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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Pumpe und insbesondere eine zweistufige Kryopumpe.
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Hintergrund
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Mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Motoren sind in zahlreichen Anwendungen üblich. Zum Beispiel kann der Motor einer Lokomotive mit Erdgas (oder einem anderen gasförmigen Kraftstoff) allein oder durch ein Gemisch von Erdgas und Dieselkraftstoff betrieben werden. Erdgas kann besser verfügbar und kostengünstiger als Dieselkraftstoff sein. Darüber hinaus kann Erdgas in bestimmten Anwendungen sauberer verbrennen und weniger Treibhausgase erzeugen.
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Wenn Erdgas in einer mobilen Anwendung verwendet wird, kann es in flüssigem Zustand an Bord der zugehörigen Maschine gelagert werden. Dies kann erfordern, dass das Erdgas bei kalten Temperaturen gelagert werden muss, in der Regel etwa –100 bis –162 °C. Das Flüssigerdgas wird dann aus dem Tank durch Schwerkraft und/oder eine Verstärkerpumpe abgezogen und an eine Hochdruckpumpe geleitet. Die Hochdruckpumpe erhöht einen Druck des Kraftstoffs weiter und leitet den Kraftstoff an den Motor der Maschine. In einigen Anwendungen kann der flüssige Kraftstoff vor der Einspritzung in den Motor vergast und/oder mit Dieselkraftstoff (oder einem weiteren Kraftstoff) vor der Verbrennung gemischt werden.
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Ein Problem in Verbindung mit Pumpen, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten, stellt das schlagartige Sieden des Erdgases durch die niedrigen Drücke dar, die bei den Rückstellhüben der Pumpenkolben auftreten. Um solche niedrigen Drücke zu vermeiden, und dadurch das schlagartige Sieden des Erdgases zu vermeiden, umfassen typische Kryopumpensysteme entweder Kolben mit großen Durchmessern, die sich langsam bewegen und an dem Boden eines Kraftstofftanks angeordnet sind, um den Druck zu minimieren, oder die Systeme umfassen eine zusätzliche Verstärkerpumpe, die einen Druck des Fluids, das an den Kolben einer separaten Hauptpumpe geleitet wird, erhöht. Die Verwendung von Kolben mit großen Durchmessern führt jedoch zu großen, schweren und teuren Pumpen, die Hochdruckspitzen in stromabwärtigen Komponenten verursachen (z. B. in Akkumulatoren, die Fluid von den Pumpen sammeln). Die Druckspitzen zu kompensieren kann komplex und teuer sein (z. B. zusätzliche Komponenten, wie etwa Regler, erfordern). Das Einbeziehen einer zusätzlichen Verstärkerpumpe kann die Kosten des Pumpsystems erhöhen und auch die Zuverlässigkeit des Systems verringern.
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Eine beispielhafte Pumpe ist in dem
US-Patent Nr. 5,464,330 (dem
’330-Patent ) offenbart, das am 7. November 1995 an Prince et al. erteilt wurde. Insbesondere umfasst die Pumpe des ’330-Patents einen Tank und drei Zylinderblöcke, die in dem Tank angeordnet sind. Jeder Zylinderblock weist eine erste Zylinderstufe und eine zweite Zylinderstufe auf, wobei jeweils ein zugehöriger Kolben in jeder der ersten und zweiten Zylinderstufen angeordnet ist. Eine Kurbelwelle erstreckt sich in den Tank und umfasst einen Exzenternocken, gegen den der Kolben der ersten Stufe vorgespannt ist. Der Kolben der zweiten Stufe schwimmt frei in der zweiten Zylinderstufe.
