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Hochdruck-Kolbenpumpe zur Förderung tiefsiedender verflüssigter Gase
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck-Kolbenpumpe zur Förderung tiefsiedender
verflüssigter Gase, bei welcher die Zylinderbüchse über mindestens eine Einlaßöffnung
mit einem Tankraum und über eine ventilgesteuerte Auslaßöffnung mit einem Druckraum
in Verbindung steht und bei welcher der Kolben als ein mit einem Absperrglied versehener,
den Druckraum gegen den Tankraum abdichtender Hohlzylinder ausgebildet ist, der
sich mit einem Teil seiner Länge bei Beginn des Druckhubes in der Zylinderbüchse
zwischen Ein- und Auslaßöffnung befindet, wobei das Absperrglied den, Druckraum
gegen den Tankraum abschließt.
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Eine Pumpe dieser Art weist den Nachteil auf, daß sie nach verhältnismäßig
kurzer Betriebsdauer in ihrer Förderleistung mehr oder weniger stark nachläßt. Man
hat bisher angenommen, daß dies insbesondere darauf zurückzuführen ist, daß die
bei Beendigung des Druckhubes im Zylindertotraum zurückbleibende, sich in der Nähe
des Siedezustandes befindende Flüssigkeit beim Saughub infolge Volumenvergrößerung
bei weiter fallendem Druck teilweise verdampft und daß das so entstandene Gas die
Flüssigkeit am Einströmen in die Zylinderbüchse hindert. Außerdem wurde vermutet,
daß während des Druckhubes das Gas erst wieder verdichtet und kondensiert werden
muß, so daß eine volle Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Zylindervolumens für
die Förderung bereits nach kurzer Betriebsdauer nicht mehr möglich ist.
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Der Erfinder hat nun erkannt, daß das Gas im Zylinderraum, wenn überhaupt
vorhanden, nur zu einem geringen Teil zu dem Nachlassen der Förderleistung beiträgt
und daß die Ursache dafür vor allem die Verminderung der Abdichtung zwischen Tankraum
und Druckraum durch zunehmende Abnutzung der Laufflächen von Kolben und Zylinder
ist.
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Da die Druckdifferenz zwischen Tankraum und Druckraum bei derartigen
Pumpen bis zu mehreren hundert Atmosphären beträgt, ist eine Abdichtung zwischen
Kolben und Zylinder nur möglich, wenn ein sehr enges Lagerspiel eingehalten wird.
Da z. B. bei der Förderung von flüssigem Sauerstoff Kolben und Zylinder aus Sicherheitsgründen
nicht geschmiert werden dürfen, ist die Einhaltung des engen Lagerspiels eine Frage
der Abnutzung von Kolben und Zylinder.
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Es ist daher nicht möglich, die Abdichtung dadurch zu verbessern,
daß man in der bei Pumpen üblicher Bauart gewohnten Weise z. B. eine Labyrinthdichtung
nimmt, die keines genauen Lagerspiels bedarf und dieser je nach Erfordernis eine
genügende Anzahl von Labyrinthen zuordnet oder eine Dichtung aus einer beliebigen
Anzahl von Packungen verwendet, bei denen eine unerwünschte Vergrößerung des Lagerspiels
durch Auseinanderdrücken der Dichtungspakete wieder ausgeglichen wird. Die Aufgabe
bei der Erfindung war vielmehr: Wie kann ein eng begrenztes Lagerspiel über eine
gewisse Dichtlänge hinweg möglichst lang aufrechterhalten werden, auch wenn eine
Abnutzung von Kolben und Zylinder nicht zu vermeiden ist.
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Wie eingehende. Versuche gezeigt haben, tritt bei einem in einem Zylinder
gleitenden Kolben keine gleichmäßige Abnutzung der Oberflächen auf, sondern es hat
sich überraschenderweise gezeigt, daß der Kolben durch das im Zylinderraum infolge
des Lagerspiels mögliche »Wackeln« eine ballige Form annimmt, wobei im mittleren
Bereich der Kolbenlänge der Außendurchmesser über einen langen Zeitraum fast konstant
bleibt.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den Kolben derart im Zylinder
anzuordnen, daß die zwischen Ein- und Auslaßöffnung befindliche Länge des Kolbens
im wesentlichen der gesamten abdichtenden Länge des Kolbens entspricht und das Absperrglied
an der dem Druckraum zugekehrten Stirnseite des Kolbens vorgesehen ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kolbens wird im Gegensatz
zu den bekannten Ausführungen eine nahezu konstante Dichtlänge während des gesamten
Hubes erzielt. Die Dichtlänge ist ganz konstant, wenn der Kolben sich mit seiner
ganzen Länge zwischen Ein- und Auslaßöffnung befindet. Für Drücke bis zu etwa 200
Atm. genügt es unter Umständen aber bereits, wenn sich der Kolben etwa zu drei Viertel
seiner Länge zwischen Ein- und Auslaßöffnung befindet. Durch die große Dichtlänge
gleich
bei Beginn des Druckhubes, und insbesondere dadurch, daß der sich im Vergleich zur
Kolbenvorderkante nur unwesentlich abnützende und über einen längeren Zeitraum einen
konstanten Durchmesser aufweisende mittlere Teil des Kolbens stets zwischen Druckraum
und Einlaßöffnung angeordnet ist, wird eine gute Abdichtung des Druckraumes, in
dem Drücke bis zu etwa 500 Atm. erzeugt werden, gegenüber dem Tankraum, in dem der
Druck wenige Atmosphären beträgt, erreicht. Auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung
des Kolbens wird gegenüber bekannten Flüssiggas-Kolbenpumpen überraschend lange
ein kaum abfallendes Fördervolumen erzielt. Die Betriebszeit mit fast konstantem
Fördervolumen beträgt bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe gegenüber bekannten
Pumpen ein Mehrfaches.
