[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung für cryogene Fluide gemäss
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] An Pumpen von cryogenen Flüssigkeiten werden spezielle Anforderungen gestellt. Ein
Problem dieser Pumpen ist, dass beim Absinken und Ansteigen des Druckes unerwünschte
Aenderungen im Aggregatszustand eintreten, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpen verringert
wird.
[0003] Aus CH-A-615'982 ist eine Pumpvorrichtung bekannt, die dieses Problem löst, indem
das Fluid durch Vorverdichtung auf einen Druck über den Dampfdruck angehoben wird,
bevor es in die Hochdruckkammer gepumpt wird. Diese Pumpvorrichtung weist jedoch ein
aufwendiges Ventilsystem auf und ist deshalb teuer in der Herstellung.
[0004] Eine nach dem gleichen Prinzip arbeitende Pumpe ist aus CH-A-663'065 bekannt, die
jedoch einfacher aufgebaut ist und kostengünstiger hergestellt werden kann. Diese
Pumpvorrichtung, die in Figur 1 dargestellt ist, weist ebenfalls einen Hochdruck-
und einen Vorverdichterteil auf, die jedoch durch eine Trennwand getrennt sind. Der
Vorverdichterteil ist in einem wärmeisolierten Fluid- oder Zwischenbehälter 5 untergebracht.
Der Hochdruck- und der Vorverdichterteil umfassen zwei voneinander getrennte Kolbenpumpen
1,2, die im Tandem angeordnet sind und die eine gemeinsame, die Trennwand 3 gleitend
und abgedichtet (32) durchsetzende Kolbenstange 8 aufweisen. Der Vorverdichterteil
weist einen Zylinder 10 auf, der saugseitig offen ist. Der Vorverdichterkolben 11
weist Durchlassöffnungen 17 auf, die während des Ladehubes oder Vorverdichtens durch
eine Ventilplatte 12 geschlossen sind, während sie im Druckhub geöffnet sind.
[0005] Die Trennwand 3 wird von Ansaugöffnungen 33 durchsetzt, die die Vorverdichterkammer
16 mit der Hochdruckkammer 26 verbinden. Im Druckhub werden die Ansaugöffnungen 33
durch eine im Hochdruckteil angeordnete Ventilplatte 34 verschlossen und im Ladehub
geöffnet.
[0006] Diese Pumpe weist jedoch den Nachteil auf, dass sie für Drücke über 400 bar nicht
mehr geeignet ist. Die Dichtungen 32, die den Uebergang der Kolbenstange 8 vom Niederdruckbereich
der Vorverdichterkammer in den Hochdruckbereich abdichten, sind bei höheren Drücken
einem zu hohen Verschleiss ausgesetzt und führen so schnell zu Leckagen. Dadurch wird
einerseits der Wirkungsgrad der Pumpe verringert. Andererseits müssen die Dichtungen
öfters ausgewechselt werden, was zu kürzeren Betriebszeiten der Pumpe führt.
[0007] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Pumpvorrichtung zu schaffen, die auch
für höhere Drücke einsetzbar ist.
[0008] Diese Aufgabe löst eine Pumpvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
[0009] Die erfindungsgemässe Pumpvorrichtung weist im wesentlichen denselben Aufbau wie
die aus CH-A-663'065 bekannte Pumpvorrichtung auf und arbeitet nach demselben Prinzip.
In der erfindungsgemässen Pumpvorrichtung sind Hochdruck- und Niederdruckteil jedoch
stärker voneinander getrennt und lediglich durch Ansaugöffnungen oder Ansaugkanäle
miteinander verbunden. Durch die zwei getrennten Kolbenstangen entfällt die Dichtung
im Uebergang vom Niederdruck- in den Hochdruckbereich, so dass beim Arbeiten mit höheren
Drücken die Eigenschaften einer derartigen Dichtung nicht mehr berücksichtigt werden
müssen. Da die Kolbenstangen synchron angetrieben werden, ist ein einwandfreies Funktionieren
der Pumpvorrichtung trotzdem gewährleistet.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bewegungen der Kolbenstangen mechanisch
synchronisiert. Dabei ist in einer Variante die Kolbenstange des Vorverdichterteils
vollständig innerhalb eines Fluidbehälters angeordnet, wobei sie mittels einer Verbindungsstange,
die ebenfalls im Fluidbehälter verläuft, mit der Hochdruckkolbenstange verbunden ist.
