专利名称：用于输送低温流体的泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将低温流体，尤其是低温氢，从储罐中输送到处于更高压力下的容器中的泵。所述泵包括带有活塞的气缸，活塞设置在气缸中并且可以在气缸中执行往复行程运动，在一个行程方向运行的活塞的第一行程运动期间，气缸低温室的容积减少，而处于气缸中在活塞的与低温室相对的一侧的高温室的容积相应地增大；反过来，在相反行程方向运行的活塞的第二行程运动期间，高温室的容积减小而低温室的容积相应地增大。泵还包括通向低温室的流体入口，并且该入口连接到储罐或者可以与储罐连接；从高温室导出的流体出口，并且该出口连接到容器或者可以与容器连接；和流体连接，通过该流体连接两个室彼此连接。
背景技术：
在这类常规的低温泵中，一个问题是它们仅具有比较短的免维护的运行时间。这尤其是针对具有小的几何尺寸(例如活塞直径小于大约20毫米)的常规的低温活塞泵。对于这类泵，目标是具有明显减少的维护期的费用，包括可观地延长免维护的运行时间，以上所有都是关于在机动车辆中的应用。
发明内容
本发明所基于的目标是要描述一种改进的泵，它也尤其适用于机动车辆。依靠用于将低温流体，诸如例如低温氢，从储罐输送到处于更高压力下的容器的泵实现该目标，所述泵包括带有活塞的气缸，活塞设置在气缸中并且可以在气缸中执行往复行程运动，在一个行程方向运行的活塞的第一行程运动期间，气缸低温室的容积减少，而气缸的处于活塞的与低温室相对的一侧的高温室的容积相应地增大，反过来，在相反行程方向运行的活塞的第二行程运动期间，高温室的容积减小，而低温室的容积相应地增大；通向低温室的流体入口，并且该入口连接到储罐或者可以与储罐连接；从高温室导出的流体出口，并且该出口连接到容器或者可以与容器连接；和流体连接，通过该流体连接两个室彼此连接，其中至少一个加热设备设计为在第一行程运动期间加热通过流体连接从低温室流出并且流入高温室的流体，以这样的方式在高温室中建立随着温度而升高的压力，具体地说是随着温度而等容地升高的压力，该压力超过容器压力。在根据本发明的泵中，因为活塞设置在两室之间，在活塞的往复行程运动期间，流体可获得的容积保持恒定。至少近似适用于理想气体的状态方程为p*v/t =常量，P为压力，V为容积，而T为温度，因此在等容的情况下(V =常量)，形成了压力P和温度T之间的比例关系。这种类型的状态改变被指定为等容状态改变。在根据本发明的泵中，加热设备促使流体中的基本等容状态改变。具体地，流入高温室中的流体极大地受热，以这样的方式，流体的压力超过容器压力，因此，流体可以通过流体出口从高温室流出、流入容器，直到在高温室中的压力和容器压力之间已经建立起平衡。
因此，导致的结果是，加热设备不但促使输送到高温室中的流体受热，还促使压力升高，以致至少一部分流体可以流入容器。因此，在根据本发明的泵中，可以利用加热设备将流体泵送到处于更高压力下的容器中。因为加热设备可以设计得相对坚固和紧凑，可以整体地提供一种可靠的和缓慢构建(slow-build)的泵。依靠紧凑形式的结构，泵不但要求小的装载空间，例如在机动车辆中，而且可能的是，本发明的泵可以以相对简单的方式相对于环境隔热。此外，活塞/气缸配置和加热设备在维护限期中都不需要高的费用，因此，对于泵而言，还可以实现相对长的免维护的运行时间，例如超过2000小时的免维护的运行时间。应理解的是，术语"低温流体"或"流体"表示具有极度低温的介质，该低温尤其是位于介质的沸点附近。例如，低温流体可以是低温氢，其沸点是大约20K。此外，低温流体可以以液相和/或气相保存在泵、储罐或容器中。本发明有利的进步由所附的权利要求详细说明。 根据本发明优选的进步，至少一个冷却设备设计为冷却保持在高温室中的并且没有通过流体出口流出的流体，并且该流体在第二行程运动期间通过流体连接从高温室流出返回到低温室中，以这样的方式在低温室中建立随着温度而减小的压力，具体地说是随着温度而等容地减小的压力，该压力小于储罐压力。因此，在活塞的第二行程运动期间，保持在高温室中的流体又通过流体连接输送回低温室，并且同时被冷却和同时经历基本上等容的压力下降。