專(zhuān)利名稱(chēng)：兩相氫泵及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及燃料系統(tǒng)，并且更具體涉及用于將液態(tài)氫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
就減少排放且提高燃料效率而言，氫提供了多個(gè)優(yōu)于石油基燃料的優(yōu)點(diǎn)。例如，當(dāng)氫用于燃料電池以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電力時(shí)，副產(chǎn)物是水。當(dāng)氫在例如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或者活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)，與由石油基燃料的燃燒引起的排放相比，其廢氣排放相對(duì)低。氫作為燃料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與例如噴射燃料的石油基燃料相比通常每質(zhì)量的能量密度(energy-per-mass density)較高。例如，氫含有的每單位質(zhì)量能量大致是石油基燃料的三倍。為了最小化所需的存儲(chǔ)體積，氫可以以液態(tài)形式有效地存儲(chǔ)。盡管以液態(tài)形式存儲(chǔ)氫需要將溫度維持在低于大致-420 °F，但是與將要存儲(chǔ)氣態(tài)形式氫的大量槽相比，可以存儲(chǔ)液態(tài)氫的低壓最小化交通工具的總重量。上述與氫有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用于某些交通工具。例如，高海拔長(zhǎng)耐久性 (high-altitude long-endurance) (HALE)飛機(jī)可以得益于氫基推進(jìn)系統(tǒng)。HALE飛機(jī)可以設(shè)計(jì)用于在高達(dá)65000英尺的海拔工作，并且可以在空中停留多達(dá)十四天或者更長(zhǎng)時(shí)間。然而，各種其他交通工具和系統(tǒng)可以得益于氫作為石油基燃料的替換。為了在燃料電池或者內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用氫，氫必須處于氣態(tài)狀態(tài)。此外，需要增加氣態(tài)氫的壓力，從而適合燃料電池或者內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的操作要求。用于在適合的溫度和壓力下將液態(tài)氫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫的現(xiàn)有技術(shù)方法包括使用熱交換器和機(jī)械泵。熱交換器可以用于將液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫用作燃料。不幸地是，熱交換器通常體積龐大。在例如HALE飛機(jī)的長(zhǎng)耐久性應(yīng)用中，機(jī)械泵必須能夠連續(xù)工作很長(zhǎng)時(shí)間。液態(tài)氫的極端低溫和氫的低粘稠度限制了機(jī)械泵的效率和可靠性。更具體地說(shuō)，因?yàn)闃O端低溫，機(jī)械泵暴露于液態(tài)氫的部分可以經(jīng)歷顯著的熱收縮。為了調(diào)和機(jī)械泵的各部分之間熱收縮差異，必須設(shè)計(jì)且制造具有相對(duì)大公差的泵配合構(gòu)件(mating components) 0然而，大的公差可以減小泵效率。此外，機(jī)械泵通常包括需要潤(rùn)滑從而最小化摩擦且防止磨損的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。不幸地是，液態(tài)氫的相對(duì)低的粘稠度最小化氫充當(dāng)潤(rùn)滑劑的能力。此外，液態(tài)氫的低溫最小化可用于該泵的適合潤(rùn)滑劑(例如，Teflon (特氟綸))的可利用數(shù)目。能夠看出，本領(lǐng)域中存在對(duì)于用于在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟群蛪毫ο聦⒁簯B(tài)氫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫的系統(tǒng)和方法的需要。在這點(diǎn)上，本領(lǐng)域中存在對(duì)于用于將液態(tài)氫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫的系統(tǒng)和方法的需要，其需要活動(dòng)部件的數(shù)目最少，并且其中氣態(tài)氫可以以可靠且有效的方式連續(xù)產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
