DE2731805A1

DE2731805A1 - Pumpe fuer tiefkuehlfluessigkeiten

Info

Publication number: DE2731805A1
Application number: DE19772731805
Authority: DE
Inventors: Thomas W Schuck
Original assignee: Carpenter Technology Corp
Current assignee: Carpenter Technology Corp
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-14
Publication date: 1978-01-26
Also published as: US4156584A; GB1557433A; FR2359289A1

Description

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Pumpe für Tiefkühlflüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Pumpe und ein Verfahren, eine Tiefstkühlflüssigkeit, wie z.B. flüssiges Helium, zu verdichten und in einen Behälter zu überführen.

Kühlflüssigkeiten, die bei atmosphärischen Temperaturen leicht verdampfen, sind wegen der Notwendigkeit, sie unter dem Siedepunkt zu halten, schwierig zu handhaben. Flüssiges Helium ist wegen seines außerordentlich tiefen Siedepunktes von 4,2 K bei atmosphärischem Druck und einer kritischen Temperatur von nur 5,2 K besonders schwierig zu handhaben. Zusätzlich ist viel weniger Wärme zum Verdampfen von Helium notwendig als für andere Tiefkühlflüssigkeiten.

Beim Pumpen eines flüssigen Kühlgases wird unweigerlich der Flüssigkeit ein gewisser Anteil Wärme zugeführt, welche von der Reibung in der Pumpe und von der Atmosphäre stammt. Aus diesem Grunde werden Tiefkühlflüssigkeiten manchmal vor dem Pumpen durch Wärmeaustausch mit kälteren Flüssigkeiten unterkühlt. Weil flüssiges Helium einen so tiefen Siedepunkt hat, kann es ökonomisch vor dem Pumpen nicht sehr stark unterkühlt werden, so daß Wärme, die dem Helium während des Pumpens zugeführt wird, Verdampfung hervorruft, was sich als geringe Pumpleistung auswirkt.

Herkömmliche Kolbenpumpen sind zum Pumpen von flüssigem Helium nicht gut geeignet, weil die durch Reibung erzeugte Wärme eine Verdampfung des Heliums hervorruft. Der Grund dafür ist, daß solche Pumpen so entworfen sind, daß sie am den Kolben so wenig wie möglich Spiel haben, was dazu führt, daß Wärme durch die Reibung zwischen Kolben und Zylinder erzeugt wird.

Die US-PS 2 054 710 betrifft eine Pumpe, bei der ein erheblicher Teil der Flüssigkeit in der Pumpenkammer mit veränderlichem Volumen durch für diesen Zweck vorgesehene Löcher in der Zylinderwand dem Flüssigkeitsvorrat zurückgeführt wird und diese Löcher so angeordnet sind, daß sie von etwa 80% des Ansaughubes bis zu

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dessen Ende reichen. Eine solche Anordnung führt zu einem hohen Verlust an Wirkungsgrad. Die US-PS 3 431 744 betrifft eine Kolbenpumpe, welche nicht zum Pumpen einer Flüssigkeit geeignet ist, die, wie Helium, verdampft. Der Auslaß dieser Pumpe geht durch den Kolben zu dem darüber befindlichen Raum, und es ist keine Vorkehrung getroffen, Dampf von der Pumpe entweichen zu lassen. Andere Arten von Pumpen, z.B. Zentrifugalpumpen, sind mit einigem Erfolg benutzt worden, aber im allgemeinen nur für verhältnismäßig niedri-

48kPa
ge Druckunterschiede unter/und hohe Strömungsgeschwindigkeiten

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über etwa 6,3 χ 10 m /see geeignet.

Allgemein ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Pumpe zu schaffen, in welcher die Verdichtung einer Tiefkühlflüssigkeit mit hohem Pumpenwirkungsgrad und somit eine minimale Verdampfung der Flüssigkeit während der Überführung stattfindet.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Pumpe zum Verdichten und Überführen einer Tiefkühlflüssigkeit aus einem Behälter in einen Verbraucher, die aus einem rohrförmigen Teil innerhalb des Behälters, einem in dem rohrförmigen Teil hin- und herbeweglichen Kolben, wobei der rohrförmige Teil und der Kolben unter dem Kolben eine Pumpenkammer mit veränderlichem Rauminhalt bilden, Einlaßvorrichtungen für den Durchfluß von Flüssigkeit von dem Behälter zu der Pumpenkammer während eines Ansaughubes des Kolbens und Auslaßvorrichtungen für den Durchgang von Flüssigkeit von der Pumpenkammer während des Verdichtungshubes des Kolbens besteht, die gekennzeichnet ist durch Mittel zum Erzeugen eines Abstandes zwischen dem Kolben und der Innenwand des rohrförmigen Teils zum Zweck der Einstellung eines vorbestimmten Spieles, in Verbindung mit der Pumpenkammer und mit einem Raum über dem Kolben, der von dem rohrförmigen Teil eingeschlossen ist, wobei das Spiel groß genug ist, um Dampf in die Pumpenkammer durch den Spalt in dem Raum während des Verdichtungshubes jenes Kolbens zu drücken, Flüssigkeitszuführungs- und -regulierungsvorrichtungen zum Aufrechterhalten des Flüssigkeitsvorrates in dem Raum über dem Kolben, der groß genug ist, um zu verhindern, daß Dampf durch den durch das Spiel gebildeten Spalt in die Pumpenkammer aus dem Bereich über dem Kolben strömt, und Vorrichtungen zur Druckregulierung, um den Flüssigkeitsvorrat im Raum über dem Kolben unter

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einem Druck zu halten, der wesentlich niedriger ist als der Druck der Flüssigkeit in jener Pumpenkairaner während des Verdichtungshubes des Kolbens.