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Während eines Saughubs des Kolbens der ersten Stufe des
330-Patents wird Hydrauliköl in die erste Zylinderstufe an einem ersten Rückschlagventil vorbei gesaugt. Während eines Verdichtungshubes wird der Kolben der ersten Stufe angetrieben, um das Hydrauliköl aus der ersten Zylinderstufe an einem zweiten Rückschlagventil vorbei in einen Durchgang zu drücken, das für alle Zylinderblöcke in dem Tank gemeinsam vorgesehen ist. Während eines Ansaughubes des Kolbens der zweiten Stufe wird Hydrauliköl von dem Durchgang an einem dritten Rückschlagventil vorbei in die zweite Zylinderstufe gezogen. Während eines Verdichtungshubes des Kolbens der zweiten Stufe wird das Hydrauliköl aus der zweiten Zylinderstufe heraus an einem vierten Rückschlagventil vorbei in einen Auslass gedrückt, der gemeinsam für alle Zylinderblöcke vorgesehen ist. Ein Druck des Fluids in dem Durchgang ist ausreichend, um den Kolben der zweiten Stufe in seine eingefahrene Stellung zu bewegen, da der Kolben der ersten Stufe in seine eingefahrene Stellung federvorgespannt ist.
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Während die Pumpe des
’330-Patents in einigen Hydraulikölanwendungen nützlich sein kann, kann sie in kryogenen Anwendungen nur beschränkt Anwendung finden. Insbesondere könnten die in kryogenen Anwendungen erfahrenen Drücke hoch genug sein, um ein Verwinden der Zylinderblöcke des ’330-Patents zu verursachen. Außerdem könnten die Durchgänge und Rückschlagventile des ’330-Patents für kryogene Anwendungen nicht geeignet dimensioniert sein, was potenziell zum schlagartigen Sieden während der Rückstellhübe der Kolben der ersten und zweiten Stufe führt. Die offenbarte Pumpe zielt darauf ab, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine Pumpe. Die Pumpe kann eine Trommel und ein um die Trommel herum angeordnetes Druckverstärkungsgehäuse umfassen. Die Pumpe kann auch einen Druckverstärkungskolben umfassen, der im Inneren der Trommel angeordnet und dazu ausgestaltet ist, Fluid in das Druckverstärkungsgehäuse abzugeben. Die Pumpe kann des Weiteren einen Hauptkolben aufweisen, der im Inneren der Trommel angeordnet und dazu ausgestaltet ist, Fluid von dem Druckverstärkungsgehäuse zu empfangen und einen Druck des Fluids zu erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine weitere Pumpe. Diese Pumpe kann einen Tank, eine im Inneren des Tanks angeordnete Trommel und ein im Inneren des Tanks angeordnetes Druckverstärkungsgehäuse umfassen. Die Pumpe kann auch einen Druckverstärkungskolben umfassen, der im Inneren der Trommel angeordnet und dazu ausgestaltet ist, Fluid in das Druckverstärkungsgehäuse abzugeben, sowie eine Vielzahl von Einlassdurchgängen, die eine Position im Inneren des Tanks, die von dem Druckverstärkungsgehäuse getrennt ist, mit der Trommel an dem Druckverstärkungskolben verbinden. Die Pumpe kann des Weiteren einen Hauptkolben umfassen, der im Inneren der Trommel angeordnet und dazu ausgestaltet ist, Fluid von dem Druckverstärkungsgehäuse zu empfangen und einen Druck des Fluids zu erhöhen. Eine kombinierte Querschnittsfläche der Vielzahl von Einlassdurchgängen kann etwa gleich dem 0,4- bis 0,7-Fachen einer freien Querschnittsfläche des Druckverstärkungskolbens sein.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine weitere Pumpe. Diese Pumpe kann einen Tank, eine im Inneren des Tanks angeordnete Trommel und ein im Inneren des Tanks und um die Trommel herum angeordnetes Druckverstärkungsgehäuse umfassen. Die Pumpe kann auch einen Druckverstärkungskolben umfassen, der im Inneren der Trommel angeordnet und dazu ausgestaltet ist, Fluid in das Druckverstärkungsgehäuse abzugeben. Die Pumpe kann des Weiteren eine Vielzahl von Einlassdurchgängen umfassen, die eine Position im Inneren des Tanks, die von dem Druckverstärkungsgehäuse getrennt ist, mit der Trommel an dem Druckverstärkungskolben verbinden, sowie zumindest ein Rückschlagventil, das dazu ausgestaltet ist, selektiv die Vielzahl von Einlassdurchgängen zu schließen. Die Pumpe kann zusätzlich einen frei schwimmenden Hauptkolben umfassen, der im Inneren