DE4142053C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zum Fördern eines Fluids im Tiefsttemperaturbereich mit einem ein Gehäuse­ innenrohr aufweisenden, als Vakuumgehäuse ausgebildeten, Pumpengehäuse, wobei im Gehäuseinnenrohr ein Zylinder ange­ ordnet ist, in dem ein Kolben in Längsrichtung verschiebbar ist, wobei ein Ende des Zylinders einer Hochdruckseite und das andere Ende des Zylinders einer Niederdruckseite der Kolben­ pumpe zugeordnet ist und sich auf der Niederdruckseite eine Kolbenstangenführung an den Zylinder anschließt, in der eine an einem Ende mit dem Kolben und am anderen Ende mit einem außerhalb des Pumpengehäuses angeordneten Antrieb verbundene Kolbenstange in Längsrichtung verschiebbar ist.

Eine derartige Kolbenpumpe, die zum Fördern von tiefkalten Flüssiggasen eingesetzt wird, ist aus "Linde Berichte aus Tech­ nik und Wissenschaft, 1975, Nr. 36, S. 15-22" bekannt.

Weiterhin ist aus der US 31 36 136 eine Hochdruckpumpe zum Fördern von kryogenen Flüssigkeiten bekannt, bei welcher ein Zylinder und eine Kolbenstangenführung in ein Gehäuseinnenrohr eingeschoben sind, wobei die Kolbenstangenführung am Pumpenge­ häuse befestigt ist.

Gängige Tieftemperaturpumpen werden zum Pumpen von flüssigem Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid und Kohlenwasser­ stoff verwendet. Da bei diesen Anwendungsfällen die tiefste Einsatztemperatur bei ca. -200°C liegt und die Verdampfungs- Wärme relativ groß ist, werden bei den herkömmlichen Pumpen keine großen Anforderungen an Isolation und Abdichtung ge­ stellt. Hinzu kommt noch, daß diese verflüssigten Gase ver­ hältnismäßig preisgünstig erzeugt werden.

Die gängigen Tieftemperaturpumpen sind jedoch zum Pumpen von flüssigem Wasserstoff aufgrund der dabei auftretenden hohen Kälteverluste nicht geeignet. Wasserstoff weist nur 1/6 der Verdampfungswärme von Stickstoff auf, die Temperatur von flüssigem Wasserstoff liegt bei -253°C und seine Viskosität ist sehr gering. Außerdem ist die Herstellung des flüssigen Wasserstoffs kostenintensiv. Aus diesen Gründen werden an Tiefsttemperaturpumpen, die zum Fördern von Fluiden im Tiefst­ temperaturbereich von unter -250°C, insbesondere zum Pumpen von flüssigem Wasserstoff, geeignet sein sollen, besondere Anforderungen gestellt.

Zwar werden vereinzelt Pumpen vorgeschlagen, die sich auch zum Fördern von flüssigem Wasserstoff eignen sollen (siehe DE 36 21 727 C2 und EP 00 69 324 B1), doch handelt es sich dabei um sogenannte Tauchpumpen, die in ein mit flüssigem Wasserstoff gefülltes Gefäß von oben eingebaut werden. Diese Anordnung mag für Laborpumpen mit geringen Drücken sowie für kleinere Fördermengen geeignet sein. Da aber nur kleine, leichte Antriebe auf diese Pumpen geflanscht werden können, sind sie zum Erzeugen von Hochdruckwasserstoff in größeren Fördermengen aufgrund der hierfür erforderlichen hohen An­ triebskräfte und somit Getriebemassen nicht geeignet. Außerdem werden bei der Hochdruckverdichtung von Wasserstoff an die Pumpen sehr viel höhere Anforderungen als beim Fördern geringer Mengen mit niedrigen Drücken gestellt. Dies ist auf die schwierigen physikalischen Eigenschaften, wie Verdampfungs­ wärme, Temperatur und Viskosität des flüssigen Wasserstoffs zurückzuführen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe bereitzustellen, die auch zum Fördern größerer Mengen tiefstkalter Fluide mit Temperaturen von unter -250°C bei hohen Förderdrücken geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zylinder und die Kolbenstangenführung in das Gehäuseinnenrohr eingeschoben sind, die Kolbenstangenführung an dem dem Zylinder abgewandten Ende am Pumpengehäuse befestigt und mit einem O-Ring gegen die Atmosphäre abgedichtet ist, und der Zylinder sowohl auf der Hochdruckseite als auch auf der Nieder­ druckseite mit Kunststoffdichtungen gegen das Gehäuseinnenrohr abgedichtet ist, wobei die Kunststoffdichtung auf der Nieder­ druckseite im Übergangsbereich vom Zylinder zur Kolbenstange durch ein Spannelement aus einem Werkstoff mit geringerer thermischer Kontraktion als der Pumpengehäusewerkstoff an das Gehäuseinnenrohr gepreßt ist.

