CN111630274B - 深井泵及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于将液体从一井中泵送到一管道中的泵系统。所述泵系统包括：一吸入腔，通过由一入口阀控制的一入口与所述井流体连通；一柱塞，在所述吸入腔内为可往复移动的；以及一输送导管。所述输送导管通过一出口与所述管道流体连通，并通过一连接口与所述吸入腔流体连通，所述连接口由一连接口阀控制。所述泵系统还包括一管状封装，封装所述吸入腔、所述柱塞、所述输送导管及所述多个阀。

Description

深井泵及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年1月30日提交的美国临时专利申请第15/883,139号的优先权，其内容通过引用整体并入于此。
技术领域
在一些实施方式中，本发明涉及一种泵，并且更具体地但非排他地涉及一种深井泵(borehole pump)及其使用方法。
背景技术
在过去的几十年中，浅层含水层抽水的需求急剧增加。离心式或螺旋式的太阳能泵在本领域中是公知的。柱塞泵也是公知的，在文献中通常被称为往复泵。传统的往复泵通常使用一个外部驱动的杆，当所述杆本身连接到地面上的一曲轴机构或一线性马达，所述杆驱动潜水泵内的柱塞线性冲程移动。
特别值得注意的是双动式柱塞泵，所述泵在两个冲程方向上泵送水，因此允许在大约相同的输入功率下使流速加倍。美国专利第2,472,647号描述了一种双动式往复泵，其中柱塞由一曲轴内部驱动，而美国专利第4,541,787号描述了一种由电磁马达驱动的双动式柱塞泵。
美国专利第4,778,356号公开了一种双动式隔膜泵，其具有多个相对定位的隔膜泵单元，所述多个隔膜泵单元通过位于它们之间的一液压缸往复地被操作。分离的多个相对柱塞操作泵单元。
美国公开申请第20130195702号公开了一种泵，所述泵包括具有多个腔体及一下入口阀的两级缸。一空心柱塞连接到一空心杆，并具有一下排放阀及一通孔，柱塞腔通过所述通孔与在柱塞移动时形成的一腔室连通。
其他背景技术包括美国专利第5,960,875号、第6,015,270号、第6,203,288号、第7,445,435号，欧洲申请第1018601号，以及P.Andrada及J.Castro的“使用新型线性致动器的太阳能光伏水泵系统(Solar photovoltaic water pumping system using a newlinear actuator)”可再生能源及电能质量期刊(Renewable Energies and PowerQuality Journal)，2007年第1卷第5期。
发明内容
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种用于将液体从一井泵入一管道的泵系统。所述系统包括：一吸入腔，通过由一入口阀控制的一入口与所述井流体连通；一柱塞，在所述吸入腔内沿着一轴为可往复移动的；一输送导管，通过一出口与所述管道流体连通，并通过一连接口与所述吸入腔流体连通，所述连接口由一连接口阀控制，所述连接口阀通常为垂直于所述轴为可往复移动的；以及一管状封装，封装所述吸入腔、所述柱塞、所述输送导管及所述多个阀。
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种用于将液体从一井泵入一管道的泵系统。所述系统包括：一吸入腔，通过一入口与所述井流体连通，所述入口形成在一入口阀的一阀体中，并且所述入口由所述入口阀的一可移动的密封构件控制；一柱塞，在所述吸入腔内沿着一轴为可往复移动的；一输送导管，通过一出口与所述管道流体连通，所述出口形成在所述入口阀的所述阀体中，并通过由一连接口阀的一密封构件控制的一连接口与所述吸入腔流体连通；以及一管状封装，封装所述吸入腔、所述柱塞、所述输送导管及所述多个阀。
根据本发明的一些实施方式，所述入口相对于所述阀体是径向的，并且所述出口相对于所述阀体是轴向的。
