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Technisches Gebiet
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Diese Offenbarung betrifft allgemein einen Verteiler, und insbesondere einen Verteiler für eine tankinterne Mehrkolben-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, beziehen moderne Kryopumpensysteme Kolben ein, die in flüssigen Kraftstoff am Boden des Tanks eingetaucht sind. Jeder Kolben ist mit einem Einlass-Rückschlagventil verbunden, das Niederdruck-Kraftstoff von dem Tank in eine zugehörige Trommel eintreten lässt, und mit einem Auslass-Rückschlagventil, das es ermöglicht, Hochdruck-Kraftstoff aus der Trommel abzugeben. Diese Ventile sind in der Regel zusammen innerhalb einer separaten Kopfanordnung gepackt, die jedem Kolben zugeordnet ist.
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Eine beispielhafte Pumpe ist in dem
US-Patent Nr. 4,576,557 (dem ’557-Patent) offenbart, das am 18. März 1986 an Pevzner erteilt wurde. Die Pumpe des ’557-Patents ist eine Pumpe vom oszillierenden Typ mit einem Pumpenabschnitt mit drei Kolben, die mit einer Kurbelwelle verbunden sind. Wenn sich die Kurbelwelle dreht, werden die Kolben veranlasst, innerhalb des Pumpenabschnitts zu oszillieren. Eine Ventilanordnung ist jedem der Kolben zugeordnet und separat an dem Pumpenabschnitt montiert. Jede Ventilanordnung umfasst ein Ablassventil und ein Saugventil.
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Während die herkömmliche Kryopumpe mit separaten Kopf- oder Ventilanordnungen für manche Anwendungen geeignet sein kann, kann sie für andere Anwendungen auch problematisch sein. Insbesondere können die separaten Kopf- oder Ventilanordnungen ein beträchtliches Ausmaß an Platz an der Pumpe beanspruchen. In manchen Anwendungen mag nicht genügend Platz für diese Anordnungen vorhanden sein.
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Die offenbarte Pumpe und der offenbarte Verteiler zielen darauf ab, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme und/oder anderer Probleme im Stand der Technik zu überwinden.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine Auskleidung für eine Kryopumpe mit einem Verteiler. Die Auskleidung kann einen allgemein zylindrischen Körper mit einem oberen Ende und einem unteren Ende umfassen, sowie einer inneren Bohrung, die in dem allgemein zylindrischen Körper ausgebildet ist und von dem oberen Ende durch das untere Ende verläuft. Die innere Bohrung kann dazu ausgestaltet sein, einen Kolben der Kryopumpe aufzunehmen. Die Auskleidung kann auch einen Flansch umfassen, der sich an dem oberen Ende befindet und dazu ausgestaltet ist, zur Verbindung des allgemein zylindrischen Körpers mit einer Trommel des Verteilers verwendet zu werden.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung einen Verteiler für eine Kryopumpe. Der Verteiler kann einen allgemein zylindrischen Körper mit einem oberen Ende und einem unteren Ende sowie eine Vielzahl von Bohrungen umfassen, die in einem Ring um eine Mittelachse des allgemein zylindrischen Körpers herum angeordnet sind. Jede der Vielzahl von Bohrungen kann dazu ausgestaltet sein, mit einer anderen Kolbentrommel der Kryopumpe zu kommunizieren. Der Verteiler kann auch zumindest eine Einlassöffnung in Fluidverbindung mit jeder der Vielzahl von Bohrungen umfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine Kryopumpe. Die Kryopumpe kann ein Kolbengehäuse mit einer Vielzahl von Trommeln, die in einem Ring um eine Mittelachse herum angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von Kolben umfassen. Jeder der Vielzahl von Kolben kann oszillierend in einer anderen der Vielzahl von Trommeln angeordnet sein. Die Kryopumpe kann auch einen Einlassverteiler umfassen, der mit einem Ende des Kolbengehäuses verbunden ist und eine Vielzahl von Bohrungen aufweist. Jede der Vielzahl von Bohrungen kann zu einer entsprechenden der Vielzahl von Trommeln hin offen sein. Die Kryopumpe kann auch zumindest eine Öffnung in Fluidverbindung mit jeder der Vielzahl von Bohrungen, und ein Einlass-Rückschlagventil umfassen, das innerhalb des Einlassverteilers zwischen jeder der Vielzahl von Bohrungen und der zumindest einen Öffnung angeordnet ist. Das Einlass-Rückschlagventil kann beweglich sein, um selektiv die Fluidströmung zwischen der zumindest einen Öffnung und einer entsprechenden der Vielzahl von Trommeln zu erlauben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine diagrammatische Veranschaulichung eines beispielhaften offenbarten Pumpsystems;
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2 ist eine Querschnittsdarstellung eines beispielhaften offenbarten Pumpenverteilers, der in Verbindung mit dem Pumpsystem von 1 verwendet werden kann;
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3 ist eine Querschnittsdarstellung eines weiteren beispielhaften offenbarten Pumpenverteilers, der in Verbindung mit dem Pumpsystem von 1 verwendet werden kann; und
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4 ist eine Querschnittsdarstellung eines weiteren beispielhaften offenbarten Pumpenverteilers, der in Verbindung mit dem Pumpsystem von 1 verwendet werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht ein beispielhaftes Pumpsystem 10 mit mehreren Komponenten, die zusammenwirken, um ein gasförmiges Fluid (z. B. Erdgas) auf geregelte Weise an einen Verbraucher (z. B. an einen Motor – nicht dargestellt) zu liefern. Diese Komponenten können unter anderem einen Tank 12, eine Pumpe 14 und eine Leistungsquelle 16 umfassen. Eine Flüssigkeit (z. B. Flüssigerdgas – LNG) kann in dem Tank 12 gespeichert sein, und die Pumpe 14 kann durch die Leistungsquelle 16 angetrieben werden, um die Flüssigkeit anzusaugen und unter Druck zu setzen. Die unter Druck stehende Flüssigkeit kann über einen Durchgang 18 an den Verbraucher entweder alleine oder zusammen mit einer Flüssigkeit geliefert werden (z. B. zusammen mit einem weiteren flüssigen Kraftstoff, wie etwa Diesel). Es wird in Betracht gezogen, dass das Pumpsystem 10 falls gewünscht zusätzliche Komponenten aufweisen könnte (z. B. Druckregelungseinrichtungen, Verdampfer, Akkumulatoren etc.).
