DE19529676A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zum Fördern eines Fluids mit einem in einem Pumpengehäuse angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben in Längsrichtung ver­ schiebbar angeordnet ist, wobei ein Ende des Zylinders einer Druckseite (Hochdruckseite) und das andere Ende des Zylinders einer Saugseite (Niederdruckseite) der Kolbenpumpe zugeordnet ist und sich auf der Saugseite eine Kolbenstangenführung an den Zylinder anschließt, in der eine an einem Ende mit dem Kolben und am anderen Ende mit einem außerhalb des Pumpengehäuses angeordne­ ten Antrieb verbundene Kolbenstange in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist.

Eine gattungsgemäße Kolbenpumpe ist aus der DE-OS 41 38 174, deren Inhalt zur Gänze zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung zu zählen ist, bekannt.

In der Tieftemperatur-Technik werden - wie in der allgemeinen Verfahrenstechnik - Pumpen sowohl in Produktionsanlagen, sog. Prozeßpumpen, oder in Notversorgungs­ anlagen integriert als auch zum Abfüllen von gasförmigen oder flüssigen Produkten eingesetzt. Das bevorzugte Einsatzgebiet von Kolbenpumpen liegt bei hohen Drücken und kleinen Fördermengen, wobei die geforderten Fördermengen und -drücke stetig größer werden.

Die Antriebs- und Regelsysteme für diese Pumpen sind in herkömmlicher Technik und werden nachfolgend nicht weiter behandelt.

Die Zulaufbedingungen an den Pumpen sind bei Tieftemperatur-Anlagen besonders kritisch zu erfassen, da die zu fördernde Flüssigkeit meist nur eine geringe Unterküh­ lung aufweist, d. h. nahe dem Siedepunkt ist, und naturgemäß in den Leitungen zur Pumpe aus der Umgebung Wärme zugeführt wird.

Gängige Tieftemperaturpumpen werden zum Pumpen von flüssigem Stickstoff, Sauer­ stoff, Argon, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoff verwendet. Da bei diesen Anwen­ dungsfällen die tiefste Einsatztemperatur bei ca. -200°C liegt und die Verdampfungs­ wärme relativ groß ist, werden bei den herkömmlichen Pumpen keine großen Anfor­ derungen an Isolation und Abdichtung gestellt. Hinzu kommt noch, daß bei laufender Pumpe das Produkt aus Masse und spezifischer Wärme groß ist, so daß die Wärme­ verluste aus Reibung und Wärmeleitung weniger schwer wiegen.

Aber auch das Pumpen von flüssigem Wasserstoff mit derartigen Pumpen ist möglich. Wasserstoff weist jedoch nur 116 der Verdampfungswärme von Stickstoff auf, seine Temperatur liegt bei -253°C und seine Viskosität ist sehr gering, so daß an derartige Pumpe besondere Anforderungen gestellt werden.

Die in der o.g. DE-OS 41 38 174 beschriebene Kolbenpumpe weist jedoch Nachteile auf. So kommt es beim Ableiten der überschüssigen Fluidmenge aus dem Laderaum über den sog. Ringspalt in den Saugraum zu schwer zu beurteilenden Verhältnissen, insbesondere bei expansiven Gasentwicklungen. Dies hat zur Folge, daß die ent­ stehenden Gasblasen nicht nach oben in den Entgasungsstutzen abgeleitet, sondern wieder in das Ladesystem zurückgeführt werden. Zudem sind somit die Strömungsrich­ tungen der überschüssigen Fluidmenge und der beschleunigten Fluidmenge im Saug­ kanal gegenläufig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenpumpe anzugeben, die einen geglätteten Förderstrom ermöglicht, das Eindringen von Wärme in das zu fördernde Fluid verhin­ dert und für alle verflüssigten, tiefkalten Gase, insbesondere für die Obengenannten, geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einer Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe kommt es bei der Vorverdichtung des zu fördernden Fluids, entsprechend dem gewählten Einstelldruck des Überströmventils, zu einem Überströmen von Fluid in den Fluidraum. Die überströmende Flüssigkeit wird also, ohne das Einströmen zum Saugventil zu behindern, unmittelbar dem Entgas­ ungsstutzen zugeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, da die bei der Druckentlastung über das Überströmventil freiwerdenden Gasblasen nicht wieder über das Saugventil dem Arbeitsgang zugeführt werden. Somit ist auch das Problem des Gegenlaufens von überschüssiger Flüssigkeit bzw. Gasblasen und beschleunigtem Fluid im Saugkanal nicht mehr gegeben.

