DE1528363A1 - Pumpensystem fuer leichtfluechtige Fluessigkeiten - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dr.-Ing. Wilhelm Reiche!

Frankiuit/Main-l. Parkstraße 13

4492 Air Products and Chemicals₉Inc., Philadelphia,Pennsylvania/USA

Pumpenaystem für leichflüchtige Flüssigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Pumpen äußerst leichtflüchtiger Flüssigkeiten, wie z.Bo flüssiger Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenraonoxyd, Argon USW_n, insbesondere auf ein Pumpensystem, das große Mengen an äußerst leichtflüchtigen Flüssigkeiten im Druokbereioh von 7 bis 7o3 kg/m²(loo bis looooo psig) mit wesentlich verbessertem Wirkungsgrad unter Brück setzen und ausstossen kann«

Außer den normalen Schwierigkeiten, die bei der Entwicklung großvolumlger Pumpensysteme auftreten, liegen bei Systemen sum Pumpen äußerst Ieichf nichtiger Medien, etwa von Kühlflüssigkeit en ₉ besondere Probleme vor. Hierzu gehören das Problem der Aufrechterhaltung der Temperatur der Flüssigkeit la Bereich von »51° C bis -253° C ( - 60° F bis - 425° F), während diese durch das gesamte System hindurohläuft, sowie die Aufreohterhaltung eines Druckes suf die Flüssigkeit, der beträchtlich über dem Verdampfungsdruok liegt« so daß •In Verdampfen oder eine Eigenverdampfung verhindert ist. Dem letatgenennten Problem kommt Im Fell von positiven Verdrängerpumpen eine besondere Bedeutung zu, bei denen der Pumpenkemmerdruok während des Ansaughubes normalerweise beträchtlich unter den Einlaßdruck abfallen kann, so daß dem Einleß-Regulierventil ein positiver Netz-Unterdruck (NFSH) zugeführt wird, um das Ventil zu öffnen. Diese Arbeitsweise

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lst völlig unerwünscht» wenn verflüchtigbare Flüssigkelten gepumpt werden, da die Verringerung des Druckes in der Pumpen-, kammer ein Verdampfen der darin befindlichen Flüssigkeit ermöglicht, wodurch entweder die Pumpenleistung reduziert wird« da der Dampf verdichtet werden muß, oder die Pumpe durch den Dampf blockiert und keine Flüssigkeit gepumpt wird. Diese abwechselnden Zustände hängen vom Ausmaß der in der Kammer auftretenden Druckverminderung 8b.

Es 1st daher die Aufgebe der Erfindung, dn Pumpensystem mit beträchtlich gesteigerter Leistung zu schaffen, bei dem insbesondere die Regulierung der Temperatur und des Druckes wesentlich verbessert ist.

Die Erfindung umfasst die Anordnung einer Anzahl von Pumpen.} die In die zu pumpende Flüssigkeit einzeln eingetaucht und gemeinsam von einer kalten Gasatmosphäre des zu pumpenden Mediums umgeben sind» wobei des Medium, aus Wasserstoff oder Steickstoff oder einem neutralen Medium, wie etwa Stickstoff bestehen kann« wenn des eu pumpende Medium aus flüssigem Sauerstoff besteht.

Außerdem sieht die Erfindung eine verbesserte Zusammenarbeit zwischen dem Pumpenkolben und dem PumpeneinlaQventil vor, wodurch das letztere durch den ersteren in einer Welse betätigt wird» daß eine Eigenverdampfung der Flüssigkeit in der Pumpenkammer verhindert 1st.

Bei einem bevorzugten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist eine federnde, einrastende oder* ineinandergreifende Verbindung neon Art einer Rastklinke zwischen dem Einlaßventil und dem Kolben vorgesehen,, .die eine ein- und auasohDltbare Verbindung oder eine Verbindung mit einem "Leerlauf" bildet_s wenn das

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Ventil und der hin- und hergehende Kolben eich entlang ihrer entsprechenden Bewegungsbahnen bewegen» wobei diese Bahnen vorzugsweise entlang einer gemeinsamen Langesehee oder entlang paralleler Achsen verlaufen.

Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen werden.

Es zeigen;

Fig. 1 eine Teil-Schnittansioht eines Systems mit drei

Pumpen, das in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist, wobei die Pumpen-Antriebsvorrichtung weggelassen ist, da sie kein Teil der Erfindung darstellt»

Pig. 2 ene Schnittensicht entlang der durch die Linie 2-2 in der Fig. 1 angedeuteten Ebene;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer einzelnen Pumpe, wobei

bestimmte Teile derselben der besseren Übersichtlichkeit wegen im Schnitt dargestellt sind;

Fig. 4 eine Schnitt ansicht entlang der durch die Linie 4-4 in der FIg* 3 angedeuteten Ebene:

Fig. 5 eine Teil-Schnittansicht entlang der durch die Linie 5-5 in der Figur 4 angedeuteten Ebene;

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Fig. 6 eine Teil-Aneieht des rechten Abschnittes der Figur von oben;

Pig« T eine Schnittaneicht einer einzelnen Pumpe entlang der durch die? Linie 7-7 in der Fig. 3 engedeuteten Ebene;

Figo 8 eine Querechnittsaneicht der Pumpe entlang der duröh die Linie 8-8 in der Figur 7 angedeuteten Ebene;

