DE60024154T2

DE60024154T2 - Elektropumpe mit Linearmotor

Info

Publication number: DE60024154T2
Application number: DE60024154T
Authority: DE
Inventors: William Curtis Kottke
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1999-01-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-01-06
Also published as: TW444103B; KR100341670B1; SG99297A1; MY122436A; EP1018601A2; EP1018601A3; JP2002138950A; DE60024154D1; KR20000053376A; BR9906017A; CN1237272C; JP2000205120A; ATE310903T1; ID24400A; US6203288B1; ZA200000045B; US6283720B1; CN1259624A; ES2248012T3; CA2293516C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kolbenpumpen, insbesondere auf verschiedene Arten von Kolbenpumpen mit einem Linearmotorantrieb und auf Verfahren zum Pumpen von Flüssigkeiten mit einer solchen Kolbenpumpe. Besonders bevorzugt sind die Pumpen nach dieser Erfindung hermetische Kolbenpumpen und die Verfahren dieser Erfindung sind Verfahren zum Pumpen von Flüssigkeiten mit solchen hermetischen Pumpen.
Kolbenpumpen sind für den Gebrauch in vielen Anwendungsfällen sehr gewünscht, insbesondere in Umgebungen, in denen der Flüssigkeitsdurchsatz niedrig, z. B. weniger als 15 Gallonen pro Minute (55 l/min.), und der erforderliche Flüssigkeitsdruckanstieg groß ist, z. B. größer als 500 psi (3,4 mPa). Für Anwendungen, die einen geringeren Druckanstieg und einen größeren Durchsatz erfordern, sind einstufige Zentrifugalpumpen wegen ihrer Einfachheit, niedriger Kosten und niedrigen Wartungsanforderungen favorisiert. Kolbenpumpen jedoch haben eine um etwa 10% bis 30% höhere thermodynamische Effizienz im Vergleich zu Zentrifugalpumpen. Obwohl die Kolbenpumpen für viele Anwendungen bevorzugt sind, haben sie bestimmte Nachteile und Grenzen.
Beispielsweise werden übliche Kolbenpumpen im Allgemeinen in einer linearen Richtung durch einen Drehantriebsmechanismus über einen Anker-Kurbelmechanismus oder andere konventionelle mechanische Mechanismen zum Umwandeln von Drehbewegungen in Linearbewegung angetrieben. Diese Antriebssysteme erfordern eine Vielzahl von Lagerungen, Fett- oder Öl-Schmierung, eine Drehzahlreduzierung des Antriebes durch Riemen oder Zahnräder, Schwungräder zur Stabilisation der Drehzahl, Sicherheitsschutzeinrichtungen und andere mechanische Vorrichtungen, die alle die Komplexität und die Kosten der Pumpe erhöhen. Darüber hinaus ist bei diesen üblichen Konstruktionen der Hubweg des Kolbens fest, so dass die Bewegung des Kolbens über der Zeit konstant ist, z. B. eine generell sinusförmige Bewegung während jedem Zyklus des Betriebs ist. Dies führt zu einer Kolbenhöchstgeschwindigkeit in der Nähe der Mitte des Hubes, die die Spitzendruckabnahme aufgrund des Bernoulli-Effekts und die Druckreduzierung aufgrund des kinetischen Druckverlustes im Fluid, welches in die Pumpe im Ansaugtakt des Kolbens eintritt, bestimmt, wobei die Anforderung an die positive Nettoansaughöhe (NPSH für net position suction head) beeinflusst wird.
Pumpen können Gegenstand mechanischer Beschädigung wegen ungenügender NPSH sein. Insbesondere die Verdampfung von Flüssigkeit am Eintrittspunkt in die Pumpe resultiert in einer Dampfblasenbildung. Die darauffolgende Kompression der verdampften Flüssigkeit verursacht einen abrupten Zerfall der Blasen, was zu einer Bildung akustischer Schockwellen führt, die schließlich Pumpenkomponenten zerstören können. Deswegen ist es wichtig, dass die verfügbare NPSH einer Pumpeninstallation ausreichend oberhalb der benötigten NPSH der Pumpe liegt.
Pumpenauslegungen, die eine niedrige NPSH erfordern, erlauben eine größere Flexibilität in der Installation, was oftmals die Installationskosten reduziert. Zusätzlich sichert eine niedrigere benötigte NPSH einen größeren Spielraum bezüglich der Kavitation und somit eine größere Betriebssicherheit, sofern die Einlassbetriebsbedingungen außerhalb der Spezifikation liegen.
Die NPSH-Anforderung für Kolbenpumpen wird durch Faktoren bestimmt, die dazu neigen, den örtlichen Eintrittssaugdruck zu reduzieren, wie z. B. Beschleunigungsdruckverlust der Flüssigkeitsleitung und geschwindigkeitsinduzierter Druckverlust (Bernoulli-Effekt und kinetischer Druckabfall) in der Einlassleitung und am Einlassventil. Die Zylinder- und Kolbengröße wie auch die Größe des Einlassventils und die Kolbenhöchstgeschwindigkeit sind kritische Faktoren für das Festsetzen der minimalen erforderlichen NPSH. Insbesondere erlaubt eine größere Größe des Zylinders, des Kolbens und des Einlassventils eine geringere Pumpendrehzahl. Dies führt zu einem niedrigeren NPSH-Bedarf. Wie vorher angemerkt, erlauben Pumpenauslegungen, die eine niedrige NPSH erfordern, eine größere Flexibilität hinsichtlich der Installation und auch einen größeren Spielraum hinsichtlich Kavitation, was beides sehr erwünschte Eigenschaften sind.
Die Einstellung der Drehzahl von traditionellen Kolbenpumpen, um den Durchsatz (d.h. eine Flussabschwächung) zu reduzieren, ist im Wesentlichen durch die Größe des Pumpenschwungrads und die Größe des Elektromotorantriebs limitiert. Übliche Kolbenpumpen werden typischerweise mit einer Motorwechselspannung mit fester (AC)-Frequenz versorgt und sind deswegen auf eine nominale Pumpendrehzahl fixiert.
Die Anpassung der elektrischen Wechselstromversorgungsfrequenz am Motor, wie zum Beispiel durch die Verwendung einer variablen Frequenzansteuerung, um die Pumpendrehzahl zu reduzieren, ist typischerweise auf eine Absenkung auf 50% der vollen Nennpumpendrehzahl und der Flussrate begrenzt. Die Funktion des Pumpenschwungrades besteht darin, die Drehzahlschwankungen oder die Gleichlaufwelligkeit während jedes Hubzyklusses der Pumpe zu minimieren. Dies wird durch Aufnahme und Abgabe von kinetischer Energie zwischen der Pumpenwelle und dem Schwungrad während jedes Zyklusses erreicht, was zu einer zyklischen Drehzahlschwankung der Pumpe etwas oberhalb und unterhalb der Nenndrehzahl führt. Dies wird Drehzahlgleichlaufwelligkeit genannt. Die Drehzahlgleichlaufwelligkeit führt zu größeren und kleineren Motordrehmomenten in verschiedenen Bereichen jedes Pumpen-Hubzyklusses. Diese Drehmomentschwankung führt zu einer schwankenden Motorstromaufnahme, was im Extremfall dem Motor wegen thermischer Überhitzung schaden kann. Der Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Spitzenmotorstromlast ist der Prozentanteil der Drehzahlschwankung. Es soll angemerkt werden, dass für eine vorgegebene Schwungradgröße und Motorgröße der Prozentsatz der Drehzahlgleichlaufwelligkeit mit dem Quadrat des Verhältnisses der Auslegungsdrehzahl zur verminderten Drehzahl wächst. Da die Motordrehzahl abnimmt, sinkt zusätzlich auch die Fähigkeit des Motorlüfters, den Motor ausreichend zu kühlen. Diese Faktoren wirken zusammen, so dass die praktische 50%-Absenkungsgrenze erzeugt wird. Spezielle Maßnahmen können getroffen werden, um diese Grenze zu reduzieren, wie zum Beispiel ein separat angetriebener Motorkühllüfter, welcher den Pumpenmotorrahmen oder das Pumpenschwungrad in der Größe signifikant übertrifft. Diese speziellen Maßnahmen sind jedoch teure Alternativen. Andere Einrichtungen, um eine reduzierte Pumpendrehzahl zu erreichen, wie zum Beispiel im Durchmesser variable Bündelriemensysteme oder andere mechanische Methoden zur Einstellung des Drehzahlverhältnisses haben als Nachteile Probleme erhöhten Verschleißes, Schlupf und Ausfälle durch Überschreiten der Spitzenlast.
Sofern eine größere Durchsatzabsenkung im Betrieb erforderlich ist, werden konventionelle Pumpen in üblicher Weise in einem Rückflussbetrieb oder in einem zyklischen An/Aus-Betrieb mit einem Vorratstank betrieben. Der Rückkehrfluss um die Pumpe kann für die Pumpenleistung extrem uneffektiv sein und erhöht die Kosten sowie die Verkomplizierung durch die Notwendigkeit einer Rückflussleitung, eines Rückflussventils, eines Kühlers und einer Steuereinrichtung. Die Verwendung eines Vorratstankes verteuert das System ebenfalls, benötigt signifikant mehr Raum und verkompliziert den Betrieb und die Wartung des Pumpensystems.
Ein weiterer Nachteil konventioneller Hubkolbenpumpen liegt in dem Erfordernis, eine effektive Dichtung zwischen dem Kolben und dem Pumpenzylinder vorzusehen. Solch eine Dichtung wird üblicherweise durch dynamische Kolbenringdichtungen zur Verfügung gestellt. Sogar wenn solche Dichtungen vorgesehen werden, tritt jedoch typischerweise eine gewisse Leckage auf und bildet in vielen Anwendungen einen Störfaktor für das Beseitigen und Wiederverwenden des Leckagematerials.
In konventionellen Hubkolbenpumpen ist der Kolbenringverschleiß oftmals der Hauptgrund einer Pumpenreparaturwartung. Dies ergibt sich zum Teil aus der Abdichtung des vollen Unterschieddruckes zwischen dem Pumpenentladungsdruck und dem rückwärtigen Kolben-Leckage-Sammeldruck, wodurch diese Dichtungen schnell verschleißen. Insbesondere ist der rückseitige Druck oftmals gleich oder kleiner als der Pumpeneinlassdruck, wodurch ein sehr großer Druckabfall über die Kolbenringdichtungen erzeugt wird. Dies steigert wiederum die sich ergebende Kolbenringverschleißrate.
Einlass- und Auslassventile an einer Hubkolbenpumpe sind typischerweise fluidaktivierte Absperrventile spezieller Konstruktion, um die hohen zyklischen Raten der Pumpe unter Erreichung der längstmöglichen Betriebsdauer anzupassen. Außerdem, sogar wenn eine spezielle Konstruktion dieser Ventile vorhanden ist, ist ein Ventilausfall oftmals der Grund für eine Pumpenfehlfunktion. Die Nenndrehzahl der Hubkolbenpumpe basiert auf dem benötigten Volumendurchsatz und dem Hubvolumen des Kolbens im Pumpenzylinder. Weil ein größeres Hubvolumen, betrieben bei einer niedrigeren Drehzahl, eine größere physikalische Pumpengröße und einen höheren Kapitalaufwand erfordert, war es die gängige Praxis, eine kleine Pumpe, die bei der höchstmöglichen Drehzahl betrieben wird, die durch Hubkräfte, Kolbenringverschleißraten und NPSH-Anforderungen begrenzt ist, zu installieren. Solche hohen Drehzahlen, typischerweise im Bereich zwischen 200 bis 600 Umdrehungen/min bilden eine große Belastung für die Ventillebensdauer.
Es ist gewünscht, eine Hubkolbenpumpe zu erhalten, welche nicht die vorerwähnten Nachteile traditioneller (konventioneller) Hubkolbenpumpen besitzt, und außerdem die positiven Eigenschaften, die mit konventionellen Hubkolbenpumpen einhergehen, zu verbessern. Die Hubkolbenpumpen der vorliegenden Erfindung minimieren oder vermeiden konstruktiv bedingte Nachteile konventioneller Hubkolbenpumpen, umfassend:

(1) Die Wartung von Verschleißteilen, wie zum Beispiel Ventilen, Kolbenringen und Pleuel-Paketen;
(2) die Wartung aufgrund von Pumpenzerstörung durch Kavitation in Nieder-NPSH-Anwendungen;
(3) die Leckage von gepumptem Fluid aus dem Prozessstrom;
(4) die Leckage des gepumpten Fluids in die Pumpenumgebung;
(5) hohe NPSH-Anforderungen für die Installations-Auslegung;
(6) die Schmiermittelverunreinigung des gepumpten Fluides und der Pumpenumgebung;
(7) hohe Kapitalkosten;
(8) Raumanforderungen für die Installation und
(9) Risiken im Zusammenhang mit freien beweglichen Teilen.

Mit der vorliegenden Erfindung sind die vorgenannten Nachteile entweder minimiert oder eliminiert, während die positiven Eigenschaften von konventionellen Hubkolbenpumpen, wie zum Beispiel die hohe thermodynamische Effizienz, gesteigert wird.
Vorteilhafte Aspekte der Hubkolbenpumpen der vorliegenden Erfindung, die bislang nicht verfügbar waren, umfassen:

(1) Einen variablen Durchsatz von 0% bis 100% des Auslegungsdurchsatzes bei vollem Auslegungsdruck mit verbesserter Effizienz;
(2) geringeren Hitzeverlust in der Kaltbereitschaft für kryogene Fluidpump-Anwendungen; und
(3) die Fähigkeit zu erhöhtem Ausgangsdruck bei geringerer Drehzahl.

Ansätze gemäß dem Stand der Technik, die Leistung von Hubkolbenpumpen zu steigern, haben sich auf drei (3) Bereiche konzentriert; nämlich die Modifizierung der Größe von konventionellen Kolben (Gleitern),-Wellen-betriebenen Hubkolbenpumpen, innovative Entwicklungen bei kryogenen und/oder hermetischen Hubkolbenpumpen-Auslegungen und die Umwandlung zu linear motorbetriebenen Kolbenkonstruktionen.
Im Hinblick auf die Modifizierung der Größe von konventionellen Schieber/Kolbenkurbelgetriebenen Kolbenpumpen wurden Ansätze gemacht, die Pumpengröße zu vergrößern, um ein Hubvolumen größer als üblicherweise für notwendig gehalten, zur Verfügung zu stellen. Die Anwendung einer größeren Pumpe erhöht die Pumpenkosten, aber mit den Vorteilen der Reduzierung der Verschleißteilwartung durch die Reduzierung der Anzahl der Pumpenzyklen, die für die Lieferung eines vorbestimmten Flusses notwendig ist, der Reduzierung der Wartungskosten, die durch ungenügende NPSH-Beschädigung resultieren, der Reduzierung der Installationskosten, um eine hohe NPSH-Anforderung zu erfüllen, zum Beispiel eine niedrigere erforderliche Tankanhebung, und das Anheben der thermodynamischen Effizienz wegen des Betriebes bei geringerer Drehzahl und reduzierten Einlass- und Auslassventildruckabfall-Verlusten.
Die oben erwähnten Vorteile, die sich aus der Verwendung einer größeren Pumpe ergeben, werden jedoch erreicht durch einen signifikanten Aufwand von:

(1) höheren Pumpenkapitalkosten;
(2) erhöhter Fluidleckage des gepumpten Stromes wegen des größeren Kolbendurchmessers, der abgedichtet werden muss;
(3) erhöhte Fluidleckage in die Pumpenumgebung, die aus dem größeren Durchmesser der erforderlichen Pleueldichtung resultiert;
(4) erhöhte allgemeine Installationskosten wegen der Verwendung von größeren Teilen;
(5) erhöhte Raumanforderungen wegen der Verwendung von größeren Teilen;
(6) erhöhte Kosten für Ersatzteile; und
(7) erhöhte Kosten von Vorort-Wartungsarbeiten wegen größerer Größe und größeren Handhabungsaufwand.

Der Ausgleich/die Balance zwischen den Vorteilen und den Nachteilen, die oben genannt wurden, hat üblicherweise zu einer Begrenzung des Maßes der Überdimensionierung von Hubkolbenpumpen geführt.
Entwicklungen betreffend kryogene Hubkolbenpumpen haben umfasst:

(1) Die Entwicklung neuer dynamischer Dichtungen, wie in der US-A-4,792,289 offenbart;
(2) die Modifizierung der Einlass- und/oder Auslassventilkonstruktionen, wie in der US-A-4,792,289, US-A-5,511,955 und der US-A-5,575,626 offenbart;
(3) Konstruktionen für verminderten Wärmeverlust, wie in der US-A-4,396,362 und der US-A-4,396,354 offenbart;
(4) das Einführen einer zweiten (oder mehreren) Vorverdichtungskammer(n) für reduzierte NPSH-Anforderungen, wie in der US-A-4,239,460, der US-A-5,511,955 und der US-A-5,575,626 offenbart und
(5) das Einführen von Unterkühlungsmechanismen zur Reduzierung der NPSH-Anforderung und das Vorsehen verbesserter volumetrischer Effizienz, wie in der US-A-4,396,362, der US-A-4,396,354 und der US-A-5,511,955 offenbart.

Keine der oben aufgezählten Verbesserungen verwendet jedoch eine hermetische Konstruktion (d.h. keine dynamischen Dichtungen für die gepumpte Flüssigkeit, um eine Leckage in die benachbarte Umgebung der Pumpen zu verhindern).
Die US-A-4,365,942 offenbart eine hermetische kryogene Pumpe, umfassend elektrische Spulen, welche durch den Einfluss extrem kalter Temperaturen des flüssigen, zu pumpenden Heliums supraleitend gehalten werden. Obwohl diese Konstruktion einzigartig für die charakteristischen Merkmale von flüssigem Helium sein kann, ist sie nicht breit einsetzbar für die Verwendung beim Pumpen anderer Fluide.
