WO2009018898A2 - Hochdruckwasserstoffpumpe - Google Patents

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WO2009018898A2
WO2009018898A2 PCT/EP2008/005775 EP2008005775W WO2009018898A2 WO 2009018898 A2 WO2009018898 A2 WO 2009018898A2 EP 2008005775 W EP2008005775 W EP 2008005775W WO 2009018898 A2 WO2009018898 A2 WO 2009018898A2
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Martin BRÜCKLMEIER
Wilfried-Henning Reese
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F04B2015/0822—Hydrogen

Definitions

  • the invention relates to a displacement machine, in particular a pump, comprising a piston arranged within a cylinder space, at least one outlet valve arranged in the region of the cylinder bottom and at least one inlet valve.
  • the Abga ⁇ rne ⁇ ge is further problematic during cooling of the pump, since all pressure-relevant components, such as.
  • the cylinder must have correspondingly thick walls at high discharge pressure. These resulting large masses are cooled in the case of a liquid hydrogen 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is usually returned to the gas space of the liquid hydrogen storage tank from which the liquid hydrogen to be pumped is withdrawn, whereby an (undesired) tank pressure increase due to the heat input takes place.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 controlled by complex compressors, Re-condensing and / or discharge of the gas into the atmosphere are lowered again.
  • 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, which is characterized in that the cylinder bottom is designed to be movable and at least one outlet valve is arranged in the cylinder bottom.
  • the movably formed cylinder base is now able to absorb the striking of the piston springs.
  • the piston springs are now able to absorb the striking of the piston springs.
  • the seat of the cylinder bottom is arranged outside the cylinder bore
  • the cylinder base is designed to be spring-loaded, wherein the fastening tongue is preferably realized by a plate spring,
  • the outlet valve, the inlet valve and / or the sealing of the outlet valve and / or the inlet valve consist at least partially of a plastic material
  • the outlet valve is designed to be spring loaded
  • the inlet valve is designed as a conical seat valve or flat seat valve arranged on the piston and centering itself in the piston, spring-loaded the pump is located inside a vacuum housing,
  • Vacuum housing divided into two subspaces and
  • 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 liquid hydrogen pump shown in the figure differs from the previously known hydrogen pumps by several design features.
  • the reteraurn of the vacuum housing A after installation of the pump mitteis the seal C is divided into two rooms I and Il. The sealing of these subspaces to the environment takes place via the seals B and D.
  • the pump according to the invention 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 required due to manufacturing tolerances minimum gap - the dimensions are in the micrometer range - between the piston 2 and cylinder wall 1 to the first piston ring seal 19 and a required due to manufacturing tolerances minimum gap - Dimensions are also in the micrometer range - at the top of the intake valve 8 and outlet valves. 6
  • the cylinder bottom 3 is designed to be movable.
  • the cylinder base 3 is designed to be spring-loaded, wherein the spring force is preferably realized by a plate spring 4 as shown in the figure.
  • the movably formed cylinder base 3 is sealed against the cylinder 1 by means of at least one radial seal 5. Alternatively or in addition to the or the radial seals 5 surface seals can be provided.
  • the seat of the movably formed cylinder base 3 is preferably arranged on the front side outside the cylinder bore; If the seat of the cylinder bottom is arranged within the cylinder bore, an external support would be provided.
  • at least one outlet valve 6 is arranged in the cylinder bottom 3. This is also preferably spring force loaded - represented by the spring 7 - formed.
  • the inlet valve 8 is formed as a face-mounted on the piston 2, itself in the piston 2 centering, spring-loaded cone seat valve - as shown in the figure - or flat seat valve.
  • Spring plate 12 and 13 of the return spring 11 are formed so that they ensure a defined stroke limit 14 of the intake valve 8 via the retaining wire 10.
  • the attachment of the inlet valve 8 by means of the (thin) retaining wire 10 is particularly advantageous, since a comparatively large cross-section of the piston bore 15 is available for the cylinder filling or remains free.
  • the liquid to be delivered is supplied via the opening outlet valve 6 and the annular gap 16 of the output line 17 and via this the consumer.
  • the outlet valve 6 When pushing out the liquid to be pumped, the outlet valve 6 opens against the spring force of the spring 7 and the fluid is conveyed through the annular gap 16 to the consumer. Only when the piston 2 extends at the upper point on the cylinder bore, the spring-loaded cylinder base 3 is raised against the spring force, thus preventing a striking of the piston 2 and damage to the components (cylinder bottom, piston), as is usually the case with a non-spring-loaded cylinder bottom Case would be.
