil (oder die Schliessklappe) schließt sich mit dem Druckabfall wieder zu bzw. sobald ein bestimmter Druck-Abfall in die Brennkammer erreicht wird. Dazu ist keine elektrische Steuerung notwendig. Die Schließklappen 34 schließen alleine durch eine Federkraft wieder zu. Der Vorgang kann wieder von neu anfangen. Dieser Prozess wiederholt sich in sehr kurzen Zeitabständen. Die Fluidkammer (Druckkammer) wird mit Fluid durch die Zuflußleitung 8 gefüllt. Die Füllmenge wird durch die Fluidkammer-Grösse bestimmt. Wenn eine Schliessklappe zwischen der Brennkammer und der Fluidkammer eingebaut ist, dann sollte die Brennkammer 2 über die Fluidkammer 29 eingebaut werden. Die Schliessklappe kann aus einem schwimmfähigem Material gebaut werden oder mit einem Schwimmkörper ausgestattet werden, der diese zum automatischen Schließen zwingt, sobald die Fluidkammer voll wird und das Fluid zum Überlaufen in die Brennkammer droht.
• Die Hochspannungs-Impuls Abgabe kann zwar über einen manuellen Schalter 45 von dem Benutzer gesteuert werden, allerdings für einen Dauereinsatz sollte das automatisch durch eine elektronische Schaltung gesteuert werden, die einen Funken in kleinen Zeitabständen erzeugt, bzw. synchron mit der Füll-Vorgang in die Brennkammer läuft. Es werden kleine Fluid-Mengen, die Impulsartig mit extrem hohen Druck abgegeben werden, hintereinander abgegeben. Alle Elemente dieser Vorrichtung sind in einem kleinen kompakten Gehäuse 1 eingebaut, die nur ein paar hundert Gramm wiegt. Bei der Verwendung von batteriebetriebene Varianten, die Energie-Quelle für den Hochspannungs-Generator kann eine kleine, wieder aufladbare Lithium-Batterie sein, die ähnlich kompakt wie ein Handy-Akku gebaut ist. Der Wasserstoff, der durch Elektrolyse gewonnen wird, kann in einem kleinen, elastischen Behälter 46 zwischengelagert werden. Z.B. eine 4500ml Volumen von H² kann für mehrere hunderte Impulse reichen, je nachdem wie viel Wasserstoff pro Impuls verbraucht wird.
• Auf der 9, an der Stelle, wo die Kammer in zwei Teilen getrennt ist, ist ein Flatterventil eingebaut. Das Flatterventil regelt automatisch den Schließ-Vorgang, das abhängig von den Druckwerten in den getrennten Kammer-Teilen ist. Das Flatterventil 35 erlaubt einen Durchfluss in nur eine Richtung. Im konkreten Fall es regelt die Flussrichtung des expandierenden Gases während des Brennvorgangs. Es strömt nur in eine Richtung: von Brennkammer 2 auf die Fluid-Kammer (Druckkammer) 29 und nicht umgekehrt. Alternativ kann auch hier, wie bei der 10, ein rotierendes, halbzylindrisches oder hohlsphärisches Gebilde mit einem Loch, das elektrisch drehbar ist oder ein elektrisch steuerbares Ventil eingebaut werden. In dem Fall müsste es so synchron gesteuert werden, dass je nach Ansprechzeit genau zum Zündzeitpunkt oder unmittelbar davor geöffnet, damit die heiße Gase den Druck auf das Löschmittel übertragen. Um den Rückstoß zu mildern kann ein Doppel-Gehäuse verwendet werden, die hohlzylindrisch gebaut sind und in einander gesteckt sind, die mit Hilfe von Federelementen miteinander gekoppelt sind.
• Die Variante, die in der 11 dargestellt ist, weist anstatt des Ventils einen Piston auf, der die Kammer in zwei Teilen trennt: in eine Brennkammer und eine Fluidkammer. Durch eine Rückstellfeder 47 oder einem Magneten 48 kann das Piston 30 z.B. mittig in die Kammer positioniert werden. Das Piston kann allerdings die Kammer in beliebige Größe aufteilen, bzw. je nachdem wie viel Druck benötigt wird, kann die Knallgas-Kammer (Brennkammer) grösser werden, wenn das Piston nach vorne geschoben wird. Sobald die erste Kammer mit Wasserstoff + Luft Gemisch gefüllt ist und die zweite Kammer mit Fluid, wird eine Zündung des Wasserstoffs bzw. Knallgases eingeleitet. Die dabei erzeugte Druckkraft schiebt den Kolben (das Piston) blitzartig nach vorne und somit verdrängt das Fluid aus der zweiten Kammer in Abfluss Richtung. Das Rückfliessen des Fluides in die Zuflußleitung wird durch