DE112016003364T5

DE112016003364T5 - Hydraulisches antriebssystem für kryopumpe

Info

Publication number: DE112016003364T5
Application number: DE112016003364.8T
Authority: DE
Inventors: Adrienne M. Brasche; Cory A. Brown; Sunil J. Bean
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: WO2017034743A1; US9915250B2; US20170058878A1; CN107923323A; CN107923323B; AU2016312206B2; DE112016003364B4

Abstract

Ein Antriebssystem (114) für eine Kryopumpe (110) wird bereitgestellt. Es umfasst ein Schiebergehäuse (150) mit einer Vielzahl von Ventilen (240), die darin um eine Pumpachse (118) herum angeordnet sind, sowie ein Stößelgehäuse (152) mit einer Vielzahl von Stößelbohrungen (200), wobei jede Stößelbohrung mit einem jeweiligen der Vielzahl von Ventilen (240) in Kommunikation steht. Ein Sammelhohlraum (220) sammelt Hydraulikfluid von den Stößelbohrungen. Ein Pumpenflansch (119) umfasst einen Fluideinlass (302) und einen Fluidauslass (304). Ein Einlassverteiler (305) leitet durch den Fluideinlass (302) empfangenes Hydraulikfluid an jedes der Vielzahl von Ventilen (240). Ein Auslassverteiler (332) leitet Hydraulikfluid von jedem der Ventile (240) und dem Sammelhohlraum (220) an den Fluidauslass (304).

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft allgemein Kryopumpen, und insbesondere ein hydraulisches Antriebssystem für eine Kryopumpe.
Hintergrund
Viele große mobile Maschinen, wie etwa Bergbaulastwagen, Lokomotiven, Schifffahrts-Anwendungen und dergleichen, haben in letzter Zeit zunehmend begonnen, alternative Kraftstoffe entweder allein oder in Verbindung mit herkömmlichen Kraftstoffen zu verwenden, um ihre Motoren zu betreiben. Zum Beispiel können Motoren mit großem Hubraum einen gasförmigen Kraftstoff allein oder in Kombination mit einem herkömmlichen Kraftstoff wie Diesel für ihren Betrieb einsetzen. Aufgrund ihrer relativ niedrigen Dichte werden gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas oder Propangas in den Fahrzeugen in flüssiger Form mitgeführt. Diese Flüssigkeiten, meist Flüssigerdgas (LNG) oder verflüssigtes Propangas (LPG), können kryogen in isolierten Tanks auf den Fahrzeugen gespeichert werden, oder können alternativ unter erhöhtem Druck, etwa einem Druck zwischen 30 und 300 psi in einem Druckgefäß gespeichert werden. In beiden Fällen kann der gespeicherte Kraftstoff gepumpt, verdampft, entspannt, oder auf andere Weise in eine Gasform gebracht und in dosierten Mengen als Kraftstoff an den Motor zugeführt werden.
Um gekühltes Erdgas in komprimierter oder verflüssigter Form an Bord von mobilen Maschinen zu lagern und einzusetzen, können spezielle Lagertanks und Kraftstoffversorgungssysteme erforderlich sein. Diese Ausrüstung kann einen doppelwandigen Kryotank und eine Pumpe zur Zufuhr des LNG oder LPG an den Verbrennungsmotor zur Verbrennung umfassen. Die Pumpen, die in der Regel verwendet werden, um das LNG an den Motor der Maschine zuzuführen, umfassen Kolben, die das LNG an den Motor zuführen. Solche Kolbenpumpen, die manchmal als kryogene Pumpen bezeichnet werden, umfassen oftmals einen einzelnen Kolben, der hin und her bewegbar in einer Zylinderbohrung montiert ist. Der Kolben wird in dem Zylinder hin und her bewegt, um das Gas anzusaugen und dann zu verdichten. Die Leistung zur Bewegung des Kolbens kann durch unterschiedliche Mittel bereitgestellt werden, meist handelt es sich um elektrische, mechanische oder hydraulische Leistung.
Ein Beispiel für eine Kryopumpe ist dem US-Patent 3,212,280 zu entnehmen (dem '280-Patent), das ein Pumpsystem für flüchtige Flüssigkeiten beschreibt, das drei individuelle Pumpeinheiten umfasst, die in einem glockenförmigen Gehäuse enthalten sind. Die individuellen Pumpen umfassen jeweils einen einzelnen Kolben, der durch einen mechanischen Schieber/Kurbeltriebmechanismus angetrieben wird. Der Antriebsmechanismus ist außerhalb des Tanks angeordnet.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt beschreibt die Offenbarung eine Kryopumpe zum Pumpen von Flüssigkeit aus einem Kryotank. Die Kryopumpe umfasst eine Pumpenanordnung, die dazu geeignet ist, in einen Kryotank eingetaucht zu werden, und eine hydraulische Antriebsanordnung zum Antreiben der Pumpenanordnung zum Pumpen von Flüssigkeit. Die hydraulische Antriebsanordnung umfasst ferner ein Schiebergehäuse mit einer Vielzahl von darin um eine Pumpachse herum angeordneten Ventilen, und ein Stößelgehäuse mit einer Vielzahl von Stößelbohrungen, wobei jede Stößelbohrung in Kommunikation mit einem jeweiligen der Vielzahl von Ventilen steht. Ein Sammelhohlraum sammelt Hydraulikfluid von den Stößelbohrungen. Die Kryopumpe ist durch einen Pumpenflansch an einem Kryotank befestigt. Der Pumpenflansch umfasst einen Fluideinlass zur Aufnahme von Hydraulikfluid und einen Fluidauslass zum Herausführen von Hydraulikfluid aus der Kryopumpe. Ein Einlassverteiler ist zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse angeordnet und leitet durch den Fluideinlass empfangenes Hydraulikfluid an jedes der Vielzahl von Ventilen. Ein Auslassverteiler leitet Hydraulikfluid von jedem der Ventile und dem Sammelhohlraum an den Fluidauslass.
Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Leistungssystem für eine Maschine, das einen Kryotank zum Speichern eines kryogenen Fluids, einen Motor, der wirkmäßig dem Kryotank zugeordnet ist, um das kryogene Fluid zu empfangen, und ein Hydrauliksystem mit einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikreservoir umfasst. Eine Kryopumpe ist in dem Kryotank angeordnet, wobei die Kryopumpe eine Pumpenanordnung aufweist, die in den Kryotank eingetaucht ist, und eine hydraulische Antriebsanordnung zum Antreiben der Pumpenanordnung zum Pumpen der kryogenen Flüssigkeit. Die hydraulische Antriebsanordnung umfasst ferner ein Schiebergehäuse mit einer Vielzahl von darin um eine Pumpachse herum angeordneten Ventilen, und ein Stößelgehäuse mit einer Vielzahl von Stößelbohrungen. Jede Stößelbohrung steht in Kommunikation mit einem jeweiligen der Vielzahl von Ventilen steht. Ein Sammelhohlraum sammelt Hydraulikfluid von den Stößelbohrungen. Die Kryopumpe ist durch einen Pumpenflansch an einem Kryotank befestigt. Der Pumpenflansch umfasst einen Fluideinlass in Kommunikation mit der Hydraulikpumpe und einen Fluidauslass in Kommunikation mit dem Hydraulikreservoir. Ein Einlassverteiler ist zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse angeordnet und leitet durch den Fluideinlass empfangenes Hydraulikfluid an jedes der Vielzahl von Ventilen. Ein Auslassverteiler ist zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse angeordnet und leitet Hydraulikfluid von jedem der Ventile und dem Sammelhohlraum an den Fluidauslass.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Antriebssystem für eine Kryopumpe. Das Antriebssystem umfasst ein Schiebergehäuse mit einer Vielzahl von Ventilen, die darin um eine Pumpachse herum angeordnet sind. Ein Stößelgehäuse umfasst eine Vielzahl von Stößelbohrungen, wobei jede Stößelbohrung in Kommunikation mit einem jeweiligen der Vielzahl von Ventilen steht. Ein Sammelhohlraum sammelt Hydraulikfluid von den Stößelbohrungen. Die Kryopumpe ist durch einen Pumpenflansch an dem Kryotank befestigt. Der Pumpenflansch umfasst einen Fluideinlass zur Aufnahme von Hydraulikfluid und einen Fluidauslass zum Herausführen von Hydraulikfluid aus der Kryopumpe. Ein Zentraldurchgang ist zumindest zum Teil in einem Raum in dem Schiebergehäuse angeordnet, der durch die Vielzahl von Ventilen umschrieben wird. Ein ringförmiger Durchgang ist zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse angeordnet. Ein Einlassverteiler leitet durch den Fluideinlass empfangenes Hydraulikfluid an jedes der Vielzahl von Ventilen. Der Auslassverteiler umfasst entweder den Zentraldurchgang oder den ringförmigen Durchgang. Ein Auslassverteiler leitet Hydraulikfluid von jedem der Ventile und dem Sammelhohlraum an den Fluidauslass. Der Einlassverteiler umfasst den jeweils anderen von Zentraldurchgang und ringförmigem Durchgang.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm und stellt ein Leistungssystem mit Flüssigerdgas (LNG) dar.