Der hin- und herbewegliche Kolben unterkühlt die Tiefkühlflüssigkeit durch im wesentlichen adiabatische Kompression. Dampf, der sich in der Pumpenkammer ansammeln konnte, wird während des Beginns des Verdichtungshubes durch den Spalt geleitet. Das hilft, die Pumpleistung zu vergrößern, weil fast nur Flüssigkeit aus der Pumpenkammer ausgestoßen wird. Das Vorhandensein von Flüssigkeit über dem Kolben stellt sicher, daß kein Dampf in die Pumpenkairaner zurückfließt. Der Druck der Flüssigkeit wird durch die Druckreguliervorrichtung reguliert, so daß er geringer ist als der Pumpenausflußdruck und vorzugsweise nahe dem Flüssigkeitsdruck im Behälter. Daher ist die Pumpe mit einem verhältnismäßig großen Spiel zwischen dem Kolben und Zylinder gebaut, verglichen mit gewöhnlichen Kolben-Pumpen; das hat den weiteren Vorteil der Verringerung der durch Reibung erzeugten Wärme. Die Materialien für den Kolben, Kolbenringe und Zylinder sind zweckmäßigerweise nach ihren Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt, so daß Spiel verbleibt, wenn die sich gegenüber befindlichen Teile sich auf Flüssig-HeIiumtemperatur befinden.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen ersichtlich, in welchen

Fig. 1 eine teilweise schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe in einem Dewar-Gefäß, das flüssiges Helium enthält,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt des unteren Teils der Pumpe längs der Linie 2-2 von Fig.3, teilweise weggeschnitten,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig.2 Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 2

Fig. 5 teilweise im Schnitt eine Ansicht des oberen Teils der Pumpe

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Fig. 6 ein Diagramm, in dem Ausflußtemperaturen von flüssigem Helium bei verschiedenen Drücken während des Arbeitens einer erfindungsgemäßen Pumpe unter adiabatischer Kompression mit Sättigungskurve zum Vergleich aufgetragen wurde, und

Fig. 7 eine Teilansicht des Kolbenaufbaus zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird jetzt im Zusammenhang mit einem Pumpensystem für flüssiges Helium beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung besonders gut geeignet und vorteilhaft für diesen Zweck verwendbar ist, kann sie auch z.B. für flüssigen Stickstoff oder Sauerstoff benutzt werden.

Das in Fig. 1 dargestellte Pumpensystem für Tiefkühlflüssigkeiten besteht aus einer Pumpe 10, befestigt an einer Grundplatte 11, die sich am Ende eines Halses 12 eines vacuumisolierten Heliumoder Dewar-Gefäßes befindet. Die Pumpe 10 besteht aus einem oberen Teil, der die sich bewegenden Teile 10a enthält, die auf der Grundplatte 11 angebracht sind, einem unteren Teil, der die Pumpenteile 10b enthält, die teilweise im flüssigen Helium 14 eingetaucht sind, und einem Verbindungsteil 10c, welcher die sich bewegenden Teile 10a mit den Pumpenteilen 10b verbindet. Der Verbindungsteil 10c hängt an der Grundplatte 11 und erstreckt sich durch den Hals 12, um den unteren Teil zu halten.

Die Pumpenteile 10b bestehen aus einer Kolbenstange 16, die an einem Ende mit einem Kolben 15 verbunden ist, der so angeordnet ist, daß er sich vertikal in einem Pumpenzylinder 17 hin- und herbewegt. Das obere Ende des Zylinders 17 ist an einem Stützrohr befestigt, welches seinerseits an der Grundplatte 11 hängt. Ein ringförmiger Zwischenraum 58 zwischen der Kolbenstange 16 und dem Zylinder 17 zusammen mit dem Stützrohr 18 reicht von dem oberen Ende des Kolbens 15 zu der Unterseite der Grundplatte 11. Die Kolbenstange 16 und das Stützrohr 18 sind vorzugsweise aus austenitischen rostfreien Stählen vom Typ AISI Serie 300 wegen deren geringen Wärmeleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen und wegen ihrer wünschenswerten Konstruktionseigenschaften gefertigt.

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Gute Resultate wurden erzielt, wenn Kolbenstangen und Stützrohre
aus rostfreiem AISI Typ 304 Stahl hergestellt wurden. Die Kolbenstange 16 ist vorzugsweise ein dünnwandiges rohrförmiges Teil,
denn eine solche Konstruktion verringert den wärmeleitenden Querschnitt, während sie die Säulenträgheit und den Widerstand gegen
Zusanunendrückbarkeit verbessert. Auf diese Art sind das Stützrohr 18 und die Kolbenstange 16 so konstruiert, daß sie beide die Wärmeleitung von den beweglichen Teilen 10a und der Grundplatte 11, welche beide der Raumtemperatur ausgesetzt sind, zu den Pumpenteilen 10c, die bei tiefen Temperaturen arbeiten, minimal halten. Der Zylinder 17 ist vorzugsweise aus einem Stahl vom Typ AISI
Serie 300 hergestellt und hat vorzugsweise eine verhältnismäßig
dicke Wandstärke, um den Wärmefluß zum flüssigen Helium, das er
enthält, minimal zu halten. Ein Zylinder 17, der eine Wanddicke
von ungefähr 1,27 cm hatte und aus rostfreiem Stahl AISI 304 oder 321 hergestellt war, ergab gute Resultate. Der Kolben 15 ist vorzugsweise aus einer Legierung mit gesteuerter Ausdehnung, wie
etwa Invar, eine 36%ige Nickel-Eisen-Legierung, gefertigt.

Eine Einlaßventilanordnung 24 ist am Boden einer Pumpenkammer 19, die vom unteren Ende des Zylinders 17 unter dem Kolben 15 gebildet wird, vorhanden, die aus einer Platte 20 in Gestalt einer runden
Scheibe besteht, die lose in das untere Ende des Zylinders 17
paßt und auf einem ringförmigen Einlaßventilsitz 21 sitzt, die
durch Bolzen 22 mit dem unteren Ende des Zylinders 17 verbunden
ist.

