EP0253122A2 - Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten - Google Patents

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EP0253122A2
EP0253122A2 EP87108050A EP87108050A EP0253122A2 EP 0253122 A2 EP0253122 A2 EP 0253122A2 EP 87108050 A EP87108050 A EP 87108050A EP 87108050 A EP87108050 A EP 87108050A EP 0253122 A2 EP0253122 A2 EP 0253122A2
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EP
European Patent Office
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piston
cylinder
pump
pump cylinder
ptfe
Prior art date
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EP87108050A
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English (en)
French (fr)
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EP0253122B1 (de
EP0253122A3 (en
Inventor
Willi Dipl.-Ing. Nieratschker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
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Publication of EP0253122A3 publication Critical patent/EP0253122A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps 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
    • F04B15/08—Pumps 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps
    • Y10S417/01—Materials digest
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps
    • Y10S417/901—Cryogenic pumps

Definitions

  • the invention relates to a piston pump for cryogenic liquids with a pump cylinder, in which a piston can be moved in a sealed, oscillating manner, with an inlet and an outlet valve and with an annular channel surrounding the pump cylinder on the outside, which forms a drain for the cryogenic fluid conveyed by the pump .
  • Piston pumps of this type are used to pump cryogenic fluids liquids, for example for liquid nitrogen or liquid hydrogen (CF Gottzmann, High Pressure Liquid Hydrogen and Helium Pumps, AICE, Advances in Cryogenic Engineering, Volume 5, 1960, pages 289 to 298.)
  • the low temperatures cause a very limited choice of materials, lead to shrinkage problems, especially in the piston-cylinder pairing, and prevent the use of additive lubricants.
  • the low kinematic viscosity of the liquid to be conveyed also means a low lubricating property, so that one has to rely on self-lubricating piston-cylinder surfaces.
  • the compression chamber can be sealed either by surfaces with self-lubricating properties or by so-called gas-bearing or non-contact seals.
  • Another indispensable aid is the cooling of the cylinder wall either with the already evaporated leak portion (US Pat. No. 4,396,362) or with the main flow on the pressure side through the pump body (US Pat. No. 4,156,584).
  • This avoids the accumulation of heat in the cylinder wall. It is transported out with the cryogenic fluid. Downstream of the compression chamber, the supply of heat to the cryogenic medium is far less critical than in the suction chamber, since in particular downstream of the outlet valve, the supply of heat is even noticeable as an increase in pressure. In particular, if the critical pressure is exceeded, there is no longer a risk of a two-phase flow.
  • austenitic steels such as austenitic low-temperature steels, Fe Ni 36, bronze, PTFE (polytetrafluoroethylene), PTFE-carbon, PTFE-bronze, PTFE graphite, ceramic, carbon fiber reinforced plastic.
  • a piston pump of the type described in the introduction in that the cylinder is made of a material with good sliding and self-lubricating properties and a coefficient of thermal expansion which is greater than that of the piston, that the dimensions of the cylinder and the piston are chosen such are, that at the operating temperature the piston is sealed against the inner wall of the cylinder, and that the outlet valve is arranged at the downstream end of the ring channel.
  • the use of piston rings is therefore completely dispensed with here.
  • the seal is made in that the entire pump cylinder is made of a material that is normally used for the piston rings. Dimensions are chosen so that an optimal seal takes place at the operating temperature. Since the materials used for the cylinder have a much higher thermal expansion than the cylinder, the gap between the piston and the inner wall of the cylinder increases as it warms up. Although the function of the pump is slightly affected by this, there is neither the risk of the piston pressing down nor the risk of deformation of the parts used. It is even advantageous if cryogenic fluid can flow through the small gap between the piston and the cylinder inner wall when the pump is cold, since this accelerates the cooling of all parts.
  • the outlet valve is arranged at the downstream end of the ring channel, so that the same high pressure prevails in the ring channel as in the interior of the pump cylinder. This ensures that the cylinder is acted upon from the inside and outside with the same pressure, that is, the total mechanical stress on the cylinder is reduced to a minimum.
  • the forces acting on the cylinder from the outside inward, at least in the area of the suction chamber are greater than the forces acting from the inside out, so that the cylinder is pressed against the piston in a sealing manner. This measure also contributes to improving the seal between the piston and the cylinder inner wall.
  • Another advantage results from the fact that the area of the self-lubricating cylinder inner wall covered by the piston, which corresponds to the stroke of the piston, is substantially larger than a corresponding contact area of a piston ring on a conventional cylinder, so that the abrasion and wear of the self-lubricating material can be significantly reduced.
  • the cylinder is preferably made of PTFE, PTFE graphite, PTFE bronze, PTFE carbon, carbon fiber reinforced plastic or brass, while the piston is preferably made of stainless steel with low thermal expansion, in particular austenitic low-temperature steels or Fe Ni 36.
  • the piston carries one or more annular shoulders on its outer surface, which lie sealingly against the inner wall of the pump cylinder.
  • Such essentially linear seals reduce the friction between the piston and the cylinder wall and thus also the undesirable heat generated during the pumping process.