Wie bereits vorher angemerkt, wird in einem anderen Stand der Technik die Verwendung eines Linear-Motors als Antrieb für eine Hubkolbenpumpe vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Typs von Antrieb auf eine Pumpe hat vorgeschlagene Vorteile bei der Erreichung einer kompakten Größe, der Reduktion des Energieverbrauchs und der Reduktion von Kosten, der Reduktion von Wartung und die Anwendung bei Gelegenheiten, die vormals unmöglich mit konventionell angetriebenen Pumpenkonstruktionen erreichbar waren. Die Verwendung eines solchen Linearmotorantriebes hat sich für die Anwendung sowohl für hermetische als auch für nicht hermetische Pumpenkonstruktionen bewährt. Linearmotorangetriebene Pumpen wurden für die Verwendung beim Tieflochpumpen von Öl und Wasser offenbart, wie in der US-A-4,350,478, der US-A-4,687,054, der US-A-5,179,306, der US-A-5,252,043, der US-A-5,409,356 und der US-A-5,734,209 offenbart.
Die US-A-4,687,054 offenbart eine Nassluftspalt-Konstruktion, die keine Dichtungen verwendet, um die gepumpte Flüssigkeit von dem Luftspalt des Motors zwischen dem Stator und dem Anker zu trennen.
Die US-A-4,350,478, die US-A-5,179,306, die US-A-5,252,043 und die US-A-5,734,209 offenbaren die Verwendung von Dichtungen zum Schutz des Motorluftspalts von der gepumpten Flüssigkeit. Viele Dichtungskonstruktionen aus dem Stand der Technik haben den Luftspalt mit einem Schmier- und Wärmeübertragungsöl gefüllt. Es soll verstanden werden, dass beinahe alle der vorgenannten Pumpen in die Flüssigkeit, die sie pumpen, vollständig eingetaucht arbeiten und deswegen eine hermetische Dichtung erreichen, um eine Leckage in deren benachbarten Umgebung zu verhindern, wie es in den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gewünscht wird, was ein strittiger Punkt ist.
Andere elektrische Pumpen, die mittels einem Linearmotor angetrieben sind und eine hermetische Konstruktion besitzen, wurden für den Gebrauch in einer Vielzahl von Anwendungen offenbart, wie zum Beispiel für das Pumpen von Blut (US-A-4,334,180), Großvolumen-Niedrigdruck-Gasübertragungsanwendungen (US-A-4,518,317), ein prinzipiell doppelt wirkendes Pumpendesign bzw. Pumpenkonstruktion (US-A-4,965,864, auf die sich der Oberbegriff des Anspruchs 1 bezieht) und nicht hermetische Konstruktionen, die konventionelle Flachlinearmotoren verwenden (US-A-5,083,905).
Die US-A-2,003,647 offenbart einen einfach wirkenden Verdichter mit einem elektrisch mittels eines Linearmotors angetriebenen hin- und hergehenden Kolben und umfassend eine Einrichtung für das Absorbieren eines Teils der kinetischen Energie des Kolbens am Ende seines Verdichtungs- oder Saughubes und für das Liefern derselben, um den Kolben zurückzuführen oder in die entgegengesetzte Richtung zu beschleunigen. Diese Einrichtung kann elektrisch, mechanisch sein und/oder durch komprimiertes Gas, welches in einem entsprechenden Zylinder verbleibt, am Ende des Kompressions- oder Saughubes zur Verfügung gestellt werden.
Kein vorgenannter Stand der Technik lehrt eine hermetische Pumpe für beabsichtigte industrielle Verfahren oder Produktlieferungsanwendungen mit all den Vorteilen der vorliegenden Erfindung.
Kolbenpumpen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Anspruch 1 beschrieben und umfassen einen Zylinder mit äußeren Wänden, die einen geschlossenen Innenraum mit gegenüberliegenden Enden bilden. Eine Kolbenanordnung hat ein ausgebendes Ende und ein gegenüberliegendes Ende und diese Anordnung ist beweglich innerhalb des Innenraums zur Bewegung in entgegensetzt linearen Richtungen zwischen den gegenüberliegenden Enden des Innenraums ausgebildet. Ein Dichtungsglied ist zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenzylinder zur Aufrechterhaltung einer dynamischen Flüssigkeitsdichtung zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenzylinder angeordnet, weil die Kolbenanordnung sich innerhalb des geschlossenen Innenraumabteils des Zylinders bewegt. Das Dichtungsglied teilt den Innenraum in eine Ausgabekammer und eine Reservoirkammer. Ein Linearmagnetantrieb erzeugt ein sich linear bewegendes Magnetfeld für die Bewegung der Kolbenanordnung in entgegengesetzten linearen Richtungen. Eine ventilgesteuerte Einlassleitung kommuniziert mit der Ausgabekammer des Innenraums, um die Flüssigkeit in die Ausgabekammer zu leiten, und das Volumen der Ausgabekammer zu füllen, weil sich die Kolbenanordnung durch ein Hubvolumen in einer linearen Richtung entlang eines flüssigkeitsempfangenden Saugtakts bewegt. Eine ventilgesteuerte Auslassleitung kommuniziert mit der Ausgabekammer des Innenraums, um die gepumpte Flüssigkeit aus der Ausgabekammer zu leiten; wenn sich die Kolbenanordnung durch das Hubvolumen in einer Richtung entgegengesetzt zu der genannten einen linearen Richtung entlang eines Flüssigkeitsausgabetakts bewegt. Ein Energiespeicher- und freigabemedium wirkt mit der Kolbenanordnung zur Speicherung von Energie als Ergebnis der Bewegung der Kolbenanordnung entlang des Saugtakts und zur Wiederabgabe der gespeicherten Energie an die Kolbenanordnung, wenn die Kolbenanordnung entlang des Ausgabetakts bewegt wird, zusammen.
Wie in dieser gesamten Anmeldung zur Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Hubvolumen" auf die Ausgabekammer und/oder die Reservoirkammer, oder auf die Bewegung der Kolbenanordnung oder auf die schrittweisen Änderungen im Volumen der flüssigkeitsempfangenden Bereiche der Ausgabekammer und der Reservoirkammer, welche durch die Bewegung der Kolbenanordnung durch entweder den Ausgabetakt oder den Saugtakt erfolgt. Während des Ausgabetaktes der Kolbenanordnung verringert sich das Volumen der Flüssigkeitsbereiche der Ausgabekammer schrittweise um im Wesentlichen die gleiche Größe, um die das Volumen des Flüssigkeitsbereichs der Reservoirkammer ansteigt. Während des Saugtaktes der Kolbenanordnung verringert sich das Volumen des Flüssigkeitsbereichs der Reservoirkammer schrittweise um im Wesentlichen die gleiche Menge/Größe, um die das Volumen des Flüssigkeitsbereichs der Ausgabekammer ansteigt. Die oben angesprochenen schrittweisen Abnahmen und Zunahmen im Volumen der Flüssigkeitsbereiche der Ausgabekammer und der Reservoirkammer sind gleich den schrittweisen Änderungen im Volumen der Kolbenanordnung innerhalb der Ausgabekammer und der Reservoirkammer, wenn die Kolbenanordnung jeweils entlang des Ausgabetakts und des Saugtakts wandert. Wenn das Dichtungsglied zwischen dem Zylinder und der Kolbenanordnung gegen eine Bewegung bezüglich des Zylinders befestigt ist, ist das Hubvolumen gleich der zurückgelegten Strecke der Kolbenanordnung während der Bewegung durch das Dichtungsglied (in beiden, den Ausgabe- und Ansaugtakten) mal der Querschnittsfläche der Länge der Kolbenanordnung, welche durch das Dichtungsglied reicht.
Der Bezug auf „hermetisch" oder „hermetisch gedichtet" im Hinblick auf die verschiedenen Pumpen dieser Erfindung bedeutet Pumpen, die frei von dynamischen Dichtungen zwischen dem gepumpten Fluid und der benachbarten Umgebung der Pumpe sind. Dynamische Dichtungen sind solche Dichtungen zwischen Körpern, die sich relativ zueinander mit einer resultierenden Gleitbewegung am Dichtungspunkt bewegen und arbeiten, um den Austritt eines Fluids von einer unter Druck befindlichen Zone in eine Zone niedrigeren Druckes zu verhindern. Wie oben bereits dargestellt, sind keine solchen dynamischen Dichtungen in hermetischen Pumpen innerhalb des Bereichs der Erfindung zwischen dem gepumpten Fluid und der benachbarten Umgebung der Pumpe angeordnet/umfasst.
Bevorzugt sind die Pumpen der Erfindung hermetische Pumpen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung füllt das Energiespeicher- und Energiefreigabemedium wenigstens teilweise die Reservoirkammer zur Speicherung von Energie hierin, wenn die Kolbenanordnung durch ein Hubvolumen der Reservoirkammer während des Ansaugtaktes der Kolbenanordnung bewegt wird.
In den am meisten bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung sind die Energiespeicher- und Energiefreigabemedien elastischer Kompression oder Ausdehnung ausgesetzt, um Energie zu speichern und wieder freizugeben. Am bevorzugtesten ist das Energiespeicher- und -freigabemedium eine gasförmige Substanz. Sofern eine gasförmige Substanz als das Energiespeicher- und -freigabemedium eingesetzt wird, füllt es bevorzugt wenigstens teilweise die Reservoirkammer des Zylinders. Innerhalb der breitesten Aspekte dieser Erfindung kann jedoch eine Flüssigkeit in der Reservoirkammer auf einem Niveau, derart, dass der Abschnitt der Kolbenanordnung in der Reservoirkammer vollständig innerhalb der Flüssigkeit ist, eingefüllt werden. Tatsächlich kann in bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung die Flüssigkeit die Reservoirkammer vollständig füllen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der magnetische Antrieb ein Multiphasenlinearmotor umfassend eine elektronische Energieversorgungseinheit und einen programmierbaren Mikroprozessor zur Steuerung des Betriebes der Energieversorgung, um die Bewegung der Kolbenanordnung einstellbar zu steuern.
Besonders bevorzugt kann der programmierbare Mikroprozessor den Betrieb der Energieversorgung einstellbar steuern, um die charakteristischen Merkmale der Bewegung der Kolbenanordnung zu steuern, wie zum Beispiel die Länge des Hubes der Kolbenanordnung in jeder linearen Richtung, die Zeitperiode einer solchen Bewegung in jeder linearen Richtung, die Zyklusdauer der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung und insbesondere den Ort, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Kolbenanordnung entlang des gesamten Bewegungsweges der Anordnung in den entgegengesetzten Linearrichtungen, zu jedem Zeitpunkt dieser zyklischen Bewegung. Zusätzlich kann die Kolbenanordnungsbewegung derart gesteuert werden, dass variable Zeitspannen, in denen keine Bewegung stattfindet, eingebunden werden können. Diese Perioden, in denen keine Bewegung stattfindet, können zu jeder Zeit oder an jedem Ort innerhalb irgendeines Zyklusses oder zwischen Zyklen, wie gewünscht, stattfinden. In einer bevorzugten Form der Erfindung steuert der programmierbare Mikroprozessor einstellbar die Zeitdauer jedes Hubes der Kolbenanordnung (zum Beispiel des Ansaughubes und des Ausgabehubes), so dass die Zeitdauer eines Hubes (zum Beispiel des Saughubes) unterschiedlich von der Zeitdauer des anderen Hubes (zum Beispiel des Ausgabehubes) ist. In einer bevorzugten Betriebsweise besitzt der Pumpensaughub eine längere Zeitdauer als der Ausgabehub.
In einer anderen bevorzugten Form der Erfindung steuert der programmierbare Mikroprozessor einstellbar die zyklische Bewegung der Kolbenanordnung, so dass diese entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich ist. Das bedeutet, dass der Betrieb der Pumpe derart gesteuert werden kann, so dass eine Bewegungspause einer beliebigen gewünschten Zeitdauer an irgendeinem von verschiedenen Orten innerhalb irgendeines Zyklusses der Kolbenanordnung oder zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen der Kolbenanordnung zur Verfügung gestellt wird, wobei jeder Zyklus einen Saughub und einen Ausgabehub umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung umfasst der Kolben einen Kolbensensor, der ein elektrisches Rückmeldesignal zum programmierbaren Mikroprozessor des magnetischen Antriebsystemes liefert.
In der bevorzugtesten Ausführungsform dieser Erfindung umfasst der magnetische Linearantrieb einen Stator und einen Anker, wobei der Stator benachbart und außerhalb des Pumpenzylinders angeordnet ist und der Anker auf der Kolbenanordnung innerhalb des Zylinders angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Energiespeicher- und -freigabemedium eine gasförmige Substanz ist, kann ein zusätzliches mechanisches Energiespeicher- und -freigabemedium, zum Beispiel eine Feder oder ein Balg zur Unterstützung der Speicherung der Energie verwendet werden, die von der Bewegung der Kolbenanordnung in einer Linearrichtung abgezweigt wird und für das Wiederabgeben oder Weitergeben der gespeicherten Energie an die Kolbenanordnung während der darauffolgenden Bewegung der Kolbenanordnung in einer Linearrichtung entgegen der einen Linearrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Flüssigkeits-Sumpf vorhanden, der mit einer ventilgesteuerten Einlassleitung zur Lieferung von Flüssigkeit an die Pumpe kommuniziert.
Am meisten bevorzugt, wenn ein Flüssigkeits-Sumpf vorgesehen ist, ist dieser teilweise mit der zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt und umfasst einen Kopfraum/Tankleerraum mit einem elastisch kompressiblen und expansiblen Medium (zum Beispiel ein Gas) hierin, um das Pulsieren eines Flüssigkeitsstromes zur Pumpe zu minimieren (das bedeutet, die Lieferung von Flüssigkeit zum Sumpf mit einer im Wesentlichen konstanten Flussrate zu erlauben). Obwohl die Flüssigkeit, die in die Pumpe gesogen wird, einen nicht konstanten, pulsierenden Durchfluss besitzt.
Für einige Anwendungen umfasst der Tankleerraum eine thermische Konvektion verhinderndes und thermische Leitung verhinderndes Isolationsmaterial und optional ist ein thermisch leitendes Element zur Unterstützung der Aufrechterhaltung des Flüssigkeitspegels im Sumpf auf einer bestimmten Höhe vorgesehen.
Am meisten bevorzugt umfasst der Sumpf eine Entlüftungsleitung, ein Ventil und einen Flüssigkeitspuffer zum Betrieb des Ventils, um die Flüssigkeit im Sumpf auf einer bestimmten Höhe zu halten.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Leitung zur Verbindung des Auslasses der Pumpe mit einem Bodenwandabschnitt des Sumpfes durch eine abnehmbare und gedichtete Verbindung vorgesehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Leitung zur Verbindung des Auslasses der Pumpe durch den Tankleerraum des Sumpfes vorgesehen.
Gemäß dieser Erfindung kann der Flüssigkeitssumpf vollständig mit der zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt sein, um jeglichen Tankleerraum für die Aufnahme eines elastischen und expansiblen Mediums zu eliminieren. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein zusätzliches elastisch kompressibles und ausdehnbares Medium, zum Beispiel flüssigkeitsgefüllte flexible Balge oder Membransammler mit dem Inneren des Sumpfes verbunden gehalten, um das Pulsieren der Flüssigkeit, die zum Sumpf geliefert wird, zu minimieren, das bedeutet, das Vorsehen einer im Wesentlichen konstanten Flussrate der Flüssigkeit in den Sumpf.
In bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung ist das Gas, welches das Energiespeicher- und -freigabemedium in der Reservoirkammer des Pumpeninnenraums bildet, nicht kompressibel und ist kein Dampf der Flüssigkeit, die gepumpt wird, wobei die Pumpe eine Einrichtung zur Lieferung und Abgabe kontrollierter Mengen von nicht kondensierbarem Gas zur Pumpe umfasst.
In anderen Ausführungsformen ist das Gas, welches das Energiespeicher- und -freigabemedium in der Reservoirkammer des Pumpeninnenraumes bildet, teilweise aus Dampf der zu pumpenden Flüssigkeit und teilweise aus einem nicht kondensierbaren Gas, welches kein Dampf der zu pumpenden Flüssigkeit ist, zusammengesetzt, wobei die Pumpe eine Einrichtung zur Lieferung und Abgabe kontrollierter Mengen des nicht kondensierbaren Gases zur Pumpe umfasst. Für einige Anwendungen kann das Gas ausschließlich aus Dampf der zu pumpenden Flüssigkeit zusammengesetzt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Pumpe zum Pumpen eines verflüssigten Gases ausgebildet, welches ein kryogen verflüssigtes Gas sein kann, wobei der Zylinder eine Wärmeisolierungseinrichtung in dem Bereich der Ausgabekammer umfasst, um die Flüssigkeit auf einer gewünschten kalten Temperatur zu halten, und eine Heizeinrichtung in dem Bereich der Reservoirkammer, um das Gas im letztgenannten Bereich auf einer gewünschten warmen Temperatur zu halten und den Druck des Gases im Bereich der Reservoirkammer unterhalb des kritischen Druckes des Gases zu halten. Es soll jedoch klar sein, dass gemäß den weitesten Aspekten dieser Erfindung die Pumpen mit dem Gasdruck in der Reservoirkammer bei oder oberhalb des kritischen Druckes des Gases betrieben werden können.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung umfasst die Reservoirkammer der Pumpenkammer eine Balgensektion hierin und das Energiespeicher- und -freigabemedium kommuniziert mit der Balgensektion, so dass die Balgensektionen als Antwort auf den Saughub der Kolbenanordnung zur Speicherung von Energie in dem Energiespeicher und -freigabemedium bewegt wird/werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Balgensektion eine Endsektion der Reservoirkammer und das Energiespeicher- und -freigabemedium (zum Beispiel eine Feder) wirkt mit einer äußeren Wand der Balgensektion zusammen. In dieser Ausführungsform kann die Balgensektion der Reservoirkammer mit einer Flüssigkeit gefüllt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Balgenelement in der Reservoirkammer angeordnet und das Energiespeicher- und -freigabemedium ist eine gasförmige Substanz, welche die Balgensektion füllt.