因为在低温室中建立了低压，因此流体可以通过流体入口流出储罐流到低温室，直到在低温室中的压力已经达到储罐压力。随后，又可以产生上述的活塞第一行程运动，从而流体被泵送到高温室中，并进一步泵送到容器中。因此，冷却设备的设置可以将保持在高温室中的流体又输送到低温室中，同时温度和压力下降，以使得其他的流体能够通过从储罐中流出进入低温室中以替换前述流体。在这种情况下，冷却设备可以同样地具有尤其坚固的和紧凑的设计，因此可以整体地提供一种紧凑的和坚固的维护友好的泵。优选的是，流体连接途经至少一个加热设备和/或至少一个冷却设备，因此加热设备和/或冷却设备形成流体连接的一部分。从而特别简单地实现低温流体的直接加热和/或直接冷却。而且，因此泵可以设计成特别紧凑的。至少一个加热设备可以具有热交换器，流体连接途经该热交换器。因为热交换器是非常坚固的部件，泵的免维护的运行时间可以因为热交换器的使用而再次增加。在这种情况下,优选的是,热交换器的主支管(primary branch)形成流体连接的一部分。主支管是一条用于流体的管线，其贯穿热交换器。例如通过加热设备，尤其是用作热交换器的电加热设备，或通过流入热交换器的副支管(secondary branch)的介质,热量可以传输到流过主支管的流体。副支管是与主支管分开的流体管线，其可以相对于主支管设置成例如逆流、并流、交错流或交错逆流。优选的是，加热设备具有回热器，流体连接途经该回热器，该回热器也设置为用于在第二行程运动期间通过流体连接从高温室流出返回到低温室的流体的冷却设备。回热器可以认为是传热器，其同时充当蓄热器或积冷器。当从低温室流动到高温室的流体流过回热器时，例如由于设置在回热器中的贮存器物质的冷却，流体受热。当保持在高温室中的热流体又流回到低温室时，由于贮存器物质的加热它再次冷却。因此，总体上，回热器形成根据本发明的泵的构件，其同时作为冷却设备和作为加热设备使用，因此可以实现具有结构上的特别紧凑形式的泵。而且，回热器基本上是免维护的，因此甚至可以实现特别坚固的需要少量维护保养的泵。回热器和热交换器特别优选地设置成沿流体连接的串联形式。因此，两个部件可以特别简单地并入到流体连接中。优选的是，从低温室的方向看，在流体连接中，回热器设置在热交换器的上游。因此，作为加热和冷却贮存器作用的回热器是尤其有效的，因为，在活塞的第一行程运动过程期间，从低温室的冷流体流过该回热器，因此其基本上冷却到冷流体的温度。而且，回热器可以冷却到很大的程度，在活塞的第二行程运动过程期间，热流体从高温室流出又流回到低温室。根据本发明优选的进步，流体出口具有单向阀，通过它流体可以仅在出口方向流动。因此，在高温室的压力超过容器压力时，可以使流体流到流体出口中，从而使流体进入 到容器中。另一方面，流体不能从容器中流出而流入高温室中。尤其优选的是，如从出口方向所看到的，流体出口在单向阀下游途经具体地由热交换器形成的冷却设备。因此，已经流过单向阀的流体可以被冷却，因此，其中高于容器压力的该流体的压力可适当适应于容器压力。具体地，流体出口的一部分可以通过热交换器的副支管形成，在高温室和低温室之间的流体连接途经该热交换器的主支管。结果，以节流膨胀流入到容器中的流体可以将热量排放到在第一行程运动期间流过主支管的冷流体。因此，可以依靠通过流体出口流入容器的流体，加热从低温室输送到高温室的冷流体，而流入容器的流体被冷却了。因此泵可以特别有效地操作，并且不必使用或者仅仅使用很小程度的外部的例如电动操作的冷却和/或加热源。优选的是，流体入口具有阀，通过该阀流体可以在入口方向流动。该阀具体地是单向阀或者可控阀，诸如例如电磁阀，其可以依靠阀控制器致动。从而可以实现的是，在一方面，当低温室的压力低于储罐压力时，从储罐流出的流体可以流入低温室；另一方面，在这种形势下可以防止流体流回到储罐中。根据本发明的进步，提供了用于活塞的机械的或气动的或电磁的活塞驱动器。优选地，活塞驱动器尤其优选地与活塞机械分离，因此活塞可以尤其有效地与周围环境热分离。优选的是，活塞具有至少部分地磁性的设计，活塞驱动器具有两个环形线圈。在这种情况下，一个环形线圈围绕气缸的一端，另一个环形线圈围绕气缸的另一端。