der Trommel angeordnet und dazu ausgestaltet ist, Fluid von dem Druckverstärkungsgehäuse zu empfangen und einen Druck des Fluids zu erhöhen. Die Pumpe kann auch eine drehbare Lastplatte umfassen, sowie eine Schubstange, die mit dem Druckverstärkungskolben verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine wellenförmige Bewegung der drehbaren Lastplatte axial auf den Druckverstärkungskolben zu übertragen. Eine kombinierte Querschnittsfläche der Vielzahl von Einlassdurchgängen kann etwa gleich dem 0,4-bis 0,7-Fachen einer freien Querschnittsfläche des Druckverstärkungskolbens sein. Austritte aus dem frei schwimmenden Hauptkolben können an den Druckverstärkungskolben geleitet werden, und Austritt aus dem Druckverstärkungskolben können in den Tank geleitet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften offenbarten Pumpe im Querschnitt; und
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2 und 3 sind erweiterte Endansichten isometrischer Veranschaulichungen von beispielhaften Abschnitten der in 1 dargestellten Pumpe.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht eine beispielhafte Pumpe 10. In einer Ausführungsform wird die Pumpe 10 mechanisch durch eine externe Leistungsquelle angetrieben (z. B. einen Verbrennungsmotor oder Elektromotor – nicht dargestellt), um eine Hochdruckfluidabgabe zu erzeugen. In der offenbarten Ausführungsform ist das die Pumpe 10 passierende Fluid Flüssigerdgas (LNG). Es wird jedoch auch in Betracht gezogen, dass die Pumpe 10 alternativ oder zusätzlich dazu ausgestaltet sein kann, ein anderes kryogenes Fluid mit Druck zu beaufschlagen und abzugeben, wenn dies gewünscht wird. Zum Beispiel könnte das kryogene Fluid verflüssigtes Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder ein anderes im Stand der Technik bekanntes Fluid sein.
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Die Pumpe 10 kann allgemein zylindrisch sein und in zwei Enden unterteilt sein. Zum Beispiel kann die Pumpe 10 in ein warmes oder Eingangsende 12, in dem eine Antriebswelle 14 drehbar gelagert ist, und ein kaltes oder Ausgabeende unterteilt sein, das zumindest zum Teil in einen Kraftstofftank 18 eingetaucht ist. Mit dieser Konfiguration kann ein mechanischer Eingang in die Pumpe 10 an dem warmen Ende 12 (d. h., über die Welle 14) vorgesehen sein und dazu verwendet werden, um flüssigen Kraftstoff aus dem Tank 18 an das gegenüberliegende kalte Ende 16 zu ziehen. Der flüssige Kraftstoff kann durch das kalte Ende 16 unter Druck gesetzt werden und von der Pumpe 10 über einen Entladedurchgang 20 abgegeben werden. In den meisten Anwendungen wird die Pumpe 10 in der in 1 dargestellten Orientierung montiert und verwendet (d. h., mit dem kalten Ende 16 schwerkraftmäßig am tiefsten in dem Kraftstofftank 18, um den Druckabfall an dem kalten Ende 16 zu verringern). Es ist anzumerken, dass in einigen Ausführungsformen ein Teil des oder das gesamte warme Ende 12 sich ebenfalls innerhalb des Kraftstofftanks 18 befinden könnte, wenn dies gewünscht wird. In ähnlicher Weise könnte ein Teil des kalten Endes 16 aus dem Kraftstofftank 18 herausragen.
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Das warme Ende 12 kann in Relation wärmer sein als das kalte Ende 16. Insbesondere kann das warme Ende 12 mehrere bewegliche Komponenten aufnehmen, die während des Betriebs Wärme durch Reibung erzeugen. Darüber hinaus kann das warme Ende 12, das mit der Leistungsquelle verbunden ist, dazu führen, dass Wärme von der Leistungsquelle in die Pumpe 10 abgeführt wird. Außerdem können, wenn die Pumpe 10 und die Leistungsquelle sich in unmittelbarer Nähe zu der jeweils anderen befinden, Luftströme das warme Ende 12 durch Konvektion erwärmen. Schließlich können die Fluide (z. B., Öl), die verwendet werden, um die Pumpe 10 zu schmieren, warm sein und dadurch Wärme auf das warme Ende 12 übertragen. Im Gegensatz dazu kann das kalte Ende 16 kontinuierlich eine Zufuhr von Fluid mit einer extrem tiefen Temperatur erhalten. Zum Beispiel kann LNG an die Pumpe 10 von einem zugehörigen Speichertank mit einer Temperatur von weniger als etwa –120 °C zugeführt werden.