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种用于将液体从一井泵入一管道的泵系统。所述泵系统包括：一吸入腔，通过由多个入口阀控制的多个入口与所述井流体连通；一柱塞，在所述吸入腔内沿着一轴为可往复移动的；一输送导管，通过一出口与所述管道流体连通，并通过由多个连接口与所述吸入腔流体连通，所述多个连接口由多个连接口阀控制，其中所述多个入口及所述多个连接口阀布置成提供双动式泵送；以及一管状封装，具有为约8公分至约20公分的一直径，封装所述吸入腔、所述柱塞、所述输送导管及所述多个阀。
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种泵送方法。所述方法包括将一泵送系统引入一井中，并且操作所述泵送系统，以便将液体从所述井泵送至一管道，其中所述泵送系统包括如上文所描述的并且可选地并且优选地如以下进一步详述的系统，以及其中所述井的一井孔直径大于所述管状封装的一直径。
根据本发明的一些实施方式，所述井孔直径小于25公分。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包括位于所述管状封装内的一内部马达，用于建立所述柱塞在所述吸入腔内沿着所述轴的一往复移动。
根据本发明的一些实施方式，所述内部马达将所述吸入腔分成两个不同容积的子腔，其中在所述管道远端的一腔的一容积大于在所述管道近端的一腔的一容积。
根据本发明的一些实施方式，所述入口及所述入口阀在所述管状封装的一远端，并且所述连接口及所述连接口阀在所述管状封装的一近端。
根据本发明的一些实施方式，所述入口及所述入口阀在所述管状封装的一近端，并且所述连接口及所述连接口阀在所述管状封装的一远端。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包含在所述近端处的一入口及一相应的入口阀，以及在所述远端处的一连接口及一相应的连接口阀，所述入口及所述多个连接口阀布置成提供双动式泵送。
根据本发明的一些实施方式，当所述柱塞朝着所述远端移动时，在所述近端处的所述入口阀以及在所述远端处的所述连接口阀配置成打开，并且其中当所述柱塞朝着所述近端移动时，在所述远端处的所述入口阀以及在所述近端处的所述连接口阀配置成打开。
根据本发明的一些实施方式，所述多个阀中的至少一个是一瓣阀。根据本发明的一些实施方式，所述多个阀中的至少一个是一隔膜阀。根据本发明的一些实施方式，所述连接口阀是一瓣阀，并且所述入口阀是一隔膜阀。根据本发明的一些实施方式，所述多个阀中的每一个是一隔膜阀。
根据本发明的一些实施方式，所述隔膜阀包括一板，所述板形成有多个开口；以及一隔膜，覆盖所述多个开口。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包括多个密封组件，所述多个密封组件安装在所述柱塞上，以在所述柱塞与所述腔中的液体之间分离。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包括一太阳能收集系统，用于为所述柱塞的所述往复移动提供动力。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包括一能量存储装置，用于存储由所述太阳能收集系统收集的能量。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包含具有一电路的一控制器，所述控制器配置为测量存储在所述能量存储装置中的能量的一含量，以及当能量的所述含量高于一预定阈值时，从所述能量存储装置释放能量，以为所述柱塞的所述往复移动提供动力。
根据本发明的一些实施方式，所述预定阈值被选择为足以建立不超过10个所述柱塞的冲程。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器配置为当由所述太阳能收集系统收集的能量的一含量低于一预定阈值时，减少从所述能量存储装置释放的能量的一含量。
