双级低温泵
阅读：984发布：2020-05-17
专利汇可以提供双级低温泵专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种用于对 低温 流体 加压的 泵 (10)。泵可具有筒体(40)和设置在筒体周围的 增压 罩(36)。泵还可具有增压 柱塞 (48)，其设置在筒体内部并且配置成将流体排放至增压罩中。泵可进一步具有主柱塞(50)，其设置在筒体内部并且配置成接纳来自增压罩的流体并增加流体的压 力 。，下面是双级低温泵专利的具体信息内容。
1.一种泵(10)，包括：
筒体(40)；
设置在所述筒体周围的增压罩(36)；
增压柱塞(48)，设置在所述筒体内部并且配置成将流体排放至所述增压罩中；以及主柱塞(50)，设置在所述筒体内部并且配置成接纳来自所述增压罩的流体并增加所述流体的压力，其中所述主柱塞自由浮动并且通过所述增压罩中的所述流体的压力移动至回缩位置。
2.根据权利要求1所述的泵，进一步包括储罐(18)，其中：
所述增压罩和所述筒体位于所述储罐内部；以及
所述增压柱塞配置成从所述储罐内部并且与所述增压罩分离的位置将液体吸取至所述筒体中。
3.根据权利要求2所述的泵，其中来自所述主柱塞的泄漏被引导至所述增压柱塞。
4.根据权利要求3所述的泵，其中来自所述增压柱塞的泄漏被引导至所述储罐中。
5.根据权利要求2所述的泵，进一步包括在所述增压柱塞处将所述储罐连接至所述筒体的多个入口通道(66)。
6.根据权利要求5所述的泵，其中所述多个入口通道的组合横截面面积等于所述增压柱塞的暴露横截面面积的0.4倍至0.7倍。
7.根据权利要求5所述的泵，进一步包括至少一个止回阀(64)，其配置成选择性地关闭所述多个入口通道。
8.根据权利要求7所述的泵，其中所述至少一个止回阀具有环形主体(68)，其配置成同时阻止流动通过所述多个入口通道。
9.根据权利要求8所述的泵，进一步包括至少一个内部凹槽(72)，其形成在所述环形主体中并且配置成接合形成在所述筒体中的引导件(74)。
10.根据权利要求8所述的泵，其中所述多个入口通道中的每一个入口通道为圆形。
11.根据权利要求8所述的泵，其中所述多个入口通道中的每一个入口通道为弓形。
12.根据权利要求1所述的泵，进一步包括连接至所述增压柱塞的机械输入装置(14)，其中：
所述增压柱塞的延伸移动导致所述主柱塞延伸；以及
所述机械输入装置包括：
可旋转负载板(21)；以及
推杆(26)，其将所述可旋转负载板的起伏轴向运动传输至所述增压柱塞。
双级低温泵
技术领域
背景技术
[0002] 气态燃料发动机在许多应用中是常见的。例如，机车的发动机可单独由天然气(或另一种气态燃料)或天然气与柴油燃料的混合物来提供动力。天然气可能比柴油更丰富，且因此更便宜。另外，天然气在某些应用中可能会燃烧得更清洁，并且产生更少的温室气体。
[0003] 天然气在移动应用中使用时可以液态存储在相关机器上。这可能需要将天然气存储在通常约-100℃至-162℃的低温下。然后，液化天然气通过重力和/或通过增压泵从储罐中吸取并被引导至高压泵。高压泵进一步增加燃料的压力并且将燃料引导至机器的发动机。在某些应用中，液体燃料可在被注入发动机之前被气化和/或在燃烧之前与柴油燃料(或另一种燃料)混合。
[0004] 与在低温下操作的泵相关的一个问题涉及由于在泵的活塞的回缩冲程期间观察到低压而引起的天然气的闪蒸。为了避免这样的低压并且由此避免天然气的闪蒸，典型的低温泵系统引入位于燃料储罐底部处的大直径缓慢移动的活塞以最小化压力，或该系统包括附加的增压泵，该增压泵提升被引导至单独主泵的活塞的流体的压力。使用大直径活塞导致泵又大又重且较为昂贵，这些泵在下游部件(例如，从泵收集流体的储液器中)产生高压尖峰。压力尖峰可能是复杂的且其的容纳是昂贵的(例如，需要附加部件，诸如调节器)。引入附加的增压泵可增加泵送系统的成本并且还降低系统的可靠性。
