Kolbenpumpe zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit

Abstract

 Um bei einer Kolbenpumpe zur Förderung einer kryogenen Flüs­sigkeit mit einem Pumpzylinder (32) aus einem Material mit ge­ringer Wärmedehnung und mit einem darin verschieblichen Kolben (1), auf dessen Umfangsfläche Kolbenringe (28, 29) aus einem selbst­schmierenden Material gehalten sind, die eine größere Wärme­ausdehnung haben als das Material des Pumpzylinders (32), trotzdem über einen großen Temperaturbereich eine optimale Passung zwischen Kolbenringen (28, 29) und Pumpzylinder (32) zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß der Kolben (1) einen Kern (2) aus einem Material mit relativ großer Wärmedehnung aufweist, der von einer Distanzhülse (14) aus einem Material geringer Wärmedehnung umge­ben ist, daß der Kern (2) auf beiden Seiten aus der Distanzhül­se (14) herausragt und sich zu seinen freien Enden hin konisch erweiternde Aufweitungsbereiche aufweist und daß die Kolben­ringe (28, 29) den Kern (2) in den Aufweitungsbereichen (5, 16) umgeben und sich an den Stirnseiten der Distanzhülse (14) abstützen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit mit einem Pumpzylinder aus einem Mate­rial mit geringer Wärmedehnung und mit einem darin verschieb­lichen Kolben, auf dessen Umfangsfläche Kolbenringe aus ei­nem selbstschmierenden Material gehalten sind, die eine grös­sere Wärmeausdehnung haben, als das Material des Pumpzylin­ders.

[0002] Bei Kolbenpumpen zur Förderung von Kryoflüssigkeiten, bei­spielsweise Flüssigstickstoff und Flüssigwasserstoff, erge­ben sich wegen des siedenden Zustandes der Kryoflüssigkei­ ten, ihren tiefen Temperaturen und ihrer geringen kinemati­schen Zähigkeit eine Reihe von Problemen. Die tiefen Tempe­raturen verursachen eine stark eingeschränkte Werkstoffaus­wahl, es ergeben sich insbesondere bei der Kolben-Zylinder-­Paarung Schrumpfungsprobleme, und die Verwendung von additi­ven Schmiermitteln ist nicht möglich. Man ist wegen der ge­ringen kinematischen Zähigkeit der zu fördernden Flüssigkei­ten auf selbstschmierende Kolben-Zylinder-Oberflächen ange­wiesen, wobei üblicherweise die Abdichtung durch Kolbenringe an den Kolben mit selbstschmierenden Eigenschaften erfolgt, beispielsweise mit Kolbenringen aus PTFE, PTFE-Kohle, PTFE-­Graphit oder PTFE-Bronze. Pumpen dieser Bauart sind beispiels­weise aus den US-Patentschriften 4156584 und 4396362 sowie aus dem Artikel von C. F. Gottzmann, High Pressure Hydrogen and Helium Pumps, AICE, Advances in Cryogenic Engineering, Band 5, 1960, Seiten 289 bis 298) bekannt.

[0003] Bei selbstschmierenden Kolbenringen aus PTFE-Graphit, PTFE-­Kohle oder ähnlichen Substanzen ergeben sich zwar gegen- über Stahl gute selbstschmierende Eigenschaften, nachteilig ist jedoch der hohe Wärmeausdehnungkoeffizient dieser Kolben­ringe im Verhältnis zum Material des Pumpzylinders einer­seits und zum Material des Kolbens andererseits. So ist die thermische Ausdehnung bei Abkühlung von Umgebungstemperatur auf 77 K bei PTFE sechs- bis siebenmal höher als bei Edel­stahl und fast vierzigmal höher als bei Fe Ni 36-Stahl. Die radiale Schrumpfung der PTFE-Kolbenringe ist daher kritisch.

[0004] Bei geschlitzten Kolbenringen kann die Schrumpfung durch Federvorspannung mittels Beryllium-Kupfer-Federn ausgegli­chen werden. Nachteilig ist dabei jedoch das Leck durch den Schlitz und die aufwendige Herstellung.

