DE69310552T2

DE69310552T2 - Hochdruckpumsystem und dessen betriebsverfahren

Info

Publication number: DE69310552T2
Application number: DE69310552T
Authority: DE
Inventors: Vladimir Belonenko; Evgenij Buenau; Theodor Funck; Vijcheslav Nikolashev
Original assignee: UHP Corp
Current assignee: UHP Corp
Priority date: 1993-07-13
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2013-07-14
Also published as: EP0710327A1; RU2107838C1; AU4568593A; EP0710327B1; KR100274226B1; US5992222A; DE69310552D1; KR960705140A; JPH09503564A; WO1995002764A1

Description

Gebiet der Erfindung
-Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochdrucksysteme, insbesondere auf ein Hochdrucksystem mit einer Kolbenpumpe zum Erzeugen eines hohen und exakt kontrollierbaren Druckpegels in einem Fluid, und auf Verfahren zum Betreiben solcher Systeme.

Beschreibung der verwandten Technik

Im Prinzip sollte es möglich sein, einen hohen Druckpegel in einem Fluid mit jeder gewünschten Genauigkeit zu erzielen, weil ein Fluid, dem eine komprimierende Kraft angelegt wird, eine Gegenkraft ausübt, die eine sich stetig ändernde direkte Funktion der angelegten Kraft ist.
Bis heute ist jedoch eine genaue Steuerung hoher Druckpegel in Fluiden z.B. im Bereich oberhalb 1 MPa (10 Bar) bis z.B. auf 250 MPaa (2,5 kbar) und mehr äußerst schwierig, wenn nicht unmöglich, und zwar aus mehreren Gründen.
Derzeit lassen sich kontrollierte hohe Fluiddrücke nur mit Hilfe von Pumpen des Zylinder/Kolben-Typs erreichen. In solchen Pumpen ist die Dichtung zwischen dem beweglichen Kolben und dem Zylinder (üblicherweise irgendein Typ von O- Ring) eine Hauptursache für Probleme. Um bei einem hohen Fluiddruck dichtzuhalten, muß die Dichtung einen entsprechend hohen Druck auf die innere Wandung des Zylinders ausüben, was hohe Reibungskräfte zwischen diesen relativ zueinander beweglichen Elementen bewirkt. Dies hat nicht nur die Folge, daß eine hohe Kraft zur Herbeiführung der erforderlichen Relativbewegung notwendig ist, sondern es macht die Bewegung auch ruckhaft wegen wiederholter Wechsel zwischen Haftreibung und Gleitreibung.
Ein weiterer Grund, warum eine glatte, kontinuierliche Relativbewegung zwischen einem Kolben und einem Zylinder einer Hochdruckpumpe schwer zu erzielen ist, stellt das Vorhandensein von Reaktionskräften dar, die durch unvermeidliche relative Fehlausrichtung der Kolben- und Zylinderachsen hervorgerufen werden. Jede Abweichung von einer genauen koaxialen Beziehung von Kolben und Zylinder bewirkt Reaktionskräfte, die nicht nur von dem tatsächlichen Druck sondern auch von der physikalischen Relativlage von Kolben und Zylinder abhängen. Dies hat die Verwendung einer starren Kopplung des Kolbens mit einem Antriebsglied wie etwa einer Spindel verhindert, jedoch ist eine solche starre Kopplung zur Erzielung genauer Drucksteuerung notwendig.
Eine wohlbekannte Vorrichtung, nämlich die drehende Kolbenwaage, ein Meßgerät, vermeidet das Reibungsproblem durch Verwendung einer Flüssigkeit hoher Viskosität als Dichtung zwischen Kolben und Zylinder und durch Verdrehen des Kolbens relativ zum Zylinder gleichzeitig mit einer relativen Axialbewegung dieser Elemente. Der Kolben ist starr mit einer Plattform verbunden, und die druckerzeugende Kraft wird dadurch vorgesehen, daß eine bekannte Masse auf die Plattform gesetzt wird, während die Achse von Kolben und Zylinder vertikal sind, siehe z.B. HIGH PRESSURE TECHNOLOGY, Vol 1, Ian L. Spain et al., Ed., Marcel Dekker, Inc., New York, N.Y., 1977, Seiten 285 bis 294.
Ein Hauptnachteil dieser Vorrichtung ist, daß die Achsen von Kolben und Zylinder exakt mit der Richtung der Schwerkraft ausgerichtet sein müssen und daß eine inkrementelle und automatische Drucksteuerung nicht möglich ist. Eine weitere, manchmal untragbare Einschränkung ist die Notwendigkeit der Verwendung einer Flüssigkeit hoher Viskosität zur Erzielung der geforderten Druckdichtung.
Das Dokument EP-A-0 275 825 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Änderungen des Volumens duroplastischer Stoffe während des Aushärtens. Die Vorrichtung enthält einen Meßzylinder mit einem Probenhohlraum, einen in den Hohlraum passenden und mit einem Verschiebungsfühler versehenen Zylinder, eine Temperatursonde innerhalb des Hohlraums und einen Druckfühler sowie Drucksteuermittel, die es erlauben, den Kolben zwei alternativen Druckpegeln zu unterwerfen.