Die Verbindung befindet sich ebenfalls vollständig im Niederdruckbereich, so dass
an die Dichtungen keine so hohen Anforderungen gestellt werden müssen.
[0011] In einer anderen Variante ragt die Niederdruckkolbenstange aus dem Fluidbehälter
heraus und die mechanische Verbindung erfolgt ausserhalb des Fluidbehälters mittels
parallel zu den Kolbenachsen versetzten Antriebsstangen. Die Niederdruckkolbenstange
ist im Uebergang Fluidbehälter/Umgebung wiederum mit einer Niederdruckdichtung versehen.
Dieser Aufbau weist spezielle Vorteile auf: Die Niederdruckdichtung ist leicht zugänglich.
[0012] Deshalb kann sie auf einfache Weise ausgewechselt werden. Zudem ist sie einstellbar,
indem sie mittels mechanischer Kraftübertragung, beispielsweise durch eine verstellbare
Manschette, unterschiedlich stark zusammengepresst wird.
[0013] In den beiliegenden Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung erläutert sind. Es zeigen
- Figur 1
- eine Pumpvorrichtung gemäss dem Stand der Technik;
- Figur 2
- eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Pumpvorrichtung im Schnitt dargestellt
und
- Figur 3
- eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Pumpvorrichtung im Schnitt dargestellt.
[0014] In Figur 1 ist eine Pumpvorrichtung für cryogene Fluide gemäss dem Stand der Technik
vereinfacht dargestellt, anhand der das Arbeitsprinzip der Pumpe ersichtlich ist,
das auch in CH-A-663'065 ausführlich beschrieben ist.
[0015] In Figur 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäss verbesserten
Pumpvorrichtung dargestellt. Die Pumpvorrichtung umfasst ebenfalls einen Vorverdichterteil
und einen Hochdruckteil, wobei der Hochdruckteil eine Hochdruckkolbenpumpe 2 und der
Vorverdichterteil eine Niederdruckkolbenpumpe 1, im folgenden auch Vorverdichterpumpe
genannt, umfassen. Die Kolbenpumpen sind mindestens teilweise von einem Fluidbehälter
5 umgeben, der selber wiederum mittels eines Isolationsmantels 6 von der Umgebung
wärmeisoliert ist. Als Isolationsmantel 6 dient in diesem Ausführungsbeispiel eine
den Fluidbehälter 5 umgebende Doppelwandung, in der Vakuum herrscht.
[0016] Der Fluidbehälter 5 weist eine Zufuhröffnung 50 auf, durch die das Fluid in den Behälter
gelangt. Zudem ist eine verschliessbare Entspannungsöffnung 51 vorhanden, die vom
Behälter nach aussen führt und die zur allfälligen Ableitung von entstehendem Gasblasen
dient.
[0017] Die Niederdruckkolbenpumpe 1 weist einen festen Zylinder 10 auf, der sich vollständig
innerhalb des Fluidbehälters 5 befindet. Der Zylinder 10 hat im wesentlichen die Form
eines an der Saugseite offenen Rohres, das teilweise von einer Vorverdichter-Kolbenstange
13 durchsetzt ist und in dem ein mit der Vorverdichter-Kolbenstange 13 verbundener
Vorverdichterkolben 11 verschiebbar gehalten ist.
[0018] Der Vorverdichterkolben 11 weist mindestens eine Durchlassöffnung 17 auf, die den
Fluidbehälter 5 mit der Vorverdichterkammer 16 verbindet. Diese Oeffnung ist während
des Vorverdichtens oder Ladehubes mittels einer Ventilplatte 12 geschlossen. Diese
Ventilplatte 12 ist in diesem Beispiel im Innern der Vorverdichterkammer auf der der
Durchlassöffnung abgewandten Seite des Kolbens angeordnet. In Figur 2 ist die Ventilplatte
12 in offener Lage dargestellt.
[0019] Die Vorverdichter-Kolbenstange 13 ragt mit ihrem kolbenfernen Ende aus dem Fluidbehälter
5 abgedichtet (14) heraus. Das kolbennahe Ende befindet sich innerhalb der Vorverdichterkammer
16. Die Dichtungen 14 befinden sich in einem länglichen Aufsatz 52 auf dem Fluidbehälter
5, so dass sie gut zugänglich sind. Der Aufsatz 52 umfasst eine verstellbare Manschette
52', mittels der die Dichtungen 14 eingestellt werden können, indem sie von der Manschette
52' unterschiedlich stark zusammengepresst werden.