Das Ende des Zylinders 17, in das die Platte 20 paßt, ist ausgedreht, um eine runde Lippe 23 zu bilden, die die Vertikalbewegung der Platte 20 auf den so vergrößerten Endta.1 des Zylinders 17 begrenzt. Die Einlaßöffnung 25, die von dem runden Sitz 21 gebildet wird, ist zu ihrem unteren Ende hin zu dem Vorrat von flüssigem
Helium 14 offen, das im Dewargefäß 13 enthalten ist. Durch die
Platte 20 ist nahe ihres Umfanges eine Anzahl von Einlaßöffnungen 26 vorgesehen, wodurch dann, wenn die Platte 20 hochgehoben wird, um das Ventil 24 zu öffnen, flüssiges Helium 14 durch die Einlaßöffnung 25 durch den Raum zwischen Platte 20 und Sitz 21, und dann durch die Einlaßlöcher 26 in die Pumpenkammer 19 strömen kann.
Wenn das Ventil 24 geschlossen ist, sind die Einlaßlöcher 26 durch

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den Sitz 21 verschlossen, an welchem auf dem Umfang Rillen 27 angebracht sind, um einen besser dichtenden Sitz zwischen Platte

und Sitz 21 zu gewährleisten.

Nahe dem Boden des Zylinders 17 sind Auslaßventile 28 angebracht, wobei 4 Auslaßventile 28 gemäß Fig. 3 bevorzugt sind, obwohl nur eines oder mehr als vier benutzt werden könnten. Die Zahl der Auslaßventile 28, die verwendet wird, ist primär durch hydraulische Überlegungen bestimmt, wobei das Ziel ist, den Auslaßdruckunterschied über die gesamte Anzahl der Ventile zu reduzieren, um trotzdem eine genügend ansprechende Ventilanordnung zu behalten, so daß das schnelle Schließen der Ventile am Ende des Ausstoßhubes gesichert ist.

Jedes der Auslaßventile 28 besteht aus einer Kugel 29, die in einem konischen Auslaßventilsitz 30 sitzt und damit eine entsprechende Auslaßöffnung 31, die durch den Zylinder 17 gebildet wird, blockiert. Die Kugel 29 wird in den Ventilsitz 30 durch eine Blattfeder 3 2 bewegt, die ein Loch von einem Durchmesser kleiner als der der Kugel 29 hat, um die Kugel 29 aufzunehmen und an ihrem Platz auf dem Ventilsitz 30 zu halten. Die Blattfeder 32 zusammen mit einem Ventilanschlag 33 sind mit dem Zylinder 17 verbunden und nach unten längs des Zylinders 17 verlängert. Der untere Teil des Ventilanschlags 33 steht vom Zylinder 17 ab und ist derart eingestellt, daß er seitliche Bewegungen der Kugel 29 begrenzt.

Die Ventilauslaßöffnungen 31 führen in eine Auslaßkammer 40, die von dem Äußeren des Zylinders 17 und dem unteren Teil des Stützrohres 18 gebildet wird, indem die Auslaßkammerwand 35 an ihrem Bodenteil dichtend an den Ventilsitz 21 angrenzt. Das obere Ende der Auslaßkammer 40 ist durch eine Deckplatte 41 geschlossen, die etwa durch Bolzen 42 mit der Wand 35 und mit dem Stützrohr durch Verschweißen verbunden ist. Die Auslaßkammerwand 35 ist eine vacuumisolierte Doppelwand bestehend aus eine:r inneren Wand 37 mit einem dazwischen befindlichen evakuierten Raum 38. Das Fußende der Auslaßkammer 40 ist durch eine Bodenplatte 4 5 verschlossen, die an der Wand 3 5 angeschweißt ist und gegenüber dem Zylin-

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der 17 und Einlaßventilsitz 21 durch Bolzen 22 gedichtet. Ein Einlassieb 47 ist vorzugsweise über dem Boden der Pumpe angebracht, um die Pumpe vor groben Partikeln zu schützen. Außerdem dient das Sieb 47 dazu, den Boden der Einlaßöffnung 25 weit genug vom Boden des Dewarsgefäßes zu halten, um einen freien Fluß der Flüssigkeit zu gewährleisten.

In die Auslaßkammer 40 reicht ein metallischer Auslaßmantel 50, durch den sich ein vakuum-isoliertes Auslaßbayonet 51 erstreckt. Der Mantel 50 mit dem Bayonet 51 reicht von der Auslaßkammer 40 aufwärts durch die Deckplatte 41 und die Grundplatte 11 und endet mit einem Anschlussstück 52 über der Grundplatte 11, mit der ein Rohr 53 verbunden ist, das zu dem nachfolgenden Verbraucher führt. Das Auslaßbayonet 51 kann, wenn gewünscht, direkt mit dem folgenden Verbraucher verbunden werden, so daß man das Verbindungsstück 52 und die Überführungsleitung 53 nicht benötigt. Wenn ein kontinuierlicher Betrieb gewünscht wird, kann man ein metallisches Zuführungsrohr 48, das durch die Grundplatte 11 reicht und ein vacuum-isoliertes Zufuhrbayonet 49 hat, verwenden, um so Helium Zu dem Flüssigkeitsvorrat 14 zuzuführen, wie Helium aus dem Auslaßbayonet 51 ausgepumpt wird.

Vorrichtungen zum Messen der Temperatur und des Druckes der Flüssigkeit in der Auslaßkammer 40 können ebenso vorgesehen werden. Zur Temperaturmessung ist eine mit Helium gefüllte Kugel mit einer Druckleitung 55 mit einem (nicht gezeigten) Druckanzeiger verbunden. Temperaturänderungen ändern den Dampfdruck des flüssigen Heliums in der Kugel 54, und die Temperatur kann dann vom gemessenen Druck am Druckanzeiger hergeleitet werden. Ein anderer Druckanzeiger (nicht gezeigt} kann mit Hilfe der Druckleitung 56 an einen (nicht gezeigten) Druckauslaß eng durch die Kopfplatte 41 angeschlossen werden, um den Druck in der Auslaßkammer 40 zu messen.

Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, sind eine oder mehrere Überlauföffnungen 57 durch das Stützrohr 18 vorgesehen. Während des Arbeitens der Pumpe fließt flüssiges Helium, das sich in einem ringförmigen Raum 58 über dem Kolben 15 ansammelt, durch die öff-

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nungen 57 zurück in das Dewargefäß 13. Um den Druckabfall des in dem Dewargefäß 13 zurückfließenden Heliums klein zu halten, ist
vorzugsweise eine Vielzahl von öffnungen 57 vorgesehen, die vorzugsweise auf dem Umfang verteilt sind; vier gleichmäßig verteilte Öffnungen 57, wie in Fig. 4 gezeigt, ergeben gute Resultate.

Ein Motor 60 bewirkt durch einen Verbindungsschaft 67 über eine
Kurbel 61 und Glied 62 entsprechend Fig. 5 eine vertikale Auf-
und Abbewegung des Verbindungsschaftes 67. Der Verbindungsschaft 67 geht durch die Grundplatte 11 und einen gasdichten Balg 68
hindurch und ist am oberen Ende der Kolbenstange 16 befestigt.
Der Balg 68 ist zwischen der Grundplatte 11 und der Kolbenstange 16 angebracht, um Undichtigkeiten zwischen dem ringförmigen Raum 58 und der Atmosphäre während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 15 zu verhindern.

Wie in den Fig. 2 und 7 gezeigt ist, ist der Kolben 15 abmontierbar an einem Gewindeteil 81 befestigt, welcher Teil einer Abschlußschraube 82 ist, die in das Ende der Kolbenstange 16 eingepaßt ist und dieses abdichtet. Eine Vielzahl von endlosen Kolbenringen sind am Umfang des Kolbens 15 angeordnet, drei Ringe 83a, 83b und 83c sind gezeigt. Die Ringe 83a-c werden durch eine
Klammer 64 an ihrem Platz gehalten, welche dazu dient, die Ringe dicht gegen eine Lippe 85 zu drücken, wobei die Klammer 84 durch die Abschlußschraube 82 an ihrem Platz gehalten wird. Ein Zwischenraum zwischen dem Außendurchmesser der Kolbenringe 83a-c und dem Innendurchmesser des Zylinders 17 ist vorgesehen, um ihre gegenseitige Reibung während des Laufs und daher Wärmeentwicklung,
Verschleiß und Verschleißteilchen minimal zu halten und einen
kontrollierten überlauf von der Pumpenkammer 19 durch den Kolben in den Raum 58 zu ermöglichen.

Die Ringe 83a-c sind vorzugsweise aus einem Material gefertigt,
das gegen den Zylinder 17 mit einem Minimum an Reibung und einem Maximum an Abriebwiderstand gleiten kann. Das Ringmaterial sollte vorzugsweise auch undurchlässig für Flüssigkeiten sein und die
nötige Festigkeit haben, um den beim Arbeiten auftretenden Beanspruchungen zu widerstehen. In derselben Weise ist der Zylinder

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vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das gegen die Ringe mit einem Minimum von Reibung gleiten kann und einen hohen Abriebwiderstand hat. Zusätzlich sollte das Zylindermaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, um den Wärmefluß zur Pumpenkammer 19 niedrig zu halten. Der Kolben 15 ist vorzugsweise aus einer Legierung mit einem gewünschten Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, so daß man bei den Arbeitstemperaturen ein gewünschtes Spiel zwischen den Ringen 83a-c und dem Zylinder 17 erhält. Zusätzlich ist es nötig, daß man für den Kolben 15, die Ringe 83a-c und den Zylinder 17 Materialien auswählt, die, weil der Zylinder im allgemeinen vor dem Kolben 15 während des Arbeitsbeginns der Pumpe, wie später diskutiert werden wird, abgekühlt wird, nicht bewirken, daß das Spiel übermäßig verkleinert wird, wodurch übermäßige Reibung und mögliches Festfressen hervorgerufen werden würde.

Ringe aus Nylon oder Polytetrafluoräthylen ergeben gute Resultate, wenn sie mit Zylindern benutzt werden, die aus austenitischem rostfreiem Stahl AISI Typ 3OO gefertigt sind. Ein bevorzugter Kolben für aus solchen Materialien gemachte Ringe und Zylinder ist aus Invar (36% Nickel, Eisennickellegierung) einer Legierung mit kontrollierter Ausdehnung hergestellt. Eine geeignete Kombination ist ein AISI Typ 304 rostfreier Stahlzylinder, Teflon/ Graphit Typ FOF-30 Kolbenringe und ein Invarkolben. Mit dieser Materialkombination kann ein verhältnismäßig weiter Zwischenraum bei einer 3OO°K Zusammenbautemperatur von 0.001 cm/cm Durchmesser zu einem erwünschten Arbeitsspiel von O.OOO25 cm/cm Durchmesser bei 4 K Arbeitstemperatur reduziert werden. Weil das Spiel in den Arbeitsgrenzen blieb, konnte die Pumpe bei Raumtemperatur gestartet werden und Flüssigkeit pumpen, während sie ohne festzufressen abkühlte.

Die Ringe 83a-c besitzen ein L-förmiges Profil und bilden, wenn sie aufgesetzt sind, aufeinanderfolgende ringförmige Ausdehnungsräume 86a und 86b zwischen den Gebieten, wo die Ringe von dem Zylinder durch einen gewünschten Zwischenraum getrennt sind. Auf diese Art wird Flüssigkeit von der Pumpenkamaier 19 nacheinander verdichtet und expandiert, wenn sie zuerst durch den begrenzenden

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Zwischenraum zwischen Ringe 83a und Zylinder 17 und dann in den Ausdehnungsraum 86a gedrückt wird. Das wiöerholt sich, wenn die Flüssigkeit durch jeden Ringzwischenraum gedrückt wird, bis die Flüssigkeit am Ring 83c vorbei gedrückt wird und in den Raum 58 über dem Kolben 15 in dem Stützrohr 18 expandiert, das sich bis zu der Unterseite der Grundplatte 11 erstreckt. Diese mehrfache Ausdehnung und Kompression der Flüssigkeit entlang der Ringe dient zur Verringerung der Energie der Flüssigkeit und erlaubt eine kontrollierte Undichtigkeit der Flüssigkeit aus der Purr.penkammer 19 heraus.