Ein Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit in Übereinstimmung mit dieser Erfindung umfasst die Schritte: Zur Verfügung stellen einer Pumpe mit (i) einer Kolbenanordnung, die für eine Hin- und Herbewegung in einem geschlossenen Innenraum eines Kolbenzylinders mit gegenüberliegenden geschlossenen Enden angeordnet ist, wobei die Kolbenanordnung ein Ausgabeende und ein gegenüberliegendes Ende umfasst, (ii) einem Dichtungsglied zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenzylinder, um eine dynamische Fluiddichtung zwischen der Kolbenanordnung und dem Kolbenzylinder während des gesamten linearen Ausgabe- und Rückhubes der Kolbenanordnung aufrecht zu erhalten, wobei das Dichtungsglied den Innenbereich in eine Ausgabekammer aufnehmend die Flüssigkeit, die abgegeben werden soll, und in eine Reservoirkammer aufteilt und (iii) einem Energiespeicher- und -freigabemedium an einem Ort zur Speicherung von Energie, wenn die Kolbenanordnung entlang des Saughubs bewegt wird und zum Weitergeben der gespeicherten Energie an die Kolbenanordnung, wenn die Kolbenanordnung entlang des Ausgabehubs bewegt wird; das Erzeugen eines linear beweglichen Magnetfeldes für das Hin- und Herbewegen der Kolbenanordnung innerhalb des Zylinders entlang jeweils eines Ausgabehubs und eines Saughubs; Einleiten von zu pumpender Flüssigkeit in die Ausgabekammer; und das Aufrechterhalten der Flüssigkeit im Zylinder auf einem Niveau, so dass eine niedriger liegende Oberfläche des Dichtungsglieds und des Ausgabeendes der Kolbenanordnung innerhalb der Flüssigkeit über die Länge des Ausgabe- und Saughubes der Kolbenanordnung gehalten werden.
Gemäß eines bevorzugten Verfahrens dieser Erfindung wird das Energiespeicher- und -freigabemedium in der Reservoirkammer des Innenraums zur Verfügung gestellt.
In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Verfahren dieser Erfindung ist das Energiespeicher- und -freigabemedium eine gasförmige Substanz und besonders bevorzugt befüllt dieses die Reservoirkammer bis auf ein Niveau, so dass das gegenüberliegende Ende der Kolbenanordnung, (d.h. das Ende gegenüberliegend zum Abgabeende) sich in dem gasförmigen Volumen während der gesamten Ausgabe- und Saughübe der Kolbenanordnung befindet.
In dem bevorzugten Verfahren umfassend eine gasförmige Substanz als das Energiespeicher- und -freigabemedium wird eine Flüssigkeits-/Dampfgrenzfläche zwischen der Flüssigkeit, die abgegeben werden soll und der gasförmigen Substanz ausgebildet und auf einer Höhe aufrechterhalten, in der das Dichtungsglied vollständig innerhalb der Flüssigkeit während des Betriebes der Pumpe eingetaucht ist.
In Übereinstimmung mit den bevorzugten Verfahren dieser Erfindung wird der Schritt des Erzeugens des sich linear bewegenden magnetischen Feldes durch eine elektronische Energieversorgungseinheit, die durch einen programmierbaren Mikroprozessor gesteuert wird, zur Verfügung gestellt.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst die Schritte des Bestimmens der Position der Kolbenanordnung innerhalb des Zylinders und des Steuerns des linearen Bewegungsmagnetfelds als Reaktion auf diese Bestimmung.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst die Schritte des Erzeugens des sich linear bewegenden Magnetfeldes mit einem linearmagnetischen Antrieb aufweisend einen Stator und einen Anker, wobei der Stator benachbart und außerhalb des Kolbenzylinders der Pumpe angeordnet ist und der Anker auf der Kolbenanordnung innerhalb des Kolbenzylinders angeordnet ist, wobei hierdurch ein Luftspalt zwischen der inneren Oberfläche des Stators und der äußeren Oberfläche des Ankers erzeugt wird, in dem die äußere Wand des Kolbenzylinders angeordnet ist.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst den Schritt des Verwendens sowohl einer gasförmigen Substanz als auch eines zusätzlichen mechanischen Mediums zum Speichern von Energie, welche von der Bewegung der Kolbenanordnung entweder während des Ausgabehubes oder des Saughubes abgeleitet wurde und anschließend das Überleiten der gespeicherten Energie auf die Kolbenanordnung während des anderen Hubes der Kolbenanordnung.
In Übereinstimmung mit einem Verfahren dieser Erfindung ist die gasförmige Substanz der Reservoirkammer nicht kondensierbar und ist kein Dampf der zu pumpenden Flüssigkeit und das Verfahren umfasst die Schritte des Lieferns und des Abgebens kontrollierter Mengen von nicht kondensierbarem Gas zur Pumpe.
In Übereinstimmung mit einem Verfahren dieser Erfindung ist die gasförmige Substanz in der Reservoirkammer ein Dampf der zu pumpenden Flüssigkeit.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt des Verfahrens dieser Erfindung ist die gasförmige Substanz in der Reservoirkammer teilweise aus Dampf aus der zu pumpenden Flüssigkeit zusammengesetzt und teilweise aus einem nicht kondensierbaren Gas, welches nicht Dampf der zu pumpenden Flüssigkeit ist, und dieses Verfahren umfasst die Schritte des Lieferns und Abgebens kontrollierter Mengen von nicht kondensierbarem Gas zu der Pumpe.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst den Schritt des Modulierens des sich linear bewegenden Magnetfeldes während des Pumpbetriebes, um die Bewegung der Kolbenanordnung zu variieren.
Das bevorzugte Verfahren des Variierens der Bewegung der Kolbenanordnung umfasst die Schritte des Variierens der Länge eines oder mehrerer Hübe der Kolbenanordnung, der Zyklusdauer der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung, des Ortes der Kolbenanordnung, der Geschwindigkeit der Kolbenanordnung und der Beschleunigung der Kolbenanordnung.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst den Schritt des zur Verfügung stellens von zu pumpender Flüssigkeit in den Kolbenzylinder von einem Flüssigkeitssumpf. Besonders bevorzugt umfasst bei dieser Ausführungsform der Erfindung das Verfahren den Schritt des Aufrechterhaltens des Flüssigkeitsniveaus im Sumpf auf einer gewünschten Höhe.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung, bei dem ein Flüssigkeitssumpf verwendet wird, umfasst den Schritt des nur teilweise Füllens des Sumpfes mit der Flüssigkeit, die gepumpt werden soll, und des Einführens eines kompressiblen Mediums in den Tankleerraum innerhalb des Sumpfes.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt des Verfahrens dieser Erfindung ist der Sumpf im Wesentlichen vollständig mit einer Flüssigkeit, die abgegeben werden soll, gefüllt und es ist ein Sammler, zum Beispiel ein flexibler Balg oder eine flexible Membran oder ein anderes Medium zur Minimierung der Flusspulsierung der Flüssigkeit, die zum Sumpf geleitet wird, vorgesehen.
Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst den Schritt des Isolierens des Zylinders der Pumpe in einem Bereich der Ausgabekammer, um die zu pumpende Flüssigkeit auf einer gewünschten kalten Temperatur zu halten und das Heizen eines Bereiches der Reservoirkammer, um diesen Bereich der Reservoirkammer auf einer gewünschten warmen Temperatur zu halten, um wenigstens einen Bereich des Reservoirkammervolumens in einem gasförmigen Zustand zu halten. Besonders bevorzugt ist der Druck des Gases in der Reservoirkammer unterhalb des kritischen Druckes des Gases gehalten; es ist jedoch innerhalb des breitesten Aspekts dieser Erfindung, mit einem Gasdruck zu arbeiten, der bei oder über dem kritischen Druck des Gases liegt. Dieses Verfahren ist insbesondere nützlich für das Pumpen von verflüssigtem Gas und insbesondere kryogen verflüssigtem Gas.
In Übereinstimmung mit einem Verfahren dieser Erfindung ist eine Balgensektion in der Reservoirkammer zur Verfügung gestellt, die mit dem Energiespeicher- und -freigabemedium kommuniziert, so dass die Bewegung der Kolbenanordnung entlang des Saughubs die Balgensektion derart bewegt, dass Energie in dem Energiespeicher- und -freigabemedium gespeichert wird.
In einer bevorzugten Form dieses letzten Verfahrens ist die Balgensektion eine Endsektion der Reservoirkammer und das Energiespeicher- und -freigabemedium (zum Beispiel eine Feder) kommuniziert mit dieser Balgensektion. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Balgensektion vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt sein.
In einer Ausführungsform eines Verfahrens in Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist die Balgensektion innerhalb der Reservoirkammer angeordnet und mit einer gasförmigen Substanz gefüllt, wobei die gasförmige Substanz das Energiespeicher- und -freigabemedium ist.
Das Folgende ist eine beispielhafte Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer hermetischen Kolbenpumpe dieser Erfindung umfassend in einer vergrößerten Ansicht einen Teil des Linearmagnetantriebes;
2 eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung;
3 eine schematische Schnittansicht einer nochmals anderen Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung;
4 eine schematische Schnittansicht einer nochmals anderen Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung;
4a eine Teilschnittansicht einer abgewandelten Reservoirkammeranordnung gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung;
5 eine schematische Schnittansicht einer nochmals anderen Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung; und
6 eine schematische Schnittansicht einer nochmals anderen Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung.
Eine Hubkolbenpumpe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist in 1 generell bei 10 gezeigt. Die Pumpe 10 ist eine hermetische Pumpe umfassend eine Kolbenanordnung 12, welche in einem passenden Zylinder 14 angeordnet ist. Die Kolbenanordnung 12 umfasst einen Kolben 13 und der Zylinder 14 umfasst äußere Wandungen 16, die einen geschlossenen Innenraum 18, in dem die Kolbenanordnung 12 beweglich gehalten ist, zur Verfügung stellen. Buchsen 15 sind für die Lagerung der Kolbenanordnung 12 von der inneren Oberfläche der äußeren Wand 16 des Zylinders 14 vorgesehen, während sie eine freie Bewegung der Kolbenanordnung innerhalb des geschlossenen Innenraumes 18 des Zylinders erlauben. Die Buchsen 15 sind aus einem Material hergestellt mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten und akzeptabler Verschleißleistung, wie zum Beispiel ein „Composite-Film Teflon^TM" oder andere Polymermaterialien, welche einen Trockenschmierfilm zur gegenüberliegenden Gleitoberfläche bilden. Der Gebrauch dieser letzteren Materialien eliminiert die Notwendigkeit des Einsatzes eines separaten Flüssigschmiermittels in den Buchsen. Die Buchsen 15 können an der Zylinderwand oder an der Kolbenanordnung, wie gewünscht befestigt sein.
Ein Kolbendichtungsglied 17 ist zwischen der äußeren Oberfläche des Kolbens 13 und der inneren Oberfläche des Zylinders 14 angeordnet, um den geschlossenen Innenraum 18 in eine Ausgabekammer 20 und eine Reservoirkammer 22 aufzuteilen. Dies optimiert die Pumpeneffizienz durch effektives Minimieren der Flüssigkeitsleckage hinter das Kolbendichtungsglied 17 während der Abwärts- und Aufwärtsbewegung der Kolbenanordnung 12 jeweils entlang des Ausgabe- und Rückhubs. Eine geeignete Konstruktion zum zur Verfügung stellen dieser Dichtfunktion wird für einen Fachmann klar und bildet deshalb keine Limitierung des breitesten Aspekts dieser Erfindung. Beispielsweise kann die Dichtungsfunktion durch Zusammenstellungen wie zum Beispiel Kolbenringe, Labyrinthdichtungen, Dichtungen vom segmentierten Kolbenstangentyp und andere bekannte Dichtungsvorrichtungen zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus können Dichtungsvorrichtungen derart konstruiert sein, dass sie entweder auf dem Kolben 13, dem Zylinder 14 oder auf beiden dieser letztgenannten zwei Elemente montiert sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Kolbendichtungsglied 17 stationär und auf der inneren Wand des Zylinders 14 im Bereich, in dem der Kolben 13 sich bewegt, montiert, wobei hierdurch eine effektive Dichtung zwischen dem Kolben und der inneren Wand des Zylinders während des gesamten Kolbenhubes der Kolbenanordnung 12 erfolgt. Es soll verstanden werden, dass das Kolbendichtungsglied eine dynamische Dichtung ist und als solche mit einer gewissen kleinen kontrollierten Flüssigkeitsleckage hinter sie wie durch diese Richtung und die Höhe des Unterschiedsdruckes vorgegeben, dem es ausgesetzt ist, arbeitet.
Weiterhin ist in Bezugnahme auf 1 der Zylinder 14 an seinen gegenüberliegenden Enden 24, 26 geschlossen und die Kolbenanordnung 12 ist für eine Hin- und Herbewegung entlang einer zentralen Achse 27 der Kolbenanordnung 12 und des passenden Zylinders 14 ausgelegt.
Wie es in 1 gesehen werden kann, tritt die zu pumpende Flüssigkeit in die Ausgabekammer 20 des Zylinders ein und tritt von dieser bevorzugt in einem Bereich unterhalb des distalen Endes 28 der Kolbenanordnung 12 aus. Insbesondere tritt die gepumpte Flüssigkeit in das geschlossene Ende 24 des Innenraums 18 durch eine Einlassleitung 30 ein und tritt durch das geschlossene Ende durch eine Auslassleitung 32 aus. Der Einlass- und Auslassstrom vom Innenraum 18 des Zylinders wird jeweils durch ein Einlassventil 34 und ein Auslassventil 36 gesteuert.
Bevorzugt umfasst die Reservoirkammer 22 eine untere Sektion 38 mit einem Querschnittsbereich, der mit dem der Ausgabekammer 20 korrespondiert und ein oberer, vergrößerter Bereich 40 größerer Querschnittsfläche.
In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist der obere Bereich des oberen vergrößerten Bereichs 40 der Reservoirkammer 22, welche oberhalb des oberen Endes der Kolbenanordnung 12 während der gesamten Länge des Ausgabe- und Saughubes der Kolbenanordnung angeordnet ist, entweder teilweise oder vollständig mit einer gasförmigen Substanz gefüllt. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist der obere Bereich vollständig mit einer gasförmigen Substanz gefüllt; sofern der obere Bereich nur teilweise mit einer gasförmigen Substanz gefüllt ist, kann jedoch der Rest des oberen Bereiches durch ein generell festgelegtes Volumen von Reserveflüssigkeit belegt sein.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung kann die gasförmige Substanz eine Dampfphase der zu pumpenden Flüssigkeit umfassen oder ein unterschiedliches nicht kondensierbares Gas oder eine Mischung der beiden. Die gasförmige Substanz in dem oberen Bereich des vergrößerten Bereichs 40 der Reservoirkammer 22 oberhalb der Kolbenanordnung 12 stellt ein Maß an elastischer Kompressibilität und Expansibilität zur Verfügung, welches Druckschwankungen oberhalb der Kolbenanordnung 12 über jeden Kolbenanordnungshubzyklus minimiert.
Weiterhin ist in Bezug auf 1 der obere größere Bereich 40 derart groß ausgebildet und so geformt, um die Druckschwankungen in dem oberen Volumen während jedem Zyklus der Hubkolbenanordnungsbewegung zu minimieren. Am meisten bevorzugt ist die Temperatur der gasförmigen Substanz oberhalb der Kolbenanordnung 12 durch eine Wärmeleitungseinrichtung 44 gesteuert, um das geeignete Gasvolumen und den Druck innerhalb des oberen Bereichs 40 aufrecht zu erhalten. Die bestimmte Wärmeübertragungseinrichtung, die eingesetzt wird, bildet keine Limitierung der breitesten Aspekte der vorliegenden Erfindung und kann irgendeine aus einer Anzahl von verschiedenen Wärmeübertragungsquellen, die üblicherweise bekannt sind und dem Fachmann klar sind, umfassen. Beispielsweise kann die Wärmeübertragungseinrichtung 44 elektrische Heizelemente, Spulen eines zirkulierenden Fluids oder Umgebungskonvektionssysteme umfassen. Sofern gewünscht oder verlangt, kann ein Gaseinlassventil 46 zur Steuerung des Flusses der gasförmigen Substanz in den oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 des Zylinders 14 und ein Gasauslassventil 48 zur Steuerung des Auslasses der gasförmigen Substanz aus dem oberen Bereich vorgesehen werden, basierend auf den Eigenschaften der zu pumpenden Flüssigkeit, wie zum Beispiel der Flüssigkeitstemperatur, der Flüssigkeitsdruck und des Dampfdrucks.
Weiterhin umfasst in Bezug auf 1 die Pumpe 10 ein linearmagnetisches Antriebssystem, generell gezeigt bei 50. Das Antriebssystem 50 umfasst einen Stator 52, welcher dicht benachbart zur äußeren Wandung 16 des passenden Zylinders 14 außerhalb des geschlossenen Innenraums 18 angeordnet ist und die Kolbenanordnung 12 aufnimmt. Der Stator 52 ist die Quelle der magnetischen Kraft, die auf die Kolbenanordnung 12 einwirkt, um eine Hin- und Herbewegung dieser Anordnung zu bewirken. Der Stator 52 ist aus einer Vielzahl von magnetisch weichen Polstücken 54 (bevorzugt aus Eisen ausgebildet) und einer Vielzahl von spulenförmigen Drahtwindungen 56 (bevorzugt aus isoliertem Kupfer) aufgebaut. Beide, sowohl die Weichpolstücke als auch die spulenförmigen Drahtwindungen sind im Wesentlichen ringförmig in der Raumform und abwechselnd entlang in der zentralen Achse des Stators 52 gestapelt angeordnet.