Vorzugsweise ist die Kunststoffdichtung auf der Niederdruck­ seite als V-Lippendichtung ausgebildet, wobei eine Lippe (Außenlippe) durch das Spannelement, das am niederdruckseitigen Ende des Zylinders befestigt ist, an das Gehäuseinnenrohr ge­ preßt ist, während die andere Lippe (Innenlippe) an der an den Zylinder angrenzenden Kolbenstangenführung anliegt.

Zur Montage der V-Lippendichtung wird diese bei ausgebauter Pumpe in eine Montagehülse gedrückt und die Außenlippe mit dem Spannelement über den Zylinder vorgespannt. Beim Einschieben der Pumpe in das Gehäuse wird die Montagehülse von der Außen­ dichtlippe gedrückt, wodurch eine zuverlässige Abdichtung zwischen Pumpe und Gehäuse stattfindet. Da das Spannelement aus einem Werkstoff (z. B. Titan) mit geringerer Kontraktion als der Gehäusewerkstoff (z. B. Chromnickel) ist, erfährt die Dichtung bei Abkühlung noch eine zusätzliche Vorspannung. Mit dieser Vorrichtung wird eine absolute Flüssigkeitsdichtheit auch bei hohen Förderdrücken erreicht, so daß es in Bezug auf die statistische Wärmeleitung belanglos ist, ob die Kolben­ pumpe als Tauchpumpe (vertikal mit kompliziertem Antrieb) oder horizontal betrieben wird.

Mit der Erfindung wird eine Hochdruckkolbenpumpe zum Pumpen tiefstkalter Fluide für Förderdrücke bis 1000 bar, mit einer großen Förderleistung und einem sehr guten Liefergrad zur Verfügung gestellt. Die Pumpe kann im Gegensatz zu den üblichen Wasserstoffpumpen in horizontaler Lage an ein her­ kömmliches Hubgetriebe angeflanscht und mit nur einer Zu­ leitung z. B. an jeden Flüssigwasserstofftank angeschlossen und betrieben werden.

Um die Wärmeleitung und damit auch die Ruheverdampfung gering zu halten, ist das Gehäuseinnenrohr vorzugsweise von kleinem Querschnitt. Außerdem ist vorteilhafterweise die Kolbenstange mit einem Kunststoffisolator versehen. Weiterhin ist mindestens ein Teil der Kolbenstangenführung bevorzugt aus Kunststoff gefertigt. Es handelt sich dabei insbesondere um das sogenannte Packungsgehäuse, d. h. den Teil der Kolbenstangenführung, der die Pumpenverbindung vom kalten zum warmen Teil der Pumpe dar­ stellt. Darüber hinaus ist zumindest ein Teil des Zwischen­ raumes zwischen der Kolbenstangenführung und dem Gehäuseinnen­ rohr mit Glasgewebe ausgefüllt. Eine Umwicklung des Packungsge­ häuserohres mit Glasgewebe verhindert den Wärmetransport in Folge von Konvektion im Zwischenraum zwischen Pumpe und Ge­ häuse. Zur Isolation des gesamten Pumpengehäuses mit inte­ griertem Gasabscheider wird eine Mehrschichtensuperisolation mit Hochvakuum verwendet.

Aufgrund der geringen Verdampfungswärme von flüssigem Wasser­ stoff wird die Hochdruckpumpe in zweistufiger Ausführung gebaut, wobei der Zylinder mit einem kleineren Hochdruck- und einem größeren Niederdruckraum ausgeführt ist.