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Die Pumpe 10 kann eine Pumpe vom zweistufigen axialen Kolbentyp sein. Insbesondere kann die Welle 14 an einem inneren Ende mit einer Lastplatte 21 drehbar verbunden sein. Die Lastplatte 21 kann in einem schrägen Winkel relativ zu einer Mittelachse 22 der Pumpe 10 orientiert sein, so dass eine Eingangsdrehung der Welle 14 in eine entsprechende wellenförmige axiale Bewegung der Lastplatte 21 umgewandelt werden. Eine Vielzahl von Stößeln 24 kann entlang einer unteren Seitenfläche der Lastplatte 21 gleiten, und eine Schubstange 26 kann jedem Stößel 24 zugeordnet sein. Auf diese Weise kann die wellenförmige axiale Bewegung der Lastplatte 21 durch die Stößel 24 auf Schubstangen 26 übertragen und dazu verwendet werden, um das durch die Pumpe 10 laufende Fluid mit Druck zu beaufschlagen. Ein elastisches Element (nicht dargestellt), zum Beispiel eine Schraubenfeder, kann jeder Schubstange 26 zugeordnet und dazu ausgestaltet sein, den zugehörigen Stößel 24 in Eingriff mit der Lastplatte 21 vorzuspannen. Jede Schubstange 26 kann eine einstückige Komponente sein oder alternativ aus mehreren Stücken bestehen, je nach Wunsch. Viele unterschiedliche Wellen-/Lastplatten-Konfigurationen können möglich sein, und der schräge Winkel der Welle 14 kann fixiert oder variabel sein.
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Es ist anzumerken, dass die Pumpe 10 auch anders funktionieren könnte, wenn dies gewünscht wird. Zum Beispiel könnte die Lastplatte 21 durch ein Linearstellglied ersetzt werden, zum Beispiel einen einzeln oder doppelt wirkenden Zylinder, falls dies gewünscht wird. Der Zylinder würde mit Schubstangen 26 verbunden sein oder diese umfassen, und Fluid würde selektiv an ihn zugeführt oder von ihm abgezogen werden, um die wellenförmige axiale Bewegung zu erzeugen, die oben beschrieben wurde. Auch andere Optionen können verfügbar sein.
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Eine Sammelleitung 28 kann sich an einem Übergangsbereich oder einer Übergangsposition zwischen dem warmen Ende 12 und dem kalten Ende 16 befinden. Die Sammelleitung 28 kann als eine Führung für die Schubstangen 26, als ein Montageanschluss für eine Vielzahl von Pumpmechanismen 30 (nur einer in 1 dargestellt), als ein Verschlussmechanismus für den Tank 18, und als ein Verteiler/Sammler für Fluide für die Pumpmechanismen 30 dienen. Die Sammelleitung 28 kann eine Vielzahl von Bohrungen 32 (nur eine dargestellt) umfassen, die jeweils dazu ausgestaltet sind, eine entsprechende Schubstange 26 aufzunehmen. Darüber hinaus kann die Sammelleitung 28 einen gemeinsamen Hochdruckauslass 34 in Fluidverbindung mit dem Entladedurchgang 20 darin ausgebildet haben. In einigen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der Verteiler 28 auch einen Niederdruckeinlass darin ausgebildet haben, der verwendet wird, um den Tank 18 wieder zu befüllen, und/oder einen Rücklaufeinlass für einen Verbraucher des LNG-Kraftstoffs.
