WO2008138446A1 - Hochdruckwasserstoffpumpe - Google Patents

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WO2008138446A1
WO2008138446A1 PCT/EP2008/003000 EP2008003000W WO2008138446A1 WO 2008138446 A1 WO2008138446 A1 WO 2008138446A1 EP 2008003000 W EP2008003000 W EP 2008003000W WO 2008138446 A1 WO2008138446 A1 WO 2008138446A1
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WO
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pressure
pump
piston
cylinder
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PCT/EP2008/003000
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Inventor
Helmut Dresler
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F04B2015/081—Liquefied gases
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    • F04B2015/081—Liquefied gases
    • F04B2015/0822—Hydrogen

Definitions

  • the invention relates to a pump, comprising a piston arranged within a cylinder space and an outlet valve arranged in the region of the cylinder bottom.
  • Gas compressors or LPG pumps for low temperatures - is to minimize the dead space.
  • the dead space volume is mainly determined by the required distance between the piston and the cylinder bottom at top dead center of the piston and the inlet and outlet valves.
  • the dead space in liquid gas pumps and low pressures determined undercooled liquid hardly or only slightly, its volume in the high pressure area - this includes in particular pressures above 100 bar - is of utmost importance.
  • the exhaust gas quantity becomes problematic during cooling of the pump since all pressure-relevant components, such as, for example, the cylinder, must have correspondingly thick walls at high delivery pressure. These resulting large masses are cooled in the case of an LH 2 pump from ambient temperature to about 20 K.
  • the accumulating exhaust gas is usually returned to the gas space of the liquid hydrogen storage tank from which the liquid hydrogen to be pumped is withdrawn, whereby an (undesired) tank pressure increase due to the heat input takes place. Since this warming is usually not desirable, the tank pressure must be lowered again by consuming compressors, remindvernierer or discharge of the gas into the atmosphere.
  • Object of the present invention is to provide a generic pump which avoids the disadvantages described above and the dead space is formed in particular as small as possible.
  • a pump comprising a piston arranged within a cylinder space and an outlet valve arranged in the region of the cylinder bottom, is proposed, which is characterized in that the cylinder bottom is designed as a spring-loaded pressure valve, which acts as an outlet valve, and its valve seat is outside the cylinder bore is arranged frontally.
  • the inlet valve is designed as a hemispherical valve arranged on the piston at the end face and centering itself in the piston;
  • the pressure valve, the hemispherical valve and / or the piston rings of the pressure valve and / or the hemispherical valve at least partially consist of a plastic material
  • the pressure valve at least one channel through which the medium to be delivered to the
  • Pump outlet is assigned, is assigned, wherein the one or more channels is formed as a bore (s) in the cylinder wall or,
  • the pressure valve has at least one piston ring serving for sealing
  • the pressure valve has at least one bypass channel which allows a connection between the pressure chamber and the pump outlet in the region of top dead center of the piston,
  • the pump is located inside a vacuum housing
  • the subspaces are connected or connectable via a pressure compensation line.
  • the figure shows a schematic side sectional view through a hydrogen high-pressure piston pump for delivery pressures up to 1000 bar, which has a comparatively good degree of delivery of up to 90% or more.
  • the pump shown in the figure consists essentially of two
  • Main components namely a vacuum housing A and the pump inserted into this housing, which is sealed by means of the seals B and D against the vacuum housing A.
  • the illustrated in the figure LH 2 pump differs from the previously known hydrogen pumps by several design features.
  • the interior of the vacuum housing A after installation of the pump by means of the seal 11 is divided into two spaces I and Il; the sealing of these subspaces to the environment via the seals B and D.
  • the liquid to be pumped flows through the channels i the comparatively large, good heat conductive cylinder mass and supplies their heat during cooling to the consumer.
  • the pump itself has only such a small dead space that it can be regarded as negligible even in the case of a high discharge pressure.
  • the dead space consists only of the gap a, which extends between the cylinder 8 and the piston 10 to the first piston ring 14 and from the gap of the first piston ring 14 in the groove in the piston 10th
  • the cylinder bottom is designed as a spring-loaded pressure valve 1, which acts as an outlet valve or replaced by the spring-loaded 9 pressure valve 1, wherein the sealing strip or valve seat b outside the cylinder bore is arranged frontally.
  • the inlet valve is designed as a front-side piston 10 arranged itself in the piston 10 centering, spring-loaded hemisphere valve 2.
  • the hemispherical valve 2 is designed or designed such that no valve spaces afflicted with dead spaces are required. Another advantage is that the hemispherical valve 2 is due to its ball geometry of the valve and seat a large seating area c, resulting in only a small specific surface pressure even at high pressure. Thus, the hemispherical valve 2 can also be made of a plastic material. It is also advantageous that this valve with the piston 10 frontally represents a plane surface d.