[0005] 在1995年11月7日授予Prince等人的第5,464,330号美国专利('330专利)中公开了示例性泵。具体地，'330专利的泵包括储罐和设置在储罐中的三个缸体。每个缸体具有第一级汽缸和第二级汽缸，其中相关联的活塞设置在第一级汽缸和第二级汽缸中的每一个汽缸中。曲轴延伸至储罐中并且包括偏心凸角，第一级活塞偏置抵靠在该偏心凸角上。第二级活塞在第二级汽缸中自由浮动。
[0006] 在'330专利的第一级活塞的吸气冲程期间，液压油被吸入第一级汽缸中经过第一止回阀。在压缩冲程期间，第一级活塞被驱动以迫使液压油从第一级汽缸流出经过第二止回阀进入储罐中每个缸体公用的通道。在第二级活塞的吸气冲程期间，来自通道的液压油被吸取至第二级汽缸中经过第三止回阀。在第二级活塞的压缩冲程期间，液压油被驱动以迫使液压油从第二级汽缸流出经过第四止回阀进入所有缸体公用的出口。当第一级活塞被弹簧偏置至其回缩位置时，通道中的流体的压力足以将第二级活塞移动至其回缩位置。
[0007] 虽然'330专利的泵可能在某些液压油应用中是有用的，但是其在低温应用中的实用性可能有限。具体地，低温应用中经历的压力可能足够高到引起'330专利的缸体的变形。另外，'330专利的通道和止回阀可能没有适用于低温应用的尺寸，从而在第一级活塞和第二级活塞的回缩冲程期间潜在地引起闪蒸。
[0008] 所公开的泵旨在克服上述一个或多个问题。
发明内容
[0009] 一方面，本发明涉及一种泵。泵可包括筒体和设置在筒体周围的增压罩。泵还可包括增压柱塞，其设置在筒体内部并且配置成将流体排放至增压罩中。泵可进一步具有主柱塞，其设置在筒体内部并且配置成接纳来自增压罩的流体并增加流体的压力。
[0010] 另一方面，本发明涉及另一种泵。此泵可包括储罐、设置在储罐内部的筒体和设置在储罐内部的增压罩。泵还可包括增压柱塞和多个入口通道，该增压柱塞设置在筒体内部并且配置成将流体排放至增压罩中，该多个入口通道在增压柱塞处将储罐内部并且与增压罩分离的位置连接至筒体。泵可进一步包括主柱塞，其设置在筒体内部并且配置成接纳来自增压罩的流体并增加流体的压力。该多个入口通道的组合横截面面积可大约等于增压柱塞的暴露横截面面积的0.4倍至0.7倍。
[0011] 在又一方面中，本发明涉及另一种泵。此泵可包括储罐、设置在储罐内部的筒体和设置在储罐内部并且筒体周围的增压罩。泵还可包括增压柱塞，其设置在筒体内部并且配置成将流体排放至增压罩中。该泵可进一步包括多个入口通道和至少一个止回阀，该多个入口通道在增压柱塞处将储罐内部并且与增压罩分离的位置连接至筒体，该至少一个止回阀配置成选择性地关闭该多个入口通道。泵可另外包括自由浮动主柱塞，其设置在筒体内部并且配置成接纳来自增压罩的流体并增加流体的压力。该泵还可包括可旋转负载板和推杆，该推杆连接至增压柱塞并且配置成将可旋转负载板的起伏运动轴向地传输至增压柱塞。该多个入口通道的组合横截面面积可大约等于增压柱塞的暴露横截面面积的0.4倍至0.7倍。自由浮动主柱塞中的泄漏可被引导至增压柱塞，且增压柱塞中的泄漏可被引导至储罐中。
附图说明
附图说明
[0012] 图1是示例性公开的泵的横截面图和示意图；以及
[0013] 图2和3是图1中所示的泵的示例性部分的放大端视等距图。
具体实施方式