Pig. 9 eine feil-Sclmittansicht mit den Einzelheiten der Kolben- und Einlaßventil-Anordnung einer einzelnen Pumpe» wobei die Pumpenelemente in den Lagen.dargestellt sind ς, die sie eu Beginn dos Saughubeo einnehmen;

Figo Io eine Teil-Scimtttansicht der gleichen Pumpenelemente in den Lagen, die äiese während eines späteren Punktee des Saughubeß einnehmen;

Fig. 11 eine Seil-Schnittansicht der gleichen Pumpenelemente in den Lagenc die diese zn einem noch späteren Funkt des Saughubes einnehmen;

Big» 12 eine Teil-Sctoittansioht der gleichen Pumpenelemente in den Lagen« die diese während des letzten Teils des Kompreeeione«Hubee einnehmen und

Fig. 13 ei« Brück~Volumen*Magrsmm_f das die Betriebsweise einer einzelnen Pumpe darstellte

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Aus den Figuren 1 und 2 geht hervor, deß das Pumpensystem eine vertikale»kreisrunde lagerplatte 11 mit einer ausreichenden Festigkeit und Stabilität aufweist, um eine Reihe von Pumpeneinheiten sowie die Verteiler- und Speicher-Komponenten des Systems zu tragen* Ein längliches, glockenförmiges Gehäuse 1st mittels einer üblichen Flanschverbindung en der Lagerplatte 11 angebracht, um eine grosse Kammer 13 asu bilden» die die gesamte Pumpenanordnung und die unmittelbar zugeordneten Vorrichtungen enthält;. Das Gehäuse 12 stellt vorzugsweise eine doppelwandige Konstruktion dar_v die aus dünnwandigen Blechhüllen 14 besteht, die, wie geneigt, In Abstand voneinander angeordnet sind, und -zwischen denen unter Vakuum ein Isoliermaterial 15 eingebracht ist_v das wiederum z°B. aus Perlit bestehen kann.

Die lagerplatte 11 1st en ihrer inneren Fläche mit einer dicken Schicht 16 aus Isoliermaterial, Z₀B. aus Poljurethan-Schaum bedeckt» In der Lagerplatte 11 1st eine erste öffnung vorgeeehen, die eine Einlaß-Leitung 17 r<ufnimmt» durch die der Mehrfach-Pumpenanordnung das verflüssigte Gas unter einem niedrigen Druck, etwa bei 2,1 kg/cm (3o psig) zugeführt wird. Auflodern ist die Platte 11 mit öffnungen versehen, durch die sich eine Aueleßleitung 18 und ventilgesteuertβ Leitungen 19 und 19' erstrecken, wobei die letzteren die Regulierung dee gasförmigen Kühlmediums In der Kammer 13, wie nachstehend noch ausführlich beschrieben wird, ermöglichen.

Um einen Wäraeverlust entlang den Leitungen 17 und IB zu verhindern, sind diese in Bezug auf die Platte Ll vorzugsweise mlttela O-Ringen abgedichtet, die in Nuten in der Platte durch ringförmige Scheiben 22 gehalten sind, die wiederum an der Platte angeschraubt oder auf andere Weise befestigt aInd.

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Außer den vorstehend erwähnten Öffnungen sind am Mittelabschnitt der Lagerplatte 11 Irei öffnungen vorgesehen» die entlang dem horizontölen Ikarehmeaser der Plstfre gleichmüßig voneinander beabatanäet sind. Durch diesa öffnungen sowie durch die ausgerichteter^ in der dicken Bchioht aus festem Schaum 16 ausgebildeten Öffnungen «ratrocken sloh zylindrische feile 23 »ua steri^ta» widor»-bandefähigem Isoliermaterial_? etwa bus ahieiii gesüfeiohteten oder lemellierten Kunststoff. Die starren falls 23 öllden die Bn«iel;ütS5en oder Endlogor für dia einzelnen Puwponeinhelhen 24a* 24b und 24ü-

iJm eine Erwärmung der Pumpflüaeigfeeit sußerholb der Pumpen au verhindernj stollen die Leitungen 17 und 18 eine doppelwondigo Kiinatruktlon darj die oua Inneren, das Medium leitenden Bahren 17' und 18' und äußeren dünnen Blechhüllen 2o bzw. 21 besteht; die Hüllen sind um ihre. * ort sprechenden Rohre im Abstand konzentrisch angeordnet ₉ sowie vekuumisolleri,.

Des zentrale Rohr 17' der Einlaßleitung 17 erstreckt sich eine bestimmte Strecke in die Kammer 15 hinein und ist derart angeschlossen» daß das verflüssigte Gas In einen gemeinsamen Verteiler 26 geleitet wird. Von dom Verteiler 26 erstrecken sich einzelne Pumpen-Einlaßleitungen 27s, 27b und 27c zu Stellen, die sich neben der isolierschicht 16 befinden* An diesen Stellen sind sie nach oben gebogen (PIg- 1)» um in die Unterseite» der Befestlgungsblöoke 28 der entsprechenden PumpeneInhalten einzumünden.