Der Stator 52 erzeugt ein sich linear bewegendes magnetisches Feld in der Richtung der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung 12 und dieses bewegende Magnetfeld wird durch Modulation von elektrischem Strom, der zu den spulenförmigen Drahtwindungen 56 geleitet wird, durch elektrische Leiter 58, die mit einer Elektronik und einem Energieversorgungspaket 60 irgendeiner bekannten Konstruktion verbunden sind, erzeugt. Die Elektronik und das Energieversorgungspaket 60 erzeugen angesteuert durch ein Softwareprogramm als Teil eines externen Mikroprozessors (nicht gezeigt) bekannter Konstruktion eine modulierte Steuerung der Spannung und Frequenz für den elektrischen Strom zu den Windungen des Stators, wodurch ein sich linear bewegendes Magnetfeld erzeugt wird, um die Kolbenanordnung 12 in entgegengesetzten linearen Richtungen innerhalb des geschlossenen Innenraums 18 des Zylinders hin und her zu bewegen. Insbesondere wirkt das modulierte magnetische Feld des Stators 52 mit dem Anker 62 zusammen, welcher einen Teil der Kolbenanordnung 12 bildet.
Weiterhin ist in Bezug auf 1 der Anker 62 aus einer Vielzahl von Permanentmagneten 64 und einer Vielzahl von magnetischen Weichpolstücken 66 (bevorzugt aus Eisen) aufgebaut. Die Permanentmagneten 64 und die Polstücke 66 sind im Wesentlichen ringförmig in ihrer Raumform und sind abwechselnd über einen Zentraldorn 58 entlang der Mittellinienachse des Ankers gestapelt. Der Stator 52 und der Anker 62 umfassen einen Polyphasenlinearmotor und das Zusammenwirken der statischen Magnetfelder der Ankermagnete mit dem dynamischen Statormagnetfeld erzeugt die Antriebskraft für das Hin- und Herbewegen der Kolbenanordnung 12 innerhalb des Innenraums 18 des Zylinders 14.
Wie beschrieben, ist in der bevorzugten Ausführungsform der Pumpe 10 der Stator 52 koaxial zum Zylinder 14 und außerhalb der äußeren Wandung 16 hiervon montiert. Hierdurch wird der Stator durch die zu pumpende Flüssigkeit oder durch das Gas, welches innerhalb des oberen Bereichs 40 des Zylinders 14 oberhalb der Kolbenanordnung 12 enthalten ist, nicht benetzt. Der ringförmige Spalt zwischen dem Außendurchmesser des Ankers 62 und dem Innendurchmesser des Stators 52, durch welchen die Magnetfeldlinien verdichtet werden, ist als der „Luftspalt" bekannt, der mit 68 in der teilweise vergrößerten Ansicht des Stators 52 und des Ankers 62, gezeigt in 1, gezeigt ist. Bei dieser Anordnung ist die äußere Zylinderwandung 16 in dem Luftspalt 68 angeordnet und ist deswegen aus einem nicht magnetischen Material gefertigt.
In einer alternativen Anordnung (nicht gezeigt) kann der Stator 52 innerhalb der Zylinderdruckgrenze montiert sein. Diese Anordnung ist jedoch weniger bevorzugt, da sie den Stator 52 der Pumpenflüssigkeit und/oder dem oberen Volumen von Gas 40 innerhalb des Innenraums 18 des Zylinders 14 aussetzt. In Anbetracht dieser Aussetzung muss die Materialkompatibilität zwischen den Statorkomponenten und diesen Fluiden (z. B. Stator mit Flüssigkeit und Stator mit Gas) abgestimmt werden und verlangt, dass eine Druckaussetzung in der Konstruktion des Stators 52 mit berücksichtigt wird.
Wie am oberen Ende der Pumpe 10 gesehen werden kann, ist ein Lagerückmeldungssensor 72 vom magnetorestriktiven Typ in einer nicht kontaktierenden Verbindung benachbart zur Kolbenanordnung 12 montiert, um ein elektrisches Rückmeldesignal zur Verfügung zu stellen, welches schematisch mit 73 gekennzeichnet ist und welches den Ort und die Geschwindigkeit des Kolbens 13 repräsentiert. Dieses Rückmeldesignal 73 wird zu der Elektronik und zum Energieversorgungssteuerpaket 60 geleitet, welches dann die Spannung und die Frequenz des Stromes, der durch die elektrischen Leiter 58 zu den Statorwindungen 56 geleitet wird, steuert. Die Anwendung dieses Rückmelde- oder „Regelkreis"-Systems ist in dieser Erfindung bevorzugt, da das Rückmeldesignal die Leistung des magnetischen Antriebsystems verbessert. Es soll jedoch verstanden werden, dass die Anwendung eines Rückmeldesystems nicht zwingend ist und eine Betriebsart mit offenem Regelkreis ohne einem Lagerückmeldesystem entsprechend den weitesten Aspekten dieser Erfindung auch angewendet werden kann.
Wie gezeigt, ist die Pumpe 10 in einer im Wesentlichen vertikalen Orientierung gezeigt, welche am meisten bevorzugt ist. Eine Abweichung von dieser vertikalen Orientierung ist jedoch bis zu einem bestimmten Grad erlaubt, solange wie die eine relativ ausgeprägte Grenzschicht 74 zwischen der Flüssigkeit und den Gasphasen des Innenraums 18 des Zylinders aufrecht erhalten wird und diese Grenzschicht in der Reservoirkammer 52 auf einer Höhe deutlich oberhalb des Kolbendichtungsgliedes 17 liegt. Insbesondere stellt eine Orientierung der Pumpenarbeitsachse 27, die die Horizontale erreicht, ein Verlustrisiko für Gas aus der Reservoirkammer 22 des Innenraums 18 hin zur Ausgabekammer 20 unterhalb des Kolbendichtungsgliedes 17 und schließlich für das Arbeitshubvolumen, welches durch den Kolben 13 verschoben wird, dar. Dieser Gasverlust kann durch eine angeregte Mischung dieser beiden Fluide (Gas und Flüssigkeit) unmittelbar oberhalb des Kolbendichtungsgliedes 17 ausgelöst werden. Eine Mischung oberhalb des Kolbendichtungsgliedes 17 findet wegen der Bewegung der Kolbenanordnung 12 und der Aktivität der Fluide wegen ihrem relativen Auftrieb zueinander statt. Es wird sich eine Abwärtsleckage dieser Gas- und Flüssigkeitsmischung hinter das Dichtungsglied 17 ergeben, weil der Druckunterschied über dieses Dichtungsglied für die Fluidleckage in dieser Richtung eingerichtet ist. Jede Gasleckage in dem Bereich der Ausgabekammer 20 unterhalb des Kolbens 13 wird in den Pumpenausgangsstrom münden. Solch ein Gasverlust erfordert eine Gasnachführung bzw. Gasergänzung zum oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22, was die Betriebssteuerung der Pumpe verkompliziert. Der erlaubte Grad der Abweichung der Pumpenarbeitsachse 27 von ihrer vertikalen Orientierung ist eine Funktion des relativen Dichteverhältnisses der zu pumpenden Flüssigkeit zu der des Gases in dem oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 sowie auch anderer Parameter, wie zum Beispiel der Hublänge der Kolbenanordnung und der Zyklusgeschwindigkeit des Hubes. Eine genaue Eingrenzung einer erlaubten winkligen Orientierung relativ zur Vertikalen kann nicht gemacht werden, da die Anzahl der Einflussfaktoren für die Ausbildung solch einer Grenze groß ist. Es soll jedoch angemerkt werden, dass, wenn die Pumpe 10 in einer sich bewegenden Installation montiert ist und Momenten oder zyklischen Beschleunigungen ausgesetzt ist, solche Beschleunigungen vektoriell zu der Gravitationsbeschleunigung addiert werden müssen, um weitergehend die erlaubte Abweichung der Pumpenarbeitsachse 27 von der Vertikalen zu begrenzen.
In der am meisten bevorzugten Betriebsart wird die Nennflüssigkeits-/Gasgrenzschicht 74 deutlich oberhalb des Dichtungsgliedes 17 während des gesamten Hin- und Herhubes des Kolbens gehalten, d.h. sowohl die Oberseite 75 als auch die Unterseite 77 des Dichtungsgliedes 17 verbleiben nur in der flüssigen Phase, wenn der Kolben 13 zwischen seinen proximalen (oberen) und distalen (unteren) Enden der Hin- und Herbewegung hin und her bewegt wird. Das wichtige Merkmal ist, die gasförmige Substanz innerhalb der Reservoirkammer 22 des Zylinders 14 an der Bewegung hinter das Dichtungsglied 17 in die Flüssigkeit, die von der Ausgabekammer 20 gepumpt wird, auszuschließen. Dies wird dadurch erreicht, dass wenigstens die untere Seite 77 des Dichtungsgliedes 17 innerhalb der flüssigen Phase gehalten wird, wenn der Kolben 13 in einem Ausstoßtakt zwischen seinen proximalen und distalen Grenzen der Hin- und Herbewegung hin und her bewegt wird.
Die optimale Stelle für die Grenzschicht 74 ist abhängig von den aktuellen Eigenschaften der zu pumpenden Flüssigkeit. Insbesondere sind die Temperaturanforderungen für die zu pumpende Flüssigkeit von der Ausgabekammer 20 und für die gasförmige Substanz in dem oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 relativ zu den akzeptablen Betriebstemperaturgrenzen des Stators 52 und des Ankers 62 kritische Faktoren, die bei der geeigneten Auslegung des Ortes der Flüssigkeits-/Gasgrenzschicht 74 entlang der Länge der Kolbenanordnung 12 berücksichtigt werden müssen.
Es ist wichtig, dass der Druck des Gases und der Flüssigkeit innerhalb der Reservoirkammer 22 auf einem Niveau gehalten wird, dass sichergestellt ist, dass die Nettoflüssigkeitsleckage hinter das Kolbendichtungsglied während jedes Zyklusses der Hin- und Herbewegung im Wesentlichen null ist. Insbesondere bei einem Abwärts- oder Flüssigkeitsausgabehub der Kolbenanordnung 12 ist die Leckage hinter das Kolbendichtungsglied 17 nach oben gerichtet, während bei einem Aufwärts- oder Rückhub (Saugbetrieb) der Kolbenanordnung die Leckage abwärts gerichtet ist, wobei vom Leckagereservoir 76, welches oberhalb des Kolbendichtungsgliedes 17 existiert, während des gesamten Aufwärtshubes des Kolbens 13 Flüssigkeit entnommen wird.
Die explizite Höhe oder das Volumen des Leckagereservoirs an Flüssigkeit 76 in der Reservoirkammer 22 ist nicht unbedingt konstant, sondern schwankt etwas über den Vorgang eines jeden Hin- und Herbewegungszyklusses der Kolbenanordnung 12. Eine Nettonullkolbenleckage in jedem Zyklus ergibt über einen Zeitdurchschnitt ein Niveau einer Flüssigkeits-/Gasgrenzschicht, welche weder steigt noch fällt, d.h. ein Durchschnittsniveau, welches im Wesentlichen in der Höhe gleich bleibt. Natürlich wird eine schlagartige Anhebung der Flüssigkeits-/Gasgrenzschicht 74 nominell steigen und fallen wegen der Schwankungsleckage hinter das Kolbendichtungsglied 17 als Ergebnis der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung 12 entlang seiner Hublänge und des resultierenden schwankenden Differenzdrucks über das Dichtungsglied. Wie vorher bereits angedeutet, ist das Niveau der Flüssigkeits-/Gasgrenzschicht 74 über einen Zeitdurchschnitt weder ansteigend noch abfallend.
Die Steuerung des Druckes der gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22, μm eine Nettonullleckage von Flüssigkeit hinter das Kolbendichtungsglied 17 zu gewährleisten, kann durch mehrere Einrichtungen erreicht werden. Insbesondere wird der Druck auf ein Niveau ungefähr in der Mitte zwischen dem Flüssigkeitseinlassdruck und dem Flüssigkeitsausgabedruck der Pumpe gesteuert. Eine Variierung im Druck der gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 beeinflusst die Flüssigkeitsleckagerate hinter das Kolbendichtungsglied 17. Diese Leckage kann möglicherweise in verschiedenen Raten in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung auftreten, wenn sich die Kolbenanordnung 12 jeweils abwärts oder aufwärts bewegt. Der Druck der gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 42 und der Druck in der Ausgabekammer 20, wenn sich die Kolbenanordnung 12 entlang des Hubvolumens bewegt, hilft, den Druckunterschied zu definieren, welcher die Flüssigkeitsleckage hinter das Kolbendichtungsglied 17 an allen Stellen der Bewegung der Kolbenanordnung 12 befördert. Vorausgesetzt, dass der Druck im Hubvolumen der Ausgabekammer 20 durch die Prozessanwendung der Pumpe festgelegt ist, wird der Druck des gasförmigen Volumens im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 42 derart gesteuert, dass die Aufwärts- und Abwärtsflüssigkeitsleckageraten hinter das Kolbendichtungsglied 17 derart eingestellt werden, dass die Bedingungen für eine nominale Nettonullleckage während jedem vollen Hin- und Her-Zyklus der Kolbenanordnung 12 erreicht werden. Die Flüssigkeitsleckage hinter das Kolbendichtungsglied 17 findet in der Richtung von hohem zu niedrigem Druck über das Kolbendichtungsglied statt und die Menge dieser Leckage steigt mit einem ansteigenden Druckunterschied über dieses Dichtungsglied.
Die gasförmige Substanz, welche sich im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 oberhalb der Kolbenanordnung 12 befindet, hat eine Energiespeicherfunktion. Insbesondere benötigt die Aufwärtsbewegung der Kolbenanordnung während ihres Ansaughubes eine nur geringe magnetische Energiezufuhr, um Flüssigkeit niedrigen Drucks in das Hubvolumen der Ausgabekammer 20 unterhalb des Kolbens 13 einzusaugen. Der Druckunterschied über die Kolbenanordnung 12 benötigt jedoch eine nennenswerte magnetische Arbeitsenergiezufuhr von dem linearmagnetischen Antriebssystem 50 während der Aufwärtsbewegung der Kolbenanordnung 12. Im darauffolgenden Abwärts- oder Ausgabehub verlangt der hohe Druck, der in der gepumpten Flüssigkeit unterhalb des Kolbens 13 aufgebaut wurde, wenn die Flüssigkeit durch das Auslassventil 36 abgegeben wird, eine signifikante Arbeitszufuhr. Die Arbeitszufuhr, die während des Abwärts- oder Ausgabehubes des Kolbens 13 zur Verfügung gestellt wird, wird teilweise durch die magnetischen Feldlinien zwischen dem Anker 62 und dem Stator 52 zur Verfügung gestellt und der Rest der Arbeit wird durch die Rückexpansion der komprimierten gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 zur Verfügung gestellt. Die Zufuhr von magnetischer Energie während des Aufwärtshubs der Kolbenanordnung 12, die in der gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 als Druck-/Volumenenergie gespeichert ist, wird wiederum zur Kolbenanordnung 12 während des Abwärtshubes abgegeben. Dies erlaubt eine nominal gleichbleibende Belastung des magnetischen Antriebssystems 50 sowohl während des Aufwärts- und des Abwärtshubes der Kolbenanordnung 12.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine Speicherung von potentieller Energie während des Aufwärts- oder Rücksaughubes der Kolbenanordnung 12 durch eine Kompressionsfeder 78 erreicht werden, entweder mit oder ohne einer gasförmigen Substanz, welche zwischen der oberen inneren Oberfläche des Zylinders 14 und dem oberen oder proximalen Ende (Endoberfläche) der Kolbenanordnung 12 arbeitet. Es liegt ebenfalls innerhalb des Bereichs der Erfindung, einige andere mechanische, elektrische oder magnetische Energiespeicherkomponenten anstelle oder zusätzlich zur vorbeschriebenen komprimierten gasförmigen Substanz, zu verwenden. Die Verwendung dieser alternativen Speichereinrichtungen ist jedoch nicht so bevorzugt wie die Anwendung der gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22, da die Einbeziehung dieser zusätzlichen Elemente zusätzliche Komplikationen erzeugt.
Es soll angemerkt werden, dass die Pumpe 10 in Übereinstimmung mit der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung derart konfiguriert ist, dass alle dynamischen Dichtungen zwischen der gepumpten Flüssigkeit und der benachbarten Umgebung der Pumpe verhindert sind, um so einen hermetisch abgedichteten Aufbau zur Verfügung zu stellen.
Die dynamischen Dichtungen, die in Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik eingesetzt werden, arbeiten, um den Austritt einer Flüssigkeit von einer unter Druck gesetzten Zone in eine Umgebungszone niedrigeren Drucks zwischen Körpern, die üblicherweise das unter Druck gesetzte Fluid beinhalten und relativ zueinander in Bewegung sind, zu vermindern. In üblichen Hubkolbenpumpen ist der stationäre Körper typischerweise als Pumpengehäusedichtung und der bewegte Körper als Pleuelstange (Kolbenstange) ausgebildet. Die Kolbenstange tritt in das Pumpengehäuse ein, um mechanische Arbeit auf das Fluid auszuüben. Die Verwendung solcher dynamischer Dichtungen wird durch die hermetisch gedichteten Varianten der vorliegenden Erfindung verhindert. Gemäß dem breitesten Aspekt dieser Erfindung müssen jedoch die Hubkolbenpumpen nicht unbedingt als hermetische Pumpen ausgebildet sein.