此外，活塞驱动器具有用于环形线圈的控制器，其设计成将电流施加到环形线圈，通过这样的方式在气缸中产生磁场，并且有选择地在一个行程方向或者另一个行程方向驱动活塞。从而可以实现活塞驱动器与活塞简单的机械分离，因此气缸/活塞配置可以相对于环境有效地隔热。优选的是,入口和流体连接的一端通向低温室的基准侧(base side),并且出口和流体连接的另一端连接到高温室的基准侧。根据本发明优选的改进，泵设置在储罐内。因此，低温泵可以以简单的方式与周围环境热分尚。本发明的泵尤其适合于将低温流体从低压储罐输送到处于更高压力下的缓冲贮存器，例如，该缓冲贮存器是利用低温流体作为燃料的驱动组件的混合物形成系统(mixture-forming system)的一部分。这种类型的传动组件可以是例如内燃机、燃气轮机或喷气发动机。本发明的泵的一个优点是，它不仅用于在驱动组件跟随泵的方向输送燃料，还增加低温流体的压力。在这种情况下，例如，与外部混合物形成(mixture formation)运行的内燃机所需要的大约O. 2到O. 5MPa的压力可以通过本发明的泵实现。通过本发明的泵，也可以在内燃机处于压缩行程开始的喷射的早期启动下操作时，在被称为内部混合物形成的情形下，实现内燃机所需的大约I. O到2. OMPa的压力。此外，对于操作燃料喷射，具有例如置于上死点之前大约5度的喷射延迟启动的内燃机，其所需的大约10到20MPa的压力可以实现。通过本发明的泵还可以实现用于喷气发动机的燃烧室的喷射压力，这是喷气发动机在航空或宇宙飞行中必需的，其位于大约3. O到5. OMPa的范围内。 泵的活塞的直径可以例如位于12和20毫米之间的范围内，因此整体上可以实现具有液态氢的大约I到10克/秒的较低给料速度的高度紧凑的泵。这尤其适用于氢驱动的机动车辆，特别适用于客车，但也适用于重型货车。
接下来依靠附图描述本发明的示例性的实施例，在图中图I示意性示出了燃料系统的框图。附图标记表I——燃料系统3——低压储罐5—缓冲贮存器7-泵9——气缸11——活塞13——低温室15——高温室17——9的基准侧19-流体入口21——9的基准侧23——流体出口25——流体连接27——回热器29——热交换器31-单向阀33——29的副支管35-阀
37a-环形线圈37b-环形线圈39——流体水平面41——加热器
具体实施例方式图示的燃料系统I包括用于低温氢的低压储罐3，用于低温氢的缓冲贮存器5和用于将低温氢从储罐3输送到缓冲贮存器5的泵7。泵7具有气缸9，其中设置有活塞11，活塞11可以在气缸9中执行沿气缸纵向轴线方向的往复行程运动。活塞11将气缸内部细分为低温室13和高温室15。如图I清楚地所示，在行程方向I运行的活塞11的第一行程运动期间，低温室13的容积减小，而高温室15的容积增大。相反地，在相反的行程方向II运行的活塞11的第二行程运动的情况下，高温室15的容积减小，而低温室13的容积相应地增加，因此低温室13和高温室15的总容积保持恒等。此外，如图I清楚地所示，与储罐3连接的流体入口 19通向气缸9的限定低温室13的基准侧17。此外，与容器5连接的流体出口 23从气缸9的限定高温室15的基准侧21经过。此外，流体管线25在低温室13和高温室15之间运行，所示流体管线的一端通向基准侧17，并且它的另一端连接到基准侧21。流体连接25从低温室13途经回热器27，然后途经热交换器29。在这种情况下，回热器27和热交换器29的主支管(未示出)以各种情形形成流体连接25的一部分。流体出口 23具有单向阀31，如从出口方向看，出口 23在单向阀31的下游运行，通过热交换器29的副支管33，因此副支管33形成流体出口 23的一部分。如从出口的方向所看到的，流体出口 23通向副支管33的下游的缓冲贮存器5。热交换器29的主支管和副支管33是各种情形下彼此热耦合的流体管线，因此可以在副支管33中流动的流体和在主支管中流动的流体之间可产生热能的交换。流体入口 19具有阀35，通过阀35流体可以在入口方向流动，即从低压储罐3到低温室13的方向。阀35也可以具体地是单向阀或通过控制器(未示出)致动的电磁阀。根据所图示的本发明，提供了用于活塞11的电磁驱动器。驱动器包括两个环形线圈37a、37b，在所有情况下一个环形线圈37a、37b围绕气缸9的一端。