  • the hemisphere valve 2 is connected to a return spring 5.
  • a guide k is achieved that the flat surface d of the hemispherical valve 2 in the closed state is always at right angles and plane-parallel to the pressure valve 1.
  • the spring plates 6 and 7 of the return spring 5 are designed so that they ensure a defined stroke limit e of the hemispherical valve 2 via the retaining wire 4.
  • this is preferably sealed to the cylindrical outer diameter by means of at least one piston ring 13. This has the consequence that - with the exception of the medium, which is located within the bore x of the pressure valve 1 - the entire flow for rapid cooling of the large cylinder masses 8 via the channels i is available.
  • a housing interior is divided after installation of the pump by means of the seal 1 1 in two rooms I and Il.
  • the LH 2 pump has a return gas line F to a liquid hydrogen tank, not shown in the figure, a so-called hot start of the pump can be realized immediately after opening the liquid inlet valve due to the minimum dead space be gradually cooled by means of the liquid flowing through the supply line E and the space I.
  • the liquid-tight seal 11 and the gas seal on the rising portion of the connecting tube 12 effectively prevent liquid from the space I can get into the space Il, there to cool the large masses of the high-pressure components by evaporation of liquid.
  • the pressure equalization of the two rooms I and II also takes place by means of the connecting pipe 12th
  • the warmed and partially gasified liquid from the supply line E is pre-compressed in room III.
  • the Condensation of the existing gas and the subcooling of the liquid Via the central bore f of the piston 10 and the hemispherical valve 2, the delivery fluid is pressed into the still warm cylinder and fed from here via the channels i and the outlet j and a downstream, not shown in the figure consumers. In this process, the undercooled
  • Liquid is not relaxed by being pushed into the cylinder 8, so that an insulating gas film can form on the liquid surface. This allows the liquid filling of the still warm cylinder 8th
  • Pumped liquid to be considered extremely inexpensive and technically high quality.
  • a liquid hydrogen tank not shown in the figure, its internal pressure increases.
  • the cylinder 8 with piston 10 and connecting parts takes on the lowest temperature. If the shut-off valve (not shown in the figure) in the liquid feed line E is closed, the liquid column in the return gas line F to the liquid hydrogen tank is emptied.
  • the pump according to the invention is also suitable as a cold gas compressor. Since the LH 2 pump in this case instead of liquid only cold gas at the temperature T 1 from the gas space of the storage tank is available, this is pre-compressed in space IM of the pump and pressed into the cylinder 8.
  • the high-density piston rings 14 are preferably made of a plastic material which maintains its high strength in the “cold” as well as in the “warm” with very good sliding properties, this high possible temperature difference of the piston ring material can be used for control of the pump.
  • an opening or closing of the valve located in the liquid feed line E to the pump is initiated via the temperature of the high-pressure medium flowing out of the pump.
  • the additional function of the pump as a cold gas compressor is only possible if the tank pressure is to be lowered. If the set minimum tank pressure is reached, for example, a pressure switch on the tank prevents the valve in the pump inlet line from being closed when the pump is activated.
  • Modern hydrogen refueling stations are required to supply hydrogen both in liquid form and as high-pressure gas for vehicle refueling. The handling and storage of liquid hydrogen, however, are always associated with undesirable exhaust gas losses.
  • the pump according to the invention is particularly suitable for gaseous high-pressure generation at liquid hydrogen filling stations with liquid storage tank, as with her and the resulting exhaust gas of the entire system can be supplied lossless to the consumer. So far, additional components or procedures, such as cost-intensive gas compressors, re-condensers or the derivation of the precious hydrogen gas in the free atmosphere, are now unnecessary.
  • the pump according to the invention enables the production of gaseous high-pressure hydrogen from liquid hydrogen up to 1000 bar and above.
  • the pump according to the invention can be started immediately after opening the arranged in the pump inlet line E valve against the maximum pressure, it is possible selectively metered liquid feed into a vehicle storage to cool the gas or to cool the incoming gas.
  • the downstream of the pump evaporator is bypassed by means of a bypass line. This option is particularly advantageous when using high-pressure vehicle storage in lightweight construction, since the pressure vessel made of plastic with a metal inner skin for the heat dissipation for cooling the high-pressure gas are not suitable.
  • the pump can therefore be thermodynamically considered approximately as the ideal machine resulting in a high possible delivery pressure and a very good delivery level immediate operation or start as LH 2 pump without cooling time against maximum pressure possible
  • the above-described pump according to the invention can be adapted to all required delivery quantities and delivery pressures as well as to a wide variety of liquefied gases without difficulty and without great constructive effort. Due to the lossless discharge of the entire accumulating gas pump concept of the invention is not only for air gases and hydrogen of Of particular importance, but it also has great advantages in the compression of relatively expensive, liquefied noble gases, such as. Xenon, krypton and helium. Furthermore, the inventive pump concept of the minimum dead space in all displacement machines, such as reciprocating compressors, refrigerators, etc. can be used.

