DE102008011456B4 - Pump for cryogenic liquids - Google Patents

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Abstract

Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einem Antrieb in Form eines elektrodynamischen Linearmotors, vorzugsweise zur Verwendung als Kraftstoffpumpe in Tanks von mit flüssigem Wasserstoff oder Erdgas betriebenen Fahrzeugen, aufweisend ein Zylindergehäuse (3) und einen in dem Zylindergehäuse entlang der Zylinderlängsrichtung verschiebbar gelagerten, frei schwingenden Kolben (1), dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrodynamische Linearmotor ein eisenloser elektrodynamischer Linearmotor ist, der einen in den Kolben (1) integrierten Permanentmagneten (2) und eine an dem Zylindergehäuse (3) angeordnete Spule (4) aufweist, deren Achse parallel zu der Zylinderlängsrichtung des Zylindergehäuses (3) verläuft, und – der Kolben (1) mittels eines magnetischen Wechselfeldes, das durch Anlegen einer Wechselspannung an die Spule (4) erzeugt wird, entlang der Zylinderlängsrichtung hin- und herbewegbar ist.Piston pump for cryogenic liquids with a drive in the form of an electrodynamic linear motor, preferably for use as a fuel pump in tanks of vehicles operated with liquid hydrogen or natural gas, having a cylinder housing (3) and a freely oscillating piston ( 1), characterized in that - the electrodynamic linear motor is an ironless electrodynamic linear motor which has a permanent magnet (2) integrated in the piston (1) and a coil (4) arranged on the cylinder housing (3), the axis of which is parallel to the In the longitudinal direction of the cylinder of the cylinder housing (3), the piston (1) can be moved back and forth along the longitudinal direction of the cylinder by means of an alternating magnetic field which is generated by applying an alternating voltage to the coil (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung kryogener Flüssigkeiten, die bei sehr niedrigen Betriebstemperaturen mit Minimalwerten von ca. 20 K eingesetzt wird. Die Pumpe ist wartungsfrei und dauerverschleißfest. Sie ist besonders geeignet für den Transport von flüssigem Wasserstoff bzw. Erdgas aus dem Tank von Fahrzeugen zu deren Verbrennungsmotor bzw. deren Brennstoffzelle, wobei die Integration der Pumpe in den als Tank dienenden kryogenen Druckbehälter vorgesehen ist.The invention relates to a pump for delivering cryogenic liquids, which is used at very low operating temperatures with minimum values of about 20 K. The pump is maintenance-free and permanently wear-resistant. It is particularly suitable for the transport of liquid hydrogen or natural gas from the tank of vehicles to the internal combustion engine or their fuel cell, wherein the integration of the pump is provided in the serving as a tank cryogenic pressure vessel.

In der Kraftfahrzeugtechnik vollzieht sich gegenwärtig ein Übergang von der Nutzung fossiler zur Nutzung erneuerbarer Kraftstoffe. Das hauptsächlich verfolgte Ziel ist die Reduzierung der CO2-Emmisionen. Da bei der Verbrennung von Wasserstoff kein CO2 freigesetzt wird, ist Wasserstoff eine interessante Alternative zu fossilen Kraftstoffen. Von den führenden Automobilherstellern werden deshalb bereits Konzepte für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge entwickelt.In automotive engineering, a transition is currently taking place from the use of fossil fuels to the use of renewable fuels. The main goal is to reduce CO 2 emissions. Hydrogen is an interesting alternative to fossil fuels because it does not release CO 2 when it burns hydrogen. For this reason, concepts for hydrogen-powered vehicles are already being developed by leading automobile manufacturers.

Eines der Hauptprobleme von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ist die sichere und platzsparende Unterbringung des Wasserstoffs im Fahrzeug. Bekannt ist, den Wasserstoff in Drucktanks/Sicherheitszylindern (bei 200 bis 300 bar), mittels Metallhydrid-Bindungen in ausgesuchten Metallen und in flüssiger Form in kryogenen Druckbehältern (ca. 20 K bei 0,5–6 bar) zu lagern. Die kryogene Wasserstoff-Speicherung bringt die größte spezifische Energiedichte und wird deshalb weltweit von den führenden Automobilherstellern im Testbetrieb untersucht.One of the main problems of hydrogen-powered vehicles is the safe and space-saving storage of hydrogen in the vehicle. It is known to store the hydrogen in pressure tanks / safety cylinders (at 200 to 300 bar), by means of metal hydride bonds in selected metals and in liquid form in cryogenic pressure vessels (about 20 K at 0.5-6 bar). Cryogenic hydrogen storage provides the highest specific energy density and is therefore being investigated worldwide by leading car manufacturers in trial operation.

