HUBKOLBENPUMPE FÜR KRYOGENE FLÜSSIGKEITEN

Abstract

 Eine Hubkolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten hat einen Pumpenzylinder (1) mit einer Laufbüchse (2) und einer Zylinderkopfkammer (3). Ein Pumpenkolben (4) ist in der Laufbüchse (2) linear beweglich geführt und vergrössert / verkleinert dadurch die besagte Zylinderkopfkammer (3). Ein Einlassventil (5) ist in einem Einlassbereich und ein Auslassventil (6) ist in einem Auslassbereich der Zylinderkopfkammer (3) angeordnet. Der Pumpenkolben (4) ist dazu ausgebildet, sich in der Laufbüchse (2) zwecks Bewirkung des Pumpvorganges hin- und herzubewegen. Die Laufbüchse (2) weist zumindest in einem zylinderkopfnahen Bereich eine chrom-basierte reibungsarme Innenbeschichtung auf, der Pumpenkolben (4) ist kolbenringlos ist und weist zumindest im Laufbüchsenbereich eine chrom-basierte reibungsarme Aussenbeschichtung auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten nach Patentanspruch 1, wobei die Hubkolbenpumpe im Wesentlichen die folgenden Strukturmerkmale aufweist:

• einen Pumpenzylinder mit einer Laufbüchse und einer Zylinderkopfkammer,
• einen Pumpenkolben, der in der Laufbüchse linear beweglich geführt ist,
• ein Einlassventil, das in einem Einlassbereich der Zylinderkopfkammer angeordnet ist und dem Einlass der kryogenen Flüssigkeit dient, und
• ein Auslassventil,das in einem Auslassbereich der Zylinderkopfkammer angeordnet ist und dem Auslass der kryogenen Flüssigkeit dient.

[0002] Der Pumpenkolben ist dazu ausgebildet, sich in der Laufbüchse zwecks Bewirkung des Pumpvorganges hin- und herzubewegen und die Zylinderkopfkammer durch die Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens zu bilden bzw. zu vergrössern und zu verkleinern.

[0003] Die Verschleissfestigkeit ist bei kryogenen Hubkolbenpumpen - wie bei allen Kolbenpumpen - ein Problem, insbesondere dann wenn die Kolbenpumpen mit sehr hohen Drücken arbeiten. Der verschleissempfindliche Bereich sind dabei die Dichtungs- bzw. Kolbenringe an den Pumpenkolben. In diesem Bereich ist deshalb auch die Materialkombination zwischen Laufbüchsen und Kolbenringen von besonderer Bedeutung, denn hohe Abriebfestigkeit und gute Gleiteigenschaften sind hier wichtig. Erschwerend tritt natürlich hinzu, dass man im extremen Tieftemperaturbereich arbeitet und dass die Art des zu pumpenden Mediums (z.B. flüssiger Sauerstoff) unter Umständen die Anzahl der einsetzbaren Materialkombinationen noch zusätzlich einschränken kann.

[0004] Hubkolbenpumpen für kryogene Flüssigkeiten die mit sehr hohen Drücken arbeiten sind beispielsweise aus der CH-703376 und der US-2003/0080512 bekannt. In der ersteren wird erwähnt, dass die in einem kolbenspitzennahen bzw. zylinderkopfkammernahen Bereich angeordneten Dichtungsringe aus einer Kombination von PTFE und Bronzeringen bestehen, die letztere gibt noch etwas detaillierte Hinweise, indem sie erwähnt, dass der Bronzeanteil der Ringe grösser als 50% sei, ein Wolfram-Disulphid-Anteil von etwa 5% verwendet werde und dass im Übrigen ebenfalls PTFE eingesetzt werde. Es ist bekannt, dass Kombinationen von Laufbüchsen aus Edelstahl und reibungsarmen Kolbenringen aus Bronze & PTFE Mischung in diesem Technologiebereich üblich sind.