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Der Tank 12 kann ein Kryotank sein, der dazu ausgestaltet ist, Fluid in seinem verflüssigten Zustand zu enthalten. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Tank 12 eine oder mehrere Innenwände 20 auf, die durch einen Luftspalt von einer oder mehreren Außenwänden 22 getrennt ist. In einigen Ausführungsformen kann eine Isolierschicht 24 in dem Luftspalt angeordnet sein (z. B. an der Innenwand 20). Der Luftspalt kann zusammen mit der Isolierschicht 24 dazu dienen, eine Temperatur der Flüssigkeit unter ihrem Siedepunkt von etwa –100 °C bis –162 °C zu halten (d. h., abhängig von einem Druck innerhalb des Tanks 12).
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Der Tank 12 kann allgemein zylindrisch sein, mit einer Oberseite 26 und einem Boden 28. Eine Öffnung 30 kann in der Oberseite 26 ausgebildet sein und sowohl durch die Innen- als auch die Außenwände 20, 22 verläuft. Die Öffnung 30 kann allgemein mit einer zentralen Symmetrieachse 32 ausgerichtet sein. Der Boden 28 kann geschlossen sein.
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Die Pumpe 14 kann zumindest zum Teil innerhalb des Tanks 12 eingetaucht sein, zum Beispiel in einem zentrierten Sockel 34, der in dem Tank 12 ausgebildet ist. Insbesondere kann die Pumpe 14 von der Oberseite 26 des Tanks 12 bis unter einen Fluidfüllstand darin herunterhängen. Indem sie nur an einem Ende mit dem Tank 12 verbunden ist, kann die Pumpe 14 sich durch die normale thermische Belastung ausdehnen und kontrahieren, ohne Spannungen in dem Tank 12 zu verursachen, die den Tank 12 und/oder die Pumpe 14 beschädigen könnten. Die Leistungsquelle 16 kann sich außerhalb des Tanks 12 befinden und verbunden sein, um die Pumpe 14 über einen Riemen 36 und einen mechanischen Eingang 38 anzutreiben. In der offenbarten Ausführungsform ist die Leistungsquelle 16 ein Elektromotor und der mechanische Eingang 38 ist eine Welle. In anderen beispielhaften Ausführungsformen könnte die Leistungsquelle 16 jedoch auch der Verbraucher sein, der den Kraftstoff von der Pumpe 14 erhält, sein (oder eine andere Leistungsquelle) und/oder der mechanische Eingang 38 könnte falls gewünscht ein Getriebezug sein. In beiden Anordnungen kann eine Ausgangsdrehung der Leistungsquelle 16 den Riemen 36 veranlassen, eine entsprechende Eingangsdrehung des mechanischen Eingangs 38 zu verursachen.
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Die Pumpe 14 kann allgemein zylindrisch sein und in zwei Enden unterteilt sein. Zum Beispiel kann die Pumpe 14 in ein warmes oder Eingangsende 40, in den sich der mechanische Eingang 38 erstreckt, und ein kaltes oder Ausgabeende 42 unterteilt sein, das zumindest zum Teil in das Fluid eingetaucht ist. Das warme Ende 40 kann fest an dem Tank 12 an der Oberseite 26 montiert sein, zum Beispiel durch eine oder mehrere Befestigungskomponenten 44 (z. B. Flansche, Dichtungen, Halterungen, Dichtringe etc.). Das warme Ende 40 kann gegen das kalte Ende 42 isoliert werden (z. B. in einen Vakuummantel oder eine Superisolierungs-Auskleidung eingehaust, die eine Wärmeübertragung verhindert). Das kalte Ende 42 kann sich von dem warmen Ende 40 tiefer in den Tank 12 hinein erstrecken. Mit dieser Konfiguration kann die Eingangsdrehung, die an die Pumpe 14 an dem warmen Ende 40 (d. h., über den mechanischen Eingang 38) geliefert wird, verwendet werden, um eine Hochdruck-Ausgabe an dem gegenüberliegenden kalten Ende 42 zu erzeugen. Die Hochdruck-Ausgabe kann zurück nach oben an dem warmen Ende 40 vorbei über den Durchgang 18 geleitet werden, um den Tank 12 an der Öffnung 30 zu verlassen. In den meisten Anwendungen wird die Pumpe 14 in der in 1 dargestellten Orientierung montiert und verwendet (d. h., mit dem kalten Ende 42 schwerkraftmäßig am tiefsten).