Zu Beginn wird die Pumpe 10 zusammengesetzt und an der Grundplatte 11 angebracht,und das Zuführungsrohr 48, das Bayonet 4 9 und der Mantel 50 sowie das Bayonet 51 werden abgedichtet. Diese ganze Anordnung wird dann in ein leeres Dewargefäß gesetzt, so daß die Grundplatte 11 auf dem Hals des Dewargefäßes 12 sitzt, wonach das ganze System abgedichtet wird. Die Pumpe wird dann in Betrieb gesetzt und Helium in das Dewargefäß gefüllt, zunächst um andere Gase herauszuspülen und dann um das System auf Arbeitstemperatur abzukühlen. Bis das Innere des Dewargefäßes 13 und der darin eingeschlossene Teil der Pumpe 10 unter den Siedepunkt von helium (ungefähr 4-5 K, abhängig vom Druck) abgekühlt ist, verdampft das meiste des zugeführten Heliums sehr schnell, so daß nur Dampf gepumpt wird. Wenn die Teile genügend abgekühlt sind, bildet sich ein Vorrat an flüssigem Helium 14 im Dewargefäß 13, und die Pumpe 10 beginnt, Helium zu fördern. Eine stetige Arbeitsweise ist erreicht, wenn die Pumpe 10 einen verhältnismäßig konstanten Strom von flüssigem Helium liefert.

Die Arbeitsweise der Pumpe wird nun in Verbindung mit einem typischen kontinuierlichen Pumpenzyklus beschrieben beginnend mit dem Kolben 15 in seiner tiefsten Stellung und geschlossenen Auslaßventilen 28 und Einlaßventil 24. Wenn der Kolben 15 sich aufwärts bewegt, öffnet sich das Einlaßventil 24 wegen der Druckdifferenz an der Platte 20 und läßt flüssiges Helium von dem Dewargefäß 13 in die Pumpenkammer 19 fließen, während zur selben Zeit die Auslaßventile 28 durch die Blattfedern 3 2 und die durch den ansaugenden Kolben erzeugte Druckdifferenz geschlossen gehalten werden.

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Während sich die Pumpenkairaner 19 mit flüssigem Helium füllt, kann ein Teil der Flüssigkeit verdampfen und es können Dampfblasen zum oberen Teil der Pumpenkammer 19 aufsteigen. Wenn der Kolben 15 das obere Ende seines Ansaughubes erreicht hat, kann sich das Einlaßventil 24 unter dem Einfluß der Schwerkraft schließen, während das Auslaßventil 28 ebenfalls geschlossen bleibt. Eine kleine Dampfzone kann sich am oberen Ende der Pumpenkammer 19 gleich unter dem Kolben 15 mit einem darunter befindlichen Bereich, der Flüssigkeit mit einigen aufsteigenden Dampfblasen enthält, gebildet haben.

Während des Abwärts- oder Ausstoßhubes werden die Auslaßventile aufgedrückt, während das Einlaßventil 24 geschlossen bleibt. Die Flüssigkeit im unteren Teil der Pumpenkammer 19 wird somit durch die Auslaßventile 28 in die Auslaßkammer 40 gedrückt. Zur gleichen Zeit werden Dampf und Dampf-Flüssigkeitmischung im obren Teil der Pumpenkammer 19 durch den Zwischenraum zwischen den Kolbenringen 83a-c und dem Zylinder 17 gedrückt. Wegen der verhältnismäßig geringen Dichte des Dampfes verglichen mit der der Flüssigkeit fließt volumenmäßig der Dampf viel schneller durch den Zwischenraum als die Flüssigkeit. Dadurch ist der Heliumdampf schnell aus der Pumpenkammer 19 herausgedrückt gefolgt von einer viel kleineren Menge von Flüssigkeit, bis der Kolben wieder seine tiefste Stellung erreicht hat und die Einlaß- und Auslaßventile wieder geschlossen sind. Um die Temperatur der gepumpten Flüssigkeit minimal zu halten, sollte im wesentlichen der gesamte Dampf aus der Pumpenkammer entlang des Kolbens während eines jeden Abwä'rtshubes gedrückt werden.

Durch eine solche Entfernung des Dampfes aus der Pumpenkammer 19 wird die Massenstromgeschwindigkeit der Flüssigkeit in die Auslaßkammer 40 maximal, weil wenig oder gar kein Dampf durch das Auslaßventil 28 gepumpt wird und der Anteil an Dampf, der in der Pumpenkammer 19 verbleibt, nach dem Ausstoßhub minimal ist, so daß bei Beginn des Ansaughubes die Ausdehnung des verbleibenden Dampfes unbedeutend ist im Vergleich zu der Ausdehnung der verbliebenen Flüssigkeit, welche fast isentropisch ist.

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Weiterhin ist es vorteilhaft im Raum 58 über dem Kolben 15 eine Flüssigkeitshöhe aufrechtzuerhalten, um zu verhindern, daß während des Einlaßhubes Dampf vom Raum 58 in die Pumpenkammer 19 eingesogen wird. In gleicher Weise ist während der Kompression oder des Ausstoßhubes nur eine kleine Energiemenge nötig, um den Dampf wieder zu verdichten, was die in die Flüssigkeit eingebrachte Energie während der Verdichtung reduziert. Es soll jedoch erwähnt werden, daß flüssiges Helium keine verhältnismäßig hohe Kompressionsfähigkeit verglichen zum Wasser besitzt und daher die Ausdehnung und Kompression des flüssigen Heliums in dieser Pumpe mehr ausgeprägt ist als für weniger zusammendrückbare Flüssigkeiten.