[0005] Andererseits ist auch bekannt, dass für besonders verschleissfeste Oberflächen heutzutage oft Hartchrombeschichtungen verwendet werden. So ist beispielsweise im allgemeinen Stand der Technik zu Kolbenmaschinen, so etwa in der DE102007038188A1 ein verschleissfest beschichtetes Maschinenelement, insbesondere ein Kolbenring mit einer auf der Oberfläche aufgebrachten Hartchromschicht, beschrieben. Unter Maschinenelementen werden in dieser Publikation aber auch Druckzylinder, Kolben und dergleichen verstanden. Offensichtlich handelt es sich bei den konkret erwähnten Anwendungen aber um solche im Hochtemperaturbereich, nämlich für Kolbenmotoren. Grundsätzlich wird die Hartchromschicht eingeführt um den Verschleiss durch Reibung möglichst zu vermindern, allerdings geht es hier wegen dem Hauptanwendungsbereich für Kolbenmotoren natürlich vorwiegend darum, auch eine hohe Brandspurfestigkeit zu erzielen. Letzteres ist für kryogene Anwendungen jedoch nicht von Bedeutung.

[0006] Schliesslich zeigt die US-20130118424, dass Chrom als Beschichtungsmaterial wegen der hohen Verschleissfestigkeit teilweise auch bereits bei Kolbenpumpen für kryogene Medien eingesetzt wird. So zeigt diese Publikation, dass ein Kolben einer solchen Kolbenpumpe zwar in einem kolbenspitzenfernen Dichtungsbereich, nicht aber in einem kolbenspitzennahen Kolbenringbereich mit einer Hartchrombeschichtung versehen ist. Man scheint dieser Offenbarung als Ganzes lediglich entnehmen zu können, dass die Hartchrombeschichtung im Dichtungsbereich zusammen mit einem Abstreifer anscheinend deshalb gewählt wurde um Schäden an den Dichtungen, die teilweise auch durch Verschmutzungspartikel in den kryogenen Medien entstehen können, möglichst zu vermeiden.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Hubkolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten anzugeben, die im hochbelasteten Kolbenring- bzw. Dichtungsbereich besonders verschleissarme und zugleich besonders reibungsarme Materialien bzw. Materialkombinationen aufweist und die zudem besonders einfach aufgebaut ist.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0009] Die Lösung besteht darin, dass die Laufbüchse zumindest in einem zylinderkopfnahen Bereich eine chrom-basierte reibungsarme Innenbeschichtung aufweist und der Pumpenkolben kolbenringlos ist und zumindest im Laufbüchsenbereich eine chrom-basierte reibungsarme Aussenbeschichtung aufweist. Kolbenringlosigkeit bedeutet natürlich ganz grundsätzlich eine wesentliche Konstruktionsvereinfachung.

[0010] Es wird vorgeschlagen sowohl für die Laufbüchse wie auch für den Pumpenkolben chrom-basierte reibungsarme Beschichtungen zu verwenden, die eine Schichtdicke von < 0.01 mm und einen Chrom-Anteil von > 98% aufweisen. Andere aber grundsätzlich ähnliche chrom-basierte reibungsarme Beschichtungen mit anderen Schichtdicken, verschiedenem Schichtaufbau, ähnlichen Chrom-Anteilen und möglicherweise verschieden Restanteilen anderer Metalle sind natürlich ebenfalls möglich, im gegenwärtigen Entwicklungsstand aber noch wenig erprobt. Die vorgeschlagene Dicke und Zusammensetzung hat in Versuchen bereits gute Ergebnisse erbracht.

[0011] Chrom-Beschichtungen sind also grundsätzlich nicht nur hart, sie haben auch einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Generell müssen bei der Wahl der Materialkombinationen aber noch weitere Gesichtspunkte beachtet werden, denn Toleranzen und Oberflächenrauheit beeinflussen das erzielbare Resultat ebenfalls. So muss man bei kolbenringlosen Maschinen davon ausgehen, dass man zur Erzielung eines annähernd gleich hohen Pumpen-Wirkungsgrades wie bei kolbenringverwendenden Maschinen engere Toleranzen zwischen dem Pumpenkolben und der Kolbenhülse vorsehen muss. Um das Risiko zu vermindern, dass die Oberflächen von Pumpenkolben und Kolbenhülse festklemmen oder sogar aneinander haften, muss die gegenseitige Reibung gering bleiben. Mit der bislang verwendeten Materialkombination von Stahl und Bronze oder Grauguss liessen sich Klemm- und Haftprobleme möglicherweise vermeiden, das Problem des Verschleisses der Kolben bliebe aber trotzdem bestehen und somit hätte man wohl noch in verstärktem Mass das Problem des raschen Abfalls des Pumpenwirkungsgrades bzw. die damit verbundenen hohen Standzeiten und aufwendigen Wartungsarbeiten. Alternative Materialkombinationen, die für kolbenringlose Maschinen überhaupt in Betracht kommen, müssen also nicht nur eine geringe gegenseitige Reibung und eine sehr gute Abriebfestigkeit aufweisen, sondern auch die erwähnten Haftprobleme bei engen Toleranzen berücksichtigen. Chrom-auf-Chrom Materialkombinationen sind prinzipiell geeignet, weil sie zumindest die beiden erstgenannten Eigenschaften aufweisen.