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe weiterbildend wird vorgeschlagen, daß das auf der Stirnseite des Laderaumes feststehend angeordnete Überströmventil federbelastet ist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß im oberen Scheitelpunkt des Zylindermantels im stirnseitigen Bereich wenigstens eine, in den Fluidraum mündende Bohrung vorge­ sehen ist.

Durch eine bzw. mehrere derartige Bohrungen wird eine Verbesserung der Strömung im Außenbereich, also dem sog. Fluidraum, des Ladezylinders erreicht, da mittels dieser Entgasungsbohrungen die überströmende Flüssigkeit bzw. die sich dabei bildenden Gasblasen direkter und damit schneller dem Entgasungsstutzen zugeführt werden. Über diese Entgasungsbohrungen im Ladezylinder werden die gegebenenfalls noch mitgeführten Gasanteile, also diejenigen Gasblasen, die nicht erst beim Über­ strömen durch das Überströmventil gebildet werden, direkt dem Entgasungsstutzen zugeführt. Bei der Bemessung dieser Entgasungsbohrungen ist selbstverständlich darauf zu achten, daß die Durchsatzmengen des gasförmigen und des flüssigen Medi­ ums einen noch ausreichenden Druck des Ladesystems gewährleisten. Die Entgas­ ungsbohrung ist auch als Dämpfungsglied für das Überströmventil zu bemessen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen Zylindermantel und Kolbenstange eine Führungsbuchse angeordnet ist, wobei diese Führungsbuchse im Bereich ihres äußer­ en Endes eine Entlastungsnut aufweist, die über eine Verbindungsbohrung mit dem Fluidraum, vorzugsweise im Bereich des Überströmventils, in Verbindung steht.

Zur Entlastung der Kolbenstangenabdichtung gegen Druckpulsation ist der Ladezylin­ der gegenüber der Kolbenstange mit einer Führungsbuchse, die eine Drosselwirkung zur Folge hat, ausgestattet. Diese Führungsbuchse weist im Bereich ihres äußeren Endes eine Entlastungsnut auf, die über eine Verbindungsbohrung mit dem Fluidraum in Verbindung steht. Somit kann Flüssigkeit oder Gas, die in den Spalt zwischen Kol­ benstange und innerer Führungsbuchsenwandung gelangt, über die Entlastungsnut und die Verbindungsbohrung in den Fluidraum und damit in den Entgasungsstutzen geführt werden.

Die Führungsbuchse ist vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die Führungsringe des Kolbens, insbesondere aus den Sinterwerkstoffen Bronze/Teflon oder Teflon/Kohle, gefertigt. Außerdem ist vorteilhafterweise die Kolbenstange mit einem Kunststoffisolator versehen. Des weiteren macht es Sinn, wenn mindestens ein Teil der Kolbenstangenführung aus einem schlecht wärmeleitenden Material, insbesondere aus Kunststoff, gefertigt ist.

Die Kolbenstange ist im Bereich des Hochdruckraums bevorzugt mit speziellen hoch­ dichten Kolbenringen, welche eine sehr geringe Reibung verursachen, bestückt. Es handelt sich hierbei um sog. Twin-Kolbenringe aus PTFE, die aus einem Rechteckring und einem Winkelring zusammengesetzt sind, die jeweils einen Spalt aufweisen, wobei am Winkelring eine Arretierungsnase angebracht ist, die in den Spalt des Rechteck­ rings eingreift.

Zweiteilige Twin-Kolbenringe, die aus einem Winkel- und einem Rechteckring bestehen, sind an sich bekannt. Die Bezeichnungen "Winkelring" bzw. "Rechteckring" beziehen sich dabei auf die Schnittflächen der Ringe. Die beiden Ringe besitzen einen Spalt, wodurch durch Aufbiegen die Montage ermöglicht wird. Das Verdrehen der beiden Ringe gegeneinander wird bekanntermaßen durch einen Arretierungsstift verhindert.