Wegen der Geometrie der Kolbenringe 83a-c kann die Strömungsgeschwindigkeit durch den Kolben durch Veränderung des Zwischenraumes oder die Zahl der Ringe eingestellt werden. Die gewünschte Nebenflußrate ist bestimmt, indem man in Betracht zieht, wieviel Dampf in der Pumpenkammer erzeugt wird, und wieviel Dampf man in der ausfließenden Flüssigkeit tolerieren kann. Die Menge an erzeugtem Dampf ist unter anderem abhängig von dem Druck, auf den der Vorrat an flüssigem Helium über den Sättigungsdruck hinaus bei seiner Eintrittstemperatur gebracht worden ist. Fig. 6 zeigt den Sättigungsdruck von flüssigem Helium unter der kritischen Temperatur von 5,2°K. NPSH ("Net Positive Suction Head") ist ein Maß, wie hoch die in die Pumpenkammer eintretende Flüssigkeit durch das Gewicht der Vorratsflüssigkeit in dem Dewargefäß über ihren Sättigungsdruck hinaus unter Druck gebracht ist, ausgedrückt als der Höhenunterschied zwischen dem Spiegel der Vorratsflüssigkeit und der Einlaßöffnung. Je höher NPSH ist, um so höher ist der Druck über dem Sättigungsdruck.

Wenn NPSH niedrig ist, dann wird mehr Gas in der Pumpenkammer erzeugt, als wenn NPSH hoch ist, weil die Flüssigkeit bei niedrigem NPSH näher bei ihrer Sättigungstemperatur ist, und daher ist eine größere Nebenflußrate nötig, um die Dampfmenge zu verringern, die in die Ausflußkammer 40 gepumpt wird. Wenn der Heliumvorrat einen hohen NPSH hat, sollte ein kleinerer Zwischenraum benutzt werden, weil nur wenig Dampf in der Pumpenkammer erzeugt wird. Es sollte aber immer etwas Zwischenraum gehalten werden, um die

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Reibung niedrig zu halten.

Helium, das während des Betriebs der Pumpe 10 am Kolben 15 vorbeiströmt, sammelt sich im Raum 58 und wird durch die Überlauföffnungen 57 in das Dewargefäß zurückgeleitet. Wenn eine stationäre Betriebsweise erreicht ist, wird im allgemeinen flüssiges Helium den Raum 58 bis zu der Höhe der Öffnungen 57 füllen, während Heliumdampf den Raum 58 über den Öffnungen 57 füllt. Während jedes Aufwärtshubes wird die Flüssigkeit hinter, d.h. über den Kolben 15 hochgehoben und strömt durch die Öffnungen 57 aus. Dies stellt sicher, daß der den Raum 58 füllende Dampf über den öffnungen 57 nur minimal gestört wird und dadurch die Wärmeleitung durch Konvektion von der Unterseite der Grundplatte 11, deren Oberseite Raumtemperatur ausgesetzt ist, minimal wird. In manchen Fällen, etwa bei einem kleinen Spiel zwischen Kolben und Zylinder, oder weil ein großer Teil Dampf in der Pumpenkammer vorhanden ist, kann flüssiges Helium nicht durch den Zwischenraum strömen, um einen Flüssigkeitsspiegel über dem Kolben 15 aufrechtzuerhalten. In solchen Fällen sollte das flüssige Helium über dem Kolben 15 auf andere Weise aufrechterhalten werden, um zu verhindern, daß Heliumgas während des Einsaughubes vom Raum 58 in die Pumpenkammer 19 gesaugt wird und somit die Pumpenleistung verringert. Zum Beispiel kann der Spiegel des Heliumvorrates 14 über der Höhe der Überlauföffnungen 57 gehalten werden, so daß flüssiges Vorratshelium 14 in den Raum 58 fHessen kann, um eine Flüssigkeitsmenge über dem Kolben 15 zu erhalten. Weil die beweglichen Teile 10b der Pumpe 10 und das Verbindungsglied 1OC alle von der Wand 35 der Austrittskammer und dem Stützrohr 18 eingeschlossen sind, sind die Flüssigkeit und der Dampf in dem Dewargefäß 13 außerhalb der Pumpe durch das Arbeiten der Pumpe nur minimal gestört, wodurch der Dampfraum im Dewargefäß 13 ruhig gehalten und auf diese Weise der Wärmetransport durch Konvektion von der Grundplatte 11 herunter durch den Hals 12 des Dewargefäßes minimal gehalten wird.

Um die Thermodynamik dieses Systemes zu illustrieren, wurde eine erfindungsgemäße Pumpe benutzt, um flüssiges Helium von einem Einlaßdruck von 1,36 atm und einer Temperatur von 4,57 K zu pum-

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pen. Fig. 6 zeigt eine obere "Sättigungskurve", die die Sättigungstemperaturen von flüssigem Helium von 1,2 atm bis zum kritischen Druck von 2,24 5 atm bei der kritischen Temperatur von 5,2 K angibt, und eine untere Kuve für die adiabatische Kompression, die die Temperaturen und Drücke von Helium mit derselben Entropie angibt wie das einfließende flüssige Helium bei Drücken bis zu 3,0 atm. Die Werte für diese Kurven sind R.D. McCarty, Thermophysical Properties of Helium-4 from 2 to 15OO°K with Pressures to 1000 Atmospheres, TN 631, Cryogenics Division, National Bureau of Standards (1972), entnommen. Die kreisförmigen Meßpunkte nahe der Kurve für die adiabatische Kompression sind die Austrittstemperaturen und -drücke, gemessen bei verschiedenen Drücken bis zu 3,0 Atmosphären in der Austrittskammer des flüssigen Heliums von der Pumpe 10. Diese Punkte fallen fast mit der Kurve für die adiabatische Kompression zusammen und zeigen, daß der Betrieb der Pumpe nahezu mit adiabatischer Kompression erfolgt und einem hohen thermodynamischen Leistungsgrad.