Die sich hin- und herbewegende Kolbenanordnung 12 wird durch magnetische Feldlinien angetrieben, welche durch eine elektromagnetische Einrichtung, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Insbesondere wird die Bewegung der Kolbenanordnung 12 derart erzeugt, dass sie durch das Modulieren von vielfachen externen Magnetfeldern auftritt. Die Modulation von externen Magnetfeldern wird durch die Modulation der elektrischen Ströme, die die Magnetfelder erzeugen, erreicht und diese Modulation erlaubt eine variable Steuerung der Bewegung der Kolbenanordnung, was eine variable und einstellbare Steuerung der Länge der linearen Hübe der Kolbenanordnung, die Zyklusfrequenz der Kolbenanordnung, wie auch die Steuerung des Ortes, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Kolbenanordnung über den gesamten Bewegungspfad der Anordnung in den entgegengesetzten Linearrichtungen zu jedem Zeitpunkt dieser zyklischen Bewegung umfasst.
In einer bevorzugten Betriebsweise wird der Linearmotor so betrieben, dass er jeweils verschiedene Zeitperioden zur Vervollständigung des Saughubes und des Lieferungshubes der Kolbenanordnung 12 liefert, wobei der Saughub bevorzugt langsamer als der Lieferungshub ist.
In einer anderen bevorzugten Betriebsweise steuert der programmierbare Mikroprozessor einstellbar die zyklische Bewegung der Kolbenanordnung, so dass diese entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich ist. Das bedeutet, dass der Betrieb der Pumpe derart gesteuert werden kann, dass eine Bewegungspause beliebiger Zeitdauer an verschiedenen Orten innerhalb jedes Zyklusses der Kolbenanordnung oder zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen der Kolbenanordnung, wobei jeder Zyklus einen Saug- und einen Ausgabehub umfasst, zur Verfügung gestellt wird.
Wie bereits vorher in dieser Anmeldung erwähnt, kann in Übereinstimmung mit den weitesten Aspekten dieser Erfindung der Linearmotor über den programmierbaren Steuerer derart verwendet werden, um eine Anzahl verschiedener Attribute der Bewegung der Kolbenanordnung zu variieren.
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine zweite Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe in Übereinstimmung mit dieser Erfindung mit 100 gezeigt.
Die hermetische Hubkolbenpumpe 100 ist speziell für das Pumpen von Flüssigkeiten konstruiert, die sich unterhalb der Umgebungstemperatur befinden und welche bei Umgebungstemperatur nur in einem Dampfzustand vorliegen, zum Beispiel verflüssigte industrielle Gase, typischerweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Helium oder Methan. Bei diesem Aufbau ist das bevorzugte Verfahren zur Steuerung des Gasdruckes im oberen Bereich 102 der Reservoirkammer 22 oberhalb des Kolbendichtungsgliedes 7 das Abdampfen der flüssigen Phase, die gepumpt wird. Dies ergibt, dass im oberen Bereich 102 der Reservoirkammer 22 diese im Wesentlichen vollständig mit der Dampfphase der zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt ist. Sofern ein übermäßiger Dampfvorrat im oberen Bereich 102 der Reservoirkammer 22 vorhanden ist, wird die Flüssigkeit/Dampfgrenzschicht 104 nach abwärts zurückbewegt hin zu dem kryogenen Temperaturende 106 des geschlossenen Zylinders 108 und der Hubkolbenanordnung 110. Dies setzt einen Teil des Dampfvorrates kälteren Oberflächentemperaturen am unteren Ende des Bereichs der thermischen Gradation 112 aus. Dies löst eine Rückkondensierung aus, welche dann eine Reduktion des Dampfvorrates bewirkt und die Flüssigkeits-/Dampfgrenzschicht 104 nach oben zurückbewegt.
Umgekehrt, sofern ein ungenügender Dampfvorrat im oberen Bereich 102 vorhanden ist, wird die Flüssigkeits-/Dampfgrenzschicht 104 automatisch ansteigen, wobei die flüssige Phase oberhalb dem Kolbendichtungsglied 17 wärmeren Oberflächentemperaturen in der thermischen Gradationsregion (vergleiche oben) 112 ausgesetzt wird. Dies wird eine Verdampfung der Flüssigkeit verursachen, wodurch der Dampfvorrat im oberen Bereich 102 ergänzt wird.
Aus der obigen Erklärung soll es klar sein, dass die Steuerung des Dampfvorrates im oberen Volumen 102 der Pumpe 100 auf der Steuerung des thermischen Gradienten entlang der Länge des geschlossenen Zylinders 108 und der Kolbenanordnung 110 hierin basiert.
In den Fällen, bei denen die gasförmige Substanz des oberen Bereichs 102 vollständig oder weitgehend durch Dampf aus der zu pumpenden Flüssigkeit gebildet ist und der Druck oberhalb der Kolbenanordnung 110 oberhalb des kritischen Drucks der zu pumpenden Flüssigkeit liegt, wird keine ausgeprägte Flüssigkeits-/Dampfgrenzschichtoberfläche existieren. Insbesondere wird oberhalb dieses kritischen Drucks ein Gradient abnehmender Fluiddichte in der Richtung des thermischen Gradienten ansteigender Temperatur des Fluides existieren. In dieser letzteren Situation beeinflusst eine Mischung des kälteren und dichteren „flüssigkeitsähnlichen" Fluides mit dem wärmeren und weniger dichten „gasähnlichen" Fluid den Betrieb der Pumpe. Hinsichtlich der Pumpenkonstruktion müssen Anpassungen vorgenommen werden, um mit diesem Problem umzugehen, wie zum Beispiel das Vergrößern der Länge des thermischen Gradienten zwischen den flüssigkeitsähnlichen und gasähnlichen Bereichen, um eine minimale Vermischung dieser Fluide sicherzustellen, ein akzeptabler Wärmeaustausch durch Leitung und ein akzeptabler Wärmeaustausch durch ein Mischen vor Ort in stabilen Temperaturprofilen.
Es soll angemerkt werden, dass der oben erwähnte „kritische Druck" der Druck eines Fluides ist, bei dem keine ausgeprägte Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Phasen bei irgendeiner Temperatur existiert. Unterhalb dieses kritischen Druckes gibt es eine ausgeprägte Bedingung für die Kondensation von Gas zur flüssigen Phase bei der Verflüssigungstemperatur (auch bekannt als Siedetemperatur) und es wird eine Flüssigkeits-/Dampfgrenzschicht existieren.
Der Anker 114 und der Stator 116 des linearmagnetischen Antriebes (welche schematisch in 2 gezeigt sind, aber im Aufbau identisch zum Anker 62 und Stator 52, die in der Pumpe 10 verwendet werden, sein können) arbeiten bevorzugt bei etwas oberhalb der Umgebungstemperatur, um zu ermöglichen, dass Hitze (gezeigt durch Wellenpfeile 118 in 2), die durch elektrischen Widerstand und Wirbelstromverlusten erzeugt wurde hin zu den benachbarten Umgebungen und nicht zur gepumpten Flüssigkeit zurückgeführt wird. Es soll angemerkt werden, dass der Wärmeeintrag zur kryogenen Flüssigkeit die thermodynamische Pumpeneffizienz absenkt und die Anforderungen für NPSH im eintretenden Fluid erhöht.
Obwohl es in 2 weggelassen wurde, soll verstanden werden, dass das verwendete magnetische Antriebssystem in der Pumpe 100 identisch zu dem linearmagnetischen Antriebssystem 50, welches in der Pumpe 10 verwendet wird, sein kann. Das bedeutet, dass das linearmagnetische Antriebssystem, welches in der Pumpe 100 verwendet wird, zusätzlich zu einer Anker- und einer Statorkonstruktion, die im Wesentlichen identisch zum Anker 62 und Stator 52, die in der Pumpe 10 angewendet werden, eine externe Mikroprozessor-gesteuerte Elektronik und ein Energieversorgungspaket im Wesentlichen identisch zur Elektronik und dem Energieversorgungspaket 60, verwendet in der Pumpe 10, umfassen kann. Darüber hinaus kann die Steuerung der elektrischen Ausgabe des Pakets in der Pumpe 100 dieselbe sein, wie die Steuerung der elektrischen Ausgabe des Paketes 60 in der Pumpe 10, bevorzugt durch ein Softwareprogramm. Zusätzlich kann das Antriebssystem, welches in der Pumpe 100 verwendet wird, ein Lagerückmeldesystem des gleichen Typs, wie es in der Pumpe 10 verwendet wird, umfassen.
Wie vorher in dieser Anmeldung angemerkt, ist NPSH der Unterschied zwischen dem statischen Druck der Einlassflüssigkeit und dem Dampfdruck dieser Flüssigkeit bei der Einlasstemperatur, ausgedrückt mit dem Begriff der Höhe einer stehenden Flüssigkeit. Ungenügende NPSH resultiert in einer Flüssigkeitssiedung in einem Pumpeneinlassbereich. Dampfblasen resultieren aus dem Siedevorgang, kollabieren daraufhin schlagartig während der unter Drucksetzung im Pumpenprozess, was zu akustisch übertragenen Schockwellen in der Flüssigkeit führt. Dies kann den mechanischen Komponenten der Pumpe Schaden zufügen. Deshalb soll verstanden werden, dass eine Pumpenkonstruktion mit einer niedrigen notwendigen NPSH wünschenswert ist, um ein Pumpen aus Kesseln mit niedrigen Flüssigkeitsniveaus und somit einer niedrigen verfügbaren NPSH zu ermöglichen.
Die Ausgabekammer 20 unterhalb des Kolbendichtungsgliedes 17 muss auf einer kryogenen Temperatur gehalten werden, um den erforderlichen Temperaturgradienten in der Pumpe für richtiges Steuern der Flüssigkeits-/Dampfgrenzschichthöhe 104 auszubilden. Das Ansaugen der Pumpe 100 kann direkt von einer Einlassversorgungsleitung für kryogene Flüssigkeit (nicht gezeigt) oder von einem kryogenen Einlasssumpf 120 erfolgen. Die Verwendung eines Sumpfes ist bevorzugt, wenn die Menge des Unterkühlens der Einlassflüssigkeit 122 gering ist. Die Menge des „Unterkühlens", wie in dieser Anmeldung verwendet, bedeutet, der Unterschied zwischen der Temperatur der Einlassflüssigkeit und der Siedetemperatur dieser Flüssigkeit bei Einlassdruck.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung umfasst der Einlasssumpf 120 einen Druckkessel 124, der für den Druck der Flüssigkeit am Einlass zur Pumpe ausgelegt ist. Der Druckkessel 124 ist an seinem proximalen oder oberen Ende an das warme Ende der Pumpe 100 montiert und ist nominal eine axialsymmetrische Struktur, wobei die Achse des Druckkessels nominal mit der Zentrumslinie des äußeren Zylinders 108 und der Kolbenanordnung 110 zusammenfällt. Der Druckkessel 124 ist aus einem Material gefertigt, welches für kryogene Temperaturen geeignet ist und andererseits kompatibel mit der zu pumpenden Flüssigkeit ist.
Wie aus 2 gesehen werden kann, ist der Druckkessel 124 des Sumpfes mittels einer Adapterplatte 126 mit dem warmen Ende der Pumpe 100 verbunden, wobei diese Platte als Abdeckung für die Sumpfdrucköffnung bzw. den Sumpfdruckhohlraum innerhalb des Druckkessels dient. Der Sumpf 120 ist derart ausgelegt, um den Wärmeübergang von seinem warmen oberen Ende zum kalten Fußende zu minimieren und muss geeignet sein, den thermischen Gradienten entlang seiner vertikalen Länge aufrecht zu erhalten. Die äußere Oberfläche des Druckkessels 124 ist isoliert durch eine Vakuumhülle, schematisch angezeigt bei 128 oder durch andere geeignete Isoliereinrichtungen zur Verhinderung eines Wärmeübergangs (schematisch angezeigt durch Wellenlinien 130) von der umgebenden Nachbarschaft in den Sumpf 120.
Wie in 2 gezeigt, tritt kryogene Flüssigkeit, die durch die Pumpe 100 behandelt werden soll, in den Sumpf 120 durch eine geeignete Einlassleitung, schematisch angezeigt durch 132, über eine Öffnung in der Wandung des Druckkessels 124 ein. Danach wird die Flüssigkeit in die Pumpe 100 vom Sumpf 120 durch das Einlassventil 134, welches eine herkömmliche Konstruktion besitzt, die in der Lage ist, unter kryogenen Temperaturbedingungen zu arbeiten, eingezogen. Es soll verstanden werden, dass die Flüssigkeit in die Pumpe 100 durch einen reduzierten Druck im distalen Hubvolumen, der durch den Aufwärts- oder Saughub der Kolbenanordnung 110 erzeugt wird, eingezogen wird.
Auf der anderen Seite tritt Flüssigkeit, die von der Pumpe 100 während der Abwärtsbewegung der Hubkolbenanordnung 110 während eines Ausgabehubes abgegeben wurde, durch ein Auslassventil 136 aus und wird aus dem Sumpf 120 über eine stationäre aber separate, gedichtete Verbindung 138 ausgeleitet. Diese gedichtete Verbindung erlaubt es, die Pumpe 100 vom Sumpf 120 zu Wartungszwecken oder für irgendeine andere gewünschte Maßnahme zu entnehmen.
Alternativ kann für Applikationen bzw. Anwendungen, bei denen die Wärmeleitung zur abgegebenen Flüssigkeit erlaubt ist, die abgegebene Flüssigkeit aus dem Sumpf 120 durch eine Führung derselben durch die Adapterplatte 126, wie es schematisch durch die gestrichelte Linie 127 angedeutet ist, geführt werden. In dieser letztgenannten Anordnung muss die Adapterplatte 126 für eine lokal begrenzte Kälteeinwirkung geeignet ausgebildet sein und solch eine Ausbildung ist für Fachleute naheliegend und kann oftmals in kryogenen Vakuumhüllenanordnungen gefunden werden. Dementsprechend ist die genaue Konstruktion für das Empfangen von lokaler Kälteeinwirkung nicht als Grenze für die vorliegende Erfindung zu sehen und wird nicht mehr weiterhin diskutiert werden.
Der Sumpf 120 dient zusätzlich zur Funktion als Speicherkessel für die kryogene Flüssigkeit, die durch die Pumpe 100 gepumpt werden soll, auch als ein Sammler, um Schwankungen im Pumpensaugdruck während jedes Hubzyklusses der Kolbenanordnung 110 zu minimieren. Das Volumen des Dampfes 140 oberhalb der Flüssigkeit im Sumpf 120 dient als kompressibles Element, welches einen zyklischen, geringen Anstieg und Abfall des Flüssigkeitsniveaus 142 im Sumpf während jedem Hubzyklus der Kolbenanordnung erlaubt, mit dementsprechend minimierten Druckschwankungen oder Änderungen im Sumpf.
Die Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsniveaus 142 im Sumpf kann durch verschiedene Methoden im Wesentlichen abhängig von der Anwendung der Pumpe in einem größeren System gesteuert werden. Ein Verfahren ist das Steuern des thermischen Gradienten entlang des Sumpfkessels in der gleichen Art und Weise wie das Steuern des Flüssigkeits-/Gasgrenzflächenniveaus innerhalb des geschlossenen Zylinders 108, das vorbeschrieben wurde. Um eine gut definierte Stelle für das Flüssigkeitsniveau 142 zur Verfügung zu stellen, wird ein thermisch leitendes Element 144 durch die Adapterplatte 126 am warmen Ende des Sumpfkessels 124 an die niedrigere kalte Stelle, die für das Flüssigkeitsniveau im Sumpf gewünscht wird, montiert. Die äußere Oberfläche des thermisch leitenden Elements sollte bis auf das distale Ende desselben thermisch isoliert vom Wärmeübergang zum Volumen des Dampfes oberhalb der Flüssigkeit in den Sumpf 120 sein. Das untere oder distale Ende des Elements 144 liefert einen Siedebeginnpunkt für ein ansteigendes Flüssigkeitsniveau. Das warme obere Ende des thermisch leitenden Elementes 144 kann durch eine leitende Konvektionskonstruktion hin zur umgebenden Atmosphäre durch elektrische Elemente oder durch irgendwelche andere Einrichtungen, die für diesen Zweck geeignet sind, auf einer genügend warmen Temperatur gehalten werden. Die einzelnen Einrichtungen, die für das Warmhalten des oberen Endes des leitenden Elements 144 verwendet werden, werden nicht für eine Limitierung der breitesten Aspekte der vorliegenden Erfindung gehalten, wobei die einzelnen verwendeten Einrichtungen für den Fachmann naheliegend sind.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine alternative Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung mit 200 gezeigt. Der Aufbau dieser Pumpe ist im Wesentlichen identisch zum Aufbau der Pumpe 100 und deswegen haben Elemente in der Pumpe 200, die identisch sind zu Elementen in der Pumpe 100, die gleichen Bezugsziffern, wie sie in 2 verwendet wurden und funktionieren in der gleichen Art und Weise wie oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben. Diese Elemente werden nicht im Detail in Zusammenhang mit der Pumpe 200 beschrieben. Es soll verstanden werden, dass das magnetische Antriebssystem, welches in der Pumpe 200 verwendet wird, identisch zu den Antriebssystemen, die in der Pumpe 10 und 100 verwendet wurden, ist und deswegen nicht weiter diskutiert wird.