2 ist eine Schnittansicht der Kryopumpe und des Kryotanks von 1.
3 ist eine Seitenansicht der Kryopumpe von 1 im von dem Kryotank abgenommenen Zustand.
4 ist eine abgeschnittene Seitenansicht der Kryopumpe entlang der Linie 4-4 von 3.
5 ist eine abgeschnittene Ansicht der Antriebsanordnung der Kryopumpe.
6 ist eine Schnittansicht eines Hydraulikstellglieds des Antriebssystems der Kryopumpe.
7 und 8 sind Schnittansichten eines Schieberventils des Antriebssystems der Kryopumpe in zwei Betriebszuständen.
9 ist eine abgeschnittene Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Antriebsanordnung der Kryopumpe.
10 ist eine abgeschnittene Draufsicht der Kryopumpe von 9.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung betrifft ein System, das komprimiertes Erdgas (CNG) oder Flüssigerdgas (LNG), das bei kryogenen Temperaturen vorgehalten wird, in einem Verbrennungsmotor zur Leistungserzeugung verbrennt. Unter Bezugnahme auf 1 wird dort ein repräsentatives schematisches Diagramm eines LNG-Leistungssystems 100 zum Verbrennen und Umwandeln von LNG in Antriebsleistung für die Maschine veranschaulicht. Die Maschine kann ein beliebiger Typ von Maschine zur Durchführung bestimmter Arten von Arbeit für Industrien wie Bergbau, Bau, Landwirtschaft, Transport oder andere in der Technik bekannte Industrien sein. Beispielsweise kann die Maschine eine Erdbewegungsmaschine sein, wie z. B. ein Radlader, ein Bagger, ein Muldenkipper, ein Tieflöffelbagger, ein Motorgrader, eine Materialhandlingmaschine, ein Bergbaulastwagen, eine Lokomotive oder dergleichen. In anderen Ausführungsformen kann die Maschine eine stationäre Maschine zum Antrieb von Pumpen, Kompressoren, Generatoren oder dergleichen sein. Die vorstehend erwähnten Verwendungen des LNG-Leistungssystems 100 sind nur beispielhaft und sollten nicht als Einschränkung der Ansprüche der vorliegenden Offenbarung ausgelegt werden. Das beschriebene LNG-Leistungssystem 100 kann alternative auch mit CNG betrieben werden.
Das LNG-Leistungssystem 100 kann einen Verbrennungsmotor 102 umfassen, der LNG-Kraftstoff von einem Kryotank 104 erhalten kann, der sich an der oder in unmittelbarer Nähe zu der Maschine befinden kann. Der Verbrennungsmotor 102 kann Kolben, Zylinder, ein Luftmassendurchsatzsystem und andere Komponenten umfassen, die wirkmäßig angeordnet sind, um LNG zu verbrennen und chemische Energie darin in eine mechanische Bewegung umzuwandeln, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. In anderen Ausführungsformen kann der Verbrennungsmotor gegen einen anderen Typ von Verbrennungsmotor ausgetauscht werden, etwa eine Turbine. Um LNG von dem Kryotank 104 an den Verbrennungsmotor 102 zu leiten, kann das LNG-Leistungssystem 100 eine Kraftstoffleitung 106 in der Form von kryogenen Schläuchen oder dergleichen umfassen. Um den Verbrennungsprozess zu fördern, kann in einer Ausführungsform das LNG vor der Einleitung in den Verbrennungsmotor 102 durch einen in der Kraftstoffleitung 106 angeordneten Verdampfer 108 wieder in eine gasförmige oder verdampfte Phase umgewandelt werden.
Um das LNG von dem Kryotank 104 an den Verbrennungsmotor 102 zu leiten, ist eine Kryopumpe 110, die für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen geeignet ist, zum Teil innerhalb des Tanks angeordnet. In 2 ist eine Schnittansicht des Tanks 104 dargestellt, wobei die Pumpe 110 zumindest zum Teil in diesem angeordnet ist. Der Kryotank 104 kann eine doppelwandige, vakuumversiegelte Konstruktion wie ein Dewargefäß oder eine ähnliche, massiv isolierte Konstruktion sein, und kann eine beliebige geeignete Größe und ein beliebiges geeignetes Speichervolumen aufweisen. Zum Beispiel kann der Tank 104 eine Innenwand 103 umfassen, die eine Kammer 105 definiert, die das unter Druck stehende LNG enthält, sowie eine äußere Wand 107. Optional kann eine Isolierschicht 109 verwendet und/oder ein Vakuum in einem Spalt zwischen der Innenwand 103 und der Außenwand 107 erzeugt werden. Sowohl die Innenwand 103 als auch die Außenwand 107 haben eine gemeinsame Öffnung 111 an einem Ende des Tanks, die eine zylindrische Hülle 113 umgibt, die sich in eine Tankkammer 105 erstreckt. Die zylindrische Hülle 113 ist hohl und definiert einen Pumpensitz 117 darin, der sich von einem Montageflansch 119 in eine Tankkammer 105 hinein erstreckt und die Kryopumpe 110 darin aufnimmt. Eine Dichtung 121 trennt den Innenraum eines Abschnittes des Pumpensitzes 117 von der Tankkammer 105.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist die Kryopumpe 110 in der illustrierten Ausführungsform vertikal in Bezug auf den Kryotank 104 angeordnet und umfasst einen Pumpenflansch 112, der die Kryopumpe 110 an dem Montageflansch 119 des Tanks 104 trägt. Die Kryopumpe 110 kann eine längliche Gestalt aufweisen, um sich unmittelbar bis zum Boden des Kryotanks 104 zu erstrecken. Die Kryopumpe 110 kann eine hydraulische Antriebsanordnung 114 aufweisen, die dem Pumpenflansch 112 zugeordnet ist und thermisch mit der Außenwand 107 in Verbindung steht (manchmal als das ”warme Ende” bezeichnet), sowie eine Pumpenanordnung 116, die an dem Boden des Kryotanks 104 angeordnet ist und in kryogenes Fluid wie etwa LNG eingetaucht sein kann, wenn der Tank voll ist (manchmal als das ”kalte Ende” bezeichnet). Die längliche Gestalt der Kryopumpe 110 ist ferner durch eine Pumpachse 118 gekennzeichnet, die sich zwischen der Antriebsanordnung und Pumpenanordnung 114, 116 der Pumpe, die voneinander beabstandet sind, erstreckt.
Um die Kryopumpe 110 anzutreiben, kann das hydraulische Antriebssystem 114 wirkmäßig Pumpelementen zugeordnet sein, die in der Antriebsanordnung 116 angeordnet sind. Erneut bezugnehmend auf 1 kann die hydraulische Antriebsanordnung 114 daher in Fluidverbindung mit einem Hydrauliksystem 120 stehen, das dem LNG-Leistungssystem 100 zugeordnet ist. Um Hydraulikfluid zu speichern, kann das Hydrauliksystem 120 ein Hydraulikreservoir 122 mit einem beliebigen geeigneten Volumen umfassen, das normalerweise das Hydraulikfluid bei nahezu atmosphärischem Druck speichern kann. Um das Hydraulikfluid mit Druck zu beaufschlagen und durch das Hydrauliksystem 120 zu leiten, kann eine erste Hydraulikleitung 124 die Fluidverbindung zwischen dem Hydraulikreservoir 122 und einer Hydraulikpumpe 126 herstellen. Die Hydraulikpumpe 126 kann eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen und kann eine Dosierpumpe oder eine Pumpe mit variablem Volumen sein, um die Menge an Hydraulikfluid, die durch das Hydrauliksystem geleitet wird, einstellbar zu steuern. Eine zweite Hydraulikleitung 128 kann die Fluidverbindung zwischen dem Auslass der Hydraulikpumpe 126 und der hydraulischen Antriebsanordnung 114 der Kryopumpe 110 herstellen. Um das Hydraulikfluid an das Hydrauliksystem 120 zurückzuleiten, erstreckt sich eine dritte Hydraulikleitung 130 von der hydraulischen Antriebsanordnung 114 zurück zu dem Hydraulikreservoir 122. Die dritte Hydraulikleitung 130 kann auch durch einen Kühler 132 oder Wärmetauscher verlaufen, nachdem sie die Kryopumpe 110 verlässt, um ein oder mehrere Fluide zu kühlen, die wirkmäßig dem Verbrennungsmotor 102 zugeordnet sind.