Man kann ferner feststellen, daß die Temperatur der ausgestoßenen Flüssigkeit bei den verschiedenen Ausstoßdrücken höher war als die der einfließenden Flüssigkeit. Aber jene Austrittstemperaturen sind beträchtlich unter den Sättigungstemperaturen bei den entsprechenden Austrittsdrücken und zeigen an, daß die austretende Flüssigkeit eine Temperatur unter ihrem Sättigungspunkt hatte. In dieser Weise unterkühlt die Pumpe also das flüssige Helium, obwohl die wirkliche Temperatur des Heliums angestiegen ist. ünterkühltes flüssiges Helium kann Wärme absorbieren ohne zu verdampfen, da die Wärme einfach die Temperatur der Flüssigkeit anhebt, bis die Sättigungstemperatur erreicht ist. Diese unterkühlte Flüssigkeit ist besonders nützlich, wenn die Flüssigkeit ohne zu verdampfen über eine Entfernung transportiert werden muß.

Aus dem Grunde, weil das ausströmende Helium auf einer höheren Temperatur als das eintretende Helium ist, ist der Zylinder 17 aus einem wärmeisolierenden Material hergestellt, weil Wärme von der Austrittskammer 40 eine Verdampfung der Flüssigkeit in der Pumpenkammer 19 verursachen könnte. Aus ähnlichen Gründen

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ist die Wand 35 der Auslaßkammer vacuuiuisoliert, um den Wärmefluß zu dem Vorratshelium 14 im Dewargefäß 13 klein zu halten, welcher verursachen würde, daß einiges der Vorratsflüssigkeit verdampfen könnte. Wenn es jedoch wünschenswert ist, höchste Unterkühlung des austretenden Heliums zu erreichen, und wenn eine Verdampfung von Vorratshelium weniger wichtig ist, dann könnte die Kammerwand 35 wärmeleitfähig gemacht werden, in welchem Falle die Austrittsflüssigkeit mit der Vorratsflüssigkeit 14 Wärme austauschen und weiter gekühlt werden würde.

Der weiter oben beschriebene Kolben 15, die Kolbenringe 83a-c und der Zylinder 17 stellen die bevorzugte Anordnung zum Erreichen eines kontrollierten Nebenflusses und des Arbeitens der Pumpe unter geringer Reibung dar. Andere Anordnungen können aber auch benutzt werden. Zum Beispiel könnten die Ringe in Nuten angeordnet sein, die auf der Innenseite des Zylinders angebracht sind, in welchem Falle der Kolben einen glatten Außendurchmesser haben würde; die Ausdehnungsräume würden dann zwischen den Ringen und dem Kolben sein. In einer anderen Anordnung könnten die Ringe ganz weggelassen werden und der Zwischenraum und die Ausdehnungsräume könnten durch eine gute Einpassung des Kolbens in den Zylinder vorgesehen werden und durch Anbringen von kreisförmigen Nuten, entweder im Außendurchmesser des Kolbens oder im Innendurchmesser des Zylinders.

Wie gezeigt, verringern die Auslaßventile 28 die Abnutzung der Ventilkugeln 29, aber sie sind nicht selbstzentrierend und ein ordnungsmäßiges Arbeiten verlangt, daß jede der Kugeln 29 in ihrer Position mit ihrem Ventilsitz verbleibt. Die Kugeln 29 können ohne weiteres selbstzentrierend gemacht werden, indem man die öffnung in jeder Feder 32 größer macht als die dazugehörige Kugel und jeden unteren Teil der Federn 32 entlang der Außenseite der zugehörigen Kugel verlängert, um so die Kugel gegenüber der Ventilöffnung 31 gefangen zu halten. Eine solche Anordnung mag in einem unerwünschten Verschleiß der Ventilkugeln 29 resultieren. Man kann jedoch eine andere Auslaßventilkonstruktion, welche den Verschleiß verringern mag, in Betracht ziehen, bei der man federvorgespannte Flachscheibenventile anstelle von Kugeln verwendet

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und flach sitzende Oberflächen an der äußeren Oberfläche der Wand des Zylinders 17 und um jede Auslaßöffnung 31 herum bildet.

Die bevorzugte Ausführungsform der Pumpe sieht Überlauföffnungen 57 zum Zurückführen von überschüssiger Flüssigkeit im Raum 58 zum Dewargefäß 13 oder zum Überführen von Helium aus dem Dewargefäß 13 in den Raum 58 vor. Diese öffnungen 57 dienen auch dazu, den Druck der Dampfzonen über der Flüssigkeit im Raum 58 und über der Vorratsflüssigkeit 14 im Dewargefäß 13 auszugleichen. Es ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, daß während des Abwärtshubes der Druck auf die Flüssigkeit 58 über dem Kolben 15 beträchtlich unter dem der verdichteten Flüssigkeit in der Pumpenkammer 19 und der Auslaßkammer 40 liegt. Ein übermäßiger Anteil von Flüssigkeit kann während des Aufwärtshubes durch den Zwischenraum in die Pumpenkammer 19 strömen, wenn der Flüssigkeitsdruck im Raum 58 den Auslaßdruck der Pumpe erreicht. Weiterhin kann während des Abwärtshubes solch ein hoher Flüssigkeitsdruck über dem Kolben 15 den Flüssigkeitsstrom entlang des Kolbens 15 in den Raum 58 verhindern. Wenn zusätzlich Flüssigkeit in dem Raum 58 mit einem Druck gleich oder über dem des Pumpenauslaßdruckes wäre, dann würde in die Pumpenkammer 19 vom Raum 58 gesaugte Flüssigkeit sehr schnell unter Expansion verdampfen.

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Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD · XGWfvXV&WXi&WXH&BVOi Patentanwalt·, Köln

Anlag· Aktenzeichen Q 43/7

zur Eingab, vom Nam.d. An»,. carpenter Technology Corp.