Die für den Transport des flüssigen Wasserstoffs zum Motor erforderlichen Pumpen sind üblicherweise direkt in den Tank integriert, wodurch große Temperatursprünge innerhalb der Pumpen vermieden werden. Vorteilhaft ist außerdem, dass die Pumpen nicht zusätzlich thermisch isoliert werden müssen, was ansonsten notwendig wäre, um die in der Pumpe unerwünschte Bildung von gasförmigem Wasserstoff zu vermeiden.The necessary for the transport of the liquid hydrogen to the engine pumps are usually integrated directly into the tank, whereby large temperature jumps are avoided within the pump. It is also advantageous that the pumps do not have to be additionally thermally insulated, which would otherwise be necessary to avoid the undesirable in the pump formation of gaseous hydrogen.

Pumpen, die in den Tank integriert sind, müssen jedoch für einen Betrieb bei kryogenen Temperaturen ausgelegt und außerdem bei diesen Temperaturen dauerverschleißfest und wartungsfrei sein, da der Ersatz einer defekten Pumpe aufwendig ist.Pumps that are integrated into the tank, however, must be designed for operation at cryogenic temperatures and also be permanently wear-resistant and maintenance-free at these temperatures, since the replacement of a defective pump is expensive.

Zudem muss die Pumpe einen hohen Wirkungsgrad haben, um den durch die Pumpe verursachten Wärmeeintrag gering zu halten.In addition, the pump must have a high efficiency in order to keep the heat input caused by the pump low.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Pumpen für die Förderung kryogener Flüssigkeiten bekannt, bei denen vorgesehen ist, dass sich zumindest die Teilbereiche in den Kryotanks befinden, die mit der kryogenen Flüssigkeit in Kontakt kommen.Various pumps for the delivery of cryogenic liquids are known from the prior art, in which it is provided that at least the portions are in the cryotank, which come into contact with the cryogenic liquid.

So wird in DE 43 00 512 B4 eine Kraftstoffpumpe mit einem in einem Zylinder bewegbaren Kolben beschrieben, die innerhalb des Kryotanks eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der Kolben wird mit Hilfe eines Schraubspindel-Antriebs, der über einen drehrichtungsumkehrbaren Elektromotor verfügt, hin- und herbewegt.So will in DE 43 00 512 B4 a fuel pump with a piston movable in a cylinder described which is disposed within the cryotank of a motor vehicle. The piston is reciprocated by means of a screw-spindle drive equipped with a reversible electric motor.

Die vorgeschlagene Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in die Linearbewegungen für die Kolbenpumpe ist vergleichsweise aufwendig und enthält viele verschleißanfällige mechanische Teile. Der Elektromotor erzeugt relativ viel Wärme und muss folglich entweder aufwendig isoliert oder außerhalb des Tanks betrieben werden.The proposed implementation of the rotational movement of the electric motor in the linear movements for the piston pump is relatively expensive and contains many wear-prone mechanical parts. The electric motor generates a relatively large amount of heat and consequently either has to be laboriously isolated or operated outside the tank.

In DE 39 07 728 A1 wird eine fahrzeugtaugliche Flüssiggaspumpe für kryogenen Wasserstoff mit einem Zylindergehäuse und einem auf einem gelagerten Kolben gezeigt, der mit dem Zylindergehäuse einen ersten Kompressionsraum für die kryogene Flüssigkeit bildet. Die Pumpe weist einen zweiten Kompressionsraum auf, mit dem der Gasfilm in Verbindung steht.In DE 39 07 728 A1 For example, there is shown a cryogenic hydrogen liquid gas pump for use with a cylinder housing and a piston mounted on a cylinder, which forms with the cylinder housing a first compression space for the cryogenic liquid. The pump has a second compression space with which the gas film is in communication.

Der Gasfilm zwischen Kolben und Zylinder soll die an den Kontaktflächen auftretende Reibung verringern; der technische Aufwand hierfür ist allerdings erheblich.The gas film between piston and cylinder should reduce the friction occurring at the contact surfaces; The technical effort for this, however, is considerable.