[0014] 图1说明了示例性泵10。在一个实施例中，泵10由外部动力源(例如，燃烧发动机或电动机-未示出)机械地驱动以生成高压流体排放。在所公开的实施例中，通过泵10的流体是液化天然气(LNG)。然而，可预期的是，如果需要，泵10可替代地或另外地配置成对不同的低温流体进行加压和排放。例如，低温流体可为液化氦气、氢气、氮气、氧气或本领域中已知的另一种流体。
[0015] 泵10可为总体上圆柱形并且被分成两个端部。例如，泵10可被分成热端或输入端12以及冷端或输出端16，其中驱动轴14可旋转地支撑在该输入端，该输出端至少部分地浸没在燃料储罐18内。利用这种配置，机械输入可在热端12处(即，经由轴14)被提供给泵10，并且用于在相对冷端16处从储罐18中吸取液体燃料。液体燃料可由冷端16加压，并且经由排放通道20从泵10中排出。在大多数应用中，泵10将以图1中所示的定向安装和使用(即，冷端16位于燃料储罐18内部的重力最低点以减少冷端16的压力降)。应当注意，在某些实施例中，如果需要，热端12的一部分或全部也可位于燃料储罐18内部。同样，冷端16的一部分可从燃料储罐18突出。
[0016] 热端12可能相对比冷端16更热。具体地，热端12可容置多个移动部件，这些部件在操作期间通过摩擦生成热量。另外，连接至动力源的热端12可能导致热量从动力源传导至泵10中。另外，如果泵10和动力源定位成彼此紧邻，那么气流可经由对流对热端12加热。最后，用于润滑泵10的流体(例如，油)可能是热的，且由此将热量传递至热端12。相反，冷端16可连续地接纳具有极低温度的流体供应。例如，LNG可在低于约-120℃的温度下从相关联的储罐供应至泵10。
[0017] 泵10可为双级轴向活塞式泵。具体地，轴14可在内端处可旋转地连接至负载板21。负载板21可相对于泵10的中心轴线22以一定斜角定向，使得轴14的输入旋转可转换成负载板21的对应起伏轴向运动。多个挺杆24可沿着负载板21的下表面滑动，且推杆26可与每个挺杆24相关联。以此方式，负载板21的起伏轴向运动可通过挺杆24传递至推杆26，并且用于对通过泵10的流体加压。弹性构件(未示出)(例如，螺旋弹簧)可与每个推杆26相关联并且配置成将相关联的挺杆24偏置与负载板21接合。如果需要，每个推杆26可为单件式部件，或替代地，由多件组成。许多不同的轴/负载板配置是可能的，且轴14的斜角可为固定的或可变的。
[0018] 应当注意，如果需要，泵10可起不同的作用。例如，如果需要，负载板21可用线性致动器(例如，单动或双动汽缸)代替。汽缸将连接至或包括推杆26，并且被选择性地供应或被排出流体以生成上述起伏轴向运动。也可能使用其它选项。
[0019] 歧管28可位于热端12与冷端16之间的过渡区域位置处。歧管28可用作推杆26的引导件、用作多个泵送机构30(图1中仅示出一个)的安装垫、用作储罐18的关闭机构，以及用作泵送机构30的流体的分配器/集流器。歧管28可包括多个孔32(仅示出一个)，这些孔各自配置成接纳对应的推杆26。另外，歧管28可在其中形成有与排放通道20流体连通的公共高压出口34。在某些实施例(未示出)中，歧管28还可在其中形成有用于再填充储罐18的低压入口和/或用于LNG燃料的消耗者的回流入口。
[0020] 冷端16可另外包括设置在每个或全部泵送机构30周围的增压罩36。增压罩36可远小于储罐18并且设置在储罐18的内部。在所公开的实施例中，储罐18可具有约3,785L(即，约1,000加仑)的体积，而增压罩36可具有约8L(即，约2加仑)的体积。增压罩36可维持与储罐18分离(即，流体密封)。