ein Sperr-Ventil 11 verhindert. Bei der Variante mit dem Piston kann eine rohrförmige Kolbenstange 49, durch das das Fluid in der Fluid-Kammer 29 ankommt, eingebaut werden. Der Explosions-Druck des gezündeten Knallgases (oder ein anderes Gases) wird großteils auf das Fluid in die Fluid-Kammer übertragen. Das Fluid wird mit extrem hohem Druck aus der Fluid-Kammer verdrängt. Das Piston wird durch eine Rückstellfederkraft, einem Magnetring in die Hülle oder durch den Druck des wieder zufließenden Fluiden in die Fluid-Kammer, in seine Ausgangsposition zurück geschoben und der Vorgang kann wieder von neuen anfangen. Ein ganzer Zyklus kann Bruchteile von Sekunden dauern, was die Anzahl der Impuls-Abgaben erhöhen kann. Es wäre praktisch leicht realisierbar z.B. eine Impuls-Frequenz von ca. 0,2 bis 250Hz zu erreichen. Über einem Regler kann die Impulsanzahl gesteuert werden. Bei einer Impuls-Abgabe von ca. 130ml Fluid mit einer Frequenz von 3 - 12Hz wäre z.B. eine Hochdruckreinigungsanlage damit gut bedient.
• Die Variante auf der 12 weist eine elastische Membrane / Trennmembrane 51 auf, die die Kammer in zwei Teilen trennt. Die Trennmembrane ist z.B. mit konzentrischen Falten 52 ausgestattet (wie die Spulenmembrane eines Lautsprechers) und ist dadurch dehnbar. Natürlich ist aus einem hitzebeständigem Material hergestellt. Sobald der Wasserstoff-Gemisch (Knallgas) auf der hinteren oder oberen Teil der Kammer gezündet wird, dann wird der Druck die Membrane schieben / ausdehnen und somit einen Druck auf das Fluid, das auf der anderen Kammer sich befindet, ausüben. Es folgt eine blitzschnelle Verdrängung des Fluiden und eine impulsartige Fluid-Strömung schießt aus der Abfluss-Leitung heraus aus der Kammer. Sobald die Fluid „Portion“ abgegeben worden ist, und weil die Membrane radial mit ihren Rand in die Kammer-Wand befestigt ist, kehrt die Membrane wieder in Ausgangsposition zurück.
• Die Varianten mit dem Piston und die mit der Trennmembrane sind optimal auch als Luftkompressoren geeignet. Wenn man in die Fluid-Kammer statt einer Flüssigkeit nur Luft einströmen lässt, dann kann die Luft durch Kolben oder Membrane komprimiert werden sobald Knallgas-Explosionen in die Brennkammer stattfinden. In dem Fall würde Sinn machen, die Arbeitsfläche des Kolbens auf der Seite, wo die Brennkammer sich befindet, kleiner zu gestalten, als die Kolben-Fläche in die Luft-Kammer. Auf diese Weise ist es möglich, mehr Luft pro Kolbenbewegung zu pumpen und zu komprimieren. Allerdings ist der Druck des komprimierten Lufts niedriger.
• Anstatt das Elektrolyse-Gerät 14 direkt in die Hochdruckpumpe einzubauen, kann man es als Basis-Station 15 konzipieren, an dem der Wasserstoff produziert und zumindest kurzfristig gelagert wird. Sobald man die Pumpe damit verbindet, wird der Wasserstoff transferiert. Wenn man elastische Behälter, ähnlich wie Luftballons verwendet, dann kann man diese direkt an Elektrolyse-Gerät verbinden und sobald diese mit Wasserstoff gefüllt sind, entkoppeln und an die Hochdruckpumpe anschließen. Der Austausch von verbrauchten bzw. leer gewordenen Wasserstoff-Behältern sollte einfach sein, damit während eines Einsatzes der Pumpe, der Benutzer diese problemlos austauschen kann. Der Wassersoff-Behälter kann wie ein Luftballon konzipiert werden. Vorteilhaft wäre dabei, auch der erzeugte leichte Druck durch die dehnbare Hülle des Ballons, der eine einfache Wasserstoffströmung in die Brennkammer ermöglicht.
• Die Hochdruckerzeugung direkt in dem Gerät eingebaut, bringt einige Vorteile mit sich. Weil das Gerät recht klein, kompakt und leicht gebaut ist, kann er problemlos während des Einsatzes in die Hand, wie eine Hochdruckstrahldüse gehalten werden. Somit sind keine Hochdruckschläuche notwendig, weil der Hochdruck nicht über Schläuche aus einer herkömmlichen Hochdruckpumpe übertragen wird, die in einem größeren Gerät eingebaut wäre, sondern direkt in dem Gehäuse, die auch wie eine Hochdruckdüse dient, erzeugt. Daher ist das Gewicht der Schläuche auch geringer. Weil der Hochdruck durch Brennvorgang des Wasserstoffs erzeugt wird, wird der Druck impulsartig generiert. Der Wasserstoff wird in eine Vorratskammer oder dehnbaren Behälter / Luftballon gelagert oder durch Elektrolyse unmittelbar vor dem Einsatz erzeugt und in eine Vorratsflasche damit unter normalen Druck oder komprimiert gefüllt.
