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Title:
PUMP SYSTEM FOR DELIVERING CRYOGENIC LIQUIDS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/061944
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a pump system for delivering cryogenic liquids. Said pump system can be used for refuelling motor vehicles with H¿2?. The inventive system consists of a container for receiving the cryogenic liquid. At least one pump that is configured as reciprocating pump with a pull rod actuating system and a spring return system is arranged in said container. The pump cylinder (1) of the reciprocating pump is separated into two chambers (a and b) by means of the piston (14, 17). The two chambers (a and b) are allocated to the pressure side or the suction side. The cryogenic liquid in the container is first caught in the chamber (b) by means of the pressure stroke and by exerting pulling forces onto the pull rod (29). The liquid caught in the chamber (b) is subsequently pushed further into the chamber (a) without using pressure and by resetting the pull rod (29) by means of the return spring (23) into an original position. The liquid is delivered to a pressure housing and from there to the user via a gap (d) and in the following pressure stroke by exerting pulling forces onto the pull rod (29).

Inventors:
DRESLER HELMUT (DE)
Application Number:
PCT/EP2000/003033
Publication Date:
October 19, 2000
Filing Date:
April 05, 2000
Export Citation:
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Assignee:
LINDE TECH GASE GMBH (DE)
DRESLER HELMUT (DE)
International Classes:
F04B9/02; F04B9/06; F04B15/08; F04B23/02; F04B53/12; F17C5/02; (IPC1-7): F04B15/08; F04B9/06; F04B53/12; F04B23/02
Foreign References:
DE3149848A11983-07-21
US3990816A1976-11-09
DE19506582A11996-08-29
US5545015A1996-08-13
DE1149030B1963-05-22
Other References:
YAMANE K ET AL: "A study on a liquid hydrogen pump with a self-clearance-adjustment structure", INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY,GB,ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V., BARKING, vol. 21, no. 8, 1 August 1996 (1996-08-01), pages 717 - 723, XP004041020, ISSN: 0360-3199
Attorney, Agent or Firm:
LINDE GAS AKTIENGESELLSCHAFT (Seitnerstrasse 70 Höllriegelskreuth, DE)
LINDE GAS AKTIENGESELLSCHAFT (Seitnerstrasse 70 Höllriegelskreuth, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Pumpensystem zur Förderung von kryogenen Fiüssigkeiten mit einem Behälter zur Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit und mindestens einer in dem Behälter, in der kryogenen Flüssigkeit eintauchbar, angeordneten Kolbenpumpe, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kolbenpumpe eine mit dem Kolben (14,17) verbundene Zugstange (29) aufweist, die aus dem Behälter herausgeführt ist, so daß von außen Zugkräfte aufbringbar sind, und die Zugstange (29) derart mit einer Rück holfeder (23) versehen ist, daß der Kolben (14,17) entgegen dem Druckhub in eine Ausgangsposition rückholbar ist.
2. Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß a) der Pumpenzylinder (1) der Kolbenpumpe durch den Kolben (14,17) in eine Druckseite (a) und eine Saugseite (b) aufgeteilt ist, wobei der Kolben (14,17) einen Kolbenkörper (14) sowie einen beweglich angeordneten Kolbenring (15, 16) aufweist, der bei Bewegung des Kolbens (14,17) entgegen dem Druckhub am Kolbenkörper (14) derart zur Anlage gebracht wird, daß ein Spalt gebildet wird, der eine Verbindung zwischen der Druckseite (a) und der Saugseite (b) herstellt, und bei Bewegung des Kolbens (14,17) im Druckhub den Spalt schließt, b) am druckseitigen Ende des Pumpenzylinders (1) ein federbelastetes Austaß ventil (6,7) vorgesehen ist, und c) am saugseitigen Ende des Pumpenzylinders (1) ein Bodenventil (20) angeord net ist, das mittels der Zugstange (20) derart betätigbar ist, daß es im Druckhub geöffnet und bei Hubumkehr geschlossen ist.
3. Pumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am druckseitigen Ende des Pumpenzylinders (1) eine Dichtung (5) zur Abdichtung der Zugstange (29) gegenüber dem Pumpengehäuse angeordnet ist, welche ein durch die Zugstange (29) betätigbares Ventil (4) aufweist, das bei Ausübung von Zug kräften auf die Zugstange (2) geschlossen und bei der Federrückstellung der Zug stange (29) geöffnet ist.
4. Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenpumpe von oben in den Behälter eingeschoben ist, so daß die Saugseite der Kolbenpumpe in die kryogene Flüssigkeit eintauchbar ist und die Zugstange (29) über ein am oberen Ende des Behälters angeordnetes Halsrohr aus dem Behälter herausgeführt ist.
5. Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter vakuumisoliert ist.
6. Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere (d. h. mindestens zwei) Kolbenpumpen im Behälter angeordnet sind, die druckseitig an ein gemeinsames Druckgehäuse angeschlossen sind.
7. Pumpensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstangen (29) der einzelnen Kolbenpumpen mit einem außerhalb des Behälters angeord neten Taumelscheibenantrieb verbunden sind.
Description:
Beschreibung Pumpensystem zum Fördem von krvooenen Flüssiakeiten Die Erfindung betrifft ein Pumpensystem zur Förderung von kryogenen Flüssigkeiten mit einem Behälter zur Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit und mindestens einer in dem Behälter, in der kryogenen Flüssigkeit eintauchbar, angeordneten Kolbenpumpe.

