DE3149848A1 - "kolbenpumpe fuer verfluessigte gase" - Google Patents

"kolbenpumpe fuer verfluessigte gase"

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DE3149848A1
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piston
valve
valve seat
suction chamber
drive rod
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Withdrawn
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DE19813149848
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English (en)
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Helmut 8200 Trostberg Dresler
Ernst Ing. 8226 Altenmarkt Turnwald
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/12Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons
    • F04B53/122Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons the piston being free-floating, e.g. the valve being formed between the actuating rod and the piston
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F04B15/08Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure the liquids having low boiling points

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Description

  • Kolbenpumpe für verflüssigte Gase
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafterweise sind gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes mehrere Kolben-Zylindereinheiten parallel geschaltet. Mit einer derartigen Anordnung läßt sich eine nahezu gleichmäßige Förderung erreichen.
  • Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn bei drei Zylindern die Antriebsstangen jeweils um 1200 versetzt an einer Kurbelwelle der Antriebseinrichtung angeordnet sind.
  • 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.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Hierbei zeigt die Figur eine Kolbenpumpe gemäß der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe weist drei Einheiten 1. auf, die identisch aufgebaut sind. Zur übersichtlicheren Darstellung ist die rechte Einheit 1 um 900 verdreht gezeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Förderleistung -der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe liegt, je nach den gewünschten Anforderungen, bei bis zu über 100 g pro Sekunde.
  • Leerseite

Claims (6)

  1. Patentansprüche 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, dadurch gekennzeichnetS daß der Kolben eine Bohrung mit einem 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.
  2. 20 Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben auf der Seite des Saugraums hohl gebohrt, der Ventilsitz am Kolbenboden ausgebildet und der An- schlag unterhalb des Ventilsitzes im Hohlraum des Kolbens angeordnet ist.
  3. 3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft des Tellerventils oberhalb des Arbeitsraumes in einer den Arbeitsraum abschließenden Hülse geführt und gegenüber der Hülse mittels Hutmanschetten abgedichtet ist.
  4. 4. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben-Zylindereinheiten parallel geschaltet sind.
  5. 5. Kolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei drei Zylindern die Antriebsstangen jeweils um 1200 versetzt an einer Kurbelwelle der Antriebseinrichtung angeordnet sind.
  6. 6. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile der Pumpe für einen Betriebsdruck von mindestens 10 bar und einen Differenzdruck von 4 bis 8 bar ausgelegt sind.
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