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Die Pumpe 14 kann eine Pumpe vom Axialkolbentyp sein. Insbesondere kann eine Pumpenwelle 46 drehbar innerhalb eines Gehäuses 48 gelagert sein, und an einem oberen Ende mit einem mechanischen Eingang 38 (z. B., über eine Keilwellen-Schnittstelle) und an einem Bodenende mit einer Lastplatte 50 verbunden sein. Die Lastplatte 21 kann in einem schrägen Winkel relativ zu der Achse 32 orientiert sein, so dass die Eingangsdrehung der Welle 46 in eine entsprechende wellenförmige Bewegung der Lastplatte 50 umgewandelt werden kann. Eine Vielzahl von Stößeln 52 kann entlang einer unteren Seite der Lastplatte 50 gleiten, und eine Schubstange 54 kann jedem Stößel 52 zugeordnet sein. Auf diese Weise kann die wellenförmige Bewegung der Lastplatte 50 durch die Stößel 52 auf Schubstangen 54 linear übertragen und dazu verwendet werden, um das durch das kalte Ende 42 strömende Fluid mit Druck zu beaufschlagen. Ein elastisches Element, zum Beispiel eine Schraubenfeder 56, kann jeder Schubstange 54 zugeordnet und dazu ausgestaltet sein, den zugehörigen Stößel 52 in Eingriff mit der Lastplatte 50 vorzuspannen. Jede Schubstange 54 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 Lastplatte 50 kann fixiert oder variabel sein. In der offenbarten Ausführungsform ist der schräge Winkel der Lastplatte 50 fixiert, und ein variabler Ausgang der Pumpe 14 wird durch die Einstellung der Drehzahl der Leistungsquelle 16 erhalten.
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Das kalte Ende 42 der Pumpe 14 kann eine Anordnung aus unterschiedlichen Komponenten sein, die mehrere unterschiedliche Funktionen erfüllt. Insbesondere kann das kalte Ende 42 als eine Führung für die Schubstangen 54, als Pumpmechanismus und als Verteiler/Sammler von Nieder- und Hochdruck-Fluiden dienen. Mehrere unterschiedliche Ausführungsformen des kalten Endes sind in diese Offenbarung aufgenommen und in den 2–4 abgebildet.
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Wie in der Ausführungsform von 2 dargestellt, kann das kalte Ende 42 unter anderem einen Verbindungsflansch 58, eine Abstandshalterplatte 60, ein Kolbengehäuse 62 und einen Verteiler 64 umfassen. Der Verbindungsflansch 58 kann zwischen einem eingetauchten Abschnitt des warmen Endes 40 und einem oberen Ende der Abstandshalterplatte 60 verbunden sein. Das Kolbengehäuse 62 kann mit einem unteren Ende der Abstandshalterplatte 60 gegenüber dem Verbindungsflansch 58 gekoppelt sein. Ein oberes Ende des Verteilers 64 kann mit einem distalen Ende des Kolbengehäuses 62 gekoppelt sein. Eine Vielzahl von Befestigungselementen 66 (nur in 3 und 4 dargestellt) kann durch oder in jede dieser Komponenten reichen, wodurch die Komponenten miteinander verbunden werden.
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Der Verbindungsflansch 58 kann dazu dienen, das kalte Ende 42 mit dem warmen Ende 40 zu verbinden, und auch als eine Führung für die unteren Enden der Schubstangen 54. Insbesondere kann der Verbindungsflansch 58 einen allgemein zylindrischen Körper mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten und in einem Ring um die Achse 32 herum angeordneten Bohrungen 68 aufweisen. Jede der Bohrungen 68 kann dazu ausgestaltet sein, eine andere Führungsmutter 70 aufzunehmen. In einer Ausführungsform ist der Verbindungsflansch 58 an einem Ende des Gehäuses 48 (z. B. durch Befestigungselemente 66 oder andere, nicht dargestellte Befestigungselemente) befestigt, wodurch das kalte Ende 42 mit dem warmen Ende 40 verbunden wird. In einer weiteren Ausführungsform steht eine Vielzahl von Schubstangenhülsen 72 (nur in 2 dargestellt) über Gewinde mit Führungsmuttern 70 in Eingriff, wodurch das kalte Ende 42 mit dem warmen Ende 40 verbunden wird. In beiden Ausführungsformen können die Führungsmuttern 70 dazu dienen, die unteren Enden der Schubstangen 54 zu führen. Eine oder mehrere Dichtungen (z. B., Flüssigkeits- und/oder Dampfdichtungen) 76 können zwischen den Führungsmuttern 70 und den Wänden der Bohrung 68 eingebracht sein, wenn dies gewünscht wird.
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Auch die Abstandshalterplatte 60 kann wie der Verbindungsflansch 58 einen allgemein zylindrischen Körper mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten und in einem Ring um die Achse 32 herum angeordneten Bohrungen 77 aufweisen. Die Abstandshalterplatte 60 kann als ein Abstandshalter zwischen dem Verbindungsflansch 58 und dem Kolbengehäuse 62 dienen und uneingeschränkte Leckagepfade 78 zu den Bohrungen 77 bereitstellen. Dementsprechend kann der Körper der Abstandshalterplatte 60 relativ plattenartig sein. Die Leckagepfade 78 können sich von jeder Bohrung 77 radial nach außen bis zu einem äußeren Umfang der Abstandshalterplatte 60 erstrecken. Mit dieser Konfiguration kann jeglicher Kraftstoff, der von dem Verteiler 64 an den distalen Enden der Schubstangen 54 austritt, ungehindert über die Leckagepfade 78 in den Tank 12 zurückkehren.