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與氫燃料有關(guān)的上述需要由本公開(kāi)具體解決，在一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)提供了包含泵殼體和加熱機(jī)構(gòu)的氫泵。泵殼體被配置成例如通過(guò)殼體入口接收液態(tài)氫，例如來(lái)自供給槽的液態(tài)氫。該加熱機(jī)構(gòu)被配置成汽化泵殼體內(nèi)含有的液態(tài)氫，從而產(chǎn)生氣態(tài)氫。此外，該加熱機(jī)構(gòu)被配置成增加氣態(tài)氫的壓力，以便氣態(tài)氫可以在達(dá)到氣態(tài)氫的預(yù)定壓力時(shí)從殼體出口連續(xù)釋放。該氣態(tài)氫可以從殼體出口連續(xù)釋放，直到泵殼體中的液態(tài)氫降低到預(yù)定水平之下，這時(shí)殼體出口可以關(guān)閉。然后，剩余的氣態(tài)氫可以從泵殼體排出，從而便于在新的周期開(kāi)始接收泵殼體內(nèi)部額外的液態(tài)氫。在一個(gè)實(shí)施例中，氫泵可以這樣配置，在關(guān)閉殼體出口之后且排出剩余液態(tài)氫之前，殼體入口暫時(shí)打開(kāi)(即，持續(xù)預(yù)定時(shí)段)。以這個(gè)方式，泵殼體內(nèi)部較高壓力的氣態(tài)氫通過(guò)殼體入口流出泵殼體，并且與液態(tài)氫混合，從而減少氣態(tài)氫的溫度。氫泵可以包括相互連接泵殼體和供給槽的中間部分。中間部分可以含有液態(tài)氫， 并且可以為氣態(tài)氫與液態(tài)氫混合提供位置。隨著氣態(tài)氫與液態(tài)氫的混合，泵殼體中剩余的氣態(tài)氫可以通過(guò)排出管線(xiàn)排出，以便減少泵殼體內(nèi)部的壓力。剩余氣態(tài)氫的排出允許額外的液態(tài)氫在新的周期開(kāi)始時(shí)流入殼體入口。排出管線(xiàn)可以選擇性地通過(guò)中間部分，以便在剩余氣態(tài)氫傳送到供給槽之前提取排出管線(xiàn)中剩余的氣態(tài)氫的熱量。從剩余氣態(tài)氫提取熱量減少了汽化泵殼體中液態(tài)氫所需熱量的量。本公開(kāi)的技術(shù)效益包括將氫的汽化和抽運(yùn)合并為單個(gè)無(wú)源閉合系統(tǒng)，而不需要機(jī)械泵或者常規(guī)的熱交換器。無(wú)源氫泵提供用于在想要的工作溫度和壓力下以有效且可靠的方式產(chǎn)生氣態(tài)氫的裝置。已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)點(diǎn)在本公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施例中能夠單獨(dú)獲得，或者可以在其他實(shí)施例中合并，進(jìn)一步的細(xì)節(jié)能夠參考下面的下列描述和附圖。


在參考附圖時(shí)，本公開(kāi)的這些及其他特征會(huì)變得顯而易見(jiàn)，其中所有相同的數(shù)字指的是相同的部件，并且其中圖1是兩相氫泵在周期開(kāi)始的示意圖，并且示出通過(guò)入口閥流體耦合到泵殼體的供給槽和中間部分；圖2是氫泵的示意圖，其中入口閥打開(kāi)，從而允許泵殼體接收通過(guò)殼體入口的液態(tài)氫；圖3是氫泵的示意圖，其中泵殼體充滿(mǎn)液態(tài)氫，并且為了在流量控制閥釋放，加熱元件將液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫；圖4是氫泵的示意圖，其中泵殼體液態(tài)氫耗盡并且入口閥打開(kāi)從而允許氣態(tài)氫與液態(tài)氫在中間部分混合；圖5是氫泵的示意圖，其中為了減少泵殼體內(nèi)部的壓力，使得液態(tài)氫可以流入該泵殼體，排出閥打開(kāi)，允許剩余的氣態(tài)氫從泵殼體排出；圖6是氫泵的示意圖，其中泵殼體充滿(mǎn)液態(tài)氫，并且入口閥和排出閥關(guān)閉，從而便于在另一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫；圖7是從液態(tài)氫產(chǎn)生氣態(tài)氫的方法；圖8是對(duì)于氫泵的實(shí)施例的氫氣流速隨時(shí)間的曲線(xiàn)圖；和
圖9是在可以包括氫泵的交通工具的實(shí)施例中飛機(jī)的透視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖，其中附圖展示只是為了示出本公開(kāi)優(yōu)選及各種實(shí)施例目的，而不是為了限制本公開(kāi)的目的，圖1中示出如可以用于將液態(tài)氫12轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫14的氫泵10 的示意圖。如上所述，氣態(tài)氫14可以用作燃料，例如如下面所提到的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池或者用于多種其他應(yīng)用，而不限制。就廣義來(lái)說(shuō)，氫泵10包含泵殼體36和加熱機(jī)構(gòu)M。泵殼體36可以配置用于通過(guò)殼體入口 38接收液態(tài)氫12。更具體地說(shuō)，液態(tài)氫12可以存儲(chǔ)在供給槽20中，例如適合于將氫維持在低于大約-420 °F的溫度的低溫供給槽20。在這點(diǎn)上，供給槽20可以配置作為采用有源和/或無(wú)源保溫體的低溫供給槽20，以便將氫維持在液態(tài)狀態(tài)。然而，供給槽20 可以采用本領(lǐng)域中任何用于將氫維持在液態(tài)狀態(tài)的已知技術(shù)。盡管供應(yīng)槽20通常示出為球形形狀的容器，但是其可以以任何適當(dāng)尺寸、形狀和構(gòu)造提供，而不限制。在將液態(tài)氫12接收進(jìn)入泵殼體36時(shí)，加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成將泵殼體中的液態(tài)氫12汽化為氣態(tài)氫14。此外，加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成將泵殼體36中氣態(tài)氫14的壓力增加到適合由氫泵10下游的構(gòu)件使用的水平。