Um das LNG-Leistungssystem 100 und/oder das Hydrauliksystem 120 zu steuern, kann ein elektronisches Steuergerät 136 wirkmäßig einer der Komponenten der Systeme zugeordnet sein und damit in elektronischer Kommunikation stehen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet. Das Steuergerät 136 kann in der Form eines Mikroprozessors, eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) vorliegen, oder kann andere geeignete Schaltungen umfassen und Speicher oder andere Datenspeicherkapazitäten aufweisen. Das Steuergerät 136 kann auch Funktionen, Schritte, Routinen, Datentabellen, Datenkennfelder, Karten und dergleichen umfassen (bzw. in der Lage sein, solche auszuführen), die in Nurlesespeichern oder anderen elektronisch zugänglichen Speichermedien gespeichert und daraus ausführbar sind, um das LNG-Leistungssystem und/oder Hydrauliksystem zu steuern. Obwohl in der in 1 veranschaulichten Ausführungsform das Steuergerät als eine einzelne diskrete Einheit dargestellt ist, können in anderen Ausführungsformen das Steuergerät und seine Funktionen auf eine Vielzahl von verschiedenen und separaten Komponenten verteilt sein. Das Steuergerät kann auch wirkmäßig verschiedenen Sensoren, Eingängen, und Steuerungen zugeordnet sein, die im Umfeld der Systeme angeordnet sind, wobei die elektronische Kommunikation zwischen Komponenten durch Kommunikationsleitungen wie Kabel, speziell vorgesehene Busleitungen, und Radiowellen unter Verwendung digitaler oder analoger Signale hergestellt wird.
Unter Bezugnahme auf 3 wird dort eine Kryopumpe 110 veranschaulicht, bei der sich die hydraulische Antriebsanordnung 114 von dem Pumpenflansch 112 nach unten erstreckt und die Pumpenanordnung 116 angeordnet ist, um in das in dem Kryotank gespeicherte LNG einzutauchen. Die Kryopumpe 110 kann auch einen Pleuelstangenkörper 140 umfassen, der eine längliche, allgemein röhrenförmige Gestalt aufweist und sich zwischen der hydraulischen Antriebsanordnung 114 und der Pumpenanordnung 116 erstreckt und diese miteinander verbindet. Der Pleuelstangenkörper 140 kann die Pumpachse 118 umschreiben, die mit der vertikalen Erstreckung der länglichen Kryopumpe 110 in Ausrichtung steht, wenn sie in dem Kryotank installiert ist. Um die Kryopumpe 110 zu tragen, während sie sich nach unten in den Kryotank hinein erstreckt, umfasst der Pumpenflansch 112 eine Flanschschulter 142, die von der Pumpachse 118 radial nach außen ragt, und die sich mit der Außenhülle des Tanks vereinigen oder auf dieser aufruhen kann, wie etwa in 2 gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 4 kann die Pumpenanordnung 116 zum Pumpen von LNG eine Vielzahl von Pumpelementen 144 in der Form von oszillierenden Kolben umfassen, die dazu ausgestaltet sind, sich in Bezug auf die Pumpachse 118 auf- und abwärts zu bewegen und dadurch eine Pumpwirkung zu erzeugen. Die Pumpelemente 144 können sich auf sequenzielle oder abwechselnde Weise bewegen, um eine konstante Ausgabe von LNG aus der Kryopumpe 110 bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann die Pumpenanordnung 116 sechs Pumpelemente 144 umfassen, die konzentrisch um die Pumpachse 118 herum angeordnet sind, aber in anderen Ausführungsformen werden auch andere Anzahlen und Anordnungen von Pumpelementen in Betracht gezogen und fallen in den Umfang der Offenbarung.
Um die Pumpelemente 144 anzutreiben, kann wie oben angemerkt die hydraulische Antriebsanordnung 114 dazu ausgestaltet sein, den Hydraulikdruck in Verbindung mit dem Hydraulikfluid in eine oszillierende Bewegung umzuwandeln, die allgemein parallel zu der Pumpachse ausgerichtet ist. Die Komponenten der hydraulischen Antriebsanordnung oder des Systems können ein oberstes Schiebergehäuse 150, das unter dem Pumpenflansch 112 angeordnet ist, ein Stößelgehäuse 152, das vertikal unter dem Schiebergehäuse angeordnet ist, und ein Federgehäuse 154 umfassen, das vertikal unter dem Stößelgehäuse angeordnet ist. Das Stößelgehäuse 152 kann eine Vielzahl von Stößeln 156 umfassen, die gleitend darin angeordnet und vertikal beweglich sind, und die gegen eine Vielzahl von Schubstangen 158 anliegen, die zum Teil in dem Federgehäuse 154 aufgenommen sind. Die Schubstangen 158 können von dem Federgehäuse 154 weghängen, um gegen eine jeweilige Anzahl von Pleuelstangen 160 anzuliegen, die sich durch das röhrenförmige Pleuelstangengehäuse 140 von der hydraulischen Antriebsanordnung 114 zur Pumpenanordnung 116 erstrecken und wirkmäßig den Pumpelementen 144 zugeordnet sind. Wenn die Stößel und Schubstangen 118 durch die Kraft des Hydraulikfluids zur Oszillation entlang der Pumpachse angetrieben werden, übertragen die Pleuelstangen 160 entsprechend die Auf- und Abbewegung auf die Pumpelemente 144. Die unterschiedlichen Komponenten der hydraulischen Antriebsanordnung 114 können in vertikaler Ausrichtung durch ein oder mehrere Gewindebefestigungselemente 159 aneinander gesichert werden.
Unter Bezugnahme auf 5 kann das Stößelgehäuse 152 eine Vielzahl von vertikal darin angeordneten Stößelbohrungen 200 umfassen, die sich in Umfangsrichtung um die Pumpachse 118 herum erstrecken, wobei die Anzahl der Stößelbohrungen der Anzahl von Stößeln 156 entspricht. Jede Stößelbohrung 200 kann eine Tiefe aufweisen, die größer als die Höhe der Stößel 156 ist, um eine vertikale Auf- und Abwärtsbewegung des Stößels innerhalb der Bohrung zu erlauben. Um die Gleitbewegung der Stößel 156 zu erleichtern, kann eine Vielzahl von Stößelführungen 202 installiert sein, jeweils eine in der Vielzahl von Stößelbohrungen 200 durch Einpressen oder zum Beispiel durch Gewindeverbindungen. Die Stößelführungen 202 können röhrenförmige Objekte aus einem geeigneten reibungsarmen Material sein, die die Stößelbohrung 200 umschreiben, und so dimensioniert sind, dass sie Gleitkontakt mit dem darin eingesetzten Stößel 156 herstellen. In anderen Ausführungsformen können die Stößelbohrungen maschinell direkt in das Stößelgehäuse 152 eingearbeitet sein.
Die Stößel 156 selbst können zylindrische kolbenartige Objekte mit einem zylindrischen Umfang 204 entsprechend der Gestalt der Stößelbohrungen 200 sein. Wie die Stößelbohrungen 200 sind die darin installierten Stößel 156 in Umfangsrichtung um die Pumpachse 118 herum angeordnet. Es sollte klar sein, dass die Anzahl der Stößel 156 und Anzahl der Stößelbohrungen 200 der Anzahl der Pumpelemente in der Pumpenanordnung entsprechen kann, zum Beispiel sechs. Die Schubstangen 158, die in dem Federgehäuse 154 unterhalb des Stößelgehäuses 152 untergebracht sind, können eine Stangenerstreckung 210 mit allgemein stangenförmiger Gestalt und einem im Vergleich zur Länge relativ kleinen Durchmesser aufweisen, die sich zwischen einem ersten Stangenende 212 und einem zweiten Stangenende 214 erstreckt. Der Abstand zwischen den ersten und zweiten Stangenenden 212, 214 kann so dimensioniert sein, dass das erste Stangenende nach oben in die Stößelbohrung 200 ragt, während das zweite Ende durch das Federgehäuse 154 ragt.