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Das Kolbengehäuse 62 kann dazu dienen, eine Vielzahl von Kolben 80 einzuhausen und zusammen mit den Kolben 80 eine Vielzahl von unterschiedlichen Pumpmechanismen zu bilden. Insbesondere kann das Kolbengehäuse 62 einen allgemein zylindrischen Körper mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten und in einem Ring um die Achse 32 herum angeordneten hohlen Trommeln 82 aufweisen. Die Trommeln 82 können zu den Bohrungen 77 der Abstandshalterplatte 60 und den Bohrungen 68 des Verbindungsflansches 58 hin offen und mit diesen ausgerichtet sein. Ein Kolben 80 kann gleitend innerhalb jeder Trommel 82 angeordnet sein und mit dem distalen Ende einer entsprechenden Schubstange 54 in Eingriff stehen. Auf diese Weise kann eine ausfahrende Bewegung der Schubstange 54 sich in eine gleitende Abwärtsbewegung eines entsprechenden Kolbens 80 zu einer unteren Totpunkt- oder UT-Stellung übersetzen. Ein Druck des Kraftstoffs in dem Tank 12 und in der Trommel 82 kann helfen, den Kolben 80 zu einer oberen Totpunkt- oder OT-Stellung zurückzuführen, wenn die Schubstange 54 aus der Trommel 82 zurückgezogen wird. In einem Beispiel ist die Schubstange 54 von dem Kolben 80 getrennt (d. h., der Kolben 80 ist ein frei schwebender Kolben). In einem weiteren Beispiel ist die Schubstange 54 locker mit dem Kolben 80 verbunden, so dass eine Rückzugsbewegung der Schubstange 54 dazu dient, die Aufwärtsbewegung des Kolbens 80 innerhalb der Trommel 82 zu unterstützen. Der zylindrische Körper des Kolbengehäuses 62 kann einen zentralen Hohlraum 83 aufweisen, der von den Trommeln 82 aus nach innen angeordnet und mit der Achse 32 ausgerichtet ist. Der zentrale Hohlraum 83 kann dazu ausgestaltet sein, einen Abschnitt des Verteilers 64 aufzunehmen.
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Der Verteiler 64 kann eine Vielzahl von Ventilen aufnehmen, die beweglich sind, um während der Bewegung des entsprechenden Kolbens 80 Fluid in jede Trommel 82 zu lassen. Insbesondere kann der Verteiler 64 einen allgemein zylindrischen Körper mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten Bohrungen 84 aufweisen, die zu den Trommeln 82 des Kolbengehäuses 62 hin offen und allgemein damit ausgerichtet sind. Jede Bohrung 84 kann mit dem Tank 12 (z. B. über eine oder mehrere Öffnungen 86) an einem Bodenende des Verteilers 64 in Kommunikation stehen und ein separates Einlass-Rückschlagventil 87 aufnehmen. Die Öffnungen 86 können allgemein parallel zu einer Achse ihrer entsprechenden Bohrung 84 und in einem Ring um eine zentrale Ventilführung 88 herum angeordnet sein. Ein Schaft 90 eines jeden Einlass-Rückschlagventils 87 kann gleitend innerhalb einer entsprechenden der Führungen 88 angeordnet sein, so dass, wenn sich das Rückschlagventil 87 von einer geschlossenen Stellung (in 2 dargestellt) in eine offene Stellung bewegt, die Öffnungen 86 in Kommunikation mit der entsprechenden Bohrung 84 versetzt werden, um Fluid in die Trommel 82 einzulassen. In einer Ausführungsform kann eine Basis 92 eines jeden Einlass-Rückschlagventils 87 dazu ausgestaltet sein, mit einem Sitz 94 der Bohrung 84 in Eingriff zu gelangen, wenn das Einlass-Rückschlagventil 87 in der geschlossenen Stellung ist. Es wird in Betracht gezogen, dass auch andere Einlass-Rückschlagventil-Konfigurationen möglich sein können.
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Der zylindrische Körper des Verteilers 64 kann abgestuft sein, wobei die Einlass-Rückschlagventile 87 in einem Flanschabschnitt angeordnet sind, der einen nach innen vorspringenden Zentralabschnitt umgibt. Der nach innen vorspringende Zentralabschnitt kann vollständig innerhalb des Hohlraums 83 des Kolbengehäuses 62 eingetieft sein, während der Flanschabschnitt gegen das untere Ende des Kolbengehäuses 62 anliegen kann. Nach dem Einsaugen von Niederdruck-Fluid in die Trommeln 82 über die Einlass-Rückschlagventile 87 kann eine darauffolgende Ausfahrbewegung der Kolben 80 dazu dienen, Hochdruckfluid aus den Trommeln 82 auszustoßen. Die Hochdruck-Entladung von allen Trommeln 82 kann dann im Inneren des Zentralabschnitts des Verteilers 64 zur radialen Entladung aus dem Verteiler 64 (und schließlich von der Pumpe 14) über den Durchgang 18 vereinigt werden. Insbesondere können ein oder mehrere Durchgänge 96 sich durch den Flansch und die Zentralabschnitte des Verteilers 64 erstrecken. um jede Trommel 82 mit einem zentralen Entladehohlraum 98 zu verbinden, der in Fluidverbindung mit dem Durchgang 18 steht.