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Abstract

Es wird eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, wenigstens ein im Bereich des Zylinderbodens angeordnetes Auslassventil und wenigstens ein Einlassventil, beschrieben. Erfindungsgemäß ist der Zylinderboden als ein federkraftbelastetes (9) Druckventil (1), das als Auslassventil fungiert, ausgebildet und dessen Ventilsitz (b) ist außerhalb der Zylinderbohrung stirnseitig angeordnet. Vorzugsweise ist das Einlassventil als ein stirnseitig am Kolben (10) angeordnetes, sich selbst im Kolben (10) zentrierendes, federkraftbelastetes (5) Halbkugelventil (2) ausgebildet.

Description

Beschreibung
Hochdruckwasserstoffpumpe
Die Erfindung betrifft eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben sowie ein im Bereich des Zylinderbodens angeordnetes Auslassventil.
Mit einer Ausnahme - nämlich des Verbrennungsmotors - besitzen sämtliche bekannten Kolbenmaschinenkonstruktionen einen für ihre Funktion nachteiligen Schad- bzw. Totraum - im Folgenden nurmehr als Schadraum bezeichnet. Das Ziel aller Kolbenmaschinenkonstruktionen - unabhängig davon, ob es sich um
Gaskompressoren oder Flüssiggaspumpen für tiefe Temperaturen handelt - ist es, den Schadraum zu minimieren. Das Schadraumvolumen wird hauptsächlich von dem erforderlichen Abstand zwischen Kolben und Zylinderboden im oberen Totpunkt des Kolbens sowie den Ein- und Auslassventilen bestimmt. Während sich der Schadraum jedoch bei Flüssiggaspumpen und niedrigen bestimmt Drücken bei unterkühlter Flüssigkeit kaum oder nur unwesentlich auswirkt, ist sein Volumen im Hochdruckbereich - hierunter fallen insbesondere Drücke oberhalb von 100 bar - von größter Bedeutung.
Beim Verdichten von Flüssigkeiten, wie bspw. verflüssigten Wasserstoff, auf Drücke oberhalb von 100 bar können diese nicht mehr als ganz inkompressibel angesehen werden, wodurch sich aufgrund der Molekülreibung die Temperatur der zu pumpenden bzw. zu verdichtenden Flüssigkeit erhöht.
Zusätzlich wird durch die zwingend notwendige Abdichtung des Kolbens im Zylinder Wärme erzeugt, welche ebenfalls auf die zu pumpende bzw. zu verdichtende Flüssigkeit übergeht. Erschwerend kommt ferner hinzu, dass die handelsüblichen Hubtriebwerke für den Antrieb solcher Pumpen in ihrer Stangenkraft begrenzt sind, so dass bspw. der Kolben einer 1000-bar-Pumpe lediglich einen vergleichsweise kleinen Durchmesser aufweisen kann. Aufgrund des daraus resultierenden geringen Hubvolumens kann jeweils nur eine kleine Flüssigkeitsmenge in den Zylinder eingebracht werden, welche sich mit der aus dem vorangegangenen Druckhub im Schadraum verbleibenden warmen Flüssigkeit vermischt und anwärmt. Bei den folgenden Hubzyklen und steigendem Förderdruck werden die Druckflüssigkeit und somit auch die im Schadraum jeweils verbleibende Flüssigkeit zusehends wärmer.
Dies hat zunächst eine Liefergradverschlechterung zur Folge, da die beim Druckhub verbleibende Flüssigkeit im Schadraum bei Hubumkehr entspannt und verdampft wird, wodurch sich im Zylinder der Siededruck der noch vorhandenen warmen Flüssigkeit einstellt und so die Zylinderbefüllung negativ beeinflusst wird. Kommt es zu einer weiteren Förderdrucksteigerung, wird die Förderflüssigkeit somit zusehends wärmer. Nach einer Erwärmung um ca. 13 K erreicht sie bereits den kritischen Punkt bei 33,3 K, ab dem der Wasserstoff ausschließlich in Gasform vorliegt.
