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Kolbenpumpe für verflüssigte Gase
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für verflüssigte Gase mit
einem in einem Zylinder hin- und herschiebbaren, einen Saugraum sowie einen Arbeitsraum
ausbildenden Kolben, mit einer dem Saugraum zugeordneten und über ein Rückschlagventil
verschließbaren Saugleitung sowie einer dem Arbeitsraum zugeordneten und über ein
Druckventil verschließbaren Druckleitung und mit einer, einer Antriebseinrichtung
zugeordneten Antriebsstange für den Kolben.
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Verflüssigte Gase, d.h. Gase mit Siedetemperaturen weit unterhalb
der Umgebungstemperatur, werden in stark zunehmendem Maß für die verschiedensten
chemischen und technischen Prozesse, beispielsweise in der Petrochemie, der Kerntechnik,
der Nachrichtentechnik und in der Forschung verwendet.
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Die Förderung tiefkalter Flüssigkeiten ist jedoch nicht unproblematisch.
Da sich die verflüssigten Gase in der Regel nur knapp unterhalb ihres Siedepunktes
befinden, tritt durch Wärmeleitung von außen und Wärmeentwicklung in der Pumpe sehr
leicht Kavitation in der Kolbenpumpe auf. Um Kavitation zu verhindern, muß darauf
geachtet werden, daß der Strömungswiderstand der Einlaßventile an der Pumpe und
damit die Druck-
absenkung in der zu fördernden Flüssigkeit vernachläßigbar
klein ist. Bei einer vorbekannten Kolbenpumpe, die in der DE-AS 21 55 624 beschrieben
ist, wird dies unter anderem dadurch erreicht, daß die Einlaßventile annähernd gewichtslos
ausgebildet sind.
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Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß nur eine Förderung relativ
kleiner Fluidmengen möglich ist. Sollen nämlich mit der Pumpe größere Fluidmengen
gefördert werden, so müssen die Einströmquerschnitte sowie die Einströmventile entsprechend
vergrößert werden. Dann sind aber die Einlaßventile nicht mehr als annähernd gewichtslos
zu bezeichnen und es tritt verstärkt Kavitation auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Kolbenpumpe der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der auch bei großen Fördermengen
keine Kavitation auftritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben
eine Bohrung mit einerm saugraumseitigen Ventilsitz aufweist, dem Ventilsitz ein
Tellerventil, dessen Schaft durch die Bohrung des Kolbens mit der Antriebsstange
verbunden ist, zugeordnet ist, und am Kolben ein Anschlag ausgebildet ist, der bei
einer Bewegung der Antriebsstange in Richtung des Saugraums und nach dem Abheben
des Ventiltellers vom Ventilsitz die Bewegung der Antriebs stange auf den Kolben
überträgt.
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Gemäß der Erfindung ist der Kolben in Verbindung mit der Antriebsstange
als Einlaßventil für das verflüssigte Gas ausgebildet. Während bei der vorbekannten
Kolbenpumpe sowohl ein Einlaß- als auch ein Auslaßventil im Hubraumquerschnitt vorgesehen
sind, ist bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe nur ein einziges Ventil, nämlich
ein Einlaßventil,
im Hubraumquerschnitt angeordnet. Bei dieser Anordnung
ist ein wesentlich größerer freier Ventilquerschnitt erreichbar, wobei der Durchmesser
des Ventilsitzes in der Größenordnung des Kolbendurchmessers liegt. Dies bedeutet
aber, daß der Strömungswiderstand des Einlaßventils sehr gering ist. Uberdies enthält
das Einlaßventil im Gegensatz zu der vorbekannten Anordnung keine trägen Massen,
die durch die Strömung des zu fördernden Fluids bzw. durch eine Druckdifferenz zwischen
Zuleitung und Saugraum bewegt werden. Erfindungsgemäß ist der Ventilteller mit der
Antriebs stange verbunden und öffnet und schließt das Ventil aktiv.