[0005] Bei ungeschlitzten PTFE-Kolbenringen kann der bei Abküh­lung sich vergrößernde Spalt zwischen Kolben und Zylinder durch Kombination mehrerer Maßnahmen verkleinert werden:

1. Man verkleinert die Kolbenringdicke so weit wie tech­nisch möglich, um die absolute Schrumpfung zu verklei­nern;

2. durch Aufschrumpfen des Ringes auf einen Fe Ni 36-Kolben bleibt bei Abkühlung der Innendurchmesser des Kolben­ringes praktisch konstant, so daß nur die Querkontrak­tion maßgebend ist;

3. durch Verwendung von austenitischen kaltzähen Stählen als Zylindermaterial verringert sich schließlich der entste­hende Spalt auf die Differenz zwischen der Querkontraktion des PTFEs und der Schrumpfung des Zylinders auf austeni­tischem kaltzähem Stahl.

[0006] Für Hochdruckpumpen (Druckerhöhung > 10 bar) ist jedoch die dadurch erzielbare Abdichtung nicht ausreichend.

[0007] Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einer Kolben­pumpe der gattungsgemäßen Art eine weitgehend temperaturun­abhängige Abdichtung der Kolbenringe gegenüber dem Pumpzy­linder zu erreichen, obwohl die Wärmeausdehnungskoeffizien­ten des Kolbenringmaterials und des Zylindermaterials ver­schieden sind.

[0008] Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenpumpe der eingangs be­schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kol­ben einen Kern aus einem Material mit relativ großer Wärme­dehnung aufweist, der von einer Hülse aus einem Material ge­ringer Wärmedehnung umgeben ist, daß der Kern auf beiden Seiten aus der Hülse herausragt und sich zu seinen freien Enden hin konisch erweiternde Aufweitungsbereiche aufweist und daß die Kolbenringe den Kern in den Aufweitungsbereichen umgeben und sich an den Stirnseiten der Hülse abstützen.

[0009] Durch eine solche Konstruktion zieht sich der Kern des Kol­bens beim Abkühlen in axialer Richtung stärker zusammen als die umgebende Hülse, so daß die Kolbenringe bei der Abküh­lung auf den konischen Aufweitungsbereichen des Kerns in axialer Richtung in Bereiche mit größerem Durchmesser ver­schoben werden. Dies führt zu einer Aufweitung der Kolben­ringe. Die Abmessungen können dabei so gewählt sein, daß diese Aufweitung der Kolbenringe durch die Aufweitungsbe­reiche des Kerns die Schrumpfung der Kolbenringe so weit ausgleicht, daß die resultierende Schrumpfung der Kolben­ringe der Schrumpfung der Pumpzylinderabmessungen entspricht.

[0010] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Kolbenringe unmittelbar an den konischen Erweite­rungen des Kerns anliegen, sich also beim Abkühlen auf dem Kern in axialer Richtung verschieben.

[0011] Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Kern aus zwei im In­neren der Hülse miteinander verbundenen Teilen besteht; da­durch wird die Montage des Kolbens erleichtert.

[0012] Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorge­sehen, daß die Aufweitungsbereiche des Kerns von einem Lager­ring umgeben sind, der durch radiale Einschnitte in Segmen­te unterteilt ist, so daß der Lagerring sich bei einer axi­alen Verschiebung auf dem konischen Aufweitungsbereich in radialer Richtung aufweiten kann, daß sich der Lagerring an der Stirnseite der Hülse abstützt und daß der Kolbenring den Lagerring umgibt und auf diesem gehalten ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird also beim Abkühlen zunächst der Lagerring aufgeweitet, der seine Aufweitung dann auf den ihn umgebenden Kolbenring überträgt.

[0013] Günstig ist es dabei, wenn der Lagerring mit einer konischen Fläche an der konischen Fläche des Aufweitungsbereichs des Kerns anliegt, wobei die Konizität in beiden Fällen im we­sentlichen gleich ist.