  • the stroke of the spring-loaded cylinder base 3 is dependent on the tolerances in the drive, in the piston rod, in the piston 2 and in the cylinder 1 and variable due to thermal expansion at different operating temperatures of the pump.
  • the stroke of the piston 2 is geometrically adjusted taking into account all tolerances and changes in length so that it raises the spring-loaded cylinder base 3 at the upper reversal point by a few tenths of a millimeter. Due to the parallelism of the piston 2 with inlet valve 8 to the cylinder bottom 3 and exhaust valve 6, this contact and placement is advantageously schadraurnfreä.
  • the stroke of the spring-loaded cylinder base 3 can be a maximum of about 1 to 2 mm.
  • the vacuum housing A housing interior is divided after installation of the pump by means of the seal C in two rooms I and Il.
  • Has the LH 2 pump - as shown in the figure - a return gas line F to a not shown in the figure liquid hydrogen tank, immediately after the opening of the liquid inlet valve due to the minimum dead space a so-called.
  • Warm start the Pump can be realized, all the relevant masses are gradually cooled by means of the flowing through the supply line E and the space I liquid.
  • the liquid-tight seal C and the gas seal on the rising portion of the connecting pipe 18 effectively prevent liquid from the space I can get into the space Il, there to cool the large masses of 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 18th
  • the warmed and partially gasified liquid from the supply line E is pre-compressed in room III.
  • the warmed and partially gasified liquid from the supply line E is pre-compressed in room III.
  • the pump according to the invention is also suitable as a cold gas compressor after it was previously operated cold in liquid mode. Due to the already cooled masses during the liquid operation is carried out by the no longer necessary cooling of the involved masses of the pump no heating of the cold gas.
  • the cold gas is supplied from the gas space of the storage tank of the pump, precompressed in the space IM of the pump and pressed into the cylinder 1.
  • the piston 2 is carried out by the required compression and Ausschubarbeit and the friction of the piston seals 14, a heating of the delivered cold gas. Since the piston 2 expels the entire mass of the cold gas due to the minimized dead space, this heating of the ejected cold gas for the next following Aufdrück- or filling (return stroke of the piston) is not harmful, since the resulting heated gas is almost completely supplied to the consumer, and so that heating of the piston 2 and the cylinder wall 1 of the pump is reduced to a minimum. It thus takes place in the next filling of the cylinder 1 is a very good filling of the cylinder chamber with cold gas.
  • the pump according to the invention is particularly suitable for high-pressure generation at liquid hydrogen filling stations with liquid storage tank
  • the pump according to the invention enables the production of gaseous high-pressure hydrogen from copessigwassersioff to 10000 bar and above.
  • the generation of high-pressure hydrogen from liquid hydrogen also has a great advantage in vehicle refueling.
  • Pump inlet line E arranged valve can be started against the maximum pressure, it is possible to selectively metered liquid 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.
  • inventive pump easily and without great design effort to all required delivery quantities and Delivery pressures and to a variety of liquefied gases can be adjusted. Due to the lossless removal of all accumulated gas pump concept of the invention is not only for air gases and hydrogen 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 (3) beweglich ausgebildet und im Zylinderboden (3) ist wenigstens ein Auslassventil (6) angeordnet.

Description

Beschreibung
Hochdruckwasserstoffpumpe
Die Erfindung betrifft eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, wenigstens ein im Bereich des Zylinderbodens angeordnetes Auslassventil und wenigstens ein Einlassventil.
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 Mclekülreibung die Temperatur der zu pumpenden bzw. zu verdichtenden Flüssigkeit erhöht.
Zusätzlich wird durch die zwingend notwendige Abdichtung des Kolbens im Zylinder Wärme erzeugt, die 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 - bei Verwendung von flüssigem Wasserstoff liegt dieser streng genommen nicht als Flüssigkeit sondern als überkritisches Gas vor - 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-Pumpe nunmehr ausschließlich mit Wasserstoffgas 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 Flüssigwasserstoff-Pumpe ungünstig aus, sondern sie verursacht darüber hinaus aufgrund der Anwärmung des Zylinders selbst, der 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 Abgaεrneπge des Weiteren beim Abkühien 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 Flüssigwasserstoff-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 und/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 beweglich ausgebildet ist und im Zylinderboden wenigstens ein Auslassventil angeordnet ist.
