DE3342381A1 - Kolbenpumpe fuer fluessigen wasserstoff - Google Patents

Description

HOEGER, STELLR-E^GHT & PARTNER

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UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTGART 1

A 45 790 u Anmelderin: Deutsche Forschungs- und

u - 183 Versuchsanstalt für Luft-

und Raumfahrt e.V.

5300 Bonn

Beschreibung Kolbenpumpe für flüssigen Wasserstoff

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für flüssigen Wasserstoff mit einer Pumpkammer, die ein verschieblicher, gegenüber der Innenwand der Pumpkammer abgedichteter Kolben in einen Saugraum und in einen Druckraum unterteilt, und mit einer in den Saugraum führenden, von einem Einlaßventil verschlossenen Saugleitung sowie einer aus dem Druckraum herausführenden, von einem Auslaßventil verschlossenen Druckleitung.

Kolbenpumpen für flüssigen Wasserstoff werden beispielsweise verwendet, um flüssigen Wasserstoff aus einem Vorratstank einem Wasserstoffmotor eines Kraftfahrzeuges zuzuführen. Dabei ergibt sich ein intermittierender Betrieb für die Pumpe, die während der Stillstandszeit des Motors nicht fördert. Es ist bekannt, die Pumpe im Flüssigwasserstoffvorratsbehälter selbst anzuordnen, dann befindet sich die Pumpe auch in den Betriebspausen auf der Temperatur des Flüssigwasserstoffs, so daß sich keine Probleme einstellen.

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Andererseits ist die Anordnung der Pumpe im Vorratsbehälter aus verschiedenen Gründen nicht erwünscht, beispielsweise sind Wartungsarbeiten an der Pumpe erschwert.

Ordnet man eine solche Kolbenpumpe dagegen außerhalb des Flüssigwasserstofftanks an, nimmt sie in der Betriebspause Umgebungstemperatur an und muß bei der Inbetriebnahme auf die Temperatur des flüssigen Wasserstoffes herabgekühlt werden. Dabei ergeben sich unter Umständen Schwierigkeiten aufgrund der unterschiedlichen thermischen Veränderung der Abmessungen, denen verschiedene Teile der Kolbenpumpe unterworfen sind, insbesondere können sich Probleme im Dichtungsbereich zwischen Kolben und Pumpenkammer ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenpumpe für flüssigen Wasserstoff derart auszubilden, daß auch bei Pumpen mit engen Abmessungstoleranzen beim Übergang zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs keine Probleme auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenpumpe der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben einen den Saugraum mit dem Druckraum verbindenden Durchlaß aufweist und daß sich in diesem eine Schließeinrichtung befindet, die den Durchlaß verschließt, wenn der Kolben in Richtung Druckraum verschoben wird, während sie den Durchgang freigibt, wenn der Kolben in Richtung Saugraum verschoben wird.

Diese Ausgestaltung führt dazu, daß der von der Pumpe geförderte Wasserstoff den Kolben durchströmt, wenn der Kolben vom Druckraum in Richtung auf den Saugraum verschoben

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wird, so daß der Kolben effektiver gekühlt wird als beispielsweise die Wand der Pumpenkammer, gegenüber welcher der Kolben eine Dichtung herbeiführen muß. Selbst wenn der Kolben bei der Betriebstemperatur gegenüber der Innenwand der Pumpenkammer nur eine sehr geringe Toleranz aufweist, wie dies beispielsweise dann der Fall ist, wenn die Dichtung ohne besondere Dichtringe erfolgt, ist beim Übergang von der Umgebungstemperatur auf die tiefere Betriebstemperatur und umgekehrt sichergestellt, daß der Kolben stärker gekühlt wird als die Pumpenkammer, so daß die Kontraktion des Kolbens stärker ist als die Kontraktion der umgebenden Pumpenkammerwand. Zwar ergibt sich beim Übergang von einer Temperatur zur anderen eine etwas weniger effektive Abdichtung, jedoch besteht nicht die Gefahr, daß der Kolben in der Pumpenwand verklemmt wird.

Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn der Kolben einen an der Innenwand der Pumpkammer anliegenden Mantel aufweist, der einen zum Saugraum offenen und zum Druckraum mittels einer Stirnwand verschlossenen Hohlraum .umgibt, und wenn sich der Durchlaß in der Stirnwand befindet. Dadurch befindet sich im Innern des Kolbens immer ein großes Volumen von sich auf tiefer Temperatur befindendem Wasserstoff, während der Kolbenmantel die Pumpkammer gegenüber dem Wasserstoff und damit gegenüber einer zu raschen Abkühlung abschirmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Durchlaß einen dem Saugraum zugewandten Ventilsitz ausbildet und daß diesem ein gegen die Kraft eines elastischen Kraftspeichers in Richtung zum Saugraum von ihm abhebbarer Ventilkörper zugeordnet ist. Mittels dieses

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Ventilkörpers läßt sich der Durchlaß in der beschriebenen Weise öffnen und schließen.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn an dem Ventilkörper eine den Kolben verschiebende Betätigungsstange angreift. Durch eine reziprozierende Bewegung des Ventilkörpers verschließt dieser den Durchlaß bei einer Verschiebung "des Kolbens in Richtung auf den Druckraum, während die Betätigungsstange den Ventilkörper bei der umgekehrten Bewegung von dem Ventilsitz abhebt und den Durchlaß öffnet, wobei durch den elastischen Kraftspeicher der Kolben vom Ventilkörper in Richtung auf den Saugraum verschoben wird.

Vorzugsweise ist dabei der Ventilkörper in dem Hohlraum angeordnet und hat einen Außendurchmesser, der geringer ist als der Innendurchmesser des Mantels. Weiterhin stützt sich der elastische Kraftspeicher vorzugsweise einerseits am Ventilkörper und andererseits am Kolben ab.

Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, daß gasförmiger Wasserstoff, der sich in einem der Pumpe vorgeschalteten Vorratsgefäß bildet, beim Überschreiten eines bestimmten Druckes durch die gesamte· Pumpe hindurchströmt, wobei er das Einlaßventil und das Auslaßventil öffnet und wobei er auch den Kolben gegenüber dem Ventilkörper in Richtung auf den Druckraum verschiebt und somit den Durchlaß öffnet.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine Wasserstoffkolbenpumpe bei geschlossenem Durchlaß und

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 bei geöffnetem Durchlaß.

Die im folgenden beschriebene Wasserstoffkolbenpumpe wird beispielsweise in eine Förderleitung eines wasserstoffgetriebenen Kraftfahrzeuges eingeschaltet, in der flüssiger Wasserstoff aus einem Kryotank dem Zylinder des Motors zugeführt wird. In der Zeichnung ist lediglich die in diese Förderleitung eingeschaltete Kolbenpumpe dargestellt, und die folgende Beschreibung beschränkt sich auch auf diese Kolbenpumpe.

Die Kolbenpumpe umfaßt ein Gehäuse, welches im wesentlichen aus einem zylindrischen Einlaßteil 1, einem ebenfalls zylindrischen Mittelteil 2 und einem Ausiaßteil 3 besteht.

Das Einlaßteil ist an einer Stirnseite mittels eines Bodens 4 verschlossen, durch den zentral eine Saugleitung 5 in das Innere des Einlaßteils eintritt, deren innenliegender Rand als Ventilsitz 6 ausgebildet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine Stützplatte 7 in ein Innengewinde 8 des Einlaßteils eingeschraubt, die den zylindrischen Hohlraum 9 des Einlaßteils 1 auf der dem Boden 4 gegenüberliegenden Seite abschließt. An der Stützplatte 7 stützt sich im Inneren einer in den Hohlraum 9 abstehenden achsparallelen Führungshülse 10 eine Schraubenfeder 11 ab,

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deren anderes Ende an einem Ventilkörper 12 anliegt, der mit einer die Schraubenfeder 11 umgebenden, zur Stützplatte 7 hin offenen Hülse 11 teleskopierend in der Führungshülse 10 geführt ist. Die Schraubenfeder 11 verschiebt den Ventilkörper 12 normalerweise gegen den Ventilsitz 6 und verschließt somit die Saugleitung 5.

