EP4684128A1 - Pumpe zum fördern eines kryogenen fluids und verfahren zum fördern eines kryogenen fluids - Google Patents

Pumpe zum fördern eines kryogenen fluids und verfahren zum fördern eines kryogenen fluids

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EP4684128A1
EP4684128A1 EP24713382.0A EP24713382A EP4684128A1 EP 4684128 A1 EP4684128 A1 EP 4684128A1 EP 24713382 A EP24713382 A EP 24713382A EP 4684128 A1 EP4684128 A1 EP 4684128A1
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EP
European Patent Office
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pump
fluid
delivery
units
drive device
Prior art date
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Pending
Application number
EP24713382.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Lachermeier
Lukas Schanda
Martin BRÜCKLMEIER
Michael WESTERMEIER
Roland Szardenings
Simon Schäfer
Wilfried-Henning Reese
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F04B2015/0822—Hydrogen
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology

Definitions

  • the invention relates to a pump for conveying a cryogenic fluid, in particular hydrogen, and to a method for conveying a cryogenic fluid by means of such a pump.
  • Fluids such as hydrogen can be used in many different applications and in many different areas.
  • hydrogen can be used as fuel for vehicles; for this purpose, the hydrogen can be provided via so-called hydrogen filling stations.
  • the hydrogen must be pumped, e.g. from one tank to another. Depending on the application, this can or should be done at low temperatures, i.e. cryogenic hydrogen must be pumped.
  • cryogenic fluids such as nitrogen, argon, oxygen or helium.
  • a high delivery rate is particularly desirable when pumping large quantities of fluid, but this can be difficult, especially with cryogenic fluid.
  • the task is to provide an efficient way of pumping cryogenic fluid, especially at a high delivery rate.
  • the invention is concerned with the conveying of cryogenic fluids such as hydrogen, i.e. liquid hydrogen, also supercooled liquid hydrogen.
  • cryogenic fluids such as hydrogen, i.e. liquid hydrogen, also supercooled liquid hydrogen.
  • the invention can also be applied to other cryogenic fluids such as nitrogen, argon, Use oxygen or helium.
  • the pumping of cryogenic fluids is necessary for many applications, eg from one tank to another, for example to refuel a hydrogen-powered vehicle. Large quantities of hydrogen may have to be pumped, particularly in large and/or heavy vehicles such as trucks. In order to achieve the shortest possible refueling time, a high pumping rate should be achieved.
  • a pump for conveying a cryogenic fluid is proposed, as is a method for conveying a cryogenic fluid using such a pump.
  • the pump and the method, i.e. the use or operation of the pump, are described in detail below.
  • the pump has a pump housing and a pump insert.
  • the pump housing in turn has an outer container and an inner container, with a space being formed between the outer container and the inner container that is evacuated or can be evacuated. This means that the interior of the inner container can be well insulated.
  • the pump housing also has a pump inlet through which the fluid to be pumped can be brought into the inner container.
  • the pump inlet can therefore be designed, for example, as a feedthrough from the outside through a wall in the outer container, through the evacuated space to a wall of the inner container.
  • the pump insert has a plurality of delivery units, in particular three or more delivery units, as well as a drive device, a plurality of piston rods and a collecting line.
  • Each delivery unit has a piston and a cylinder (or a chamber), wherein the respective piston is arranged to be movable back and forth within the respective cylinder.
  • the pump is therefore based on the principle of a piston pump or reciprocating piston pump.
  • the drive device is connected to one of the plurality of pistons via one of the plurality of piston rods, wherein the pump is set up to move each of the plurality of pistons back and forth within the respective cylinder by means of the drive device.
  • the drive device can be operated electrically and/or hydraulically, for example.
  • Each of the several delivery units has a delivery unit inlet and a delivery unit outlet for the fluid.
  • the delivery unit outlet can have a valve.
  • the pump is designed in such a way designed so that fluid to be pumped can be introduced into each of the pumping unit inlets, i.e. the fluid can flow into the respective cylinders of the pumping units; this typically occurs during a so-called loading stroke of a respective pumping unit, during which the piston opens or releases the pumping unit inlet and the fluid thus flows into the pumping unit. Since cryogenic hydrogen is usually close to or at the boiling point, it is advantageous if the fluid can flow into the pumping unit with low pre-pressure and does not have to be sucked in.
  • the fluid collection line can be designed, for example, in the form of a distributor, with the pumping unit outlets being connected to the collection line.
  • the fluid collection line is designed in such a way that the delivery unit outlets open into a (common) pump outlet, via which fluid delivered by the pump can be made available.
  • the pump outlet is part of the pump insert. The fluid flows from the individual delivery unit outlets are therefore collected or combined into a common fluid flow.
  • the multiple delivery units and at least part of the collecting line are arranged inside the inner container, while the drive device is arranged outside the pump housing.
  • the multiple delivery units make it possible to create a larger delivery volume overall, thus enabling a higher delivery rate of the pump.
  • the principle of the piston pump allows for simple and robust operation, while other types of pumps such as rotary pumps are more complicated and prone to errors.
  • piston pumps allow higher delivery pressures to be achieved, while rotary pumps are physically limited here.
  • the pump or the several delivery units are each designed to deliver fluid via a pulling movement of a respective piston rod on the respective piston.
  • This can, for example, provide for the piston to compress the fluid in the cylinder during the upward movement, the piston rod is pulled and not pushed.
  • This allows the use of long or even particularly long piston rods.
  • Long piston rods in turn mean that the drive device can be arranged as far away from the conveyor units as possible, which enables a reduction in the heat input from the drive device to the cryogenic fluid to be conveyed by means of the conveyor units.
  • the drive device is preferably arranged at a distance from the several conveyor units, preferably at a distance of at least 400 mm, in particular at least 600 mm. This makes it easy to avoid heat input.
  • the cryogenic fluid e.g. hydrogen
  • the heat input into the pump or at least the delivery units must be minimized, which can be achieved by using very long piston rods.
  • a long piston rod length reduces the heat input due to a long heat conduction path.
  • the heat input is minimized by the insulating effect of the vacuum between the inner and outer containers.
  • the pump is designed such that the multiple delivery units and at least a part of the collecting line for conveying fluid can be arranged submerged in the fluid.
  • the corresponding components or parts of the pump that can be arranged submerged in the cryogenic fluid are designed to withstand low temperatures of, for example, less than -90° or even down to -253°C and, in particular, to be and remain functional in this case.
  • the pump is designed in such a way that the multiple pistons are moved synchronously and offset in time.
  • This can be achieved, for example, by appropriately connecting the piston rods to the drive device and, if necessary, by a suitable design of the drive device.
  • this can be designed in such a way that the travel speed of the individual pistons has a sinusoidal shape through appropriate regulation of the hydraulic oil mass flow, and that the pistons are moved offset in time.
  • the drive device can have, for example, a suitable crankshaft (or another suitable construction) on which the piston rods are connected accordingly. This leads to a synchronized movement, e.g. sinusoidal movement, of the pistons, each with a certain time delay between the individual pistons. This allows the most continuous and uniform flow rate of fluid possible to be generated at the pump outlet.
  • the pump can also be arranged such that at least the inlets of the multiple conveying units, preferably the multiple conveying units, are submerged in the cryogenic fluid.
  • the pump can also be arranged accordingly permanently or at least outside of times when it is used for conveying. In this way, the pump can start immediately and no cooling time is required when starting the pump.
  • the pump is arranged to convey fluid in such a way that the drive device is located outside the cryogenic fluid. This ensures that the drive device and thus the pump as a whole function safely.
  • the drive device should also be suitable for low temperatures, it does not have to be able to withstand temperatures as low as the conveying units.
  • the long piston rods mentioned above have an advantage, as they mean that on the one hand the conveying units can be immersed sufficiently far into the cryogenic fluid, but on the other hand the drive device can be arranged sufficiently far away from the cryogenic fluid.
  • the pump insert also has a plurality of tie rod sleeves that are arranged between the drive device and the plurality of delivery units. At least one section of each of the plurality of tie rods is arranged within at least one of the plurality of tie rod sleeves, and the plurality of delivery units are at least indirectly attached, in particular suspended, to the drive device via the plurality of tie rod sleeves.
  • the pump insert also has a plurality of seals, wherein each of the plurality of tie rods is sealed with at least one of the plurality of seals within at least one of the plurality of tie rod sleeves. This allows good thermal insulation and a further reduction in heat input.
  • the inner container has a pulling section (e.g.
  • a so-called pulling pipe and a conveyor unit receiving section, wherein the conveyor unit receiving section is suspended from an upper side of the outer container by means of the pulling section.
  • the conveyor units can then be arranged in particular in the conveyor unit receiving section, which can also serve as a reservoir for the fluid. This further reduces the heat input to the fluid.
  • walls of the pulling section can be designed to be particularly thin, for example, in order to keep the heat input as low as possible.
  • At least one of the several delivery units is set up in such a way that gaseous fluid present in the respective cylinder can escape from the respective delivery unit during a loading stroke.
  • the respective cylinder can preferably have a cylinder head and a sliding sleeve, and can be designed in such a way that a degassing gap is formed between the cylinder head and the sliding sleeve during the loading stroke, through which the gaseous fluid can escape.
  • the delivery unit can be filled as completely as possible with liquid fluid.
  • the respective delivery unit has a valve that opens actively or passively during the loading stroke, which can be arranged, for example, in the delivery unit inlet of the respective delivery unit.
  • the pump is designed for operation with a movement of the pistons in a vertical direction. This means in particular that when the pump is set up for operation, the cylinders are aligned vertically so that the pistons are moved vertically up and down. This reduces the convective heat transfer from the inner container to the piston rods or a passage of the piston rods.
  • the pump insert has a sealing disk through which the plurality of tie rods are guided, wherein the sealing disk seals the conveyor unit receiving section. This allows heat transfer through gaseous fluid to be reduced.
  • the pump housing has a gas outlet through which gaseous fluid can be discharged from the inner container.
  • the gas outlet can, similar to the pump inlet, e.g. as a passage from the inside through a wall in the inner container, through the evacuated space to a wall of the outer container.
  • the gas outlet should be located high up on the inner container, ie where the fluid is also in gaseous form. This makes it easy to return boil-off gas. It is also conceivable that a control valve is provided at the gas outlet for this purpose.