• Weil Wasserstoff sich leicht verflüchtigt, sollte man ihn nicht Monate vorher erzeugen und dann in einem Druckbehälter aufbewahren. Metallbehälter können zwar recht Lange den Wasserstoff aufbewahren, sind aber etwas schwerer. Ein paar Tage oder sogar Wochen vorher, dürfte eine Zwischenspeicherung und Lagerung auch in anderen Behältern aus leichtem Material problemlos gelingen.
• Vorteilhaft ist die Erfindung wegen der kompakten, leichten Bauweise. Diese Eigenschaften ermöglichen einen Einsatz in verschiedenen Bereichen. Durch eine parallele Schaltung von mehreren solchen Vorrichtungen, die synchronisiert arbeiten, deren Ausgänge in eine einzige Leitung einmünden, kann man etwas konstantere Druckwerte erzeugen. Während eine der Vorrichtungen, die eine Einheit bildet, in Vorbereitungsphase für die Zündung sich befindet, könnte eine andere Einheit die Zündung schon begonnen haben. Auf diese Weise können die Einheiten somit auch während der Toten Phasen gegenseitig sich unterstützen und einen Druck aufrechterhalten. Somit werden die drucklosen Phasen gegenseitig kompensiert und überwunden.
• Der Einsatz dieser Erfindung kann in jede denkbare Maschine, die einen Druck erzeugen muss, erfolgen. Z.B. als Pumpe für das Wasserpumpen in einem Speicherbecken, Fliess-Beton-Förderpumpe, Jetantriebs-Pumpe für Wasserfahrzeuge, Hochdruckreiniger, Autowaschanlagen, etc. Wenn in die Fluidkammer anstatt von Flüssigkeit, Luft oder ein Gas eingesaugt wird, kann damit sehr gut auch Luft / Gas komprimiert werden, somit auch als Luftkompressor gut geeignet. Auch als Druck-Impulsgeber in IndustrieAnlagen verwendbar, wenn z.B. Rohrleitungen befreit werden müssen. Die Vorrichtung kann in dem Fall höchsteffektiv eingesetzt werden.
• Natürlich wird bei allen Varianten die optimale Mischproportion von Wasserstoff und Sauerstoff oder Wasserstoff und Frischluft berücksichtigt bzw. eingeleitet. Wenn zu wenig Sauerstoff in Gasgemisch in die Brennkammer sich befindet, wird der Brennvorgang nicht vollständig stattfinden und die Druckenergie nicht optimal entfaltet. Die Anzahl der Wasserstoff-Moleküle, die sich mit den Sauerstoff-Molekülen verbinden, um Wasser (Wasserdampf) daraus zu gewinnen, sowie der Sauartstoffanteil in der atmosphärischen Luft sind ja bekannt. Deswegen ist ein optimales Mischverhältnis nicht schwer zu berechnen. Die Proportionierung der Wasserstoff-Menge ist relativ einfach durch eine Ventilsteuerung oder Einspritz-Vorrichtung gewährleistet. Diese kann z.B. in Form einer elektrisch angetriebenen Spritze gestaltet werden. Die würde eine kleine Menge Wasserstoff in die Brennkammer einspritzen, in der vorher Frischluft eingesaugt wäre.
• Die Vorrichtung ist vergleichsweise leicht, klein und liefert eine gute Leistung. Sie kann in sehr vielen Bereichen als Fluid-Pumpe eingesetzt werden, wo das Leicht-Gewicht von Vorteil wäre. Sie kann als mobile Pumpe für Wasserbeförderung in einem Pool, Haus, Garten oder auch in eine Feuerlösch-Düse oder Mehrzweckstrahlrohre eingesetzt werden. In dem Fall wäre die Feuerlösch-Düse mit einem Impuls-Strahl-Triebwerk ausgestattet, wodurch der Hochdruck auf das Löschmittel nicht über eine Wasser-Schlauchleitung, sondern in einem kleinem Gehäuse erzeugt wird, das direkt mit der Düse gekoppelt ist. Das Löschmittel strömt in Form von Impulsstrahlen aus der Düse heraus und trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Brandstelle. Auf diese Weise wird der Brand zuverlässig mit wenig Löschmittel / Löschwasser bekämpft.
• Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Brennkammer