  • the piston for training a ring shoulder is spherically ground in the area of this ring shoulder.
  • the piston is hollow and open on one side, and a passage which can be closed by means of a check valve is arranged in the piston.
  • a hollow body has the advantage that the piston has a low mass to be cooled, so that particularly rapid cooling is possible. This is exacerbated by the fact that the cryofluid flows around this piston during cooling on the outside and inside, as does the pump cylinder, which also flows around the inside and outside of the cryofluid when cooling.
  • the annular channel has such a small extent in the radial direction that the volume of the annular channel is small compared to the amount of liquid delivered per piston stroke. In this way, an increased flow velocity in the ring channel and thus a particularly effective heat dissipation from the pump cylinder are achieved.
  • the pump cylinder can be shrunk at one end onto a cylinder head, while it ends freely at its opposite end and the liquid conveyed flows around it in this area.
  • the piston pump shown in the drawing comprises a cylindrical vacuum vessel 1 with flanges 2 and 3 on the top and bottom, respectively. With these flanges 2 and 3 covers 4 and 5 are screwed sealed.
  • the interior of the vacuum vessel can be evacuated via a closed side nozzle 6.
  • a tube 8 made of a glass fiber reinforced plastic is pushed onto a metal sleeve 7 held in the middle on the upper cover 4 and fixed, for example by gluing.
  • the free, flange-shaped outward end 9 of the tube 8 is screwed to a cover plate 10, which in turn closes a thin-walled outer cylinder 11 on the top.
  • This outer cylinder 11 is screwed sealed to a cylinder head 13 on the underside via a fastening ring 12.
  • the cylinder head 13 projects into the lower part of the outer cylinder 11 and has in this area a centrally arranged valve chamber 14, in the upper side of which a valve holder 15 is screwed.
  • a suction line 16 opens into it, which is sealed by the lower cover 5 of the vacuum vessel 1 is passed through and vacuum insulated.
  • the inlet of the suction line 16 into the valve chamber 14 is designed as a valve seat for a spherical cap-shaped valve body 17 which is guided in the valve holder 15 and is pressed against the valve seat by a beryllium-copper spring 18.
  • the valve body 17 can be lifted against the action of the spring 18 from the valve seat.
  • the part of the cylinder head 13 protruding into the outer cylinder 11 has a stepped recess 19 at its upper end.
  • a pump cylinder 20 which is open on both sides, is shrunk onto the cylinder head 13 and forms an annular channel 21 which is narrow in the radial direction between its outer wall and the inner wall of the outer cylinder 11.
  • the end of the pump cylinder 20 opposite the cylinder head 13 is freely arranged at a short distance from the cover plate 10, so that the interior of the pump cylinder 20 is in flow connection with the annular channel 21.
  • Passages 22 in the valve holder 15 continue to connect the interior of the pump cylinder 20 with the valve chamber 14.
  • the annular channel 21 opens into an annular space 23 which is enlarged in the radial direction and is incorporated in the fastening ring 12.
  • an exhaust valve 24 is attached, which connects the annular space 23 to an exhaust line 25, which also passes through the lower cover 5 and is vacuum-insulated.
  • the outlet valve 24 comprises a spherical valve body 26 which is pressed against a valve seat 28 by means of a spring 27.
  • a hollow piston 29 is arranged in the interior of the pump cylinder 20 and has a plurality of spherically ground regions 30 on its outer jacket, which are arranged at a distance from one another in the axial direction and which bear with their circumferential largest part on the inner wall of the pump cylinder 20.
  • the hollow piston 29 is open on one side, on the opposite side it has an opening 32 in an end wall 31 through which a lifting and pulling rod 33 passes.
  • This lifting and pulling rod 33 carries in the interior of the hollow piston 29 a valve body 34 on which a compression spring 35 is supported, the other end of which rests on a snap ring 36 at the open end of the hollow piston 29.
  • the compression spring 35 displaces the valve body 34 in the direction of the passage opening 32. When the valve body 34 abuts the passage opening 32, it closes it.
  • the lifting and pulling rod is passed through the cover plate 10 of the outer cylinder 11 and is surrounded by a thin metal tube 37 in the region of the tube 8 and the metal sleeve 7.
  • This metal tube 37 is sealed in the upper cover 4 by an annular seal 38 with respect to the lifting and pulling rod 33, which passes through the cover 4 towards the top.
  • a reciprocating drive for the lifting and pulling rod is not shown in the drawing.
  • the hollow piston 29 consists of a metal with low thermal expansion, for example austenitic cold-tough steel or Fe Ni 36.
  • the pump cylinder 20 is made of a material which on the one hand has good sliding and self-lubricating properties with respect to the piston material shows and on the other hand has a much greater thermal expansion than the piston material.
  • the pump cylinder can be made of PTFE, PTFE graphite, PTFE bronze, PTFE carbon, carbon fiber reinforced carbon or brass.