Da bei Hubumkehr der Schadraum einer Flüssigwasserstoff(LH2)-Pumpe nunmehr ausschließlich mit H2-GaS gefüllt ist, wird dieses aus dem Schadraum entspannt und in diesen wieder verdichtet, was letztendlich einen totalen Pumpenausfall zur Folge hat. Die bei hohem Förderdruck erzeugte Wärme wirkt sich nicht nur im Zylinder der LH2- Pumpe ungünstig aus, sondern sie verursacht darüber hinaus aufgrund der Anwärmung des Zylinders selbst, welcher durch die Zulaufflüssigkeit umspült und gekühlt wird, sehr hohe Abgasverluste. Da Wasserstoff lediglich eine sehr kleine Verdampfungswärme besitzt, kann die schädliche Abgasmenge bei hohem Druck größer sein als die Pumpenförderleistung selbst.
Problematisch wird die Abgasmenge des Weiteren beim Abkühlen der Pumpe, da sämtliche druckrelevanten Bauteile, wie bspw. der Zylinder, bei hohem Förderdruck entsprechend dicke Wandungen aufweisen müssen. Diese daraus resultierenden großen Massen werden im Falle einer LH2-Pumpe von Umgebungstemperatur auf ca. 20 K abgekühlt. Das anfallende Abgas wird im Regelfall in den Gasraum des Flüssigwasserstoff-Vorratstanks, aus dem der zu pumpende Flüssigwasserstoff entnommen wird, zurückgeführt, wodurch eine (unerwünschte) Tankdrucksteigerung aufgrund der Wärmeeinbringung erfolgt. Da diese Anwärmung im Regelfall nicht erwünscht ist, muss der Tankdruck durch aufwendige Kompressoren, Rückverflüssiger oder Ableitung des Gases in die Atmosphäre erneut abgesenkt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Pumpe anzugeben, die die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet und deren Totraum insbesondere so klein wie möglich ausgebildet ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben sowie ein im Bereich des Zylinderbodens angeordnetes Auslassventil, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zylinderboden als ein federkraftbelastetes Druckventil, das als Auslassventil fungiert, ausgebildet ist und dessen Ventilsitz außerhalb der Zylinderbohrung stirnseitig angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pumpe, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
das Einlassventil als ein stirnseitig am Kolben angeordnetes, sich selbst im Kolben zentrierendes, federkraftbelastetes Halbkugelventil ausgebildet ist,
das Druckventil, das Halbkugelventil und/oder die Kolbenringe des Druckventils und/oder des Halbkugelventils zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial bestehen,
- dem Druckventil wenigstens ein Kanal, über den das zu fördernde Medium dem
Pumpenauslass zugeführt wird, zugeordnet ist, wobei der oder die Kanäle als Bohrung(en) in der Zylinderwand ausgebildet ist bzw. sind,
das Druckventil wenigstens einen, der Abdichtung dienenden Kolbenring aufweist,
das Druckventil wenigstens einen Bypass-Kanal aufweist, der im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens eine Verbindung zwischen dem Druckraum und dem Pumpenauslass ermöglicht,
die Pumpe innerhalb eines Vakuumgehäuses angeordnet ist,
zwischen der Pumpe und dem Vakuumgehäuse wenigstens eine Dichtung vorgesehen ist, die den Zwischenraum zwischen der Pumpe und dem Vakuumgehäuse in zwei Teilräume unterteilt und diese thermisch weitgehend voneinander trennt und
die Teilräume über eine Druckausgleichsleitung verbunden oder verbindbar sind.
Die erfindungsgemäße Pumpe sowie weitere Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt eine schematisierte seitliche Schnittdarstellung durch eine Wasserstoff- Hochdruckkolbenpumpe für Förderdrücke bis zu 1000 bar, die einen vergleichsweise guten Liefergrad von bis zu 90 % und mehr aufweist.
Die in der Figur dargestellte Pumpe besteht im Wesentlichen aus zwei
Hauptkomponenten, nämlich einem Vakuumgehäuse A und der in dieses Gehäuse eingeschobenen Pumpe, die mittels der Dichtungen B und D gegen das Vakuumgehäuse A abgedichtet ist.
Die in der Figur dargestellte LH2-Pumpe unterscheidet sich von den bisher bekannten Wasserstoffpumpen durch mehrere konstruktive Merkmale. So wird der Innenraum des Vakuumgehäuses A nach dem Einbau der Pumpe mittels der Dichtung 11 in zwei Räume I und Il aufgeteilt; die Abdichtung dieser Teilräume zur Umgebung erfolgt über die Dichtungen B und D. Des Weiteren durchströmt die zu pumpende Flüssigkeit über die Kanäle i die vergleichsweise große, gut Wärme leitende Zylindermasse und führt deren Wärme beim Abkühlen dem Verbraucher zu. Ferner besitzt die Pumpe selbst lediglich einen so kleinen Schadraum, dass dieser auch im Falle eines hohen Förderdruckes als vernachlässigbar angesehen werden kann. Der Schadraum besteht lediglich aus dem Spalt a, der sich zwischen dem Zylinder 8 und dem Kolben 10 bis zum ersten Kolbenring 14 erstreckt sowie aus dem Spalt des ersten Kolbenringes 14 in dessen Nut im Kolben 10.