例如，對(duì)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，氫泵10可以被配置成產(chǎn)生在大約-10 250 °F溫度范圍內(nèi)且在大約60到IOOpsia (磅/平方英寸)壓力范圍內(nèi)的氣態(tài)氫14。然而，氫泵10可以被配置成提供任何溫度和壓力的氣態(tài)氫14用于廣泛應(yīng)用。仍舊參考圖1，示出供給槽20由供給管線(xiàn)沈流體耦合泵殼體36。該泵殼體36可以包括殼體入口 38，其中入口閥30可以流體耦合到給殼體入口 38。入口閥30可以操作打開(kāi)并關(guān)閉，從而允許液態(tài)氫12進(jìn)入泵殼體36，和/或允許氣態(tài)氫14流出泵殼體36，以便氣態(tài)氫14可以以下面將更詳細(xì)描述的方式與液態(tài)氫12混合。簡(jiǎn)要參考圖4，氫泵10可以進(jìn)一步包括中間部分28，中間部分28被插入入口閥30 和供給槽20之間的供給管線(xiàn)26。如下面將更詳細(xì)描述的，中間部分觀可以提供這樣的位置，為了降低氣態(tài)氫14的溫度，來(lái)自泵殼體36的氣態(tài)氫14可以在該位置與液態(tài)氫12混合。 此外，中間部分28可以提供這樣的位置，含有剩余氣態(tài)氫34的排出管線(xiàn)74通過(guò)該位置可以便于在將剩余氣態(tài)氫；34傳送到供給槽20之前從剩余氣態(tài)氫34提取熱量，也如下將述。有利地是，如這里所公開(kāi)的氫泵10提供了無(wú)源閉合系統(tǒng)，該系統(tǒng)合并汽化液態(tài)氫12和連續(xù)抽運(yùn)氫的需要，以便可以為下游使用連續(xù)傳送氣態(tài)氫14，下游使用例如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池或者任何其他系統(tǒng)、環(huán)境、應(yīng)用、組裝、結(jié)構(gòu)或者交通工具，而不限制于此。例如，氫泵10可以被包含到多種應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)，包括但不限于精煉廠操作(refinery operation)、食品加工、發(fā)電廠冷卻和核反應(yīng)堆設(shè)施(nuclear reactor facilities)。此外，氫泵10可以并入多種制造操作和其他過(guò)程，包括而不限于熱處理、焊接和化學(xué)合成。仍舊參考圖1，在一個(gè)實(shí)施例中，泵殼體36可以包含水平部分42，該水平部分42 可以與豎直部分44相鄰。水平部分42可以配置用于含有或者放置從供給槽20接收的液態(tài)氫12，并且以便液態(tài)氫12可以停留(settle)在水平部分42。在這點(diǎn)上，水平部分42可以被配置成通過(guò)殼體入口 38接收液態(tài)氫12。水平部分42可以以任何尺寸、形狀或者構(gòu)造提供用于接收液態(tài)氫12。此外，使用加熱機(jī)構(gòu)M熱量可以應(yīng)用到在水平部分42的液態(tài)氫12。豎直部分44可以從水平部分42向上延伸。盡管豎直部分可以置于相對(duì)于水平部分42的任何位置，但是如圖1所示，豎直部分44可以位于水平部分42的一個(gè)相對(duì)末端。此外，豎直部分44可以以任何尺寸或者形狀配置，并且不限于圖中所示的那些。豎直部分44 可以提供位置，在該位置氣態(tài)氫14可以在泵殼體36內(nèi)部累積。盡管以L形構(gòu)造示出，但是泵殼體36可以以任何便于接收液態(tài)氫12和加熱液態(tài)氫12的尺寸、形狀和構(gòu)造提供。此外，泵殼體36可以以任何為了從泵殼體36離開(kāi)便于氣態(tài)氫14的汽化和累積的構(gòu)造提供。在這點(diǎn)上，泵殼體36可以被配置成當(dāng)泵殼體36內(nèi)部的氣態(tài)氫14到達(dá)預(yù)定壓力時(shí)，通過(guò)殼體出口 40釋放氣態(tài)氫14。當(dāng)液態(tài)氫12降到低于預(yù)定水平時(shí)，泵殼體36的殼體出口 40可以被配置成關(guān)閉。此外，如圖4所示，在關(guān)閉殼體出口 40 之后，泵殼體36可以操作排出留在泵殼體36中的剩余氣態(tài)氫34，以便減少泵殼體36內(nèi)部的壓力。如圖5所示且如下將更詳細(xì)描述的，用這個(gè)方式，額外的液態(tài)氫12可以通過(guò)殼體入口 38進(jìn)入泵殼體36。氫泵10可以包括流量控制閥60，該流量控制閥60可以流體耦合到殼體出口 40或者集成/結(jié)合到殼體出口 40。流量控制閥60可以包括流量控制閥入口 64和流量控制閥出口 66。流量控制閥入口 64可以流體耦合到殼體出口 40。流量控制閥出口 66可以經(jīng)由傳送管(未示出)流體耦合到下游構(gòu)件，以便下游構(gòu)件可以接收來(lái)自氫泵10的氣態(tài)氫14。 該流量控制閥60可以以任何合適構(gòu)造提供，例如止回閥、壓力調(diào)節(jié)器58或者任何調(diào)節(jié)殼體出口 40打開(kāi)和關(guān)閉的其他適合的閥裝置或機(jī)構(gòu)。流量控制閥60可以包括控制閥致動(dòng)器 (control valve actuator) 62，其可以被配置成打開(kāi)流量控制閥60，從而考慮在達(dá)到泵殼體36內(nèi)部的氣態(tài)氫14的預(yù)定壓力時(shí)從泵殼體36釋放氣態(tài)氫14。