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Ein Auslass-Rückschlagventil 100 kann innerhalb jedes Durchgangs 96 angeordnet sein, um eine unidirektionale Fluidströmung von den Trommeln 82 in den Hohlraum 98 sicherzustellen. Die Auslass-Rückschlagventile 100 können in dem zentralen Abschnitt des Verteilers 64 und in einem Ring um die Achse 32 herum angeordnet sein. In der offenbarten Ausführungsform werden die Einlass- und die Auslass-Rückschlagventile 87, 100 von derselben Innenseite her in den Verteiler 64 eingebaut. Die Einlass-Rückschlagventile 87 können innerhalb des Verteilers 64 durch das Kolbengehäuse 62 (oder alternativ durch speziell vorgesehene Gewindeköpfe oder -stifte, die in die Schäfte 90 nach Einbau der Schäfte 90 in die Führungen 88) gehalten werden, während die Auslass-Rückschlagventile 100 innerhalb des Verteilers 64 durch zugehörige Stopfen 102 gehalten werden. In einer Ausführungsform können die Auslass-Rückschlagventile 100 durch zugehörige Federn 106, die sich zwischen den Auslass-Rückschlagventilen 100 und den Stopfen 102 befinden, gegen einen Sitz 104 vorgespannt sein (d. h., in eine geschlossene Stellung vorgespannt). Wenn ein Druck des Fluids innerhalb der Durchgänge 96 (d. h., an einer Position zwischen jeder Trommel 82 und dem zentralen Hohlraum 98) eine Kraft auf die Auslass-Rückschlagventile 100 erzeugt, die eine Öffnungskraft der Federn 106 übersteigt, können sich die Auslass-Rückschlagventile 100 von den Sitzen 104 wegbewegen, um die Strömung durch die Durchgänge 96 zu erlauben.
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In einigen Anwendungen kann ein Raum innerhalb des Tanks 12 begrenzt sein. In diesen Anwendungen kann die Menge an Raum (z. B., axialer und/oder radialer Raum), die von dem Verteiler 64 eingenommen wird, wichtig sein. Aus diesem Grund kann eine Größe des Verteilers 64 durch strategische Positionierung der Auslass-Rückschlagventile 100 verringert werden. In der offenbarten Ausführungsform von 2 sind die Auslass-Rückschlagventile 100 so positioniert, dass sie axial mit den Trommeln 82 überlappen, und gerade weit genug von den Einlass-Rückschlagventilen 87 weg, um die maschinelle Einarbeitung der Durchgänge 96 zu erlauben. In einem Beispiel erstreckt sich nur die Spitze der Auslass-Rückschlagventile 100 (z. B., nur etwa 0–25 % einer axialen Länge der Auslass-Rückschlagventile 100) über ein distales Ende der Trommeln 82 hinaus. In diesem Beispiel kann jeder Durchgang 96 aus drei unterschiedlichen Segmenten gebildet werden, darunter ein erstes Segment 96a, ein zweites Segment 96b und ein drittes Segment 96c. Die Segmente 96a und 96c können beide schräg relativ zu der Achse 32 orientiert sein, während das Segment 96b allgemein mit dem Auslass-Rückschlagventil 100 und parallel zu der Achse 32 ausgerichtet ist. Der Winkel des Segments 96a kann das maschinelle Einarbeiten des Segments 96a von der Öffnung der Bohrung 84 her erlauben, und der Abstand zwischen den Einlass- und Auslass-Rückschlagventilen 87, 100 kann ausgewählt werden, um diesen Winkel bereitzustellen.
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Eine weitere Ausführungsform des kalten Endes 42 ist in 3 veranschaulicht. Wie die Ausführungsform des kalten Endes von 2 kann die Ausführungsform des kalten Endes von 3 den Verbindungsflansch 58 und die Abstandshalterplatte 60 umfassen. Zur Verdeutlichung wurden diese Komponenten jedoch in der Ausführungsform des kalten Endes von 3 weggelassen. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 2 kann das kalte Ende 42 von 3 ein anderes Kolbengehäuse 108, einen Einlass-Verteiler 110 und einen Auslass-Verteiler 112 umfassen. Das Kolbengehäuse 108 kann zwischen dem Einlass- und Auslass-Verteiler 110, 112 durch Befestigungselemente 66 eingeklemmt sein.
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Wie das Kolbengehäuse 62 von 2 kann das Kolbengehäuse 108 von 3 einen allgemein zylindrischen Körper mit darin ausgebildeten und in einem Ring um die Achse 32 herum angeordneten hohlen Trommeln 82 zur Aufnahme der Kolben 80 aufweisen. Im Gegensatz zu dem Kolbengehäuse 62 kann hier eine Ausnehmung 114 zwischen den Trommeln 82 nur an einem oberen oder nach innen weisenden Ende ausgebildet und dazu ausgestaltet sein, darin den Auslass-Verteiler 112 aufzunehmen. Darüber hinaus können die Auslass-Rückschlagventile 100 und die Federn 106 innerhalb eines Zentrums des Kolbengehäuses 108 (z. B. an einer Position unterhalb des Auslass-Verteilers 112) aufgenommen sein, und Abschnitte jedes Durchgangs 96 (z. B. die Segmente 96a und 96b) können zwischen den Trommeln 82 und den Auslass-Rückschlagventilen 100 durch das Kolbengehäuse 108 geführt werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die Abstandshalterplatte 60 falls gewünscht nicht in das Kolbengehäuse 108 einbezogen wird.