Zur Förderung von kryogenen Flüssigkeiten mit Temperaturen von unter-200°C wer- den bisher in der Regel einzylindrige Pumpen verwendet, welche von oben in ein Iso- tiergefäß eingeführt werden. Aus montagetechnischen Gründen erfolgt auch die Abfüh- rung des Förderstromes über diese obere Pumpenmontageöffnung im Isoliergefäß. Die Befüllung der Gefäße mit den zu fördemden Medien erfolgt meistens von einem gro- ßen Vorratstank aus, wobei die Bestimmung der maximalen Fülihöhe in diesen Gefä- ßen durch Überlaufrohre (Peilrohre) oder Inhaltsanzeigen ermittelt wird. Die Steuerung der maximalen Fülihöhe erfolgt meistens manuell oder über einen durch die Flüssigkeit ausgelösten Kontakt, durch welchen ein Magnetventil in der Zu-oder Abgasleitung angesteuert wird. Da die Pumpen ohne Unterkühlung der Förderflüssigkeit nicht betrie- ben werden können, besitzen diese großvolumigen Gefäße eine Druckaufbaueinrich- tung, wodurch die Förderflüssigkeit kurzzeitig unterkühlt werden kann.

Da insbesondere Wasserstoff in verflüssigter Form immer mehr an Bedeutung gewinnt und Kraftfahrzeuge bereits mit Wasserstoff betrieben werden, ist es notwendig, geeig- nete Pumpen zum Betanken dieser Fahrzeuge bereitzustellen.

Die bekannten Pumpen mögen für Laborexperimente mit kleinen Förderströmen und großen zulässigen Druckpulsationen geeignet sein, für eine schnelle, pulsationsfreie Kraftfahrzeugfiüssigbetankung ist diese Art von Pumpen aber ungeeignet. Außerdem müssen derartige"Tankstellenpumpen"jederzeit einsatzbereit sein (kaltgestellt), so daß durch die konstruktiv erforderliche kompakte Bauweise bei den bekannten Pum- pen ein enormer Wärmefluß in die zu fördernde Flüssigkeit stattfindet und die dadurch für die Funktion erforderliche Flüssigkeitsunterkühlung bald aufgehoben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpensystem der ein- gangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem auch größere Mengen an

kryogenen Fiüssigkeiten, insbesondere auch flüssiger Wasserstoff, wirtschaftlich und zuverlässig gefördert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolbenpumpe eine mit dem Kolben verbundene Zugstange aufweist, die aus dem Behälter herausgeführt ist, so daß von außen Zugkräfte aufbringbar sind, und die Zugstange derart mit einer Rückholfeder versehen ist, daß der Kolben entgegen dem Druckhub in eine Aus- gangsposition rückholbar ist.