WIo aneofcllessend im einzelnen beschrieben wird,, dient eine j ml 9 Pampaneinhott dazu, dag verflüssigte Oas unter Dru* su Sttfeaenv wobei liiii Drüokii im Ber«aich von 7 bin h)3 k/^ (:l»>f) bis Xuvooo pelg) liegen ο Anscshiioaiienil iflrd He

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Flüssigkeit bei diesem Druck durch die Auslaßleitungen 29a₉ 29b und 29c abgelassen, die diametral entgegengesetzt zu den Einlaßleitungen 27a, 27b und 27c mit der oberen Seite der Befestigungsblöoke 28 verbunden sind, Die Auslaßleitungen 29a, 29b und 29c erstrecken sich zunächst nach oben und dann in horizontaler Richtung zum Anschluß an einem gemeinsamen Auslaß-Verteiler 31» aus dem die unter hohem Druok stehende Flüssigkeit durch die Leitung 18" und die Auslaßleitung 18 zu der Stelle abgelassen wird, en der die Flüssigkeit gespeichert oder verwendet wird (nicht gezeigt).

Die einzelnen Pumpeneinheiten 24a, 24b und 24c sind ferner über jeweils eine Ablaßleitung 52a, 32b und 32 ο mit einem gemeinsamen zylindrischen Behälter 33 verbunden₉ der eine durch ein Ventil 35 überwachte Ablaßleitung 34 besitzt. Das Ventil 35 besteht sue einer Ausführung, die normalerweise geschlossen ist_? jedoch bei Bewegung eines Handgriffes 37 von Hand geöffnet werden kann, der über eine Betätigungsstange 36 mit dem Ventil 35 verbunden ist. Des Ventil 35 ermöglicht somit das Ablassen des Gases₉ das beim Sieden der Flüssigkeit während der anfänglichen "Herunterkühlung" des Systems erzeugt wird, ferner jeglichen Dampfes, der enschliessend auftritt, worauf in der anschliessenden Beschreibung der Arbeitsweise des Fumpsnsystems nooh näher eingegangen wird.

Die Art der GasatmoSphäre« die innerhalb der Kammer 13 aufrechtzuerhalten ist, hängt von der Eigenschaft des verflüssigten Oases 8b, das durch das System zu behandeln ist« Für den Fall, daß die Flüsigkeit aus verflüssigtem Wasserstoff besteht« wird der Dampf aus dem Behälter 33 unmittelbar in die Kammer

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i.3 abgelassen^ mn in dieser eine niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten_F unä er kenn aus der Kammer 13 über eine oder beide der Torstehend erwähnten Leitungen 19 und 19* abgezogen werden« Ber gleiche Vorgang wird durchgeÄlhrt, wenn flüssiger Stickstoff su pumpen ist« Wenn jedoch verflüssigter Sauerstoff gepumpt werden soll₉ist es nicht erwünscht, don Sauerstoff in die Kammer 13 abzulassen da sich Sauerstoff mit dem PolyurethanBohaum 16 nicht verträgt. Die Ableßleitung 34 1st daher für diesen Fall mit einer über das Ventil 35 hinausreichenden Verlängerung versehen» um den siedenden Sauerstoff aus der Kammer 13 herauszuleiten, wobei dieser durch die Isolierschicht 16 und die Lagerplatte Il hindurchgeführt wird. Wenn Sauerstoff im gasförmigen Zustand unmittelbar von dem Behälter 33 aus der Kammer 13 herausgeführt wird, kann letztere fortlaufend mit einem neutralen Gs$„ a.B. Stickstoff gespült werden, wobei das Gas durch die dünnen Leitungen 19 und 19' eingeführt und abgezogen wird.

Vorstehend 1st das Gesamt-Pumpensystem beschrieben« Anschl leesei) wird nunmehr auf die Figuren 3-1? Bezug genommen, die die Details einer einzelnen Pumpeneinheit 24a zeigen. De sämtliche Pumpeneinheiten 24a, 24b und 24c in ihrer Ausführung und Betriebswelse einander gleich sind, wird nur eine Einheit im einzelnen beschrieben. Die Einheit 24e weist ein längliches glockenförmiges Gehäuse 45 mit einem Flansch 46 auf, der mittels Schnauben 47 an dem Block 28 befestigt 1st, wobei letzterer das Unterteil oder die Grundplatte der einzelnen Pumpe 41 bildet. Die Pumpe 41 umfasst ferner ein Hauptkörperteil 42, dessen eines Ende einstückig oder auf eine andere W_else mit dem unterteil 28 verbunden sein kenn» und dessen anderes Ende an der Stelle 44 erweitert \st₉ um die PucLpeneinlafi- und Auslaßventile aufzunehmen, -die enschllessend im einzelnen beschrieben werden.

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Wie am deutlichsten In den Figuren 3 und 7 gezeigt 1st, erstreckt sich eine durchgehende Bohrung 38 durch das Pumpenunterteil, den Hauptkörperabschnitt 42 und läuft in einem Endabschnitt 39 aus. Ein langgestreckter Kolben 4o wird von der Bohrung 38 aufgenommen und kann sich In dieser hin- und herbewegen. Es sei bemerkt» daß der Kolben eine Anzahl Kolbenringe 43 trägt und dadurch abgedichtet in der Bohrung sitzt· Es vestent sloh,dee der Kolben 4o durch übliche Vorrichtungen, etwa durch eine Kurbelantrieb·" vorrichtung (nicht gezeigt) hin- und herbewegt werden kann, und daß der Bohrungsabsohnltt 39 die tatsächliche Pumpankammer für den Pumpenkolben 4o bildet.