此外，當(dāng)氣態(tài)氫14的壓力降到低于預(yù)定壓力時(shí)，和/或當(dāng)泵殼體36中的液態(tài)氫12的水平降到低于例如圖4中所示液耗水平53的預(yù)定水平時(shí)，流量控制閥60可以被配置成關(guān)閉。在一個(gè)實(shí)施例中，可以相應(yīng)于泵殼體36內(nèi)部液態(tài)氫12的感測(cè)水平調(diào)節(jié)流量控制閥60。例如，流量控制閥60或者控制閥致動(dòng)器62可以連通耦合一個(gè)或更多水平傳感器48， 其可以安裝在泵殼體36的內(nèi)部或者結(jié)合到泵殼體36，例如如圖1所示的水平部分42中。 在這點(diǎn)上，泵殼體36可以包括一個(gè)或更多液位傳感器(fill sensor) 50和/或一個(gè)或更多液耗傳感器(cbpletion sensor) 52。如圖1所示，該液位傳感器50和液耗傳感器52可以連通耦合流量控制閥60、入口閥30和/或排出閥70。液位傳感器50和液耗傳感器52可以提供作為被配置成感測(cè)液態(tài)氫12的水平的任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)。例如，液位傳感器50和/ 或液耗傳感器52可以提供作為光學(xué)傳感器、超聲波傳感器、或者任何其他適當(dāng)?shù)奈粋鞲醒b置。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)液態(tài)氫12到達(dá)泵殼體36的水平部分42內(nèi)部的液位水平 (fill level) 51時(shí)，液位傳感器50可以感測(cè)。該液位傳感器50可以產(chǎn)生達(dá)到液位水平51 的信號(hào)。這些信號(hào)可以被提供到流量控制閥60、入口閥30、排出閥70和/或到氫泵10的任何其他操作機(jī)構(gòu)。當(dāng)液態(tài)氫12降到低于指示泵殼體36是空的液耗水平53時(shí)，液耗傳感器52可以操作以感測(cè)和/或指示。氫泵10可以包括傳感線(xiàn)68，傳感線(xiàn)68可以在流量控制閥60和泵殼體36之間延伸。傳感線(xiàn)68可以被配置成提供表示在殼體出口 40氣態(tài)氫14的背壓的信號(hào)。背壓可以由任何適合的傳感機(jī)構(gòu)感測(cè)，例如由一個(gè)或更多壓力轉(zhuǎn)換器(未示出)。泵殼體36內(nèi)部， 更具體地是泵殼體36的豎直部分44內(nèi)部的氣態(tài)氫14的積累可以被感測(cè)并且經(jīng)由傳感線(xiàn) 68傳遞到流量控制閥60，以便流量控制閥60可以由此調(diào)節(jié)。例如，該流量控制閥60可以打開(kāi)從而在泵殼體36內(nèi)部達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)釋放氣態(tài)氫14。在一個(gè)實(shí)施例中，該流量控制閥60可以位于或者置于高于泵殼體36的高度和/ 或高于殼體出口 40的高度，從而便于釋放氣態(tài)氫14。然而，該流量控制閥60可以位于相對(duì)于泵殼體36的任何高度。同樣，供給槽20也可以置于高于殼體入口 38的高度，以便便于液態(tài)氫12重力供料到泵殼體36。然而，圖1-6的示意圖表示氫泵10的設(shè)置，并且這些示意圖將不看作限制關(guān)于氫泵10所包括的供給槽20、泵殼體36、流量控制閥60及其他構(gòu)件的相對(duì)位置的替換設(shè)置。例如，供給槽20可以位于與泵殼體36相同的高度?？商鎿Q，供給槽 20可以位于低于泵殼體36的高度。該氫泵10可以選擇性地包括用于促使液態(tài)氫12進(jìn)入泵殼體36的輔助泵。例如，氫泵10可以包括增壓泵46，其可以在殼體入口 38流體耦合到泵殼體36，用于增加液態(tài)氫12進(jìn)入泵殼體36的流速。仍舊參考圖1，氫泵10可以包括加熱機(jī)構(gòu)M，加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成汽化泵殼體36中的液態(tài)氫12，從而產(chǎn)生氣態(tài)氫14。加熱機(jī)構(gòu)M也可以被配置成通過(guò)連續(xù)將熱量應(yīng)用到液態(tài)氫12和/或到氣態(tài)氫14增加泵殼體36內(nèi)部氣態(tài)氫14的壓力。在實(shí)施例中，加熱機(jī)構(gòu)M可以包含圍繞或者覆蓋至少泵殼體36的水平部分42的外面部分放置的外表安裝的加熱元件。可替換或者除了外面安裝設(shè)置，加熱機(jī)構(gòu)M可以包含一個(gè)或更多加熱元件， 這些加熱元件延伸進(jìn)入泵殼體36的內(nèi)部，例如在一個(gè)或更多位置進(jìn)入水平部分42和/或豎直部分44。不考慮具體構(gòu)造，該加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成增加液態(tài)氫12的溫度。例如，加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成引起液態(tài)氫12逐漸汽化為氣態(tài)氫14或者從而連續(xù)將液態(tài)氫12汽化為氣態(tài)氫14。在實(shí)施例中，加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成間歇地或者周期性地加熱液態(tài)氫12 到引起汽化的溫度。此外，加熱機(jī)構(gòu)M可以被配置成增加氣態(tài)氫14的溫度和/或壓力到符合下游構(gòu)件的操作要求的水平，氣態(tài)氫14被傳遞到例如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的下游構(gòu)件。