  • the pump insert is arranged in the pump housing so that it can be removed. This means that the pump insert can be replaced if necessary, for example, or removed for maintenance purposes.
  • the pump has a total delivery volume of the multiple delivery units of more than 1.5 l.
  • the individual delivery units and, in turn, the cylinders and pistons therein can have corresponding dimensions. With a larger number of delivery units, the individual delivery units can, for example, be made somewhat smaller in order to still achieve a high overall delivery volume.
  • the delivery volume of an individual delivery unit is the volume enclosed between the bottom and top dead center of the piston in the cylinder.
  • a high total delivery volume of the pump allows a low or low operating frequency of the pump in order to still achieve a high delivery rate of the pump.
  • a low operating frequency means a slow movement of the pistons in the cylinders.
  • the advantages of the slow movement in combination with the corresponding delivery volumes are a relatively low heat input through friction and a high degree of loading of the cylinders with fluid due to the low flow rate of the fluid when it flows, for example, into the delivery units (i.e. into the delivery unit inlets).
  • the pump is operated at an operating frequency of at most 5 Hz, preferably at most 3 Hz. However, it is also conceivable to operate at just 1.5 Hz.
  • the operating frequency of the pump is understood to be a frequency with which a piston in the cylinder completes a full stroke from bottom dead center to top dead center and back to bottom dead center. If the pistons are directly connected via the piston rod to the mentioned crankshaft of the drive device, the operating frequency corresponds to a rotation frequency of the Crankshaft.
  • the cryogenic fluid can be pumped using the pump at a pressure of 20 bar at the most. However, higher pressures are also conceivable.
  • the operating frequency values mentioned and preferred here are particularly low for a piston pump, but the combination with the high total delivery volume means that a particularly high delivery rate can still be achieved overall, as is necessary or at least desirable for heavy-duty applications, for example.
  • the heat input remains low, which increases efficiency.
  • an operating frequency of 1.5 Hz and the total delivery volume of 1.5 l assuming a density of the cryogenic hydrogen of approx. 71 kg/m3, results in a delivery rate of approx. 575 kg/h.
  • the pump taking into account possible internal loss mass flows, e.g. via sealing systems, achieves a delivery rate of 400 kg/h or more, e.g. at least 600 kg/h, at an operating frequency of 3 Hz or less, which is achieved by a corresponding total delivery volume.
  • the delivery rate of the proposed type of pump can be increased particularly easily due to the pump's design, for example by simply providing more delivery units. It is also conceivable to design the pump in such a way that one or more of the existing delivery units can be switched on and off in a targeted manner in order to be able to change the delivery rate as required.
  • the drive device can then be designed accordingly, for example with separate drive units for one or more of the existing delivery units.
  • Figure 1 shows a schematic of a system in which a pump according to the invention can be used.
  • Figure 2a shows schematically a pump according to the invention in a preferred embodiment.
  • Figure 2b shows a schematic of a pump housing of the pump from Figure 2a.
  • Figure 2c shows a schematic of a pump insert of the pump from Figure 2a.
  • Figure 2d shows schematically a delivery unit of the pump from Figure 2a in a more detailed view.
  • FIG. 1 shows a schematic of a system 100 in which a pump according to the invention can be used, i.e. it is an application in which cryogenic fluid is conveyed by means of the pump.
  • the system 100 has a supply tank or storage tank 110 for, for example, liquid hydrogen H2 as the cryogenic fluid.
  • the hydrogen can be stored in the storage tank 110 in liquid form, for example at a pressure of 2 to 3 barg.
  • the system 100 has a pump 200 according to the invention in a preferred embodiment.
  • the pump 200 is only indicated symbolically here and will be explained in detail with reference to Figures 2a, 2b, 2c.
  • the pump 200 can be supplied with hydrogen H2 via a line from the storage tank 110.
  • the system 100 has a coupling 120 which is connected to the pump 200 via a further line.
  • the line can be connected or coupled to, for example, a tank 132 of a vehicle 130.
  • the tank 132 of the vehicle can in particular be a tank for hydrogen as fuel for driving the vehicle 130.
  • a truck for example, comes into consideration as a vehicle, especially since trucks require large amounts of hydrogen for propulsion, which can be transferred in a short time using the proposed pump.
  • the hydrogen can also be transferred to other types of tanks, e.g. mobile storage tanks for transport or for other applications.
  • the system 100 may include further components, eg various valves or measuring technology such as a flow meter. Rather, Only one possible and preferred application for the proposed pump 200 will be explained by way of example. Cryogenic hydrogen can therefore be pumped from the storage tank 110 into the tank 132 by means of the pump 200.
  • FIG 2a shows a schematic representation of a pump according to the invention in a preferred embodiment.
  • the pump 200 has a pump housing 201 and a pump insert 202, each of which comprises various components of the entire pump 200. While the entire pump 200 is shown in Figure 2a, only the pump housing 201 is shown in Figure 2b and only the pump insert 202 is shown in Figure 2c.
  • a delivery unit of the pump 200 is shown in a more detailed view in Figure 2d. Figures 2a, 2b, 2c and 2d will be described in general below.
  • the pump housing 201 has an outer container 220 and an inner container.
  • the inner container in turn has a delivery unit receiving section 221 and a tension section 222.
  • the delivery unit receiving section 221 is suspended from an upper side of the outer container 220 by means of the tension section 222, e.g. on a flange 224.
  • a space 225 is formed between the outer container 220 and the inner container, which is evacuated or can be evacuated and can be provided with vacuum-suitable multi-layer insulation (MLI), for example.
  • MMI multi-layer insulation
  • Evacuating is to be understood as meaning that there is at most a very low pressure of remaining gas.
  • the interior of the inner container or in particular of the delivery unit receiving section 221 is thus well insulated from the outside.
  • the pump housing 201 has a pump inlet 261, via which the fluid H2 to be pumped, in particular in liquid form, can be brought into the inner container, there in particular the pump unit receiving section 221.
  • the pump inlet 261 is designed, for example, as a passage from the outside through a wall in the outer container 220, through the evacuated space 225 to a wall of the inner container.
  • the pump housing 201 has a gas outlet 264, through which gaseous fluid H2 can be discharged from the inner container.
  • the gas outlet is designed, for example, as a passage from the inside through a wall in the inner container, through the evacuated Space 225 through to a wall of the outer container 220.
  • the gas outlet 24 is arranged high up on the inner container, ie where the fluid is also in gaseous form. This makes it easy to return boil-off gas. It is conceivable that a control valve is also provided at the gas outlet for this purpose.
  • a liquid level of liquid fluid H2 is indicated by way of example in Figures 2a, 2b using a dashed line.
  • the pump insert 202 has several delivery units, here for example three delivery units 231, 232, 233.
  • the delivery units 231, 232, 233 can be constructed in the same way, so that only the delivery unit 231 will be described in more detail below by way of example.
  • the delivery unit 231 has a piston 241 and a cylinder 240, wherein the piston 241 is arranged to be movable back and forth within the cylinder 240.
  • FIG. 2d shows an exemplary embodiment of the conveyor unit 231 with more details.
  • the cylinder 240 has a sliding sleeve 249, a cylinder head
  • the cylinder sleeve 249 is open at the top.
  • the upper edge of the sliding sleeve 249 is pressed against the cylinder head 245.1 during an upward movement, for example, and thereby seals it.
  • the sliding sleeve 249 can also be open at the bottom.
  • the sliding sleeve 249 is movably mounted in the cylinder housing 245.2, and the cylinder housing 245.2 surrounds the sliding sleeve 249. This allows a certain movement of the sliding sleeve 249, which in the case shown is vertical.
  • the vertical movement of the sliding sleeve 249 is limited downwards by a mechanical stop 246 on the cylinder housing 245.2 and a corresponding mechanical stop 247 on the sliding sleeve 249. Both stops are shown here with a certain gap, which is for illustrative purposes only. In practice, this should be sealed.
  • the piston 241 can be moved up and down within the cylinder 240 or the sliding sleeve 249, i.e. in a vertical direction when the pump is set up for operation. The pump is therefore based on the principle of a piston pump or reciprocating piston pump.
  • the pump insert 202 has a drive device 210 and a plurality of piston rods 251, 252, 253, wherein the drive device 210 is connected to one of the plurality of pistons via one of the plurality of piston rods.
  • the pump 200 is designed to move each of the several pistons back and forth within the respective cylinder - up and down in the case shown - by means of the drive device 210.
  • the drive device 210 can be operated electrically and/or hydraulically, for example.
  • the drive device 210 has three drive units 211, 212, 213, each of which is assigned to a piston rod or a piston.
  • the drive units can each be an electric or hydraulic motor, for example.
  • all of the piston rods can also be connected, for example, to a common crankshaft or the like, which is then driven, in particular rotated, by means of just one drive unit. It goes without saying that the drive units 211, 212, 213 do not have to be arranged in a line with one another. This then applies accordingly to the delivery units.
  • the drive device 210 is in particular designed to operate at an operating frequency of up to 5 Hz or up to 3 Hz or even just up to 2 Hz; as mentioned, this is relatively slow for a piston pump. Depending on the type of drive device or drive units, a transmission via a gear may be necessary for this.
  • the pump insert 202 has, for example, a support ring 223, by means of which the drive device 210 is supported on the pump housing 201, there on its upper side, in particular on the flange 224.
  • the delivery unit 231 also has a delivery unit inlet 242 and a delivery unit outlet 243 for the fluid. Both the delivery unit inlet 242 and the delivery unit outlet 243 can each have a valve, for example. In this way, for example, fluid can only flow in via the delivery unit inlet 242 in a so-called loading stroke through the delivery unit inlet 242, which then opens. The valve of the delivery unit outlet 243 then remains actively or passively closed. In the pump 200 shown, a loading stroke is carried out by a downward movement of the piston 241.
  • the delivery volume of the delivery unit 231 is therefore located in the upper part of the cylinder 240, between the piston 241 and the delivery unit inlet 242 and the delivery unit outlet 243.
  • the sliding sleeve 249 moves downwards as far as it will go due to both gravity and the frictional force of the piston 241 on the inner wall of the sliding sleeve 249.
  • Any residual amount of gaseous hydrogen from the previous delivery stroke can escape from the cylinder 240 or the sliding sleeve 249 through this gap 248.1 and via openings 248.2 in the cylinder housing 245.2.