Die in DE 39 07 728 A1 vorgestellte Pumpe weist einen Kompressionskolben auf, der auf seiner dem Kompressionsraum abgewandten Seite mit einer Stickstoffspeichereinrichtung in Verbindung steht und hierüber mit einem Druck beaufschlagt wird, der mindestens so groß ist, wie der Druck im Kompressionsraum.In the DE 39 07 728 A1 presented pump has a compression piston, which is on its side facing away from the compression space with a nitrogen storage device in communication and is applied thereto by a pressure which is at least as large as the pressure in the compression chamber.

Diese Flüssiggaspumpe ist zwar vergleichsweise einfach und robust aufgebaut, die Bereitstellung des Stickstoffs mit hohem Druck und ggf. die zusätzlichen in den Kryotank reichenden Zu- und Ableitungen für den Stickstoff erfordern jedoch einen größeren Aufwand.Although this LPG pump is relatively simple and robust, the provision of nitrogen at high pressure and possibly the additional reaching into the cryogenic tank inlets and outlets for the nitrogen, however, require greater effort.

Die DE 600 24 154 T2 beschreibt eine Elektropumpe mit einem Kolben, der mittels eines sich linear bewegenden Magnetfeldes, das mittels eines Polyphasenlinearmotors erzeugt wird, bewegt wird. Die US 6 468 057 B1 beschreibt eine Kolbenpumpe mit einem als Tauchanker ausgebildeten Kolben, der durch Strombeaufschlagung zweier in einem Abstand zueinander angeordneter Spulen zwischen denselben hin- und herbewegt wird. Die US 4 365 942 A beschreibt eine Kolbenpumpe mit einem mittels mehrerer Magnetspulen bewegbaren Kolben. Die GB 1 186 663 A beschreibt eine Kolbenpumpe mit einem Kolben aus einem supraleitenden Material, der durch abwechselndes Strombeaufschlagen zweier Magnetspulen zwischen denselben hin- und herbewegbar ist. Die DE 198 46 711 A1 beschreibt eine Hochdruckpumpe mit einem Solenoid-Linear-Motor. Die DE 41 02 710 A1 beschreibt eine elektromechanisch angetriebene Kolbenpumpe.The DE 600 24 154 T2 describes an electric pump with a piston which is moved by means of a linearly moving magnetic field which is generated by means of a polyphase linear motor. The US Pat. No. 6,468,057 B1 describes a piston pump with a plunger formed as a piston, which is reciprocated by the application of current between two spaced apart coils between them. The US 4 365 942 A describes a piston pump with a piston movable by means of several magnetic coils. The GB 1 186 663 A describes one Piston pump with a piston of a superconducting material, which is reciprocated by alternately energizing two magnetic coils between them. The DE 198 46 711 A1 describes a high pressure pump with a solenoid linear motor. The DE 41 02 710 A1 describes an electromechanically driven piston pump.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. insbesondere soll eine Pumpe zur Förderung kryogener Flüssigkeiten geschaffen werden, die bis zu Temperaturen von 20 K arbeiten kann. Die Pumpe soll einfach aufgebaut, wartungsfrei sowie dauerverschleißfest sein und sich durch eine geringe Wärmeentwicklung beim Betrieb auszeichnen.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, a pump for the promotion of cryogenic liquids is to be created, which can work up to temperatures of 20 K. The pump should be simple in construction, maintenance-free, permanently wear-resistant and characterized by low heat generation during operation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.This object is achieved by the characterizing features of claim 1; advantageous embodiments of the invention will become apparent from the claims 2 to 8.

Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einem Antrieb in Form eines eisenlosen elektrodynamischen Linearmotors bereitgestellt, vorzugsweise zur Verwendung als Kraftstoffpumpe in Tanks von mit flüssigem Wasserstoff oder Erdgas betriebenen Fahrzeugen. Die Kolbenpumpe weist ein Zylindergehäuse und einen in dem Zylindergehäuse entlang der Zylinderlängsrichtung verschiebbar gelagerten, frei schwingenden Kolben auf. Der elektrodynamische Linearmotor weist einen in den Kolben integrierten Permanentmagneten und eine an dem Zylindergehäuse angeordnete Spule auf, deren Achse parallel zu der Zylinderlängsrichtung des Zylindergehäuses verläuft. Der Kolben wird mittels eines magnetischen Wechselfeldes, das durch Anlegen einer Wechselspannung an die Spule erzeugt wird, entlang der Zylinderlängsrichtung hin- und herbewegt.According to the invention, a piston pump for cryogenic liquids is provided with a drive in the form of an ironless electrodynamic linear motor, preferably for use as a fuel pump in tanks operated by liquid hydrogen or natural gas vehicles. The piston pump has a cylinder housing and a piston freely displaceably mounted in the cylinder housing along the cylinder longitudinal direction. The electrodynamic linear motor has a permanent magnet integrated in the piston and a coil arranged on the cylinder housing, the axis of which runs parallel to the cylinder longitudinal direction of the cylinder housing. The piston is reciprocated along the cylinder longitudinal direction by means of an alternating magnetic field, which is generated by applying an alternating voltage to the coil.