Das Mittelteil ist auf beiden Seiten offen und mit einem Ende in das Einlaßteil 1 eingesteckt und mit diesem abgedichtet verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Im Innern des über seine gesamte Länge zylindrischen Einlaßteils ist ein Kolben 14 achsparallel verschieblich gelagert, der einen seiner Außenwand an der Innenwand des Mittelteils 2 anliegenden Mantel 15 sowie eine Stirnwand 16 umfaßt, die einen vom Mantel 15 umgebenen, in Richtung auf das Einlaßteil 1 offenen Hohlraum 17 auf der gegenüberliegenden Seite verschließt. In der Stirnwand 16 befindet sich ein zentraler Durchlaß 18, dessen dem Hohlraum zugewandter Rand als Ventilsitz 19 für einen Ventilkörper 20 ausgebildet ist, der sich im Inneren des Hohlraumes 17 befindet und mit einem Vorsprung 21 in eine Spiralschraubenfeder 22 eintaucht, deren anderes Ende sich an einem in der Innenwand des Mantels 15 fixierten Seegerring 23 abstützt. Dadurch wird der Ventilkörper 20 normalerweise elastisch gegen den Ventilsitz 19 gedrückt und verschließt den Durchlaß 18.

Der Kolben 14 erstreckt sich in axialer Richtung nur'über einen Teil der Länge des Mittelteils 2, so daß der Kolben 14 den Innenraum des Mittelteils 2 in zwei voneinander getrennte Teilräume abtrennt, nämlich einen Saugraum 24, der über Kanäle 25 in der Stützplatte 7 mit dem Hohlraum 9 des

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Einlaßteils in Verbindung steht, und in einen Druckraum 26, der sich auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens befindet. Saugraum 24 und Druckraum 26 sind über den Durchlaß 18 miteinander verbunden. Der Kolben 14 ist gegenüber der Innenwand des Mittelteils durch eine enge Passung abgedichtet, zusätzliche Dichtungsringe können vorgesehen sein, werden aber normalerweise nicht verwendet.

Der Druckraum 26 wird durch das Auslaßteil 3 abgeschlossen, welches in ein Innengewinde 27 des Mittelteils 2 unter Zwischenlage eines Dichtungsrings 28 eingeschraubt ist. Aus dem Druckraum 26 führt ein achsparalleler, sich stufenförmig erweiternder Kanal 29 durch 'das Auslaßteil 3 hindurch. Dieser Kanal 29 bildet bei der stufenförmigen Erweiterung einen Ventilsitz 30 für einen kugelförmigen Ventilkörper 31, der sich in dem erweiterten Teil des Kanals 29 befindet und mittels einer Schraubenfeder 32, die sich an einer in den erweiterten Teil des Kanals 29 eingeschraubten Dichtschraube 33 abstützt, gegen den Ventilsitz 30 gedruckt. Der erweiterte Bereich des Kanals 29 ist über eine quer im Auslaßteil 3 verlaufende Leitung mit einer Druckleitung 34 verbunden, die in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise beispielsweise zum Motor eines Kraftfahrzeuges führt.

Durch eine zentrale Durchgangsbohrung 35 im Auslaßteil ist abgedichtet eine Betätigungsstange 36 hindurchgeführt, deren freies Ende durch den Durchlaß 18 hindurchragt und am Ventilkörper 20 befestigt ist, beispielsweise durch Einschrauben. Diese Betätigungsstange 36 ist in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit einem oszillierenden Antrieb verbunden, der die Betätigungsstange 36 in der Durch-

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gangsbohrung 35 reziprozierend verschiebt.