[0020] Die Hochdruckkolbenpumpe 2 weist analog ebenfalls einen Zylinder 20 auf, der von
einer Hochdruck-Kolbenstange 23 durchsetzt ist und in dem ein mit der Hochdruck-Kolbenstange
23 verbundener Hochdruckkolben 24 verschiebbar gehalten ist. Der Hochdruckkolben 21
ist mit Dichtungsringen 21' versehen. Diese Dichtungsringe dichten den Hochdruckbereich
gegenüber dem restlichen Zylinder 20 ab. Im kolbenfernen Bereich ist im Zylinder 20
eine Rückstellfeder 25 und eine zusätzliche Niederdruckdichtung 24 angeordnet. In
diesen Ausführungsbeispielen befindet sich der Hochdruckbereich der Hochdruckkolbenpumpe
innerhalb des Fluidbehälters 5 und ist dadurch ebenfalls vom Isolationsmantel 6 umgeben.
Am kolbenfernen Ende der Dichtungsringe 21' kann im Zylinder 20 mindestens eine Bohrung
28 vorhanden sein, die bei Leckagen das Fluid in den Fluidbehälter 5 zurückführt.
[0021] Von der Hochdruckkammer 26 führt eine Druckleitung 4 weg, wobei die Auslassöffnung
der Hochdruckkammer mit einem Rückschlagventil 41 versehen ist.
[0022] Der Zylinder 20 der Hockdruckpumpe 2 ist an seinem kolbenseitigen Ende bis auf mindestens
eine Ansaugöffnung 27 geschlossen. Die Ansaugöffnung 27 ist im Druckhub durch einen
Ventilkörper 22 verschlossen und im Ladehub offen. Der Ventilkörper 22 ist in diesem
Beispiel ausserhalb des Zylinders angeordnet und weist mindestens einen Ansaugkanal
30 und einen Entspannungskanal 31 auf. Der mindestens eine Ansaugkanal 30 verbindet
die Vorverdichterkammer 16 mit der Hochdruckkammer 26. Im Entspannungskanal 31 sammeln
sich die aufsteigenden Gasblasen und werden in den Fluidbehälter geleitet, so dass
fast ausschliesslich flüssiges Fluid gefördert werden kann.
[0023] Die zwei Kolbenstangen 13,23 der Vorverdichterpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 2 werden
im Tandem synchron angetrieben. Die Synchronisation des Antriebes kann auf verschiedene
Weise erfolgen, mechanisch oder elektronisch. In diesen Ausführungsbeispielen werden
mechanische Synchronisationsmittel verwendet. Es ist mindestens eine Antriebsstange
70 vorhanden, in diesem Beispiel sind es zwei, die achsial versetzt und parallel zu
den auf einer gemeinsamen Achse liegenden Vorverdichter- 13 und Hochdruckkolbenstange
23 liegen. Diese Antriebsstangen 70 sind mittels mindestens annähernd in einem rechten
Winkel dazu angeordneten Querstangen 71 mit den kolbenfernen Enden sowohl der Vorverdichterkolbenstange
13 wie auch der Hochdruckkolbenstange 23 verbunden. Diese mechanischen Synchronisationsmittel
sind auch bei bestehenden Pumpvorrichtungen montierbar und auf einfache Weise justierbar.
Die Querstangen können auch einen anderen Winkel mit den Antriebsstangen bilden.