环形线圈37a、37b可以通过控制设备(未示出)施加电流，通过这样的方式它们在气缸9中产生磁场，该磁场有选择地在一个行程方向I或另一个方向II上驱动至少部分磁性设计的活塞11。低压储罐3充满低温氢，达到通过示例所示的水平面39。低温氢的温度可以例如达到大约23K。此外，低压储罐3中的压力可以达到大约O. 2MPa。相反，在缓冲贮存器5中压力和温度可以更高。例如其中低温氢的温度达到大约35K，并且压力达到大约2MPa。泵7或燃料系统I的运行根据泵送周期描述如下。在这种情况下，活塞11首先执行在一个行程方向I运行的第一行程运动。活塞11从基准侧21朝基准侧17移动，因此高温室15的容积增大，而低温室13的容积相应地减小。包含在低温室13中的低温氢在这种情况下受压通过流体连接25进入高温室15中。在这种情况下，冷却氢在回热器27中受热，同时回热器27被冷却。此外，热交换器29的主支管中的氢加热到温度TW，其位于缓冲贮存器的温度之上。
为此目的，热交换器29包括电热器41，其包括例如围绕主支管的加热盘管。而且，流过主支管的氢的加热依靠副支管发生。低温氢的加热导致高温室15中的流体的压力升高，具体地导致等容的压力升高，同时，在达到缓冲贮存器5的压力水平之后，氢可以通过阀31以节流膨胀方式流经流体出口 23和副支管33，流入缓冲贮存器5。当在相反的行程方向II运行的活塞11的第二行程运动期间，活塞11从基准侧17朝向基准侧21移动。在这种情况下，低温室13的容积增大，而高温室15的容积减小。保持在高温室15中的氢流经流体连接25并且因此通过热交换器29的主支管，没有热量被吸收或释放，因为凭着第一行程运动，热交换器29具有基本上与从高温室15流回的流体相同的温度TW。流体随后流过回热器27，从前面的活塞阶段该回热器27是冷却的，因此氢通过回热器27冷却。因此低温室13中的压力低于储罐压力，因此更多的氢可以从储罐3流出，流入到低温室13中。一旦活塞11达到基准侧21，泵送循环结束，并且新的用于将氢从低压储罐3输送到缓冲贮存器5的循环可以根据上面的描述开始。在所描述的实施例中，有利的是，回热器27和热交换器29在流体连接25中的串 联配置，一方面促使从低温室13输送到高温室15的低温氢的等容加热，该等容加热是随着相应的累积压力变化的。其余的保持在高温室15中的并且还没有流过阀31进入缓冲贮存器5的低温氢，在回热器27中再生冷却，随着压力减小，并且该低温氢随后被流动替代它离开低压储罐3的氢加热，并利用在流入缓冲贮存器5的氢(具体地是超临界的氢)的等焓节流(isenthalpic throttling)期间所释放的热量,该低温氢在热交换器29中又恢复到温度TW。相关申请的交叉引用本发明基于2011年6月18日在德国提交的DE102011104546. 9，该申请作为参考并入本文。
权利要求
1.用于将低温流体，诸如例如低温氢，从储罐⑶输送到处于更高压力下的容器(5)的泵，所述泵包括 带有活塞(11)的气缸(9)，所述活塞(11)设置在所述气缸(9)中，并且可以在所述气缸(9)中执行往复行程运动，在一个行程方向(I)运行的所述活塞(11)的第一行程运动期间，所述气缸(9)的低温室(13)的容积减少，而所述气缸(9)的、位于所述活塞(11)的与所述低温室(13)相对的一侧的高温室(15)的容积相应地增大，反过来，在相反行程方向(II)运行的所述活塞(11)的第二行程运动期间，所述高温室(15)的容积减小，而所述低温室(13)的容积相应地增大； 通向所述低温室(13)中的流体入口(19)，所述流体入口(19)连接到所述储罐(3)或者可以与所述储罐(3)连接； 从所述高温室(15)导出的流体出口(23)，所述流体出口(23)连接到所述容器(5)或者可以与所述容器(5)连接；和 流体连接(25)，通过所述流体连接(25)，所述两个室(13、15)彼此连接； 其特征在于 至少一个加热设备(27、29)设计为在所述第一行程运动期间加热通过所述流体连接(25)从所述低温室(13)流出并且流入所述高温室(15)的流体，以这样的方式在所述高温室(15)中建立随着温度而升高的压力，具体地说是随着温度等容地升高的压力，并且所述压力超过容器压力。