Um die vergleichsweise komplizierte Montage vor allem bei kleinen Ringdurchmessern zu verbessern, wird anstelle eines Arretierungsstiftes bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe eine fest am Winkelring angebrachte Arretierungsnase bevorzugt, die genau im Spalt des Rechteckrings zum Liegen kommt. Dabei ist der Durchmesser des Winkelrings in der Umgebung der Nase vergrößert, um eine sichere Abdichtung auch im Nasen- und Spaltbereich der beiden Ringe zu erhalten. Da der Rechteckring vor­ zugsweise auf der druckabgewandten Seite eingebaut ist, übernimmt er die Haupt­ arbeit, so daß der Winkelring nur im Bereich der Arretierungsnase (mit Überschnei­ dung) den Nenndurchmesser des Rechteckrings aufweist. Durch diese Maßnahme sowie die Wahl einer geeigneten PTFE-Modifikation wird die Reibung minimiert. Mit diesen speziellen Kolbenringen werden eine hervorragende Dichtheit und ca. 40% weniger Reibung erreicht, als bei den bisherigen Twin-Kolbenringen.

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe weiterbildend wird vorgeschlagen, daß im Bereich des Saugventils des Ladekolbens ein zylindrischer Strömungsführungsmantel derart angeordnet ist, daß das über das Überströmventil und/oder die in den Fluidraum mündenden Bohrungen strömende Fluid in Richtung des Entgasungsstutzens abgelei­ tet wird.

Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist insbesondere dann vorzu­ sehen, wenn das tiefkalte verflüssigte Medium von unten oder stirnseitig, also in die untere Gehäusehälfte, eintritt. Durch den Impuls der Strömung werden die dabei ent­ stehenden Gasblasen bzw. die bereits in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen über den Zylinder nach oben zu dem Entgasungsstutzen geleitet.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Figur näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Figur: Eine Gesamtansicht der Kolbenpumpe mit Pumpengehäuse, Saug- und Hochdruckleitung im Längsschnitt.

Der Zylinder 2 ist in das Pumpengehäuse 1 so hineingesteckt, daß eines seiner Enden mittels Auflageflächen 3 am Pumpengehäuse 1 an liegt. Am anderen Ende des Zylin­ ders 2 ist eine vorgespannte Tellerfeder 4 angeordnet. Sie stützt sich über Kappen­ halterungen 6 an einer auf das Pumpengehäuse 1 aufgesetzten Gehäusekappe 5 ab und belastet den Zylinder 2 in Längsrichtung. Dadurch wird der Zylinder mit den Auflageflächen 3 an das Pumpengehäuse 1 gedrückt und in Längsrichtung gehalten. Über einen zwischen Zylinder 2 und Pumpengehäuse 1 angeordneten Distanzring 7 wird der Zylinder im Bereich der Gehäusekappe 5 zentriert.

Im Zylinder 2 ist ein Kolben 8 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Am Kolben 8 ist eine Kolbenstange 9 zum Antrieb des Kolbens 8 angebracht. Der Kolben 8 unterteilt den Zylinderinnenraum in eine Niederdruckkammer 10 und eine Hochdruckkammer 11.

Die Hochdruckkammer 11, die der Druckseite der Kolbenpumpe zugeordnet ist, wird durch eine zwischen dem Zylindermantel 2 und dem Pumpengehäuse 1 angeordnete Lippendichtung 26 aus PTFE gegen die Saugseite, d. h. gegen das beispielsweise von einem Vorratsbehälter über Zuleitung 17 kommende, zu pumpende Fluid, abgedichtet. Am Kolbenkopf ist ein federbelastetes Saugventil 12 angebracht, über das in einem Laderaum 19 vorkomprimiertes Fluid in die Hochdruckkammer 11 gelangt. In der Hochdruckkammer 11 ist ein federbelastetes Druckventil 13 angeordnet, über das das auf Betriebsdruck gebrachte Fluid an eine Ableitung 14 abgeben wird.

Die Abdichtung des Kolbens 8 im Zylinder 2 bewirken gut dicht schließende Kolben­ ringe 15 aus einer verschleißfesten PTFE-Mischung. Aus dem gleichen Material sind die Führungsringe 25, welche den Kolben zentrieren, hergestellt. Der Zylinder 2 ist aus rostbeständigem Stahl, die Lauffläche ist hart und feinstbearbeitet.