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Durch den Erfindungsgegenstand wird der Vorteil erreicht, daß auch
bei großen Fördermengen in dem verflüssigten Gas keine Kavitation auftritt. Aufgrund
dieser Eigenschaft eignet sich die erfindungsgemäße Kolbenpumpe besonders für einen
Einsatz bei schwierig zu handhabenden verflüssigten Gasen, vor allem verflüssigtem
Helium.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist
der Kolben auf der Seite des Saugraums hohl gebohrt, der Ventilsitz am Kolbenboden
ausgebildet und der Anschlag unterhalb des Ventilsitzes im Hohlraum des Kolbens
angeordnet.
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Es erweist sich als günstig, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
der Schaft des Tellerventils oberhalb des Arbeitsraumes in einer den Arbeitsraum
abschließenden Hülse geführt und gegenüber der Hülse mittels Hutmanschetten abgedichtet
ist.
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Vorteilhafterweise sind gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
mehrere Kolben-Zylindereinheiten parallel geschaltet. Mit einer derartigen Anordnung
läßt sich eine nahezu gleichmäßige Förderung erreichen.
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Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn bei drei Zylindern die
Antriebsstangen jeweils um 1200 versetzt an einer Kurbelwelle der Antriebseinrichtung
angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
sind alle Teile der Pumpe für einen-Betriebsdruck von mindestens 10 bar und einem
Differenzdruck von 4 bis 8 bar ausgelegt.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Hierbei zeigt die Figur eine Kolbenpumpe gemäß der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe weist drei Einheiten 1. auf, die
identisch aufgebaut sind. Zur übersichtlicheren Darstellung ist die rechte Einheit
1 um 900 verdreht gezeichnet.
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Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe wird anhand der
im Schnitt dargestellten rechten Einheit 1 erläutert. Die Einheiten 1 werden um
jeweils 1200 gegeneinander phasenverschoben betrieben.
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Die Einheiten 1 sind parallel an eine Saugleitung 2 angeschlossen,
in der ein verflüssigtes Gas, beispielsweise flüssiges Helium, strömt. Ausgangsseitig
sind die Einheiten 1 an eine gemeinsame Druckleitung 3 angeschlossen. Jede Einheit
1 weist einen Zylinder 4 auf, in dem ein Kolben 5 auf und ab beweglich angeordnet
ist. In Figur 1 befindet sich der Kolben 5 in der Nähe seines oberen Umkehrpunktes.
Die Umfangsfläche des Kolbens 5 ist gegenüber der Innenfläche des Zylinders 4 abgedichtet
(Kolbenringe 6). Der Kolben 5 bildet zusammen mit dem Zylinder 4 einen Saugraum
7 sowie einen Arbeitsraum 8. Auf der Seite des Saugraums ist der Kolben 5 hohl gebohrt
und weist in seinem Boden eine Bohrung
auf. Die Bohrung ist saugraumseitig
als Ventilsitz mit einer Dichtung 9 ausgebildet, dem ein Ventilteller 10 zugeordnet
ist, dessen Schaft durch die Bohrung des Kolbens 5 mit einer Antriebsstange 11 verbunden
ist. Ein Anpreßring für die Dichtung 9 ist mit 23 bezeichnet. Die Antriebsstange
11 ist oberhalb des Arbeitsraumes in einer Hülse 12 geführt, die den Arbeitsraum
8 nach oben abschließt. Die Abdichtung der Antriebsstange 11 gegenüber der Hülse
12 erfolgt mittels Hutmanschetten 13,die von Tellerfedern ' 22 angepreßt sind. Die
Hülse 12 weist eine öffnung 14 auf, durch die Gas, das durch die Hutmanschetten
13 gelangt ist, entweichen kann.
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Die Antriebs stange ist mit einer nicht dargestellten Antriebswelle
einer Antriebseinrichtung verbunden, die für eine Auf-und Abbewegung der Antriebsstange
11 sorgt. Die Antriebseinrichtung zieht dabei die Antriebsstange 11 gegen die Kraft
einer Feder 15 nach oben, während bei Abwärtsbewegung die Antriebsstange 11 durch
die Federkraft nach unten bewegt wird.