-Das Dokument US-A-3 847 507, das im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anerkannt ist, offenbart eine Pumpe zum Fördern einer Flüssigkeit mit konstantem Druck zur Anwendung in einem Flüssigkeitschromatographen. Die Pumpe weist ein Gestell auf, an welchem ein Elektromotor angebracht ist, der über ein Untersetzungsgetriebe einen Kolben dreht. Der Kolben ist eine Schraubenspindel, die in eine Antriebsmutter greift und sich in einen Kolben erstreckt. Die Antriebsmutter ist fest am Kolben angeordnet und entlang einer Führungsstange am Gestell hin- und herbewegbar. Diese Pumpe vom schraubenden Typ ist weder dazu bestimmt noch ausgelegt, um hohe Drücke im Megapascalbereich zu erzeugen.
Somit ist die Erzeugung eines stetig, kontinuierlich und exakt steuerbaren hohen Druckpegels mittels einer Kolbenpumpe, die von einem automatisch steuerbaren Antrieb, wie z.B. einem Elektromotor, betätigt wird, ein bisher ungelöstes Problem.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Hochdruckpumpsystem zu schaffen, das sich zur Erzeugung hoher Druckpegel eignet, die genau und stetig gesteuert werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hochdruckpumpsystems, das die oben beschriebenen Reibungs- und Fehlausrichtungsprobleme vermeidet.
Eine wiederum andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hochdruckpumpsystems, das nicht auf eine hochviskose Dichtflüssigkeit baut und das in jeder gewünschten Position betrieben werden kann.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Pumpsystem, aufweisend ein Gestell, einen Kolben mit einer Längsachse, eine mit dem Kolben gekoppelte Spindel, die eine Welle und ein Gewinde hat, eine auf der Spindel aufgenommene Spindelmutter, einen Zylinderblock mit einer Bohrung zur Aufnahme des Kolbens, wobei die Bohrung im wesentlichen koaxial mit dem Kolben ist und zur Aufnahme einer zu untersuchenden Fluidprobe ausgelegt ist, eine Einrichtung zum Bewirken relativer Dreh- und relativer Axialbewegungen des Kolbens bezüglich des Zylinderblockes, wobei die&e Bewirkungseinrichtung eine Einrichtung enthält, um eine relative Drehbewegung der Spindel und der Spindelmutter relativ zueinander zu bewirken, und gekennzeichnet durch eine federnde Einrichtung, die zwischen den Zylinderblock und die Spindelmutter und/oder zwischen den Kolben und die Spindel gekoppelt ist.
In bevorzugten Ausführungsformen dieses Pumpsystems ist folgendes vorgesehen:
Die federnde Einrichtung weist ein elastisches stabförmiges Element auf, das den Kolben und die Spindel koppelt.
Das elastische stabförmige Element ist innerhalb einer koaxialen hohlen Verlängerung der Spindel angeordnet.
Die besagte Bewirkungseinrichtung enthält Mittel, um der Spindelwelle eine rein rotatorische Bewegung mitzuteilen, die Spindelmutter ist mit Mitteln versehen, welche eine rotatorische Bewegung der Mutter verhindern, der Zylinderblock ist axial beweglich am Gestell gelagert.
Alternativ enthält die Bewirkungseinrichtung Mittel, um der Spindelwelle sowohl rotatorische als auch axiale Bewegung mitzuteilen, und die Spindelmutter ist mit Mitteln versehen, um eine rotatorische Bewegung dieser Mutter zu verhindern, aber eine axiale Bewegung der Mutter zu erlauben, und der Zylinderblock ist stationär am Gestell gehalten.
Bei einer anderen Alternative ist der Zylinderblock mit Lagerungsmitteln versehen, die sowohl axiale als auch rotatorische Bewegung des Blockes erlauben; die Bewirkungseinrichtung weist Mittel auf, um dem Zylinderblock rotatorische Bewegung mitzuteilen; zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter sind Kopplungsmittel vorgesehen, die den Block und die Mutter für gemeinsame Drehung koppeln und eine axiale Relativbewegung von Block und Mutter erlauben, und die Spindelwelle ist stationär am Rahmen gehalten.
Bei einer wiederum anderen Alternative ist der Zylinderblock für rein rotatorische Bewegung gelagert; zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter sind Kopplungsmittel vorgesehen, die den Block und die Mutter für gemeinsame Drehung koppeln und eine axiale Relativbewegung von Block und Mutter erlauben, und die Spindelwelle ist axial beweglich, aber drehfest am Rahmen gehalten.
Vorzugsweise enthält das System noch folgendes: eine Meßeinrichtung, die auf Änderungen des Abstandes zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter anspricht; eine Meßeinrichtung, die auf Volumenänderungen der Fluidprobe anspricht; eine mit der Zylinderbohrung kommunizierende Probenkammer.