Die Druckhalteventile 13 und 12 sind federbelastet, Kolben 8 und Kolbenstange 9 sind verschraubt. Die Abdichtung dieser Kolbenstange 9, deren Oberfläche hart und feinst­ bearbeitet ist, wird von mehreren besonders geformten Hutmanschetten 19 aus einer PTFE-Mischung übernommen. Zur Verbesserung der Dichtwirkung wird über den konischen Teil der Hutmanschetten 16 ein geschlitzter Spannring aus dem gleichen Material mit einer Wurmfeder gelegt.

Ein Überströmen des Fluids aus dem Saugraum 27 in den Laderaum 19 erfolgt über das Saugventil 21 des Ladekolbens 22. Auf der Stirnseite des Zylinders 1 ist erfin­ dungsgemäß wenigstens ein Überströmventil 29 feststehend angeordnet. Dieses kann z. B. federbelastet 30 sein. Der Zylindermantel 1 ist im Bereich des Laderraumes 19 von einem Fluidraum 28 umgeben.

Zwischen dem Zylindermantel 1 und der Kolbenstange 9 ist eine Führungsbuchse 31 angeordnet. Diese Führungsbuchse 31 weist im Bereich ihres äußeren Endes eine Entlastungsnut 32 auf. Diese wiederum steht über eine Verbindungsbohrung 33 mit dem Fluidraum 28 in Verbindung. Im Bereich des Saugventils 21 des Ladekolbens 22 ist ein zylindrischer Strömungsführungsmantel 34 angeordnet.

Die Funktionsweise der Kolbenpumpe ist folgende:
Das Fördermedium fließt durch einen unteren horizontalen Rohranschluß 17 über den Filter 18 in einen Saugraum 27 sowie einem Laderaum 19 und kühlt die Pumpe ab. Das dabei anfallende Gas entweicht durch einen senkrechten Rohrstutzen 20. Nach aus­ reichender Vorkühlung der Pumpe, was bei der geringen Masse in kurzer Zeit der Fall ist, kann sie in Betrieb genommen werden.

Aufgrund der Kolbenbewegung strömt das Fluid durch das federbelastete Saugventil 21 des Ladekolbens 22 in den Laderaum 19. Die bereits in dem Fluid enthaltenen Gasblasen bzw. die beim Durchströmen des Saugventils 22 gebildeten Gasblasen werden über die Entgasungsbohrung 23 in den Fluidraum 28 und von dort in den Entgasungsstutzen 20 geleitet. Bei Hubumkehr wird das Fluid durch Kolbenbohrungen 24 über das federbelastete Saugventil 12 in die Hochdruckkammer 11 gefördert. Ent­ sprechend dem gewählten Einstelldruck des Überströmventils 29 öffnet sich dieses während der Vorverdichtung des Mediums, so daß es zu einem Abströmen von Gas­ blasen und/oder flüssigem Medium über das Überströmventil 29 in den Fluidraum 28 kommt.

Das in der Hochdruckkammer 11 auf Betriebsdruck komprimierte Fluid öffnet das Druckventil 13 und gelangt über die Ableitung 14 zu einem etwaigen Verbraucher.

Aufgrund des zylindrischen Strömungsführungsmantels 34 wird die über das Über­ strömventil 29 überströmende Flüssigkeit, ohne die Einströmung zum Saugventil 21 zu behindern, unmittelbar dem Entgasungsstutzen 20 zugeführt. Dies ist besonders vor­ teilhaft, da die bei der Druckentlastung über das Überströmventil 29 und/oder die Entgasungsbohrung(en) 23 freiwerdenden Gasblasen nicht wieder über das Saugventil 21 dem Arbeitsgang zugeführt werden. Zur weiteren Verbesserung der Strömung der überströmenden Flüssigkeit bzw. der Gasblasen ist der Außenbereich des Ladezylin­ ders 1 derart geformt, daß das überströmende Medium unmittelbar dem Entgasungs­ stutzen 20 zugeführt wird.