Um die Vielzahl von Schubstangen 158 aufzunehmen, kann das Federgehäuse 154 darin einen Sammelhohlraum 220 oder einen umschlossenen Raum aufweisen, in dem die Schubstangen angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform kann der umschlossene Sammelhohlraum 220 durch eine umlaufende Wand 222 gebildet werden, die sich von einem Federgehäuseboden 224 nach oben erstreckt. Um zu ermöglichen, dass sich die Schubstangen 158 durch das Federgehäuse 154 erstrecken, kann der Federgehäuseboden 224 eine Vielzahl von darin angeordneten Schubstangenöffnungen 226 umfassen, durch welche das zweite Ende 214 der Stangenerstreckung 210 verlaufen kann. Die Schubstangenöffnungen 226 können in Umfangsrichtung um die Pumpachse 118 radial nach außen zu der umlaufenden Wand 222 verteilt sein. Die Anzahl von Schubstangen 158, die in dem Federgehäuse 154 aufgenommen ist, und entsprechend auch die Anzahl von Schubstangenöffnungen 226, kann gleich der Anzahl von Pumpelementen in der Pumpenanordnung sein, zum Beispiel sechs. Der Sammelhohlraum 220 kann gegen die Pumpenanordnung der Kryopumpe durch eine Vielzahl von Schubstangen-Dichtungsanordnungen 228 abgedichtet sein, die wirkmäßig den Schubstangenöffnungen 226 zugeordnet sind, und mehrere Teile umfassen können, um eine Dichtung gegen die Stangenerstreckungen 210 auszubilden, aber die Gleitbewegung relativ zu diesen zu ermöglichen. Der Sammelhohlraum 220 umschreibt dadurch einen Innenraum, um die vertikale Bewegung der Schubstangen 158 innerhalb des Federgehäuses 154 unterzubringen und zu fördern. Um die Vielzahl von Schubstangen 158 innerhalb des Federgehäuses 154 vertikal zu positionieren, kann eine Vielzahl von Schubstangenfedern 230 innerhalb des Sammelhohlraums angeordnet und wirkmäßig einer jeden der Schubstangen zugeordnet sein.
Um den Fluss von Hydraulikfluid innerhalb der hydraulischen Antriebsanordnung 114 zu regeln, kann das Schiebergehäuse 150 unter dem Pumpenflansch 112 eine Vielzahl von Ventilen aufnehmen. Gemäß einer Ausführungsform können die Ventile Schieberventile 240 sein, wie etwa jene, die in 5 dargestellt. Das Schiebergehäuse 150 kann ferner eine Vielzahl von Stößeldurchgängen 241 umfassen, die die Fluidkommunikation zwischen den Schieberventilen 240 und dem Stößelgehäuse 152 unten herstellt. Wie im Stand der Technik bekannt sind Schieberventile 240 Hydraulikventile zur Steuerung der Strömungsrichtung von Hydraulikfluid. Jedes Schieberventil 240 kann einen Ventilkörper 242 umfassen, der eine innere Schieberbohrung 244 umgrenzt, in der ein Pendelventil oder ein Schieber 246 gleitend aufgenommen ist. Der Schieber 246 ist innerhalb des Ventilkörpers 242 hin- und her bewegbar, zum Teil durch den Einfluss einer Schieberfeder 248, die gegen den Schieber drückt oder dessen Stellung vorspannt. Der Ventilkörper 242 kann ferner eine Vielzahl von Durchgängen aufweisen, die darin angeordnet sind und durch gesteuerte Bewegung des Schiebers 246 selektiv zur Schieberbohrung 244 geöffnet oder gegen diese geschlossen werden können. Wie dem Fachmann klar sein wird, legen unterschiedliche Anordnungen der Durchgänge in dem Ventilkörper 242 den Betrieb des Schieberventils 240 fest, etwa, ob das Schieberventil als Zweiwege-Ventil, Dreiwege-Ventil etc. ausgestaltet ist.
Die Vielzahl von Schieberventilen 240 kann konzentrisch um die Pumpachse 118 herum angeordnet sein, wobei die Richtung der Bewegung der Schieber 246 in den Schieberbohrungen 244 parallel zu der Pumpachse liegt. In den Ausführungsformen der Kryopumpe 110 mit sechs Pumpelementen 144 kann das Schiebergehäuse 150 sechs Schieberventile 240 umfassen, die jeweils einem Pumpelement zugeordnet sind und dieses unabhängig aktivieren. Der Fachmann wird erkennen, dass andere Ventile, die in der Lage sind, die Bewegung von Hydraulikfluid zu leiten, anstelle der oder in Kombination mit den Schieberventilen verwendet werden können.
Um die Bewegung der Schieberventile 240 innerhalb der Ventilkörper 242 zu betätigen und dadurch selektiv die Hydraulikfluidströmung zu leiten, kann jedes Schieberventil 240 wirkmäßig einem einer Vielzahl von Stellgliedern 250 zugeordnet sein. Jedes Stellglied 250 kann an der Oberseite des Ventilkörpers 242 montiert sein und kann über das Schieberventilgehäuse 150 hinausragen. Um die oben montierten Stellglieder 250 unterzubringen, kann in dem Pumpenflansch 112 eine Stellgliedkammer 252 angeordnet sein. Die Stellgliedkammer 252 kann die Vielzahl von Stellgliedern 250 insgesamt umschließen, wobei die Decke des Pumpenflanschs 112 sich darüber erstreckt.
Eines der Stellglieder 250 ist in 6 in Schnittansicht dargestellt. Das illustrierte Stellglied 250 ist ein elektromechanisches Pilotstellglied, es können jedoch auch andere Stellgliedtypen verwendet werden; so können etwa Stellglieder unter Verwendung piezoelektrischer Elemente verwendet werden. Das Stellglied 250 kann einen Elektromagnet 254 umfassen, der, wenn er erregt wird, einen Stift 256 zurückzieht, der zumindest zum Teil hin- und her bewegbar in dem Elektromagnet 254 angeordnet ist und eine Rückholfeder 258 umfasst. Der Elektromagnet kann einen Eisenkern 260 umfassen. Der Stift 256 kann einen Anker 262 umfassen und sich in einer Stiftführung 264 hin und her bewegen, die eine hohle Bohrung 266 ausbildet. Die hohle Bohrung 266 kann fluidmäßig von einem Hydrauliköl-Zufuhrdurchgang 270, einem Schieberventil-Zufuhrauslass 272 und einen Ablaufauslass 274 isoliert sein. In der illustrierten Ausführungsform bildet die Stiftführung 264 zwei Tellerventilsitze die je nach dem Aktivierungszustand des Elektromagnets 254 die verschiedenen Fluiddurchgänge in Fluidverbindung versetzen oder voneinander isolieren.
Das Schieberventil 240 ist in 7 und 8 in zwei Betriebsstellungen dargestellt. Wenn das Schieberventil 240 wie in 7 dargestellt betätigt wird, bewegt sich der Schieber 246 in dem Ventilkörper 242 nach oben, um den Stößeldurchgang 241 für die Strömung von Hochdrucköl zu öffnen, so dass das Stößelgehäuse 152 das Hochdruck-Hydraulikfluid aufnimmt und es verwendet, um den darin aufgenommenen Stößel 156 gleitend auszufahren. Die Bohrung 244, die den Schieber 246 aufnimmt, kann fluidmäßig mit einem Fluidzufuhr-Durchgang 280 in Verbindung stehen, was unter Druck stehendes Fluid zur Bewegung des Stößels 156 liefert. Die Schieberbohrung 244 kann auch fluidmäßig mit einem Ablassdurchgang 282 (zum Teil in 7 und 8 dargestellt) in Fluidverbindung stehen, um unter Druck stehendes Fluid abzulassen. Während des Betriebs, wenn der Schieber 246 in der in 7 gezeigten Füllstellung ist, ist der Ablassdurchgang 282 fluidmäßig von dem Stößeldurchgang 241 isoliert. In der Ablaufstellung, wie sie in 8 dargestellt ist, bewegt sich der Schieber 246, um fluidmäßig den Fluidzufuhr-Durchgang 280 zu blockieren und andererseits den Stößeldurchgang 241 mit dem Ablassdurchgang 282 in Fluidverbindung zu versetzen. In dieser Betriebsstellung strömt Fluid durch die Oberseite des Stößels 156 oder die Stößelbohrung, durch den Stößeldurchgang 241 und in den Ablassdurchgang 282, von wo es abläuft. Diese Bewegungen werden durch die Schubstangenfeder 230 ermöglicht, die auf die Schubstange 158 und damit den Stößel 156 drückt, um ihn zurückzuziehen.