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Der Einlassverteiler 110 von 3 kann, anstatt einen Flanschabschnitt und einen vorspringenden Zentralabschnitt wie der Verteiler 64 von 2 aufzuweisen, zylindrisch und allgemein plattenartig mit einer konsistenten axialen Dicke sein. Die Bohrungen 84 können darin ausgebildet sein, um die Einlass-Rückschlagventile 87 in derselben Konfiguration des Verteilers 64 aufzunehmen. Die Schäfte 90 der Einlass-Rückschlagventile 87 können gleitend innerhalb der Führungen 88 aufgenommen sein, und die Basen 92 können selektiv mit Sitzen 94 in Eingriff stehen, um die Hochdruck-Strömung daran zu hindern, während der Ausfahrhübe der Kolben 80 aus den Trommeln 82 in den Tank 12 auszutreten.
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Der Auslass-Verteiler 112 kann allgemein zylindrisch sein und fast vollständig in die Ausnehmung 114 des Kolbengehäuses 108 zu passen. Der Auslass-Verteiler 112 kann gegen das Kolbengehäuse 108 abgedichtet sein (z. B. durch Befestigungselemente 66, die an dem Boden des Einlass-Verteilers 110 dargestellt sind), so dass das Hochdruckfluid in den Durchgängen 96 gehalten wird. Der Auslass-Verteiler 112 kann einen zentralen Hohlraum 98 und Abschnitte der Durchgänge 96 (d. h., Segment 96c) aufnehmen, die sich von den Rückschlagventilen 100 zu dem zentralen Hohlraum 98 erstrecken. Der Durchgang 18 (in 3 nicht dargestellt) kann mit dem zentralen Hohlraum 98 über eine Hochdruck-Armatur (nicht dargestellt) kommunizieren, die in den zentralen Hohlraum 98 von einer dem Kolbengehäuse 108 gegenüberliegenden Seite eingeschraubt werden kann. Es ist anzumerken, dass die Rückschlagventile 100 von 3 auch eine andere Form als die Rückschlagventile 100 von 2 aufweisen können, wenn dies gewünscht ist. Zum Beispiel können die Rückschlagventile 100 von 2 jeweils axiale Durchflussventile sein, während die Rückschlagventile 100 von 3 stattdessen Seitenströmungsventile sein können. Auch andere Konfigurationen können möglich sein.
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Die Ausführungsform des kalten Endes von 3 kann eine kompaktere, kostengünstigere und/oder effizientere Konstruktion aufweisen als die Ausführungsform des kalten Endes von 2. Da der zentrale Hohlraum 98 sich innerhalb des Auslass-Verteilers 112 befinden kann, der innerhalb des inneren Endes des Kolbengehäuses 62 eingetieft ist, kann insbesondere die axiale Gesamtlänge des kalten Endes 42 in der Ausführungsform von 3 geringer sein. Darüber hinaus können durch Teilen der Funktionalität des Verteilers 64 zwischen separaten und kleineren Einlass- und Auslass-Verteilern 110, 112 kleinere Komponenten eingesetzt werden, die einfacher und billiger herzustellen sind. Ferner kann die Konfiguration der Durchgangssegmente 96a, 96b, 96c durchgängiger sein (d. h., die Durchgangssegmente können keine umfangreiche Strömungsumlenkung durch den Typ der verwendeten Rückschlagventile 100 erfordern), was eine effizientere Fluidströmung zwischen den Trommeln 82 und dem zentralen Hohlraum 83 ermöglicht.
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Während die Ausführungsform des kalten Endes von 3 bestimmte Vorteile gegenüber der Ausführungsform von 2 aufweisen kann, kann auch die Ausführungsform von 2 bestimmte Vorteile gegenüber der Ausführungsform von 3 aufweisen. Insbesondere umfasst die Ausführungsform von 2 nur zwei Hauptkomponenten, die an einer einzelnen Hochdruck-Schnittstelle dicht miteinander verbunden werden müssen (d. h., zwischen Kolbengehäuse 62 und Verteiler 64). Die Ausführungsform von 3 umfasst jedoch vier Hauptkomponenten, die an drei Hochdruck-Schnittstellen dicht verbunden werden. Die größere Anzahl von Hochdruck-Schnittstellen der Ausführungsform von 3 kann sich als höhere Kosten für die Genauigkeit ausdrücken, die für die geeignete Abdichtung zwischen den Komponenten erforderlich ist.
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Eine weitere Ausführungsform des kalten Endes 42 ist in 4 veranschaulicht. Die Ausführungsform des kalten Endes von 4 kann bestimmte Merkmale mit beiden Ausführungsformen des kalten Endes von 2 und 3 gemeinsam haben. Zum Beispiel kann das kalte Ende 42 von 4 einen Verbindungsflansch 116, ein Kolbengehäuse 118 und einen Einlass-Verteiler 120 umfassen. Das kalte Ende 42 von 4 kann jedoch keinen Auslass-Verteiler oder keine Abstandshalterplatte umfassen. Der Verbindungsflansch 116 kann direkt mit dem Kolbengehäuse 118 verbunden sein, und der Einlass-Verteiler 120 kann mit einer dem Kolbengehäuse 118 gegenüberliegenden Seite (d. h., an seiner unteren Seite) verbunden sein. Wie in allen Ausführungsformen können Befestigungselemente 66 diese Komponenten miteinander verbinden.