[0014] Es kann vorgesehen sein, daß der Aufweitungsbereich des Ker­nes zumindest an einem Ende des Kerns auf diesen aufgesteckt und mit diesem lösbar ist. Auch dadurch wird die Montage des Kolbens erleichtert.

[0015] Vorzugsweise weisen die Aufweitungsbereiche axial abstehende Flansche auf, die dem Kolbenring als axialer Anschlag dienen.

[0016] Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1: eine Längsschnittansicht durch einen Kolben gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Figur 2: eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in Fi­gur 1;

Figur 3: eine Ansicht ähnlich Figur 1 eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Kol­bens bei Umgebungstemperatur und

Figur 4: eine Ansicht ähnlich Figur 3 eines Kolbens bei tiefen Temperaturen.

[0017] In der Zeichnung sind von einer Kolbenpumpe zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit, beispielsweise von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Wasserstoff, lediglich die Kolben dargestellt, der den Kolben umgebende Pumpzylinder, die Ein- und Auslaßventile und der Antrieb des Kolbens können in her­kömmlicher Weise ausgeführt werden.

[0018] Der Kolben 1 des in Figuren 1 und 2 dargestellten Ausfüh­rungsbeispiels umfaßt einen länglichen, rotationssymmetri­schen Kern, der im wesentlichen aus einem zylindrischen Schaft 3 und einem sich an einem Ende 4 konisch erweitern­den Aufweitungsbereich 5 besteht. Der Aufweitungsbereich 5 wird durch einen radial abstehenden Flansch 6 begrenzt. In die Stirnseite des Kerns 2 ist eine Aufnahmeöffnung 7 zum Einsetzen eines Sechskantschlüssels eingearbeitet.

[0019] Am gegenüberliegenden Ende 8 ist der Schaft mit einem Außen­gewinde 9 versehen und in ein Kupplungsstück 10 eingeschraubt, welches mit einer oszillierend angetriebenen Hub- und Zug­ stange 11 in Verbindung steht. Der Schaft 3 ist durch eine radial in das Kupplungsstück 10 eingeschraubte Madenschraube 12 in dem Kupplungsstück fixiert.

[0020] Vom freien Ende 8 her sind auf den Kern 2 nacheinander ein erster Lagerring 13, eine Distanzhülse 14, ein zweiter Lager­ring 15 und ein Aufweitungsteil 16 aufgesteckt; diese Teile werden durch eine auf das Außengewinde 9 aufgeschraubte Mut­ter 17 auf dem Kern fixiert.

[0021] Die beiden Lagerringe 13, 15 haben sich konisch erweiternde Innenflächen 18, deren Konizität im wesentlichen der Konizität des Aufweitungsbereiches 5 beziehungsweise des Aufweitungs­teils 16 enspricht. Die Innenflächen 18 liegen flächig an dem Aufweitungsbereich 5 beziehungsweise dem Aufweitungs­teil 16 an. Beide Lagerringe weisen in Umfangsrichtung je­weils um 120° versetzt radiale Einschnitte 19 auf (Figur 2), so daß die Lagerringe 13 und 15 in der Art von Spannzangen in radialer Richtung aufweitbar beziehungsweise zusammen­drückbar sind. Die Umfangsflächen 22 beziehungsweise 23 der Lagerringe 13 und 15 sind kreiszylindrisch ausgebildet, sie enden auf der einander zugewandten Seite der beiden Lager­ringe in jeweils einer radial nach außen vorstehenden Ring­schulter 20 beziehungsweise 21. Der Umfang der Umfangsfläche 22 ist dabei kleiner als der Umfang des Flansches 6 des Ker­nes 2.

[0022] Der Aufweitungsteil 16 ist als Ring mit einer sich konisch erweiternden Anlagefläche 24 ausgebildet, die in einem radial nach außen überstehenden Flansch 25 endet. Der Umfang des Flansches 25 ist größer als der Umfang der Umfangsfläche 23 des Lagerringes 15.