Das Stellglied 250, das jedem Schieberventil 240 zugeordnet ist, kann dazu ausgestaltet sein, den Schieber 246 zwischen der Füll- und der Ablaufstellung zu bewegen. Zum Beispiel kann je nach dem Aktivierungszustand des Elektromagnets 254 die Stellung des Stifts 256 innerhalb der Stiftführung 264 zwischen einer Aktivierungsstellung und einer Ablaufstellung betätigt werden. In einer Aktivierungsstellung öffnet sich ein unterer Ventilsitz 284, wenn der Anker 262 sich nach oben bewegt, was den Schieberventil-Zufuhrauslass 272 in Fluidverbindung mit dem Ablaufauslass 274 versetzt, der in Kommunikation mit dem Innenraum der Bohrung 244 des Schieberventils 240 stehen kann, und den Bereich über dem Schieber 246 drucklos macht, was denselben veranlasst, sich durch hydraulische Kraft unter dem Schieber 246, der durch den Fluidzufuhr-Durchgang 280 von der Ablaufstellung (8) in die Füllstellung (7) druckbeaufschlagt wird, nach oben zu bewegen. Wenn der Stift 256 in der aktivierten Stellung ist, befindet sich der Schieber 246 in der Füllstellung. Wenn der Stift 256 in ähnlicher Weise deaktiviert ist, wird der Schieberventil-Zufuhrauslass 272 in Fluidverbindung mit dem Hydrauliköl-Zufuhrdurchgang 270 versetzt, was den Bereich über dem Schieber 246 auf im Wesentlichen denselben Druck wie im Bereich unter dem Schieber druckbeaufschlagt und der Feder 248 erlaubt, den Schieber 246 in der Schieberbohrung 244 auszufahren und somit den Stößeldurchgang 241 zu entlüften. Wenn der Stift 256 in der deaktivierten Stellung ist, befindet sich der Schieber 246 in der Ablaufstellung (8). In anderen Ausführungsformen können die Stellglieder 250 auch magnetbetätigte Kolben umfassen, die direkt mit den Schiebern 246 verbunden sind, um die Bewegung des Schiebers innerhalb der Schieberbohrung 244 zu verursachen. Es sollte klar sein, dass die Stellglieder, Schieberventile und Stößeldurchgänge miteinander in anderen Konfigurationen kommunizieren können als jenen, die in 5–8 veranschaulicht sind.
Erneut bezugnehmend auf 5 umfasst die hydraulische Antriebsanordnung 114 der Kryopumpe 110, um Hydraulikfluid zu empfangen und abzugeben, einen Hydraulikfluideinlass 302 und einen Hydraulikfluidauslass 304, die in der Flanschschulter 142 des Pumpenflanschs 112 angeordnet sind. Der Hydraulikfluideinlass 302 und der Hydraulikfluidauslass 304 können senkrecht zu der Pumpachse 118 orientiert sein und einander diametral gegenüberliegen. Der Hydraulikfluideinlass 302 kann unter Druck stehendes Hydraulikfluid von dem Hydraulikreservoir 122 und der Hydraulikpumpe 126 (siehe 1) empfangen, während der Hydraulikfluidauslass 304 Niederdruck-Hydraulikfluid abgibt und an das Hydrauliksystem zurückführt. Darüber hinaus können der Hydraulikfluideinlass und -auslass 302, 304 mit einem Innengewinde versehen sein, um mit Gewindeverbindern zusammenzupassen, oder sie können auf andere Weise ausgestaltet sein, um die Fluidverbindung mit den jeweiligen Hydraulikleitungen des Hydrauliksystems herzustellen.
Um das Hochdruck-Hydraulikfluid von dem Fluideinlass 302 an die hydraulisch betätigten Elemente zu leiten, die dem hydraulischen Antriebssystem der Kryopumpe zugeordnet sind, kann ein Fluideinlassverteiler 305 in die hydraulische Antriebsanordnung 114 der Kryopumpe integriert sein. Insbesondere kann der Fluideinlassverteiler 305 verschiedene Fluiddurchgänge in dem Pumpenflansch 112 und dem Schiebergehäuse 150 umfassen, die Hydraulikfluid von dem Hydraulikfluideinlass 302 an die Stellglieder 250 und die Schieberventile 240 leiten. In 5 wird der Fluss von Hydraulikfluid durch den Einlassverteiler 305 durch die Pfeile 306 dargestellt. Um das eintretende Hochdruck-Hydraulikfluid an jedes der Vielzahl von Schieberventilen 240 zu zirkulieren, kann der Einlassverteiler 305 einen ringförmigen Verteilungsdurchgang 310 umfassen. Der ringförmige Verteilungsdurchgang 310 kann in Fluidverbindung mit dem Fluideinlass 302 über einen ersten Durchgang 312 stehen, der sich durch den Pumpenflansch erstreckt, der sich in diesem Fall radial nach innen abwinkelt, während er sich nach unten von dem Einlass zu dem ringförmigen Verteilungsdurchgang 310 erstreckt. Der ringförmige Verteilungsdurchgang 310 kann durch eine Nut gebildet werden, die sich in Umfangsrichtung um die Außenseite des Schiebergehäuses 150 erstreckt und in Fluidverbindung mit jedem der individuellen Schieberventile 240 steht. Insbesondere kann der ringförmige Verteilungsdurchgang 310 mit dem Fluidzufuhr-Durchgang 280 eines jeden der individuellen Schieberventile 240 über einen weiteren zweiten Durchgang 313 in dem Schiebergehäuse 150 kommunizieren, der sich wiederum radial nach innen und nach unten von dem ringförmigen Verteilungsdurchgang 310 zu dem jeweiligen Schieberventil 240 erstrecken kann. In der illustrierten Ausführungsform ist der ringförmige Verteilungsdurchgang 310 an der Schnittstelle zwischen dem Schiebergehäuse 150 und dem Pumpenflansch 112 definiert, und insbesondere durch eine radial nach außen weisende Oberfläche 314 des Schiebergehäuses 150 und eine radial nach innen weisende Oberfläche 316 der Seitenwand 318 des Pumpenflanschs 112. In anderen Ausführungsformen kann der ringförmige Verteilungsdurchgang 310 eine unterschiedliche Konfiguration aufweisen und/oder durch unterschiedliche Oberflächen definiert werden, wie in 5 dargestellt.
Der Einlassverteiler 305 kann ferner einen oder mehrere Pilotdurchgänge 320 in dem Pumpenflansch 112 umfassen, die mit jedem der Stellglieder 250 und dem Fluideinlass 302 kommunizieren. Zum Beispiel kann der Hydrauliköl-Zufuhrdurchgang 270 eines jeden Stellglieds 250 in Kommunikation mit dem Hydraulikfluideinlass 302 eines jeden jeweiligen Stellglieds 250 über die Pilotdurchgänge 320 stehen. Natürlich können in anderen Ausführungsformen die Stellglieder 250 mit dem Fluideinlass 302 auf andere Arten kommunizieren, oder es können Stellglieder 250 verwendet werden, die kein unter Druck stehendes Hydraulikfluid einsetzen.
Um Hydraulikfluid aus der Kryopumpe 110 herausleiten zu helfen, kann die hydraulische Antriebsanordnung 114 einen Fluidauslassverteiler 322 umfassen, der mit dem Fluidauslass 304 kommuniziert. In 5 wird der Fluss von Hydraulikfluid durch den Auslassverteiler 322 zu dem Fluidauslass 304 durch die Pfeile 324 dargestellt. Dieser Rückfluss von Hydraulikfluid durch den Fluidauslassverteiler 322 zu dem Fluidauslass 304 kann mit einem relativ niedrigen Druck erfolgen. In der in 5 gezeigten Ausführungsform umfasst der Auslassverteiler 322 einen Zentraldurchgang, der als ein Rückfluss-Zentraldurchgang 330 wirkt und das Hydraulikfluid nach oben und aus dem Stößelgehäuse 152 und dem Schiebergehäuse 150 hinaus leitet, wie durch die Pfeile 324 angezeigt. Der Rücklauf-Zentraldurchgang 330 kann zum Teil durch eine Stößelgehäuse-Rücklaufbohrung 332, die in dem Stößelgehäuse 152 angeordnet ist, und durch eine Schiebergehäuse-Rücklaufbohrung 334, die in dem Schiebergehäuse 150 angeordnet ist, ausgebildet sein. In der illustrierten Ausführungsform ist der Rücklauf-Zentraldurchgang 330 zentral mit der Pumpachse 118 ausgerichtet, doch in anderen Ausführungsformen kann er auch anders innerhalb der hydraulischen Antriebsanordnung 114 angeordnet sein, darunter entlang anderer Pfade allgemein durch das Zentrum der Anordnung der Schieberventile 240 und Stößel 156. So, wie sie hierin verwendet werden, sollen die Begriffe ”Zentrum” und ”zentral” nicht ausschließlich die Ausrichtung mit der Pumpachse 118 bezeichnen, sondern können auch andere Pfade umfassen, die sich durch die von den Schieberventilen 240 und Stößeln 156 umschriebenen Bereiche erstrecken.