  • the delivery unit is filled as completely as possible with liquid hydrogen during the current loading stroke, thus achieving a high delivery capacity of the pump 200.
  • the degassing can also be carried out via the delivery unit inlet 242 by means of an actively or passively opening valve.
  • delivery unit inlet 242 and the delivery unit outlet 243 are only indicated here as examples.
  • the delivery unit inlet could also be formed, for example, by the underside of the cylinder 240 being open and the piston 241 being designed in such a way that when the piston moves downwards, it forms an opening through which fluid can flow into the delivery volume from below.
  • a delivery stroke when an overpressure is generated in the cylinder, fluid can be expelled through the valve of the delivery unit outlet 243, which then opens passively or can be opened actively.
  • the valve of the delivery unit inlet 242 then remains closed.
  • a delivery stroke is carried out by an upward movement of the piston 241.
  • the delivery unit 231 is also designed to deliver fluid via a pulling movement of the piston rod 251 on the piston 241.
  • a pulling movement corresponds to an upward movement.
  • the delivery stroke is therefore carried out by the pulling movement, while a loading stroke is carried out by a pushing movement (here a downward movement). Since a greater force is exerted on the piston rod during a delivery stroke than during a loading stroke (since pressure must be built up in the fluid), this arrangement means that even with a long piston rod, buckling of the piston rod does not occur or is highly unlikely.
  • the explanations for the delivery unit 231 apply equally to the delivery units 232, 233.
  • a delivery volume of each delivery unit results from the volume difference of the volume that the piston delimits in the cylinder at minimum and maximum piston stroke.
  • the difference between the minimum and maximum piston stroke is the stroke height h, as shown as an example for the delivery unit 233.
  • the delivery volume can then be determined based on the stroke height h and a diameter d of the cylinder.
  • the pump insert 202 has a collecting line 262, wherein the delivery unit outlets of all delivery units 231, 232, 233 are connected to the collecting line 224.
  • the fluid collecting line 224 is designed such that the delivery unit outlets open into a common pump outlet 263, via which fluid delivered by means of the pump 200 can be provided. The fluid flows from the individual delivery unit outlets are thus collected or combined into a common fluid flow.
  • the multiple delivery units 231, 232, 233 and at least a part of the collecting line 262 are arranged inside the inner container and there in turn inside the delivery unit receiving section 221.
  • the drive device 210 is, as mentioned, arranged outside the pump housing 201, here e.g. on top.
  • the pump outlet 266 is arranged or incorporated in the support ring 223, for example.
  • the pump housing 220 has, as mentioned, the pump inlet 261.
  • the pump 200 is designed such that fluid H2 to be pumped can be brought or guided to the pump unit inlets via the pump inlet 261. In the example shown, this is done by arranging the pump unit inlets, in particular also the multiple pump units (as a whole) and at least part of the collecting line for pumping fluid submerged in the fluid (the dashed line in Figures 2a, 2b indicates the liquid level of liquid fluid H2 by way of example). Fluid entering through the pump inlet 261 thus collects in the pump unit receiving section 221, as can be seen in Figure 2a, and can thus penetrate into the pump units (or their delivery volumes) via the pump unit inlets, in particular during a respective loading stroke.
  • the pump insert 202 has, for example, several pull rod sleeves that are arranged between the drive device 210 and the several conveyor units 231, 232, 233.
  • the pump insert 202 also has, for example, a sealing disk 254.
  • a pull rod sleeve 255 is shown as an example, which surrounds the pull rod 251 and by means of which the sealing disk 254 is connected to the drive device 210. Accordingly, further pull rod sleeves can be provided for the further pull rods.
  • a pull rod sleeve 256 is also shown as an example, which also surrounds the pull rod 251 and by means of which the sealing disk 254 is connected to the conveyor unit 231. Accordingly, further pull rod sleeves can be provided for the further pull rods.
  • the conveyor units are at least indirectly attached, in particular suspended, to the drive device 210 via the several pull rod sleeves.
  • the sealing disk 254 can in particular be shaped or designed such that it seals the delivery unit receiving section 221, specifically against the tension section 222. This forms a space 226 within the tension section 221 and around the pull rod sleeves (insofar as these are within the tension section).
  • the space 226 is in particular sealed against the typically cold delivery unit receiving section 221 with a seal that only shields liquid but is not gas-tight.
  • the space 226 fills with relatively warm gaseous fluid, which leads to a thermal insulation layer between the liquid hydrogen in the delivery unit receiving section 221 and the upper part of the pump housing 201, the flange 224 and the support ring 223. Without this insulation, the aforementioned locations would become very cold and the seal 257 in particular could become leaky due to the cold.
  • the pump insert 202 also has several seals, by means of which the tie rods are sealed within a tie rod sleeve.
  • a seal 258 is provided at the bottom in the cold area and a seal 257 at the top in the warm area; this applies accordingly to the other tie rod sleeves (between the sealing disk and the drive device).
  • the seals 258 can be, for example, bushings, the seals 257 can be so-called stuffing boxes. This seals the cold fluid in the inner container as well as possible or warms it up if necessary, up to the upper seal 257
  • Long piston rods 251, 252, 253 in turn ensure that the drive device 210 can be arranged as far away as possible from the conveyor units 231, 232, 233, which enables a reduction in the heat input of the drive device 210 to the cryogenic fluid to be conveyed by means of the conveyor units.
  • the drive device is preferably arranged at a distance from the plurality of conveyor units, preferably at a distance x.
  • the distance x should, for example, be at least large enough that the conveyor units, in particular also their conveyor unit inlets, can be immersed sufficiently far into the cryogenic fluid H2 or submerged there, but on the other hand the drive unit does not touch the cryogenic fluid H2, for example.
  • the distance x which also determines the length of the piston rods, can be selected to be large enough that the heat input via the piston rods into the cryogenic fluid H2 is sufficiently small.
  • the cryogenic fluid e.g. hydrogen
  • the heat input into the pump or at least the delivery units must be minimized, which can be achieved by using very long piston rods.
  • a long piston rod length reduces the heat input due to a long heat conduction path.
  • pump 200 can be set up in such a way that the pistons 241, 242, 243 are moved synchronously and offset from one another. This can be achieved, for example, by appropriately connecting the piston rods to the drive device 210 and, if necessary, by a suitable design of the drive device.
  • the drive device can have a suitable crankshaft on which the Piston rods are connected accordingly. This leads to a synchronized movement, e.g. sinusoidal movement, of the pistons, each with a certain time delay between the individual pistons. This allows the most continuous and uniform flow rate of fluid H2 to be generated at the pump outlet 222.
  • the pump 200 can be arranged and operated in such a way that at least the pump unit inlets of the multiple pump units, preferably the multiple pump units themselves, are submerged in the cryogenic fluid H2.
  • the drive device 210 is located outside or here above the cryogenic fluid H2. Such a situation is shown in Figure 2a. In this way, the pump 200 can start immediately and no cooling time is required when starting the pump.
  • the pump can, for example, achieve a delivery rate of 400 to 600 kg/h of cryogenic fluid H2 at an operating frequency of 1.5 to 3 Hz.
  • the low operating frequency of the pump 200 means a slow movement of the pistons in the cylinders.
  • the advantages of the slow movement in combination with the corresponding delivery volumes are a relatively low heat input through friction and a high degree of loading of the cylinders with fluid due to the low flow velocity of the fluid when it flows, for example, into the delivery units (i.e. into the delivery unit inlets).
  • the operating frequency of the pump can preferably be freely regulated depending on the required mass flow, e.g. between 0 Hz and e.g. 2 or 3 Hz, e.g. during refueling of a vehicle.
  • FIGS. 2b and 2c also show that the pump insert 202 can be removed from the pump housing 201, e.g. for replacement or maintenance purposes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe (200) zum Fördern eines kryogenen, die ein Pumpengehäuse (201) und einen Pumpeneinsatz (202) aufweist, wobei das Pumpengehäuse einen Außenbehälter (220) und einen Innenbehälter (221, 222) aufweist, wobei dazwischen ein evakuierbarer Raum (225) gebildet ist. Das Pumpengehäuse (201) weist einen Pumpeneinlass (261) auf, über den zu förderndes Fluid in den Innenbehälter bringbar ist. Der Pumpeneinsatz (202) weist mehrere Fördereinheiten (231, 232, 233), eine Antriebseinrichtung (210), mehrere Kolbenstangen (251, 252, 253) und eine Sammelleitung (262) auf, wobei die mehreren Fördereinheiten und ein Teil der Sammelleitung innerhalb des Innenbehälters angeordnet sind, wobei die Antriebseinrichtung (210) außerhalb des Pumpengehäuses (201) angeordnet ist, und über jeweils eine Kolbenstange an einen Kolben angebunden ist. Die Pumpe (200) ist für eine Förderung von Fluid über eine Zugbewegung der Kolbenstangen ausgebildet, wobei der Pumpeneinsatz (202) einen Pumpenauslass (222) aufweist, und wobei jede der mehreren Fördereinheiten jeweils einen Fördereinheiteneinlass (242) und einen Fördereinheitenauslass (243) für das Fluid aufweist, wobei die Fördereinheitenauslässe an die Sammelleitung angebunden sind, und wobei die Fluidsammelleitung derart ausgebildet ist, dass die Fördereinheitenauslässe in den Pumpenauslass münden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Fördern eines kryogenen Fluids.

Description

Beschreibung
Pumpe zum Fördern eines kryogenen Fluids und Verfahren zum Fördern eines kryogenen Fluids
Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Fördern eines kryogenen Fluids, insbesondere Wasserstoff, sowie ein Verfahren zum Fördern eines kryogenen Fluids mittels einer solchen Pumpe.
Fluide wie z.B. Wasserstoff können in vielen verschiedenen Anwendungen und auf vielen verschiedenen Gebieten eingesetzt werden. So kann Wasserstoff z.B. als Treibstoff für Fahrzeuge verwendet werden; hierzu kann der Wasserstoff über sog. Wasserstofftankstellen bereitgestellt werden. In vielen Fällen muss der Wasserstoff dabei gefördert werden, z.B. von einem Tank in einen anderen. Je nach Anwendung kann oder sollte dies bei tiefen Temperaturen erfolgen, d.h. es muss kryogener Wasserstoff gefördert werden. Vergleichbares gilt für anderen kryogene Fluide wie z.B. Stickstoff, Argon, Sauerstoff oder Helium.