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Das kalte Ende 16 kann zusätzlich ein Druckverstärkungsgehäuse 36 umfassen, das um jeden einzelnen oder alle der Pumpmechanismen 30 angeordnet ist. Das Druckverstärkungsgehäuse 36 kann viel kleiner als der Tank 18 sein und im Inneren des Tanks 18 angeordnet sein. In der offenbarten Ausführungsform kann der Tank 18 ein Volumen von etwa 3.785 l (d. h., etwa 1.000 Gallonen) aufweisen, während das Druckverstärkungsgehäuse 36 ein Volumen von etwa 8 l (d. h., etwa 2 Gallonen) aufweisen kann. Das Druckverstärkungsgehäuse 36 kann separat von dem Tank 18 (d. h., fluidmäßig dicht gegen ihn) gehalten werden.
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Eine beliebige Anzahl von Pumpmechanismen 30 kann an die Sammelleitung 28 angeschlossen sein und in das Druckverstärkungsgehäuse 36 herabhängen. Jeder Pumpmechanismus 30 kann eine allgemein hohle Trommel 40 umfassen, mit einem Fußende 42, das mit der Sammelleitung 28 verbunden ist, und einem gegenüberliegenden distalen Ende 44. Ein Kopf 46 kann an dem distalen Ende 44 angebracht sein, um die Trommel 40 abzuschließen. Ein unteres Ende jeder Schubstange 26 kann sich durch die Sammelleitung 28 in eine entsprechende Trommel 40 erstrecken, um schwenkbar mit einem Druckverstärkungskolben 48 verbunden zu sein. Ein Hochdruck- oder Hauptkolben 50 kann frei schwimmend innerhalb der Trommel 40 angeordnet sein und sich näher an dem distalen Ende 44 befinden als der Druckverstärkungskolben 48. In dieser Konfiguration kann sich die Hin- und Herbewegung der Schubstange 26 in eine gleitende Bewegung der Druckverstärkungs- und Hauptkolben 48, 50 zwischen unteren Totpunkt- oder UT- und oberen Totpunkt- oder OT-Positionen innerhalb der Trommel 40 übersetzen.
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Die Trommel 40 kann in mehrere unterschiedliche konzentrische Pumpenkammern unterteilt sein. Insbesondere kann die Trommel 40 in eine größere Druckverstärkungskammer 52 und eine kleinere Hochdruckkammer 54 unterteilt sein. Der Druckverstärkungskolben 48 kann sich innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 hin und her bewegen, während sich der Hauptkolben 50 innerhalb der Hochdruckkammer 54 hin und her bewegen kann. Im allgemeinen kann der Druckverstärkungskolben 48 einen größeren Durchmesser aufweisen als der Hauptkolben 50, und ein ringförmiger Raum um den Druckverstärkungskolben 48 innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 kann größer sein als ringförmiger Raum um den Hauptkolben 50 innerhalb der Hochdruckkammer 54. Austritte durch den Raum um den Hauptkolben 50 können in die Druckverstärkungskammer 52 gelangen, während Austritte durch den Raum um den Druckverstärkungskolben 48 über einen Durchgang 56 nach außen in den Tank 18 gelangen können (d. h., außerhalb des Druckverstärkungsgehäuses 36).
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Der Kopf 46 kann Ventilelemente aufnehmen, die das Pumpen von Fluid während der Bewegung der Druckverstärkungs- und Hauptkolben 48, 50 zwischen ihren UT- und OT-Positionen erleichtern. Im Besonderen kann der Kopf 46 ein erstes Einlass-Rückschlagventil 58, ein Druckverstärkungs-Rückschlagventil 60, ein zweites Einlass-Rückschlagventil 62 und ein Hochdruck-Rückschlagventil 64 umfassen. Das erste Einlass-Rückschlagventil 58 kann dazu ausgestaltet sein, selektiv Niederdruck-Kraftstoff (z. B., Kraftstoff mit einem Druck von etwa 0,1 und 1,5 MPa) von dem Tank 18 in die Druckverstärkungskammer 52 gelangen zu lassen. Das Druckverstärkungs-Rückschlagventil 60 kann dazu ausgestaltet sein, selektiv Kraftstoff mit mittlerem Druck (z. B. Kraftstoff mit einem Druck von etwa 2–8 MPa) von der Druckverstärkungskammer 52 in das Druckverstärkungsgehäuse 36 zu lassen. Das zweite Einlass-Rückschlagventil 62 kann dazu ausgestaltet sein, selektiv den Kraftstoff mit mittlerem Druck von dem Druckverstärkungsgehäuse 36 in die Hochdruckkammer 54 zu lassen. Das Hochdruck-Rückschlagventil 64 kann dazu ausgestaltet sein, selektiv Kraftstoff mit hohem Druck (z. B., Kraftstoff mit einem Druck von etwa 40–45 MPa) von der Hochdruck-Kammer 54 durch den Hochdruck-Auslass 34 in den Entladedurchgang 20 zu lassen. Jedes dieser Rückschlagventile kann eine beliebige, im Stand der Technik bekannte Form haben, zum Beispiel ein Kugelrückschlagventil, ein Reed-Rückschlagventil, ein Ring-Rückschlagventil, etc., solange sie jeweils einen Fluss von Kraftstoff in einer Richtung mit den jeweiligen gewünschten Druckschwellenwerten bereitstellen.