該氫泵10可以進(jìn)一步地包括排出管線(xiàn)74，排出管線(xiàn)74可以從泵殼體36延伸，從而允許排出氣態(tài)氫14。在圖1所示的實(shí)施例中，該排出管線(xiàn)74可以在泵殼體36和供給槽 20之間延伸，如圖4所示，用于排出剩余氣態(tài)氫34到供給槽20。例如，在操作氫泵10期間的預(yù)定時(shí)間，例如當(dāng)泵殼體36內(nèi)部的液態(tài)氫12耗盡時(shí)，可以期望減少泵殼體36內(nèi)部的壓力，從而允許在另一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)額外的液態(tài)氫12流入泵殼體36。為了調(diào)節(jié)泵殼體36的排出，該排出管線(xiàn)74可以包括耦合到排出閥致動(dòng)器72的排出閥70。排出閥致動(dòng)器72可以連通地耦合液位傳感器50和/或液耗傳感器52，或者氫泵10的其他傳感和控制元件，例如入口閥30和流量控制閥60，但不限于此。排出閥70可以響應(yīng)于接收指示泵殼體36內(nèi)部的液態(tài)氫12在或者低于液耗水平 53的信號(hào)操作打開(kāi)。如圖4所示，打開(kāi)的排出閥70允許剩余的氣態(tài)氫34從泵殼體36排出到例如供給槽20。與排出閥70的打開(kāi)同時(shí)，入口閥30可以被打開(kāi)從而便于額外的液態(tài)氫12進(jìn)入泵殼體36。排出閥70可以仍舊打開(kāi)，直到液態(tài)氫12到達(dá)例如如圖3所示的泵殼體36內(nèi)部液位水平51的預(yù)定水平。在到達(dá)如液位傳感器50所感測(cè)的液位水平51時(shí)，排出閥70、入口閥30和流量控制閥60可以被關(guān)閉，以便封閉泵殼體36從而允許汽化液態(tài)氫12和產(chǎn)生氣態(tài)氫14?？蛇x擇的，入口閥30可以在打開(kāi)入口閥30之前被打開(kāi)預(yù)定時(shí)段，從而允許氣態(tài)氫14流出泵殼體36，其中氣態(tài)氫14可以在中間部分觀或者在供給管線(xiàn)沈與液態(tài)氫12混合。氣態(tài)氫14與液態(tài)氫12的混合可以減少氣態(tài)氫14的溫度。參考圖4，氫泵10可以包括熱量提取機(jī)構(gòu)76，該熱量提取機(jī)構(gòu)76被配置成自從泵殼體36排出的剩余氣態(tài)氫34提取熱量。從剩余氣態(tài)氫34提取熱量減少了汽化泵殼體36 中液態(tài)氫12所需熱量的量。在一個(gè)實(shí)施例中，熱量提取機(jī)構(gòu)76可以包含一部分排出管線(xiàn) 74，其貫穿可以填充液態(tài)氫12的中間部分觀。中間部分觀中排出管線(xiàn)74的部分可以形成或成形彎曲路徑，以便最大化暴露于液態(tài)氫12的排出管線(xiàn)74的表面積的值。然而，熱量提取機(jī)構(gòu)76不限于排出管線(xiàn)74通過(guò)中間部分觀，而是可以包含多種用于從排出管線(xiàn)74中的剩余氣態(tài)氫34提取熱量的替換構(gòu)造。參考圖1，在一個(gè)實(shí)施例中，氫泵10可以進(jìn)一步地包括凝聚式過(guò)濾器(coalescing filter) 56，從而防止在排出管線(xiàn)74的內(nèi)部形成液態(tài)氫12的小液滴。這些小液滴可以隨氣態(tài)氫14帶入泵殼體36內(nèi)部。如果留下未過(guò)濾，液態(tài)氫12小液滴可以陷入排出管線(xiàn)74內(nèi)， 這可以導(dǎo)致排出管線(xiàn)74堵塞。該凝聚式過(guò)濾器56可以安裝在排出管線(xiàn)74的入口，其可以延伸進(jìn)入如圖1-6所述的泵殼體36。凝聚式過(guò)濾器56可以以任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)造提供，其防止液態(tài)氫12小液滴進(jìn)入排出管線(xiàn)74或者排出管線(xiàn)74內(nèi)液態(tài)氫12小液滴的形成。例如，該凝聚式過(guò)濾器56可以包含這樣的設(shè)置，其迫使剩余氣體進(jìn)入具有多個(gè)轉(zhuǎn)彎的彎曲路徑，從而在進(jìn)入排出管線(xiàn)46之前將液滴從氣態(tài)氫14中分離。在氫泵10的一個(gè)實(shí)施例中，該排出管線(xiàn)74可以在供給槽20終止，其可以包括擴(kuò)散器對(duì)，從而減速氣態(tài)氫14離開(kāi)排出管線(xiàn)74的速率。在這點(diǎn)上，擴(kuò)散器M可以防止或者最小化液態(tài)氫12的表面的干擾，該干擾可以引起供給槽20內(nèi)部的噴濺，并且可以引起供給槽20的空部容積/氣隙(ullage) 22內(nèi)部壓力降低和/或擴(kuò)散器M的堵塞。該擴(kuò)散器M 可以通過(guò)防止直接排放到供給槽20中液態(tài)氫12的表面上防止這種噴濺?，F(xiàn)在經(jīng)參考圖7的流程圖和圖1-6的示意圖描述氫泵10的操作。圖7說(shuō)明汽化液態(tài)氫12從而形成氣態(tài)氫14的方法。在示意圖中，該液態(tài)氫12表示為占據(jù)氫泵10的液體部分16。該氣態(tài)氫14表示為占據(jù)氫泵10的氣態(tài)部分18。方法包含通過(guò)氫泵10以無(wú)源方式抽運(yùn)液態(tài)氫12，而不利用輔助泵，盡管可以包括輔助泵從而提高液態(tài)氫12的流速。該方法的步驟150可以包含在操作周期開(kāi)始時(shí)通過(guò)打開(kāi)連接供給槽20和泵殼體36的供給管線(xiàn)沈中的入口閥接收泵殼體36中的液態(tài)氫12。