Zweckmäßigerweise sind mehrere solcher Pumpen in den Behälter eingeführt, die druckseitig an ein gemeinsames Druckgehäuse angeschlossen sind. Aufgrund des möglichen Einzeleinbaus und der auf Zug arbeitenden Pumpen werden die für die Wärmeleitung relevanten Querschnitte an den Pumpen sowie am Behälter sehr klein gehalten, wodurch nur eine sehr geringe Wärmeeinbringung in die Behälterflüssigkeit erfolgt. Zur weiteren Verringerung der Wärmeeinbringung in den Behälter ist die Zug- stange vorzugsweise über eine Abdichtung aus dem Behäiter herausgeführt. Bei der besonders praktikablen Lösung, wonach die Pumpe von oben in den Behälter einge- setzt ist, ist die Zugstange über einen warmeisolierten Behälterhals aus dem Behälter herausgeführt. Um die Gaswärmeleitung weiter zu minimieren, kann in dem Behälter- hals eine Isolierpatrone vorgesehen werden. Außerdem ist der Behälter vorteilhafter- weise vakuumisoliert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Pumpen- zylinder der Kolbenpumpe durch den Kolben in eine Druckseite und eine Saugseite aufgeteilt, wobei der Kolben einen Kolbenkörper sowie einen beweglich angeordneten Kolbenring aufweist, der bei Bewegung des Kolbens entgegen dem Druckhub am Kol- benkörper derart zur Anlage gebracht wird, daß ein Spalt gebildet wird, der eine Ver- bindung zwischen der Druckseite und der Saugseite herstellt, und bei Bewegung des Kolbens im Druckhub den Spalt schließt.

Am druckseitigen Ende des Pumpenzylinders ist ein federbelastetes Auslaßventil vor- gesehen. Andererseits ist am saugseitigen Ende des Pumpenzylinders ein Bodenventil angeordnet, das mittels der Zugstange derart betätigbar ist, daß es im Druckhub geöff- net und bei Hubumkehr geschlossen ist.

Ferner ist zweckmäßigerweise am druckseitigen Ende des Pumpenzylinders eine Dichtung zur Abdichtung der Zugstange gegenüber dem Pumpengehäuse angeordnet, welche ein durch die Zugstange betätigbares Ventil aufweist, das bei Ausübung von Zugkräften auf die Zugstange geschlossen und bei der Federrückstellung der Zug- stange geöffnet ist.

Das erfindungsgemäße Pumpensystem ist für eine ganze Reihe von Anwendungen mit Vorteil einzusetzen. In Verbindung mit einem entsprechenden außerhalb des Behälters angeordneten Taumelscheibenantrieb, der mit den Zugstangen der einzelnen Kolben- pumpen verbunden ist, ist die Anzahl sowie der Durchmesser der einzelnen Pumpen in einem gemeinsamen Druckgehäuse stark variabel, so daß die Pumpen nach diesem Konstruktionsprinzip praktisch allen geforderten Fördermengen bei minimaler Druck- pulsation angepaßt werden können. Aufgrund der Vorzüge dieses Pumpenkonzeptes gegenüber dem bisherigen ist der Einsatz solcher Pumpen auch als Bordpumpe bei der neuen Flugzeuggeneration mit Wasserstoffantrieb denkbar. Aufgrund der geringen Massen des Pumpensystems sind die Abkühiverluste sehr gering. Durch den sehr einfachen Konstruktionsaufbau wird eine sehr preiswerte, betriebssichere und tech- nisch hochwertige Pumpe zur Verfügung gestellt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieien näher ertäutert werden.

Es zeigen : Figur 1 den Einbau einer dreizylindrigen Wasserstoffpumpe in einen Behälter.

Figur 2einen Vollschnitt einer der drei in das Druckgehäuse eingeschobenen Pumpen.

In Figur 1 ist ein Behälter 1 dargestellt, der zur Aufnahme und zur Befestigung der drei von oben einzeln eingeschobenen Pumpen 2 ein fest integriertes, in die Vorratsflüssig- keit eingetauchtes Druckgehäuse 3 aufweist. Durch dieses Druckgehäuse sind die Druckseiten der drei Pumpen 2 miteinander verbunden. Die Fortleitung der weitgehend pulsationsfreien Druckflüssigkeit aus dem Druckgehäuse 3 erfolgt über eine ebenfalls in den Behälter 1 integrierte Druckleitung 4. Durch den Einzeleinbau der auf Zug ar- beitenden Pumpen 2 können die für die Wärmeteitung relevanten Querschnitte an den Pumpen 2 sowie dem Behälter 1 sehr klein gehalten werden. Dies wird insbesondere durch die dünnen Zugstangen 29 und das dünnwandige und kleine Behälterhalsrohr 6

erreicht. Insbesondere für den Betrieb mit flüssigem Wasserstoff ist die mit der Erfin- dung erzielte verminderte Wärmeeinbringung von außergewöhnlicher Bedeutung, da flüssiger Wasserstoff eine sehr tiefe Temperatur von ca.-253°C und sehr geringe Ver- dampfungswärme aufweist. Erschwerend kommt noch hinzu, daß die Pumpe als "Tankstellenpumpe"immer betriebsbereit (kaltgestellt) sein muß und der durch Wär- meeinbringung entstehende Gasanfall als schädlich gewertet wird. Da Wasserstoffgas den Höchstwert der Gaswärmeteitung aller technischen Gase besitzt, wird im Behälter- halsrohr 6 eine Isolierpatrone 7 aus dünnwandigem Glasgewebe-Epoxitharz mit Iso- lierschüttung mit den Durchfühnungen für die Zugstangen 29 verwendet. Durch diese Maßnahme wird die Wärmeeinbringung in den Behälter weiter reduziert.