[0012] Enge Toleranzen bei der Paarung von Kolbenhülse und Kolben und glatte Oberflächen zur Erzielung eines niedrigen Reibungskoeffizienten haben also ihre eigene Problematik. Zwar ist bekannt, dass sich der Reibungskoeffizient zwischen zwei Materialien bei sehr glatten Oberflächen veringert, allerdings nimmt das Haftrisiko dann ebenfalls zu. Es müssen also gegebenenfalls noch weitere Massnahmen getroffen werden, um das Haftrisiko zu verkleinern. Eine solche Massnahme besteht darin, dass man eine chrom-basierte reibungsarme Beschichtung verwendet, die Mikroerhebungen aufweist, um die gegenseitigen Kontaktflächen zu verkleinern. Im Prinzip ist eine ähnliche Idee im Motorenbereich vorgeschlagen worden, allerdings sind dort die physikalischen und chemischen Bedingungen völlig verschieden, wird doch entweder ganz oder zumindest teilweise noch das Vorhandensein eines Schmiermittels vorausgesetzt (siehe z.B. DE-102005054622). Die Umsetzung ist deshalb nicht ohne weiteres auf schmiermittelfreie kryogene Hubkolbenpumpen übertragbar.

[0013] Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt die

Fig. 1

Eine Hubkolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einer Laufbüchsen-Innenbeschichtung und einer Kolben-Aussenbeschichtung die chrom-basiert und reibungsarm sind.

[0014] Die Figur 1 zeigt eine Hubkolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einer Laufbüchsen-Innenbeschichtung und einer Kolben-Aussenbeschichtung die chrom-basiert und reibungsarm sind in einer Querschnittdarstellung. Dargestellt ist in vereinfachter Form lediglich der Pumpenkolbenbereich weil die übrigen Bestandteile der Hubkolbenpumpe für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht von Belang sind.

[0015] Die Hubkolbenpumpe gemäss Figur 1 hat im Wesentlichen die folgenden Strukturmerkmale:

Ein Pumpenzylinder 1 hat im Innern eine Laufbüchse 2 und eine Zylinderkopfkammer 3. Die Zylinderkopfkammer 3 ist in dieser Figur allerdings nicht ohne weiteres erkennbar, angedeutet ist deshalb lediglich der Bereich in dem sie sich im Betrieb der Hubkolbenpumpe ausbildet. In der Laufbüchse 2 ist ein Pumpenkolben 4 in einer Bewegungsrichtung P linear beweglich geführt, und zwar so, dass er eine Hin- und Herbewegung ausführt. Die Antriebsmittel für den Pumpenkolben, nämlich ein Pumpenmotor, sind nicht dargestellt, wohl aber ein Antriebsende 8 des Pumpenkolbens 4, das mit dem Antriebsmittel verbindbar ist. Weil der Pumpenkolben 4 hier in der maximalen Vorschubstellung gezeigt ist, ist das Volumen der Zylinderkopfkammer 3 in dieser Darstellung auch auf dem tiefsten Wert, nämlich praktisch gleich Null.

[0016] Ein Einlassventil 5 ist in einem Einlassbereich der Zylinderkopfkammer 3 angeordnet ist und dient dem Einlass der kryogenen Flüssigkeit in die Zylinderkopfkammer 3. Ein Auslassventil 6 ist in einem Auslassbereich der Zylinderkopfkammer 3 angeordnet und dient dem Auslass der kryogenen Flüssigkeit aus der Zylinderkopfkammer 3. Einlassventil 5 und Auslassventil 6 befinden sich an dem dem Antriebsende 8 entgegengesetzten kalten Ende 9.