根据本发明的一些实施方式，所述系统包含一控制器，用于控制所述柱塞的所述往复移动的电源。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器配置为在所述柱塞完成一整个冲程长度之前反转所述柱塞的一移动方向。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器配置为在所述柱塞完成一整个冲程长度之前暂时终止所述电源。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器配置为动态地改变所述电源被暂时终止的一点。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器包括一电路，所述控制器配置为确定所述柱塞的一位置及一平均速度，并且配置为重复所述动态变化，直到在所述冲程的一预定位置处的所述平均速度低于一预定阈值。
根据本发明的一些实施方式，若在所述冲程的所述预定位置处的所述平均速度不低于所述预定阈值，则所述控制器配置为反转所述柱塞的一移动方向。
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种阀系统，所述阀系统包括一阀体及一可移动的密封构件。所述阀体形成有一入口及一出口。所述入口由所述密封构件控制，所述出口不由所述密封构件控制。所述入口相对于所述阀体是径向的，并且所述出口相对于所述阀体是轴向的。根据本发明的一些实施方式，所述密封构件包括一隔膜。
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种控制双动式往复泵系统的方法。所述泵系统包括一柱塞及建立所述柱塞的往复移动的一电动机。所述方法包括：在所述柱塞完成一整个冲程长度之前反转所述柱塞的一移动方向。
根据本发明的一些实施方式，所述方法包括在所述柱塞完成所述整个冲程长度之前暂时终止所述电源。
根据本发明的一些实施方式，所述方法包括包含沿着所述柱塞的一冲程路径动态地改变所述电源被暂时终止的一点。
根据本发明的一些实施方式，所述方法包括从所述泵系统接收与所述柱塞的一位置以及一平均速度有关的一信号，并重复所述动态变化，直到在沿着所述冲程路径的所述柱塞的一预定位置处的所述平均速度低于一预定阈值。
根据本发明的一些实施方式，所述方法包括若在沿着所述冲程路径的所述预定位置处的所述平均速度不低于所述预定阈值，则反转所述柱塞的一移动方向。
根据本发明的一些实施方式的一方面，提供了一种用于控制双动式往复泵系统的控制器。所述泵系统包括一柱塞及建立所述柱塞的往复移动的一电动机。所述控制器包括：一专用电路，所述专用电路配置为用于执行如上所描述的并且可选地并且优选地如下进一步详述的控制双动式往复泵系统的方法。
除非本文另有定义，否则本文所用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法及材料可以用于本发明的实施方式的实践或测试中，但是下面描述了示例性的方法及/或材料。如有抵触，以专利说明书及其定义为准。另外，材料、方法及示例仅是说明性的，并不意图必然是限制性的。
本发明的实施方式的方法及/或系统的实现可以涉及手动、自动或其组合来执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法及/或系统的实施方式的实际仪器及设备，可以通过硬件、软件、固件或它们的一组合使用一操作系统来实现几个所选任务。
例如，根据本发明的实施方式的用于执行所选任务的硬件可以被实现为一芯片或一电路。作为软件，根据本发明的实施方式的所选任务可以被实现为使用任何合适的操作系统通过一计算机执行的多个软件指令。在本发明的一示例性实施方式中，根据本文所述的方法及/或系统的示例性实施方式的一个或多个任务由一数据处理器执行，例如用于执行多个指令的一计算平台。可选地，所述数据处理器包括用于存储指令及/或数据的一易失性存储器及/或用于存储指令及/或数据的一非易失性存储器，例如磁性硬盘及/或可移动介质。可选地，还提供网络连接。还可选地提供一显示器及/或一用户输入装置，例如一键盘或鼠标。
附图说明
本文仅通过示例的方式，参考附图描述了本发明的一些实施方式。具体地参考详细的附图，要强调的是，示出的细节是作为示例并且出于对本发明的实施方式的说明性讨论的目的。在这方面，结合附图的描述对于本领域技术人员显而易见的是可以如何实践本发明的实施方式。
在附图中：
图1是根据本发明的一些实施方式的一种在一井(例如，含水层井)内的泵系统的配置的示意图；