[0023] Beide Lagerringe 13 und 15 tauchen in die Distanzhülse 14 ein, die Ringschultern 20 beziehungsweise 21 der beiden La­gerringe stützen sich an den Stirnflächen 26 beziehungsweise 27 der Distanzhülse 14 ab.

[0024] Auf den beiden Umfangsflächen 22 und 23 der beiden Lager­ringe 13 beziehungsweise 15 ist jeweils ein Kolbenring 28 beziehungsweise 29 gelagert, der jeweils auch den Flansch 6 beziehungsweise den Flansch 25 umgreift. Beide Kolben­ringe weisen im Bereich dieser Flansche an der Innenseite einen Rücksprung auf, so daß die Kolbenringe im Bereich zwi­schen den Flanschen 6 beziehungsweise 25 einerseits und den Ringschultern 20 beziehungsweise 21 andererseits in axialer Richtung fixiert sind.

[0025] Die Außenflächen 30 und 31 der beiden Kolbenringe 28 und 29 sind kreiszylindrisch ausgebildet und liegen abdichtend an der Innenwand eines in der Zeichnung strichpunktiert darge­stellten Pumpzylinders 32 an.

[0026] Die Materialwahl erfolgt so, daß die Distanzhülse die klein­ste Wärmedehnung, die Kolbenringe die größte Wärmedehnung und der Kern eine Wärmedehnung zwischen der der Distanzhül­se und der der Kolbenringe aufweisen. Die Kolbenringe beste­hen beispielsweise aus PTFE, PTFE-Kohle, PTFE-Graphit, PTFE-Bronze oder Messing, die Distanzhülse aus Fe Ni 36-Stahl (In 36), der Kern aus austenitischem kaltzähem Stahl, Alumi­nium, Titan oder Bronze.

[0027] Durch diese Abstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien und durch die verschiedene kon­struktive Ausgestaltung zieht sich der Kern 2 beim Abkühlen in axialer Richtung stärker zusammen als die Distanzhülse 14, so daß sich der Aufweitungsbereich 5 und der Aufweitungs­teil 16 des Kernes 2 beim Abkühlen in die Lagerringe 13 und 15 hineinzieht und diese dadurch aufweitet. Dies führt gleichzeitig auch zu einer Aufweitung der auf den Lagerringen ruhenden Kolbenringe 28 und 29. Bei geeigneter Abstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kernes, der Distanzhülse und der Kolbenringe einerseits sowie der Abmessungen der einzelnen Teile, insbesondere der Konizität in den beiden Aufweitungsbereichen, läßt sich damit erreichen, daß über einen großen Temperaturbereich die Außenflächen 30 und 31 der Kolbenringe 28 und 39 einen unveränderten Durchmesser aufweisen oder noch besser einen an das Wärmedehnungsverhalten des Pumpzylinders 32 angepaßten Außendurchmesser. Damit ist über einen großen Temperaturbereich eine einwandfreie Abdich­tung des Kolbens 1 gegenüber dem Pumpzylinder 32 erreichbar.

[0028] Die Montage des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kolbens ist in einfacher Weise möglich. Hierzu genügt es, auf den Kern 2 nacheinander den Lagerring 13 mit dem darauf angeord­neten Kolbenring 28, die Distanzhülse 14, den Lagerring 15 mit dem darauf angeordneten Kolbenring 29 und den Aufwei­tungsteil 16 aufzustecken und diese Teile anschließend mit der Mutter 17 auf dem Kern 2 festzulegen. Der auf diese Weise montierte Kolben kann anschließend in das Kupplungs­stück 10 eingeschraubt und dort fixiert werden.

[0029] Bei dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in der Zeich­nung der Pumpzylinder nicht dargestellt.

[0030] Der Kern 2 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Teilen 40, 41, die im Inneren der umgebenden Distanzhülse 14 eine Gewindebohrung 42 beziehungsweise einen Gewinde­zapfen 43 aufweisen, so daß die beiden Teile miteinander verschraubt werden können.