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Am Kolben 5 ist unterhalb der Bohrung ein Anschlag 16 vorgesehen,
der mit dem Kolben 5 verbunden ist und der zwischen sich und der Kolbenwand Durchströmspalte
offen läßt. Der Anschlag 16 ist so angeordnet, daß bei geschlossenem Einlaßventil,
d.h. wenn der Ventilteller 10 an der Dichtung 9 anliegt, ein gewisser Abstand zwischen
dem Anschlag 16 und dem Ventilteller 10 besteht.
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Am Boden des Saugraums 7 befindet sich ein Rückschlagventil, das ein
Zurückströmen von verflüssigtem Gas in die Saugleitung verhindert. Das Rückschlagventil
besteht im wesentlichen aus einer Schwimmklappe 20, die in einem über der Mündung
der Saugleitung 2 angeordneten Käfig 21 gefangen ist.
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Dem Arbeitsraum 8 ist ein Druckventil zugeordnet, das im wesentlichen
aus einem Ventilsitz 17 sowie einem von einer
Druckfeder 18 an den
Ventilsitz 17 gedrückten Ventilteller 19 besteht und das den Arbeitsraum 8 von der
Druckleitung 3 abtrennt.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe geschieht folgendes:
In der in der Figur gezeigten Position der Pumpe ist der Saugraum 7 mit verflüssigtem
Gas, z.B. flüssigem Helium, gefüllt. Bei Inbetriebnahme der Pumpe bewegt sich die
Antriebsstange 11 durch die Feder 15 gedrückt nach unten.
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Der Kolben 5 bewegt sich bei Beginn der Abwärtsbewegung noch nicht.
Zwischen dem Ventilteller 10 und dem Ventilsitz 9 entsteht ein Spalt. Nach einem
konstruktiv durch die Lage des Anschlags 16 festgelegten Weg, der durch die gewünschte
Spaltegröße bestimmt ist, berührt der Ventilteller den Anschlag und nimmt den Kolben
mit nach unten. Von diesem Moment an strömt das verflüssigte Gas aus dem Saugraum
7 durch den Spalt in den Arbeitsraum 8, und zwar so lange, bis der Kolben 5 sich
in seiner unteren Totpunktlage befindet. Das Rückschlagventil im Boden des Saugraums
7 verhindert, daß beim Abwärtsbewegen des Kolbens 5 verflüssigtes Gas in die Saugleitung
zurückgedrängt wird.
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Nach Erreichen des unteren Totpunktes bewegen sich die Antriebsstange
11 und der Ventilteller 10 nach oben, während der Kolben noch für kurze Zeit in
seiner tiefsten Lage verharrt. Nach einer kleinen Wegstrecke liegt der Ventilteller
10 am Ventilsitz 9 an und verschließt den Einströmspalt.
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Von diesem Moment an bewegt sich der Kolben 5 mit der Antriebsstange
nach oben. Dadurch verkleinert sich das Arbeitsraumvolumen ständig. Durch den Druck
des im Arbeitsraum 8 befindlichen verflüssigten Gases wird das seitlich angeordnete
Druckventil geöffnet und das verflüssigte Gas in die Druckleitung-3 gefördert. Gleichzeitig
hebt die Schwimmklappe
20 ab und verflüssigtes Gas strömt aus der
Saugleitung 2 in den Saugraum 7 nach.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Saugleitung 2 und das Rückschlagventil
entfallen können, wenn die erfindungsgemäße Kolbenpumpe in das zu fördernde verflüssigte
Gas eingetaucht ist.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe dient insbesondere zur Förderung
von flüssigem Helium. Der Betriebsdruck liegt in der Größenordnung von 10 bar, die
Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite beträgt vorzugsweise etwa 6 bar.
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Die Förderleistung -der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe liegt, je nach
den gewünschten Anforderungen, bei bis zu über 100 g pro Sekunde.
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