Erfindungsgemäß vermag nunmehr der beweglich ausgebildete Zylinderboden das Anschlagen des Kolbens federn aufzunehmen. Somit verbleibt auch im oberen Totpunkt des Kolbens kein (unerwünschter) Schadraum.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pumpe, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
der Sitz des Zylinderbodens außerhalb der Zylinderbohrung angeordnet ist,
der Zylinderboden federkraftbelastet ausgebildet ist, wobei die Befederdung vorzugsweise durch eine Tellerfeder realisiert wird,
das Auslassventil, das Einlassventil und/oder die Abdichtung des Auslassventiles und/oder des Einlassventils zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial bestehen,
das Auslassventil federkraftbelastet ausgebildet ist,
das Einlassventil als ein stirnseitig am Kolben angeordnetes, sich selbst im Kolben zentrierendes, federkraftbelastetes Kegelsitzventil oder Flachsitzventil ausgebildet ist, 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
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 Flüssigwasserstoff-Pumpe unterscheidet sich von den bisher bekannten Wasserstoffpumpen durch mehrere konstruktive Merkmale. So wird der Innenraurn des Vakuumgehäuses A nach dem Einbau der Pumpe mitteis der Dichtung C in zwei Räume I und Il aufgeteilt. Die Abdichtung dieser Teilräume zur Umgebung erfolgt über die Dichtungen B und D.
Die Pumpe besitzt erfindungsgemäß lediglich einen so kleinen Schadraum, dass dieser auch im Falle eines hohen Förderdruckes als vernachlässigbar angesehen werden kann. Der Schadraum besteht lediglich aus dem aufgrund von Fertigungstoleranzen erforderlichen minimalen Spalt - dessen Maße liegen im Mikrometerbereich - zwischen Kolben 2 und Zylinderwand 1 bis zur ersten Kolbenringdichtung 19 sowie einem aufgrund von Fertigungstoleranzen erforderlichen minimalen Spalt - dessen Maße ebenfalls im Mikrometerbereich liegen - am Kopf des Einlassventiles 8 und Ausslassventiles 6.
Diese Minimierung des Schadraumes wird im Wesentlichen durch folgende Konstruktionsmerkmale möglicht. Zum einen ist erfindungsgemäß der Zylinderboden 3 beweglich ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Zylinderboden 3 federkraftbelastet ausgebildet, wobei die Federkraft vorzugsweise durch eine wie in der Figur dargestellt Tellerfeder 4 realisiert wird. Der beweglich ausgebildete Zylinderboden 3 ist mittels wenigstens einer Radialdichtung 5 gegen den Zylinder 1 abgedichtet. Alternativ oder ergänzend zu der bzw. den Radialdichtungen 5 können Flächendichtungen vorgesehen werden.
Der Sitz des beweglich ausgebildeten Zylinderbodens 3 ist vorzugsweise außerhalb der Zylinderbohrung stirnseitig angeordnet; sofern der Sitz des Zylinderbodens innerhalb der Zylinderbohrung angeordnet ist, wäre eine Außenabstützung vorzusehen. Im Zylinderboden 3 ist zudem wenigstens ein Auslassventil 6 angeordnet. Dieses ist ebenfalls vorzugsweise federkraftbelastet - dargestellt durch die Feder 7 - ausgebildet.
Das Einlassventil 8 ist als ein stirnseitig am Kolben 2 angeordnetes, sich selbst im Kolben 2 zentrierendes, federkraftbelastetes Kegelsitzventil - wie in der Figur dargestellt - oder Flachsitzventil ausgebildet. Von Vorteil ist bei den vorgenannten Ventilkonstruktionen, dass aufgrund der gewählten Geometrien von Ventil und Sitz eine große Sitzfläche erreicht wird, wodurch sich selbst bei hohem Druck eine nur kleine spezifische Flächenpressung ergibt. Somit kann das Einlassventil 8 auch aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein.
Die Befestigung und Befederung des Einlassventils 8 erfolgt über ein Gewindestück mit Führung 9, auf das das Einlassventil 8 aufgeschraubt ist. Über einen dünnen Haltedraht 10 ist das Einlassventil 8 mit einer Rückholfeder 11 verbunden. Die
Federteller 12 und 13 der Rückholfeder 11 sind so ausgebildet, dass sie eine definierte Hubbegrenzung 14 des Einlassventils 8 über den Haltedraht 10 gewährleisten.