如圖1所示，供給槽20可以位于便于液態(tài)氫從供給槽20進(jìn)入泵殼體36的重力送料的高度。然而，作為替換或者除了重力送料設(shè)置，該液態(tài)氫12可以使用例如機(jī)械泵的單獨(dú)的抽運(yùn)機(jī)構(gòu)提供到泵殼體36。來(lái)自供給槽20的液態(tài)氫12可以流過(guò)供給管線(xiàn)沈，并且可以通過(guò)和/或填充中間部分28。從圖1能夠看出，步驟150中入口閥30可以最初處于關(guān)閉情況。入口閥30可以由圖1所示的入口閥致動(dòng)器32調(diào)節(jié)，并且該致動(dòng)器32可以連通地耦合液位傳感器50和/或液耗傳感器52和/或耦合例如流量控制閥60和排出閥70的其他構(gòu)件。參考圖2，在步驟152中，入口閥致動(dòng)器32可以打開(kāi)入口閥30，允許液態(tài)氫12從供給槽20流出并且流入中間部分28，以便在泵殼體36內(nèi)部接收液態(tài)氫12。入口閥30可以維持在打開(kāi)位置，直到液態(tài)氫12在泵殼體36內(nèi)部到達(dá)預(yù)定水平，例如圖2中所示的液位水平51。液位水平51可以由液位傳感器50感測(cè)或者由另一個(gè)適當(dāng)?shù)膫鞲袡C(jī)構(gòu)感測(cè)。參考圖3，步驟IM可以包含在液態(tài)氫12到達(dá)例如液位水平51的預(yù)定水平時(shí)關(guān)閉入口閥30。優(yōu)選封閉泵殼體36，從而大體上消除泵殼體36中的出口。例如，泵殼體36 可以通過(guò)將入口閥30、流量控制閥60和排出閥70維持在關(guān)閉位置封閉。步驟156可以包含使用加熱機(jī)構(gòu)討將熱量應(yīng)用到泵殼體36內(nèi)部的液態(tài)氫12，從而增加液態(tài)氫12的溫度， 以便液態(tài)氫12汽化并且產(chǎn)生氣態(tài)氫14。封閉泵殼體36可以在液態(tài)氫12汽化為氣態(tài)氫14 之前實(shí)行，從而防止氣態(tài)氫14從泵殼體36排放或者漏出。加熱液態(tài)氫12可以包含將熱量應(yīng)用到水平部分42的外部的和/或應(yīng)用到豎直部分44。此外，加熱液態(tài)氫12可以包含通過(guò)任何適合的途徑直接或間接將熱量施加到液態(tài)氫12，這些途徑包括但不限于圍繞泵殼體 36的外部的延伸的加熱元件，和/或通過(guò)在水平部分42內(nèi)部安裝一個(gè)或更多探針，以便該探針延伸進(jìn)入液態(tài)氫12。從圖3能夠看出，泵殼體36可以在水平部分42中含有液態(tài)氫12并且在豎直部分 44中含有氣態(tài)氫14，盡管氣態(tài)氫14也可以填充水平部分42的一部分，反之亦然。在一個(gè)實(shí)施例中，泵殼體36可以形成L形構(gòu)造，這可以便于氣態(tài)氫14在豎直部分44內(nèi)均勻累積， 并且這也可以便于加壓的氣態(tài)氫14通過(guò)殼體出口 40和/或流量控制閥60均勻流出豎直部分44。由于液態(tài)氫12進(jìn)入泵殼體36，水平部分42的橫向取向可以便于液態(tài)氫12的安放。在這點(diǎn)上，水平部分42可以包括一個(gè)或更多殼體入口 38，并且不限于含有單個(gè)殼體入口 38的示出的具體構(gòu)造。仍舊參考圖3，步驟158可以包含當(dāng)泵殼體36內(nèi)部達(dá)到氣態(tài)氫14的預(yù)定壓力時(shí)打開(kāi)流量控制閥60。當(dāng)打開(kāi)流量控制閥60時(shí)，氣態(tài)氫14可以從泵殼體36釋放，以便傳遞到下游構(gòu)件。氣態(tài)氫14可以由于加熱機(jī)構(gòu)M對(duì)其加熱而連續(xù)產(chǎn)生。在這點(diǎn)上，產(chǎn)生在預(yù)定壓力水平的氣態(tài)氫14可以繼續(xù)將流量控制閥60維持在與維持氣態(tài)氫14的預(yù)定壓力相對(duì)應(yīng)的打開(kāi)位置。加熱液態(tài)氫122可以是連續(xù)的、間歇的和/或以所需要為基礎(chǔ)，用于產(chǎn)生氣態(tài)氫 14。此外，根據(jù)氣態(tài)氫14可以傳遞到的下游系統(tǒng)的要求，可以將熱量應(yīng)用于液態(tài)氫12和/ 或應(yīng)用于氣態(tài)氫14。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)泵殼體36內(nèi)部的液態(tài)氫12降到低于如由圖1-6 所示的液耗傳感器52可以感測(cè)的預(yù)定水平時(shí)，該加熱可以不繼續(xù)。參考圖4，當(dāng)液態(tài)氫12降到低于液耗水平53時(shí)，步驟160包含關(guān)閉流量控制閥60。 泵殼體36可以在水平部分42和/或豎直部分44中含有剩余氣態(tài)氫34。步驟162可以包含打開(kāi)入口閥30，其中泵殼體36中相對(duì)較高的壓力導(dǎo)致剩余氣態(tài)氫34或者氣態(tài)氫14通過(guò)殼體入口 38流回并且進(jìn)入供給管線(xiàn)沈和/或中間部分觀。當(dāng)通過(guò)殼體入口 38流回時(shí)，氣態(tài)氫14遇到液態(tài)氫12，并且可以在步驟164與液態(tài)氫12混合。這種混合可以將氣態(tài)氫14 的溫度減少到大體等于液態(tài)氫12的溫度。參考圖5，步驟166包含打開(kāi)排出閥70，從而排出保留在泵殼體36中的剩余氣態(tài)氫34，從而減小其內(nèi)部的壓力。排出管線(xiàn)74可以將泵殼體36連接到供給槽20，以便當(dāng)排出閥70打開(kāi)時(shí)，剩余氣態(tài)氫34流過(guò)排出管線(xiàn)74，并且排放到供給槽20。