Eine Einrichtung zum Regeln der Temperatur der Probe. Diese temperaturregelnde Einrichtung kann eine Thermostateinrichtung, eine Temperaturfühleinrichtung und eine mit der Thermostat- und der Fühleinrichtung funktionell gekoppelte Steuereinrichtung aufweisen.
Ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Pumpsystems, das die erwähnte Meßeinrichtung, die auf Änderungen des Abstandes zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter anspricht, und die erwähnte Meßeinrichtung, die auf Volumenänderungen der Fluidprobe anspricht, und eine Einrichtung zum Regeln der Temperatur der Probe enthält und also eine Kolbenpumpeneinrichtung aufweist, die einen Zylinderblock mit einer Bohrung zur Aufnahme einer unter Kompression zu untersuchenden Fluidprobe enthält, eine Einrichtung zum Antreiben der Kolbenpumpe, um die Probe mit Druck zu beaufschlagen, eine Einrichtung zum steuerbaren Heizen und Kühlen der Fluidprobe, eine erste Meßeinrichtung, die auf eine Änderung des Druckes der Probe anspricht und ein erstes elektrisches Ausgangssignal liefert, eine zweite Meßeinrichtung, die auf eine Änderung des Volumens der Probe anspricht und ein zweites elektrisches Ausgangssignal liefert, eine dritte Einrichtung, die auf eine Änderung der Temperatur der Fluidprobe anspricht und ein drittes elektrisches Ausgangssignal liefert, weist die folgenden Schritte auf: Steuern der Antriebseinrichtung und der steuerbaren Einrichtung zum Heizen und Kühlen derart, daß sich das erste und/oder das zweite und/oder das dritte Ausgangssignal (Druck, Volumen, Temperatur der Fluidprobe) zeitlich entsprechend einer beliebigen vorbestimmten Charakteristik ändern; Registrieren des ersten, des zweiten und des dritten elektrischen Ausgangssignals.
Die vorliegende Pumpe hat eine Mehrzahl wesentlicher Vorteile gegenüber dem Stand der Technk: Der Druck kann schnell aufgebaut werden, z.B. von 0 bis 200 MPa (2000 atm) innerhalb etwa 10 Sekunden, und der Druck kann sehr genau geregelt werden, z.B. innerhalb etwa 0,05 MPa (0,5 atm) bei einem Druck von etwa 200 MPa (2000 atm). Die Bedingungen k:nnen schnell geändert werden, z.B. kann man den Druck mit einer Frequenz bis etwa 5 Hz oszillieren lassen. Die vorliegende Pumpe kann für verschiedene Untersuchungen angewandt werden, z.B. zum Simulieren thermodynamischer Prozesse, z.B. Carnot-Prozesse, zum Messen thermodynamischer Parameter von Flüssigkeiten unter einer großen Vielzahl von Bedingungen, und dergleichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor, in denen
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Hochdrucksystems mit einer Hochdruckpumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Vorderansicht des Systems nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine isometrische Darstellung wesentlicher Teile des Systems nach den Figuren 1 und 2 ist, in welchem der Kolben drehbar, aber axial stationär gelagert ist, während der Zylinder zum Erlauben einer Axialbewegung gelagert ist;
Fig. 4 einen Axialschnitt einer Spindel/Kolben-Einheit der Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 3 zeigt;
Fig. 5 eine der Fig. 3 ähnliche isometrische Darstellung einer modifizierten, zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, bei welcher der Zylinder stationär ist und der Kolben sowohl axial beweglich als auch drehbeweglich gegenüber dem Zylinder ist;
Fig. 6 eine der Fig. 3 ähnliche isometrische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist, bei welcher der Zylinder sowohl drehbeweglich als auch axial beweglich und der Kolben stationär gelagert ist;
Fig. 7 eine der Fig. 3 ähnliche isometrische Darstellung einer vierten Ausführungsform ist, bei welcher der Zylinder drehbeweglich und der Kolben axial beweglich gelagert ist.