Es ist vorgesehen, dass im Kolben mindestens ein Permanentmagnet und in der Zylinderwand mindestens eine Spule integriert ist, wobei die Achse der Spule und die Dipolachsen des Permanentmagneten parallel verlaufen. Der Kolben ist im Zylinder parallel zur Spulenachse verschiebbar gelagert. Der Kolben wird ausschließlich durch ein mit Hilfe der Spule erzeugtes magnetisches Wechselfeld hin- und herbewegt. Der so gebildete Antrieb ist ein Linearmotor in der sog. ”Moving-Magnet-Bauweise”.It is provided that in the piston at least one permanent magnet and in the cylinder wall at least one coil is integrated, wherein the axis of the coil and the dipole axes of the permanent magnet are parallel. The piston is mounted displaceably in the cylinder parallel to the coil axis. The piston is reciprocated solely by an alternating magnetic field generated by the coil. The drive thus formed is a linear motor in the so-called "moving magnet design".

Alternativ ist als Antrieb auch ein Linearmotor in der sog. ”Moving-Coil-Bauweise” denkbar, bei dem die magnetfelderzeugende Spule im Kolben und der Magnet bzw. die Magnete in der Zylinderwand integriert sind. Die Stromzuführung zur Spule ist hier jedoch komplizierter.Alternatively, as a drive, a linear motor in the so-called. "Moving coil design" is conceivable in which the magnetic field generating coil in the piston and the magnet or the magnets are integrated in the cylinder wall. However, the power supply to the coil is more complicated here.

In einer Ausführung der Erfindung als doppelt wirkende Pumpe, die sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad auszeichnet, grenzen an beide Stirnflächenseiten des Kolbens Pumpkammern an, deren Volumina durch die Bewegung des Kolbens wechselweise vergrößert und verkleinert werden. Jede Pumpkammer verfügt über einen Einlass und einen Auslass. Sowohl im Einlass als auch im Auslass befindet sich ein Rückschlagventil, das jeweils in Förderrichtung durchlässt und Strömungen entgegen der Förderrichtung sperrt. Infolgedessen wird jeweils beim Vergrößern des Volumens der Pumpkammern kryogene Flüssigkeit über den Einlass angesaugt, beim Verringern des Volumens wird die Flüssigkeit aus der Pumpkammer hinaus und in den Auslass gedrückt.In one embodiment of the invention as a double-acting pump, which is characterized by a particularly high efficiency, adjoin both end faces of the piston pumping chambers whose volumes are alternately increased and decreased by the movement of the piston. Each pumping chamber has an inlet and an outlet. Both in the inlet and in the outlet is a check valve, which in each case passes in the conveying direction and locks flows against the conveying direction. As a result, each time the volume of the pumping chambers is increased, cryogenic liquid is drawn in via the inlet; as the volume is reduced, the liquid is forced out of the pumping chamber and into the outlet.

Als weitere Alternative kann die Kolbenpumpe auch als einfach wirkende Pumpe ausgeführt werden, bei der nur an einer Stirnseite des Kolbens eine Pumpkammer angrenzt. Der Pumpvorgang verläuft analog zur doppelt wirkenden Pumpe, jedoch unter Verwendung von nur einer Kammer. Der Aufbau einer solchen Pumpe ist allerdings komplizierter. Der Antriebsmotor muss auf eine Last mit asymmetrischer Kraftcharakteristik wirken. Dien Schwingermittellage wird lastabhängig und muss elektronisch nachgeführt werden. Die Pumpleistung wird halbiert, der Wirkungsgrad bleibt gleich, das Förderregime wird diskontinuierlich.As a further alternative, the piston pump can also be designed as a single-acting pump, in which only adjacent to a front side of the piston, a pumping chamber. The pumping process is analogous to the double-acting pump, but using only one chamber. However, the structure of such a pump is more complicated. The drive motor must act on a load with asymmetrical force characteristics. Dien Schwingermittellage becomes load-dependent and must be tracked electronically. The pumping power is halved, the efficiency remains the same, the delivery regime becomes discontinuous.