Wie am deutlichsten aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, 1st der Be.festlgungsblook 28 der Pumpeneinheit mit einem ersten aufgfeohrten Kanal 48 versehen, wodurch die Pumpenelnlaeieltung 27a mit der durch das Gehäuse 45 gebildeten Kammer 51 In Verbindung steht. Her Block 28 enthält forner einen zweiten aufgebohrten Kanal 49t der mit der Pumpenauslaßleltung 29a verbunden ist, sowie einen dritten aufgebohrten Ken* 52, der die Kemmer 51 mit der Ablaßleitung 32a verbindet, wie dies am deutlichsten in der Figur 5 gezeigt 1stο Das verflüssigte Gas wird In die Kammer 51 über die Leitung 27a und den KanäL 48 eingeführt, damit es die Kammer vollständig ausfüllen kann. Ein kleiner Teil des verflüssigten Gases strömt durch den Kanal 52 und die Ablaßleitung 32« au dem Behälter 33» während der Hauptteil der Flüssigkeit In der Kammer 51 durch die Einlaßventilanordnung In die Pumpe 41 gezogen wird* Sie Einlβßvent11anordnung wird eneohlieeeend In Verbindung mit den figuren 7 und 9 bis 12 beschrieben.

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Her erweiterte Abschnitt 44 des Pumpenkörpers weist eine konische Öffnung So auf, die in Bezug auf die Bohrung 38 ausgerichtet ist und den konischen Teil 54 eines Ventilkörpers 53 aufnimmt· Die Außenfläche dee Teils 54 ist vorzugsweise für AM ic hV.^gs zwecke mit einer Anzahl von Nuten versehen Der Ventilkörpör 55 weist ferner einen erweiterten Plansch 55 O)(It Öffnungen auf, durch die sich eine Anzahl von Ankerschrauben 56 erstrecken,» die mit ihrem einen Ende in dem Körpersbschnitt 44 befestigt sind. Sie Schrauben 56 erstrecken sich über die Außenseite des Flansches 55 htiaus und enden in Gewindeabschnitten, die Muttern 57· Bellagsohaiben 58 und Abstandehülsen 59 aufnehmen» woduroh der Ventilkurpur 53 InJ Einbaulage lösbar befestigt ist und den Pumpenzylinder·« kopf bildet.

Wie weiter in den Figuren 7 und 9 bis 12 gezeigt ist» ist de« Ven-tilkörper 53 mit einer Reihe auf gebohrter Kanäle 64 versehen» die von der Kammer 51 «u einem Einlaß-Verteilerroum £3 geführt sind» der in dem konischen Teil 54 ausgebildet ist. Außerdem 1st der Ventiteörper 53 in der Mitte aufgebohrt, uu den Stöaeel 60 eines Einlaßventils 61 aufzunehmen» Des Ventil 61 weist einen scheibenförmigen Kopf 62 auf, der in abgedichteter Anlage mit einer ringförmigen Stirnfläche des Teils 54 durch eine Druckfeder 65 vorgespannt 1st, die zwluchen dem Ventllkörper 53 und einem Ansohlag 66 eingespannt 1st« der wiederum em Ventllstössel befestigt 1st» Es wird bemerkt, daß der Durchmesser des Ventllkopfes 62 kleiner »1s der Innendurchmesser der Pumpenkammer 39 i«t_f so daß die Flüsigkeit um den umfang des Ventilkopfes und In dia Pumpenkemmer hinein mit einer Geschwindigkeit strömen kann, die mit der Geschwindigkeit d»r Kolbenbewegung während des Saughube» Übereinstimmt. 009831/0127

Ansfelieseend wird in Verbindung mit den Figuren 7 und 9 ble 12 die Vorrichtung zur zwangsläufigen Steuerung der öffnungen bewegungen des Einlaßventiles beschrieben* Diese Vorrichtung weist eine Federklemmer 67 mit einem Kopfebschnltt auf, der durch eine Schraube 68 in einer Im Ventilkopf 62 ausgebildeten Ausnehmung befestigt 1st. Die Federklemmer 67 besitzt vorzugsweise eine Anzahl von getrennten, sich In axialer Richtung erstreckenden Fingern, von denen ein jeder radial nach aussen und anschliessend radial nach innen gebogen 1st, um Rastnasen 69 zu bilden, die mit der vorstehend beschriebenen Kolbenanordnung zusammenarbeiten. Der Kopf des Pumpenkolbens 4o 1st mit einer flachen, kreisförmigen Ausnehmung 7o versehen, deren Durchmesser so groß 1st, daß sie den Ventilkopf 62 aufnehmen kann. Der Hittelabschnitt des Kolbens 40 1st in Längsrichtung an der Stelle 71 aufgebohrt, damit er die Finger der Federklemmer 67 vollständig aufnehmen kann. Der mltt&ere Abschnitt der Bohrung 71 1st hinterschnitten, um eine ringförmige Nute 72 zu schaffen. Zwischen der Ausnehmung 7o und der Nute 72 weist die Bohrung 71 efaen ringförmigen Vorsprung 73 euf, dessen Ränder abgeschrägt oder gebrochen sind, um das Einschieben und das Herausziehen der Federklammer zu erleichtern.