Zu Beginn eines Arbeitshubes befindet sich der Kolben in seiner saugraumnahen Stellung, der Ventilkörper 12 verschließt die Sau-gleitung , der Ventilkörper 31 die Druckleitung. Wenn die Betätigungsstange in Richtung auf den Druckraum verschoben wird (nach rechts in Fig. 1),legt sie den Ventilkörper 20 an den Ventilsitz 19 an und verschließt somit den Durchlaß 18. Bei einer weiteren Verschiebung wird dadurch der Kolben in Richtung auf den Druckraum verschoben. Dabei bildet sich im Saugraum ein Unterdruck aus, der zum Abheben des Ventilkörpers 12 von dem Ventilsitz 6 und somit zur Öffnung der Saugleitung 5 führt. Gleichzeitig steigt der Druck im Druckraum 26 so weit an, daß der Ventilkörper 31 vom Ventilsitz 30 abgehoben wird; der Kolben fördert auf diese Weise Wasserstoff aus dem Druckraum 26 in die Druckleitung 34. Nach dem Erreichen des Bewegungsendpunktes und nach der Umkehr der Bewegungsrichtung der Betätigungsstange 36 werden die Ventilkörper 12 und 31 durch die ihnen zugeordneten Federn 11 bzw. 32 gegen ihre Ventilsitze 6 bzw. 30 gedruckt, so daß Einlaßventil und Auslaßventil verschlossen sind. Dagegen wird der Ventilkörper 20 gegen die Kraft der Spiralschraubenfeder 22 von seinem Ventilsitz 19 abgehoben, so daß nunmehr Wasserstoff aus dem Saugraum 24 durch den Hohlraum 17 und den Durchlaß 18 in den Druckraum 26 gelangt (Fig. 2). Bei dieser Verschiebung des Ventilkörpers 20 wird über die Spiralschraubenfeder 22 auch der Kolben 14 mitgenommen, bis die Betätigungsstange ihren Umkehrpunkt erreicht hat. Bei der Umkehrung der Bewegung verschließt der Ventilkörper den Durchlaß 18, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich.

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Wesentlich ist dabei, daß der Wasserstoff beim Rückhub den Kolben vollständig durchströmt und diesen somit bevorzugt kühlt, während die Innenwand des Mittelteils, an d°m die Dichtung zwischen Kolben und Gehäuse erfolgt, vom Mantel 15 abgeschirmt wird und somit weniger effektiv gekühlt wird. Beim Abkühlen und Aufwärmen erfährt daher das Mittelteil eine stärkere thermische Ausdehnung als der Kolben, so daß zwar die Abdichtung zwischen Mittelteil und Kolben etwas verschlechtert wird, jedoch kein Verklemmen des Kolbens im Mittelteil eintreten kann.

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   13. Oktober 1983 und Raumfahrt e.V.

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   Patentansprüche :

   Kolbenpumpe für flüssigen Wasserstoff mit einer Pumpkammer, die ein verschieblicher, gegenüber der Innenwand der Pumpkammer abgedichteter Kolben in einen Saugraum und in einen Druckraum unterteilt, und mit einer in den Saugraum führenden, von einem Einlaßventil verschlossenen Saugleitung sowie einer aus dem Druckraum herausführenden, von einem Auslaßventil verschlossenen Druckleitung ,

   dadurch gekennzeichnet, daB der Kolben (14) einen den Saugraum (24) mit dem Druckraum (26) verbindenden Durchlaß (18) aufweist und daß sich in diesem eine Schließeinrichtung (Ventilkörper 20) befindet, die den Durchlaß (18) verschließt, wenn der Kolben (14) in Richtung Druckraum (26) verschoben wird, während sie den Durchgang (18) freigibt, wenn der Kolben (14) in Richtung Saugraum (24) verschoben wird.
2. 2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (14) einen an der Innenwand der Pumpkammer anliegenden Mantel (15) aufweist, der einen zum Saugraum

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   (24) offenen und zum Druckraum (26) mittels einer Stirnwand (16) verschlossenen Hohlraum (17) umgibt, und daß
   sich der Durchlaß (18) in der Stirnwand (16) befindet.
3. 3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (18) einen dem Saugraum (24) zugewandten Ventilsitz (19) ausbildet und daß diesem ein gegen die Kraft eines elastischen Kraftspeichers (22) in
   Richtung zum Saugraum (24) von ihm abhebbarer Ventilkörper (20) zugeordnet ist.
4. 4. Kolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ventilkörper (20) eine den Kolben (14) verschiebende Betätigungsstange (36) angreift.
5. 5. Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 2 und 3 oder 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (2o) in dem Hohlraum (17) angeordnet ist und einen Außendurchmesser
   hat, der geringer ist als der Innendurchmesser des Mantels (15) .
6. 6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der elastische Kraftspeicher (22) einerseits am
   Ventilkörper (20) und andererseits am Kolben (14) abstützt.

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