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Der Verbindungsflansch 116 von 4 kann dem Verbindungsflansch 58 von 2 ähnlich sein. Insbesondere kann der Verbindungsflansch 116 einen allgemein zylindrischen Körper mit darin ausgebildeten und in einem Ring um die Achse 32 herum angeordneten Bohrungen 68 aufweisen. Jede der Bohrungen 68 kann dazu ausgestaltet sein, eine andere Führungsmutter 70 aufzunehmen. Die Schubstangenhülsen 72 können über Gewinde mit den Führungsmuttern 70 in Eingriff stehen, wodurch das kalte Ende 42 mit dem warmen Ende 40 verbunden wird. Falls gewünscht können Dichtungen (z. B. Flüssigkeits- und/oder Dampfdichtungen) 76 zwischen den Führungsmuttern 70 und der Wand der Bohrung 68 eingebracht sein. Im Gegensatz zu dem Verbindungsflansch 58 kann der Verbindungsflansch 116 jedoch einen zentralen Abschnitt umfassen, der zu dem Kolbengehäuse 118 hin hervorsteht und die Durchgangssegmente 96c und den zentralen Hohlraum 98 enthält.
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Das Kolbengehäuse 118 von 4 kann dem Kolbengehäuse 108 von 3 ähnlich sein. Insbesondere kann das Kolbengehäuse 118 einen allgemein zylindrischen Körper aufweisen, mit darin in einem Ring um die Achse 32 ausgebildeten hohlen Trommeln 82 zur Aufnahme der Kolben 80. Darüber hinaus können die Auslass-Rückschlagventile 100 und Federn 106 innerhalb eines Zentrums des Kolbengehäuses 118 (z. B. an einer Position unterhalb des zentralen Abschnitts des Verbindungsflansches 116) untergebracht sein, und Abschnitte eines jeden Durchgangs 96 (z. B. Segmente 96a und 96b) können zwischen den Trommeln 82 und den Auslass-Rückschlagventilen 100 durch das Kolbengehäuse 118 geführt sein. Im Gegensatz zu den anderen Ausführungsformen des Kolbengehäuses kann das Kolbengehäuse 118 in seinem Zentrum massiv sein, mit einer allgemein konsistenten axialen Dicke.
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Der Einlass-Verteiler 120 von 4 kann dem Einlass-Verteiler 110 von 3 ähnlich. Insbesondere kann der Einlass-Verteiler 120 zylindrisch und allgemein plattenartig sein, mit einer konsistenten axialen Dicke. Die Bohrungen 84 können darin ausgebildet sein, um die Einlass-Rückschlagventile 87 in derselben Konfiguration des Verteilers 110 aufzunehmen. Die Schäfte 90 der Einlass-Rückschlagventile 87 können gleitend innerhalb der Führungen 88 aufgenommen sein, und die Basen 92 können selektiv mit Sitzen 94 in Eingriff stehen, um die Hochdruck-Strömung daran zu hindern, während der Ausfahrhübe der Kolben 80 aus den Trommeln 82 auszutreten. Im Gegensatz zu dem Einlass-Verteiler 110 können die Einlass-Rückschlagventile 87 des Einlass-Verteilers 120 sich jedoch eine gewisse Distanz in das Kolbengehäuse 118 hinein erstrecken, wenn sie sich in ihre offenen Stellungen bewegen.
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Der hauptsächliche Unterschied zwischen der Ausführungsform des kalten Endes von 4 und den Ausführungsformen kann die Verwendung von Kolbenauskleidungen 122 sein. Insbesondere können die Kolben 80, statt direkt innerhalb der Trommeln 82 zu laufen, die in dem Kolbengehäuse 118 ausgebildet sind, innerhalb von Auskleidungen oder Laufbüchsen 122 laufen, die in den Trommeln 82 sitzen. Die Auskleidungen 122 können jeweils einen allgemein zylindrischen Körper aufweisen, mit einer Innenbohrung 124, die gleitend die Kolben 80 aufnimmt. Eine Außenfläche der Auskleidungen 122 kann mit einem Gewinde versehen und dazu ausgestaltet sein, in ein entsprechendes Gewinde innerhalb der Trommeln 82 einzugreifen. In einer Ausführungsform kann das Gewinde nur an einem oberen Endabschnitt der Auskleidungen 122 vorgesehen sein, so dass ein verbleibender Abschnitt (z. B. ein Großteil einer axialen gewindefreien Länge) der Auskleidungen 122 innerhalb der Trommeln 82 hängt, mit einem gewissen Spielraum zwischen den Auskleidungen 122 und den Innenwänden der Trommeln 82. Dieser Spielraum kann eine gewisse Ausdehnung und Kontraktion der Auskleidungen 122 erlauben, die durch thermische oder Druckgefälle der Pumpe 14 verursacht werden. Ein oberes Ende der Auskleidungen 122 kann geflanscht sein und umfasst in einigen Fällen äußere Merkmale (z. B. eine sechseckige Gestalt), in die ein entsprechendes Werkzeug eingreifen und verwendet werden kann, um die Auskleidungen 122 mit den Innenbohrungen 124 der Trommeln 82 zu verbinden (d. h., die Auskleidungen 122 zu drehen, während sie mit dem Gewinde in Eingriff stehen). Da die Auskleidungen 122 in die Bohrungen 124 eingeschraubt werden, kann eine distale Spitze der Auskleidungen 122 (d. h., das Ende gegenüber dem geflanschten Ende) mit einem Sitz innerhalb der Trommeln 82 in Eingriff gelangen und eine Dichtung gegen den Sitz bilden, um zu helfen, die gewünschten Drücke innerhalb der Auskleidungen 122 während der Oszillation der Kolben 80 aufrecht zu erhalten.