  • the dimensions of the piston and the pump cylinder are chosen so that at the operating temperature, i.e. the temperature of the cryogenic liquid being pumped, the piston in the spherically ground regions 30 lies sealingly against the inner wall of the pump cylinder 20, while at higher temperatures there is a gap between the Hollow piston 29 and the pump cylinder 20 occurs.
  • valve body 34 is lifted from the passage opening 32 in a downward stroke, in which the lifting and pulling rod 33 is moved downward, so that the liquid in the interior of the pump cylinder 20 is separated from the open underside of the hollow piston 29 passes through the passage opening 32 to the top of the hollow piston 29 ( Figure 1).
  • an outward stroke in which the lifting and pulling rod 33 is pulled upward, the passage opening 32 in the hollow piston 29 is closed by the valve body 34.
  • both the inlet valve (valve body 17) and the outlet valve 24 (valve body 26) are opened, so that liquid to be conveyed via the suction line 16 is sucked into the part of the pump cylinder 20 below the hollow piston 29, while at the same time the liquid is out the pump cylinder 20 arranged above the hollow piston 29 is fed through the annular channel 21 and the open outlet valve 24 to the outlet line 25 (FIG. 2).
  • the fluid flowing around the pump cylinder 20 on the inside and on the outside effectively cools the pump cylinder and dissipates heat generated by the friction on the pressure side.
  • the seal between the piston and the pump cylinder is optimal at operating temperature, at higher temperatures there is a slight leak, which is not annoying, on the contrary, it accelerates cooling when the pump is started.
  • the pump By arranging the pump in a vacuum container, it can be operated in a non-immersed state.
  • the only heat-conducting bridges to the outside are the vacuum-insulated suction line 16, the likewise vacuum-insulated outlet line 25, the lifting and pulling rod 33 with the tube 37 enveloping them, and the metal sleeve 7 and the pushed-on tube 8 made of glass-fiber reinforced plastic.
  • These Thermal bridges are designed in such a way that an overall excellent thermal insulation of the actual pump unit from the environment is achieved.
  • the sealing of the lifting and pulling rod 33 takes place in the area of the upper cover 4, that is to say at elevated temperatures, so that a very effective sealing is possible there.
  • the lifting and pulling rod 33 Inside the metal tube 37, the lifting and pulling rod 33 is surrounded by a gas cushion, which remains essentially unchanged there.
  • the dead volume filled with gas between the metal tube 37 and the lifting and pulling rod 33 is chosen to be as small as possible.
  • hollow piston 29 shown in FIGS. 1 and 2 has four spherically ground regions 30 in the axial direction, only two spherically ground regions 30 are provided in the modified hollow piston shown in FIG. 3 at the upper and lower ends of the hollow piston. With this piston, too, an excellent seal between the piston and the pump cylinder can be achieved at operating temperature in the construction according to the invention.
  • pistons of other types can also be used, for example cylindrically ground pistons or compact pistons without a valve-closed passage opening.

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Abstract

Um bei einer Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einem Pumpzylinder (20), in dem ein Kolben (29) abgedichtet oszillierend verschiebbar ist, mit einem Einlaß- und einem Auslaßventil (17, 24) und mit einem den Pumpzylinder (20) an der Außenseite umgebenden Ringkanal (21), der einen Abfluß für die von der Pumpe geförderte Kryoflüssigkeit bildet, eine optimale Abdichtung bei den Betriebstemperaturen zu erreichen, ohne daß bei höheren Temperaturen die Kolbenbewegung behindert ist, wird vorgeschlagen, daß der Zylinder (20) aus einem Material mit guten Gleit- und Selbstschmiereigenschaften und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt ist, der größer ist als der des Kolbens (29), daß die Abmessungen des Zylinders (20) und des Kolbens (29) derart gewählt sind, daß bei der Betriebstemperatur der Kolben gegenüber der Innenwand des Zylinders abgedichtet ist, und daß das Auslaßventil (24) am stromabwärts gelegenen Ende des Ringkanals (21) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für kryogene Flüs­sigkeiten mit einem Pumpzylinder, in dem ein Kolben abge­dichtet oszillierend verschiebbar ist, mit einem Einlaß- und einem Auslaßventil und mit einem den Pumpzylinder an der Außenseite umgebenden Ringkanal, der einen Abfluß für die von der Pumpe geförderte Kryoflüssigkeit bildet.
  • Kolbenpumpen dieser Art werden zur Förderung von Kryoflüs­ sigkeiten eingesetzt, beispielsweise für Flüssigstickstoff oder Flüssigwasserstoff (C. F. Gottzmann, High Pressure Liquid Hydrogen and Helium Pumps, AICE, Advances in Cryoge­nic Engineering, Band 5, 1960, Seiten 289 bis 298.)