图2A及图2B是根据本发明的一些实施方式的更详细的泵系统的示意图；
图3A至图3D是描述根据本发明的一些实施方式的泵系统的操作原理的示意图；
图4A及图4B是示出根据本发明的一些实施方式的多个阀系统的代表性示例的示意图；
图5A至图5D是根据本发明的一些实施方式的一隔膜型阀的一流体控制组件的剖视图(图5A及图5B)及立体图(图5C及图5D)的示意图；以及
图6是描述根据本发明的各种示例性实施方式的适于控制双动式往复泵系统的方法的流程图。
具体实施方式
在一些实施方式中，本发明涉及一种泵，并且更具体地但非排他地涉及一种深井泵及其使用方法。
在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明的应用并不一定限于在以下描述中阐述的及/或在附图及/或示例中所示出的构造、组件及/或方法的布置的细节。本发明能够具有其他实施方式，或者能够以各种方式被实践或实施。
现在参考图1，其是根据本发明的一些实施方式在一井14(例如，一含水层井)内的一泵系统10的一配置的示意图。泵系统10用于将来自井14的液体12(例如，水)泵入一管道16中。被泵送的液体从管道16被输送到一用户或一用户系统(未示出)。系统10优选地包括一管状封装20，所述管状封装20具有一近端28及一远端30。当系统10配置在井12内时，近端28例如经由一连接器46连接至管道16，并且远端30的深度水平低于近端28的深度水平。在使用中，至少远端30，但更优选地，两端28及30浸没在液体12的水平52之下。管状封装20可由可在水下使用且不影响水质及封装本身的任何材料制成，例如但不限于聚氯乙烯、不锈钢等等。
泵系统10特别适用从井孔直径为约9公分至约25公分，或约10公分至约20公分(大约相当于自约4英寸至约8英寸的井孔直径)的井中泵送液体12。在这些优选的实施方式中，管状封装20的一直径为约8公分至约24公分，或约8公分至约19公分，以便适合具有这种井孔直径的井。
优选地，泵系统是双动式往复泵系统。在本发明人进行的实验中，根据本文所述的教示构造的双动式往复泵系统能够在约30米的泵头处提供每小时2立方米以上的流量。
系统10在图2A及图2B中更详细地示出。系统10优选地包括一吸入腔26，所述吸入腔26通过一个或多个入口22a、22b与所述井(在图2A至图B中未示出，见图1)流体连通，所述一个或多个入口22a、22b具有相应的一个或多个入口阀24a、24b。所述入口22a、22b可以可选地并且优选地被一网筛(未示出)覆盖，以过滤例如沙粒及大沉积物的异物。所述网筛的孔径取决于所述井的特性。通常，但非必须的，所述网筛可防止直径大于100微米的颗粒通过所述入口进入。
优选地，所述(多个)入口阀是止回阀类型(即，仅允许液体沿一个方向通过，在本实施方式中所述方向为进入吸入腔26的向内方向)。图2A至图2B所示的配置是在封装20的近端28处具有入口22a及相应的入口阀24a，以及在封装20的远端30处具有入口22b及相应的入口阀24b。当系统10提供双动式泵送时，此配置特别有用。替代地，系统10可仅在封装20的一端(例如，远端30)处包括一个或多个入口阀及相应的入口阀。当系统10提供单动式泵送时，此配置特别有用。
系统10还包括一柱塞32，所述柱塞32在吸入腔26内沿着封装20的一纵轴34为往复移动的。所述柱塞32的移动由一马达36，可选地并且优选地是电动机来建立。优选但非必要地，马达36是封装20内的一内部马达。如图2A至图2B所示，这不被认为是限制性的，马达36或其外壳将所述腔26分成两个子腔26a及26b，一个子腔从马达36向近端28延伸，并且一个子腔从马达36向远端延伸。优选地，在这些子腔之间没有流体连通的意义上，这些子腔彼此隔离。在本发明的一些实施方式中，子腔26a及26b作为两个单独的元件，每个连接在马达36的端部。马达36可以是，例如一电磁线性管状马达，例如瑞士
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或美国派克马达(Parker motors)出售的一马达；或一气动马达，例如由美国Tolomatic出售的气动马达，或德国Dunkermotoren出售的马达。马达36可选地并且优选地是直流无刷电动机。