在步驟168中，可以通過(guò)使排出管線(xiàn)74的一部分通過(guò)中間部分觀，從排出管線(xiàn)74中的氣態(tài)氫14提取熱量。 然而，使用替換設(shè)置，可以從剩余氣態(tài)氫34提取熱量。例如，排出管線(xiàn)74可以通過(guò)氫泵10 含有液態(tài)氫12的任何部分，以便在排放其進(jìn)入供給槽20之前，提取剩余氣態(tài)氫34內(nèi)含有的熱量。仍舊參考圖5，該方法可以進(jìn)一步包含在氣態(tài)氫14進(jìn)入排出管線(xiàn)74之前，移除在泵殼體36中的剩余氣態(tài)氫34中夾帶的液滴的步驟。在這點(diǎn)上，可以采用如上所述的凝聚式過(guò)濾器56以防止液滴進(jìn)入排出管線(xiàn)74，否則這可以堵塞排出管線(xiàn)74。從圖5能夠看出， 當(dāng)排出閥70打開(kāi)時(shí)，入口閥30可以打開(kāi)，以便額外的液態(tài)氫12可以流入泵殼體36，而同時(shí)排出氣態(tài)氫14到供給槽20。參考圖6，步驟170可以包含在新的周期開(kāi)始時(shí)用液態(tài)氫12填充泵殼體36。液態(tài)氫12可以流入殼體入口 38，并且取代剩余氣態(tài)氫34或者氣態(tài)氫14，迫使將自泵殼體36排出的氣態(tài)氫14通過(guò)排出管線(xiàn)74。當(dāng)入口閥30在打開(kāi)位置時(shí)，液態(tài)氫12可以流入泵殼體 36。入口閥30可以仍然打開(kāi)，直到泵殼體36內(nèi)部液態(tài)氫12到達(dá)預(yù)定水平，例如由液位傳感器50指示的液位水平51。泵殼體36可以通過(guò)關(guān)閉入口閥30、排出閥70和流量控制閥 60封閉，而加熱機(jī)構(gòu)M將熱量應(yīng)用到液態(tài)氫12。上述描述步驟可以連續(xù)重復(fù)，直到供給槽 20內(nèi)的液態(tài)氫12耗盡或者可以在較早時(shí)間終止該操作。參考圖8，示出如氫泵10的實(shí)施例的測(cè)試期間所測(cè)的氣態(tài)氫14的流速對(duì)時(shí)間的曲線(xiàn)圖。該曲線(xiàn)圖包括說(shuō)明氣態(tài)氫14的預(yù)測(cè)流速(即，預(yù)測(cè)的ave.mdot)的水平線(xiàn)。在大約120秒的操作時(shí)間中，所測(cè)試的氫泵10的實(shí)施例產(chǎn)生大約每小時(shí)8-14磅氫的質(zhì)量流量。 曲線(xiàn)圖的左手側(cè)上的曲線(xiàn)所示的流速的初始增大與在啟動(dòng)時(shí)液態(tài)氫12的熱分層有關(guān)。該曲線(xiàn)通過(guò)蒸發(fā)掉泵殼體36內(nèi)部的液態(tài)氫12表示液態(tài)氫12的汽化。由于圓柱形泵殼體36 內(nèi)部液態(tài)氫的減少的表面積，曲線(xiàn)圖右手側(cè)上的曲線(xiàn)示出的流速下降可以與蒸發(fā)期間泵殼體36中液態(tài)氫表面積的減少有關(guān)。參考圖9，示出可以將氫泵10包含在內(nèi)的飛機(jī)100，例如高海拔長(zhǎng)耐久性(即， HALE)飛機(jī)100。能夠看出，飛機(jī)100可以包括具有機(jī)翼104和尾部106的機(jī)身102的常規(guī)設(shè)置。飛機(jī)100可以包括一個(gè)或更多推進(jìn)單元108，推進(jìn)單元108可以以多種構(gòu)造提供， 包括但不限于用于燃燒由氫泵10產(chǎn)生的氣態(tài)氫14的渦輪設(shè)置和/或活塞設(shè)置的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管實(shí)施例中示出且描述可以結(jié)合到圖9所示的飛機(jī)100中的氫泵10，但是應(yīng)該注意，氫泵10及方法可以結(jié)合到包括海上、陸地、空中和/或航天器的任何系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件、子組件、結(jié)構(gòu)和交通工具。此外，該氫泵10可以并入任何應(yīng)用，并且可以用于如上指出的任何產(chǎn)業(yè)、操作或者過(guò)程。有利地是，氫泵10及方法提供了用于以可靠且有效的方式汽化和抽運(yùn)由任何下游構(gòu)件應(yīng)用的氫的無(wú)源閉合系統(tǒng)。本公開(kāi)附加的變形和改進(jìn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以顯而易見(jiàn)。因此，這里描述且示出的部件的特殊組合意圖只用來(lái)表示本公開(kāi)的某些實(shí)施例，并且不意圖作為在本公開(kāi)的精神和范圍內(nèi)的替換的實(shí)施例和裝置的限制。
1權(quán)利要求
1.一種氫泵，包含泵殼體，其被配置成通過(guò)殼體入口接收液態(tài)氫；和加熱機(jī)構(gòu)，其被配置成將所述液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫并且增加其在所述泵殼體內(nèi)部的壓力；其中所述泵殼體被配置成當(dāng)達(dá)到所述氣態(tài)氫的預(yù)定壓力時(shí)通過(guò)殼體出口釋放所述氣態(tài)氫；所述泵殼體被配置成關(guān)閉所述殼體出口并且從所述泵殼體排出剩余氣態(tài)氫，從而允許額外的液態(tài)氫通過(guò)所述殼體入口進(jìn)入所述泵殼體。
2.根據(jù)權(quán)利要求0所述的氫泵，進(jìn)一步地包含供給槽，該供給槽連接到所述殼體入口，并且被配置成存儲(chǔ)所述液態(tài)氫。