[0017] Weiterhin ist zu vermerken, dass der Pumpenkolben 4 in einem zylinderkopfkammernahen Bereich A kolbenringlos ist. Der Pumpenkolben ist, wie erwähnt, dazu ausgebildet, sich in der Laufbüchse zwecks Bewirkung des Pumpvorganges in einer Pumprichtung P hin- und herzubewegen und die Zylinderkopfkammer 3 durch die Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens zu bilden bzw. zu vergrössern und zu verkleinern.

[0018] Weiterhin ist aus der Figur 1 ersichtlich, dass sich die Laufbüchse 2, in der sich der Pumpenkolben 4 effektiv hin- und herbewegt, nicht über die gesamte Länge des Pumpenzylinders 1 erstreckt. Die Laufbüchse 2 weist in ihrem Inneren eine chrom-basierte reibungsarme Innenbeschichtung auf. Der Pumpenkolben 4 weist zumindest in dem Bereich, der bei der Hin- und Herbewegung mit der Laufbüchse in Berührung steht, eine chrom-basierte reibungsarme Aussenbeschichtung auf. Speziell trifft dies auf den zylinderkopfkammernahen Bereich A zu, also am kalten Ende 9 der Kolbenpumpe.

[0019] Die chrom-basierte reibungsarme Innenbeschichtung der Laufbüchse 2 und die chrom-basierte reibungsarme Aussenbeschichtung des Pumpenkolbens 4 haben beispielsweise eine Schichtdicke von < 0.01 mm und einen Chrom-Anteil von > 98%. Es handelt sich somit um eine Dünnchrombeschichtung.

[0020] Dabei kann eine zusätzliche Wolfram-Disulphid (WS₂) Schicht zur Verbesserung der Trockenschmierungseigenschaften der Dünnchrombeschichtung vorhanden sein.

[0021] Weiterhin können, wie erwähnt, die chrom-basierten reibungsarmen Beschichtungen von Laufbüchse 2 und Pumpenkolben 4 Mikroerhebungen aufweisen um die gegenseitigen Kontaktflächen zu verkleinern.

Bezugsziffernliste:

[0022] 

1

Pumpenzylinder

2

Laufbüchse

3

Zylinderkopfkammer

4

Pumpenkolben

5

Einlassventil

6

Auslassventil

7 8 Antriebsende 9

kaltes Ende

A

zylinderkopfkammernaher Bereich

P

Bewegungsrichtung

Ansprüche

1. Hubkolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit

- einer Zylinderkopfkammer (3) und einer Laufbüchse (2) in einem Pumpenzylinder (1),

- einem Pumpenkolben (4), der in der Laufbüchse (2) linear geführt ist,

- einem Einlassventil (5), das in einem Einlassbereich der Zylinderkopfkammer (3) angeordnet ist, und

- einem Auslassventil (6),das in einem Auslassbereich der Zylinderkopfkammer (3) angeordnet ist,
wobei der Pumpenkolben (4) dazu ausgebildet ist, sich in der Laufbüchse (2) zwecks Bewirkung des Pumpvorganges hin- und herzubewegen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laufbüchse (2) zumindest in einem zylinderkopfnahen Bereich eine chrom-basierte reibungsarme Innenbeschichtung aufweist, und
der Pumpenkolben (4) kolbenringlos ist und zumindest im Laufbüchsenbereich eine chrom-basierte reibungsarme Aussenbeschichtung aufweist.

2. Hubkolbenpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chrom-basierte reibungsarme Innenbeschichtung und die chrom-basierte reibungsarme Aussenbeschichtung dazu dienen, den Verschleiss zu senken und die eine Schichtdicke von < 0.01 mm und einen Chrom-Anteil von > 98% aufweisen.

3. Hubkolbenpumpe nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chrom-basierte reibungsarmen Beschichtungen eine zusätzliche Wolfram-Disulphid (WS₂) Schicht zur Verbesserung der Trockenlaufeigenschaften aufweist.

4. Hubkolbenpumpe nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die chrom-basierte reibungsarmen Beschichtungen Mikroerhebungen aufweisen um die gegenseitigen Kontaktflächen zu verkleinern.

Zeichnung