在本发明的一些实施方式中，马达36包括一位置及/或速度传感器48，以监测柱塞32的位置及速度。
柱塞32可以在内部线性轴承(未示出)上往复移动，所述内部线性轴承可以可选地并且优选地是马达36的一部分。优选地，提供多个密封组件50以防止液体沿着柱塞32流入马达36中。这可以通过多种方式来完成。
在一个实施方式中，如图2A所示，多个密封组件50设置在马达36的两侧，以防止液体沿着柱塞32流入马达36。所述密封组件是固定的，从而腔26的内径可选地且优选地大于柱塞32的直径。
在另一个实施方式中，如图2B所示，多个密封组件50安装在柱塞32上，以便在柱塞32与腔26之间密封。在这些实施方式中，所述多个密封组件在它们与柱塞32一起移动时不是固定的。柱塞32及多个密封组件可选地并且优选地通过一柔性机械接头接合。发明人发现，这种接头减小了柱塞32在其上滑动的轴承上的径向力。
从较高泵头的观点来看，图2A中示出的实施方式是优选的，并且从较高流速的观点来看，图2B所示的实施方式是优选的。例如，在图2B所示的实施方式中，可以采用相同的马达装置，但是腔26的直径不同，以允许更大体积的水参与泵的操作。当马达36或其外壳将腔26分成子腔26a及26b时，流速对腔26的直径的依赖性可以可选地并且优选地用于在柱塞的不同冲程处提供不同的流速。在这些实施方式中，子腔26a及26b具有不同的直径，以使得在柱塞32向下移动的阶段期间向管道16进给的子腔(例如，经由导管38)的直径大于在柱塞32向上移动的阶段期间向管道16进给的子腔的直径。此实施方式的优点是允许增加流量，而基本上不增加所需的能量供应，因为在柱塞的向下移动期间，由马达施加的力由重力补充，从而对于马达提供的相同能量，可以通过向下移动的柱塞推动更多的液体。
通常，在柱塞32向下移动的阶段期间，较靠近远端30的子腔(在本示例中为子腔26b)向管道16进给，因此可选地且优选地，被制成为具有比较靠近于近端28的子腔更大的直径(在本示例中为子腔26a)。
在本发明的一些实施方式中，系统10包括一对止动元件120(未示出，见图3D)，其限制了腔26内的柱塞32的往复移动的幅度。优选地，但非必须地，止动元件被定位在腔26内的选定位置处，以使柱塞32的至少一部分始终突出于马达36的外壳之外。可以使所述多个止动元件具有弹性(例如，设置为弹簧或弹性板，例如但不限于聚乙烯板、聚碳酸酯板、聚对苯二甲酸乙二酯板或橡胶板)，以便以可回收的方式吸收柱塞的动能，并沿相反的方向推动柱塞，从而减少了马达36启动反向移动所需的能量。在每个冲程结束时，所述柱塞可以与所述多个止动元件接合。替代地，所述多个止动元件可以用作紧急止动，在这种情况下，马达36在柱塞32到达多个止动元件120之前反转柱塞32的移动。
如将在下面解释的，由于柱塞32的移动产生的吸力的结果，吸入腔26接收液体12。除了吸入腔26之外，系统10还可以包括一输送导管38。优选地，输送导管38在封装20内。此配置的优点在于，它允许系统10装配到具有相对窄的井孔直径(例如，从约4英寸到约8英寸)的井中。在图1所示的代表性实施方式中，输送导管38相对于封装20是外围的，并且与吸入腔26同心。具有外围的输送导管的优点在于，在输送导管38中的液体流动期间，它可以帮助冷却马达36，从而提供更高的功率输入，而没有马达过热的风险。然而，对于某些应用，输送导管38可能不必与吸入腔26处于外围或同心。
输送导管38与管道16(在图2A至图2B中未示出，见图1)及吸入腔26两者都流体连通，从而允许导管38将被抽吸的液体从腔26输送至管道16。与管道16的流体连通是通过一个或多个出口40，而与吸入腔26的流体连通是通过一个或多个具有相应的连接口阀44a、44b的连接口42a、42b。优选地，所述(多个)连接口阀是止回阀类型，允许液体仅相对于吸入腔26在向外的方向上通过。在优选的实施方式中，其中输送导管38在封装20内，口40、42a及42b以及阀44a及44b也在封装20内。