Diese Minimierung des Schadraumes wird im Wesentlichen durch zwei Konstruktionsmerkmale möglicht. Zum einen ist erfindungsgemäß der Zylinderboden als ein federkraftbelastetes Druckventil 1 , das als Auslassventil fungiert, ausgebildet bzw. durch das federkraftbelastete 9 Druckventil 1 ersetzt, wobei dessen Dichtleiste bzw. Ventilsitz b außerhalb der Zylinderbohrung stirnseitig angeordnet ist. Zum anderen ist das Einlassventil als ein stirnseitig am Kolben 10 angeordnetes, sich selbst im Kolben 10 zentrierendes, federkraftbelastetes Halbkugelventil 2 ausgebildet.
Dabei ist das Halbkugelventil 2 so ausgebildet bzw. gestaltet, dass keine mit Schadräumen behafteten Ventilführungen erforderlich sind. Von Vorteil ist des Weiteren, dass das Halbkugelventil 2 aufgrund seiner Kugelgeometrie von Ventil und Sitz eine große Sitzfläche c darstellt, wodurch sich selbst bei hohem Druck eine nur kleine spezifische Flächenpressung ergibt. Somit kann das Halbkugelventil 2 auch aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein. Vorteilhaft ist ferner, dass dieses Ventil mit dem Kolben 10 stirnseitig eine Planfläche d darstellt.
Die Befestigung und Befederung des Halbkugelventils 2 erfolgt über ein Gewindestück mit Führung 3, auf das das Halbkugelventil 2 aufgeschraubt ist. Über einen dünnen
Haltedraht 4 ist das Halbkugelventil 2 mit einer Rückholfeder 5 verbunden. Mittels einer Führung k wird erreicht, dass die Planfläche d des Halbkugelventils 2 im geschlossenen Zustand immer im rechten Winkel und planparallel zum Druckventil 1 steht. Die Federteller 6 und 7 der Rückholfeder 5 sind so ausgebildet, dass sie eine definierte Hubbegrenzung e des Halbkugelventils 2 über den Haltedraht 4 gewährleisten.
Nachdem bei der in der Figur dargestellten Pumpenkonstruktion die Zylinderbefüllung mit dem zu pumpenden Medium durch die zentrale Bohrung f im Kolben 10 erfolgt und die Kolbenwandung h aufgrund der hohen Druckkraft bestimmt wird, ist die Befestigung des Halbkugelventils 2 mittels des (dünnen) Haltedraht 4 von besonderem Vorteil, da ein vergleichsweise großer Querschnitt der Kolbenbohrung f für die Zylinderbefüllung zur Verfügung steht bzw. frei bleibt.
Beim Ausschieben aus dem Zylinder 8 wird die zu fördernde Flüssigkeit über das den ganzen Zylinder 8 stirnseitig überdeckende Druck-/Auslässventil 1 sowie die Kanäle i der Ausgangsleitung j und über diese dem Verbraucher zugeführt. Aufgrund der erfindungsgemäßen stirnseitigen Überdecken des Zylinders 8 mit dem Druck-/Auslassventil 1 ist eine mechanische Zerstörung von Bauteilen, wie sie bei einem vorhandenen Zylinderboden stattfinden könnten, ausgeschlossen.
Zur Verhinderung eines Bypasses aufgrund der größeren Schrumpfung des vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigten Druckventiles 1 , ist dieses vorzugsweise am zylindrischen Außendurchmesser mittels wenigstens eines Kolbenringes 13 abgedichtet. Dies hat zur Folge, dass - mit Ausnahme des Mediums, das sich innerhalb der Bohrung x des Druckventiles 1 befindet - der gesamte Förderstrom zum schnellen Abkühlen der großen Zylindermassen 8 über die Kanäle i zur Verfügung steht.