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Obwohl die Auskleidungen 122 hier nur in Kombination mit den anderen Komponenten der Ausführungsform des kalten Endes von 4 gezeigt werden, wird auch in Betracht gezogen, dass beliebige andere der offenbarten Ausführungsformen des kalten Endes von der Verwendung der Auskleidungen 122 profitieren können. Insbesondere können durch Verwendung der Auskleidungen 122 die Bearbeitungs- und Fertigungstoleranzen des Kolbengehäuses 118 etwas erweitert werden, was helfen kann, die Kosten des Kolbengehäuses 118 zu verringern. Da die Auskleidungen 122 die Geometrie mit hohen Toleranzen umfassen, die ursprünglich in den anderen Kolbengehäusekonstruktionen vorgesehen war, kann diese mit hohen Toleranzen einfacher erreicht werden. Das heißt, die Auskleidungen 122 sind kleinere Komponenten im Vergleich zu dem Kolbengehäuse, was es einfacher macht, sie während der Fertigung und Bearbeitung zu bewegen und zu positionieren. Da ferner jede Auskleidung 122 allgemein zylindrisch ist und nur eine einzelne Bohrung umfasst, kann das Verfahren zur Herstellung der Geometrie mit engen Toleranzen modifiziert werden, um ein genaueres und günstigeres Verfahren zu erhalten. Insbesondere kann die Geometrie mit engen Toleranzen der Auskleidung 122 unter Verwendung einer Drehbank statt einer Fräse erfolgen, wie sie erforderlich ist, wenn die Geometrie in dem Kolbengehäuse ausgebildet wird. Schließlich können die Auskleidungen 122 austauschbare Verschleißartikel sein, was ein schnelles und kostengünstiges Wiederinstandsetzungsverfahren ermöglicht. Außerdem kann es aufgrund der gegenüberliegenden offenen Enden einfacher sein, homogene Beschichtungen auf die inneren Oberflächen der Auskleidungen 122 aufzubringen, was eine verbesserte Qualität und günstigere Fertigung ermöglicht.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die offenbarte Pumpe findet potenziell Anwendung in beliebigen Fluidpumpanwendungen. Zum Beispiel kann die offenbarte Pumpe in mobilen (z. B. Lokomotiven) oder stationären (z. B. Leistungserzeugung) Anwendungen mit einem Verbrennungsmotor verwendet werden, der das Fluid verbraucht, das von der offenbarten Pumpe unter Druck gesetzt wird. Die offenbarte Pumpe findet insbesondere Anwendung in kryogenen Anwendungen, zum Beispiel in Anwendungen mit Motoren, die flüssigen Erdgaskraftstoff verbrennen. Als nächstes wird nun der Betrieb des Pumpsystems 10 erläutert.
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Unter Bezugnahme auf 1 kann, wenn der mechanische Eingang 38 durch eine Leistungsquelle 16 gedreht wird, die Lastplatte 50 angetrieben werden, um sich in einer axialen Richtung wellenförmig zu bewegen. Diese wellenförmige Bewegung kann zu einer Verschiebungsbewegung der Stößel 52 und entsprechenden Bewegungen der Schubstangen 54 führen. Während sich jede Schubstange 54 aus einer entsprechenden Trommel 82 (oder Auskleidung 122) zurückzieht, kann der Kolben 80 nach oben gezogen werden. Außerdem kann der Druck des Kraftstoffs innerhalb des Tanks 12 in einigen Anwendungen helfen, den Kolben 80 in seine zurückgezogene Stellung zu heben. Während sich der Kolben 80 innerhalb der Trommel 82 nach oben bewegt, kann das Fluid in dem Tank 12 angesaugt und/oder an dem Einlass-Rückschlagventil 87 vorbei in die Trommel 82 gedrückt werden. Während sich die Pleuelstange 54 zurück in die Trommel 82 bewegt, kann die Schubstange 54 den Kolben 80 zurück nach unten drücken. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 80 kann das Fluid aus der Trommel 82 (oder Auskleidung 122) mit einem erhöhten Druck ausstoßen. Das Hochdruckfluid kann durch den Durchgang 96 an dem Auslass-Rückschlagventil 100 vorbei zu dem zentralen Hohlraum 98 strömen, und von dem zentralen Hohlraum 98 über den Durchgang 18 aus der Pumpe 14 heraus.
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Die offenbarte Pumpe kann eine Hochdruck-Zufuhr an Kraftstoff mit einer kompakten, einfachen und robusten Konfiguration bereitstellen. Die offenbarte Pumpe kann aufgrund der strategischen Position der Ventile innerhalb von auf einzigartige Weise konstruierten Verteilern kompakt gemacht werden, die helfen, die axiale und radiale Größe der Pumpe zu verringern. Die offenbarte Pumpe kann auch einfach und robust sein, da gemeinsame Verteiler verwendet werden können, die helfen können, die Teileanzahl zu reduzieren. Außerdem kann die Verwendung austauschbarer Kolbenauskleidungen innerhalb der Verteiler eine unkomplizierte und kostengünstige Wiederinstandsetzung der Pumpe ermöglichen.
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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.