Hieraus ist ersichtlich, daß die Finger der Klammer 67 radial zusammengedrückt werden, wenn sie durch den engen Abschnitt der Bohrung hindurchtreten, der durch den ringförmigen Vorsprung 73 gebildet wird» Sobald jedoch die Raetnasen 69 die Nute 72 erreicht haben, weiten sie sich In radialer Richtung In ihre normale Stellung auf, In der ein geringfügiges Spiel zwischen den Rsstnasen und den Wänden der Nute 72 vorhanden 1st, wie dies aus der Flg. 9 hervorgeht<, axiale Breite oder Tiefe der Nute 72 ermöglicht somit

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vorbeo$lmBt$63 Schlupf oiler eins "Leerbewegnng" dem Kolben 4o und dsm Ventil 61 für Zwecke^ die nachstehend beschrieben werden

Anaehli©ßsenä wira in Verbindung mit 3 en Figuren ? bis 13. die PumpenauslaB-Ventl· anordmmg erläuterte Γι es a Anordnung weist zwei konlse&e Kanäle 74 auf_s die mit erweiterten Ausnehmungen 75 in Verbindung siehen, die eich ihrerseits in radialer Sichtung durch äen Pumpenkörperteil 44 erstrecken«. In jedem konischen Kanal 7A sitzt ©in Hing 76, der vorzugsweise aus einer harten Legierung besteht und als austauschbarer Ventilsitz für ein zugeordnetes Regulierventil 77 dient. Die Regulierventile 77 entsprechen in ihrer Ausführung einander und weisen einen in die Ausnehmung 75 eingeschraubten Körper 78, einen seheibenfttrmigen Ventilkopf 79» der mit einem Ventilstößel 8o verbunden let, sowie eine Druckfeder 81 auf« Der Stößel 8o ist für eine Längsbewegung in einer Bohrung 7

82 in dem Körper 78 geführt, und die Feder 81 besitzt eine ausreichende Vorepgonkrafi;„ um das Ventil solange geschlossen zu halten, wie der truck in der Fumpenkemmer den Druck auf der Auslaßselte dee Ventils im der Ausnehmung 75 nicht wesentlich überschreitet„

Aus den Figuren J₁₁ Ί und 8 1st zu ersehen, daß die einzelnen Ausatmungen 75 in Verbindung mit einzelnen Aueleßksntüm

83 stehen, die slsh <iur«?h den Pumpenkörperteil 44 erstrecken und mit zugeordnetem Auelaßleitungen 84 verbunden sind, deren eines Ende in geeignete? Welse en dem Teil 44 befestigt 1st, Die entgegengesetzten Enden der parallelen Leitungen

84 sind an einem bogenförmigen Verteiler 85 angeschlossen, der wiederum durch Ue Leitung 86 mit dem vorstehend erwähnten Kanal 49 verbunden ist, der zur Pumpenaueleßleitung 29e führt.

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Arbeitswelse

Zum Zwecke der Erläuterung der Betriebsweise des Systems wird angenommen, daß die zu pumpende Flüssigkeit aus flüssigem Stickstoff besteht, wenngleich offensichtlich ist, daß das System in gleicher Weise zur Behandlung anderer flüchtiger Flüssigkeiten, einschliesslich solcher Flüssigkeiten, wie überhitztes Wasser geeignet ist, bei denen die Probleme der unerwünschten Verdampfung und der Temperaturregelung ebenso vorhanden sind. Wenn jedoch angenommen wird, daß flüssiger Stickstoff gepumpt werden soll, wird der flüssige Stickstoff bei einer Temperatur in der Größenordnung von -195?5⁰C (-320° F) von einer Speisequelle, etwa einem Speicherkeesel (niiit gezeigt), unter einem niedrigen Druck von etwa 2₉1 kg/cm (3o psig) durch die Einlaßleitung 17, das Bohr 17· ₉ den Verteiler 26 und durch jede der einzelnen Einlaßpumpen-SLnlaßleitungen 27a, 27b und 27c zu den Kammern 51 der Pumpeneinheiten 24a ₉ 24b und 24c geführt ο Während des anfänglichen Abschnittes der Startperiode siedet, wenn die Systemkomponenten verhältnismäßig warm sind, eine beträchtliche Menge des flüssigen Stickstoffes und dieser Dampf steigt zur Oberseite der Kammern 51 hoch, aus denen er durch den Kanal 52 und den einzelnen Leitungen 32a, 32b und 32c zum Behälter 33 etcörat_y aus dem er wiederum über das Ventil 33 ins Innere der Kammer 13 abgelassen wird. Dieser Dampf ist selbstverständlich euch extrem kalt, da der normal· Siedepunkt des Stickstoffes bei - 195,5° C ( -320⁰P) liegt. Die fortlaufende Umwälzung dieses Dampfes in der Kammer 13 und dessen Abzug durch die Leitungen 19 und 19* unterstützt die schnelle Abkühlung der Komponenten, so daß die Zeitspanne zum "Herunterkühlen¹¹ beträchtlich reduziert ist«

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Beim Abschluß der Zeltspeane für ü&& ^!?Heronterkühlen" atncl die Kamera 51 vollständig mit flüssigem-Stickstoff gefüllt und die Pampen keimen eingeschaltet werden* Auf diese Weine wird der flüssige Stickstoff in der Kammern 51 durch die einzelnen Pu&pe» 41 g-apumpt und über die ßegulierventile 77* die Kanäle 83ϊ äi« parallelen leitungen 84, die Verteiler 85» die Leitungen SS, Kanäle 49 unä die eteselnen Pumpeneuslaöleiungsii 2'H_£ Sfb wi$ 29c mvm Verteiler 31 abgeführt, aus den der ¥0^^;;;©ί? äaisem B^ucli steiiende flüseige Stickstoff durch die üeiv^y; 18" u»-ä äie MsiaSleitting 18 der vorgesehenen Verbrateiisstfclli aii|t»fulirt

Vorstehend ist dis Betrlebeweiae dee Geeamtsyetems beschrieben< Aasohlieeeend w±vä nun die eper.iölla Arbeitsweie« der einzelnen Pumpen 4I₉ inebesondercj die Zuaa?iiMenarbeit awisohen dem !Pumpenkolben 43 nnä dam Einlaßventil 61 erläutert ₉ die am deutlichsten in -Jen figuren 7 bis 13 dargest.-'.«> sind.