Die Kolbenstange ist im Bereich des Hochdruckraums bevorzugt mit speziellen hochdichten Kolbenringen, welche sehr geringe Reibung verursachen, bestückt. Es handelt sich dabei um 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 Rechteckrings 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 Arretier­ ungsstift verhindert. Um die vergleichsweise komplizierte Montage vor allem bei kleinen Ringdurchmessern zu verbessern, wird anstelle eines Arretierungsstiftes bei der erfindungs­ gemäßen Kolbenpumpe eine fest am Winkelring angebrachte Arretierungsnase bevorzugt, die genau im Spalt des Rechteck­ rings zum Liegen kommt. Dabei ist der Durchmesser des Winkel­ rings in der Umgebung der Nase vergrößert, um eine sichere Abdichtung auch im Nasen- und Spaltbereich der beiden Ringe zu erhalten. Da der Rechteckring vorzugsweise auf der druckabge­ wandten Seite eingebaut ist, übernimmt er die Hauptarbeit, so daß der Winkelring nur im Bereich der Arretierungsnase (mit Überschneidung) den Nenndurchmesser des Rechteckringes hat. 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-Kolben­ ringen.

Im Bereich des Niederdruckraums des Zylinders befinden sich an der Kolbenstange drei Stege, sowie hochdruckseitig ein Rechteckansatz, an welchem ein Ladedruckbegrenzer anliegt. In dem dazwischen liegenden Ringraum ist vorzugsweise ebenfalls ein hochdichter Kolbenring in einem Strömungskörper gehalten und in einer Ladebuchse geführt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Pumpe einen Gasabscheider mit integriertem optoelektro­ nischen Sensor auf, welcher Flüssigkeit von Gas unterscheidet.

Der Sensor betätigt über einen Schaltverstärker ein Magnet­ ventil, welches beim Abkühlen sowie beim Betrieb anfallendes Gas abführt. Daher ist keine kommunizierende Vakuumrückleitung zum Vorratstank nötig.

Da die komplette Pumpe in das Vakuumgehäuse eingeschoben ist und nur eine Verbindungsstelle von der Pumpe zum Gehäuse existiert, die darüber hinaus im Warmen liegt, wird eine hervorragende Isolation der Tiefsttemperaturkolbenpumpe erreicht. Auch durch den Einbau von Kunststoff in einem Teil der Kolbenstange und im Packungsgehäuse sowie durch die Um­ wicklung des Packungsgehäuserohres mit Glasgewebe wird die Wärmeleitung gering gehalten. Außerdem tragen auch die extrem reibungsarmen Kolbenringe zu einer äußerst niedrigen Wärme­ erzeugung bei. Nicht zuletzt sorgen die Kunststoffdichtungen im Hochdruck- und Niederdruckbereich der Pumpe für absolute Flüssigkeitsdichtheit, wodurch ebenfalls geringe Kälteverluste erzielt werden.

Das vorgestellte Pumpenkonzept kann je nach Bedarf den er­ forderlichen Liefermengen und Förderdrücken angepaßt werden. Es kann als Prozeß- und Abfüllpumpe Anwendung finden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Gesamtansicht der Tiefsttemperaturpumpe mit Pumpengehäuse, Saugleitung und Hochdruckleitung.

Fig. 2 Eine Detailansicht der Tiefsttemperaturpumpe im Längsschnitt.

In der Fig. 1 ist die gesamte Pumpenanordnung mit dem Pumpengehäuse 4 und einer daran angeschlossenen Saugleitung 16 für das zu pumpende tiefstkalte Fluid, einer Hochdruckleitung 17 für das komprimierte Fluid, einer Abgasleitung 18 und einem Gasabscheider 20 mit Gassensor 19 dargestellt. Ein Längsschnitt durch die obere Hälfte des Pumpengehäuses 4 zeigt lediglich das Gehäuseinnenrohr 3, 25, in das die eigentliche Pumpe noch nicht eingeschoben ist (die Details der eigentlichen in das Gehäuseinnenrohr 3, 25 eingeschobenen Pumpe sind in Fig. 2 vergrößert dargestellt). Die Verbindung der vom nicht darge­ stellten Vorratstank kommenden Saugleitung 16 mit der Pumpe erfolgt über eine Kupplung deren Innenteil mit dem Hochvakuum­ raum 21 des Pumpengehäuses 4 in Verbindung steht. Durch Öffnen eines nicht dargestellten Elektromagnetventils in der Abgas­ leitung 18 (durch Betätigen eines Hand-Einschalters) strömt tiefstkalte Flüssigkeit in die Pumpe ein und kühlt diese ab. Nach dem Abkühlen der Pumpe, was sich durch rhythmisches Arbeiten des Elektromagnetventils bemerkbar macht, kann die Pumpe gestartet werden. Das rhythmische Arbeiten des Magnet­ ventils kommt durch den im waagrechten Gasabscheider 20 eingebauten Sensor 19 zustande, welcher Flüssigkeit von Gas unterscheiden kann und bei Flüssigkeit ein Signal einem Schaltverstärker gibt, welcher das Magnetventil schließt und bei Gasanfall wieder öffnet.