Der Auslassverteiler 322 kann ferner die Stellgliedkammer 252 in dem Pumpenflansch 112 umfassen. Insbesondere können die Stößelgehäuse-Rücklaufbohrung 332 und die Schiebergehäuse-Rücklaufbohrung 334 ebenfalls mit der Stellgliedkammer 252 kommunizieren, die ihrerseits mit dem Hydraulikfluidauslass 304 kommuniziert. Dementsprechend kann das kontinuierlich aufsteigende Hydraulikfluid vertikal nach oben in den Rücklauf-Zentraldurchgang 330 durch die Stellgliedkammer 252 strömen und dann über den Hydraulikfluidauslass 304 aus der hydraulischen Antriebsanordnung 114 hinaus. In einer solchen Ausführungsform können der Rücklauf-Zentraldurchgang 330 und die Stellgliedkammer 252 in eine kontinuierliche Strömung von Hydraulikfluid eingetaucht sein, die durch die hydraulische Antriebsanordnung zirkuliert. Da die in dem Pumpenflansch 112 angeordnete Stellgliedkammer 252 von einer beträchtlichen Menge Hydraulikfluid durchströmt werden kann, können die Stellglieder 196 als elektrische Einrichtungen so konstruiert werden, dass sie in Gegenwart von Hydraulikfluid arbeiten.
Der Auslassverteiler 322 kann ausgestaltet sein, um mit einer oder mehreren der hydraulisch betätigten Komponenten, die dem hydraulischen Antriebssystem der Kryopumpe 110 zugeordnet sind, zu kommunizieren und dadurch von diesen abgegebenes Hydraulikfluid aufzunehmen. Zum Beispiel verdrängt die Bewegung des Stößels 156 in der Stößelbohrung 200 nach oben das darin enthaltene Hydraulikfluid. Ein Teil dieses Hydraulikfluids kann den jeweiligen Stößeldurchgang 241 hinauf zurück in das Schieberventil 240 geleitet werden, wie oben beschrieben. Dementsprechend kann der Auslassverteiler 322 einen Schieber-Entladedurchgang 336 für jedes der Schieberventile 240 umfassen, der mit dem jeweiligen Ablassdurchgang 282 des Schieberventils 240 kommuniziert und sich in Kommunikation mit der Stellgliedkammer 252 erstreckt. Die Stellglieder 250 können auch so ausgestaltet sein, dass jegliches Hydraulikfluid, das von den Stellgliedern 250 abgegeben wird, wenn sie betätigt werden, um die Bewegung der Schieberventile 240 zu leiten, in die Stellgliedkammer 252 geleitet wird, von der aus das Hydraulikfluid die Kryopumpe 110 durch den Fluidauslass 304 verlassen kann.
Zusätzlich zu dem Teil an Hydraulikfluid, der zurück nach oben in die Schieberventile 240 geleitet wird, kann ein Teil des Hydraulikfluids zwischen dem Stößel 156 und die zugehörigen Stößelbohrungen 200 nach unten fließen, trotz des Gleitkontakts zwischen dem Stößel und den Stößelführungen 202. Um Hydraulikfluid in der hydraulischen Antriebsanordnung zu halten, ist der in dem Federgehäuse 154 ausgebildete Sammelhohlraum 220 unterhalb des Stößelgehäuses 152 angeordnet, wobei die Böden der Stößelbohrungen 200 dem Sammelhohlraum ausgesetzt sind. Der Sammelhohlraum 220 kann auch ein abgedichtetes Gehäuse zur Aufnahme des Hydraulikfluids bereitstellen und es daran hindern, weiter in die Pumpenanordnung oder den Kryotank auszulaufen. In einigen Ausführungsformen kann der Sammelhohlraum 220 einen Teil des Auslassverteilers 322 bilden und in Kommunikation mit dem Rücklauf-Zentraldurchgang 330 stehen, der durch die Stößelgehäuse-Rücklaufbohrung 332 und die Schiebergehäuse-Rücklaufbohrung 334 definiert wird, so dass in dem Sammelhohlraum 220 gesammeltes Öl nach oben durch den Rücklauf-Zentraldurchgang 330 durch die Stellgliedkammer 252 und durch den Fluidauslass 304 aus der Kryopumpe herausfließen kann.
Eine alternative Ausführungsform der hydraulischen Antriebsanordnung 114 der Kryopumpe ist in 9 und 10 dargestellt. Die Ausführungsform von 9 und 10 wirkt im Wesentlichen in ähnlicher Weise wie die Ausführungsform von 1–8, und gleiche Komponenten tragen dieselben Bezugszeichen, wie sie in der Ausführungsform von 1–8 verwendet werden. Zusätzlich wird, wie in 5, der Fluss von Hydraulikfluid durch den Einlassverteiler 305 in 9 durch die Pfeile 306 dargestellt. Im Gegensatz zu einem Einlassverteiler 305 mit einem ringförmigen Verteilungsdurchgang, der Hydraulikfluid an die Schieberventile 240 liefert, weist die Ausführungsform von 9 und 10 einen Einlassverteiler 305 auf, der eingehendes Hydraulikfluid zu einem Zufuhr-Zentraldurchgang 340 leitet, von wo aus das Hydraulikfluid dann an jedes der Schieberventile 240 verteilt wird. Der Zufuhr-Zentraldurchgang 340 kann in dem Raum, der durch die Schieberventile 240 umschrieben wird, angeordnet sein und sich durch diesen erstrecken. Insbesondere kann zumindest ein Abschnitt des Zufuhr-Zentraldurchgangs 340 durch eine zentrale Bohrung in einem oberen Abschnitt des Schiebergehäuses definiert sein. Wie bei dem Rücklauf-Zentraldurchgang 330 der Ausführungsform von 1–8 kann der Zufuhr-Zentraldurchgang 340 zentral mit der Längsachse der Kryopumpe 110 ausgerichtet sein (oder auch nicht).
In der illustrierten Ausführungsform wird der Einlassverteiler 305 von 9 und 10 mit Hydraulikfluid von einem Paar von Fluideinlässen 302 in dem Pumpenflansch 112 gespeist, obwohl klar sein muss, dass nur ein einzelner Fluideinlass oder auch mehr als zwei Fluideinlässe vorgesehen sein können. Das Paar von Fluideinlässen 302 verbindet sich in diesem Fall mit einem ringförmigen Verteilungsdurchgang, der in einem zentralen Abschnitt des Pumpenflanschs 112 über dem Zufuhr-Zentraldurchgang 340 und über dem zentralen Bereich des Schiebergehäuses 150, der durch die Schieberventile 240 umschrieben wird, angeordnet ist. Wie am besten in der Draufsicht von 10 zu sehen ist, schneiden zwei Querdurchgänge 344 den ringförmigen Verteilungsdurchgang 342. Diese Querdurchgänge 344 kommunizieren mit dem Zufuhr-Zentraldurchgang 340, so dass durch die Fluideinlässe 302 empfangenes Hydraulikfluid von dem ringförmigen Verteilungsdurchgang 342 zu den Querdurchgängen 344 und weiter an den Zufuhr-Zentraldurchgang 340 geleitet wird. In anderen Ausführungsformen können die Durchgänge, die Fluid von dem einen oder den mehreren Fluideinlässe 302 an den Zufuhr-Zentraldurchgang 340 leiten, andere Konfigurationen aufweisen als jene, die speziell in 9 und 10 dargestellt sind.
Um das Hydraulikfluid von dem Zufuhr-Zentraldurchgang 340 an die Schieberventile 240 zu verteilen, kann der Einlassverteiler 305 eine Vielzahl von Verteilungsdurchgängen 346 aufweisen. Jeder Verteilungsdurchgang 346 kann mit dem Zufuhr-Zentraldurchgang 340 kommunizieren und sich zu einem jeweiligen der Schieberventile 240 und insbesondere zu dem Fluidzufuhr-Durchgang 280, der dem Schieberventil 240 zugeordnet ist, erstrecken. Wie in 9 dargestellt können die Verteilungsdurchgänge 346 so ausgestaltet sein, dass sie sich in einer Richtung radial nach außen abwinkeln, während sie sich in der Abwärtsrichtung von dem zentralen Durchgang weg und zu den Schieberventilen hin erstrecken. Natürlich können die Verteilungsdurchgänge 346 auch anders ausgestaltet sein als in 8 und 9 dargestellt.