Insbesondere bei der Förderung großer Mengen an Fluid ist eine hohe Förderrate wünschenswert, was aber insbesondere bei kryogenem Fluid schwierig sein kann. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine effiziente Möglichkeit zur Förderung von kryogenem Fluid, insbesondere mit hoher Förderrate, bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Pumpe und ein Verfahren zum Fördern eines kryogenen Fluids mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Fördern kryogener Fluide wie insbesondere Wasserstoff, also flüssigem Wasserstoff, auch unterkühltem flüssigem Wasserstoff. Die Erfindung lässt sich aber auch auf anderen kryogene Fluide wie z.B. Stickstoff, Argon, Sauerstoff oder Helium anwenden. Wie bereits erwähnt, ist für viele Anwendungen das Fördern kryogener Fluide nötig, z.B. von einem in einen anderen Tank, beispielsweise zum Betanken eines mittels Wasserstoff betriebenen Fahrzeugs. Insbesondere bei großen und/oder schweren Fahrzeugen wie z.B. LKWs können hierbei große Mengen an Wasserstoff zu fördern sein. Um eine möglichst kurze Betankungsdauer zu erreichen, sollte eine hohe Förderrate erreicht werden.
Hierfür wird nun eine Pumpe zum Fördern eines kryogenen Fluids vorgeschlagen, ebenso ein Verfahren zum Fördern eines kryogenen Fluids mittels einer solchen Pumpe. Nachfolgend sollen die Pumpe und das Verfahren, also die Verwendung oder der Betrieb der Pumpe, übergreifend beschrieben werden.
Die Pumpe weist ein Pumpengehäuse und einen Pumpeneinsatz auf. Das Pumpengehäuse wiederum weist einen Außenbehälter und einen Innenbehälter auf, wobei zwischen dem Außenbehälter und dem Innenbehälter ein Raum gebildet ist, der evakuiert oder evakuierbar ist. Damit kann das Innere des Innenbehälters gut isoliert werden. Das Pumpengehäuse weist zudem einen Pumpeneinlass auf, über den zu förderndes Fluid in den Innenbehälter bringbar ist. Der Pumpeneinlass kann also z.B. als Durchführung von außen durch eine Wand im Außenbehälter, durch den evakuierten Raum hindurch zu einer Wand des Innenbehälters ausgebildet sein.
Der Pumpeneinsatz weist mehrere Fördereinheiten, insbesondere drei oder mehr Fördereinheiten, auf, sowie eine Antriebseinrichtung, mehrere Kolbenstangen und eine Sammelleitung. Jede Fördereinheit weist jeweils einen Kolben und einen Zylinder (oder eine Kammer) auf, wobei der jeweilige Kolben innerhalb des jeweiligen Zylinders hin und her bewegbar angeordnet ist. Die Pumpe basiert also auf dem Prinzip einer Kolbenpumpe oder Hubkolbenpumpe. Die Antriebseinrichtung ist über jeweils eine der mehreren Kolbenstangen an jeweils einen der mehreren Kolben angebunden, wobei die Pumpe eingerichtet ist, mittels der Antriebseinrichtung jeden der mehreren Kolben innerhalb des jeweiligen Zylinders hin und her zu bewegen. Die Antriebseinrichtung kann z.B. elektrisch und/oder hydraulisch betrieben sein.
Jede der mehreren Fördereinheiten weist jeweils einen Fördereinheiteneinlass und einen Fördereinheitenauslass für das Fluid auf. Insbesondere kann der Fördereinheitenauslass jeweils ein Ventil aufweisen. Die Pumpe ist dabei derart ausgebildet, dass zu förderndes Fluid in jeden der Fördereinheiteneinlässe einbringbar ist, d.h. das Fluid kann in die jeweiligen Zylinder der Fördereinheiten einströmen, dies erfolgt typischerweise bei einem sog. Ladehub einer jeweiligen Fördereinheit, bei dem der Kolben den Fördereinheiteneinlass öffnet bzw. freigibt und so das Fluid in die Fördereinheit nachfließt. Da kryogener Wasserstoff in der Regel nahe des Siedepunkts oder am Siedepunkt vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn das Fluid mit geringem Vordruck in die Fördereinheit einfließen kann und nicht angesaugt werden muss. Bei einem sog. Förderhub einer jeweiligen Fördereinheit, bei dem der Kolben z.B. zu dem Fördereinheitenauslass hin bewegt wird, kann das Fluid aus dem Zylinder mittels Überdruck wieder ausgestoßen werden. Die Fluidsammelleitung kann , z.B. in Form eines Verteilers ausgebildet sein, wobei die Fördereinheitenauslässe an die Sammelleitung angebunden sind. Die Fluidsammelleitung ist dabei derart ausgebildet, dass die Fördereinheitenauslässe in einen (gemeinsamen) Pumpenauslass münden, über den mittels der Pumpe gefördertes Fluid bereitstellbar ist. Der Pumpenauslass ist dabei Teil des Pumpeneinsatzes. Die Fluidströme aus den einzelnen Fördereinheitenauslässen werden also gesammelt bzw. zu einem gemeinsamen Fluidstrom vereint.
Die mehreren Fördereinheiten und wenigstens ein Teil der Sammelleitung sind dabei innerhalb des Innenbehälters angeordnet, während die Antriebseinrichtung außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist. Durch die mehreren Fördereinheiten ist es möglich, ein insgesamt größeres Fördervolumen zu schaffen, um so eine höhere Förderrate der Pumpe zu ermöglichen. Trotzdem erlaubt das Prinzip der Kolbenpumpe eine einfache und robuste Funktionsweise, während andere Pumpenarten wie Rotationspumpen komplizierter und fehleranfälliger sind. Weiter erlauben Kolbenpumpe das Erreichen höherer Förderdrücke, während Rotationspumpen hier physikalisch bedingt begrenzt sind.
Zudem ist die Pumpe bzw. sind die mehreren Fördereinheiten jeweils für eine Förderung von Fluid über eine Zugbewegung einer jeweiligen Kolbenstange an dem jeweiligen Kolben ausgebildet. Damit kann z.B. vorgesehen seien, dass der Kolben das Fluid im Zylinder bei der Aufwärtsbewegung komprimiert, die Kolbenstange wird gezogen und nicht geschoben. Dies erlaubt die Verwendung langer oder gar besonders langer Kolbenstangen. Dadurch, dass eine Kraftbeaufschlagung der Kolbenstangen in deren Längsrichtung damit hauptsächlich auf Zug erfolgt, besteht keine oder kaum eine Gefahr, dass die Kolbenstangen abknicken. Lange Kolbenstangen wiederum bewirken, dass die Antriebseinrichtung möglichst weit von den Fördereinheiten beabstandet angeordnet werden kann, was eine Reduzierung eines Wärmeeintrags des Antriebseinrichtung auf das mittels der Fördereinheiten zu fördernde, kryogene Fluid ermöglicht. Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung beabstandet von den mehreren Fördereinheiten angeordnet, vorzugsweise mit einem Abstand von wenigstens 400 mm, insbesondere wenigstens 600 mm. Damit kann ein Wärmeeintrag gut vermieden werden.
Beim Eintritt in die Pumpe bzw. die Fördereinheiten befindet sich das kryogene Fluid, z.B. Wasserstoff, nämlich in der Regel nahe des Siedepunkts oder am Siedepunkt. Um ein Sieden von z.B. Wasserstoff zu vermeiden, muss der Wärmeeintrag in die Pumpe oder zumindest die Fördereinheiten minimiert werden, was durch die Verwendung sehr langer Kolbenstangen erreicht werden kann. Eine große Länge der Kolbenstangen reduziert den Wärmeeintrag aufgrund einer langen Wärmeleitstrecke. Zudem wird durch die Isolationswirkung des Vakuums zwischen Innen- und Außenbehälter der Wärmeeintrag minimiert.
Weiterhin ist die Pumpe derart ausgebildet, dass die mehreren Fördereinheiten und wenigstens ein Teil der Sammelleitung zum Fördern von Fluid in dem Fluid untergetaucht anordenbar ist. Insbesondere sind die entsprechenden Komponenten oder Teile der Pumpe, die in dem kryogenen Fluid untergetaucht anordenbar sind, entsprechend ausgebildet, tiefe Temperaturen von z.B. weniger als -90° oder auch bis hin zu -253°C auszuhalten und insbesondere dabei auch funktionsfähig zu sein und zu bleiben.
In einer Ausführungsform ist die Pumpe derart eingerichtet, dass die mehreren Kolben synchron und zueinander zeitlich versetzt bewegt werden. Dies kann z.B. durch entsprechende Anbindung der Kolbenstangen an die Antriebseinrichtung sowie ggf. eine geeignete Ausbildung der Antriebseinrichtung erreicht werden. Im Falle einer hydraulischen Antriebseinrichtung kann diese so ausgebildet sein, dass durch eine entsprechende Regulierung des Hydraulikölmassenstroms die Verfahrgeschwindigkeit der einzelnen Kolben eine sinusförmige Form aufweist, und dass die Kolben zeitlich versetzt zu einander bewegt werden. Weiter kann die Antriebseinrichtung z.B. eine geeignete Kurbelwelle (oder einen andere geeignete Konstruktion) aufweisen, an der die Kolbenstangen entsprechend angebunden sind. Dies führt zu einer synchronisierten Bewegung, z.B. Sinus-Bewegung, der Kolben, jeweils mit einer gewissen Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Kolben. Dadurch kann eine möglichst kontinuierliche und gleichmäßige Durchflussmenge von Fluid am Pumpenauslass erzeugt werden.
Zum Fördern des Fluids kann die also Pumpe derart angeordnet werden, dass zumindest die Einlässe der mehreren Fördereinheiteneinlässen, vorzugsweise die mehreren Fördereinheiten, in dem kryogenen Fluid untergetaucht sind. Insbesondere kann die Pumpe auch dauerhaft oder zumindest auch außerhalb von Zeiten, in denen sie zum Fördern verwendet wird, entsprechend angeordnet sein. Auf diese Weise kann Pumpe sofort anlaufen und es ist keine Abkühlungszeit beim Anlaufen der Pumpe erforderlich.