PATENTANSPRÜCHE

Pumpe zum Verdichten und Überführen einer Tiefkühlflüssigkeit von einem Behälter zu einem Verbraucher, bestehend aus einem rohrförmigen Teil in dem Behälter, einem Kolben, der in bezug auf den rohrförmigen Teil hin- und herbeweglich ist, wobei der rohrförmige Teil und der Kolben unter dem Kolben eine Pumpenkammer von veränderlichem Volumen bilden, Einlaßvorrichtungen für den Flüssigkeitsdurchlaß von dem Behälter zu der Pumpenkammer mit veränderlichem Volumen während eines Ansaughubes des Kolbens, und Auslaßvorrichtungen für den Flüssigkeitsdurchlaß von der Pumpenkammer während des Verdichtungshubes des Kolbens, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Hervorrufen eines Zwischenraumes zwischen dem Kolben (15) und der Innenwand des rohrförmigen Teils (17), um einen vorbestimmten Zwischenraum zu schaffen, der mit der Pumpenkammer (19) und mit einem Raum (58) über dem Kolben (15), der durch den rohrförmigen Teil (17) abgeschlossen in Verbindung steht, wobei der Zwischenraum weit genug ist, um Dampf der Pumpenkammer (19) durch den Zwischenraum in den Raum (58) während des Verdichtungshubes des Kolbens (15) zu drücken, Flüssigkeitszufuhr- und -regulierungsvorrichtungen (57, 83a, 83b, 83c), um einen Vorrat jener Flüssigkeit in dem Raum (58) über dem Kolben (15) aufrechtzuerhalten, der groß genug ist, um Dampf vom Strömen durch den Zwischenraum über dem Kolben (15) in die Pumpenkammer (19) abzuhalten, und Druckregulierungsvorrichtungen (57), um den Flüssigkeitsvorrat in dem Raum (58) über dem Kolben (15) unter einem Druck zu halten, der beträchtlich niedriger ist als der Druck der Flüssigkeit in der Pumpenkammer (19) während des Verdichtungshubes des Kolbens (15) .
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregulierungsvorrichtung eine Vorrichtung (57) zum Entfernen von Dampf aus dem Raum (58) über dem Kolben (15) aufweist.

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3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimnite Zwischenraum groß genug ist, damit Flüssigkeit und Dampf während des Verdichtungshubes des Kolbens (15) hindurch strömen können.
4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Entfernen vor. Dampf aus dem rohrförmigen Teil mit Löchern (57) besteht, so daß eine Verbindung zwischen dem Raum (58) über dem Kolben (15) und dem Inneren des Behälters (13) existiert.
5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (3 5), welche Flüssigkeit von dem Pumpenauslaß in Wärmeausgleich mit der Flüsigkeit im Behälter (13) bringt.
6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (3 5) zur Wärmeisolation der von der Pumpe (10) ausgestoßenen Flüssigkeit von der Flüssigkeit in dem Behälter (13).
7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßteil (28) aus einer Mehrzahl von Auslaßventilen besteht, die über den Umfang und nahe dem Boden des rohrförmigen Teils (17) verteilt sind, daß ein Wandteil (35) die Pumpenkammer (19) außen am unteren Ende des rohrförmigen Teils (17) umgibt und eine Auslaßkammer (40) zwischen dem Wandteil und derr. unteren Teil des rohrförmigen Teils (17) bildet, während die Auslaßventile (28) eine Verbindung zwischen der Pumpenkammer und der Auslaßkammer bilden.
8. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßvorrichtung aus einem Ventil (24) am Fußende des rohrförmigen Teils (17) besteht.
9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum durch eine Vielzahl von ringförmigen Teilen (83a - 83c) gebildet wird, die voneinander getrennt am

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Umfang des Kolbens (15) im Abstand von dem rohrförmigen Teil (17) angebracht sind, wobei die ringförmigen Teile mit der gegenüberliegenden Wand des rohrförmigen Teils (17) eine Folge von Verdichtungs- und Ausdehnungszonen bilden, wodurch, wenn eine Flüssigkeit durch den Zwischenraum entlang der ringförmigen Teile gepreßt wird, abwechselnd verdichtet und ausgedehnt wird.
10. Verfahren zum Verdichten und überführen einer Tiefkühlflüssigkeit von einem Behälter zu einem Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ansaughubes eines Kolbens ein Strömen der Flüssigkeit von dem Behälter in eine Pumpenkammer mit veränderlichem Volumen erzeugt wird, die Flüssigkeit in der Kammer während des Verdichtungshubes des Kolbens verdichtet wird, um (a) die verdichtete Flüssigkeit in eine Auslaßkammer zur Überführung zum Verbraucher und (b) im wesentlichen die gesamte verdampfte Flüssigkeit in den oberen Teil der Pumpenkammer zusammen mit einem kleinen Teil der Flüssigkeit in einen abgeschlossenen Raum über dem Kolben zu drücken, der in Verbindung mit der Pumpenkammer durch einen vorbestimmten Zwischenraum zwischen Kolben und Wand der Pumpenkammer steht und einen Flüssigkeitsspiegel in jenem Raum aufrechterhält, um den Dampf am Wiedereintritt in die Pumpenkammer während des Ansaughubes des Kolbens zu hindern.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Behälter auf einer Höhe über Überlauföffnungen gehalten wird, die den Raum und den Behälter miteinander verbinden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Behälter auf einer solchen Höhe gehalten wird, daß sie unter Überlauföffnungen liegt, die den Raum und den Behälter miteinander verbinden, und daß die Flüssigkeit in dem Raum über dem Kolben auf einer Höhe gehalten wird, daß am Ende des Ansaughubes des Kolbens der Flüssigkeitsspiegel über dem Kolben im wesentlichen der gleiche oder unter der Höhe der Überlauföffnungen ist.

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13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel im Behälter auf einer Höhe unter den Überlauföffnungen gehalten wird, die den Raum mit dem Behälter verbinden, und daß die Flüssigkeit im Raum über dem Kolben auf einer solchen Höhe gehalten wird, daß am Ende von fast jedem Ansaughub des Kolbens etwas von der Flüssigkeit in den Raum über dem Kolben durch die Überlauföffnungen überfließt.

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