  • Bei der Förderung kryogener Flüssigkeiten ergeben sich Schwierigkeiten durch den siedenden Zustand der zu fördern­den Medien, ihre tiefen Temperaturen und ihre geringe kine­matische Zähigkeit. Die tiefen Temperaturen verursachen ei­ne stark eingeschränkte Werkstoffauswahl, führen zu Schrum­pfungsproblemen, insbesondere bei der Kolben-Zylinder-Paa­rung, und verhindern die Verwendung von additiven Schmier­mitteln. Die geringe kinematische Zähigkeit der zu fördern­den Flüssigkeit bedeutet auch eine geringe Schmiereigenschaft, so daß man auf selbstschmierende Kolben-Zylinderoberflächen angewiesen ist. Die Abdichtung des Verdichtungsraumes kann also entweder durch Oberflächen mit selbstschmierenden Ei­genschaften oder durch sogenannte gasgelagerte oder berüh­rungsfreie Dichtungen erfolgen.
  • Im Widerspruch zur Abdichtung steht die Forderung nach mini­malen Reibungsverlusten zwischen Kolben und Zylinder, da je­de Wärmezufuhr zur Bildung von Dampfblasen führt. Dies soll­te weitestgehend vermieden werden, um die Funktionsfähigkeit der Pumpe aufrechtzuerhalten. Gasanteile von etwa 15 bis 20 Volumen-% können je nach gefördertem Enddruck und volu­metrischem Wirkungsgrade toleriert werden. Bei Vollkolben­pumpen, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 4 156 584 und 4 396 362 beschrieben sind, wird der verdampf­te Anteil über eine Leckleitung zurück in den Vorratsbehäl­ter oder zur Zufuhrleitung zurückgeführt. Bei Hubkolbenpum­ pen (DE-OS 33 42 381) mit einem hohlen Kolben ist eine Leck­leitung nicht nötig, da hier beim Arbeitshub die im Spalt infolge Reibung verdampfende Flüssigkeit zum Saugraum zu­rückfließen kann und beim nächsten Arbeitshub mitgefördert wird.
  • Ein weiteres unabdingbares Hilfsmittel ist die Kühlung der Zylinderwand entweder mit dem ohnehin schon verdampften Leck­anteil (US-PS 4 396 362) oder mit dem druckseitigen Haupt­strom durch den Pumpenkörper (US-PS 4 156 584). Dadurch wird die Akkumulation von Wärme in der Zylinderwand vermieden. Sie wird mit dem kryogenen Fluid heraustransportiert. Strom­abwärts des Verdichtungsraumes ist eine Wärmezufuhr in das kryogene Medium weitaus weniger kritisch als noch im Saug­raum, da sich insbesondere stromabwärts des Auslaßventils eine Wärmezufuhr sogar als Druckerhöhung bemerkbar macht. Insbesondere besteht im Falle des Überschreitens des kriti­schen Drucks die Gefahr einer Zweiphasen-Strömung nicht mehr.
  • Aus den genannten Gründen kommen für die wichtigen Teile einer Pumpe wie Kolben, Zylinder und Dichtringe folgende Materialien infrage: austenitische Stähle, wie zum Beispiel austenitische kaltzähe Stähle, Fe Ni 36, Bronze, PTFE (Poly­tetrafluorethylen), PTFE-Kohle, PTFE-Bronze, PTFE-Graphit, Keramik, karbonfaserverstärkter Kunststoff.
  • Während Keramik und karbonfaserverstärkter Kunststoff noch relativ wenig erforscht sind, werden bekannte Pumpenkolben und Pumpzylinder meist aus austenitischen kaltzähen Stählen oder Fe Ni 36 gefertigt. Die Abdichtung des Verdichtungsraumes erfolgt mittels Kolbenringen aus PTFE-Graphit oder PTFE-Kohle. Beide Materialien haben extrem gute Gleiteigenschaften ge­genüber Stahl und überdies selbstschmierende Eigenschaften. Von Nachteil ist der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient. So ist die thermische Ausdehnung bei Abkühlung von Umgebungstem­peratur auf 77 K bei PTFE sechs- bis siebenmal höher als bei Edelstahl und fast vierzigmal höher als bei Fe Ni 36-Stahl. Die radiale Schrumpfung der PTFE-Kolbenringe ist daher kritisch.
  • Bei geschlitzten Kolbenringen kann die Schrumpfung durch Federvorspannung mittels Beryllium-Kupfer-Federn ausgegli­chen werden. Nachteilig ist jedoch das Leck durch den Schlitz und die aufwendige Herstellung.
  • Bei ungeschlitzten PTFE-Kolbenringen kann der bei Abküh­lung sich vergrößernde Spalt zwischen Kolben und Zylinder durch Kombination mehrerer Maßnahmen verkleinert werden:
    • 1. Man verkleinert die Kolbenringdicke so weit wie tech­nisch möglich, um die absolute Schrumpfung zu verklei­nern;
    • 2. durch Aufschrumpfen des Kolbenringes auf einen Fe Ni 36-­Kolben bleibt bei Abkühlung der Innendurchmesser des Kolbenringes praktisch konstant, so daß nur die Querkon­traktion maßgebend ist;
    • 3. Durch Verwendung von austenitischen kaltzählen Stählen als Zylindermaterial verringert sich schließlich der entste­hende Spalt auf die Differenz zwischen der Querkontraktion des PTFE und der Schrumpfung des Zylinders aus auteniti­schem kaltzähem Stahl.