Die Pumpe wird zum Fördern von Fluid derart angeordnet, dass sich die Antriebseinrichtung außerhalb des kryogenen Fluids befindet. Damit können eine sichere Funktion der Antriebseinrichtung und damit der Pumpe insgesamt sichergestellt werden. Wenngleich die Antriebseinrichtung damit auch für tiefe Temperaturen geeignet sein sollte, muss diese nicht derart tiefen Temperaturen widerstehen können wie die Fördereinheiten. Auch hier zeigt sich ein Vorteil der erwähnten langen Kolbenstangen, da damit nämlich erreicht werden kann, dass einerseits die Fördereinheiten ausreichend weit in das kryogene Fluid eingetaucht werden können, andererseits aber die Antriebseinrichtung ausreichend weit vom kryogenen Fluid beanstandet angeordnet werden kann.
Weiterhin weist der Pumpeneinsatz mehrere Zugstangenhülsen auf, die zwischen der Antriebseinrichtung und den mehreren Fördereinheiten angeordnet sind. Dabei ist zumindest ein Abschnitt einer jeden der mehreren Zugstangen innerhalb zumindest einer jeweiligen der mehreren Zugstangenhülsen angeordnet, und die mehreren Fördereinheiten sind über die mehreren Zugstangenhülsen zumindest mittelbar an der Antriebseinrichtung befestigt, insbesondere aufgehängt. Der Pumpeneinsatz weist auch mehrere Dichtungen auf, wobei jede der mehreren Zugstangen jeweils mit wenigstens einer der mehreren Dichtungen innerhalb zumindest einer jeweiligen der mehreren Zugstangenhülsen abgedichtet ist. Dies erlaubt eine gute Wärmeisolation bzw. eine weitere Reduzierung des Wärmeintrags. Zudem weist der Innenbehälter einen Zugabschnitt (z.B. ein sog. Zugrohr) und einen Fördereinheitenaufnahmeabschnitt auf, wobei der Fördereinheitenaufnahmeabschnitt mittels des Zugabschnitts an einer Oberseite des Außenbehälters aufgehängt ist. Die Fördereinheiten können dann insbesondere in dem Fördereinheitenaufnahmeabschnitt angeordnet sein, der zudem als ein Reservoir für das Fluid dienen kann. Damit wird der Wärmeintrag auf das Fluid noch weiter reduziert. Insbesondere können Wände des Zugabschnitts z.B. besonders dünn ausgebildet sein, um den Wärmeeintrag so gering als möglich zu halten.
In einer Ausführungsform ist zumindest eine der mehreren Fördereinheiten, vorzugsweise aber alle, derart eingerichtet, dass in dem jeweiligen Zylinder vorhandenes, gasförmiges Fluid bei einem Ladehub aus der jeweiligen Fördereinheit entweichen kann. Hierzu kann der jeweilige Zylinder bevorzugt einen Zylinderkopf und eine Schiebehülse aufweisen, und derart ausgebildet sein, dass bei dem Ladehub ein Entgasungsspalt zwischen dem Zylinderkopf und der Schiebehülse gebildet wird, über den das gasförmige Fluid entweichen kann. Auf diese Weise kann eine möglichst vollständige Füllung der Fördereinheit mit flüssigem Fluid erfolgen. Ebenso kann aber vorgesehen sein, dass die jeweilige Fördereinheit ein während des Ladehubs aktiv oder passiv öffnendes Ventil aufweist, das z.B. in dem Fördereinheiteneinlass der jeweiligen Fördereinheit angeordnet sein kann.
In einer Ausführungsform ist die Pumpe für einen Betrieb mit einer Bewegung der Kolben in senkrechter Richtung eingerichtet. Hierunter ist insbesondere zu erstehen, dass dann, wenn die Pumpe zum Betrieb aufgestellt ist, die Zylinder senkrecht ausgerichtet sind, sodass die Kolben senkrecht nach oben und unten bewegt werden. Dies reduziert die konvektive Wärmeübertragung vom Innenbehälter zu den Kolbenstangen bzw. einer Durchführung der Kolbenstangen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Pumpeneinsatz eine Dichtscheibe aufweist, durch die die mehreren Zugstangen geführt sind, wobei die Dichtscheibe den Fördereinheitenaufnahmeabschnitt abdichtet. Dies erlaubt es, Wärmeübertrag durch gasförmiges Fluid zu reduzieren.
In einer Ausführungsform weist das Pumpengehäuse einen Gasauslass auf, über den gasförmiges Fluid aus den Innenbehälter ausbringbar ist. Der Gasauslass kann, ähnlich wie auch der Pumpeneinlass, z.B. als Durchführung von innen durch eine Wand im Innenbehälter, durch den evakuierten Raum hindurch zu einer Wand des Außenbehälters ausgebildet sein. Der Gasauslass sollte dabei weit oben am Innenbehälter angeordnet sein, d.h. dort, wo das Fluid auch gasförmige vorliegt. Damit kann Boil-Off-Gas einfach rückgeführt werden. Denkbar ist, dass hierzu auch ein Regelventil am Gasauslass vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Pumpeneinsatz entnehmbar in dem Pumpengehäuse angeordnet ist. Damit kann der Pumpenseinsatz bei Bedarf z.B. gewechselt oder für Wartungsmaßnahmen entnommen werden.
In einer Ausführungsform weist die Pumpe ein gesamtes Fördervolumen der mehreren Fördereinheiten von mehr als 1 ,5 I auf. Hierfür können die einzelnen Fördereinheiten sowie dort wiederum die Zylinder und Kolben entsprechende Abmessungen aufweisen. Bei höherer Anzahl an Fördereinheiten können die einzelnen Fördereinheiten z.B. etwas kleiner ausgeführt sein, um trotzdem ein insgesamt hohes Fördervolumen zu erreichen. Das Fördervolumen einer einzelnen Fördereinheit ist dabei das zwischen unterem und oberem Totpunkt des Kolbens im Zylinder eingeschlossene Volumen zu verstehen. Ein hohes gesamtes Fördervolumen der Pumpe erlaubt eine geringe bzw. niedrige Betriebsfrequenz der Pumpe, um trotzdem eine hohe Förderrate der Pumpe zu erreichen. Eine geringe Betriebsfrequenz wiederum bedeutet eine langsame Bewegung der Kolben in den Zylindern. Die Vorteile der langsamen Bewegung in Kombination mit den entsprechenden Fördervolumina sind ein relativ geringer Wärmeeintrag durch Reibung und ein hoher Beladungsgrad der Zylinder mit Fluid aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit des Fluids, wenn dieses z.B. in die Fördereinheiten (d.h. in die Fördereinheiteneinlässe) strömt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Pumpe mit einer Betriebsfrequenz von höchstens 5 Hz, bevorzugt höchstens 3 Hz, betrieben wird. Denkbar sind aber z.B. auch nur 1 ,5 Hz. Unter einer Betriebsfrequenz der Pumpe ist dabei eine Frequenz zu verstehen, mit welcher ein Kolben im Zylinder einen vollen Hub vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt und wieder zurück zum unteren Totpunkt vollführt. Bei einer direkten Anbindung der Kolben über die Kolbenstange an die erwähnte Kurbelwelle der Antriebseinrichtung entspricht die Betriebsfrequenz einer Rotationsfrequenz der Kurbelwelle. Zudem kann das kryogene Fluid mittels der Pumpe z.B. bei einem Druck von höchstens 20 bar gefördert werden. Denkbar sind jedoch auch höhere Drücke.
Die erwähnte und hier bevorzugten Werte der Betriebsfrequenz sind für eine Kolbenpumpe besonders niedrig, durch die Kombination mit dem hohen gesamten Fördervolumen kann aber trotzdem eine insgesamt besonders hohe Förderrate erreicht werden, wie sie z.B. für Schwerlastanwendungen erforderlich oder zumindest wünschenswert sind. Der Wärmeeintrag bleibt, wie erwähnt, trotzdem niedrig, was die Effizienz steigert. Für das Beispiel von Wasserstoff als kryogenem Fluid ergibt sich bei einer Betriebsfrequenz von 1 ,5 Hz und dem gesamten Fördervolumen von 1 ,5 I, unter der Annahme einer Dichte des kryogenen Wasserstoffs von ca. 71 kg/m3, eine Förderrate von ca. 575 kg/h. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Pumpe unter Berücksichtigung möglicher interner Verlustmassenströme z.B. über Dichtungssysteme bei einer Betriebsfrequenz von 3 Hz oder weniger eine Förderrate von 400 kg/h oder mehr, z.B. mindestens 600 kg/h, erreicht, was durch ein entsprechendes gesamtes Fördervolumen erreicht wird.
Die Förderrate lässt sich bei der vorgeschlagenen Art der Pumpe aufgrund des Aufbaus der Pumpe besonders einfach erhöhen, indem z.B. einfach mehr Fördereinheiten vorgesehen werden. Denkbar ist auch ein Aufbau der Pumpe, bei der einzelne oder mehrere aller vorhandenen Fördereinheiten gezielt zu- und abschaltbar sind, um die Förderrate je nach Bedarf verändern zu können. Hierzu kann dann z.B. die Antriebseinrichtung entsprechend ausgebildet sein, z.B. mit separaten Antriebseinheiten für einzelne oder jeweils mehrere der vorhandenen Fördereinheiten.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 zeigt schematisch eine Anlage bei der eine erfindungsgemäße Pumpe zum Einsatz kommen kann.
Figur 2a zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Pumpe in einer bevorzugten Ausführungsform. Figur 2b zeigt schematisch ein Pumpengehäuse der Pumpe aus Figur 2a.
Figur 2c zeigt schematisch einen Pumpeneinsatz der Pumpe aus Figur 2a.
Figur 2d zeigt schematisch eine Fördereinheit der Pumpe aus Figur 2a in einer detaillierteren Ansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 ist schematisch eine Anlage 100 gezeigt, bei der eine erfindungsgemäße Pumpe zum Einsatz kommen kann, d.h. es handelt sich um eine Anwendung, bei der kryogenes Fluid mittels der Pumpe gefördert wird. Die Anlage 100 weist einen Vorratstank oder Speichertank 110 für beispielhaft flüssigen Wasserstoff H2 als kryogenes Fluid auf. Der Wasserstoff kann in dem Speichertank 110 z.B. bei einem Druck von 2 bis 3 barg in flüssiger Form gespeichert sein.