Gleichartige Elemente sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Zunächst sei auf die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen, in denen ein Hochdrucksystem gezeigt ist, das eine Grundplatte 10 und eine Gehäuse- bzw. Gestellstruktur 12 enthält. Zwei Elektromotoren 14, 16 mit einer gemeinsamen Welle 18 sind koaxial in einem unteren Abschnitt des Gestells 12 angeordnet. Ein mittlerer Teil des Gestells trägt ein Pumpensystem, das allgemein mit der Bezugszahl 20 bezeichnet ist und ausführlicher anhand der Fig. 3 beschrieben werden wird. Das Pumpensystem 20 enthält eine Spindelwelle 22, deren unterer Teil drehbar mittels eines Rollenlagerpaars 24 im Gestell gelagert ist und deren unteres Ende über ein Untersetzungsgetriebe 26 mit der Motorwelle 18 gekoppelt ist. Ein oberer Teil der Spindelwelle 22 ist mit einem feinen Gewinde 28 versehen. Das obere Ende der Spindelwelle 22 ist mit einem Ende eines stabförmigen federnden Elementes 30 (Fig. 3) verbunden, dessen anderes Ende mit einem zylindrischen Kolben 32 verbunden ist, wobei beide Teile aus Stahl bestehen. Der Kolben 32 ist von einem Zylinderblock 34 aufgenommen, der aus Stahl besteht und eine axiale Bohrung 36 hat. Die Axialbohrung 36 steht in Verbindung mit einer Probenkammer 38, gebildet durch einen dickwandigen Probenbehälter 40, der mit dem Zylinderblock 34 durch eine fluiddichte Verschraubung 42 verbunden ist. Die Bohrung 36 und die Probenkammer 38 sind dazu ausgelegt, eine zu untersuchende Flüssigkeitsprobe aufzunehmen.
Das Gewinde 28 der Spindelwelle ist von einer innengewindetragenden Mutter 44 aufgenommen, die mit dem Zylinderblock 34 über ein elastisches Element in Form einer starken Schraubenfeder 46 gekoppelt ist, welche so dimensioniert ist, daß sie der Reaktionskraft widersteht, die von der Probe erzeugt wird, wenn letztere einer komprimierenden Kraft ausgesetzt wird.
Die Mutter 44 wird an einer Drehbewegung durch eine Führungseinrichtung gehindert, die ein Rollenpaar 48 enthält, das durch Kugellager gebildet sein kann und von entgegengesetzten Wellen 50 gehalten wird, die ihrerseits an der Mutter 44 befestigt sind, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Rollen 48 laufen auf geraden Schienen 52, die am Gestell befestigt sind.
Die Bohrung des Zylinderblockes 34 ist mit mindestens einer Umfangsnut versehen, um einen O-Ring 54 zum Dichten des Kolbens 32 gegen die Zylinderbohrung 36 aufzunehmen.
Ein am Zylinderblock 34 befestigter seitlicher Tragbalken 58 hält eine erste Abstands-Meßeinrichtung 54, die eine die Welle 50 berührende Fühlstange 60 aufweist. Eine weitere Meßeinrichtung 62 ist justierbar am Gestell 12 montiert und weist eine den Tragbalken 58 berührende Fühlstange 64 auf.
Wie in Fig. 4 gezeigt, hat die Spindelwelle 22 einen hohlen oberen Teil 22a, dessen am weitesten innen liegender Abschnitt einen Sitz bildet, um im Preßsitz einen vergrößerten zylindrischen unteren Teil 66 der Kolbeneinheit aufzunehmen, die diesen festhaltenden Teil 66, den Kolben 32 und das verbindende Element 30 enthält, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der zylindrische hohle Teil 22a umgibt das federnde Element, um ein Ausknicken dieses Elementes zu verhindern. Der Kolben 32 hat ein konisches freies Ende 68, um das Einführen des Kolbens durch die O-Ring-Dichtung 54 in die Zylinderbohrung 36 zu erleichtern.
Arbeitsweise: Die Zylinderbohrung 36 und die Probenkammer 38 sind vollständig mit einer zu untersuchenden Flüssigkeitsprobe gefüllt. Die Probe wird über eine Öffnung am oberen Ende des Probenbehälters eingeführt; die Öffnung ist durch eine Schraubkappe 70 verschlossen. Wenn einer oder beide der Motoren erregt werden, wird die Spindelwelle 22 über das Untersetzungsgetriebe 26 gedreht. Der Kolben 32 vollführt eine Schraubenbewegung relativ zum Zylinderblock und rückt dabei in die Zylinderbohrung 36 vor, wenn die Drehung in einem ersten Sinne erfolgt. Der Kolben vollführt eine rein rotatorische Bewegung relativ zum Gestell 12 und somit relativ zum Zylinderblock 34, der axial beweglich ist aber durch das System der Rollen 48 und Schienen 52 an einer Drehung gehindert wird. Die Drehung des Kolbens und die Axialbewegung des Zylinderblockes resultieren in einer Schraubenbewegung des Kolbens relativ zur Zylinderbohrung. Die Drehung eliminiert dabei die Haftreibung zwischen der Hochdruckdichtung 54 und dem Kolben 32.
Die lineare Bewegung des Zylinderblockes 34 relativ zum Kolben 32 ist eine Funktion der Kompressibilität des Probenfluids. Diese lineare Bewegung wird durch die Abstands-Meßeinrichtung 62 gemessen.
Die axiale Kraft, die aus der Komprimierung des Probenfluids resultiert und proportional zur Verlängerung des Federelementes 46 ist, wird durch die Abstands-Meßeinrichtung 56 gemessen. So kann diese Einrichtung in Einheiten von Kraft oder Druck geeicht werden.