  • Für Hochdruckpumpen (Druckerhöhung > 10 bar) ist der durch diese Maßnahmen erzielbare Spalt immer noch zu groß. Eine weitere Möglichkeit ist der Einbau des kalten Kolbens mit Kolbenringen, die bei Umgebungstemperatur gegenüber dem Zy­linder Übermaß aufweisen. Ein Nachteil ist jedoch, daß dann der Kolben im Zylinder in warmem Zustand festgepreßt ist, so daß eine Bewegung des Kolbens in warmem Zustand nicht möglich ist. Außerdem sing dabei plastische Verformungen der Kolbenringe nicht auszuschließen.
  • Es wäre auch möglich, den Kolben mit einer PTFE-Schicht zu beschichten. Hier sind die Einhaltung der Toleranz beim Be­spritzen des Kolbens und die Lebensdauer der Schicht (Schicht­dicke 15 bis 40 µm) auf Abrieb kritisch.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von dem durch die US-PS 4 156 534 repräsentierten Stand der Technik eine Kol­benpumpenkonstruktion anzugeben, die ohne Verwendung von Kolbenringen bei der Betriebstemperatur eine optimale Ab­dichtung ermöglicht, ohne daß im warmen Zustand die Bewe­gungsmöglichkeit des Kolbens eingeschränkt wäre.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenpumpe der eingangs be­schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zy­linder aus einem Material mit guten Gleit- und Selbstschmier­eigenschaften und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefer­tigt ist, der größer ist als der des Kolbens, daß die Abmes­sungen des Zylinders und des Kolbens derart gewählt sind, daß bei der Betriebstemperatur der Kolben gegenüber der In­nenwand des Zylinders abgedichtet ist, und daß das Auslaß­ventil am stromabwärts gelegenen Ende des Ringkanals ange­ordnet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird also hier auf die Verwendung von Kolbenringen ganz verzichtet. Die Abdich­tung erfolgt dadurch, daß der gesamte Pumpenzylinder aus ei­nem Material gefertigt ist, wie es normalerweise für die Kolbenringe verwendet wird. Abmessungen sind dabei so gewählt, daß bei der Betriebstemperatur eine optimale Abdich­tung erfolgt. Da die für den Zylinder verwendeten Materialien eine wesentlich höhere Wärmeausdehnung aufweisen als der Zy­linder, vergrößert sich der Spalt zwischen Kolben und Zylin­derinnenwand beim Aufwärmen. Dadurch wird zwar die Funktion der Pumpe geringfügig beeinflußt, jedoch besteht weder die Gefahr eines Festpressens des Kolbens noch die Gefahr einer Verformung der verwendeten Teile. Es ist sogar vorteilhaft, wenn beim Kaltfahren der Pumpe Kryoflüssigkeit durch den ge­ringen Spalt zwischen Kolben und Zylinderinnenwand strömen kann, da dadurch die Abkühlung aller Teile beschleunigt wird.
  • Da die zur Herstellung des Zylinders verwendeten Materialien eine wesentlich geringere Festigkeit aufweisen als herkömm­liche Zylindermaterialien, wird als weitere Maßnahme vorge­sehen, daß das Auslaßventil am stromabwärts gelegenen Ende des Ringkanals angeordnet ist, so daß im Ringkanal derselbe hohe Druck herrscht wie im Inneren des Pumpzylinders. Dadurch wird erreicht, daß der Zylinder von innen und von außen mit dem gleichen Druck beaufschlagt ist, daß also insgesamt die mechanische Beanspruchung des Zylinders auf ein Mindestmaß reduziert wird. Außerdem sind die von außen nach innen auf den Zylinder wirkenden Kräfte zumindest im Bereich des Saug­raumes größer als die von innen nach außen wirkenden Kräfte, so daß der Zylinder von außen abdichtend an den Kolben ange­preßt wird. Auch diese Maßnahme trägt zur Verbesserung der Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderinnenwand bei.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die vom Kolben überstrichene Fläche der selbstschmierenden Zylinderinnen­wand, die dem Hub des Kolbens entspricht, wesentlich größer ist, als eine entsprechende Kontaktfläche eines Kolbenringes an einem herkömmlichen Zylinder, so daß dadurch der Abrieb und der Verschleiß des selbstschmierenden Materials wesent­lich herabgesetzt werden können.
  • Vorzugsweise besteht der Zylinder aus PTFE, PTFE-Graphit, PTFE-Bronze, PTFE-Kohle, karbonfaserverstärktem Kunststoff oder Messing, während der Kolben vorzugsweise aus Edelstahl mit geringer Wärmeausdehnung besteht, insbesondere aus aus­tenitischen kaltzähen Stählen oder Fe Ni 36.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Kolben an seiner Mantelfläche eine oder mehrere Ringschultern trägt, die abdichtend an der Innenwand des Pumpzylinders anliegen. Durch derartige im wesentlichen li­nienförmige Abdichtungen wird die Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand herabgesetzt und damit auch die beim Pump­vorgang erzeugte, unerwünschte Wärme.
  • Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Kolben zur Ausbildung einer Ringschulter im Bereich dieser Ringschulter ballig ge­schliffen ist.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kol­ben hohl und einseitig offen ausgebildet und im Kolben ist ein mittels eines Rückschlagventils verschließbarer Durch­laß angeordnet. Die Verwendung eines solchen Hohlkörpers hat den Vorteil, daß der Kolben geringe abzukühlende Masse auf­weist, so daß eine besonders rasche Abkühlung möglich ist. Dies wird noch dadurch verstärkt, daß dieser Kolben beim Ab­kühlen an der Außenseite und an der Innenseite von der Kryo­flüssigkeit umströmt wird, ebenso wie der Pumpenzylinder, der ebenfalls beim Abkühlen an der Innenseite und an der Außenseite von der Kryoflüssigkeit umströmt wird.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Ringkanal in radialer Richtung eine so geringe Ausdehnung hat, daß das Volumen des Ringkanals gegenüber der pro Kolbenhub geförderten Flüssig­keitsmenge gering ist. Man erreicht auf diese Weise eine er­höhte Strömungsgeschwindigkeit in dem Ringkanal und damit eine besonders effektive Wärmeabfuhr von dem Pumpzylinder.
  • Der Pumpzylinder kann mit seinem einen Ende auf einen Zylin­derkopf aufgeschrumpft sein, während er an seinem gegenüber­liegenden Ende frei endet und in diesem Bereich von der ge­förderten Flüssigkeit umströmt wird.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
    • Figur 1: eine Längsschnittansicht durch eine Kolben­pumpe für kryogene Flüssigkeiten mit geschlos­senen Einlaß- und Auslaßventilen;
    • Figur 2: eine Ansicht ähnlich Figur 1 mit geöffneten Einlaß- und Auslaßventilen und
    • Figur 3: eine Schnittansicht durch ein weiteres be­vorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kolbens.
  • Die in der Zeichnung dargestellte Kolbenpumpe umfaßt ein zylindrisches Vakuumgefäß 1 mit Flanschen 2 und 3 an der Ober- beziehungsweise Unterseite. Mit diesen Flanschen 2 und 3 sind Deckel 4 beziehungsweise 5 abgedichtet verschraubt. Über einen verschlossenen seitlichen Stutzen 6 ist der Innen­raum des Vakuumgefäßes evakuierbar. Auf eine mittig am obe­ren Deckel 4 gehaltene Metallhülse 7 ist ein Rohr 8 aus ei­nem glasfaserverstärkten Kunstoff aufgeschoben und zum Beispiel durch Verklebung fixiert. Das freie, flanschförmig nach außen gebogene Ende 9 des Rohres 8 ist mit einer Deckel­plattte 10 verschraubt, die ihrerseits einen dünnwandigen Außenzylinder 11 an der Oberseite abschließt. Dieser Außen­zylinder 11 ist an der Unterseite über einen Befestigungsring 12 mit einem Zylinderkopf 13 abgedichtet verschraubt.
  • Der Zylinderkopf 13 ragt in den unteren Teil des Außenzylin­ders 11 hinein und weist in diesem Bereich eine zentral an­geordnete Ventilkammer 14 auf, in deren Oberseite ein Ventil­halter 15 eingeschraubt ist. An der Unterseite der Ventil­kammer 14 mündet eine Saugleitung 16 in diese ein, die ab­gedichtet durch den unteren Deckel 5 des Vakummgefäßes 1 hindurchgeführt und vakuumisoliert ist. Der Einlaß der Saug­leitung 16 in die Ventilkammer 14 ist als Ventilsitz für einen kugelkalottenförmig ausgebildeten Ventilkörper 17 ausgebildet, der im Ventilhalter 15 geführt ist und durch eine Beryllium-Kupfer-Feder 18 gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Der Ventilkörper 17 kann gegen die Wirkung der Feder 18 von dem Ventilsitz abgehoben werden.
  • Der in den Außenzylinder 11 hineinragende Teil des Zylinder­kopfes 13 weist an seinem oberen Ende einen stufigen Rück­sprung 19 auf. In diesem Bereich ist auf den Zylinderkopf 13 ein auf beiden Seiten offener Pumpzylinder 20 aufge­schrumpft, der zwischen seiner Außenwand und der Innenwand des Außenzylinders 11 einen in radialer Richtung engen Ring­kanal 21 ausbildet. Das dem Zylinderkopf 13 gegenüberliegen­de Ende des Pumpzylinders 20 ist frei in geringem Abstand von der Deckelplatte 10 angeordnet, so daß der Innenraum des Pumpzylinders 20 mit dem Ringkanal 21 in Strömungsver­bindung steht. Durchlässe 22 im Ventilhalter 15 verbinden weiterhin den Innenraum des Pumpzylinders 20 mit der Ventil­kammer 14.