Das Druckgehäuse 3 dient im Behälter 1 nicht nur der Aufnahme der Pumpen 2, sondern es teilt auch den Behälter 1 in zwei Räume h und f auf. Während der Raum h unmittelbar über die Flüssigzulaufleitung i mit der Flüssigkeit im Vorratstank K in Ver- bindung steht, wird die Flüssigkeit in den Raum f über die Gasrückführleitung j einge- bracht. Hierzu mündet die Gasrückführleitung j in den Räumen h, f sowie im Gasraum des Vorratstankes K, so daß bei o eintretende, mit dem Tank kommunizierende Flüs- sigkeit über die Rohrmündung p in den Raum f einströmt. Das beim Abkühlen der Pumpe anfallende Gas wird dem Gasraum G des Vorratstanks K zugeführt. Steigt das Flüssigkeitsniveau m über die Rohrmündung p, so erfolgt ein Flüssigkeitsverschluß und das im Raum f befindliche Gas kann nicht entweichen. Da der Druck im Vorrats- behä) ter Pi um den Betrag Po + Dichte der Flüssigkeit x Höhe größer ist als der Tank- druck Po, ist auch die sich im Behälter 1 befindende Flüssigkeit im Siedezustand um diesen Betrag wärmer als im Vorratstank K. Beim Pumpbetrieb tritt, wie in Figur 2 dar- gestellt, die zu fördemde Flüssigkeit über die Bohrungen c in die Pumpen ein. Da diese Eintrittsbohrungen dem Raum h (Figur 1) zugeordnet sind, wird aus diesem die zu för- demde Flüssigkeit entnommen. Dabei senkt sich der in der Gasrückführleitung j ste- hende Flüssigkeitsspiegel n um den Betrag der Widerstände in der Flüssigkeitszulauf- leitung i ab. Die daraus resultierende Druckabsenkung im Behälter 1 bewirkt eine Ab- senkung des Flüssigkeitsspiegels m, so dafl der höhere Gasdruck P, über die Rohr- mündung p so weit abgebaut wird, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt und die Flüssigkeit wieder die Gasabfuhr versperrt. Da die aus dem vollen Vorratstank K (hohe Flüssigkeitssäule) strömende Förderflüssigkeit jetzt nicht im Gleichgewicht von Druck und Temperatur ist, sondem die niedrigere Temperatur des Vorratstanks K bei Po (Siedezustand) besitzt, erfolgt eine Abkühlung des Temperaturniveaus im Raum h

(die Pumpe fördert bei vollem Tank nur die ankommende kältere Flüssigkeit). Aufgrund der räumlichen Aufteilung des Behälters 1 durch das Druckgehäuse 3 in zwei Räume h und f erfolgt ein immer konstantes, sich selbst einregelndes Flüssigkeitsniveau m im Behälter 1 (auch beim Betrieb der Pumpe) sowie eine thermische Trennung der Flüs- sigkeiten. Durch diese thermische Trennung beider Räume h und f bleibt auch beim Pumpbetrieb die Flüssigkeit im oberen Raum f immer im Siedezustand von P, und der Wärmeeinfall über das Halsrohr 6 sowie die in Figur 2 dargestellte Ableitung der gerin- gen Pumpenwärme über das Ventil 4 wird in Gasform über den Flüssigkeitsverschluß p dem Vorratstank K zugeführt. Eine Nichtaufteilung des Behälters hätte zur Folge, daß beim Pumpbetrieb und vollem Vorratstank K die nur sehr geringe und schädliche Wär- meeinbringung über das Behälterhalsrohr 6 nicht ausreichen würde, die ankommende kältere Fiüssigkeit entsprechend dem Druck P, in den Siedezustand anzuwärmen.

Aufgrund dieser Tatsache würde eine Einkondensation von Gas erfolgen und die kalte Flüssigkeit würde im Behälter 1 immer höher steigen und eine Vereisung des Behälter- oberteils durch Überfluten verursachen.