[0021] 任何数量的泵送机构30可连接至歧管28并且向下悬垂至增压罩36中。每个泵送机构30可包括总体上中空筒体40，其具有连接至歧管28的底端42和相对远端44。头部46可附接至远端44以关闭筒体40。每个推杆26的下端可延伸穿过歧管28进入对应的筒体40中以枢转地连接至增压柱塞48。高压或主柱塞50可在筒体40内自由浮动，并且定位成比增压柱塞48更靠近远端44。在此配置中，推杆26的往复移动可转化为在增压柱塞48和主柱塞50在筒体40内的下止点(BDC)和上止点(TDC)位置之间的滑动移动。
[0022] 筒体40可被分成多个不同的同心泵室。具体地，筒体40可被分为较大的增压室52和较小的高压室54。增压柱塞48可在增压室52内往复运动，而主柱塞50可在高压室54内往复运动。一般来说，增压柱塞48可具有大于主柱塞50的直径，且增压室52内部的增压柱塞48周围的环形间隙可大于高压室54内部的主柱塞50周围的环形间隙。通过主柱塞50周围的间隙的泄漏可进入增压室52，而通过增压柱塞48周围的间隙的泄漏可经由通道56流出进入储罐18(即，增压罩36的外部)。
[0023] 头部46可容置阀元件，这些阀元件在增压柱塞48和主柱塞50于它们的BDC和TDC位置之间的移动期间促进流体泵送。具体地，头部46可包括第一入口止回阀58、增压止回阀60、第二入口止回阀62和高压止回阀64。第一入口止回阀58可配置成选择性地允许来自储罐18的低压燃料(例如，具有约.1MPa至.5MPa的压力的燃料)进入增压室52。增压止回阀60可配置成选择性地允许来自增压室52的中压燃料(例如，具有约2MPa至8MPa的压力的燃料)进入增压罩36。第二入口止回阀62可配置成选择性地允许来自增压罩36的中压燃料进入高压室54。高压止回阀64可配置成选择性地允许来自高压室54的高压燃料(例如，具有约
40MPa至45MPa的压力的燃料)通过高压出口34进入排放通道20。这些止回阀中的每一个止回阀可采用本领域中已知的任何形式，例如球形止回阀、簧片止回阀、环形止回阀等，只要它们各自在相应的期望压力阈值下提供单向燃料流。
40MPa至45MPa的压力的燃料)通过高压出口34进入排放通道20。这些止回阀中的每一个止回阀可采用本领域中已知的任何形式，例如球形止回阀、簧片止回阀、环形止回阀等，只要它们各自在相应的期望压力阈值下提供单向燃料流。
[0024] 在图1中所说明的第一实施例中，第一入口止回阀58是与多个入口通道66相关联的环形止回阀，这些入口通道与增压室52连通。具体地，入口通道66可为圆形轴向通道，其总体上平行于轴线22并且延伸穿过增压室52的底板以与储罐18连通。入口通道66可围绕高压室54的周边均匀间隔开，并且具有约等于(即，在制造公差内)增压柱塞48的暴露横截面面积的0.4倍至0.7倍的组合横截面流动面积。此面积关系可有助于在增压柱塞48回缩期间限制在增压室52内部产生低压区域，这可能导致进入增压室52的燃料的闪蒸。另外，入口通道66的开口可定位成尽可能靠近储罐18的底部，而不会导致限制进入入口通道66的流体流。例如，头部46可位于与储罐18相距一定距离处，从而维持头部46与储罐18的底部之间的径向横截面流动与轴向通过入口通道66的横截面流动至少相同。
[0025] 如图1的横截面视图和图2的端视图中所示，第一入口止回阀58可具有接纳在增压室52内的环形主体68，其配置成阻止流体流通过每个入口通道66进入增压室52。具体地，主体68可配置成当增压柱塞48向下移动时阻断通道66的出口处的公共槽70，且由此阻止流动进入增压室52。同样，主体68可配置成当增压柱塞在增压室52内向上移动时移开并且由此允许流动通过入口通道66。可预期的是，主体68的内部和/或外部径向边缘可被塑形为接纳一个或多个引导件，其促进第一入口止回阀58在增压室52内的平滑轴向移动。例如，主体68的内部径向边缘在图2中被示为具有一个或多个内部凹槽72，其接纳从高压室54的壁向外突出的对应凸角74(参考图1)。