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In einer ersten Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht ist, ist das erste Einlass-Rückschlagventil 58 ein Ring-Rückschlagventil, das einer Vielzahl von Einlassdurchgängen 66 zugeordnet ist, die mit der Druckverstärkungskammer 52 in Verbindung stehen. Insbesondere können die Einlassdurchgänge 66 kreisförmige axiale Durchgänge sein, die allgemein parallel zu der Achse 22 sind und sich durch einen Boden der Druckverstärkungskammer 52 erstrecken und mit dem Tank 18 kommunizieren. Die Einlassdurchgänge 66 können in einem gleichmäßigen Abstand um einen Umfang einer Hochdruckkammer 54 angeordnet sein, und weisen einen kombinierten Fließquerschnitt auf, der etwa gleich (d. h., innerhalb der Herstellungstoleranzen) dem 0,4- bis 0,7-Fachen einer freien Querschnittsfläche des Druckverstärkungskolbens 48 ist. Diese Beziehung der Querschnittsflächen kann helfen, das Entstehen eines Niederdrucks-Bereichs innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 während der Rückstellung des Druckverstärkungskolben 48 zu verhindern, das ein schlagartiges Sieden des Kraftstoffs verursachen könnte, der in die Druckverstärkungskammer 52 eintritt. Darüber hinaus können sich Öffnungen der Einlassdurchgänge 66 möglichst nahe an einem Boden des Tanks 18 befinden, ohne eine Behinderung in der Fluidströmung in die Einlassdurchgänge 66 zu verursachen. Zum Beispiel kann sich der Kopf 46 in einem Abstand von dem Tank 18 entfernt befinden, der zumindest denselben radialen Strömungsquerschnitt zwischen dem Kopf 46 und dem Boden des Tanks 18 aufrecht erhält wie jenen, der axial durch die Einlassdurchgänge 66 verläuft.
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Wie in der Querschnittsansicht von 1 und in der Endansicht von 2 gezeigt, kann das erste Einlass-Rückschlagventil 58 einen ringförmigen Körper 68 aufweisen, der innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 aufgenommen und dazu ausgestaltet ist, die Fluidströmung durch jeden der Einlassdurchgänge 66 in die Druckverstärkungskammer 52 zu behindern. Insbesondere kann der Körper 68 dazu ausgestaltet sein, eine gemeinsame Nut 70 an einem Auslass der Durchgänge 66 zu blockieren, und dadurch die Strömung in die Druckverstärkungskammer 52 zu behindern, wenn der Druckverstärkungskolben 48 sich nach unten bewegt. In ähnlicher Weise kann der Körper 68 dazu ausgestaltet sein, sich von den Einlassdurchgängen 66 wegzubewegen und dadurch die Strömung durch diese zu erlauben, wenn der Druckverstärkungskolben sich innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 nach oben bewegt. Es wird in Betracht gezogen, dass ein innerer und/oder äußerer radialer Rand des Körpers 68 so gestaltet sein könnte, dass er einen oder mehrere Führungen aufnimmt, die eine gleichförmige axiale Bewegung des ersten Einlass-Rückschlagventils 58 innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 fördern. Zum Beispiel ist der innere radiale Rand des Körpers 68 in 2 so dargestellt, dass er eine oder mehrere innere Ausnehmungen 72 aufweist, die entsprechende Lappungen 74 aufnehmen (unter Bezugnahme auf 1), die von Wänden der Hochdruck-Kammer 54 nach außen vorragen.