Nachdem bei der in der Figur dargestellten Pumpenkonstruktion die Zylinderbefüllung mit dem zu pumpenden Medium durch die zentrale Bohrung 15 im Kolben 2 erfolgt und die Kolbenwandung durch die hohe Druckkraft bestimmt wird, ist die Befestigung des Einlassventils 8 mittels des (dünnen) Haltedrahts 10 von besonderem Vorteil, da ein vergleichsweise großer Querschnitt der Kolbenbohrung 15 für die Zylinderbefüllung zur Verfügung steht bzw. frei bleibt.
Beim Ausschieben aus dem Zylinder 1 wird die zu fördernde Flüssigkeit über das sich öffnende Auslassventil 6 sowie den Ringspalt 16 der Ausgangsleitung 17 und über diese dem Verbraucher zugeführt.
Beim Ausschieben der zu pumpenden Flüssigkeit öffnet das Auslassventil 6 gegen die Federkraft der Feder 7 und das Fluid wird über den Ringspalt 16 zum Verbraucher gefördert. Erst wenn der Kolben 2 am oberen Punkt über die Zylinderbohrung ausfährt, wird der federkraftbelastete Zylinderboden 3 gegen die Federkraft angehoben und verhindert damit ein Anschlagen des Kolbens 2 und eine Beschädigung der Komponenten (Zylinderboden, Kolben), wie es üblicherweise bei einem nicht federkraftbelasteten Zylinderboden der Fall wäre.
Der Hubweg des federbelasteten Zylinderbodens 3 ist von den Toleranzen im Antrieb, in der Kolbenstange, im Kolben 2 und im Zylinder 1 abhängig und aufgrund thermischer Dehnungen bei verschiedenen Betriebstemperaturen der Pumpe veränderlich. Der Hub des Kolbens 2 ist geometrisch unter Berücksichtigung aller Toleranzen und Längenänderungen derart einzustellen, dass er am oberen Umkehrpunkt den federbelasteten Zylinderboden 3 um einige zehntel Millimeter anhebt. Aufgrund der Planparallelität des Kolbens 2 mit Einlassventil 8 zum Zylinderboden 3 und Auslassventil 6 erfolgt diese Berührung und Platzierung in vorteilhafter Weise schadraurnfreä. Je nach der Betriebsart und Toleranzen der Komponenten der erfindungsgemäßen Pumpe kann der Hubweg des federbelasteten Zylinderbodens 3 maximal bis ca. 1 bis 2 mm betragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe wird der durch das Vakuumgehäuse A festgelegte Gehäuseinnenraum nach dem Einbau der Pumpe mittels der Dichtung C 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 C sowie der Gasverschluss am ansteigenden Abschnitt des Verbindungsrohres 18 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 18.
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 15 des Kolbens 2 und über das Einlassventil 8 wird die Förderflüssigkeit in den vorerst noch warmen Zylinder gedrückt. Bei diesem Vorgang wird die unterkühlte Flüssigkeit durch Umschieben in den Zylinder 1 nicht entspannt, so dass sich an der Flüssigkeitsoberfläche ein isolierender Gasfilm bilden kann. Dieser ermöglicht die teilweise Flüssigbefüllung des vorerst noch warmen Zylinders 1 .
Beim folgenden Druckhub entsteht dann eine innige Berührung von Flüssigkeit mit dem Zylinder 1 , wodurch ein Teil der Wärme des Zylinders auf die sich im Zylinder befindende Flüssigkeit übergeht und diese anwärmt und verdampft. Bei Druckhubende befindet sich im minimierten Schadvolumen noch eine sehr geringe Masse an Flüssigkeit bzw. überkritischen Gas bei Verwendung von flüssigem Wasserstoff.
Aufgrund des minimierten Schadvolumens ist nur ein kleiner Rückhub des Kolbens 2 erforderlich, um das Gas auf den Einströmdruck der Flüssigkeit zu entspannen. Hierbei fällt auch die Temperatur des entspannten Gases auf ein niedrigeres Niveau. 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 1 mit Kolben 2 und Anschlussteilen Tiefsttemperatur an und kann dann mit dem entsprechend hohen Zylinderfüllungsgrad effektiv Flüssigkeit pumpen.