Das Drehmoment, das auf die Mutter 44 infolge der Reibungskräfte zwischen dem Kolben 32 und der Dichtung 54 wirkt, wird von dem Rollen/Schienen-System 48, 52 aufgenommen. Unerwünschte Kräfte infolge axialer Fehlausrichtung von Kolben 32 und Zylinderbohrung 36 werden durch Biegen des federnden Elementes 30 eliminiert. Das federnde Element wird durch den hohlen unteren Teil 22a der Spindelwelle 22 vor einem Ausknicken bewahrt, wie in Fig. 4 gezeigt. Eine genaue und zuverlässige Drucksteuerung ist sichergestellt durch die solide Verbindung zwischen dem Kolben 32 und der Spindelwelle 22 über das Element 30, das genügend steif und starr, aber auch ausreichend flexibel ist.
Zum Untersuchen von Fluidproben unter isotshermischen Bedingungen wird nur einer der Elektromotoren 14, 16 verwendet, um die Spindel mit einer relativ geringen Geschwindigkeit anzutreiben. Der andere Motor wird als Tachometer verwendet.
Für Untersuchungen unter pseudo-adiabatischen Bedingungen werden beide Motoren, die Gleichstrommotoren mit hohem Drehmoment sind, erregt, um einen schnellen Druckaufbau und schnelle Komprimierung herbeizuführen.
Die Fig. 5, die ähnliche wie Fig. 3 ist, zeigt wesentliche Teile einer modifizierten zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform nach Fig. 5 ist in vieler Hinsicht gleich derjenigen nach den Figuren 1 bis 4, deswegen werden nur die Unterschiede erläutert.
Der Hauptunterschied gegenüber der Fig. 3 besteht darin, daß der Zylinderblock 34 stationär am Gestell 12 befestigt ist und der Kolben 32 relativ zur Zylinderbohrung 36 sowohl drehbeweglich als auch axial beweglich ist. Um eine solche zusätzliche Axialbewegung zu erlauben, ist ein hinterer Teil der Spindelwelle 22 mit einer axialen Keilverzahnung versehen, auf welcher ein Zahnrad 74 mit innerer Keilverzahnung sitzt, das über Kugellager 24 drehbar, aber axial fest, im Gestell 12 gelagert ist und durch ein mit der Motorwelle 18 verbundenes Ritzel 76 angetrieben wird. Die Abstands-Meßeinrichtung 56 zum Messen der angelegten Kraft ist zwischen das Gestell und eine der seitlichen Wellen 50 gekoppelt. Die Abstands-Meßeinrichtung zum Messen der Kompressibilität ist zwischen das Gestell und die hintere Stimseite der Spindelwelle 22 gekoppelt.
Auch bei dieser Ausführungsform vollführt der Kolben 32 eine schraubenfirmige, haftreibungseliminierende Bewegung relativ zum Zylinderblock 34 und ist zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter 44 ein elastisches oder federndes Element 45 vorgesehen.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen darin, daß die Spindelwelle stationär und fest am Gestell 12 gehalten ist, und zwar mittels eines rohrähnlichen Befestigungselementes 78, das eine Nut/Keil-Verbindung mit der Spindelwelle bilden kann, um jegliche Drehung der Welle zu verhindern. Der Zylinderblock 34 ist am Gestell 12 durch ein Lagersystem 80 gehalten, das sowohl rotatorische als auch axiale Bewegung erlaubt. Der Zylinderblock 34 ist mit einer Keilwelle 82 verbunden, auf welcher ein mit Innen-Keilverzahnung versehenes Zahnrad 84 sitzt, das drehbar, aber axial unbeweglich durch Lagerungsmittel 86 am Gestell gehalten wird. Das Zahnrad 84 kämmt mit einem an der Motorwelle 18 befestigten Ritzel 76. Die Drehbewegung des Zylinderblockes 34 wird durch ein System von Schienen 88 und Rollen 90 auf die Spindelmutter 44 übertragen. Eine Schraubenfeder 46 oder ein anderes Federelement ist zwischen den Zylinderblock 34 und die Mutter 44 gekoppelt. Die kraftfühlende Abstands-Meßeinrichtung 56 ist zwischen die Mutter 44 und den Zylinderblock 34 gekoppelt, genauer gesagt zwischen die Mutter 44 und eine der Schienen 88. Die volumenfühlende Abstands-Meßeinrichtung 62 ist zwischen das Gestell und den Zylinderblock 34 gekoppelt, genauer gesagt zwischen das Gestell und die hintere Stirn der Keilwelle 82.
Bei dieser Ausführungsform bildet die Axialbohrung 36 des Zylinderblockes die Probenkammer. Bei einer modifizierten Ausführungsform erstreckt sich die Axialbohrung 36 in die Keilwelle 82 hinein. gemäß einer weiteren Modifikation hat die Keilwelle 82 eine axiale Bohrung und ist an ihrem hinteren Ende mit einem Probenbehälter verbunden, ähnlich dem Behälter 40 der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4. Die Einrichtung 62 kann in diesem Fall an das freie Ende des Behältes gekoppelt sein.