Da beim Ausschieben der zu pumpenden Flüssigkeit das Druckventil 1 gegen die Federkraft der Feder 9 angehoben wird, ist es belanglos, dass der Kolben 10 in der oberen Totlage das Druckventil 1 berührt und dieses bei Hubumkehr wieder an der Stirnseite b des Zylinders 8 platziert. Aufgrund der Planparallelität des Kolbens 10 mit Einlassventils 2 zum Druckventil 1 erfolgt diese Berührung und Platzierung in vorteilhafter weise schadraumfrei.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe wird der durch das Vakuumgehäuse A festgelegte Gehäuseinnenraum nach dem Einbau der Pumpe mittels der Dichtung 1 1 in zwei Räume I und Il aufgeteilt. Weist die LH2-Pumpe - wie in der Figur dargestellt - eine Rückgasleitung F zu einem in der Figur nicht dargestellten Flüssigwasserstofftank auf, kann unmittelbar nach dem Öffnen des Flüssigzulaufventils aufgrund des minimalen Schadraumes ein sog. Warmstart der Pumpe realisiert werden, das sämtliche relevanten Massen mittels der über die Zuleitung E und den Raum I strömende Flüssigkeit allmählich abgekühlt werden. Die flüssigkeitsdichte Dichtung 11 sowie der Gasverschluss am ansteigenden Abschnitt des Verbindungsrohres 12 verhindern wirkungsvoll, dass Flüssigkeit aus dem Raum I in den Raum Il gelangen kann, um dort die großen Massen der Hochdruckbauteile durch Verdampfen von Flüssigkeit abzukühlen. Der Druckausgleich der beiden Räume I und Il erfolgt ebenfalls mittels des Verbindungsrohres 12.
Beim Warmstart der LH2-Pumpe wird die angewärmte und zum Teil mit Gas versetzte Flüssigkeit aus der Zuleitung E im Raum III vorverdichtet. Hierbei erfolgen die Einkondensation des vorhandenen Gases sowie die Unterkühlung der Flüssigkeit. Über die zentrale Bohrung f des Kolbens 10 und über das Halbkugelventil 2 wird die Förderflüssigkeit in den vorerst noch warmen Zylinder gedrückt und von hier über den bzw. die Kanäle i dem Auslass j und einem nachgeschalteten, in der Figur nicht dargestellten Verbraucher zugeführt. Bei diesem Vorgang wird die unterkühlte
Flüssigkeit durch Umschieben in den Zylinder 8 nicht entspannt, so dass sich an der Flüssigkeitsoberfläche ein isolierender Gasfilm bilden kann. Dieser ermöglicht die Flüssigbefüllung des vorerst noch warmen Zylinders 8.
Beim Druckhub entsteht dann eine innige Berührung von Flüssigkeit mit dem Zylinder, wodurch ein Teil der Wärme des Zylinders auf die sich im Zylinder befindende Flüssigkeit übergeht und diese anwärmt und verdampft. Bei Druckhubende muss davon ausgegangen werden, dass die Flüssigkeitstemperatur im Zylinder mindestens den kritischen Punkt erreicht hat und deshalb das Restmedium sich in Gasform im kleinen Schadvolumen befindet. Aufgrund des minimierten Schadvolumens ist nur ein kleiner Rückhub des Kolbens 10 erforderlich, um das Gas auf den Einströmdruck der Flüssigkeit zu entspannen. Hierbei fällt auch die Temperatur des entspannten Gases auf ein niedrigeres Niveau. Bei den weiteren Hubzyklen durchströmt dann die Förderflüssigkeit über die Kanäle i die große, gut Wärme leitende Zylindermasse 8 und kühlt diese sehr schnell ab.
Da Hochdruckpumpen hauptsächlich zum Auffüllen von gasförmigen Druckbehältern verwendet werden und diesen Pumpen daher im Regelfall Flüssigkeitsverdampfer nachgeschaltet werden, ist die Abführung der erzeugten Wärme - resultierend aus der vorbeschriebenen Abkühlung und Reibung - aus der Pumpe durch die
Förderflüssigkeit als äußerst kostengünstig und technisch hochwertig anzusehen. Durch das Abkühlen der Pumpe bzw. des Teilraumes I sowie der Anschlussleitungen E und F von und zu einem in der Figur nicht dargestellten Flüssigwasserstofftank steigt dessen Innendruck. Nach sehr kurzer Zeit des Pumpbetriebes nimmt der Zylinder 8 mit Kolben 10 und Anschlussteilen Tiefsttemperatur an. Wird nun das in der Figur nicht dargestellte Absperrventil in der Flüssigzulaufleitung E geschlossen, erfolgt die Entleerung der in der Rückgasleitung F zum Flüssigwasserstofftank stehenden Flüssigsäule. Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich des Weiteren auch als Kaltgasverdichter. Da der LH2-Pumpe in diesem Falle anstatt Flüssigkeit ausschließlich Kaltgas mit der Temperatur T1 aus dem Gasraum des Vorratstanks zur Verfügung steht, wird dieses im Raum IM der Pumpe vorverdichtet und in den Zylinder 8 gedrückt. Die erforderlichen Massen von Ladezylinder bzw. Raum III und Kolben 10 bewirken jetzt einen abbaubaren Wärmespeicher tiefen Temperaturniveaus, so dass sich das Gas bei der Vorverdichtung nur leicht auf die Temperatur T2 erwärmt. Durch die Entspannung auf den Eintrittsdruck sinkt dann die Gastemperatur erneut auf T1.