2.根据权利要求I所述的泵，其特征在于 至少一个冷却设备(27)设计为冷却保持在所述高温室(15)中并且还没有通过所述流体出口(23)流出的流体，所述流体在所述第二行程运动期间通过所述流体连接(25)从所述高温室(15)流出返回到所述低温室(13)中，以这样的方式在所述低温室(13)中建立随着温度而减小的压力，具体地说是随着温度等容地减小的压力，并且所述压力小于储罐压力。
3.根据权利要求2所述的泵，其特征在于 所述流体连接(25)途经所述至少一个加热设备(27、29)和/或所述至少一个冷却设备(27)。
4.根据权利要求I所述的泵，其特征在于 所述至少一个加热设备具有热交换器(29)，所述流体连接(25)途经所述热交换器(29)，优选地，所述热交换器(29)的主支管形成所述流体连接(25)的一部分。
5.根据权利要求I所述的泵，其特征在于 所述至少一个加热设备具有回热器(27)，所述流体连接(25)途经所述回热器(27)，所述回热器(27)也设置为用于在所述第二行程运动期间使得流体通过所述流体连接(25)从所述高温室(15)流出返回到所述低温室(13)的冷却设备。
6.根据权利要求4所述的泵，其特征在于 所述回热器(27)和所述热交换器(29)设置成在所述流体连接(25)中为串联形式，优选地，如从所述低温室(13)的方向所看到的，在所述流体连接(25)中，所述回热器(27)设置在所述热交换器(29)的上游。
7.根据权利要求I所述的泵，其特征在于所述流体出口(23)具有单向阀(31)，通过所述单向阀(31)，流体可以在出口方向流动。
8.根据权利要求7所述的泵，其特征在于 如从所述出口方向所看到的，所述流体出口(23)在所述单向阀(31)下游，途经一冷却设备，所述冷却设备具体地由一热交换器或所述热交换器(29)形成。
9.根据权利要求8所述的泵，其特征在于 所述流体出口(23)的一部分由所述热交换器(29)的副支管(33)形成，在所述低温室(13)和所述高温室(15)之间的所述流体连接(25)途经所述热交换器(29)的主支管。
10.根据权利要求I所述的泵，其特征在于 所述流体入口(19)具有阀(35)，通过所述阀(35)，流体可以在入口方向流动，所述阀(35)优选地为单向阀。
11.根据权利要求I所述的泵，其特征在于 提供用于所述活塞(11)的机械的或气动的或电磁的活塞驱动器，具体地是与所述活塞(11)机械分离的活塞驱动器。
12.根据权利要求11所述的泵，其特征在于 所述活塞具有至少部分磁性的设计，其中所述活塞驱动器具有两个环形线圈(37a、37b)，一个环形线圈(37a)围绕所述气缸(9)的第一端，另一个环形线圈(37b)围绕所述气缸(9)的第二端，并且其中所述活塞驱动器具有用于所述环形线圈(37a、37b)的控制器，所述控制器设计为将电流施加到所述环形线圈(37a、37b)，通过这样的方式在所述气缸(9)中产生磁场，并且有选择地在一个行程方向(I)或者另一个行程方向(II)驱动所述活塞(11)。
13.根据权利要求I所述的泵，其特征在于 所述泵(7)设置在所述储罐(3)内部。
全文摘要
本发明涉及用于将低温流体，诸如例如低温氢，从储罐输送到处于更高压力下的容器的泵，泵包括带有活塞的气缸，活塞设置在气缸中并且可以在气缸中执行往复行程运动，在一个行程方向运行的活塞的第一行程运动期间，低温室的容积减少，而处于气缸中在活塞的与低温室相对的一侧的高温室的容积相应地增大。泵还包括通向低温室的并连接到储罐或可以与储罐连接的流体入口，从高温室导出的并连接到容器或可以与容器连接的流体出口，和流体连接，通过流体连接两个室彼此连接，至少一个加热设备设计为在第一行程运动期间加热从低温室流出流入高温室的流体，以这样的方式在高温室中建立超过容器压力的压力。
文档编号F04B37/08GK102852759SQ20121031011
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月18日 优先权日2011年6月18日
发明者K·布鲁恩霍佛, W·佩什卡 申请人:马格纳斯泰尔汽车技术两合公司