In Figur 2 ist ein Vollschnitt einer der drei in das Druckgehäuse eingeschobenen Pum- pen dargestellt. Die am Druckgehäuse (Figur 1, Bezugsziffer 3) mittels Schrauben 30 befestigte Pumpe weist einen Pumpenzylinder 1 auf, welcher über ein Strömungsteil 2 mit einem Deckelflansch 10 verschraubt ist. Dabei wird ein Ringspalt d gebildet, in wel- chem ein mit einer Tellerfeder 8 belastetes Membran-Druckventil 6,7 angebracht ist.

Durch das Vorhandensein dieses Ringspaltes d sowie dessen beidseitiger Abdichtung 27 wird der Einzeleinbau der Pumpen in das gemeinsame Druckgehäuse möglich.

Die drei Pumpen werden durch einen nicht dargestellten, am Behälterdeckel befestig- ten Taumelscheibenantrieb betätigt. Im Behälter, der nur wenige Liter Fassungsvermö- gen aufweist, befindet sich die zu fördemde kryogene Flüssigkeit. Die Übertragung der Zugkräfte für den Pumpendruckhub vom Antrieb zu den in die Behälterflüssigkeit ein- getauchten Pumpen erfolgt über die im Behälterdeckei abgedichteten Zugstangen 29.

Bei Hubumkehr werden die Kolben 14,17 durch die Kraft der Federn 23 in eine Aus- gangsposition entgegen dem Druckhub gebracht. Hierbei wird ein gehaltener, durch Federn an den Pumpenzylinder 1 angedrückter Kolbenring 15,16 an Stegen des Kol- benkörpers 14 zur Anlage gebracht. Über den sich so einstellenden Spalt wird die Flüssigkeit aus dem vorausgegangenen Hubzyklus auf die Druckseite a des Kolbens drucklos umgeschoben. Gleichzeitig wurde bei diesem Hubbeginn ein Ventil 4, in wel-

chem eine Dichtung 5 zur Abdichtung der Zugstange 29 angebracht ist, durch die Zug- stange 29 über die Reibung zwingend geöffnet. Hierbei wurde die durch die Kolbenrin- greibung erzeugte Wärme abgeführt, so daß hierdurch stets eine optimale Zylinderfül- lung garantiert wird. Durch dieses Verfahren ändert sich auch die Temperatur der Druckflüssigkeit gegenüber der Vorratsflüssigkeit nicht, was sich positiv auf die Mes- sung der Abgabemenge auswirkt.

Bei Hubumkehr wird durch die Zugstange 29 erst das Ventil 4 geschlossen, ehe der Kolbenring 15,16 den Spalt am Kolbenkörper 14 schließt und die Druckflüssigkeit über das, durch die Feder 8 belastete Membran-Auslaßventil 6,7 aus dem Pumpenzylinder 1 in das gemeinsame Druckgehäuse (Figur 1, Bezugsziffer 3) geschoben wird.

Bei Überschreitung des Auslegedruckes (maximaler Förderdruck) wird durch den Kol- benring 15,16 ein als Tellerfeder ausgebildeter Druckbegrenzer 17 vom Kolbenkörper 14 gedrückt und der Überdruck über die Bohrungen e abgebaut. Zum Zeitpunkt dieser Hubumkehr wurde auch sofort ein am unteren Pumpenzylinderende befindliches Bo- denventil 20, welches über eine definierte Reibung einer Dichtung 21 auf dem unteren Teil 18 der Zugstange 29 geöffnet wird, geöffnet. Es kann nun über die Bohrungen c die Vorratsflüssigkeit, ohne ein Ventil öffnen zu müssen, druckverlustfrei in das vom Kolben 14,17 freigegebene Volumen b in den Pumpenzylinder nachströmen. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird aufgrund der Durchmesserverkleinerung der Zugstange 18 die Reibung zwischen dieser und dem Bodenventil 20 aufgehoben und das Bodenven- til 20 schließt durch das eigene Gewicht.

Mit der beschriebenen Pumpenanordnung ist es möglich, Flüssigkeiten auch mit klei- nen Verdampfungswärmen, wie z. B. flüssigen Wasserstoff im Siedezustand (ohne sta- tische Säule) mit gutem Förderwirkungsgrad zu pumpen. Da durch die Zwangsöffnung des Ventils 4 die Erwärmung des Pumpenzylinders ausgeschlossen wird, erfolgt bei jedem Hub eine optimale Zylinderfüllung, wobei die sonst übliche Anwärmung der För- derflüssigkeit verhindert wird.