图2A至图2B所示的配置是在封装20的近端28处具有连接口42a及相应的连接口阀44a，以及在封装20的远端30处具有连接口42b及相应的连接口阀44b。当系统10提供双动式泵送时，此配置特别有用。替代地，系统10可仅在封装20的一端(例如，近端28)处包括一个或多个连接口及相应的连接口阀。当系统10提供单动式泵送时，此配置特别有用。
在本发明的一些实施方式中，阀44a及44b中的至少一个包括一密封构件，所述密封构件可大致垂直于轴34往复移动。换句话说，连接口阀的密封构件的移动通常垂直于柱塞32的移动。因此，由于柱塞32沿着管状封装20的纵轴34轴向地移动，因此连接口阀44a、44b的密封构件相对于管状封装20径向地移动。
阀24a、24b、44a及44b中的任何一个可以是适合用作止回阀的任何类型。在本发明的一些实施方式中，至少一个阀是一瓣阀，在本发明的一些实施方式中，至少一个阀是一隔膜阀，并且在本发明的一些实施方式中，至少一个阀是一瓣阀，以及至少一个阀是一隔膜阀。例如，连接口阀44a及44b可以是瓣阀，而入口阀24a及24b可以是隔膜阀。替代地，阀24a、24b、44a及44b中的每一个可以是一隔膜阀。下面参照图5A至图5D描述适合与根据本发明的一些实施方式的阀24a、24b、44a及44b中的任何一个一起使用的一隔膜阀的代表性示例。
现在将参照图3A至图3D说明泵系统10的操作原理。
图3A示出了处于一阶段的系统10的一状态，在此状态下，柱塞32通过马达36向下移动(朝向远端30)，如箭头60所示。在移动期间，柱塞32排空子腔26a中的空间，导致在子腔26a内形成负压，阀24a打开，并且液体通过口22a进入，然后通过阀24a，如分别由箭头62及64所示。因此，液体进入66进入子腔26a。子腔26a中的负压确保阀44a保持关闭。同时，柱塞32还减小了子腔26b的空间，导致子腔26b内的超压，阀44b打开，并允许液体通过口42b流出，如箭头68所示。子腔26b中的超压确保阀24b保持关闭，以使液体不会通过入口22b排回到井中。由于阀44b打开进入输送导管38，因此输送导管38中也存在超压，导致液体在导管38中向上流动80。由于阀44a保持关闭，因此液体流向出口40并流入管道16(未示出)，如箭头82所示，而无需通过口42a进入子腔26a。
图3B至图3D示出了处于一阶段的系统10的一状态，在此状态下，柱塞32通过马达36向上移动(朝向远端30)，如箭头70所示。图3B及图3D示出了一实施方式中系统10的状态，其中系统10的每个阀24a、24b、44a及44b是一隔膜阀，以及图3C示出了一实施方式中的系统10的状态，其中连接口阀44a及44b是瓣阀，而入口阀24a及24b是隔膜阀。
在移动期间，柱塞32排空子腔26b中的空间，导致子腔26b内的负压，阀24b打开，以及液体通过口22b进入，分别如箭头72及74所示。因此，液体进入76进入子腔26b。子腔26b中的负压确保阀44b保持关闭。同时，柱塞32还减小了子腔26a的空间，导致子腔26a内的超压，阀44a打开，并允许液体通过口42a流出，如箭头78所示。子腔26a中的超压确保阀24a保持关闭，以使液体不会通过入口22a排回到井中。由于阀44a打开进入输送导管38，因此输送导管38中也存在超压，导致液体在导管38中流向出口40，并流向管道16(未显示)，如箭头82所示。由于阀44b保持关闭，因此，液体不会通过口42b进入子腔26a。
因此，图3A至图3D示出了一种双动式泵送，其中液体在柱塞32的两个冲程方向上从井进入系统10。虽然图3C仅示出了在实施方式中的向上阶段，其中连接口阀44a及44b是瓣阀，然而本领域的普通技术人员之一，在提供本文描述的细节的情况下，将理解此实施方式中的向下阶段的操作原理。
在图4A及图4B中示出了根据本发明的一些实施方式的阀系统的代表性示例。图4A所示的阀系统适合用作封装20的近端28处的入口阀24a，并且图4B所示的阀系统适合用作封装20的远端30处的入口阀24b。
参考图4A，阀系统24a包括一管状阀体84a以及具有一可移动的密封构件86a的一流体控制组件88a。在图4A中还示出了具有一径向坐标r及一轴向坐标z的一圆柱坐标系。阀体84a优选地具有垂直于所述径向坐标r的一外表面，并且密封构件86a可选地并且优选地可沿所述轴向坐标移动。例如，阀体84a可以是圆柱形的。当在系统10中使用所述阀系统24a时，其被定向使得轴34沿着所述轴向坐标z，并且与所述阀系统的对称轴同轴。