In Fig. 2 ist das Pumpengehäuse 4 mit eingeschobener Pumpe im Detail dargestellt. Zum leichteren Verständnis werden die einzelnen Apparateteile gleichzeitig mit ihrer Funktion erläutert:

Die in das Gehäuseinnenrohr 3, 25 eingeschobene eigentliche Pumpe, die im wesentlichen aus dem Zylinder 1, der Kolben­ stangenführung 2, dem Kolben 13, und der Kolbenstange 9 besteht, wird durch Schrauben 22 mit dem Pumpengehäuse 4 verbunden und mit dem O-Ring 8 gegen die Atmosphäre abge­ dichtet. Den horizontalen Betrieb der Pumpe ermöglicht die V-Lippendichtung 5. Sie wird bei ausgebauter Pumpe in die Montagehülse 23 gedrückt und die Außenlippe der Lippendichtung 5 mit dem Spannelement 7 über den Zylinder 1 vorgespannt. Beim Einschieben der Pumpe in das Gehäuse wird die Montagehülse 23 von der Außendichtlippe gedrückt, wodurch eine zuverlässige Abdichtung zwischen Pumpe und Gehäuse 4 stattfindet. Da das Spannelement 7 aus einem Werkstoff mit geringerer Kontraktion (z. B. Titan) als der Gehäusewerkstoff (z. B. Chromnickel) ist, erfährt die Dichtung 5 bei Abkühlung noch eine zusätzliche Vorspannung. Auf diese Weise wird eine absolute Flüssigkeits­ dichtheit auch bei hohen Förderdrücken erreicht. Um die Wärmeleitung und damit auch die Ruheverdampfung gering zu halten, ist das Gehäuseinnenrohr 25 von kleinem Querschnitt. Die Kolbenstange 9 ist mit einem Kunststoffisolator 10 versehen, um die Wärmeleitung über die Kolbenstange 9 zu verringern. Außerdem ist das Packungsgehäuse 11, d. h. die Pumpenverbindung kalt-warm aus Kunststoff gefertigt. Der Zwischenraum zwischen der Kolbenstangenführung 2 und dem Gehäuseinnenrohr 25 ist mit Glasgewebe ausgefüllt, um den Wärmetransport in Folge von Konvektion im Zwischenraum 12 Pumpe-Gehäuse zu minimieren.

Aufgrund der geringen Verdampfungswärme von flüssigem Wasserstoff wird die Hochdruckpumpe in zweistufiger Ausführung gebaut. Der Zylinder 1 ist mit einem kleineren Hochdruckraum 24 und einem größeren Niederdruckraum 33 ausgeführt. Der Kolben 13 ist im Bereich des Hochdruckraumes 24 mit speziellen hochdichten Kolbenringen 14, welche sehr geringe Reibung verursachen, bestückt. Im Bereich des Niederdruckraums 33 befinden sich drei Stege 26, sowie hochdruckseitig ein Rechteckansatz 27, an welchem ein Ladedruckbegrenzer 28 anliegt. In dem dazwischen liegenden Ringraum ist ein ebenfalls hochdichter Kolbenring 29 in einem Strömungskörper 30 gehalten, und in einer Ladebuchse 31 geführt. Wird die Kolbenstange 9 aus der hinteren Totpunktlage in Richtung Druckhub bewegt, so kommt der Strömungskörper 30 an den Stegen 26 zur Anlage, wobei sich zwischen dem Ladedruckbegrenzer 28 und dem Strömungskörper 30 ein Spalt 32 einstellt. Wird die Kolbenstange 9 weiter in Richtung Druckhub bewegt, zieht der Kolbenring 29 die Ladebuchse 31 bis zum Anschlag auf (Zwangs­ steuerung). Bei diesem Vorgang strömt Niederdruckflüssigkeit widerstandslos in den Niederdruckraum 33 ein, ohne ein befedertes Ventil öffnen zu müssen, was einen besonderen Vorteil darstellt. Durch das Aufziehen der Ladebuchse 31 entgast der Niederdruckraum 33 über Bohrungen 34 im Zylinder 1. Bei Hubumkehr werden der Spalt 32 und durch Mitnahme der Ladebuchse 31 durch den Kolbenring 29 auch die Bohrungen 34 verschlossen. Da das Volumen des Niederdruckraumes 33 ein Vielfaches des Hochdruckraumes 24 darstellt, erfolgt eine Druckerhöhung der Niederdruckflüssigkeit. Diese Druckerhöhung bewirkt eine Erhöhung der Verdampfungstemperatur, so daß die Flüssigkeit unterkühlt durch eine Kolbenbohrung 35 und über ein federbelastetes Saugventil 36 in den Hochdruckraum 24 gedrückt wird. Die Größe der Druckerhöhung wird durch die Vorspannung des Ladedruckbegrenzers 28, welcher als Tellerfeder ausgebildet ist, erzielt. Bei erreichtem Ladedruck wird der Ladedruckbegrenzer 28 durch den Strömungskörper 30 sowie durch den Druck auf seine Fläche von der Kante des Rechteckansatzes 27 des Kolbens 13 gedrückt, wodurch der Überdruck durch Bohrungen im Ladedruckbegrenzer in die Niederdruckflüssigkeit abgeführt wird.