Es ist vorgesehen, die Pumpe auf einem Temperaturniveau zu betreiben, das dem Temperaturniveau der zu fördernden kryogenen Flüssigkeit entspricht, indem z. B. die Pumpe direkt in einen Kryotank integriert wird. Hierdurch befindet sich die Pumpe auf einem einheitlichen Temperaturniveau, wodurch thermische Spannungen vermieden werden. Eine Wärmeisolation der Pumpe ist folglich überflüssig.It is envisaged to operate the pump at a temperature level corresponding to the temperature level of the cryogenic liquid to be delivered by z. B. the pump is integrated directly into a cryogenic tank. As a result, the pump is at a uniform temperature level, whereby thermal stresses are avoided. Thermal insulation of the pump is therefore superfluous.

Ein herausragender Vorteil des ”kalten” Betriebs der Pumpe besteht darin, dass der spezifische Widerstand von elektrischen Leitermaterialen im kryogenen Temperaturbereich sehr stark abnimmt. Speziell in diesem Temperaturbereich wird es somit möglich, ohne großen technischen Aufwand elektrodynamische Linearantriebe mit sehr hohem elektromechanischem Wandlungswirkungsgrad sowie hoher Leistungsdichte zu realisieren. So hat z. B. ein elektrodynamischer Motor, der bei 293 K mit einem elektromechanischen Wirkungsgrad von 70% arbeitet, bei gleicher Auslegung bei 20 K einen Wirkungsgrad von über 99%. Insbesondere für in Kryotanks integrierte Pumpen ist ein hoher elektromechanischer Wirkungsgrad unbedingt erforderlich, da nur mit einem hohen Wirkungsgrad sichergestellt ist, dass die erforderlichen Pumpleistungen bei einer minimalen Wärmeentwicklung erbracht werden können.An outstanding advantage of the "cold" operation of the pump is that the specific resistance of electrical conductor materials in the cryogenic temperature range decreases very sharply. Especially in this temperature range, it is thus possible to realize without great technical effort electrodynamic linear drives with very high electromechanical conversion efficiency and high power density. So z. B. an electrodynamic motor that operates at 293 K with an electromechanical efficiency of 70%, with the same design at 20 K efficiency of over 99%. In particular, for pumps integrated in cryotanks, a high electromechanical efficiency is absolutely necessary since it is only ensured with a high degree of efficiency that the required pump powers can be provided with minimal heat development.

Aufgrund der bei der Betriebstemperatur vorherrschenden niedrigen spezifischen Widerstände ist es allerdings erforderlich, den elektrodynamischen Linearmotor eisenlos aufzubauen, da andernfalls durch Induktion verursachte Wirbelstromverluste, die schon bei Temperaturen von 293 K elektrischen Verlustleistung von typischerweise 10% bis 30% verursachen, äußerst kritisch wären. However, due to the low resistivities prevailing at the operating temperature, it is necessary to ironlessly construct the electrodynamic linear motor, otherwise eddy current losses caused by induction, which already cause electrical power dissipation of typically 10% to 30% at temperatures of 293 K, would be extremely critical.

Die erfindungsgemäße Pumpe besteht demzufolge gänzlich oder zumindest weitgehend aus keramischen Bauteilen. Verschleißfeste und für den Betrieb bei tiefen Temperaturen geeignete Materialkombinationen für den Kolben und die Laufbuchse des Zylinders sind u. a. Bornitrid in Aluminiumoxid sowie Graphit gefülltes Teflon in Aluminiumoxid. Als kastengünstige Alternative zu Aluminiumoxid kann auch Chromnickelstahl eingesetzt werden, wobei allerdings zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten die Laufbuchsen von den Antriebsspulen räumlich getrennt werden müssen.The pump according to the invention therefore consists entirely or at least largely of ceramic components. Wear-resistant and suitable for operation at low temperatures material combinations for the piston and the liner of the cylinder are u. a. Boron nitride in aluminum oxide and graphite filled Teflon in aluminum oxide. Chromium nickel steel can also be used as a box-saving alternative to aluminum oxide, although the liners of the drive coils must be spatially separated to avoid eddy current losses.