3.根據(jù)權(quán)利要求0所述的氫泵，進(jìn)一步地包含入口閥，該入口閥耦合到所述殼體入口，并且操作打開(kāi)以便在所述泵殼體接收所述液態(tài)氫，所述入口閥響應(yīng)于所述液態(tài)氫到達(dá)所述泵殼體中液位水平而操作關(guān)閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求0所述的氫泵，其中所述入口閥響應(yīng)于所述液態(tài)氫降到低于液耗水平而操作打開(kāi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求0所述的氫泵，進(jìn)一步地包含排出管線(xiàn)，該排出管線(xiàn)在所述泵殼體和所述供給槽之間延伸，用于從所述泵殼體排出剩余氣態(tài)氫。
6.一種無(wú)源氫泵，包含供給槽，其被配置用于存儲(chǔ)液態(tài)氫；泵殼體，其被連接到所述供給槽，并且被配置用于從所述供給槽接收所述液態(tài)氫； 入口閥，其被插入所述供給槽和所述泵殼體之間；加熱機(jī)構(gòu)，其被配置用于在所述泵殼體內(nèi)部將所述液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫并且增加其壓力；流量控制閥，其被配置為當(dāng)達(dá)到所述泵殼體內(nèi)部的預(yù)定壓力時(shí)從所述泵殼體釋放所述氣態(tài)氫，所述流量控制閥被配置成當(dāng)所述泵殼體中的液態(tài)氫降到低于液耗水平時(shí)關(guān)閉； 排出管線(xiàn)，其在所述供給槽和所述泵殼體之間延伸；和排出閥，其被安裝在所述排出管線(xiàn)中，并且被配置成從所述泵殼體排出剩余氣態(tài)氫到所述供給槽，從而減少所述泵殼體內(nèi)部的壓力，以便液態(tài)氫從所述供給槽流入所述泵殼體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氫泵，進(jìn)一步地包含耦合到所述泵殼體的液位傳感器和液耗傳感器的至少一個(gè)，并且被配置成感測(cè)所述泵殼體中所述液態(tài)氫的液位水平。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氫泵，進(jìn)一步地包含中間部分，其被插入所述入口閥和所述供給槽之間；其中所述泵殼體被配置成當(dāng)所述泵殼體中的液態(tài)氫降到低于所述液耗水平時(shí)打開(kāi)所述殼體入口，以便所述泵殼體中的氣態(tài)氫流入所述中間部分，并且與所述液態(tài)氫混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氫泵，進(jìn)一步地包含擴(kuò)散器，其被配置成減小氣態(tài)氫從所述排出管線(xiàn)排放到所述供給槽的速率。
10.一種抽運(yùn)氫的方法，包含的步驟有 在泵殼體中接收液態(tài)氫；在所述泵殼體中將所述液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫；當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，從所述泵殼體釋放所述氣態(tài)氫；和從所述泵殼體排出剩余氣態(tài)氫，以便額外的液態(tài)氫流入所述泵殼體。
11.根據(jù)權(quán)利要求0所述的方法，進(jìn)一步包含的步驟有 在汽化所述液態(tài)氫之前封閉所述泵殼體。
12.根據(jù)權(quán)利要求0所述的方法，進(jìn)一步包含的步驟有加熱所述泵殼體內(nèi)部的所述液態(tài)氫，從而增加其內(nèi)部所述氣態(tài)氫的壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求0所述的方法，其中所述液態(tài)氫源于供給槽，排出所述泵殼體中所述剩余氣態(tài)氫的步驟包含排出所述剩余氣態(tài)氫到供給槽，從而減少所述泵殼體內(nèi)部的壓力，以便所述額外的液態(tài)氫流入所述泵殼體。
14.根據(jù)權(quán)利要求0所述的方法，其中所述排出所述剩余氣態(tài)氫的步驟包含在從所述泵殼體排出剩余氣態(tài)氫之前，移除所述氣態(tài)氫中夾帶的液態(tài)氫小液滴。
15.根據(jù)權(quán)利要求0所述的方法，其中所述泵殼體包括將所述供給槽流體耦合到殼體入口的中間部分，所述中間部分被配置成含有液態(tài)氫，所述方法進(jìn)一步包含的步驟有當(dāng)所述泵殼體中液態(tài)氫降到低于液耗水平時(shí)打開(kāi)所述殼體入口，以便所述泵殼體中的氣態(tài)氫流入所述中間部分，并且與所述中間部分中的液態(tài)氫混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及氫泵，其包含泵殼體和加熱機(jī)構(gòu)。泵殼體通過(guò)殼體入口接收液態(tài)氫。加熱機(jī)構(gòu)將液態(tài)氫汽化為氣態(tài)氫。泵殼體在氣態(tài)氫的預(yù)定壓力水平下通過(guò)殼體出口釋放氣態(tài)氫。例如當(dāng)泵殼體中的液態(tài)氫降到低于液耗水平時(shí)，泵殼體關(guān)閉殼體出口。泵殼體打開(kāi)并且額外的液態(tài)氫通過(guò)殼體入口進(jìn)入泵殼體。
文檔編號(hào)F02M37/00GK102414429SQ201080018999
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者D·A·沃茨 申請(qǐng)人:波音公司