[0024] In Figur 3 ist ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Pumpvorrichtung dargestellt, aus im wesentlichen denselben Aufbau wie dasjenige in
Figur 2 aufweist. Die Vorverdichterkolbenstange 13 ist hier achsial versetzt zur Hochdruckkolbenstange
23 angeordnet. Sie befindet sich vollständig innerhalb des Fluidbehälters 5 und ragt
nicht aus diesem heraus. Die Vorverdichterkolbenstange 13 ist gegenüber dem Fluidbehälter
wiederum abgedichtet (14'). Dabei durchsetzt die Kolbenstange 13 nun den Niederdruckzylinder
10 auf zwei Seiten. In diesem Beispiel befindet sich die Ventilplatte 12 auf der anderen
Seite des Kolbens 11 als bei dem Beispiel in Figur 2 und ist fest mit der Kolbenstange
verbunden, der Kolben 11 ist jedoch beweglich. Die in Figur 1 und 2 dargestellten
Lösungen für die Vorverdichterpumpe sind miteinander austauschbar. Das kolbenferne
Ende der Vorverdichterkolbenstange 13 ist wiederum mit der Hochdruckkolbenstange 23
mittels mechanischen Synchronisationsmitteln verbunden, die jedoch vollständig innerhalb
des Fluidbehälters verlaufen. Diese Mittel umfassen hier eine Verbindungsstange 72,
die mindestens annähernd in der senkrechten Ebene zu den Kolbenachsen verläuft, einerseits
mit der Vorverdichterkolbenstange 13 verbunden ist und andererseits die Hochdruckkolbenstange
23 im Bereich hinter den Dichtungsringen 21', also im Niederdruckbereich, durchsetzt.
Der Zylinder 20 der Hochdruckkolbenpumpe 2 weist in diesem Bereich entlang seiner
Achse eine Ausnehmung 29 auf, die das Mitlaufen der Verbindungstange 72 mit den Kolbenstangen
13,23 ermöglicht. Es ist möglich, mehrere Vorverdichterpumpen mit derselben Hochdruckpumpe
zu verbinden.
[0025] Weitere mechanische Mittel zur Synchronisation der Kolbenstangen sind möglich, die
vollständig innerhalb oder auch teilweise oder ganz ausserhalb des Fluidbehälters
verlaufen können.
1. Pumpvorrichtung für cryogene Fluide mit einem Hochdruckteil und einem Vorverdichterteil,
zwischen denen eine Trennwand (3) angeordnet ist, wobei der Hochdruckteil eine Hochdruckkolbenpumpe
(2) und der Vorverdichterteil mindestens eine Vorverdichterkolbenpumpe (1) umfassen,
die durch die Trennwand (3) voneinander getrennt, im Tandem angeordnet und synchron
betrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kolbenpumpe (1,2) eine Kolbenstange
(13,23) aufweist, die mindestens im Bereich der Trennwand (3) vollständig von der
anderen Kolbenstange (13,23) getrennt ist.
2. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Kolbenstangen
(13,23) elektronisch synchronisiert ist.
3. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Kolbenstangen
(13,23) mit mechanischen Mitteln (70,71,72) synchronisiert ist.
4. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kolbenstangen (13,23) auf einer gemeinsamen Achse liegen.
5. Pumpvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Mittel
mindestens eine Antriebsstange (70) umfassen, die achsial zur Hochdruckkolbenstange
(23) versetzt angeordnet ist und mit der Hochdruck- und der Vorverdichterkolbenstange
(13,23) verbunden ist.
6. Pumpvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, die mindestens eine Vorverdichterkolbenstange
(13) achsial zur Hochdruckkolbenstange (13) versetzt angeordnet ist und dass die mechanischen
Mittel mindestens eine annähernd senkrecht zu den Kolbenachsen (13,23) verlaufende
Verbindungstange (72) umfassen, die die Hochdruck- mit mindestens einer Vorverdichterkolbenstange
(13,23) verbindet.
7. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung
einen Fluidbehälter (5) umfasst, der durch den Vorverdichterkolben (11) der mindestens
einen Vorverdichterkolbenpumpe (1) von der mindestens einen Vorverdichterkammer (16)
getrennt ist, wobei der Vorverdichterkolben (11) mindestens eine Durchlassöffnung
(17) aufweist, die durch eine Ventilplatte (12) verschliessbar ist.
8. Pumpvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine
Vorverdichterkolbenstange (13) mit ihrem kolbenfernen Ende aus dem Fluidbehälter (5)
abgedichtet herausragt.
9. Pumpvorrichtung nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens
eine Antriebsstange (70) ausserhalb des Fluidbehälters (5) verläuft und mittels Querstangen
(71) mit der Vorverdichter- und Hochdruckkolbenstange (13,23) verbunden ist.
10. Pumpvorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverdichterkammer
(16) und die Hochdruckkammer (26) vollständig innerhalb des Fluidbehälters (5) angeordnet
sind, wobei die Verbindungsstange (72) im Niederdruckteil der Hochdruckpumpe (2) mit
der Hochdruck-kolbenstange (23) verbunden ist.