[0026] 在图3的泵端视图中所示的替代实施例中，入口通道66可被不同形状的入口通道代替。具体地，泵10可包括一个或多个弓形入口通道76，其向上延伸穿过增压室52的底板。在此实施例中，第一入口止回阀58的阀元件可为弓形楔形件，其配合至入口通道76中并阻断该入口通道。如果需要，可使用其它形状的通道和/或阀元件。
[0027] 工业实用性
[0028] 所公开的泵在需要高温低温流体的任何流体系统中发现潜在的应用。所公开的泵在发动机应用(例如，燃烧LNG燃料的发动机应用)中发现特定的实用性。然而，本领域技术人员将认识到，可对可或可不与发动机相关联的其它流体系统利用所公开的泵。所公开的泵可能能够以高效且极少发生的闪蒸产生高压。现在将解释泵10的操作。
[0029] 参考图1，当驱动轴14由发动机(或另一个动力源)旋转时，可能使负载板21在轴向方向上起伏。这种起伏可能导致挺杆24的平移移动以及每个泵送机构30的推杆26、连接的增压柱塞48和自由浮动主柱塞50的对应移动。在每个泵送机构内，驱动轴14的旋转可导致增压柱塞48相对于增压室52的轴向延伸和回缩，并且由于增压柱塞48与主柱塞50的邻接，还导致主柱塞50延伸至高压室54中。如下文将更详细地描述，主柱塞50从高压室54的回缩可能是由于当增压柱塞48从主柱塞50移开时在高压室54中的燃料压力引起的。
[0030] 当增压柱塞48周期地升高并落入筒体40内时，此往复运动可用于从储罐18中吸取低压燃料并将中压燃料排放至增压罩36中。具体地，增压柱塞48的回缩可能导致来自储罐18内部和增压罩36外部的位置的低压燃料流过头部46的入口通道66并经过第一入口止回阀58进入增压室52。应当注意，入口通道66和第一止回阀58的大流动面积可减小在增压柱塞回缩期间生成的低压的大小，使得避免闪蒸。增压柱塞48的随后延伸可将来自增压室52的中压燃料推过增压止回阀60并进入增压罩36。
[0031] 增压罩36中的中压燃料可流过第二入口止回阀62进入高压室54，从而导致主柱塞50从高压室54中回缩。当增压柱塞48由负载板21的起伏运动迫使向下时，增压柱塞48也可迫使主柱塞50向下进入高压室54。主柱塞50延伸至高压室54中可将其中的液体燃料推出经过高压止回阀64进入高压出口34和排放通道20。
[0032] 在泵10的操作期间，一定量的液体燃料可能会泄漏经过柱塞48和50，且一定量的泄漏燃料可能蒸发。例如，燃料可从主柱塞50周围的高压室54泄漏并进入增压室52中，且一定量的这种燃料可为气态。泄漏至增压室52中的燃料可在增压室52内部稍微冷却，并且在被引导至增压罩36中之前在增压柱塞48的压缩冲程期间再浓缩。类似地，燃料可从增压室52周围的增压柱塞48泄漏，且一定量的这种燃料可为气态。在增压柱塞48周围泄漏的燃料可在增压柱塞48的后侧处冷却，并且在经由通道56引导至储罐18中之前、期间和/或之后再浓缩。
[0033] 所公开的泵可具有许多相关益处。例如，所公开的泵可被设计成产生足够高的压力以在低温应用中使用。另外，由于增压罩36可位于增压室52周围，且由于增压室52可位于高压室54周围，所以这些室的变形可能稍微受到周围高压燃料体积的约束。因此，可能发生较少的变形，从而允许延长泵10的寿命。另外，泵10的通道和止回阀可被设计成减小在回缩柱塞冲程期间通常遇到的低压。结果，在泵10的操作期间可能较少地发生闪蒸。
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