  • Der Ringkanal 21 mündet in einen in radialer Richtung ver­größerten Ringraum 23, der in den Befestigungsring 12 einge­arbeitet ist. An der Unterseite des Zylinderkopfes 13 ist ein Auslaßventil 24 angesetzt, welches den Ringraum 23 mit einer Auslaßleitung 25 verbindet, die ebenfalls den unteren Deckel 5 durchsetzt und vakuumisoliert ist. Das Auslaßventil 24 umfaßt einen kugeligen Ventilkörper 26, der mittels ei­ner Feder 27 gegen einen Ventilsitz 28 gedrückt wird.
  • Im Inneren des Pumpzylinders 20 ist ein Hohlkolben 29 ange­ordnet, der an seinem Außenmantel in axialer Richtung im Ab­stand von einander angeordnet mehrere ballig geschliffene Bereiche 30 aufweist, die mit ihrem umfangsgrößten Teil an der Innenwand des Pumpzylinders 20 anliegen. Der Hohlkolben 29 ist an einer Seite offen, an der gegenüberliegenden Seite weist er in einer Stirnwand 31 eine Durchtrittsöffnung 32 auf, durch welche eine Hub- und Zugstange 33 hindurchtritt. Diese Hub- und Zugstange 33 trägt im Inneren des Hohlkolbens 29 einen Ventilkörper 34, an dem sich eine Druckfeder 35 ab­stützt, deren anderes Ende auf einem Sprengring 36 am offe­nen Ende des Hohlkolbens 29 ruht. Die Druckfeder 35 ver­schiebt den Ventilkörper 34 in Richtung auf die Durchtritts­öffnung 32. Wenn der Ventilkörper 34 an der Durchtrittsöff­nung 32 anliegt, verschließt er diese.
  • Die Hub- und Zugstange ist durch die Deckelplatte 10 des Außenzylinders 11 hindurchgeführt und wird im Bereich des Rohres 8 und der Metallhülse 7 von einem dünnen Metallrohr 37 umgeben. Dieses Metallrohr 37 ist im oberen Deckel 4 durch eine Ringdichtung 38 gegenüber der Hub- und Zugstange 33 abgedichtet, die den Deckel 4 nach oben hin durchsetzt. Auf der Oberseite des Deckels 4 ist in der Zeichnung nicht dargestellt ein reziprozierender Antrieb für die Hub- und Zugstange angeordnet.
  • Der Hohlkolben 29 besteht aus einem Metall mit geringer Wär­meausdehnung, beispielsweise aus austenitischem kaltzähem Stahl oder aus Fe Ni 36. Der Pumpzylinder 20 dagegen ist aus einem Material gefertigt, welches einerseits gute Gleit- und Selbstschmiereigenschaften gegenüber dem Kolbenmaterial auf­ weist und andererseits eine wesentlich größere Wärmeaus­dehnung hat als das Kolbenmaterial. Beispielsweise kann der Pumpzylinder bestehen aus PTFE, PTFE-Graphit, PTFE-Bronze, PTFE-Kohle, kohlefaserverstärktem Kohlenstoff oder Messing. Die Abmessungen des Kolbens und des Pumpzylinders sind so gewählt, daß bei der Betriebstemperatur, also der Temperatur der geförderten, kryogenen Flüssigkeit, der Kolben in den ballig geschliffenen Bereichen 30 abdichtend an der Innenwand des Pumpzylinders 20 anliegt, während bei höheren Temperatu­ren ein Spalt zwischen dem Hohlkolben 29 und dem Pumpzylin­der 20 auftritt.
  • Beim Betrieb der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Pumpe wird in einem Abwärtshub, bei dem die Hub- und Zugstange 33 nach unten verschoben wird, der Ventilkörper 34 von der Durchtrittsöffnung 32 abgehoben, so daß die im Innenraum des Pumpzylinders 20 befindliche Flüssigkeit von der offe­nen Unterseite des Hohlkolbens 29 durch die Durchtritts­öffnung 32 hindurch auf die Oberseite des Hohlkolbens 29 gelangt (Figur 1). In einem Augwärtshub, bei dem die Hub- und Zugstange 33 nach oben gezogen wird, wird die Durchtritts­öffnung 32 im Hohlkolben 29 durch den Ventilkörper 34 ver­schlossen. In diesem Hub werden sowohl das Einlaßventil (Ventilkörper 17) als auch das Auslaßventil 24 (Ventilkörper 26) geöffnet, so daß über die Saugleitung 16 zu fördernde Flüssigkeit in den unterhalb des Hohlkolbens 29 liegenden Teil des Pumpzylinders 20 angesaugt wird, während gleichzeitig die Flüssigkeit aus dem oberhalb des Hohlkolbens 29 angeord­neten Pumpzylinders 20 durch den Ringkanal 21 und das offene Auslaßventil 24 der Auslaßleitung 25 zugeführt wird (Figur 2).