Um den mechanischen Abrieb zwischen Kolben und Laufbuchse praktisch vollständig zu vermeiden, können zwischen dem Kolben und der Laufbuchse Spaltdichtungen angeordnet sein, die bewirken, dass der auf einem Gasfilm gelagerte Kolben praktisch berührungslos in der Laufbuchse geführt wird.In order to avoid the mechanical abrasion between the piston and bushing practically completely, gap seals can be arranged between the piston and the bushing, which cause the piston mounted on a gas film to be guided practically without contact in the bushing.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigt die Figur eine frei schwingende, doppelt wirkende Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten im Schnitt.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment; For this purpose, the figure shows a free-swinging, double-acting piston pump for cryogenic liquids in section.

Wie der Figur entnommen werden kann, besteht die Kolbenpumpe aus dem Zylindergehäuse 3, in dem der Kolben 1 in Zylinder-Längsrichtung beweglich gelagert ist. In den Kolben 1 sind mehrere Permanentmagnete 2 passgenau und ohne Überstand eingelassen, wobei die Dipolachsen aller Permanentmagnete 2 parallel zur Zylinderlängsrichtung verlaufen. Das Zylindergehäuse 3 ist einteilig ausgeführt; seine Innenseiten bilden die Laufbuchsen. Die Außenseite des Zylindergehäuses 3 dient als Träger für die Antriebsspule 4. Zu diesem Zweck ist in die Außenseite eine umlaufende Aussparung eingebracht, in der sich die Spule 4 befindet.As the figure can be seen, the piston pump consists of the cylinder housing 3 in which the piston 1 is mounted movably in the cylinder longitudinal direction. In the pistons 1 are several permanent magnets 2 fitted accurately and without projection, the dipole axes of all permanent magnets 2 parallel to the cylinder longitudinal direction. The cylinder housing 3 is made in one piece; its inner sides form the liners. The outside of the cylinder housing 3 serves as a carrier for the drive coil 4 , For this purpose, a circumferential recess is introduced into the outside, in which the coil 4 located.

Auf einer Stirnseite des Zylindergehäuses 3 befindet sich der erste Zylinderkopfdeckel 5 und auf der anderen Seite der zweite Zylinderkopfdeckel 12. Der Kolben 1 schließt mit der Laufbuchse sowie dem ersten Zylinderkopfdeckel 5 die erste Pumpkammer 7 und mit der Laufbuchse sowie dem zweiten Zylinderkopfdeckel 12 die zweiten Pumpkammer 14 ein. Im ersten (zweiten) Zylinderkopfdeckel 5 (12) befindet sich die erste (zweite) Pumpkammeröffnung 6 (13), die dem Zu- und Abströmen der zu fördernden kryogenen Flüssigkeit dient.On one end face of the cylinder housing 3 is the first cylinder head cover 5 and on the other side the second cylinder head cover 12 , The piston 1 closes with the liner and the first cylinder head cover 5 the first pumping chamber 7 and with the liner and the second cylinder head cover 12 the second pumping chamber 14 one. In the first (second) cylinder head cover 5 ( 12 ) is the first (second) pumping chamber opening 6 ( 13 ), which serves for the inflow and outflow of the cryogenic liquid to be delivered.

Am ersten (zweiten) Zylinderkopfdeckel 5 (12) befindet sich die erste (zweite) Einlassleitung 8 (15) mit einem in Einflussrichtung geschalteten ersten (zweiten) Einlass-Rückschlagventil 9 (16) und die erste (zweite) Auslassleitung 11 (18) mit einem in Ausflussrichtung geschalteten ersten (zweiten) Auslass-Rückschlagventil 10 (17). Die zur Pumpe gewandten Enden der ersten (zweiten) Einlass- 8 (15) und der ersten (zweiten) Auslassleitung 11 (18) münden beide in der ersten (zweiten) Pumpkammeröffnung 6 (13).On the first (second) cylinder head cover 5 ( 12 ) is the first (second) inlet line 8th ( 15 ) with a direction of influence in the first (second) inlet check valve 9 ( 16 ) and the first (second) outlet line 11 ( 18 ) with a first (second) outlet check valve connected in the outflow direction 10 ( 17 ). The pump-facing ends of the first (second) inlet 8th ( 15 ) and the first (second) outlet line 11 ( 18 ) both open into the first (second) pumping chamber opening 6 ( 13 ).