Die Pumpe 200 unterscheidet sich von der Pumpe 100 im Aufbau und dem Verfahren zur Steuerung des Flüssigkeitsniveaus 142 im Sumpf. Insbesondere ist das Verfahren und das System zur Steuerung des Flüssigkeitsniveaus 142 im Sumpf in der Pumpe 200 wünschenswert für Anwendungen, die niedrigen oder Nullpumpenflusses erfordern, aber wo die Pumpe und der Sumpf auf einer kalten Temperatur für einen schnellen Wiederstart gehalten werden müssen. In dieser Ausführungsform ist ein Kugelschwimmerventil 202 mit einer Dampfentlüftungsleitung für Sumpfdampf 204 verbunden. Das Kugelschwimmerventil 202 ist innerhalb des Sumpfkessels 124 auf dem gewünschten Flüssigkeitsniveau im Sumpf angeordnet. Sofern sich die Flüssigkeitsniveaulage unterhalb des Kugelschwimmerventils 202 befindet, was eine niedrige Flüssigkeitsbedingung anzeigt, öffnet das Kugelschwimmerventil 202, wobei ein Schwimmer 206 den Ventilsitz 208 durch den Gravitationseffekt öffnen kann. Dieses Öffnen des Ventils 202 erlaubt Dampf vom Sumpf 120 durch die Dampfentlüftungsleitung 204 zu entweichen, wobei die Entlüftungsleitung bei einem Absichern auf einen niedrigeren Druck als der Druck im Sumpf absperrt. Das Entlüften von Dämpfen durch die Dampfentlüftungsleitung 204 ermöglicht ein Ansteigen des Flüssigkeitsniveaus im Sumpf 120, weil ein größerer Einlassfluss an Flüssigkeit zum Sumpf auftritt, wegen der Reduzierung des Sumpfdruckes durch Dampfentnahme.
Im Gegensatz dazu schließt ein hohes Flüssigkeitsniveau innerhalb des Sumpfes 120 das Kugelschwimmerventil 202. Durch das Schließen der Dampfentlüftungsleitung vom Sumpf steigt das Dampfvolumen wegen des Siedens der Sumpfflüssigkeit, welches durch normalen Wärmeübertrag von dem warmen Ende des Sumpfkessels 124 nach unten hin zum distalen oder kalten Ende hiervon verursacht wird. Dieser Prozess erreicht einen nominalen stabilen Punkt, wobei das Flüssigkeitsniveau 142 in der unmittelbaren Nachbarschaft des Kugelschwimmerventils 202 angeordnet ist. In dieser Anordnung kann ein leitendes Element, wie das thermisch leitende Element 144, welches in 2 gezeigt ist, verwendet werden, um den Siedeprozess bei einer hohen Flüssigkeitsniveaulage zu beschleunigen. Die Verwendung des Kugelschwimmerventils 202 und der verbundenen Entlüftungsleitung 204 für Sumpfdampf verhindert bei niedrigen oder Nullpumpenflussbedingungen das Trockensieden des Sumpfes.
Es soll angemerkt werden, dass das Eingangssumpfflüssigkeitsniveau 142 den unteren oder distalen Punkt des thermischen Gradationsbereiches 210 des Zylinders und der Kolbenanordnung ausbildet. Flüssigkeit im Einlasssumpf 120 entfernt auch Reibungswärme aus der Wand des Zylinders 108, welche durch die Bewegung zwischen dem Flüssigdichtglied 17 und dem Kolben 13 erzeugt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist eine konvektionsverhindernde und isolierende Struktur 212 in dem Dampfraum des Sumpfes 120 montiert, um einen übertriebenen Wärmeübertrag durch den Dampf vom oberen warmen Ende zum unteren kalten Ende des Sumpfkessels 124 zu minimieren. Diese konvektionsverhindernde und isolierende Struktur 212 kann als irgendeine bekannte Konstruktion ausgebildet sein, die in der Lage ist, diese beabsichtigte Funktion zur Verfügung zu stellen, wie sie vorbeschrieben wurde.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine weitere Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß dieser Erfindung mit 300 bezeichnet. Die Pumpe 300 ist sehr ähnlich zur Pumpe 10, die in 1 gezeigt ist, ist aber in einer Art und Weise aufgebaut, um ein Gasvolumen oberhalb der Kolbenanordnung zur Verfügung zu stellen, welches mit einem nicht kondensierbaren Gas, welches unterschiedlich vom Dampf der Flüssigkeit, die gepumpt wird, ist. Zum Zwecke der Kürze sind Elemente in der Pumpe 300, die die gleichen sind, wie korrespondierende Elemente in der Pumpe 10 durch gleiche Bezugszeichen, wie sie in 1 verwendet werden, gekennzeichnet und werden nicht mehr detailliert diskutiert. Es soll angemerkt werden, dass das magnetische Antriebssystem, welches in der Pumpe 300 verwendet wird, identisch zu den Antriebssystemen, die in vorbeschriebenen Pumpen 10, 100 und 200 verwendet werden, ist.
Die Pumpe 300 ist insbesondere für das Pumpen von Flüssigkeiten, die näher an Umgebungstemperaturen (nicht kryogene Flüssigkeiten) liegen, ausgebildet und bei dem der Einlasstemperaturdampfdruck solcher Flüssigkeiten ein schmaler Teilbereich des durchschnittlichen Flüssigkeitsdruckes des Einlasses und Auslasses ist. Bei diesem Typ von Pumpe muss der Bereich des oberen Bereichs 40 der Reservoirkammer 22 oberhalb der Kolbenanordnung 12 mit einem nicht kondensierbaren Gas gefüllt sein. Ein gewünschter Vorrat an Gas muss durch das Zufügen oder Entfernen von Gas durch gesteuerte Ventile 302 und 304 jeweils am oberen Volumeneinlass und -auslass aufrecht erhalten werden. Der Betrieb dieser Ventile 302 und 304, um einen geeigneten Ort der Flüssigkeits-/Gasgrenzfläche 74 entlang der Länge der Kolbenanordnung 12 aufrecht zu erhalten, wird erreicht oder gesteuert durch geeignete Messinstrumente und Steuereinrichtungen für das Flüssigkeitsniveau, welche für den Fachmann bekannt sind und keine Einschränkung der breitesten Aspekte der Erfindung bilden. Beispielsweise gibt es mehrere potentiell geeignete Verfahren zum Bestimmen des Flüssigkeitsniveaus und zur Steuerung des Betriebes der Ventile, um das gewünschte Niveau aufrecht zu erhalten, eine Auswahl derselben im Einzelnen würde für einen Fachmann nahe liegen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpe 300 mit einem Druckübertrager 306, der mit dem oberen inneren Bereich des oberen Bereichs 40 der Reservoirkammer 22 kommuniziert, ausgestattet. Der Druck der gasförmigen Substanz im oberen Bereich 40 der Reservoirkammer 22 wird normalerweise zwischen einem Maximum- und einem Minimum-Wert während jedes Zyklusses der Hubbewegung der Kolbenanordnung 12 schwanken. Ein Ventilsteuerer 308 wird durch die Ausgabe des Druckübertragers angesteuert, um die Steuerventile 302 und 304 in einer Art und Weise anzusteuern, die darauf ausgelegt ist, den Gasdruckschwankungsspitzenunterschied zwischen einem akzeptablen Maximum und einem akzeptablen Minimum vorbestimmter Werte zu halten. Ein außergewöhnlich niedriges Gasvolumen steigert den zyklischen Druckschwankungsunterschied. Ein außergewöhnlich hohes Gasvolumen senkt den zyklischen Druckschwankungsunterschied ab. Die Auswahl des nicht kondensierbaren Gases für das obere Volumen 40 muss kompatibel sein mit der zu pumpenden Flüssigkeit und sollte nicht als eine Verunreinigung im Pumpenausgangsstrom angesehen werden, da eine geringe Menge an Gas in der gepumpten Flüssigkeit aufgelöst werden wird.
Unter Bezugnahme auf 4A ist ein abgewandelter Aufbau der Pumpe 300 gezeigt, welcher erlaubt, die Pumpe mit einem nicht kondensierbaren Gas, welches nicht kompatibel mit der zu pumpenden Flüssigkeit sein muss und derzeit als Verunreinigung für diese Flüssigkeit angesehen wird, erlaubt. In dieser modifizierten Konstruktion ist ein flexibles Element 310, bevorzugt in der Form eines Stahlbalges aus rostfreiem Stahl für das Zurückhalten des nicht kondensierbaren Gases und das Trennen dieses Gases von der Flüssigkeit im oberen Bereich der Reservoirkammer 22 vorgesehen. Der Balg 310 kommuniziert mit einem Gaseinlass- und -auslass durch jeweils Einlassgas- und Auslassgas-gesteuerte Ventile 302 und 304 jeweils. Der Betrieb dieser Ventile 302 und 304, um einen gewünschten Gasdruck in den Balgen aufrecht zu erhalten, kann der gleiche sein, wie oben beschrieben im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Pumpe, die in 4 gezeigt ist. Insbesondere kann die Pumpe mit einem Druckübertrager 306, der mit der inneren Region des Balges 310 durch eine obere Wandung 26 der Reservoirkammer 22 kommuniziert. Der Druck der gasförmigen Substanz in den Balgen wird normalerweise zwischen einem Maximum- und einem Minimum-Wert während jedes Zyklusses der Hubbewegung der Kolbenanordnung 12 schwanken. Ein Ventilsteuerer 308 wird durch den Auslass des Druckübertragers zur Ansteuerung der Steuerventile 302 und 304 in einer Art und Weise angesteuert, die den Gasdruckschwankungsspitzenunterschied zwischen akzeptablen maximalen und minimalen vorbestimmten Werten hält. Ein übermäßig niedriges Gasvolumen steigert den zyklischen Druckschwankungsunterschied. Ein übermäßig hohes Gasvolumen senkt den zyklischen Druckschwankungsunterschied ab.
Unter Bezugnahme auf 5 ist noch eine andere Ausführungsform einer hermetischen Hubkolbenpumpe gemäß der Erfindung mit 400 gezeigt. Diese Pumpe 400 umfasst, wie die Pumpe 300, eine Anzahl von Elementen, die ähnlich sind zur Pumpe 10, die in 1 gezeigt ist. Die Pumpe 400 hat jedoch besondere Eigenschaften, die sie extrem gut geeignet machen für das Pumpen von Flüssigkeiten, die in der Nähe von Umgebungstemperaturen sind und wo der Dampfdruck solcher Flüssigkeiten auf Einlasstemperatur ein wesentlicher Teil des Flüssigeinlassdruckes ist und wobei der Dampfdruck signifikant mit einem Anstieg in der Temperatur ansteigt. In dieser Umgebung kann der Bereich des oberen Bereichs 40 der Reservoirkammer 22 oberhalb der Kolbenanordnung 12 alleine aus Dampf der Flüssigkeit zusammengesetzt sein, wenn der obere Bereich 40 oberhalb der Kolbenanordnung auf einer Temperatur oberhalb der der Flüssigkeit darunter durch das Vorsehen verschiedener Wärmeübertragungseinrichtungen 44 gehalten wird, um ein geeignetes Gasvolumen aufrecht zu erhalten. Die Wärmeübertragungseinrichtungen 44 können irgendwelche bekannten Vorrichtungen, wie bereits vorher im Zusammenhang mit der Pumpe 10 diskutiert, die in 1 gezeigt ist, sein. Diese Diskussion wird im Folgenden zum Zwecke der Kürze nicht wiederholt werden. In ähnlicher Art und Weise kann es notwendig sein, eine Wärmeübertragungseinrichtung am warmen Ende des thermischen Gradienten 402 zur Aufrechterhaltung des thermischen Gradienten vorzusehen. Diese Wärmeübertragungseinrichtungen 406 können Kühlwassersäulen, Umgebungskonvektionswärmeübertragungsoberflächen oder irgendwelche anderen für den Fachmann bekannte Einrichtungen sein.
Die Pumpe 400 kann für das Pumpen flüssigen Propans oder als eine Siedespeisewasserpumpe verwendet werden. In der letzteren Anwendung kann der obere Bereich 40 der Pumpe 400 mit Überschussdampf vom Sieder mit Verbrennungsabgas oder durch unabhängige Einrichtungen, wie vorher bereits offenbart, geheizt werden. Für diese Anwendungen sind der Stator 52 und der Anker 62 besonders bevorzugt nahe dem distalen oder unteren Temperaturende der Pumpe montiert, wo die Flüssigkeit, die gepumpt werden soll, angeordnet ist. Es soll angemerkt werden, dass das magnetische Antriebssystem, welches in der Pumpe 400 verwendet wird, identisch ist zu den Antriebssystemen, die in den vorher beschriebenen Pumpen 10, 100, 200 und 300 verwendet sind und werden hier deshalb nicht weiter diskutiert.
Eine thermische Gradationsregion, die schematisch durch die Bezugsziffer 402 gezeigt ist, wird derart ausgebildet, dass sie in der Flüssigkeit, die gepumpt werden soll, wie auch in dem äußeren Zylinder 14 und der Kolbenanordnung 12 zwischen den thermisch getrennten heißen und warmen Enden der Pumpe liegt. Die Flüssigkeit-/Gasgrenzfläche 74 ist in dieser thermischen Gradationsregion angeordnet.
Es ist wichtig, eine gewünschte thermische Isolation der beiden Temperaturzonen in der Pumpe 400 auszubilden, da eine übermäßige Temperatur schädlich für Komponenten des Linearmotorantriebsystems sein kann, wie zum Beispiel für Permanentmagnete und für die Isolation auf den elektrischen Windungen, die einen Teil des Stators bilden. Um die gewünschte thermische Isolierung zwischen den zwei Temperaturzonen zu erreichen, wird ein Isolierabstandshalter 404 als Teil der Kolbenanordnung 12 zur Verfügung gestellt. Dieser Isolierabstandshalter 404 verhindert auch die übermäßige Vermischung von Flüssigkeit oberhalb des Ankers 62. Solch eine Vermischung kann einen erhöhten Wärmeübertrag zwischen den beiden Temperaturregionen bewirken.
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine weitere Ausführungsform einer hermetischen Pumpe gemäß dieser Erfindung bei 500 gezeigt. Diese Pumpe unterscheidet sich von vorher offenbarten Ausführungsformen darin, dass eine gasförmige Substanz nicht auf das zur Verfügung stellen der Energiespeicher- und -freigabefunktionen beschränkt ist. Darüber hinaus ist das Energiespeicher- und -freigabemedium in der Pumpe 500 außerhalb des Kolbenzylinders 502, der die Hubkolbenanordnung 12 beinhaltet.
Die Merkmale der Pumpe 500, die die gleichen sind oder im Wesentlichen die gleichen sind, wie die Merkmale in der Pumpe 10, die in der 1 gezeigt ist, werden durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, wie in 1.
Die Hubkolbenanordnung 12 ist im Wesentlichen identisch zu den vorbeschriebenen Kolbenanordnungen, kann jedoch etwas kürzer in der Länge sein. Wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen ist ein Dichtungsglied 17 zwischen der Kolbenanordnung 12 und dem Zylinder 502 vorgesehen, um den Innenraum in eine Ausgabekammer 20 und eine Reservoirkammer 22 zu unterteilen.
Wie in 6 gesehen werden kann, umfasst die Reservoirkammer 22 des Zylinders 502 eine obere Balgensektion 504 und ist komplett mit zu pumpender Flüssigkeit gefüllt. Da die Flüssigkeit, die die Reservoirkammer 22 füllt, und grundsätzlich nicht kompressibel ist und weil nur eine sehr geringe Leckage der Flüssigkeit hinter das Dichtungsglied 17 auftreten wird, ist das Volumen innerhalb der Reservoirkammer relativ festgelegt.
Wie in 6 gesehen werden kann, umfasst das obere Ende der Balgensektion 504 eine kraftübertragende Endplatte 506, gegen die ein Ende einer Druckfeder 508 gespannt ist. Das gegenüberliegende Ende der Druckfeder ist gegen eine proximale Montageplatte 510 der Pumpe, die an ein Ende der umfänglich beabstandeten Lagerelemente 512 gesetzt ist, gespannt. Die gegenüberliegenden Enden der Lagerelemente 512 sind durch irgendwelche geeignete Maßnahmen, zum Beispiel Schweißen an der äußeren Oberfläche des Zylinders 502 befestigt. Die Anzahl der beabstandeten Lagerelemente kann variiert werden, um eine Lagerung für die Montageplatte 510 an verschiedenen, vielen Stellen, zum Beispiel 3 oder 4 Stellen zur Verfügung zu stellen. Es soll verstanden werden, dass in der Pumpe 500 die Druckfeder 508 das Energiespeicher- und -freigabemedium ist.
Jedes der Lagerelemente 512 umfasst einen Einschnitt zwischen seinen Enden, um jeweils abwärts und aufwärts gerichtete Anschlagoberflächen 516 und 518 zu bilden. Diese Anschlagflächen begrenzen die Menge der erlaubten Ausdehnung und der erlaubten Kompression des Balges 504, um somit die elastischen Eigenschaften des Balges zu bewahren. Diese Anschlagflächen 516 und 518 sollen während des normalen Betriebs nicht die Kraftübertragerendplatte 506 steuern, sind jedoch eher Grenzen der Bewegung während des Anlaufs oder dem Abschalten oder anderen Übergangszuständen.
Da die Kolbenanordnung 12 entlang eines Saughubes hin zur proximalen Montageplatte 510 bewegt wird, wird das Hubvolumen der Kolbenanordnung in der Reservoirkammer 22 die nicht kompressible Flüssigkeit hierin verschieben, was in einer Auslenkung des Balges 504 und der kraftübertragenden Endplatte 506 resultiert. Diese ausgelenkte (proximale) Position der kraftübertragenden Endplatte 506 ist in gepunkteten Linien bei 507 beispielhaft gezeigt. Dies komprimiert somit die Feder 508, um potentielle Energie hierin zu speichern. Auf dem Rück- oder Ausgabehub der Kolbenanordnung 12 wird die gespeicherte Energie in der Feder an die Endplatte 506, die Flüssigkeit hierin und dann zum oberen Ende der Kolbenanordnung 12 weitergegeben. Der zusammengedrückte (distale) Zustand der kraftübertragenden Endplatte 506 ist in gestrichelten Linien bei 509 repräsentierend gezeigt.