Die Ausführungsform nach Fig. 7 hat einen drehbaren, aber axial festen Zylinderblock und einen axial beweglichen, aber nicht drehbeweglichen Kolben 32. Der Zylinderblock 34 ist mit einer Welle 92 versehen, die durch Lager 94 im Gestell gelagert ist und über ein Getriebe 26 mit den Motoren 14, 16 gekuppelt ist. Die Probenkammer ist durch die Zylinderbohrung 36 gebildet, oder zusätzlich durch eine Verlängerung dieser Bohrung in die Welle 92, oder durch eine Probenkammer (nicht gezeigt), die mit einer Axialbohrung der Welle 92 verbunden ist, wie anhand der Fig. 6 erläutert wurde.
Die Keilwelle 22 sitzt mit einem keilverzahnten hinteren Ende 96 in einem innen-keilverzahnten Lagerungselement 98, das eine axiale Bewegung der Keuwelle 22 erlaubt, jedoch eine Drehbewegung dieser Welle verhindert. Die auf dem Gewindeteil 28 der Spindelwelle 22 sitzende Mutter 44 ist über ein Schienen/Rollen-System 88, 90 ähnlich demjenigen nach Fig. 6 mit dem Zylinderblock 34 gekoppelt, um sich mit letzterem zu drehen. Die kraftfühlende Abstands-Meßeinrichtung 56 ist zwischen die Mutter und den Zylinderblock gekoppelt, wie in Fig. 6 gezeigt. Die volumenfühlende Abstands-Meßeinrichtung 62 ist zwischen das Gestell und die Spindelwelle 22 gekoppelt. Eine Schraubenfeder 46 oder ein anderes Federelement verbindet den Zylinderblock 34 und die Spindelmutter 44.
Die Arbeitsweise der anhand der Figuren 5 bis 7 beschriebenen Ausführungsformen sollte deutlich sein angesichts der Erläuterung der Arbeitsweise der anhand der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen.
Die oben beschriebenen Systeme sind nützlich für verschiedene Arten von Untersuchungen an Fluidproben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Untersuchung von Rohöl.
Manche Arten von Untersuchungen, die nachstehend angesprochen werden, erfordern eine Änderung und Messung der Temperatur der untersuchten Probe. In solchen Fällen müssen die oben beschriebenen Systeme um irgendwelche herkömmlichen Temperaturfühler und Temperatur-Steuereinrichtungen erweitert werden, etwa Kanäle für das Zirkulieren eines thermisch geregelten Fluids zum Steuern oder Regeln der Temperatur der die Probe enthaltenden Kammern, z.B. des Zylinderblockes 34 und des Probenbehälters 40.
Solche Temperaturregeleinrichtungen können einen Thermostaten 100, Temperaturfühler 102a, 102b und eine Steuereinheit 104 aufweisen.
Im allgemeinen enthalten die Abstands-Meßeinrichtungen 56 und 62, die in den Zeichnungen als Meßuhren dargestellt sind, elektrische Wandler, so daß ein elektrisches Ausgangssignal für Aufzeichnungs- und/oder Steuerzwecke verfügbar ist.
Es wurde bereits oben erwähnt, daß nur einer der Elektromotoren 14, 16 verwendet wird, wenn eine Fluidprobe unter isothermischen Bedingungen untersucht werden soll; der andere Motor wird dann als Tachometer benutzt. Somit erzeugt dieser Motor ein Drehzahlsiqnal, das dazu verwendet wird, die Speiseleistung des antreibenden Motors derart zu regeln, daß eine konstante Komprimierungsgeschwindigkeit resultiert. Gleichzeitig mit der Komprimierung werden die von der Einrichtung 56 gefühlte Druckänderung und die von der Einrichtung 62 gefühlte Volumenänderung aufgezeichnet. Falls nötig, wird die Temperatur der Probe durch die oben erwähnte thermische Regelung konstant gehalten.
Für Untersucherungen unter pseudo-adiabatischen Bedingungen werden beide Motoren erregt, um einen schnellen Druckaufbau herbeizuführen, und die Änderungen der Kraft und des Volumens werden aufgezeichnet.
Wenn eine Substanz unter isochoren Bedingungen untersucht werden soll, wird die Temperatur der Probe geändert, und das elektrische Ausgangssjignal der volumenfühlenden Einrichtung
62 wird verwendet, um den antreibenden Motor oder die Motoren so zu steuern, daß das Volumen während der Komprimierung konstant gehalten wird. Die Änderungen von Druck und Temperatur werden aufgezeichnet.
Für eine Untersuchung unter isobaren Bedingungen wird die Temperatur der untersuchten Probe geändert, und das elektrische Ausgangssignal der kraftfühlenden Einrichtung 56 wird verwendet, um den antreibenden Motor oder die Motoren 14, 16 so zu steuern, daß der Druck konstant gehalten wird.
Fachleuten wird erkennbar sein, daß verschiedene Modifikationen der beschriebenen speziellen Ausführungsformen möglich sind. So kann das Federelement ein Balgenelement oder eine andere elastische Einrichtung sein, die geeignet ist, den vorkommenden Kräften zu widerstehen.