Bei der Verdichtung im Zylinder 8 steigt die Temperatur des Kaltgases von T2 auf T3. Durch diese Anwärmung des aus dem Gasraum des Flüssigwasserstofftanks nachströmenden Kaltgases bei der Hochdruckverdichtung sowie der Wärmeerzeugung durch die Reibung der Kolbenringe 14 im Zylinder 8 wird die in der großen Zylindermasse gespeicherte Wärme von ihrem tiefen Temperaturniveau nur langsam abgebaut. Von besonderem Vorteil erweist sich nunmehr die Bohrung x im Druckventil 1. Sie bewirkt jetzt einen Bypass, über den das geringe Hochdruckgashubvolumen mit der Temperatur T3 der Ausgangsleitung j und damit dem Verbraucher direkt zugeführt werden kann. Mittels dieser Maßnahme wird wirkungsvoll verhindert, dass wärmeres Gas über die Kanäle i zusätzlich die Zylindermasse 8 erwärmt, wodurch ein längerer Betrieb der LH2-Pumpe als Kaltgasverdichter ermöglicht wird.
Da die hochdichten Kolbenringe 14 vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sind, welches seine hohe Festigkeit im "Kalten" wie auch im "Warmen" bei sehr guten Gleiteigenschaften beibehält, kann diese hohe mögliche Temperaturdifferenz des Kolbenringwerkstoffes für eine Steuerung der Pumpe verwendet werden. So wird bspw. über die Temperatur des aus der Pumpe ausströmenden Hochdruckmediums ein Öffnen bzw. Schließen des sich in der Flüssigzulaufleitung E zur Pumpe befindenden Ventils veranlasst.
Beim intermittierenden Betrieb der LH2-Pumpe als Kaltgasverdichter kann dem
Gasraum des Flüssigwasserstofftanks deutlich mehr schädliches Abgas entnommen und dem Verbraucher zugeführt werden, als über das gesamte System - bestehend aus Tank, Leitungen und Pumpe - eingebracht wird. Steigt die Temperatur des Hochdruckmediums bei der Gasverdichtung über einen eingestellten Wert, so erfolgt das Öffnen des sich in der Pumpenzulaufleitung E angeordneten Ventils und anstelle von Kaltgas wird der Pumpe erneut Flüssigkeit zugeführt. Diese kühlt sehr schnell die warmen relevanten Hochdruckteile ab. Hierdurch wird eine unzulässige Temperaturerhöhung der Hochdruckkolbenringe verhindert.
Die zusätzliche Funktion der Pumpe als Kaltgasverdichter ist jedoch nur möglich, wenn der Tankdruck abgesenkt werden soll. Wird der eingestellte Mindesttankdruck erreicht, so verhindert bspw. ein Druckschalter am Tank, dass das Ventil in der Pumpenzulaufleitung bei aktivierter Pumpe geschlossen werden kann. Bei modernen Wasserstofftankstellen wird gefordert, dass sie für die Kfz-Betankung Wasserstoff sowohl in flüssiger Form als auch als Hochdruckgas zur Verfügung stellen. Der Umgang sowie die Lagerung von flüssigem Wasserstoff sind jedoch immer mit unerwünschten Abgasverlusten verbunden.
Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich insbesondere für die gasförmige Hochdruckerzeugung an Flüssigwasserstofftankstellen mit Flüssigvorratstank, da mit ihr auch das anfallende Abgas des gesamten Systems verlustlos dem Verbraucher zugeführt werden kann. Bisher zusätzliche Komponenten bzw. Verfahrensweisen, wie bspw. kostenintensive Gaskompressoren, Rückverflüssiger oder das Ableiten des kostbaren Wasserstoffgases in die freie Atmosphäre, sind nunmehr entbehrlich.
Die erfindungsgemäße Pumpe ermöglicht die Erzeugung gasförmigen Hochdruckwasserstoffs aus Flüssigwasserstoff bis 1000 bar und darüber.
Die Erzeugung von Hochdruckwasserstoff aus Flüssigwasserstoff hat auch bei der Fahrzeugbetankung einen großen Vorteil. Der sich im Fahrzeug befindende
Hochdruckspeicher wird an der Wasserstofftankstelle von dem in ihm herrschenden niedrigen Druck auf den maximalen Druck befüllt. Hierbei steigt die Temperatur in dem Hochdruckspeicher beträchtlich an. Nach einer gewissen Zeit erwärmt sich die große Metallmasse des Druckbehälters des Hochdruckspeichers und kühlt das Gas ab, wodurch der Druck auf den Druck p2 = P1 x T2ZT1 abfällt. Um einen möglichst großen Aktionsradius des mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeuges mit einer Speicherfüllung zu erreichen, ist ein häufiges und zeitaufwendiges Nachfüllen des Hochdruckspeichers erforderlich. Für die Erzeugung von Hochdruckwasserstoff mit der erfindungsgemäßen Pumpe ist dieser im Regelfall ein Verdampfer nachgeschaltet, um die mittels der Pumpe geförderte Flüssigkeit zu verdampfen. Das auf diese Weise erzeugte Hochdruckgas wird in einem ausreichend dimensionierten Vorrats- bzw. Zwischenspeicher zur Fahrzeug-Betankung bereitgehalten.