Die Figur 7 zeigt die Fumpenelemente in den legen, die diese zu dem Zeitpunkt einnehmen,, der dem Funkt 1 im PV-Diagramm der Figur 13 «nispriesht _s wobei «u diesem Zeltpunkt der Kolben Ao gerade einen Eatupreesionshub beendet hat. Ss wird bemerkt« daß der BinlaBventilkopf 62 vollständig von der Ausnehmung 7ο aufgenommen ist_$ und deS die Reetnasen 69 der Federklammer 67 in axialem Ausrichtung su dem inneren Ende der Nute 72 eingestellt sind. Zu diesem Zeitpunkt haben sich die Auslaßventile 77 aufgrund der Vor Spannkraft, der Federn 8o gerade geschlossen, und es versteht sich, daß unter hohem Brück stehender flüssiger Stickstoff die Bohrung 71» die Kanäle Innerhalb der Ringe 76 und den schmalen "Reum zwischen dem Kolben 4o uit<! am Bißgen 76 dl® alle eueammen den Spielraum 'amiden_t der

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In der Figur 13 mit C gekennzeichnet iet. Selbstverständlich ist zu diesem Zeltpunkt des Einlaßventil 61 aufgrund der kombinierten Kraft dar Feder 65 und iea unter Druck stehenden flüssigen Stickstoffes geschlossen? der in der Bohrung 71 enthalten ist, und der wesentlich größer als der nfedrlge Druck der Flüssigkeit In der Einlaßverteilerkammer 63 1st.

In der Darstellung gemäß der Figur 9 iet der Kolben 4o In der Lage gezeigt,die er zu dem Zeitpunkt einnimmt, der dem Punkt 2 In dem PV-Diagraram entspricht. An dieser frühzeitigen Stufe des Saughubes hat sich der Kolben eus der In der Figur gezeigten Stellung heraus über eine Strecke bewegt* die gleich der axlelen Länge der Hute 72 ist, so daß sich die Raetnasen 69 der Federklammer 67 in Anlege mit dem ringförmigen Vorsprung 73 befinden. Diese Bewegung vergrössert daβ Volumen der Pumpenksmm&r um einen Betrag, der in der Fig. 13 durch E markiert idt, und erzeugt einen entsprechenden Flüsslgkeits-Bruokabfall, wobai did Flüssigkeit, wenngleich sie gewissermaßen lnkompreeslbel ist, doch eine gewisse Kompressibilität aufweist. Selbstverständlich ändert sich das Ausmaß der Kompressibilität bei unterschiedlichen, verflüchtigbaren Flüssigkeiten, wobei flüssiger Wasserstoff eine relativ gro-ße Kompressibilität Im Vergleich zu derjenigen des flüssigen Stickstoffes besitzt. Das Volumen S wird daher so klein gehalten, daß der Flüssigkeitsdruck In der Pumpenkammer nicht merklich unter deo Druck In der Einlaß-Verteilerkammer 63 abfällt. Der Druck in der Pumpenkammer 39 bleibt βomit Im wesentlichen gleich dem Druck In der Einlaßkemmer 63, der ausreichend über dem Verdampfungsdruck der Flüssigkeit liegt. Die Folge hiervon 1st, daß eine Eigenverdampfung oder Verdampfung der Flüssigkeit in der Pumpenkeener zwangsläufig verhindert ist- Hieraus ist ersichtlich.

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dsß am funkt 2 des PV-Biagrsstma quer zum V_entilkopf 62 keine Druckdifferenz vorhanden ist, und dieses Ventil verbleibt aufgrund der nicht beeinträchtigten Vorspannkraft der Feder 65 geschlossen.

Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen» daß die vorstehend beschriebene Bewegung des Kolbons 4o aufgrund des Schlupfes oder der "Leerbewegung",, der durch die axiale Länge der Hute 12 ermöglicht wird» das Ventil 61 mechanisch nicht beeinflusst.« Wenn jedoch der Kolben den Saughub fortsetzt, gelangen die ßastnasen 69 in Anlage mit dem ringförmigen Vorsprung 73» so daß der Kolben entgegen der leichten Vorspannkraft der Feder 65 des Ventil in seine Offen-Stellung zieht. Die Feder 65 wird progwslv zusammengedrückt, bis der Anschlag 66 auf den Ventilkörper 53t trifft. An dieser Stelle befindet sich das Ventil In der vollständig geöffneten Stellung, die in der Figur Io gezeigt 1st. Im Anschluß hieran bewirkt die fortgesetzte Bewegung des Kolbens ein radiales Zusammendrücken der Federklammer, so daß die Raetna sen über den ringförmigen Voreprung gleiten, wodurch das Ventil von dem Kolben getrennt wird, was In der Figur U dargestellt 1st. Diese Bewegung des Kolbens vergröesert das Volumen der Pumpenkemmer, so daß der Druck in dieser etwas unter den Elnlaßdruck abfällt. Die Folge hiervon 1st, daß die Flüssigkeit rund um die Bänder des Ventilkopfee 62 strömt, und der Strömungsdruck der Flüssigkeit hält des Ventil entgegen der leichten Vorspannkraf^ der Feder 65 In der geöffneten Stellung. Bs versteht sich, daß die Feder 65 bo ausgewählt 1st, daß sie nur eine sehr geringe VorSpannkraft besitzt, die z.B. kleiner als etwa 226 gr. (o,5 pound·) sein kann. Hieraus 1st erelohtlieh, daß quer sum Ventilkopf nur eine sehr kleine Druckdifferenz benötigt wird, und daß ale Folge hiervon während des gesamten Saughubes

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der Druck in der PumpenkeratEer auoreichend über dem Verdampfungedruck gehalten wird.

Unmittelbar beim Erreichen des Endes des Saughubes unterstützt die Feder 65 das Schllessen des Ventlles 61 und der Kompressionshub wird eingeleitet, was zur PoIge hat_t daß der Druck ansteigt, wie dies durch die Kurve dargestellt ist, die die Funkte 5 und 4 in dem PV-Biagraram verbindet. Selbstverständlich bleiban sowohl des Einlaß= als auch die Auslaßventile geschlossen, bis der vorb«stimmte Druck bei Punkt 4 erreicht ist. Zu dienern Zeitpunkt öffnen sich die Regulierventile 77 und der unter hohem Druck stehende flüssige Stickstoff wird über die vorstehend erwähnten Auelaßleitungen abgeführte

Wenn ier Kompressionshub entlang der Linie zwischen den Punkten 4 und 1 in dem PV-Diagraram fortgesetzt wird, wird schliesellch die Stelle erreicht» en der der ringförmige Vorsprung 73 in Anlage mit den Rastnasen 69 kommt, wie dies in der Figur 12 gezeigt let» Eine weitere Bewegung des Kolbens 43 gegen das geschlossene Einlaßventil bewirkt, daß sich die Riseineβen in radialer Richtung zusammenziehen, wobei sie über den ringförmigen Voraprung hinweggleiten und schllesslloh in die Bohrung 71 re&en, derart, daß eich die Rastnasen axial gegenüber dem Inneren Ende der Hute 72 befinden, wie dies in der Figur 7 dargestellt ist. Auf diese Weise let ein Pumpzyklue abgeschlossen und die Elemente waden in ihre relativen Auegangelagen zurückgeführt, eo defl sie die oben beehriebenen Bewegungen während eineβ nachfolgenden Zyklus«·« wiederholen können«

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Während eines Dauerbetriebes der Pumpen bei relativ hoher Geschwindigkeit wird In-erster Linie Infolge der Reibung

«wischen den Kolbenringen 43 und den Wänden der Bohrungen 38 eine unerwünschte Wärme erzeugt. Wie jedoch am deutlichsten

In den figuren 3 und 7 dargestellt 1st, befinden sich die

gesamten Längen der langgestreckten Pumpenebschnitte 42 in Berührung mit der Kühlflüssigkeit in den Kammern 51» so daß die Reibungswärme über die Pumpenwände auf die Flüssigkeit schnell weitergeleitet bzw, übertragen wird. Biese Wärme wird durch Verdampfung einer kleinen Menge der Flüssigkeit schnell verbraucht und der daraus hervorgehende Dampf steigt zur Oberseite der Kammern 51» von wo er durch die Kanäle 52 und die leitungen 32a, 32b und 32ο sum Behälter 33 abgelassen wird, aus dem er wiederum periodisch durch öffnen des Ventils 35 in die Kammer 13 abgelassen werden kann. Außer zur Beseitigung der unerwünschten Reibungswärme verwendet somit die vorliegende

Erfindung die verdampfte Flüssigkeit zur Reinigung und Kühlung

der Atmosphäre, die die anderen Komponenten des Systeme umgibt.

Aus der vorstehenden Beschreibung der Pumpenanordnug und der Betriebsweise geht hervor« daß die Erfindung die ihr «ugrundellegende allgemeine Aufgabe dadurch löst, dad sie ein Pumpen» eyetem schafft« das bei beträchtlich erhöhtta Wirkungsgrad Insbesondere sur Behandlung verflttohtlgbarer Flüssigkeiten geeignet ist« und daß dieses vorteilhafte Ergebnis unmittelbar auf die Merkmale der Erfindung besüglloh der verbesserten . Anordnung der Beuteile swsoks minimalen Wärmevarluatee und der beschriebenen Zusammenhänge wischen den Pumpentlementen surüoksuführen 1st.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   SSSSSSSSSSSSSSSBS

   Pumpensystem für flüssige Medien mit einer Pumpe, die eine Pumpenkammer, Einlaß- und Auslaßventile, die die Strömung In und aus der Pumpenkammer hersus regeln, und einen In Bezug auf die Kammer bewegbaren Kolben, der die Flüssigkeit Innerhalb der Pumpenkammer unter Druck setzt, aufweist, wobei der Kolben einen Arbeitszyklus durchläuft, der Saug- und Druokhübe umfasst, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (61) und der Kolben Uo) zum Ausführen voneinander unabhängiger Bewegungen In der Pumpe angeordnet sind und daß eine Vorrichtung (69, 71, 72) den Kolben (4o) mit dem Einlaßventil (61) zeitweise verbindet, um das Einlaßventil In Abhängigkeit von vorbestimmten Bewegungen des Kolbens zu betätigen·