In der in 9 und 10 veranschaulichten Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt des Einlassverteilers 305 innerhalb eines Kappenabschnitts 348 enthalten, der in dem Pumpenflansch 112 aufgenommen ist. In diesem Fall umfasst der Kappenabschnitt 348 darin den ringförmigen Verteilungsdurchgang 342 und die Querdurchgänge 344. Wie am besten in 9 dargestellt kann der Kappenabschnitt 348 in einer Zentralöffnung aufgenommen sein, die sich durch den Pumpenflansch 112 zwischen seinen oberen und unteren Oberflächen erstreckt. Der Kappenabschnitt kann einen vergrößerten Kopf 350 aufweisen, der mit der oberen Oberfläche des Pumpenflanschs 112 in Eingriff steht, sowie einen Schaftabschnitt 352, der sich von dem Kopf 350 nach unten in die Öffnung in dem Pumpenflansch 112 hinein erstreckt. Ein unterer Halsabschnitt 354 kann an einem unteren Ende des Kappenabschnitts 348 angeordnet sein, so dass er sich in eine Zentralöffnung hinein erstreckt, die in dem oberen Ende des Schiebergehäuses 150 vorgesehen ist. Eine oder mehrere ringförmige Dichtungen können an dem Halsabschnitt vorgesehen sein, um die Abdichtung gegen Fluidaustritt durch die Schnittstelle zwischen dem unteren Halsabschnitt 354 und dem Schiebergehäuse 150 zu unterstützen. In ähnlicher Weise können eine oder mehrere ringförmige Dichtungen an dem Schaftabschnitt vorgesehen sein, um die Abdichtung gegen Fluidaustritt durch die Schnittstelle zwischen dem Schaftabschnitt 352 und dem Pumpenflansch 112 zu unterstützen. Auch andere Dichtungsanordnungen könnten verwendet werden. Darüber hinaus kann in anderen Ausführungsformen der Kappenabschnitt 348 entfallen, und die obersten Komponenten des Einlassverteilers 305, darunter zum Beispiel der ringförmige Verteilungsdurchgang 342 und die Querdurchgänge 344, können in den Pumpenflansch 112 integriert sein.
Die Ausführungsform von 9 und 10 kann auch einen Auslassverteiler 322 zum Herausleiten von Hydraulikfluid aus der hydraulischen Antriebsanordnung 114 der Kryopumpe 110 umfassen. Im Gegensatz zu dem Auslassverteiler 322 der Ausführungsform von 1–8, der in erster Linie abgeführtes Hydraulikfluid durch das Zentrum des Stößelgehäuses 152 und Schiebergehäuses 150 an den Pumpenflansch 112 leitet, umfasst die Ausführungsform des Auslassverteilers von 9 und 10 einen ringförmigen Ablaufdurchgang 360, durch welchen das abgeführte Hydraulikfluid von dem Antriebssystem zur schließlichen Entfernung aus der Kryopumpe über den Fluidauslass 304 geleitet wird. Wie in 5 wird der Fluss von Hydraulikfluid durch den Auslassverteiler 322 zu dem Fluidauslass 304 in 9 durch die Pfeile 324 dargestellt. In der illustrierten Ausführungsform umfasst der ringförmige Ablaufdurchgang 360 eine Nut in der oberen Oberfläche des Schiebergehäuses 150, die sich in Umfangsrichtung nahe der Außenseite des Schiebergehäuses 150 und allgemein über den Stellglied-250 und Schieberventilanordnungen 240 erstreckt. Insbesondere kann der ringförmige Ablaufdurchgang 360 durch eine Nut definiert werden, die in einer oberen Oberfläche des Schiebergehäuses 150 ausgebildet ist, die an dem oberen Ende der unteren Oberfläche des Pumpenflanschs 112 abgeschlossen ist. In anderen Ausführungsformen kann der ringförmige Ablaufdurchgang 360 eine andere Konfiguration oder Position aufweisen als jene, die in 9 und 10 dargestellt ist. Die Ausführungsform von 9 und 10 umfasst zwei Fluidauslässe 304, die jeweils in Kommunikation mit dem ringförmigen Ablaufdurchgang 360 stehen und sich durch den Pumpenflansch 112 erstrecken und durch die Schulter des Flansches austreten. Natürlich kann eine beliebige Anzahl von Fluidauslässen 304 vorgesehen sein, etwa ein einzelner Fluidauslass oder mehr als zwei Fluidauslässe.
Um Hydraulikfluid, das von den Stößeln 156 in den Sammelhohlraum 220 abgelaufen ist, an die Fluidauslässe 304 zu leiten, kann der Auslassverteiler 322 einen Stößel-Rücklaufdurchgang 362 umfassen, der mit dem Sammelhohlraum kommuniziert. Der Stößel-Rücklaufdurchgang 362 kann sich in diesem Fall durch einen zentralen Abschnitt des Stößelgehäuses 152 und in einen unteren Abschnitt des Schiebergehäuses 150 erstrecken, wo der Stößel-Rücklaufdurchgang 362 enden kann. Der Auslassverteiler 322 kann ferner eine Vielzahl von Entladedurchgängen 364 aufweisen, die sich von dem Rücklaufdurchgang nach oben erstrecken können. Jeder Entladedurchgang kann sich zu einer jeweiligen Stellglied-250 und Schieberventilanordnung 240 erstrecken. Insbesondere kann jeder Entladedurchgang 364 mit einem Ablaufhohlraum 370 kommunizieren, der der jeweiligen Stellglied-250 und Schieberventilanordnung 240 zugeordnet ist. In der illustrierten Ausführungsform winkeln sich die Entladedurchgänge 364 in einer Richtung radial nach außen ab, während sie sich von dem Stößel-Rücklaufdurchgang 362 nach oben zu der jeweiligen Stellglied-250 und Schieberventilanordnung 240 hin erstrecken. Die Ablaufhohlräume 370 können in dem Schiebergehäuse 150 über dem Ventilkörper 242 des jeweiligen Schieberventils 240 ausgebildet sein und können ferner dazu ausgestaltet sein, in Fluidverbindung mit dem ringförmigen Ablaufdurchgang 360 zu stehen. Jeder Ablaufhohlraum kann auch in Kommunikation mit dem Ablassdurchgang 282 stehen, der dem jeweiligen Schieberventil 240 zugeordnet ist, um Hydraulikfluid aufzunehmen, das von dem Schieberventil 240 abläuft. Außerdem können in jenen Ausführungsformen, in denen die Stellglieder 250 einen Teil des zur Betätigung der Schieberventile 240 eintretenden Hydraulikfluids empfangen, die Stellglieder auch dazu ausgestaltet sein, dieses Fluid zurück in den jeweiligen Ablaufhohlraum 370 abzugeben.
So kann mit dem Auslassverteiler 322 der Ausführungsform von 9 und 10 Hydraulikfluid von dem Sammelhohlraum 220 nach oben in den Stößel-Rücklaufdurchgang 362 geleitet werden, der sich allgemein in dem Zentrum der hydraulischen Antriebsanordnung 114 der Kryopumpe erstreckt. Dieses Hydraulikfluid kann dann durch die jeweiligen Entladedurchgänge 364 in die Richtung radial nach außen zu den Ablaufhohlräumen 370 geleitet werden. Die Ablaufhohlräume 370 können ferner Hydraulikfluid sammeln, das von den Schieberventilen 240 und den Stellgliedern 250 abläuft. Das Hydraulikfluid in den Ablaufhohlräumen 370 kann dann in den ringförmigen Ablaufdurchgang 360 geleitet werden, von wo aus es die Kryopumpe 110 über die Fluidauslässe 304 verlassen kann.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Zirkulation von Hydraulikfluid durch die Kryopumpe 110 und seine Verwendung darin kann wie folgt ablaufen. Hochdruck-Hydraulikfluid, etwa Öl, wird von der Kryopumpe 110 durch den Hydraulikfluideinlass 302 empfangen und durch den Einlassverteiler 305 nach unten geleitet, wie durch die Pfeile 306 angedeutet. Unter Verwendung des elektronischen Steuergeräts können einzelne Stellglieder 250 betätigt werden, um weiter die zugehörigen Schieberventile 240 auf geeignete Weise zwischen verschiedenen Stellungen oder in verschiedenen Mustern zu betätigen, um Hydraulikfluid durch die Kryopumpe 110 zu leiten. Zum Beispiel kann die Vielzahl von Schieberventilen 240 geschaltet werden, um die Stößeldurchgänge 241 für die Stößel 156 der Reihe nach in einer Sequenz im Uhrzeigersinn um die Pumpachse 118 herum zu öffnen, oder in irgendeinem anderen Muster, das vorteilhaft für die Kryopumpe 110 ist. In anderen Ausführungsformen können jedoch mehrere Schieberventile gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden. Ferner kann die Dauer und Abfolge während des Betriebs in Abhängigkeit von der im Verbrennungsprozess benötigten Menge an LNG variiert werden.