Zum Betrieb der Pumpe wird an die Antriebsspule 4 eine Wechselspannung angelegt. Der Kolben 1 wird durch die Lorentzkraft der stromdurchflossenen Leiterlänge senkrecht zum magnetischen Fluss hin- und herbewegt.To operate the pump is to the drive coil 4 an alternating voltage applied. The piston 1 is reciprocated perpendicularly to the magnetic flux by the Lorentz force of the current-carrying conductor length.

Während des Betriebs der Pumpe wird bei einer Bewegung des Kolbens 1 in Richtung des ersten Zylinderkopfdeckels 5 das Volumen der ersten Pumpkammer 7 verkleinert und das der zweiten Pumpkammer 14 vergrößert. Das erste Auslass-Rückschlagventil 10 öffnet, das erste Einlass-Rückschlagventil 9 schließt und die bereits im vorangehenden Zyklus in die erste Pumpkammer 7 gesaugte kryogene Flüssigkeit wird in die erste Auslassleitung 11 gedrückt. Auf der anderen Seite öffnet das zweite Einlass-Rückschlagventil 16, das zweite Auslass-Rückschlagventil 17 schließt und es wird kryogene Flüssigkeit in die zweite Pumpkammer 14 gesaugt.During operation of the pump is during a movement of the piston 1 in the direction of the first cylinder head cover 5 the volume of the first pumping chamber 7 reduced and that of the second pumping chamber 14 increased. The first outlet check valve 10 opens, the first inlet check valve 9 closes and the already in the previous cycle in the first pumping chamber 7 sucked cryogenic liquid is in the first outlet line 11 pressed. On the other side opens the second inlet check valve 16 , the second outlet check valve 17 closes and it becomes cryogenic liquid in the second pumping chamber 14 sucked.

Bei der anschließenden Bewegung des Kolbens 1 in Richtung des zweiten Zylinderkopfdeckels 12 wird in analoger Weise kryogene Flüssigkeit aus der zweiten Pumpkammer 14 in die zweite Auslassleitung 18 gepumpt und gleichzeitig kryogene Flüssigkeit über die erste Einlassleitung 8 in die erste Pumpkammer 7 gesaugt.During the subsequent movement of the piston 1 in the direction of the second cylinder head cover 12 In a similar way, cryogenic liquid from the second pumping chamber 14 in the second outlet line 18 pumped and at the same time cryogenic liquid through the first inlet line 8th in the first pumping chamber 7 sucked.

Berechnungen der Pumpe haben ergeben, dass diese eine sehr hohe Lastwechseldynamik aufweist, da die elektrodynamisch erzeugbaren Kräfte weit über den Trägheitskräften des Antriebskolbens liegen. Danach benötigt eine Pumpe mit einer Leistung von ca. 200 W bei einem Lastwechsel von 0% auf 90% 0,5 Sekunden und bei einem Lastwechsel von 90% auf 0% 0,2 Sekunden. Da Kraftstoffpumpen, die im Fahrzeugbau verwendet werden, sehr schnell auf Lastwechsel ansprechen müssen, ist die vorliegende Pumpe Miniatur-Kreiselpumpen oder -Turbinen, mit denen entsprechend schnelle Ansprechzeiten nicht erreicht werden können, überlegen.Calculations of the pump have shown that this has a very high load change dynamics, since the electrodynamically generated forces are well above the inertial forces of the drive piston. After that, a pump with a capacity of approx. 200 W requires 0.5 seconds for a load change from 0% to 90% and 0.2 seconds for a load change from 90% to 0%. Since fuel pumps used in vehicle construction need to respond very quickly to load changes, the present pump is superior to miniature centrifugal pumps or turbines, which can not achieve correspondingly fast response times.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kolbenpiston
22
Permanentmagnetpermanent magnet
33
Zylindergehäusecylinder housing
44
Antriebsspuledrive coil
55
erster Zylinderkopfdeckelfirst cylinder head cover
66
erste Pumpkammeröffnungfirst pumping chamber opening
77
erste Pumpkammerfirst pumping chamber
88th
erste Einlassleitungfirst inlet line
99
erstes Einlass-Rückschlagventilfirst inlet check valve
1010
erstes Auslass-Rückschlagventilfirst outlet check valve
1111
erste Auslassleitungfirst outlet line
1212
zweiter Zylinderkopfdeckelsecond cylinder head cover
1313
zweite Pumpkammeröffnungsecond pumping chamber opening
1414
zweite Pumpkammersecond pumping chamber
1515
zweite Einlassleitungsecond inlet pipe
1616
zweites Einlass-Rückschlagventilsecond inlet check valve
1717
zweites Auslass-Rückschlagventilsecond outlet check valve
1818
zweite Auslassleitungsecond outlet line