  • Wichtig für die Funktion der dargestellten Kolbenpumpe ist es, daß im Ringkanal 21 immer der hohe Druck der Druckseite herrscht, so daß der Pumpzylinder 20 von der Außenseite her immer von diesem Druck nach innen beaufschlagt wird. Im Be­reich oberhalb des Hohlkolbens 29 gleichen sich somit die Druckkräfte, die auf den Pumpzylinder wirken, weitgehend aus, während im Bereich unterhalb des Hohlkolbens 29 (Saug­raum) die von außen nach innen wirkenden Kräfte überwiegen. Dadurch wird der aus wenig widerstandsfähigem Material be­stehende Pumpzylinder 20 nicht radial nach außen, sondern allenfalls radial nach innen beansprucht, wobei gleichzeitig die Abdichtung gegenüber dem Kolben verbessert wird.
  • Das den Pumpzylinder 20 an der Innenseite und an der Außen­seite umströmende Fluid kühlt den Pumpzylinder wirksam ab und führt durch die Reibung entstehende Wärme druckseitig ab.
  • Die Abdichtung zwischen Kolben und Pumpzylinder ist bei Be­triebstemperatur optimal, bei höheren Temperaturen ergibt sich ein geringfügiges Leck, welches jedoch nicht störend ist, sondern im Gegenteil beim Anfahren der Pumpe zu einer beschleunigten Abkühlung führt.
  • Durch die Anordnung der Pumpe in einem Vakuumbehälter kann sie in einem nichteingetauchten Zustand betrieben werden. Die einzigen Wärmeleitbrücken nach außen sind die vakuum­isolierte Saugleitung 16, die ebenfalls vakuumisolierte Auslaßleitung 25, die Hub- und Zugstange 33 mit dem sie um­hüllenden Rohr 37 sowie die Metallhülse 7 und das aufge­schobene Rohr 8 aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Diese Wärmebrücken sind so ausgeführt, daß sich insgesamt eine hervorragende Wärmeisolierung des eigentlichen Pumpenaggre­gats gegenüber der Umgebung einstellt. Die Abdichtung der Hub- und Zugstange 33 erfolgt im Bereich des oberen Deckels 4, also bei erhöhten Temperaturen, so daß dort eine sehr wirksame Abdichtung möglich ist. Im Inneren des Metallrohrs 37 wird die Hub- und Zugstange 33 von einem Gaspolster um­geben, welches dort im wesentlichen unverändert verbleibt. Das mit Gas gefüllte Totvolumen zwischen dem Metallrohr 37 und der Hub- und Zugstange 33 wird so klein wie möglich ge­wählt.
  • Während der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Hohlkolben 29 in axialer Richtung vier ballig geschliffene Bereiche 30 aufweist, sind bei dem in Figur 3 dargestellten abgewandel­ten Hohlkolben nur zwei ballig geschliffene Bereiche 30 am oberen und am unteren Ende des Hohlkolbens vorgesehen. Auch mit diesem Kolben kann bei der erfindungsgemäßen Konstruk­tion eine hervorragende Abdichtung zwischen Kolben und Pump­zylinder bei Betriebstemperatur erreicht werden.
  • Es versteht sich, daß auch Kolben anderer Bauart verwendet werden können, beispielsweise zylindrisch geschliffene Kol­ben oder kompakte Kolben ohne ventilverschlossene Durch­trittsöffnung.

Claims (7)

1. Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einem Pump­zylinder, in dem ein Kolben abgedichtet oszillierend ver­schiebbar ist, mit einem Einlaß- und einem Auslaßventil und mit einem den Pumpzylinder an der Außenseite umge­benden Ringkanal, der einen Abfluß für die von der Pumpe geförderte Kryoflüssigkeit bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pump­zylinder (20) aus einem Material mit guten Gleit- und Selbstschmiereigenschaften und einem Wärmeausdehnungs­koeffizienten gefertigt ist, der größer ist als der des Kolbens (29), daß die Abmessungen des Pumpzylinders (20) und des Kolbens (29) derart gewählt sind, daß bei der Betriebstemperatur der Kolben (29) gegenüber der Innen­wand des Pumpzylinders (20) abgedichtet ist, und daß das Auslaßventil (24) am stromabwärts gelegenen Ende des Ringkanals (21) angeordnet ist.
2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpzylinder (20) aus PTFE-Graphit, PTFE-Bronze, PTFE-Kohle, karbonfaserverstärktem Kunststoff oder Mes­sing besteht.
3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (29) aus Edelstahl oder Fe Ni 36 mit geringer Wärmeausdehnung besteht.
4. Kolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (29) an seiner Mantelfläche eine oder mehrere Ringschultern (30) trägt, die abdichtend an der Innenwand des Pumpzylinders (20) anliegen.
5. Kolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (29) zur Ausbildung einer Ringschulter im Be­reich (30) dieser Ringschulter ballig geschliffen ist.
6. Kolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (29) hohl und einseitig offen ist und daß in Kolben (29) ein mittels eines Rückschlagventils (Ventilkörper 34) verschließba­rer Durchlaß (32) angeordnet ist.
7. Kolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (21) in ra­dialer Richtung eine so geringe Ausdehnung hat, daß das Volumen des Ringkanals (21) gegenüber der pro Kolbenhub geförderten Flüssigkeitsmenge gering ist.
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