Aufgrund des minimalen Schadraumes eignet sich die erfindungsgemäße Pumpe auch als Kaltgasverdichter, nachdem sie vorher im Flüssigbetrieb kalt betrieben wurde. Aufgrund der bereits abgekühlten Massen während des Flüssigbetriebes erfolgt durch die nicht mehr notwendige Abkühlung der beteiligten Massen der Pumpe keine Anwärmung des Kaltgases.
Das Kaltgas wird aus dem Gasraum des Vorratstanks der Pumpe zugeführt, im Raum IM der Pumpe vorverdichtet und in den Zylinder 1 gedrückt. Während des Vorfahrhubes des Kolbens 2 erfolgt durch die erforderliche Kompressions- und Ausschubarbeit sowie die Reibung der Kolbendichtungen 14 eine Erwärmung des geförderten Kaltgases. Da der Kolben 2 aufgrund des minimierten Schadraumes die gesamte Masse des Kaltgases ausschiebt, ist diese Erwärmung des ausgeschobenen Kaltgases für den nächst folgenden Aufdrück- bzw Füllvorgang (Rückhub des Kolbens) nicht schädlich, da das entstandene erwärmte Gas nahezu vollständig dem Verbraucher zugeführt wird, und damit eine Erwärmung des Kolbens 2 und der Zylinderwand 1 der Pumpe auf ein Minimum reduziert wird. Es erfolgt somit im nächsten Füllvorgang des Zylinders 1 eine sehr gute Füllung des Zylinderraumes mit Kaltgas.
Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich insbesondere für die Hochdruckerzeugung an Flüssigwasserstofftankstellen mit Flüssigvorratstank Die erfindungsgemäße Pumpe ermöglicht die Erzeugung gasförmigen Hcchdruckwasserstoffs aus Flüssigwassersioff bis iOOO 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 = Pi 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
Lieferg raH 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
1. 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 (3) beweglich ausgebildet ist und im Zylinderboden (3) wenigstens ein Auslassventil (6) angeordnet ist.
2. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz des Zylinderbodens (3) außerhalb des Zylinderbohrung angeordnet ist
3. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderboden (3) federkraftbelastet ausgebildet ist, wobei die Befederung vorzugsweise durch eine Tellerfeder (4) realisiert wird.
4. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (6), das Einlassventil (8) und/oder die Abdichtung (5) des Auslassventiles und/oder des Einlassventils zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial bestehen.
5. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (6) federkraftbelastet ausgebildet ist.
6. Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) als ein stirnseitig am Kolben (2) angeordnetes, sich selbst im Kolben (2) zentrierendes, federkraftbelastetes Kegelsitzventil oder Flachsitzventil ausgebildet ist.
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 (C) vorgesehen ist, die den Zwischenraum zwischen der Pumpe und dem Vakuumgehäuse (A) in zwei Teilräume (I, II) unterteilt.
9. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 8, dass die Teilräume (I, II) über eine Druckausgleichsleitung (18) verbunden oder verbindbar sind.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE688429C (de) * 1938-04-26 1940-02-20 Hoerbiger & Co Gleichstromverdichter
US2423677A (en) * 1946-02-02 1947-07-08 Weatherhead Co Compressor pressure control
US2506743A (en) * 1946-02-12 1950-05-09 Weatherhead Co Compressor control
DE4138174A1 (de) * 1991-11-21 1993-05-27 Linde Ag Kolbenpumpe
DE4142053C1 (de) * 1991-12-19 1993-06-17 Linde Ag, 6200 Wiesbaden, De
DE19529676A1 (de) * 1995-08-11 1997-02-13 Linde Ag Kolbenpumpe

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE688429C (de) * 1938-04-26 1940-02-20 Hoerbiger & Co Gleichstromverdichter
US2423677A (en) * 1946-02-02 1947-07-08 Weatherhead Co Compressor pressure control
US2506743A (en) * 1946-02-12 1950-05-09 Weatherhead Co Compressor control
DE4138174A1 (de) * 1991-11-21 1993-05-27 Linde Ag Kolbenpumpe
DE4142053C1 (de) * 1991-12-19 1993-06-17 Linde Ag, 6200 Wiesbaden, De
DE19529676A1 (de) * 1995-08-11 1997-02-13 Linde Ag Kolbenpumpe

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