Claims (8)

Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einem Antrieb in Form eines elektrodynamischen Linearmotors, vorzugsweise zur Verwendung als Kraftstoffpumpe in Tanks von mit flüssigem Wasserstoff oder Erdgas betriebenen Fahrzeugen, aufweisend ein Zylindergehäuse (3) und einen in dem Zylindergehäuse entlang der Zylinderlängsrichtung verschiebbar gelagerten, frei schwingenden Kolben (1), dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrodynamische Linearmotor ein eisenloser elektrodynamischer Linearmotor ist, der einen in den Kolben (1) integrierten Permanentmagneten (2) und eine an dem Zylindergehäuse (3) angeordnete Spule (4) aufweist, deren Achse parallel zu der Zylinderlängsrichtung des Zylindergehäuses (3) verläuft, und – der Kolben (1) mittels eines magnetischen Wechselfeldes, das durch Anlegen einer Wechselspannung an die Spule (4) erzeugt wird, entlang der Zylinderlängsrichtung hin- und herbewegbar ist.Piston pump for cryogenic liquids with a drive in the form of an electrodynamic linear motor, preferably for use as a fuel pump in tanks of vehicles operated with liquid hydrogen or natural gas, comprising a cylinder housing ( 3 ) and in the cylinder housing along the cylinder longitudinally displaceably mounted, freely oscillating piston ( 1 ), characterized in that - the electrodynamic linear motor is an ironless electrodynamic linear motor, the one in the piston ( 1 ) integrated permanent magnets ( 2 ) and one on the cylinder housing ( 3 ) arranged coil ( 4 ) whose axis is parallel to the cylinder longitudinal direction of the cylinder housing ( 3 ), and - the piston ( 1 ) by means of an alternating magnetic field, which by applying an AC voltage to the coil ( 4 ) is reciprocable along the cylinder longitudinal direction. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Spule (4) mit der Dipolachse des Permanentmagneten (2) parallel verläuft.Piston pump according to claim 1, characterized in that the axis of the coil ( 4 ) with the dipole axis of the permanent magnet ( 2 ) runs parallel. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnflächen des Kolbens (1) Pumpkammern (7, 14) angrenzen, deren Volumina durch die Bewegung des Kolbens (1) wechselweise vergrößert und verkleinert werden.Piston pump according to claim 1 or 2, characterized in that on the end faces of the piston ( 1 ) Pumping chambers ( 7 . 14 ) whose volumes are due to the movement of the piston ( 1 ) are alternately enlarged and reduced. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich nur auf einer Stirnseite des Kolbens (1) eine Pumpkammer befindet.Piston pump according to claim 1 or 2, characterized in that only on one end face of the piston ( 1 ) is a pumping chamber. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindergehäuse (3) Laufbuchsen zum Führen des Kolbens (1) aufweist und der Kolben (1) gegenüber den Laufbuchsen des Zylindergehäuses (3) mit mindestens einer Spaltdichtung abgedichtet ist.Piston pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cylinder housing ( 3 ) Bushings for guiding the piston ( 1 ) and the piston ( 1 ) relative to the liners of the cylinder housing ( 3 ) is sealed with at least one gap seal. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpe gänzlich oder überwiegend aus Keramik bestehen.Piston pump according to one of claims 1 to 5, characterized in that the piston pump consist entirely or predominantly of ceramic. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchsen aus Aluminiumoxid und der Kolben aus Bornitrid oder aus mit Graphit gefülltem Teflon bestehen.Piston pump according to claim 5, characterized in that the liners made of alumina and the piston made of boron nitride or made of graphite filled Teflon. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchsen aus Chromnickelstahl bestehen, wobei die Laufbuchsen von der Spule (4) räumlich getrennt sind.Piston pump according to claim 5, characterized in that the liners are made of chromium-nickel steel, wherein the liners of the coil ( 4 ) are spatially separated.
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