Claims (6)

1. Kolbenpumpe zum Fördern eines Fluids im Tiefst­ temperaturbereich mit einem ein Gehäuseinnenrohr aufweisenden, als Vakuumgehäuse ausgebildeten, Pumpengehäuse, wobei im Gehäuseinnenrohr ein Zylinder angeordnet ist, in dem ein Kolben in Längsrichtung verschiebbar ist, wobei ein Ende des Zylinders einer Hochdruckseite und das andere Ende des Zylinders einer Niederdruckseite der Kolbenpumpe zugeordnet ist und sich auf der Niederdruckseite eine Kolbenstangenführung an den Zylinder anschließt, in der eine an einem Ende mit dem Kolben und am anderen Ende mit einem außerhalb des Pumpengehäuses angeordneten Antrieb verbundene Kolben­ stange in Längsrichtung verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) und die Kolben­ stangenführung (2) in das Gehäuseinnenrohr (3, 25) eingeschoben sind, die Kolbenstangenführung (2) an dem dem Zylinder (1) abgewandten Ende (22) am Pumpengehäuse (4) befestigt und mit einem O-Ring (8) geben die Atmosphäre abgedichtet ist, und der Zylinder (1) sowohl auf der Hochdruckseite als auch auf der Niederdruckseite mit Kunststoffdichtungen (5, 6) gegen das Gehäuseinnenrohr (3) abgedichtet ist, wobei die Kunststoffdichtung (5) auf der Niederdruckseite im Übergangsbereich vom Zylinder (1) zur Kolbenstange (2) durch ein Spannelement (7) aus einem Werkstoff mit geringerer thermischer Kontraktion als der Pumpengehäusewerkstoff an das Gehäuseinnenrohr (3) gepreßt ist.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffdichtung (5) auf der Niederdruckseite als V-Lippendichtung ausgebildet ist, wobei eine Lippe (Außen­ lippe) durch das Spannelement (7), das am niederdruck­ seitigen Ende des Zylinders (1) befestigt ist, an das Gehäuseinnenrohr (3) gepreßt ist, während die andere Lippe (Innenlippe) an der an den Zylinder (1) angrenzenden Kolbenstangenführung (2) anliegt.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) mit einem Kunststoffisolator (10) versehen ist.

4. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (11) der Kolbenstangenführung (2) aus Kunststoff gefertigt ist.

5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Zwischenraumes (12) zwischen der Kolbenstangenführung (2) und dem Gehäuseinnenrohr (25) mit Glasgewebe ausgefüllt ist.

6. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) und der Kolben­ mantel (13) Twin-Kolbenringe (14) aus PTFE aufweisen, die aus einem Rechteckring und einem Winkelring zusammenge­ setzt sind, die jeweils einen Spalt aufweisen, wobei am Winkelring eine Arretierungsnase angebracht ist, die in den Spalt des Rechteckrings eingreift.