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In einer alternativen Ausführungsform, die in der Endansicht der Pumpe von 3 dargestellt ist, können die Einlassdurchgänge 66 durch unterschiedlich geformte Einlassdurchgänge ersetzt werden. Insbesondere kann die Pumpe 10 einen oder mehrere bogenförmige Einlassdurchgänge 76 umfassen, die sich durch den Boden der Druckverstärkungskammer 52 nach oben erstrecken. In dieser Ausführungsform können die Ventilelemente des ersten Einlass-Rückschlagventils 58 bogenförmig gestaltete Keile sein, die in die Einlassdurchgänge 76 passen und diese blockieren. Je nach Wunsch können auch andere Formen der Durchgänge und/oder Ventilelemente verwendet werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die offenbarte Pumpe findet potenziell Anwendung in einem beliebigen Fluidsystem, bei dem eine Beaufschlagung von kryogenen Fluiden mit hohem Druck erforderlich ist. Die offenbarte Pumpe findet insbesondere Anwendung in Motoranwendungen, zum Beispiel Motoranwendungen, die LNG-Kraftstoff verbrennen. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die offenbarte Pumpe in Relation zu anderen Fluidsystemen eingesetzt werden könnte, die einem Motor zugeordnet sein können oder nicht. Die offenbarte Pumpe kann in der Lage sein, hohe Drücke mit hoher Effizienz und geringem Auftreten von schlagartigem Sieden zu erzeugen. Nun wird der Betrieb der Pumpe 10 erläutert.
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Unter Bezugnahme auf 1 kann, wenn die Antriebswelle 14 durch einen Motor (oder eine andere Leistungsquelle) gedreht wird, die Lastplatte 21 veranlasst werden, sich in der axialen Richtung wellenförmig zu bewegen. Diese Wellenbewegung kann zu einer translatorischen Bewegung der Stößel 24 und entsprechenden Bewegungen von Schubstangen 26, den damit verbundenen Druckverstärkungskolben 48 und den frei schwimmenden Hauptkolben 50 eines jeden Pumpmechanismus 30 führen. Innerhalb jedes Pumpmechanismus kann die Drehung der Antriebswelle 14 das axiale Aus- und Einfahren des Druckverstärkungskolben 48 relativ zu der Druckverstärkungskammer 52 verursachen, und aufgrund des Anschlags des Druckverstärkungskolbens 48 gegen den Hauptkolben 50 auch das Ausfahren des Hauptkolbens 50 in die Hochdruck-Kammer 54. Wie im Folgenden noch in größerem Detail beschrieben wird, kann das Einfahren des Hauptkolbens 50 aus der Hochdruck-Kammer 54 durch einen Druck von Kraftstoff in der Hochdruck-Kammer 54 verursacht werden, wenn der Druckverstärkungskolben 48 von dem Hauptkolben 50 weg bewegt wird.
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Während sich der Druckverstärkungskolben 48 zyklisch innerhalb der Trommel 40 hebt und senkt, kann diese oszillierende Bewegung dazu dienen, Kraftstoff mit niedrigem Druck aus dem Tank 18 abzuziehen und Kraftstoff mit mittlerem Druck in das Druckverstärkungsgehäuse 36 abzugeben. Insbesondere können die Rückstell- oder Einfahrbewegungen des Druckverstärkungskolbens 48 Kraftstoff mit niedrigem Druck von einer Position innerhalb des Tanks 18 und außerhalb des Druckverstärkungsgehäuses 36 veranlassen, durch die Einlassdurchgänge 66 des Kopfes 46 und an dem ersten Einlass-Rückschlagventil 58 in die Druckverstärkungskammer 52 zu gelangen. Es ist anzumerken, dass der große Fließquerschnitt der Einlassdurchgänge 66 und des ersten Rückschlagventils 58 eine Größenordnung des Unterdrucks verringert, der erzeugt wird, während der Druckverstärkungskolben einfährt, so dass schlagartiges Sieden verringert wird. Das folgende Ausfahren des Druckverstärkungskolbens 48 kann den Kraftstoff mit dem mittleren Druck von der Druckverstärkungskammer 52 an dem Druckverstärkungs-Rückschlagventil 60 vorbei und in das Druckverstärkungsgehäuse 36 drücken.