Wenn die Schieberventile 240 entsprechend positioniert sind, kann Hochdruck-Hydraulikfluid durch die in den Stößelgehäusen 152 angeordneten Stößeldurchgänge 241 in die Stößelbohrungen 200 strömen. Das unter Druck stehende Hydraulikfluid kann die Stößel 156 in den Stößelbohrungen 200 in Bezug auf die Pumpachse 118 vertikal nach unten drücken und schieben. Es sollte klar sein, dass die Abwärtsbewegung der Stößel die Schubstangen 158, die einem bestimmten Stößel zugeordnet sind, ebenfalls veranlasst, sich in Bezug auf das Federgehäuse 154 nach unten zu bewegen und die jeweilige Schubstangenfeder 230 gegen den Federgehäuseboden 224 und die Schubstangen-Dichtungsanordnung 228 zu komprimieren. Aufgrund der Verbindung zwischen den Schubstangen und den Pleuelstangen sollte ferner klar sein, dass die Abwärtsbewegung einer Schubstange die zugehörige Pleuelstange ebenfalls veranlasst, sich in ähnlicher Weise abwärts zu bewegen, wodurch schließlich die Pumpelemente in der Pumpenanordnung aktiviert werden, was diese veranlasst, LNG zu dem Verbrennungsmotor zu leiten.
Ein konkreter Stößel 156 kann in der Stößelbohrung 200 angeordnet bleiben, solange das zugehörige Schieberventil 240 in einer Stellung bleibt, um Hochdruck-Hydraulikfluid an den Stößeldurchgang 241 zu leiten. Wenn jedoch das Schieberventil 240 positioniert ist, um die Strömung von Hochdruck-Hydraulikfluid in den Stößeldurchgang 241 zu stoppen und stattdessen Fluid von der Stößelbohrung 200 ablaufen lässt, kann die Schubstangenfeder 230 die Schubstange 158 vertikal zurück nach oben und in die Stößelbohrung drücken, wodurch der Stößel 156 gleitend gegen die obere Fläche der Stößelbohrungen bewegt wird. Die vertikale Aufwärtsbewegung der Schubstange 158 erlaubt auch der zugehörigen Pleuelstange, sich vertikal nach oben zu bewegen und aus dem Pumpelement in der Pumpenanordnung auszurücken.
Das hydraulische Antriebssystem der vorliegenden Offenbarung findet Anwendung auf eine Reihe von unterschiedlichen Kryopumpenkonfigurationen. Darüber hinaus stellen die Einlass- und Auslassverteiler der vorliegenden Offenbarung eine besonders kompakte Konstruktion bereit. Insbesondere setzt der Einlassverteiler gemeinsame Einlassverteilerdurchgänge ein, um Hydraulikfluid von dem Fluideinlass an mehrere hydraulische Komponenten des Antriebssystems zu liefern. In ähnlicher Weise setzt der Auslassverteiler gemeinsame Auslassverteilerdurchgänge ein, um ablaufendes Hydraulikfluid von mehrere hydraulischen Komponenten des Antriebssystems zu empfangen und es zu dem Fluidauslass hin zu leiten. Diese Anordnung der Einlass- und Auslassverteiler kann erlauben, dass das hydraulische Antriebssystem in kompakte Sitze in kryogenen Tanks passt, darunter auch solche, die bereits in Kryotanks vorhanden sind. Zusätzlich kann die Anordnung der Einlass- und Auslassverteiler die Zahl externer Anschlüsse an die Kryopumpe minimieren, was dabei hilft, die Wärmeübertragung an den Tank zu kontrollieren.
Diese Offenbarung umfasst auch alle Modifizierungen und Äquivalente des in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands, soweit dies auf Grund anwendbarer Gesetze zulässig ist. Darüber hinaus ist jegliche Kombination der vorstehend beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon in die Offenbarung eingeschlossen, falls hier nichts Anderes angegeben ist oder es nicht in einem klaren Widerspruch zum Kontext steht.

Claims

Kryopumpe (110) zum Pumpen von Flüssigkeit aus einem Kryotank (104), umfassend: eine Pumpenanordnung (116), die dazu geeignet ist, in einen Kryotank (104) eingetaucht zu werden; und eine hydraulische Antriebsanordnung (114) zum Antreiben der Pumpenanordnung (116) zum Pumpen von Flüssigkeit; wobei die hydraulische Antriebsanordnung (114) ferner umfasst: ein Schiebergehäuse (150) mit einer Vielzahl von Ventilen (240), die darin um eine Pumpachse (118) herum angeordnet sind; ein Stößelgehäuse (252) mit einer Vielzahl von Stößelbohrungen (200), wobei jede Stößelbohrung in Kommunikation mit einem jeweiligen der Vielzahl von Ventilen (240) steht; einen Sammelhohlraum (220) zum Sammeln von Hydraulikfluid von den Stößelbohrungen (200); einen Pumpenflansch (119) zur Montage der Kryopumpe (110) an einem Kryotank (104), wobei der Pumpenflansch (119) einen Fluideinlass (302) zur Aufnahme von Hydraulikfluid und einen Fluidauslass (304) zum Herausführen von Hydraulikfluid aus der Kryopumpe umfasst; einen Einlassverteiler (305), der zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse (150) angeordnet ist, um durch den Fluideinlass (302) empfangenes Hydraulikfluid an jedes der Vielzahl von Ventilen (240) zu leiten; und einen Auslassverteiler (322), der zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse (150) angeordnet ist, zum Leiten von Hydraulikfluid von jedem der Ventile (240) und dem Sammelhohlraum (220) an den Fluidauslass (304).
Kryopumpe (110) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Zentraldurchgang (330, 340), der zumindest zum Teil in einem Raum in dem Schiebergehäuse (150) angeordnet ist, der durch die Vielzahl von Ventilen (240) umschrieben wird, sowie einen ringförmigen Durchgang (310, 360), der zumindest zum Teil in dem Schiebergehäuse (150) angeordnet ist, wobei der Einlassverteiler (305) entweder den Zentraldurchgang oder den ringförmigen Durchgang umfasst, und der Auslassverteiler (322) den jeweils anderen von Zentraldurchgang und ringförmigem Durchgang umfasst.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 2, wobei der Einlassverteiler (305) den ringförmigen Durchgang (310) umfasst, und der ringförmige Durchgang eine Nut in einer Außenwand des Schiebergehäuses (150) umfasst, und wobei der ringförmige Durchgang (310) an einer Schnittstelle zwischen dem Pumpenflansch (119) und dem Schiebergehäuse (150) definiert ist, wobei die Nut in der Außenwand des Schiebergehäuses durch den Pumpenflansch geschlossen wird.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 2, wobei der Einlassverteiler (305) den ringförmigen Durchgang (310) umfasst, und der Einlassverteiler (305) ferner einen ersten Durchgang (312) umfasst, der mit dem Fluideinlass (302) und dem ringförmigen Durchgang kommuniziert, sowie eine Vielzahl von zweiten Durchgängen (313), die jeweils mit dem ringförmigen Durchgang und einem Zufuhrdurchgang (280) kommunizieren, der einem jeweiligen der Ventile (240) zugeordnet ist.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 2, wobei der Auslassverteiler (322) den Zentraldurchgang (330) umfasst, und der Zentraldurchgang mit einer Kammer (252) in dem Pumpenflansch (119) kommuniziert, wobei die Kammer in dem Pumpenflansch in Kommunikation mit dem Fluidauslass (304) steht.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 5, wobei der Auslassverteiler (322) eine Vielzahl von Ventilentladedurchgängen (336) umfasst, wobei jeder Ventilentladedurchgang in Kommunikation mit einem Ablassdurchgang (282) eines jeweiligen der Ventile und der Kammer (252) in dem Pumpenflansch (119) steht.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 2, wobei der Einlassverteiler (305) den Zentraldurchgang (340) umfasst, und ferner eine Vielzahl von Zuführdurchgängen (346) umfasst, die jeweils mit dem Zentraldurchgang und einem Zufuhrdurchgang (280) eines jeweiligen der Ventile kommunizieren.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 7, wobei der Einlassverteiler (305) einen ringförmigen Verteilungsdurchgang (342) umfasst, der über dem Zentraldurchgang (340) angeordnet ist.
Kryopumpe (110) nach Anspruch 2, wobei der Auslassverteiler (322) den ringförmigen Durchgang (360) umfasst, und der ringförmige Durchgang eine Nut in einer oberen Oberfläche des Schiebergehäuses (150) umfasst.
Leistungssystem (100) für eine Maschine, umfassend: einen Kryotank (104) zum Speichern eines kryogenen Fluids; einen Motor (102), der wirkmäßig dem Kryotank (104) zugeordnet ist, zum Empfang des kryogenen Fluids; ein Hydrauliksystem (120) mit einer Hydraulikpumpe (126) und einem Hydraulikreservoir (122); eine Kryopumpe (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in dem Kryotank angeordnet ist.