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Durch die Anordnung des Absperrgliedes an der dem Druckraum zugekehrten
Stirnseite des Kolbens wird erreicht, daß der Hohlraum des Kolbens mit zum Tankraum
gehört, so daß der Totraum durch entsprechende Verstellung der Hublänge theoretisch
bis auf Null reduzierbar ist. Durch die Erweiterung des Tankraumes bis in den Hohlkolben
hinein wird aber vor allem eine besonders gute Kühlung des Kolbens während des Druckhubes
erreicht, da nur unter dem Tankdruck stehende kühle Förderflüssigkeit sich während
des ganzen Druckhubes im Hohlkolben befindet und während des Druckhubes weitere
kühle Förderflüssigkeit in den sich im Zylindergehäuse erweiternden Tankraum nachströmt.
Diese Kühlung des Kolbens während des Druckhubes erlaubt insbesondere in Verbindung
mit der Ausbildung des Inneren des Hohlkolbens als Teil des Tankraumes während des
Druckhubes, wobei nur der niedrige Tankdruck auf die Innenfläche des Hohlkolbens
wirkt, nicht aber der mehrere hundert Atmosphären betragende Druck im Druckraum,
ein besonders enges Lagerspiel, da keine Zunahme des Kolbendurchmessers durch einen
hohen Innendruck im Hohlkolben während des Druckhubes bei der Tolerierung berücksichtigt
zu werden braucht.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird als Absperrglied
ein im Kolben leichtgängig gelagertes Ventil, vorzugsweise ein Tellerventil, verwendet,
das allein durch die bei der Bewegung des Kolbens auftretenden Massenkräfte steuerbar
ist.
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Zur Erzielung eines leichten und schnellen Austritts der Flüssigkeit
aus der Ventilöffnung wird gemäß der Erfindung das Ventil über schraubenförmig ausgebildete
Stege im Kolben gelagert, die der Flüssigkeit bei der Bewegung durch den Kolben
einen Drall erteilen. Um diese Drallbildung noch zu erleichtern, werden die Einlaßschlitze
am Zylinder und die Durchlaßöffnungen so ausgebildet, daß sie in tangentialer Richtung
zur Bohrung des Kolbens verlaufen.
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Die Zeichnung veranschaulicht eine beispielsweise Ausführungsform
einer Hochdruck-Kolbenpumpe nach der Erfindung.
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Die dargestellte Pumpe weist eine Zylinderbüchse 1 und einen darin
gleitbaren Kolben 2 auf. Die Zylinderbüchse 1 ist mit mehreren Einlaßöffnungen 7
versehen, die über eine Leitung 11 an einen Behälter 12
angeschlossen
sind. In der einen Stirnseite der Zylinderbüchse 1 ist ein Auslaßventi110 angeordnet.
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Der Kolben 2 besteht aus einem Hohlzylinder, dessen Bohrung mit einem
als Tellerventil ausgebildeten Absperrventil 3 verschließbar ist. Zur öffnungsbegrenzung
sind auf dem Ventilzapfen 4 zwei Schraubenmuttern 6 befestigt. Das Ventil
3 ist über Stege 5 in dem Kolben 2 leichtgängig gelagert und wird ausschließlich
durch die auf das Ventil 3 einwirkenden Massenkräfte bewegt. So bleibt das Ventil
3 durch die vor dem Kolben 2 befindliche Flüssigkeit, welche bei der Vorwärtsbewegung
des Kolbens durch das Auslaßventil10 hindurch in einen Verdampfer gedrückt wird,
bis zum Ende des Druckhubes geschlossen, auch wenn bei der Verzögerung der Geschwindigkeit
des Kolbens 2 eine im Öffnungssinne des Ventiles 3 wirkende Massenkraft auftritt.
Durch eine große Anfangsbeschleunigung zu Beginn des Saughubes entsteht dann eine
Massenkraft, die das Ventil 3 öffnet, so daß während des ganzen Saughubes Flüssigkeit
durch die Einlaßöffnungen 7 und durch sich an den Kolben 2 anschließende, als lange
Schlitze ausgebildete Durchlaßöffnungen 8 sowie durch den Kolben 2 hindurch in den
vor dem Kolben 2 befindlichen Raum der Zylinderbüchse 1 strömen kann. Kurz vor dem
inneren Totpunkt nach Beendigung des Saughubes wird die Bewegung des Kolbens 2 stark
verzögert, so daß die dabei entstehende Massenkraft das Ventil 3 gegen die noch
strömende Flüssigkeit schließt.
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Die verschiedenen Geschwindigkeiten des Kolbens 2 werden durch einen
nicht dargestellten Nokken über einen Kreuzkopf, mit einer Nockenrolle und einer
Kolbenstange als Zwischenelemente zur Kraftübertragung, bewirkt.
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Der Kolben 2 ist gemäß der Erfindung in der Zylinderbüchse 1 derart
angeordnet, daß er sich mit dem wesentlichen Teil seiner Länge, beim Ausführungsbeispiel
zu 90%, vor Beginn des Druckhubes bereits zwischen den Einlaßöffnungen 7 und dem
Auslaßventi110 befindet. Er weist damit in jeder Stellung des Kolbens
2 eine Dichtlänge von mindestens zweimal dem Kolbendurchmesser auf.