Grenzen für den Flüssigkeitseinlassdruck zur Pumpe und den Auslassdruck von der Pumpe im Betrieb sind durch die Bedürfnisse vorgegeben, die den Balg 504 von einer Überausdehnung und/oder Überkompression schützen, um somit die elastischen Eigenschaften des Balges und insbesondere das Auftreffen der Endplatte 506 auf den Anschlagoberflächen 516 und 518 im Betrieb zu verhindern. Ein Mechanismus (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, um die nominale oder Durchschnittskompression der Energiespeicherfeder 508 zu variieren oder zu ändern, um die erlaubten Pumpeneinlass- und -auslassdrücke zu modifizieren. Beispielsweise kann für das Platzieren des proximalen Endes der Feder 108 relativ zur Montageplatte 510 eine Justierschraube vorgesehen sein. Solch ein Positioniermechanismus hat jedoch Nachteile, die bei der Verwendung einer gasförmigen Substanz als Energiespeicher- und -freigabemedium nicht auftreten. Bei der Verwendung einer mechanischen Feder ist die Höhe der Änderung der Federkraft pro Änderung der Federauslenkung, d.h. die Federkonstante (festgelegt) unabhängig von der Höhe der Auslenkung der Feder von ihrer freien Länge. Es soll angemerkt werden, dass die Höhe der zyklischen (Maximum zu Minimum) Federauslenkung, die benötigt wird, immer gleich ist, wenn der Hub der Kolbenanordnung konstant ist. Unter der Annahme eines konstanten Kolbenhubes ist die Änderung der Federkraft von Maximum zu Minimum über jeden Zyklus gleich, sogar wenn die durchschnittliche Federbetriebslänge und durchschnittliche Kraft durch eine Bewegung des Ortes des proximalen Endes der Feder entweder in proximaler oder distaler Richtung justiert wird. Dies führt zu einem Verhältnis der maximalen und minimalen Kraft, welches sich mit der Justage der Durchschnittsfederkompression und -Kraft ändert. Bei niedrigeren durchschnittlichen Pumpendrücken in der Ausgabekammer 20, wo die durchschnittliche Feder 508-Kompression und Kraft gering ist, steigt das Verhältnis von maximaler zu minimaler Federkraft an. Wenn die minimale Federkraft Null erreicht, erreicht das Kraftverhältnis unendlich. Da der Flüssigkeitsdruck in der Reservoirkammer 22 direkt proportional zur Federkraft ist, schwankt dieser Druck auch hin zu einem immer größeren Grad bei jedem Punkt der zyklischen Bewegung der Kolbenanordnung, wenn der Durchschnittsdruck des Flüssigkeitseinlasses und -auslasses der Pumpe abfällt. Beispielsweise tritt dies mit einem festen Einlassdruck auf, wenn der Auslassdruck abfällt. Ein merklich schwankender Druck der Reservoirkammer 22 ist schädlich für das Erreichen eines maximalen und konstanten Energieausstoßes des Linearmotors.
Auf der anderen Seite besitzt die Verwendung einer gasförmigen Substanz als das Energiespeicher- und -freigabemedium wegen der Flexibilität, den Gasvorrat einstellen zu können, nicht diese Grenzen. Das Befüllen oder das Ablassen eines Vorrates der gasförmigen Flüssigkeit ändert nicht nur die Kraft, die es bei einem Nominalvolumen liefert, sondern ändert auch die „Federkonstante". Das Ergebnis ist, dass für eine vorgegebene zyklische Änderung im Volumen die Änderung in der Kraft auf die Kolbenanordnung und somit die Änderung des Drucks auf die proximale Seite des Kolbens ein festes Verhältnis vom Maximal- zu Minimal-Wert hat. Dies sichert, dass der Energiefluss vom Linearmotor eher auf einem konstanten Niveau für sowohl den Saug- als auch den Ausgabehub in jedem Zyklus der Kolbenanordnungsbewegung gehalten werden kann. Dies sichert eine maximale Effizienz des gesamten Pumpensystems.
Es soll angemerkt werden, dass jedoch die Pumpe 500 Vorteile hat, insbesondere für bestimmte Nischenanwendungen. Vorausgesetzt, dass die Pumpe 500 nur innerhalb eines engeren Bereichs von Einlass- und Auslassdrücken arbeiten soll, wie oben bereits angesprochen, ist die sich ergebende Zusammenstellung relativ kompakt und es sind keine komplizierten Steuerungseinrichtungen für das Erhalten der thermischen Gradienten oder das Steuern des Volumens an Gas in irgendeinem Energiespeicher- und -freigabemedium notwendig. Eine geeignete Anwendung für die Pumpe 500 ist eine solche, bei der die Einlass- und Auslassdrücke sehr stabil sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Pumpe in einer beliebigen Position montiert werden kann und jedes Maß an beschleunigter Bewegung aushalten kann, da es keine natürliche Flüssigkeit/Gasgrenzschichtoberfläche gibt, die gestört oder zerstört werden könnte, um so einen Gasvorratsverlust der Pumpe von der proximalen Seite des Zylinders zu verursachen.
Es soll verstanden werden, dass in Übereinstimmung mit dieser Erfindung eine Anzahl von Varianten in der Pumpenkonstruktion zum Pumpen von Flüssigkeiten mit Temperaturen unterhalb und oberhalb der Umgebung und der Variation der relativen Dampfdrücke gemacht werden kann. In Übereinstimmung mit bestimmten bevorzugten Anwendungsformen dieser Erfindung ist es wichtig, ein geeignetes Volumen an Gas oberhalb der Kolbenanordnung während des Betriebes zu bilden und aufrecht zu erhalten und thermische Gradienten zwischen der Reservoirkammer und der Ausgabekammer im Kolbenzylinder, wo notwendig, (das bedeutet beim Pumpen von kryogenen Flüssigkeiten) auszubilden.
Aus der obigen Diskussion soll klar werden, dass die Hubkolbenpumpen der vorliegenden Erfindung für die Verwendung in industriellen Prozessen sehr geeignet sind und ein einzigartiges Zusammenwirken eines Linearmotorantriebsystems zu einem Antrieb einer Kolbenanordnung über Magnetkraftlinien und der Geschlossenheit des Hubvolumens in der Reservoirkammer auf der Rückseite der Kolbenanordnung, entweder um ein Energiespeicher- und -freigabemedium aufzunehmen, zum Beispiel ein gasförmiges Volumen oder mit einem Energiespeicher- und -freigabemedium, zum Beispiel einer Feder zusammen zu wirken, wobei eine hermetisch gedichtete Vorrichtung aufrecht erhalten wird, darstellen. Das Linearmotorantriebssystem, welches in den hermetisch gedichteten Pumpen dieser Erfindung verwendet wird, ersetzt die Verwendung eines konventionellen mechanischen Antriebsystemes, d.h. Rotationsmotoren mit einer Umwandlungseinrichtung von Drehbewegung in Linearbewegung in Pumpen, die nicht hermetisch gedichtet sind.
Die Pumpen der vorliegenden Erfindung haben viele Vorteile, die sich für das Pumpen sowohl von kryogenen als auch von nicht kryogenen Flüssigkeiten auswirken. In allen Ausbildungsformen der Erfindung können die Pumpen eine kommerziell verfügbare Linearmotorkonstruktion besitzen, die für den Betrieb bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ausgelegt ist. Für Anwendungen, in denen die zu pumpenden Flüssigkeiten es nicht erlauben, den Motor in einer unmittelbaren Nähe der Pumpensektion zu montieren, so wie es der Fall ist beim Pumpen kryogener Flüssigkeiten, verwendet die folgende Erfindung eine einfach wirkende Kolbenanordnung und bildet eine adequate physikalische Trennung der Pumpe vom Linearmotor aus.
Die vorliegende Erfindung hat eine Vielzahl von Vorteilen, insbesondere gegenüber bestehenden kryogenen Hubkolbenpumpenvorrichtungen. Darüber hinaus sind viele dieser Vorteile auch bei nicht kryogenen Pumpenanwendungen verfügbar, wie es detailliert vorher beschrieben wurde.
Wie bereits früher angemerkt, erlaubt die Geometrie der Ausbildung des zylindrischen Luftspaltes im Linearmotor der vorliegenden Erfindung zwischen dem Stator und dem Anker eine nicht magnetische Zwischenlage, welche an der Bohrung des Stators in dem Luftspalt befestigt wird. Dies isoliert die Statoranordnung vom Anker, was Statormaterialien und Statorausbildungen gemäß dem Standard erlaubt, wie er vom Hersteller des Linearmotors zur Verfügung gestellt wird. In anderen Worten, diese Installation verhindert Anforderungen an Materialkompatibilität mit dem Pumpenfluid, wie es für flüssigen Sauerstoff oder andere aggressive Flüssigkeiten notwendig sein könnte. Darüber hinaus, weil die Krafteinleitung für die Arbeitseinleitung zur Kolbenanordnung durch magnetische Feldlinien/magnetische Kraftlinien erfolgt, die durch den Statorliner wirken, kann die Zwischenschicht integral mit der unter Druck gesetzten Flüssigkeitsgrenze der Pumpensektion ausgebildet sein, wodurch eine vollständige hermetisch gedichtete Pumpenkonstruktion gebildet ist.
Die vorliegende Erfindung minimiert im Gegensatz zum Stand der Technik sehr effektiv die Leckage hinter die Kolbendichtung durch das Anheben des Druckes in der Reservoirkammer auf der Rückseite oder auf der proximalen Seite des Kolbens. Dies wird nahezu ohne Nachteil hinsichtlich der Kolbenstangenpackungsleckage oder reduzierter Lebensdauer der Kolbenstange erreicht, da dynamische Dichtungen hin zu der benachbarten Umgebung der Pumpe, die in konventionellen Pumpen gemäß dem Stand der Technik und welche normalerweise übermäßigem Verschleiß ausgesetzt sind, in den besonders bevorzugten Pumpenkonstruktionen der vorliegenden Erfindung nicht verwendet werden. Da die Kolbendichtungsleckage in den Pumpen dieser Erfindung bidirektional und nicht ein Verlust des Flüssigkeitsvorrates innerhalb der Pumpe ist, kann die Konstruktion der Dichtung eine etwas größere Leckagerate mit einem korrespondierenden Vorteil hinsichtlich reduzierter Reibungswärmeeinleitung in das zu pumpende Fluid durch eine Reduktion von Dichtungskontaktdruck ergeben. Da eine Kolbendichtungsleckage einen nominalen Verlust der volumetrischen Pumpeneffizienz bedeuten kann, ist der größere Vorteil die Reduzierung der Wärmebelastung auf den gepumpten Strom, um somit unerwünschtes Verdampfen zu reduzieren.
Die Hubkolbenpumpen der vorliegenden Erfindung, die alle einen magnetischen Linearmotor verwenden, bieten signifikante Vorteile gegenüber Hubkolbenpumpen gemäß dem Stand der Technik, die Vorrichtungen zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen mechanischer Art verwenden, um eine Kolbenstangenanordnung hin und her zu bewegen, im üblichen durch eine festgelegte Kolbenhublänge und generell festgelegte sinusförmige Bewegung. Die Linearmotoren, die in den Pumpen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bieten einen einstellbaren Hublängenbetrieb und programmierbare Festlegung der Bewegung entgegengesetzt zu einer festgelegten sinusförmigen Bewegung. Diese Flexibilitäten hinsichtlich des Betriebs der Pumpen der vorliegenden Erfindung sind vor dem Betrieb der Pumpe einstellbar oder während die Pumpe sich bereits in Betrieb befindet. Eine Minimierung der Kolbenspitzengeschwindigkeit beim Einlassabschnitt der Kolbenbewegung und nicht gleiche Saug- und Ausgabezeitperioden werden für besonders vorteilhaft gehalten, um Effekte betreffend die Zylinderdrucksteuerung wegen den gesamten Pumpenanforderungen hinsichtlich NPSH zu steuern. Eine solche Geschwindigkeits- und Zeitsteuerung ist nicht mit konventionellen mechanischen Umwandlungsvorrichtungen, zum Beispiel Kolben-Wellenverbindungen, die üblicherweise in Pumpen gemäß dem Stand der Technik verwendet werden, erreichbar. Darüber hinaus erlaubt die Fähigkeit, den Hub, die Geschwindigkeit und die Bewegung der Kolbenanordnung in den Linearmotor-angetriebenen Pumpen dieser Erfindung zu steuern, die Verwendung solcher Pumpen für Einsätze, die nicht mit gegenwärtigen kryogenen Hubkolben-Pumpen möglich sind. Dies umfasst theoretisch auch einen Betrieb der Pumpen der vorliegenden Erfindung bei irgendeiner Durchflussrate von 0 bis 100%, eine Betriebsart, die in Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik nicht erreichbar ist. Insbesondere verwenden Hubkolbenpumpen gemäß dem Stand der Technik Schwungräder zur Drehzahlstabilisierung und können diesen weiten Bereich von Ausgabedurchflussraten nicht bieten. Insbesondere speichern Schwungräder Energie basierend auf der Bewegung, welche drehzahlabhängig ist. Die vorliegende Erfindung speichert Energie über Gasdruck oder andere elastische kompressible oder expansive/ausdehnbare Medien, was unabhängig von der Drehzahl ist.
Hubkolbenkonstruktionen gemäß dem Stand der Technik tendierten dazu, den gesamten sich hin und her bewegenden Gewichtsanteil zu reduzieren, um Vibrationseffekte für die Installation und die Pumpenlagerungen zu begrenzen. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die Pumpen der vorliegenden Erfindung mit längeren Hublängen und langsameren Zyklusraten betrieben werden können, tritt die Begrenzung des Gewichts der hin- und herbewegenden Teile zurück. Dies erlaubt eine Erweiterung des Abstandes zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende der kryogenen Pumpen entsprechend dieser Erfindung, was somit den thermischen Wärmeverlust hin zum kalten Ende der Pumpe absenkt. Obwohl der Anmelder dies als einen wichtigen Vorteil hinsichtlich der thermodynamischen Pumpeneffizienz und hinsichtlich der Reduktion der Anforderungen bezüglich NPSH ansieht, erlaubt es auch einen „konstanten Kaltanlauf-Standby"-Betrieb In dieser Beziehung haben Konstruktionen gemäß dem Stand der Technik ein kaltes Ende der Pumpe, welches relativ nah an das warme Ende gekoppelt ist. Somit erwärmt sich das kalte Ende, nachdem die Pumpe abgeschaltet wurde schnell, ein Problem, welches bei den Pumpen der vorliegenden Erfindung nicht auftritt. Somit brauchen Pumpen gemäß dem Stand der Technik eine Zeitperiode zum Abkühlen vor einem Neustart, wenn die Zeitspanne der Pumpenunterbrechung mehr als einige Stunden beträgt. Dies stellt eine Unzulänglichkeit im Betrieb und einen Produktverlust wegen Verdampfung, die während des Abkühlprozesses auftritt, dar. Die vorliegende Erfindung eliminiert oder minimiert diese Abkühlanforderungen, solange ein Flüssigkeitsvorrat für die Pumpenansaugung verbleibt. Eine akzeptable kleine Restflüssigverdampfung im kalten Bereitschaftszustand wird zum Kopfvolumen des kryogenen Flüssigkeitsvorratstanks zurückgeleitet werden, um diesen gewünschten Vorteil aufrecht zu erhalten.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie eine Abnahme hinsichtlich der mechanischen Komplexibilität und eine korrespondierende Reduzierung hinsichtlich der Wartungsanforderungen bietet. Wie bereits früher angemerkt, haben die Pumpen der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu Hubkolbenpumpen gemäß dem Stand der Technik weniger bewegte Teile umfassend keine Kurbelwelle, keine Verbindungsstange, keine Kolbenstange (Pleuel), keinen Kreuzkopf, keinen Kolbenbolzen, kein Schwungrad, Riemen und/oder Motorriemenscheiben. In ähnlicher Art und Weise ist die Anzahl der Stationärteile durch die Vermeidung verschiedener Teile, zum Beispiel Riemenführungen, Motorbefestigungen, Gleitern, Kurbelgehäusen, Hauptlagern, Wellendichtungen, Pleuelstangenabstandsstück, und eine Pleuelstangenpackung und eine Stangenreinigungsanordnung verhindert. In der vorliegenden Erfindung sind diese zuletzt genannten Komponenten durch eine elektronische Steuer- und Energieversorgungseinheit, die wesentlich weniger Wartung erfordert als ihre mechanischen Gegenstücke, ersetzt.
Das Vorgenannte wird die Erfindung ohne weitere Ausschmückung so vollständig offenbaren, dass andere durch Anwendung gängigen oder zukünftigen Wissens dieselbe zur Verwendung unter verschiedenen Betriebsbedingungen anpassen können.