3

Knallgas / brennbares Gas

4

Fluid

5

oberer Teil der Kammer

6

Hochspannungselektrode

7

Wasserabweisende Beschichtung

8

Zuflußleitung

9

Hoch-Spannungsfunken

10

Hochspannungsquelle

11

Sperrventil

12

Abflussleitung

13

Vorratskammer / Kartusche oder Druckbehälter

14

Elektrolyse-Gerät

15

Basis-Station

16

Schwingelement

17

Schwing-Körper

18

Schwing-Membrane

19

Piezo-Lautsprecher

20

Gas-Bläschen

21

Elektroden

22

Schwingspulen

23

Piezoelemente

24

Eisenteil

25

kleine Magneten (z.B. Magnetstäbe)

26

Elektromagnetspule

27

Führungsringe

28

Wasserbad

29

Fluidkammer

30

Kolben

31

Kuppe

32

Hochspannungserzeuger

33

Akku

34

Ventil oder Schließklappe

35

Klappe / Flatterventil

36

Ventil für H²

37

Rohr

38

Schließklappe / oder Flatterventil

39

Hohlsphärische-Schleuse

40

Öffnung

41

Kugelpfanne

42

Elektromagnetspule

43

Magnetischer Bereich in die Hohlsphäre

44

Kapsel-Gehäuse

45

Schalter

46

Elastischer Behälter

47

Rückstellfeder

48

Magneten

49

Rohrförmige Kolbenstange

50

Zufluss-Öffnung

51

Membrane / Trennmembrane

52

Konzentrische Falten

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012202720 A1 [0005]
• DE 102012201035 A1 [0006]
• EP 3368764 B1 [0007]
• DE 102010027745 A1 [0008]
• DE 102013215956 A1 [0009]

Claims (19)

1. Hochdruckpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem kompakten Gehäuse besteht, in dem mindestens - ein Elektrolyse-Gerät, das Wasser in chemischen Bestandteile spalten kann, - eine Fluidkammer, in der eine portionierte Menge eine Fluides aus einer Zufluss-Leitung einfließt, - eine Brennkammer, in der Wasserstoff in portionierten Mengen aus dem Elektrolyse-Gerät oder aus einem Vorrats-Behälter sowie Frischluft hineinströmen kann, die direkt oder durch einem Trenn-Element druckübertragend mit der Fluid-Kammer verbunden ist, - Hochspannungs-Elektroden in die Brennkammer und eine Hochspannungs-Quelle, die mit der Elektroden und eine Steuerung oder Schalter gekoppelt ist, - ein Ventil-, oder Rückschlag-Ventil oder Klappen-System, das die Strömung des expandierenden Knallgases beim Zündung und das Fließen des Fluides nur in eine Richtung, von Fluid-Kammer zu eine AustrittsÖffnung zulässt und ein Rückfliessen des Fluides in seine Zufluss-Leitung verhindert, eingebaut ist.
2. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt von Ventil- oder Klappen-System, ein oder mehrere Flatterventile eingebaut sind.
3. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Energiequelle ausgestattet ist.
4. Hochdruckpumpe nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben, der die Brennkammer und die Fluidkammer voneinander trennt, eingebaut ist.
5. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt von Kolben eine elastische Membrane aus einem hitzebeständigem Material, die mit ihren Rand in die Kammer-Wand befestigt ist, eingebaut ist.
6. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane konzentrische Falten aufweist, durch die, sie dehnbar gestaltet ist.
7. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorratsbehälter für den Wasserstoff ein elastischer oder dehnbarer Behälter oder eine Art Luftballon-ähnliches Gebilde eingebaut ist.
8. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Abgabe am Ausgang der Vorrichtung in portionierten Mengen in Form von Impulsstrahlen erfolgt, die durch Wasserstoff-Gemisch- / Knallgas-Explosion bewirkt wird.
9. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl oder die Frequenz oder die Repetitionsrate der Impulsstrahlen manuell durch einen Schalter oder automatisch durch einen Regler beliebig oder stufenweise über den Hochspannungsgeber steuerbar ist.
10. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mit einer Gas- oder Wasserstoffleitung verbindbar ist.
11. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Elektrolyse-Gerät, das Wasser in chemischen Bestandselementen spaltet und diese Gase zu Verfügung für die Zündung und Erzeugung des Hochdrucks auf das Fluid, stellt, ausgestattet oder gekoppelt ist.
12. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein kleines Schwingelement, das in dem Elektrolyse-Gerät eingebaut ist, das durch Schwingungen die Gas-Bläschen aus den Elektroden auflockert und aufsteigen lässt, wodurch der Erhöhung der Strom-Widerstand in den Elektroden entgegenwirkt, ausgestattet ist.
13. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement eine elektromagnetische Schwingspule ist, die mit einem schwingenden Körper oder mit einer Membrane verbunden ist oder ähnlich wie ein kleiner Lautsprecher konstruiert ist, die in das zu spaltendes Wasser oder unmittelbar in der Elektrodennähe eingetaucht ist oder direkt mit den Elektroden gekoppelt ist.
14. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement ein Piezo-Element ist, das in das zu spaltendes Wasser eingetaucht ist oder direkt mit Elektroden gekoppelt ist.
15. Hochdruckpumpe nach einem der Patentansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuerung eingebaut ist, die mit dem Schwingelement gekoppelt ist, die so programmierbar ist, das sie das Schwingelement permanent oder in Zeitintervallen steuert.
16. Hochdruckpumpe nach einem der Patentansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Luft ist und die Vorrichtung als Luftkompressor funktioniert.
17. Hochdruckpumpe nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt von Knallgas, ein anderes brennbares Gas verwendet wird.
18. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 17,, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, Propan- oder Butangas ist und in einem kleinem Behälter oder Tank angebracht ist, der mit der Vorrichtung mechanisch verbunden ist und über eine Rohrleitung und einem Elektroventil mit der Brennkammer gekoppelt ist.
19. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer direkt über die Fluidkammer eingebaut ist oder die beiden Kammern eine Einheit bilden, in der der obere Bereich als Brennkammer und das untere als Fluidkammer konzipiert sind.

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