Weiterhin weist die Anlage 100 eine erfindungsgemäße Pumpe 200 in einer bevorzugten Ausführungsform auf. Die Pumpe 200 ist hier nur symbolisch angedeutet und soll in Bezug auf die Figuren 2a, 2b, 2c im Detail erläutert werden. Die Pumpe 200 kann über eine Leitung aus dem Speichertank 110 mit Wasserstoff H2 versorgt werden. Weiterhin weist Anlage 100 eine Kupplung 120 auf, die über eine weiter Leitung mit der Pumpe 200 verbunden ist.
Mittels der Kupplung 120 kann die Leitung an z.B. einen Tank 132 eines Fahrzeugs 130 angeschlossen bzw. angekuppelt werden. Bei dem Tank 132 des Fahrzeugs kann es sich insbesondere um einen Tank für Wasserstoff als Kraftstoff zum Antrieb des Fahrzeugs 130 handeln. Als Fahrzeug kommt insofern insbesondere z.B. ein LKW in Betracht, zumal LKWs große Mengen an Wasserstoff für den Antrieb benötigen, die mit der vorgeschlagenen Pumpe in kurzer Zeit transferiert werden können. Es sei erwähnt, dass der Wasserstoff aber auch zu anderen Arten von Tanks transfiert werden kann, z.B. mobile Speichertanks zum Transport oder auch für andere Anwendungen.
Es sei erwähnt, dass die Anlage 100 noch weitere Komponenten umfassen kann, z.B. verschiedene Ventile oder Messtechnik wie z.B. ein Durchflussmesser. Vielmehr soll lediglich beispielhaft ein möglicher und bevorzugter Anwendungsfall für die vorgeschlagene Pumpe 200 erläutert werden. Es kann also mittels der Pumpe 200 kryogener Wasserstoff aus dem Speichertank 110 in den Tank 132 gefördert werden.
In Figur 2a ist schematisch eine erfindungsgemäße Pumpe in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Es handelt sich um die schon in Figur 1 , dort aber nur symbolisch, gezeigte Pumpe 200. Die Pumpe 200 weist ein Pumpengehäuse 201 und einen Pumpeneinsatz 202 auf, die jeweils verschiedene Komponenten der gesamten Pumpe 200 umfassen. Während in Figur 2a die gesamte Pumpe 200 gezeigt ist, sind in der Figur 2b nur das Pumpengehäuse 201 und in Figur 2c nur der Pumpeneinsatz 202 gezeigt. In Figur 2d ist eine Fördereinheit der Pumpe 200 in einer detaillierteren Ansicht gezeigt. Die Figuren 2a, 2b, 2c und 2d sollen nachfolgend übergreifend beschrieben werden.
Das Pumpengehäuse 201 weist einen Außenbehälter 220 und einen Innenbehälter auf. Der Innenbehälter wiederum weist einen Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 und einen Zugabschnitt 222 auf. Der Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 ist dabei mittels des Zugabschnitts 222 an einer Oberseite des Außenbehälters 220 aufgehängt, z.B. an einem Flansch 224. Zwischen dem Außenbehälter 220 und dem Innenbehälter ist bzw. wird dabei ein Raum 225 gebildet, der evakuiert ist oder der evakuierbar ist sowie z.B. mit vakuumgeeigneter Multi-Layer-Isolation (MLI) versehen werden kann. Unter evakuieren soll dabei verstanden werden, dass ein allenfalls sehr geringer Druck von verbleibendem Gas vorliegt. Damit ist das Innere des Innenbehälters bzw. insbesondere des Fördereinheitenaufnahmeabschnitts 221 gut nach außen isoliert.
Das Pumpengehäuse 201 weist einen Pumpeneinlass 261 auf, über den zu förderndes Fluid H2, und zwar insbesondere in flüssiger Form, in den Innenbehälter, dort insbesondere den Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 , bringbar ist. Der Pumpeneinlass 261 ist z.B. als Durchführung von außen durch eine Wand im Außenbehälter 220, durch den evakuierten Raum 225 hindurch zu einer Wand des Innenbehälters ausgebildet.
Zudem weist das Pumpengehäuse 201 einen Gasauslass 264 auf, über den gasförmiges Fluid H2 aus den Innenbehälter ausbringbar ist. Der Gasauslass ist z.B. als Durchführung von innen durch eine Wand im Innenbehälter, durch den evakuierten Raum 225 hindurch zu einer Wand des Außenbehälters 220 ausgebildet. Der Gasauslass 24 ist dabei weit oben am Innenbehälter angeordnet, d.h. dort, wo das Fluid auch gasförmig vorliegt. Damit kann Boil-Off-Gas einfach rückgeführt werden. Denkbar ist, dass hierzu auch ein Regelventil am Gasauslass vorgesehen ist. Mittels einer gestrichelten Linie ist in den Figuren 2a, 2b beispielhaft ein Flüssigkeitslevel von flüssigem Fluid H2 angedeutet.
Der Pumpeneinsatz 202 weist mehrere Fördereinheiten, hier beispielhaft drei Fördereinheiten 231 , 232, 233 auf. Die Fördereinheiten 231 , 232, 233 können an sich gleichartig aufgebaut sein, sodass nachfolgend beispielhaft nur die Fördereinheit 231 näher beschrieben werden soll. Die Fördereinheit 231 weist einen Kolben 241 und einen Zylinder 240 auf, wobei der Kolben 241 innerhalb des Zylinders 240 hin und her bewegbar angeordnet ist.
In Figur 2d ist eine beispielhafte Ausgestaltung der Fördereinheit 231 mit mehr Details gezeigt. Der Zylinder 240 weist hierbei eine Schiebehülse 249, einen Zylinderkopf
245.1 und ein Zylindergehäuse 245.2 auf. auf. Zylinderkopf 245.1 und Zylindergehäuse
245.2 können ein gemeinsames Bauteil oder eine Baueinheit sein. Die Zylinderhülse 249 ist die nach oben offen. Der obere Rand der Schiebehülse 249 wird bei einer Aufwärtsbewegung z.B. an den Zylinderkopf 245.1 gedrückt, und dichtet dabei ab. Nach unten kann die Schiebehülse 249 ebenfalls offen sein. Dabei ist die Schiebehülse 249 in der Zylindergehäuse 245.2 beweglich gelagert, das Zylindergehäuse 245.2 umgibt die Schiebehülse 249. Dabei wird eine gewisse, im gezeigten Fall vertikale, Bewegung, der Schiebehülse 249 erlaubt. Die vertikale Bewegung der Schiebehülse 249 ist nach unten durch einen mechanische Anschlag 246 am Zylindergehäuse 245.2 und einen korrespondierenden mechanischen Anschlag 247 an der Schiebehülse 249 begrenzt. Beide Anschläge sind hier mit einem gewissen Spalt gezeigt, was nur der Veranschaulichung dient. In der Praxis sollte hier abgedichtet sein. In dem gezeigten Fall ist der Kolben 241 innerhalb des Zylinders 240 bzw. der Schiebehülse 249 auf und ab, d.h. in vertikaler Richtung bei zum Betrieb aufgestellter Pumpe, bewegbar. Die Pumpe basiert also auf dem Prinzip einer Kolbenpumpe bzw. Hubkolbenpumpe.
Weiterhin weist der Pumpeneinsatz 202 eine Antriebseinrichtung 210 und mehrere Kolbenstangen 251 , 252, 253 auf, wobei die Antriebseinrichtung 210 über jeweils eine der mehreren Kolbenstangen an jeweils einen der mehreren Kolben angebunden ist. Die Pumpe 200 ist eingerichtet, mittels der Antriebseinrichtung 210 jeden der mehreren Kolben innerhalb des jeweiligen Zylinders hin und her - im gezeigten Fall auf und ab - zu bewegen. Die Antriebseinrichtung 210 kann z.B. elektrisch und/oder hydraulisch betrieben sein. In dem gezeigten Beispiel weist die Antriebseinrichtung 210 drei Antriebseinheiten 211 , 212, 213 auf, wobei jede einer Kolbenstange bzw. einem Kolben zugeordnet ist. Bei den Antriebseinheiten kann es sich z.B. jeweils um einen Elektro- oder Hydraulikmotor handeln. Wie bereits erwähnt, können alle Kolbenstangen aber auch z.B. an eine gemeinsame Kurbelwelle oder dergleichen angebunden sein, die dann z.B. mittels nur einer Antriebseinheit angetrieben, insbesondere rotiert, wird. Es versteht sich, dass die Antriebseinheiten 211 , 212, 213 nicht in einer Linie zueinander angeordnet sein müssen. Dies gilt dann entsprechend für die Fördereinheiten.
Die Antriebseinrichtung 210 ist insbesondere dazu eingerichtet, mit einer Betriebsfrequenz von bis zu 5 Hz oder bis zu 3 Hz oder auch nur bis zu 2 Hz zu arbeiten; dies ist für eine Kolbenpumpe, wie erwähnt, relativ langsam. Je nach Art der Antriebseinrichtung oder der Antriebseinheiten kann hierzu z.B. eine Übersetzung über ein Getriebe nötig sein.
Der Pumpeneinsatz 202 weist beispielhaft einen Stützring 223 auf, mittels dessen die Antriebseinrichtung 210 auf dem Pumpengehäuse 201 , dort deren Oberseite, insbesondere an dem Flansch 224, abgestützt ist.
Die Fördereinheit 231 weist zudem einen Fördereinheiteneinlass 242 und einen Fördereinheitenauslass 243 für das Fluid auf. Sowohl der Fördereinheiteneinlass 242 als auch der Fördereinheitenauslass 243 können z.B. jeweils ein Ventil aufweisen. Auf diese Weise kann z.B. über den Fördereinheiteneinlass 242 nur in einem sog. Ladehub Fluid durch den sich dann öffnenden Fördereinheiteneinlass 242 einströmen. Das Ventil des Fördereinheitenauslasse 243 bleibt dann aktiv oder passiv geschlossen. Bei der gezeigten Pumpe 200 wird ein Ladehub durch eine Bewegung des Kolbens 241 nach unten durchgeführt. Das Fördervolumen der Fördereinheit 231 befindet sich also im oberen Teil des Zylinders 240, zwischen Kolben 241 und Fördereinheiteneinlass 242 sowie Fördereinheitenauslass 243. Im Ladehub bewegt sich, wie in Figur 2d zu sehen ist, sowohl durch Schwerkraft als auch durch Reibkraft des Kolbens 241 an der Innenwand der Schiebehülse 249 die Schiebehülse 249 bis zum Anschlag nach unten. Dadurch wird zwischen der Schiebehülse 249 und dem Zylinderkopf 245.1 ein Spalt frei, ein sog. Entgasungsspalt, hier mit 248.1 bezeichnet. Durch diesen Spalt 248.1 kann eine ggf. vorhandene Restmenge an gasförmigen Wasserstoff aus dem vorhergehenden Förderhub aus dem Zylinder 240 bzw. der Schiebehülse 249 und über Öffnungen 248.2 im Zylindergehäuse 245.2 entweichen. Somit wird im aktuellen Ladehub eine möglichst vollständige Füllung mit flüssigem Wasserstoff der Fördereinheit und damit eine hohe Förderleistung der Pumpe 200 erreicht. Als Variante oder zusätzlich hierzu kann z.B. vorgesehen sein, die Entgasung auch über den Fördereinheiteneinlass 242 durch ein aktiv oder passiv öffnendes Ventil zu realisieren.