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Der Kraftstoff mit dem mittleren Druck in dem Druckverstärkungsgehäuse 36 kann durch das zweite Einlass-Rückschlagventil 62 in die Hochdruck-Kammer 54 strömen, was den Hauptkolben 50 veranlasst, sich aus der Hochdruck-Kammer 54 zurückzuziehen. Wenn die Druckverstärkungskolben 48 durch die wellenförmige Bewegung der Lastplatte 21 nach unten gedrückt werden, können die Druckverstärkungskolben 48 auch die Hauptkolben 50 nach unten in die Hochdruck-Kammern 54 drücken. Das Ausfahren der Hauptkolben 50 in die Hochdruck-Kammern 54 kann den flüssigen Kraftstoff darin an dem Hochdruck-Rückschlagventil 64 vorbei in den Hochdruck-Auslass 34 und den Entladedurchgang 20 drücken.
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Während des Betriebs der Pumpe 10 kann ein Teil des flüssigen Kraftstoffs an den Kolben 48 und 50 vorbei entweichen, und ein Teil des ausgetretenen Kraftstoffs kann verdampfen. Zum Beispiel kann Kraftstoff aus der Hochdruck-Kammer 54 um den Hauptkolben 50 und in die Druckverstärkungskammer 52 entweichen, und ein Teil dieses Kraftstoffs kann gasförmig sein. Kraftstoff, der in die Druckverstärkungskammer 52 entweicht, kann innerhalb der Druckverstärkungskammer 52 etwas abkühlen und während des Verdichtungshubs des Druckverstärkungskolbens 48 wieder kondensieren, bevor er in das Druckverstärkungsgehäuse 36 geleitet wird. In ähnlicher Weise kann Kraftstoff aus der Druckverstärkungskammer 52 um den Druckverstärkungskolben 48 entweichen, und ein Teil dieses Kraftstoffs kann gasförmig sein. Kraftstoff, der um den Druckverstärkungskolben 48 herum entweicht, kann an der Rückseite des Druckverstärkungskolbens 48 abkühlen und wieder kondensieren, während und/oder nachdem er über den Durchgang 56 in den Tank 18 geleitet wird.
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Die offenbarte Pumpe kann viele Vorteile bieten. Zum Beispiel kann die offenbarte Pumpe so konstruiert sein, dass sie Drücke erzeugt, die hoch genug zur Verwendung in kryogenen Anwendungen sind. Darüber hinaus kann, da das Druckverstärkungsgehäuse 36 sich um die Druckverstärkungskammer 52 herum befinden kann und da die Druckverstärkungskammer 52 sich um eine Hochdruck-Kammer 54 herum befinden kann, ein Verwinden oder Verzerren dieser Kammern in gewisser Weise durch die umliegenden Volumina von Kraftstoff unter hohem Druck begrenzt werden. Dementsprechend kann eine geringere Verwindung oder Verzerrung auftreten, was die Lebensdauer der Pumpe 10 erhöht. Ferner können die Durchgänge und Rückschlagventile der Pumpe 10 so konstruiert sein, dass sie Unterdrücke verringern, die normalerweise während der Einfahr- oder Rückstellhübe der Stößel auftreten. Als Ergebnis kann das Auftreten von schlagartigem Sieden während des Betriebs der Pumpe 10 selten sein.
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Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Abwandlungen an der Pumpe der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können. Weitere Ausführungsformen der Pumpe werden dem Fachmann klar sein, wenn er die Beschreibung und praktische Ausführung der hierin offenbarten Pumpe in Betracht zieht. Die Beschreibung und die Beispiele sollen als rein beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben wird.
