DE4142053C1 - - Google Patents
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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.
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