Claims

Kolben- bzw. Elektropumpe (10) für Flüssigkeiten mit: einem Zylinder (14) mit äußeren Wänden (16), die einen geschlossenen Innenraum (18) mit einander gegenüberliegenden Enden (24, 26) zur Verfügung stellen, einer Kolbenanordnung (12) mit einem ausgebenden Ende (28) und einem gegenüberliegenden Ende, die bewegbar in dem Innenraum (18) zur Bewegung in einander entgegengesetzten linearen Richtungen zwischen den gegenüberliegenden Enden (24, 26) des Innenraums (18) befestigt ist, einem Dichtungsglied (17) zwischen der Kolbenanordnung (12) und dem Zylinder (14), um eine dynamische Fluiddichtung zwischen der Kolbenanordnung (12) und dem Zylinder (14) aufrechtzuerhalten, wenn die Kolbenanordnung (12) in entgegengesetzten linearen Richtungen zwischen den gegenüberliegenden Enden (24, 26) des Innenraums (18) bewegt wird, wobei das Dichtungsglied (17) den Innenraum (18) in eine Ausgabekammer (20) und eine gegenüberliegende Kammer (22) aufteilt; einem magnetischen Linearantrieb (15), der ein sich linear bewegendes magnetisches Feld für die Bewegung der Kolbenanordnung (12) in den entgegengesetzten linearen Richtungen erzeugt; einer ventilgesteuerten Einlassleitung (13), die mit der Ausgabekammer (20) in Verbindung steht, um Flüssigkeit in die Ausgabekammer (20) zu richten, um ihr Volumen zu füllen, wenn sich die Kolbenanordnung (12) über ein Hubvolumen in einer linearen Richtung durch einen flüssigkeits-empfangenden Saugtakt bewegt; einer ventilgesteuerten Auslassleitung (32), die mit der Ausgabekammer (20) in Verbindung steht, um gepumpte Flüssigkeit aus der Ausgabekammer (20) herauszuleiten, wenn die Kolbenanordnung (12) durch ein Hubvolumen in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der einen linearen Richtung ist, über einen Flüssigkeitsausgabetakt bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende Kammer (20) eine nicht-ausgebende Reservoirkammer (22) ist und die Pumpe Energie-Speicher- sowie Freigabemedien (40, 78, 508) für die Speicherung von Energie als ein Ergebnis der Bewegung der Kolbenanordnung (12) durch den Saugtakt und für die Freigabe der gespeicherten Energie zu der Kolbenanordnung (12) enthält, wenn die Kolbenanordnung (12) über den Ausgabetakt bewegt wird.
Pumpe nach Anspruch 1, die hermetisch abgedichtet ist.
Pumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Energie-Speicher- und Freigabemedien (40, 78, 508) elastisch kompressiv oder ausdehnbar zur Speicherung von Energie als Ergebnis der Bewegung der Kolbenanordnung (12) durch den Saug-Takt bzw. -Hub sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie-Speicher- und Freigabemedien (40, 78, 508) wenigstens teilweise die Reservoirkammer (22) füllen.
Pumpe nach Anspruch 4, wobei die Energie-Speicher- und Freigabemedien eine gasförmige Substanz enthalten.
Pumpe nach Anspruch 5, weiterhin mit einer zusätzlichen Energie-Speicher- und Freigabeanordnung (78) zur Speicherung von Energie, die aus der Bewegung der Kolbenanordnung (12) bei dem Saugtakt- bzw. Hub abgeleitet wird, und zur Freigabe der gespeicherten Energie an die Kolbenanordnung (12), wenn die Kolbenanordnung (12) bei dem Ausgabehub bewegt wird.
Pumpe nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die gasförmige Substanz eine nicht-kondensierbare Substanz und kein Dampf der gepumpten Flüssigkeit ist, einschließlich einer Anordnung (46, 48) zur Zuführung und Ableitung der gasförmigen Substanz aus der Pumpe und einer Steueranordnung zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Gasvorrates in der Pumpe.
Pumpe nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die gasförmige Substanz teilweise aus Dampf der gepumpten Flüssigkeit und teilweise aus einem nicht-kondensierbaren Gas zusammengesetzt ist, das kein Dampf der gepumpten Flüssigkeit ist, einschließlich einer Anordnung (46, 48) zur Zuführung und Ausgabe von gesteuerten bzw. geregelten Mengen des nicht-kondensierbaren Gases zu der Pumpe.
Pumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Kolbenanordnung (12) in dem Zylinder (18) in der Weise angeordnet ist, dass die Reservoirkammer (22) mit einer gasförmigen Substanz in einem Bereich (14) gefüllt ist, der durch das gegenüberliegende Ende der Kolbenanordnung (12) eingenommen wird, wenn sich die Kolbenanordnung (12) sowohl durch den Saug- als auch durch den Ausgabehub bewegt, wobei bei Betrieb mit dem Zylinder (14) im Wesentlichen vertikal das Dichtungsglied (17) eine Leckage in zwei Richtungen mit einer Flüssig-Leckage von Netto Null während der Hin- und Herbewegung des Kolbens (12) ermöglicht, wodurch eine Flüssigkeits/Gas Grenzfläche (74) in der Reservoirkammer (22) über dem Dichtungsglied (17) aufrechterhalten wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die gasförmige Substanz allein aus dem Dampf der gepumpten Flüssigkeit zusammengesetzt ist.
Pumpe nach Anspruch 9 oder Anspruch 10 zum Pumpen eines verflüssigten Gases, wobei der Zylinder (14) eine Wärmeisolierungsanordnung an einem Bereich der Ausgabekammer (20) enthält, um die gepumpte Flüssigkeit bei einer gewünschten, kalten Temperatur zu halten um den flüssigen Zustand aufrecht zu erhalten; weiterhin eine Heizanordnung (44) an einem Bereich (40) der Reservoirkammer (22), um die Reservoirkammer (22) bei einer gewünschten warmen Temperatur zu halten, um wenigstens einen Teil (40) des Reservoirkammer-(22) Volumens in einem gasförmigen Zustand zu halten; wobei der Druck des Gases in der Reservoirkammer (22) unter dem kritischen Druck des Gases gehalten wird.
Pumpe nach Anspruch 9 oder Anspruch 10 zum Pumpen eines kryogen-verflüssigten Gases, wobei der Zylinder (14) eine Wärmeisolierungsanordnung an einem Bereich der Ausgabekammer (20) enthält, um die gepumpte Flüssigkeit bei einer gewünschten, kalten Temperatur zu halten, um den flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten; weiterhin eine Heizanordnung (44) an einem Bereich (14) der Reservoirkammer (22), um die Reservoirkammer (22) bei einer gewünschten warmen Temperatur zu halten, um wenigstens einen Teil (14) des Reservoirkammer-(22)Volumens in einem gasförmigen Zustand zu halten; wobei der Druck des Gases in der Reservoirkammer (22) bei oder über dem kritischen Druck des Gases gehalten wird.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Antrieb (50) ein Mehrphasen-Linearmotor mit einer elektronischen Energiezufuhr (60) und einem programmierbaren Mikroprozessor zur Steuerung des Betriebes der Energiequelle (60) ist, um die Bewegung der Kolbenanordnung einstellbar zu steuern.
Pumpe nach Anspruch 13, wobei der programmierbare Mikroprozessor den Betrieb der Energiezufuhr (20) einstellbar steuern kann, um die Länge des Hubes der Kolbenanordnung (12) in jeder linearen Richtung, die Zeitspanne des Hubes der Kolbenanordnung (12) in jeder linearen Richtung, die Zyklusrate der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung (12) einschließlich der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Kolbenanordnung (12) über die gesamte Bewegungsbahn der Anordnung (12) in den entgegengesetzten linearen Richtungen an jedem Zeitpunkt dieser zyklischen Bewegung zu steuern.
Pumpe nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei der programmierbare Mikroprozessor Bewegungen der Kolbenanordnung (12) einstellbar steuert, um eine zeitliche Verzögerung der Bewegung zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen der Kolbenanordnung (12) zur Verfügung zu stellen, wobei jeder Zyklus sowohl einen Saughub als auch einen Ausgabehube der Kolbenanordnung (12) enthält.
Pumpe nach einem der Ansprüche 13, 14 und 15, wobei der programmierbare Mikroprozessor die Bewegung der Kolbenanordnung (12) einstellbar steuert, um eine zeitliche Verzögerung der Bewegung an einer oder mehreren verschiedenen Stellen innerhalb eines Zyklus der Kolbenanordnung (12) zur Verfügung zu stellen, wobei jeder Zyklus sowohl einen Saughub als auch einen Ausgabehub der Kolbenanordnung (12) enthält.
Pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 16, weiterhin mit einem Positions-Sensor (72) für die Kolbenanordnung, der ein elektrisches Rückkopplungssignal für den programmierbaren Mikroprozessor zur Verfügung stellt.
Pumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der programmierbare Mikroprozessor die Zeitspanne der Bewegung der Kolbenanordnung (12) während des Saughubes einstellbar so steuert, dass sie kleiner als die Zeitspanne der Bewegung der Kolbenanordnung (12) bei dem Ausgabehub ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lineare magnetische Antrieb (50) einen Stator (52) und einen Anker bzw. Rotor (62) enthält, wobei sich der Stator (52) in der Nähe und außerhalb des Zylinders (14) und der Rotor (62) auf der Kolbenanordnung (12) im Innern des Zylinder (14) befindet.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie-Speicher- und Freigabemedien (40, 78, 508) die Reservoirkammer (22) wenigstens teilweise füllen und die Pumpe weiterhin einen Flüssigkeit-Sumpf (120) in Verbindung mit der ventilgesteuerten Einlassleitung (30) enthält, um der Pumpe Flüssigkeit (122) zuzuführen.
Pumpe nach Anspruch 20, wobei der Sumpf (120) vollständig mit der Flüssigkeit (122) gefüllt ist.
Pumpe nach Anspruch 21, wobei der Sumpf (120) teilweise mit der Flüssigkeit (122) gefüllt ist und einen Leerraum (140) enthält, in dem sich ein kompressibles Medium befindet.
Pumpe nach Anspruch 22, wobei der Leerraum (140) eine thermische Isolierung (212) mit Anti-Konvektion- und Anti-Leitungs-Eigenschaften enthält.
Pumpe nach Anspruch 22 mit einem wärmeleitenden Element (144), das dazu beiträgt, die Flüssigkeit (122) in dem Sumpf (120) auf einem gewünschten Pegel zu halten.
Pumpe nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei der Sumpf (120) eine Entlüftungsleitung (204), ein Ventil (202) und einen Flüssigkeits-Schwimmer (206) für den Betrieb des Ventils (202) enthält, um die Flüssigkeit (122) in dem Sumpf (120) auf einem gewünschten Pegel zu halten.
Pumpe nach einem der Ansprüche 20 bis 25 mit einer Leitungsanordnung, die die Ausgabe (32) aus dem Sumpf mit einer Bodenwandsektion des Sumpfes (120) durch eine entfernbare und abgedichtete Verbindung (138) verbindet.
Pumpe nach einem der Ansprüche 20 bis 25 mit einer Leitungsanordnung (127), die die Ausgabe (32) aus der Pumpe durch den Leerraum (140) des Sumpfes (120) verbindet.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 10 bis 27, wobei die Reservoirkammer (22) eine Balgensektion (310; 504) darin enthält, wobei die Energie-Speicher- und Freigabemedien mit der Balgensektion (310; 504) kommunizieren und die Balgensektion (310; 504) durch den Saughub der Kolbenanordnung (12) bewegt wird, um Energie in den Energie-Speicher- und Freigabemedien zu speichern.
Pumpe nach Anspruch 28, wobei es sich bei der Energie-Speicher- und Freigabemedium um eine gasförmige Substanz handelt, die die Balgensektion (310) füllt, wobei die Balgensektion ein Element ist, das sich in der Reservoirkammer (22) befindet.
Pumpe nach Anspruch 28, wobei die Balgensektion (310; 504) eine Stirnsektion der Reservoirkammer (22) ist und die Energie-Speicher- und Freigabemedien (508) mit einer äußeren Wand der Balgensektion (310; 504) in Eingriff kommen.
Pumpe nach Anspruch 30, wobei die Balgensektion (310; 504) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit mit den Schritten: a) Zurverfügungstellen einer Pumpe (10) mit (i) einer Kolbenanordnung (12), die zur Durchführung einer Hin- und Herbewegung in einem geschlossenen Innenraum (18) eines Kolbenzylinders (14) mit gegenüberliegenden, geschlossenen Enden (24, 26) befestigt ist, wobei die Kolbenanordnung (12) ein Ausgabeende (28) und ein gegenüberliegendes Ende hat, (ii) einem Dichtungsglied (17) zwischen der Kolbenanordnung (12) und dem Kolbenzylinder (14), um eine dynamische Fluiddichtung zwischen der Kolbenanordnung (12) und dem Kolbenzylinder (14) während der gesamten linearen Ausgabe- und Rückkehrhube der Kolbenanordnung (12) aufrechtzuerhalten, wobei das Dichtungsglied (17) den Innenraum (18) in eine Ausgabekammer (20), die die auszugebende Flüssigkeit aufnimmt, und eine Reservoirkammer (22) unterteilt, und (iii) Energie-Speicher- und Freigabemedien (40; 78, 508) an einer Stelle zur Speicherung von Energie, wenn die Kolbenanordnung (12) durch den Saughub bewegt wird, und zur Übertragung der gespeicherten Energie auf die Kolbenanordnung (12), wenn die Kolbenanordnung (12) durch den Ausgabehub bewegt wird; b) Erzeugen eines sich linear bewegenden magnetischen Feldes zur Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung (12) in dem Zylinder (14) über einen Ausgabehub und einen Saughub; c) Einführen der zu pumpenden Flüssigkeit in die Ausgabekammer; und d) Aufrechterhalten der Flüssigkeit in dem Zylinder (14) bei einem solchen Pegel, dass die untere Oberfläche des Dichtungsglieds (17) und das Ausgabeende (28) der Kolbenanordnung (12) über die gesamte Länge der Ausgabe- und Saughübe der Kolbenanordnung (12) in der Flüssigkeit gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Pumpe durch einen der Ansprüche 1 bis 31 definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, wobei die Lage der Kolbenanordnung in dem Zylinder bestimmt wird, und das sich linear bewegende Magnetfeld in Abhängigkeit von dieser Bestimmung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, wobei die Energie-Speicher- und Freigabemedien eine gasförmige Substanz enthalten.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei eine definierte Grenzfläche Flüssigkeit/Dampf in der Reservoirkammer zwischen der Flüssigkeit und der gasförmigen Substanz während des Betriebs der Pumpe aufgebaut und aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 35 oder Anspruch 36, wobei die Reservoirkammer (22) mit der gasförmigen Substanz auf einen solchen Pegel gefüllt ist, dass sich das gegenüberliegende Ende der Kolbenanordnung während des gesamten Ausgabe- und Saughubes der Kolbenanordnung in dem Gasvolumen befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei die gasförmige Substanz eine nicht-kondensierte Substanz und kein Dampf der gepumpten Flüssigkeit ist, einschließlich des Schrittes, gesteuerte Mengen der nicht-kondensierbaren gasförmigen Substanz zuzuführen und an die Pumpe auszugeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei die gasförmige Substanz ein Dampf der gepumpten Flüssigkeit ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei die gasförmige Substanz teilweise aus einem Dampf der gepumpten Flüssigkeit und teilweise aus einem nicht-kondensierbaren Gas zusammengesetzt ist, das kein Dampf der gepumpten Flüssigkeit ist, einschließlich des Schrittes, gesteuerte Mengen des nicht-kondensierbaren Gases zuzuführen und zu der Pumpe auszugeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 40, einschließlich des Schrittes, des sich bewegende lineare Magnetfeld während des Pumpenbetriebes zu modulieren, um die Bewegung der Kolbenanordnung zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Variieren der Bewegung der Kolbenanordnung das Variieren wenigstens eines der folgenden Parameter umfasst: die Länge des Hubs der Kolbenanordnung in jeder linearen Richtung; die Zeitspanne des Hubs der Kolbenanordnung in jeder linearen Richtung; die Zyklusrate der Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung einschließlich der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Kolbenanordnung über die gesamte Bewegungsbahn der Anordnung in den entgegengesetzten linearen Richtungen zu jedem Zeitpunkt dieser zyklischen Bewegung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 42, einschließlich des Schrittes, unterschiedliche Zeitdauern für den Ausgabehub und den Saughub zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 43, einschließlich des Schrittes, eine zeitliche Verzögerung der Bewegung zwischen aufeinanderfolgenden Hin- und Herbewegungs-Zyklen der Kolbenanordnung zur Verfügung zu stellen, wobei jeder Hin- und Herbewegungszyklus einen Ausgabehub und einen Saughub enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 44, einschließlich des Schrittes, eine zeitliche Verzögerung der Bewegung an einer oder mehreren unterschiedlichen Stellen innerhalb eines Zyklus der Kolbenanordnung zur Verfügung zu stellen, wobei jeder Zyklus einen Ausgabehub und einen Saughub enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 45, einschließlich des Schrittes, dem Kolbenzylinder zu pumpende Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Sumpf zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 46, einschließlich des Schrittes, den Flüssigkeitspegel in dem Sumpf auf einer gewünschten Höhe zu halten.
Verfahren nach Anspruch 46 oder 47, einschließlich des Schrittes, den Sumpf teilweise mit der zu pumpenden Flüssigkeit zu füllen, einschließlich kompressierbaren Medien in einem Leerraum innerhalb des Sumpfes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 48, wobei die zu pumpende Flüssigkeit ein verflüssigtes Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 49, einschließlich des Schrittes, die zu pumpende Flüssigkeit bei einer gewünschten, kalten Temperatur zu halten und einen Bereich der Reservoirkammer zu erwärmen, um diesen Bereich der Reservoirkammer auf einer gewünschten, warmen Temperatur zu halten, und den Druck des Gases in der Reservoirkammer unter dem kritischen Druck des Gases zu halten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 41, wobei die zu pumpende Flüssigkeit ein kryogen-verflüssigtes Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 51, einschließlich des Schrittes, die zu pumpende Flüssigkeit auf einer gewünschten kalten Temperatur zu halten, eine Region der Reservoirkammer zu erwärmen, um diese Region der Reservoirkammer auf einer gewünschten warmen Temperatur zu halten, und den Druck des Gases in der Reservoirkammer bei oder über dem kritischen Druck des Gases zu halten.