Da die erfindungsgemäße Pumpe unmittelbar nach dem Öffnen des sich in der Pumpenzulaufleitung E angeordneten Ventils gegen den maximalen Druck gestartet werden kann, ist es möglich, Flüssigkeit gezielt dosiert in einen Fahrzeugspeicher zur Abkühlung des Gases einzuspeisen oder das einströmende Gas abzukühlen. Hierzu wird der der Pumpe nachgeschaltet Verdampfer mittels einer Bypass-Leitung umgangen. Diese Möglichkeit ist bei Verwendung von Hochdruckfahrzeugspeichern in Leichtbauweise von besonderem Vorteil, da die aus Kunststoff hergestellten Druckbehälter mit einer Metallinnenhaut für die Wärmeabfuhr zur Abkühlung des Hochdruckgases nicht geeignet sind.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpe seien nachfolgend nochmals stichpunktartig aufgelistet:
- kleiner Schadraum - die Pumpe kann daher thermodynamisch annähernd als ideale Maschine angesehen werden daraus resultierend ein hoher möglicher Förderdruck sowie ein sehr guter Liefergrad sofortiger Betrieb bzw. Start als LH2-Pumpe ohne Abkühlzeit gegen maximalen Druck möglich
Aufteilung des Gehäuseinnenraumes in zwei Räume - dadurch nur geringe abzukühlende Massen des Raumes I, wenig Abgas und geringe Abkühlzeit Verwendung als Kaltgasverdichter, insbesondere zur gasverlustfreien Tankdruckabsenkung
Es sei betont, dass die vorbeschriebene, erfindungsgemäße Pumpe problemlos und ohne großen konstruktiven Aufwand an alle erforderlichen Liefermengen und Förderdrücke sowie an unterschiedlichste verflüssigte Gase angepasst werden kann. Aufgrund der verlustfreien Abführung des gesamten anfallenden Gases ist das erfindungsgemäße Pumpenkonzept nicht nur für Luftgase und Wasserstoff von besonderer Bedeutung, sondern es besitzt darüber hinaus große Vorteile beim Verdichten von vergleichsweise teueren, verflüssigten Edelgasen, wie bspw. Xenon, Krypton und Helium. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Pumpenkonzept des minimalen Schadraums bei allen Verdrängungsmaschinen, wie Kolbenkompressoren, Kühlmaschinen, usw. eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
Verdrängungsmaschine, insbesondere Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, wenigstens ein im Bereich des Zylinderbodens angeordnetes Auslassventil und wenigstens ein Einlassventil, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderboden als ein federkraftbelastetes (9) Druckventil (1), das als Auslassventil fungiert, ausgebildet ist und dessen Ventilsitz (b) außerhalb der Zylinderbohrung stirnseitig angeordnet ist.
2. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Einlassventil als ein stirnseitig am Kolben (10) angeordnetes, sich selbst im Kolben (10) zentrierendes, federkraftbelastetes (5) Halbkugelventil (2) ausgebildet ist.
3. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (1), das Halbkugelventil (2) und/oder die Kolbenringe (13, 14) des
Druckventils (1) und/oder des Halbkugelventils (2) zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial bestehen.
4. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckventil (1) wenigstens ein Kanal (i), über den das zu fördernde Medium dem Pumpenauslass (j) zugeführt wird, zugeordnet ist, wobei der oder die Kanäle (i) als Bohrung(en) in der Zylinderwand (8) ausgebildet ist bzw. sind.
5. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (1) wenigstens einen, der Abdichtung dienenden Kolbenring (13) aufweist.
6. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (1) wenigstens einen Bypass-Kanal
(x) aufweist, der im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens (10) eine Verbindung zwischen dem Druckraum und dem Pumpenauslass (j) ermöglicht.
7. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe innerhalb eines Vakuumgehäuses (A) angeordnet ist.
8. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pumpe und dem Vakuumgehäuse (A) wenigstens eine Dichtung (11) vorgesehen ist, die den Zwischenraum zwischen der Pumpe und dem Vakuumgehäuse (A) in zwei Teilräume (I, II) unterteilt.
9. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilräume (I, II) über eine Druckausgleichsleitung 12 verbunden oder verbindbar sind.
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