Claims

1. Pumpsystem, aufweisend

- ein Gestell [12];

- einen Kolben [32], der eine Längsachse hat;

- eine mit dem Kolben gekoppelte Spindel, die eine Welle [28] und ein Gewinde [28] hat;

- eine auf der Spindel aufgenommene Spindelmutter [44],

- einen Zylinderblock [34] mit einer Bohrung [36] zur Aufnahme des Kolbens, wobei die Bohrung im wesentlichen koaxial mit dem Kolben ist und zur Aufnahme einer zu untersuchenden Fluidprobe ausgelegt ist;

- eine Einrichtung [14, 16, 26] zum Bewirken relativer Dreh- und relativer Axialbewegungen des Kolbens bezüglich des Zylinderblockes, wobei diese Bewirkungseinrichtung eine Einrichtung enthält, um eine relative Drehbewegung der Spindel und der Spindelmutter relativ zueinander zu bewirken;

gekennzeichnet durch

- eine federnde Einrichtung [30, 46], die zwischen den Zylinderblock [34] und die Spindelmutter [44] und/oder zwischen den Kolben [32] und die Spindel [28] gekoppelt ist.

2. System nach Anspruch 1, in welchem die federnde Einrichtung ein elastisches stabförmiges Element [30] aufweist, das den Kolben [32] und die Spindel [28] koppelt.

3. System nach Anspruch 2, in welchem das elastische stabförmige Element innerhalb einer koaxialen hohlen Verlängerung [22a] der Spindel [22, 28] angeordnet ist.