Alternativ zu einer Zuführung des tiefkalten verflüssigten Mediums an der Stirnseite der Kolbenpumpe ist auch eine Zuführung des Mediums von unten möglich. In diesem Falle werden die Gasblasen aufgrund des Impulses der Strömung um den zylin­ drischen Strömungsführungsmantel 34 nach oben in den Entlastungsstutzen 20 ge­ drängt. Der (nicht dargestellte) Eintrittsstutzen im Falle einer Anordnung im unteren Scheitelpunkt ist derart angeordnet, daß seine vordere Kante des Eintrittsstutzens nicht die Kante des zylindrischen Strömungsführungsmantels 34 überschneidet. Vielmehr sollte die vordere Kante des Eintrittsstutzens bevorzugt im Bereich unter dem Entgas­ ungsstutzen angeordnet sein, so daß die mitgeführten Gasblasen in der natürlichen Strömung nach oben in Richtung des Entgasungsstutzens 20 abgedrängt und somit nicht dem Saugventil 21 zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe läßt sich aufgrund ihrer Konstruktion vergleichs­ weise einfach auf das entsprechend der beabsichtigten Verwendung gewünschte Verhältnis von Füll- zu Druckvolumina einstellen. Dazu wird der Kolben 8 im Bereich des Saugventils 12 und mit ihm sowohl das Saugventil 12 als auch der Ladekolben 22 nach innen bzw. nach außen versetzt, so daß bei gleichbleibendem Kolbenhub eine Änderung des Verhältnisses von 1 : 1,5 bei vorwiegend großen Durchmessern des Arbeitskolbens 8 (bis 120 mm) und verhältnismäßig geringen Enddrücken (ca. 50 bar) bis 1 : 10 bei vorwiegend kleinen Durchmessern des Arbeitskolbens 8 (ca. 20 mm) und verhältnismäßig hohen Enddrücken (400 bis 800 bar) möglich ist.

Claims (9)

1. Kolbenpumpe zum Fördern eines Fluids mit einem in einem Pumpengehäuse angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben in Längsrichtung verschiebbar angeord­ net ist, wobei ein Ende des Zylinders einer Druckseite (Hochdruckseite) und das andere Ende des Zylinders einer Saugseite (Niederdruckseite) der Kolbenpumpe zugeordnet ist und sich auf der Saugseite eine Kolbenstangenführung an den Zy­ linder anschließt, in der eine an einem Ende mit dem Kolben und am anderen Ende mit einem außerhalb des Pumpengehäuses angeordneten Antrieb verbun­ dene Kolbenstange in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zylindermantel (1) wenigstens im Bereich des Laderaumes (19) von einem Fluidraum (28) umgeben ist und auf der Stirnseite des Zylinders (1) wenigstens ein Überströmventil (29), das in den Fluidraum (28) hineinreicht, fest­ stehend angeordnet ist.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Stirn­ seite des Laderaumes (19) feststehend angeordnete Überströmventil (29) federbe­ lastet (30) ist.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Scheitelpunkt des Zylindermantels (1) im stirnseitigen Bereich wenigstens eine, in den Fluidraum mündende Bohrung (23) vorgesehen ist.

4. Kolbenpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zylindermantel (1) und Kolbenstange (9) eine Führungsbuchse (31) angeordnet ist, wobei diese Führungsbuchse (31) im Bereich ihres äußeren Endes eine Entlastungsnut (32) aufweist, die über eine Verbindungsbohrung (33) mit dem Fluidraum (28), vorzugsweise im Bereich des Überströmventils (29), in Verbindung steht.

5. Kolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungs­ buchse (31) aus dem gleichen Material wie die Führungsringe (25) des Kolbens (8), insbesondere aus den Sinterwerkstoffen Bronze/Teflon oder Teflon/Kohle ge­ fertigt ist.

6. Kolbenpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) mit einem Kunststoffisolator versehen ist.

7. Kolbenpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Kolbenstangenführung aus einem schlecht wärmelei­ tenden Material, insbesondere aus Kunststoff, gefertigt ist.

8. Kolbenpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) und der Kolbenmantel Twin-Kolbenringe aus PTFE auf­ weisen, die aus einem Rechteckring und einem Winkelring zusammengesetzt sind, die jeweils einen Spalt aufweisen, wobei am Winkelring eine Arretierungsnase an­ gebracht ist, die in den Spalt des Rechteckrings eingreift.

9. Kolbenpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Saugventils (21) des Ladekolbens ein zylindrischer Strömungsführungsmantel (34) derart angeordnet ist, daß das über das Über­ strömventil (29) und/oder die in den Fluidraum (28) mündenden Bohrungen (23) strömende Fluid oder die im Falle einer Anordnung des Eintrittsstutzens im unteren Scheitelpunkt der Kolbenpumpe im zugeführten Fluid mitgeführten Gasblasen in natürlicher Strömung in Richtung des Entgasungsstutzens (20) abgeleitet werden.