Es sei erwähnt, dass Fördereinheiteneinlass 242 und Fördereinheitenauslass 243 hier nur beispielhaft angedeutet sind. Der Fördereinheiteneinlass könnte z.B. auch dadurch gebildet sein, dass die Unterseite des Zylinders 240 offen ist und der Kolben 241 derart ausgebildet ist, dass bei einer Bewegung des Kolbens nach unten dieser eine Öffnung bildet, durch die Fluid von unten in das Fördervolumen einströmen kann.
In einem sog. Förderhub kann dann, wenn in dem Zylinder ein Überdruck erzeugt wird, Fluid durch das sich dann passiv öffnende oder aktiv zu öffnende Ventil des Fördereinheitenauslasses 243 ausgestoßen werden. Das Ventil des Fördereinheiteneinlasses 242 bleibt dann geschlossen. Bei der gezeigten Pumpe 200 wird ein Förderhub durch eine Bewegung des Kolbens 241 nach oben durchgeführt.
Bei dem gezeigten Beispiel der Pumpe 200 ist die Fördereinheit 231 zudem für eine Förderung von Fluid über eine Zugbewegung der Kolbenstange 251 an dem Kolben 241 ausgebildet. Eine Zugbewegung entspricht in diesem Beispiel einer Aufwärtsbewegung. Durch die Zugbewegung wird also der Förderhub durchgeführt, während durch eine Druckbewegung (hier eine Abwärtsbewegung) ein Ladehub durchgeführt wird. Da bei einem Förderhub eine größere Krafteinwirkung auf die Kolbenstange erfolgt als bei einem Ladehub (da in dem Fluid ein Druck aufgebaut werden muss), führt diese Anordnung dazu, dass auch bei langer Kolbenstange ein Knicken der Kolbenstange nicht vorkommt oder höchst unwahrscheinlich ist. Die Erläuterungen für die Fördereinheit 231 gelten gleichermaßen für die Fördereinheiten 232, 233. Ein Fördervolumen einer jeden Fördereinheit ergibt sich durch die Volumendifferenz des Volumens, das der Kolben in dem Zylinder begrenzt, bei minimalem und maximalem Kolbenhub. Die Differenz zwischen minimalem und maximalem Kolbenhub ist die Hubhöhe h, wie beispielhaft für die Förderreinheit 233 gezeigt. Basierend auf der Hubhöhe h und einem Durchmesser d des Zylinders kann dann das Fördervolumen bestimmt werden.
Weiterhin weist der Pumpeneinsatz 202 eine Sammelleitung 262 auf, wobei die Fördereinheitenauslässe von allen Fördereinheiten 231 , 232, 233 an die Sammelleitung 224 angebunden sind. Die Fluidsammelleitung 224 ist dabei derart ausgebildet, dass die Fördereinheitenauslässe in einen gemeinsamen Pumpenauslass 263 münden, über den mittels der Pumpe 200 gefördertes Fluid bereitstellbar ist. Die Fluidströme aus den einzelnen Fördereinheitenauslässen werden also gesammelt bzw. zu einem gemeinsamen Fluidstrom vereint.
Die mehreren Fördereinheiten 231 , 232, 233 und wenigstens ein Teil der Sammelleitung 262 sind innerhalb des Innenbehälter und dort wiederum innerhalb des Fördereinheitenaufnahmeabschnitts 221 angeordnet. Die Antriebseinrichtung 210 hingegen ist, wie erwähnt, außerhalb des Pumpengehäuses 201 angeordnet, hier z.B. oben auf. Der Pumpenauslass 266 ist hier beispielhaft in dem Stützring 223 angeordnet oder eingebracht.
Das Pumpengehäuse 220 weist, wie erwähnt, den Pumpeneinlass 261 auf. Die Pumpe 200 ist derart ausgebildet, dass zu förderndes Fluid H2 über den Pumpeneinlass 261 zu den Fördereinheiteneinlässen bringbar oder führbar ist. Dies erfolgt in dem gezeigten Beispiel dadurch, dass die Fördereinheiteneinlässe, insbesondere auch die mehreren Fördereinheiten (im gesamten) und wenigstens ein Teil der Sammelleitung zum Fördern von Fluid in dem Fluid (mittels der gestrichelten Linie ist in den Figuren 2a, 2b beispielhaft der Flüssigkeitslevel von flüssigem Fluid H2 angedeutet) untergetaucht anordenbar sind. Durch den Pumpeneinlass 261 eintretendes Fluid sammelt sich damit im Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 , wie in Figur 2a zu sehen, und kann auf diese Weise über die Fördereinheiteneinlässe in die Fördereinheiten (bzw. deren Fördervolumina) eindringen, insbesondere jeweils bei einem Ladehub. Der Pumpeneinsatz 202 weist beispielhaft mehrere Zugstangenhülsen auf, die zwischen der Antriebseinrichtung 210 und den mehreren Fördereinheiten 231 , 232, 233 angeordnet sind. Zudem weist der Pumpeneinsatz 202 beispielhaft eine Dichtscheibe 254 auf. Beispielhaft ist eine Zugstangenhülse 255 gezeigt, die die Zugstange 251 umgibt und mittels welcher die Dichtscheibe 254 mit der Antriebseinrichtung 210 verbunden ist. Entsprechend können weitere Zugstangenhülsen für die weiteren Zugstangen vorgesehen sein. Zudem ist beispielhaft eine Zugstangenhülse 256 gezeigt, die ebenfalls die Zugstange 251 umgibt und mittels welcher die Dichtscheibe 254 mit der Fördereinheit 231 verbunden ist. Entsprechend können weitere Zugstangenhülsen für die weiteren Zugstangen vorgesehen sein. Auf diese Weise sind die Fördereinheiten über die mehreren Zugstangenhülsen zumindest mittelbar an der Antriebseinrichtung 210 befestigt, insbesondere aufgehängt.
Die Dichtscheibe 254 kann dabei insbesondere derart geformt oder ausgebildet sein, dass sie den Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 abdichtet, und zwar gegen den Zugabschnitt 222. Damit wird innerhalb des Zugabschnitts 221 und um die Zugstangenhülsen (soweit diese innerhalb des Zugabschnitts sind) ein Raum 226 gebildet. Der Raum 226 ist dabei insbesondere mit einer nur Flüssigkeit abschirmenden, aber nicht gasdichtenden Dichtung gegen den typischerweise kalten Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 abgedichtet. Damit füllt sich der Raum 226 beim Betrieb der Pumpe dann insbesondere mit relativ warmem gasförmigem Fluid, was zu einer thermischen Isolationsschicht zwischen dem flüssigen Wasserstoff im Fördereinheitenaufnahmeabschnitt 221 und dem oberen Teils des Pumpengehäuses 201 , dem Flansch 224 und dem Stützring 223 führt. Ohne diese Isolation würden die genannten Stelle sehr kalt werden und insbesondere die Dichtung 257 könnte aufgrund der Kälte undicht werden.
Der Pumpeneinsatz 202 weist zudem mehrere Dichtungen auf, mittels welcher die Zugstangen innerhalb einer Zugstangenhülse abgedichtet sind. Dabei ist beispielhaft für die Zugstangenhülse 255 eine Dichtungen 258 unten im kalten Bereich und eine Dichtung 257 oben im warmen Bereich vorgesehen; dies gilt entsprechend für die weiteren Zugstangenhülsen (zwischen Dichtscheibe und Antriebseinrichtung). Bei den Dichtungen 258 kann es sich z.B. um Buchsen handeln, bei den Dichtungen 257 um sog. Stopfbuchsen. Damit wird das kalte Fluid im Innenbehälter möglichst gut abgedichtet oder ggf. angewärmt, und zwar bis zur oberen Dichtung 257
Durch die mehreren Fördereinheiten 231 , 232, 233 ist es möglich, ein insgesamt größeres Fördervolumen zu schaffen, um so eine höhere Förderrate der Pumpe 200 zu ermöglichen. Trotzdem erlaubt das Prinzip der Kolbenpumpe eine einfache und robuste Funktionsweise, während andere Pumpenarten wie Rotationspumpen komplizierter und fehleranfälliger sind.
Lange Kolbenstangen 251 , 252, 253 wiederum bewirken, dass die Antriebseinrichtung 210 möglichst weit von den Fördereinheiten 231 , 232, 233 beabstandet angeordnet werden kann, was eine Reduzierung eines Wärmeeintrags der Antriebseinrichtung 210 auf das mittels der Fördereinheiten zu fördernde, kryogene Fluid ermöglicht. Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung beabstandet von den mehreren Fördereinheiten angeordnet, vorzugsweise mit einem Abstand x. Der Abstand x, wie in Figur 2a beispielhaft angedeutet, sollte z.B. zumindest so groß sein, dass die Fördereinheiten, insbesondere auch deren Fördereinheiteneinlässe, ausreichend weit in das kryogene Fluid H2 eingetaucht bzw. dort untergetaucht werden können, andererseits aber die Antriebseinheit das kryogene Fluid H2 z.B. nicht berührt. Je nach Bedarf kann der Abstand x, der auch die Länge der Kolbenstangen bestimmt, so groß gewählt werden, dass der Wärmeeintrag über die Kolbenstangen in das kryogene Fluid H2 hinreichend klein wird.