   2 ο Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zeitweilig wirksame Verbindung zwischen dem Kolben (4o) und dem Einlassventil (61) während des Seughubes des Pumpzyklusses eintritt, um des Einlaßventil zu öffnen·

   3. Pumpensystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, de du roh gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (61) mit einer Vorrichtung (65) versehen 1st, die das Ventil gegen die geschlossene Stellung hin vorspannt,und daß die Verstellung des Einlaßventileβ (61) In die Offen-Stellung entgegen der Kraft der Vorspannvorrlohtung (65) erfolgt.

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   lO

   4. Pumpensystem nail Anspruch 1, 2 oder 3» d ad u rc h g.ekennz e 1 chnet, daß die zu pumpende Flüssigkeit aus einer leicht verfluchtigbaren Flüssigkeit besteht, und daß das Einlaßventil (61) geöffnet wird, während der Druck In der Pumpenkammer (39) beträchtlich über dem Verdampfungsdruok der verfluchtigbaren Flüssigkeit liegt»

   5. Pumpensyetem nach den Ansprüchen 1, 2 , 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, defl das Einlaßventil (61) zwangsläufig geöffnet wird, während der Druck in der Pumpenkemmer (39) gleich dem Einlaßdruck der Pumpenkammer let.

   6. Pumpensyetem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, defi die Vorrichtung tar die zweltwelllge Verbindung des Einlaßventile (61) und des Kolbens (4o) mehrere in lösbaren Eingriff miteinander bringbare Elemente (69, 72) enthält, wobei eines der Elemente (72) sich mit dem Kolben (4o) bewegt und das andere Element (69) dem Einlaßventil (61) zugeordnet 1st.

   7« Pumpeneystem neon Anspruch 6,dsduroh gekennzeichnet, daß die im löebaren Eingriff miteinender bringbaren Elemente (69, 72) so geformt elnd, daß el· eine 8ohlupf-Verbindung bilden, so daß sich der Kolben (4o) um eine vorbeetlmmte Strecke bewegen kenn, bevor er dee Einleeeventil (61) öffnet.

   8. Pumpeneyetem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aneprüohe, dadurch gekennzeichnet, 4*0 de· System eine oder mehrere Pumpeneinheiten (24e, 24b, 24o) aufweist, die innerhalb einer leollertmn Oehäueekemmer (13)

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   untergebracht sind, wobei eine jede Pumpeneinheit ein eigenes Gehäuse (45) aufweist, das eine Pumpe (41) umgibt, dafl eine Vorrichtung (17, 17*, 26, 27a, 27b, 27e,48) sum Einführen einer verfluchtlgbaren Flüssigkeit In das Pumpengehäuse (51, 45) vorgesehen 1st, und defl eine Vorrichtung (52, 32a, 32b, 32«, 33, 34, 35) die verdampfte Flüssigkeit aus dem Gehäuse (45) einer Pumpeneinheit (24e,b,o) In die Gehäusekammer (13) ablässt, um die Itagebungstemperstur der Pumpeneinheit (24a, b, o) su regeln.

   9· Pumpeneystem nach Anepruoh 8, dsduroh gekennselohnet, defl die Anlassvorrichtung ein wahlweiee betätlgberee Ventil (35 - 37) sur Hegelung der Ableeegeachwlndlgkelt der verdampften Flttmigkelt oue dam Pumpeneinheitsgehäus· (45) In dl· Isoliert· Oehäuaekameer (13) aufweist.

   10. Pumpeneyetem nach den Ansprüchen 8 oder 9t de duroh gekennselohnet, dafl die In da· Pumpengenäu·· (45, 51) eingeführt· verfluchtlgbare Flüssigkeit aus einer Kühlflüssigkeit besteht, wobei de· Ablaaaen der verdampften FlUaalgkeit aua dem Pumpenelnheltagehäuee (45, 51) in dl· Isoliert· Kammer (13) die Umgebung··taosphär· der Pumpeneinheit (24a,b,ο) auf eine niedrig· Temperetur hält· ;

   11. Pumpensyatem naoh den AneprUchen 8, 9 oder lo, dadurch gekennselohnet, defl da· System eine Reihe von Pumpeneinheiten (24·, 24b, 24o) aufweist, dl· Innerhalb dev isolierten Gehäueekemmer (13) angeordnet sind, defl die I Gehäuaekamaer (13) mit einer gemeinsamen Plüssigkelts-Elnlafllaitung (17, 17·,26) und mit «lner gamelnaamen Flttssigkeits-AusXeflleltung (31,18,18») verβehe» let, defl jede dieser leitungen (17. 17*,18, 18') «loh au· der Oehäueekammar (13) harau· neon eueeen eretreokt, und defl sueätsliohe Verteilervorriohtungen (26, 31) innerhalb der Genaueiktmmer

   (13) angeordnat sind, AU sämtlleh· Pumpeneinheiten (24t»b,o) . , •it der fwin—m*n η ο laß Uitung yn_t \V\^vt·

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