[0031] Beide Teile 40 und 41 weisen an ihren aus der Distanzhülse 14 herausragenden Enden 4 einen sich konisch erweiternden Aufweitungsbereich 44 beziehungsweise 45 auf, wobei der Aufweitungsbereich 44 dem Aufweitungsbereich 5 beim Ausfüh­rungsbeispiel der Figuren 1 und 2 entspricht.

[0032] Die beiden Kolbenringe 28 und 29 sind bei diesem Ausführungs­beispiel unmittelbar auf die Aufweitungsbereiche 44 und 45 aufgesteckt, so daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Lager­ringe 13 und 15 fehlen. Beide Kolbenringe 28 und 29 stützen sich mit den einander zugewandten Seitenflächen 46 und 47 an den Stirnflächen 26 beziehungsweise 27 der Distanzhülse 14 ab.

[0033] Die Materialwahl ist in gleicher Weise wie bei dem Ausfüh­rungsbeispiel der Figuren 1 und 2 so gewählt, daß die Kol­benringe die größte Wärmedehnung und die Distanzhülse die geringste Wärmedehnung aufweisen, während die Wärmedehnung des Kerns zwischen diesen Werten liegt.

[0034] Beim Abkühlen verkürzt sich der Kern 2 in axialer Richtung stärker als die Distanzhülse 14, so daß die Kolbenringe 28 und 29 zu den Enden des Kerns 2 verschoben und dadurch auf­geweitet werden. Auch hier kann durch geeignete Abmessungen und geeignete Kombination der Wärmedehnungskoeffizienten eine genaue Anpassung des Umfangs der Außenflächen 30 und 31 an den Pumpzylinder erreicht werden.

Ansprüche

1. Kolbenpumpe zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit mit einem Pumpzylinder aus einem Material mit geringer Wärmedehnung und mit einem darin verschieblichen Kolben, auf dessen Umfangsfläche Kolbenringe aus einem selbst­schmierenden Material gehalten sind, die eine größere Wärmeausdehnung haben als das Material des Pumpzylin­ders, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) einen Kern (2) aus einem Material mit relativ großer Wärmedehnung aufweist, der von einer Distanzhülse (14) aus einem Material geringer Wärmedeh­nung umgeben ist, daß der Kern (2) auf beiden Seiten aus der Distanzhülse (14) herausragt und sich zu seinen frei­en Enden hin konisch erweiternde Aufweitungsbereiche (5, 16; 44, 45) aufweist und daß die Kolbenringe (28, 29) den Kern (2) in den Aufweitungsbereichen (5, 16; 44, 45) umgeben und sich an den Stirnseiten (26, 27) der Distanz­hülse (14) abstützen.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenringe (28, 29) unmittelbar an den koni­schen Erweiterungen (44, 45) des Kerns (2) anliegen.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern (2) aus zwei im Inneren der Distanzhülse (14) miteinander verbundenen Teilen (40, 41) besteht.

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufweitungsbereiche (5, 16) des Kernes (2) von einem Lagerring (13, 15) umgeben sind, der durch radi­ale Einschnitte (19) in Segmente unterteilt ist, so daß der Lagerring (13, 15) sich bei einer axialen Verschie­bung auf den konischen Aufweitungsbereichen (5, 16) in radialer Richtung aufweiten kann, daß sich der Lagerring (13, 15) an der Stirnseite (26, 27) der Distanzhülse (14) abstützt und daß der Kolbenring (28, 29) den Lager­ring (13, 15) umgibt und auf diesem gehalten ist.

5. Kolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lagerring (13, 15) mit einer konischen Fläche (18) an der konischen Fläche (24) des Aufweitungsbe­reichs (5, 16) des Kerns (2) anliegt, wobei die Konizi­tät in beiden Fällen im wesentlichen gleich ist.

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­net, daß der Aufweitungsbereich (16) des Kerns (2) zu­ mindest an einem Ende (8) des Kerns (2) auf diesen auf­gesteckt und von diesem lösbar ist.

7. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitungsbereiche (5, 16) ra­dial abstehende Flansche (6, 25) aufweisen, die dem Kol­benring (28, 29) als axialer Anschlag dienen.

Zeichnung