Beim Eintritt in die Pumpe 200 bzw. die Fördereinheiten befindet sich das kryogene Fluid, z.B. Wasserstoff, nämlich in der Regel nahe des Siedepunkts oder am Siedepunkt. Um ein Sieden von Wasserstoff zu vermeiden, muss der Wärmeeintrag in die Pumpe oder zumindest die Fördereinheiten minimiert werden, was durch die Verwendung sehr langer Kolbenstangen erreicht werden kann. Eine große Länge der Kolbenstangen reduziert den Wärmeeintrag aufgrund einer langen Wärmeleitstrecke.
Beispielsweise kann Pumpe 200 derart eingerichtet sein, dass die Kolben 241 , 242, 243 synchron und zueinander zeitlich versetzt bewegt werden. Dies kann z.B. durch entsprechende Anbindung der Kolbenstangen an die Antriebseinrichtung 210 sowie ggf. eine geeignete Ausbildung der Antriebseinrichtung erreicht werden. So kann die Antriebseinrichtung z.B. eine geeignete Kurbelwelle aufweisen, an der die Kolbenstangen entsprechend angebunden sind. Dies führt zu einer synchronisierten Bewegung, z.B. Sinus-Bewegung, der Kolben, jeweils mit einer gewissen Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Kolben. Dadurch kann eine möglichst kontinuierliche und gleichmäßige Durchflussmenge von Fluid H2 am Pumpenauslass 222 erzeugt werden.
Zum Fördern des Fluids kann die Pumpe 200 derart angeordnet und betrieben werden, dass zumindest die Fördereinheiteneinlässen der mehreren Fördereinheiten, vorzugsweise die mehreren Fördereinheiten selbst, in dem kryogenen Fluid H2 untergetaucht sind. Die Antriebseinrichtung 210 hingegen befindet sich außerhalb bzw. hier oberhalb des kryogenen Fluids H2. Eine solche Situation ist in Figur 2a gezeigt. Auf diese Weise kann Pumpe 200 sofort anlaufen und es ist keine Abkühlungszeit beim Anlaufen der Pumpe erforderlich ist.
Die Pumpe kann z.B. eine Förderrate von 400 bis 600 kg/h an kryogenem Fluid H2 erreichen, und zwar bei einer Betriebsfrequenz von 1 ,5 bis 3 Hz. Dies bedeutet, dass das gesamtes Fördervolumen der mehreren Fördereinheiten in etwa 1 ,5 I aufweist; dies wiederum teilt sich z.B. gleichmäßig auf die drei Fördereinheiten 231 , 232, 233 auf und wird durch geeignete Werte für Durchmesser d und Kolbenhub h erreicht. Die geringe Betriebsfrequenz der Pumpe 200 bedeutet eine langsame Bewegung der Kolben in den Zylindern. Die Vorteile der langsamen Bewegung in Kombination mit den entsprechenden Fördervolumina sind ein relativ geringer Wärmeeintrag durch Reibung und ein hoher Beladungsgrad der Zylinder mit Fluid aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit des Fluids, wenn dieses z.B. in die Fördereinheiten (d.h. in die Fördereinheiteneinlässe) strömt. Es sei erwähnt, dass bevorzugt die Betriebsfrequenz der Pumpe je nach gefordertem Massenstrom z.B. zwischen 0 Hz und z.B. 2 oder 3 Hz frei geregelt werden kann, z.B. während der Betankung eines Fahrzeug.
Anhand der Figuren 2b und 2c ist zudem zu sehen, dass der Pumpeneinsatz 202 aus dem Pumpengehäuse 201 entnehmbar sein kann, z.B. zum Austausch oder zu Wartungszwecken.

Claims

Patentansprüche
1. Pumpe (200) zum Fördern eines kryogenen Fluids (H2), insbesondere Wasserstoff, wobei die Pumpe (200) ein Pumpengehäuse (201) und einen Pumpeneinsatz (202) aufweist, wobei das Pumpengehäuse (201) einen Außenbehälter (220) und einen Innenbehälter (221 , 222) aufweist, wobei zwischen dem Außenbehälter (220) und dem Innenbehälter (221 , 222) ein Raum (225) gebildet ist, der evakuiert oder evakuierbar ist, wobei das Pumpengehäuse (201) einen Pumpeneinlass (261) aufweist, über den zu förderndes Fluid in den Innenbehälter (221 , 221) bringbar ist, wobei der Pumpeneinsatz (202) mehrere Fördereinheiten (231 , 232, 233), eine Antriebseinrichtung (210), mehrere Kolbenstangen (251 , 252, 253) und eine Sammelleitung (262) aufweist, wobei die mehreren Fördereinheiten und wenigstens ein Teil der Sammelleitung innerhalb des Innenbehälters (221 , 222) angeordnet sind, und wobei die Antriebseinrichtung (210) außerhalb des Pumpengehäuses (201) angeordnet ist, wobei jede Fördereinheit jeweils einen Kolben (241) und einen Zylinder (240) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (210) über jeweils eine der mehreren Kolbenstangen an jeweils einen der mehreren Kolben angebunden ist, und wobei die Pumpe (200) eingerichtet ist, mittels der Antriebseinrichtung (210) jeden der mehreren Kolben innerhalb des jeweiligen Zylinders hin und her zu bewegen, wobei die Pumpe für eine Förderung von Fluid über eine Zugbewegung der Kolbenstangen ausgebildet ist, wobei der Pumpeneinsatz (202) einen Pumpenauslass (222) aufweist, und wobei jede der mehreren Fördereinheiten (231 , 232, 233) jeweils einen Fördereinheiteneinlass (242) und einen Fördereinheitenauslass (243) für das Fluid aufweist, wobei die Fördereinheitenauslässe an die Sammelleitung angebunden sind, und wobei die Fluidsammelleitung derart ausgebildet ist, dass die Fördereinheitenauslässe in den Pumpenauslass (222) münden, über den mittels der Pumpe (200) gefördertes Fluid (H2) bereitstellbar ist, wobei die Pumpe (200) derart ausgebildet ist, dass die mehreren Fördereinheiten (231 , 232, 233) und wenigstens ein Teil der Sammelleitung (224) zum Fördern von Fluid in dem Fluid (H2) untergetaucht anordenbar ist, wobei der Pumpeneinsatz(202) mehrere Zugstangenhülsen (255) aufweist, die zwischen der Antriebseinrichtung und den mehreren Fördereinheiten angeordnet sind, wobei zumindest ein Abschnitt einer jeden der mehreren Zugstangen innerhalb zumindest einer jeweiligen der mehreren Zugstangenhülsen angeordnet ist, und wobei die mehreren Fördereinheiten über die mehreren Zugstangenhülsen zumindest mittelbar an der Antriebseinrichtung befestigt, insbesondere aufgehängt, sind, wobei der Pumpeneinsatz (202) mehrere Dichtungen aufweist, wobei jede der mehreren Zugstangen jeweils mit wenigstens einer der mehreren Dichtungen innerhalb zumindest einer jeweiligen der mehreren Zugstangenhülsen abgedichtet ist, und wobei der Innenbehälter einen Zugabschnitt (222) und einen Fördereinheitenaufnahmeabschnitt (221) aufweist, wobei der Fördereinheitenaufnahmeabschnitt mittels des Zugabschnitts an einer Oberseite des Außenbehälters aufgehängt ist.
2. Pumpe (200) nach Anspruch 1 , wobei zumindest eine der mehreren Fördereinheiten derart eingerichtet ist, dass in dem jeweiligen Zylinder (240) vorhandenes, gasförmiges Fluid bei einem Ladehub aus der jeweiligen Fördereinheit entweichen kann.
3. Pumpe (200) nach Anspruch 2, wobei der jeweilige Zylinder (240) einen Zylinderkopf (245.1) und eine Schiebehülse (249) aufweist, und derart ausgebildet ist, dass bei dem Ladehub ein Entgasungsspalt (248.1) zwischen dem Zylinderkopf (245.1) und der Schiebehülse (249) gebildet wird, über den das gasförmige Fluid entweichen kann.
4. Pumpe (200) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die jeweilige Fördereinheit ein während des Ladehubs aktiv oder passiv öffnendes Ventil aufweist, über das das gasförmige Fluid entweichen kann, wobei das Ventil insbesondere in dem Fördereinheiteneinlass (242) der jeweiligen Fördereinheit angeordnet ist.
5. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinrichtung (210) mit einem Abstand (x) von wenigstens 400mm, vorzugsweise wenigstens 600mm, beabstandet von den mehreren Fördereinheiten (231 , 232, 233) angeordnet ist.
6. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die derart eingerichtet ist, dass die mehreren Kolben (241) synchron und zueinander zeitlich versetzt bewegt werden.
7. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die für einen Betrieb mit einer Bewegung der Kolben in senkrechter Richtung eingerichtet ist.
8. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pumpeneinsatz (202) eine Dichtscheibe (254) aufweist, durch die die mehreren Zugstangen geführt sind, wobei die Dichtscheibe den Fördereinheitenaufnahmeabschnitt (221) gegen den Zugabschnitt (222) abdichtet, insbesondere nur Flüssigkeit abschirmend, aber nicht gasdicht.
9. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Pumpengehäuse (220) einen Gasauslass aufweist, über den gasförmiges Fluid aus den Innenbehälter (221 , 221) ausbringbar ist.
10. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pumpeneinsatz (202) entnehmbar in dem Pumpengehäuse (201) angeordnet ist.
11. Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein gesamtes Fördervolumen der mehreren Fördereinheiten von mehr als 1 ,5 I aufweist.
12. Verfahren zum Fördern eines kryogenen Fluids (H2), insbesondere Wasserstoff, mittels einer Pumpe (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Pumpe (200) derart angeordnet und betrieben wird, dass zumindest die Fördereinheiteneinlässe (242), vorzugsweise die mehreren Fördereinheiten (231 , 232, 233), in dem kryogenen Fluid (H2) untergetaucht sind, und dass sich die Antriebseinrichtung (210) außerhalb des kryogenen Fluids befindet.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Pumpe (200) mit einer Betriebsfrequenz von höchstens 5 Hz, bevorzugt höchstens 3 Hz, betrieben wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das kryogene Fluid (H2) mittels der Pumpe (200) mit einer Förderrate von wenigstens 200 kg/h, bevorzugt wenigstens 300 kg/h, weiter bevorzugt wenigstens 400 kg/h, gefördert wird, und wobei insbesondere das kryogene Fluid mittels der Pumpe (200) bei einem Druck von höchstens 20 bar gefördert wird .
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