4. System nach Anspruch 1, in welchem die Bewirkungseinrichtung Mittel [14, 16, 26] enthält, um der Spindelwelle [22] eine rein rotatorische Bewegung mitzuteilen, die Spindelmutter [44] mit Mitteln [48, 50, 52] versehen ist, welche eine rotatorische Bewegung dieser Mutter verhindert, und der Zylinderblock [34] axialbeweglich am Gestell [12] gelagert ist.

5. System nach Anspruch 1, in welchem die Bewirkungseinrichtung Mittel [14, 16, 72, 74, 76] enthält, um der Spindelwelle [22] sowohl rotatorische als auch axiale Bewegung mitzuteilen, und die Spindelmutter [44] mit Mitteln [48, 50, 52] versehen ist, um eine rotatorische Bewegung dieser Mutter zu verhindern, aber eine axiale Bewegung der Mutter zu erlauben, und der Zylinderblock [34] stationär am Gestell gehalten ist [Fig. 5].

6. System nach Anspruch 1, in welchem der Zylinderblock [34] mit Lagerungsmitteln versehen ist, die sowohl axiale als auch rotatorische Bewegung dieses Blockes erlauben, die Bewirkungseinrichtung Mittel aufweist, um dem Zylinderblock rotatorische Bewegung mitzuteilen, zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter [44] Kopplungsmittel vorgesehen sind, wobei diese Kopplungsmittel [88, 90] den Block und die Mutter für gemeinsame Drehung koppeln und eine axiale Relativbewegung von Block und Mutter erlauben und die Spindelwelle [22] stationär am Rahmen gehalten ist [Fig. 6].

7. System nach Anspruch 1, in welchem der Zylinderblock [34] für rein rotatorische Bewegung gelagert ist, zwischen dem Zylinderblock und der Spindelmutter [44] Kopplungsmittel [88, 90] vorgesehen sind, die den Block und die Mutter für gemeinsame Drehung koppeln und eine axiale Relativbewegung von Block und Mutter erlauben, und die Spindelwelle [22] axial beweglich, aber drehfest am Rahmen gehalten ist [Fig. 7].

8. Pumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Meßeinrichtung [56], die auf Änderungen des Abstandes zwischen dem Zylinderblock [34] und der Spindelmutter [44] anspricht.

9. Pumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Meßeinrichtung [62], die auf Volumenänderungen der Fluidprobe anspricht.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine mit der Zylinderbohrung [36] kommunizierende Probenkammer [40].

-11. Pumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend eine Einrichtung [100, 102a..., 104] zum Regeln der Temperatur der Probe.

12. Pumpsystem nach Anspruch 11, in welchem die temperaturregelnde Einrichtung eine Thermostateinrichtung [100], eine Temperaturfühleinrichtung [102a...] und eine mit der Thermostat- ünd der Fühleinrichtung funktionell gekoppelte Steuereinrichtung [104] aufweist.

13. Verfahren zum Betreiben eines Pumpsystems nach den Ansprüchen 1, 8, 9 und 11 zur Untersuchung einer Fluidprobe, wobei dieses System aufweist:

- eine Kolbenpumpeneinrichtung, die einen Zylinderblock mit einer Bohrung zur Aufnahme einer unter Kompression zu untersuchenden Fluidprobe enthält,

- eine Einrichtung zum Antreiben der Kolbenpumpe, um die Probe mit Druck zu beaufschlagen,

- eine Einrichtung zum steuerbaren Heizen und Kühlen der Fluidprobe,

- eine erste Meßeinrichtung, die auf eine Änderung des Druckes der Probe anspricht und ein erstes elektrisches Ausgangssignal liefert,

- eine zweite Meßeinrichtung, die auf eine Änderung des Volumens der Probe anspricht und ein zweites elektrisches Ausgangssignal liefert,

- eine dritte Meßeinrichtung, die auf eine Änderung der Temperatur der Fluidprobe anspricht und ein drittes elektrisches Ausgangssignal liefert,

wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Steuern der Antriebseinrichtung und der steuerbaren Einrichtungen zum Heizen und Kühlen derart, daß sich das erste und/oder das zweite und/oder das dritte elektrische Ausgangssignal [Druck, Volumen, Temperatur der Fluidprobe] zeitlich entsprechend einer beliebigen vorbestimmten Charakteristik ändern,

- Registrieren des ersten, des zweiten und des dritten elektrischen Ausgangssignals.