阀体84a形成有一个或多个入口，例如但不限于入口22a，其由密封构件86a控制。阀体84a还形成有一个或多个出口，例如但不限于出口40，其不由密封构件86a的控制。因此，仅当密封构件86a呈现如箭头64所示的打开状态时，液体才可以流过(多个)口22a。另一方面，无论密封构件86a的状态如何，液体都可以流过(多个)口40a。在图4A的示意图中，在不被认为是限制性的情况下，密封构件86a被示出为一隔膜，但是可以采用任何其他类型的可移动的密封构件。可选地并且优选地，(多个)入口22a相对于阀体84a是径向的，而(多个)出口40相对于阀体84a是轴向的。
在与系统10一起使用时，当密封构件86a处于打开状态时，液体通过入口22a进入，通常是由于在子腔26a中形成的负压的结果，如上进一步所详述。口22a的总截面面积可选且优选地被选择以允许所需体积的液体在柱塞的每个冲程中进入吸入腔。在一些实施方式中，此面积大约等于柱塞32的截面面积。液体通过出口40离开腔26，出口40建立与连接器46及管道16的流体连通(未示出)。因此，体84a被构造成在入口与出口之间分开。
参考图4B，阀系统24b的形状可以类似于阀系统24a的形状，就其而言，它包括一管状阀体84b以及具有一可移动的密封构件86b的流体控制组件88b，其中阀体84b的外表面优选地垂直于径向坐标r，并且密封构件86b可选地且优选地沿轴向坐标z移动。阀体84b可选地且优选地与阀体84a的不同之处在于，阀体84b形成有一个或多个入口，例如但不限于入口22b，其由密封构件86b控制，但没有出口，因为液体可选地并且优选地不在远端30处离开腔26。
在与系统10一起使用时，当密封构件86b处于其打开状态时，液体通过入口22b进入，通常是由于在子腔26b中形成的负压的结果。类似于图4A，口22b的总截面面积可选且优选地被选择以允许所需体积的液体在柱塞的每个冲程处进入吸入腔。在一些实施方式中，此面积大约等于柱塞32的截面面积。由于液体可选地并且优选地不在远端30处离开腔26，因此体84b不需要在入口与出口之间分开。
因此，本实施方式考虑了阀24a及24b不相同的构造，其中体84a包括彼此分离的入口及出口，而体84b仅包括入口。
图5A至图5D是一隔膜型阀的流体控制组件88的剖视图(图5A及图5B)以及立体图(图5C及5D)的示意图，根据本发明的一些实施方式，其适合用作流体控制组件88a及/或流体控制组件88b。组件88包括密封构件86，其在本实施方式中是一柔性隔膜。隔膜可由任何能够提供密封的非浇铸材料制成，包括但不限于橡胶、塑料、硅及金属。密封构件86例如通过一螺钉92安装到一多孔板90的一前侧94，其中板90中的孔22可以用作入口22a及/或22b。为了说明清楚，图5C未示出密封构件86。板90可成形为产生预加载力的一盘，以允许有效的回流密封。
在所述隔膜的打开状态下(图5A及图5C)，例如，由于在前侧94处的一负压，所述隔膜可以在其外围折叠以呈现一圆顶形状，从而允许液体沿从板90的背侧96到前侧94的方向流过孔22(例如，当在系统10中使用组件时，相对于腔26向内)。组件88的流量(因此也是相应的阀系统的流量)取决于孔22的总截面面积以及折叠的程度。在隔膜的关闭状态下(图5B及图5D)，例如，由于前侧94处的超压，隔膜紧密地封闭了板90中的孔22，以防止从前侧94回流到背侧96。当隔膜由橡胶制成时，孔的数量优选地较大(例如，从约5到约50、或从约15到约30个径向布置的孔或狭槽)，以支撑橡胶，并防止橡胶下沉到孔22中并变形。在本发明的一些实施方式中，隔膜由橡胶制成，橡胶在内部用一支撑网加固，例如但不限于一尼龙织物网。多孔板90可以由任何材料制成，例如但不限于塑料及不锈钢，与塑料相比，不锈钢是优选的。板90可选地且优选地是足够薄的(例如，从约0.1毫米至约10毫米，或从1毫米至约5毫米)以避免污染物积聚在在孔22的壁上。组件88的优点在于其重量较轻(例如，隔膜86的重量可以为约10克至约80克，或约20克至约50克)，且成本低，并且还具有快速的响应时间(例如，每秒至少3、至少5、至少8，或至少10个周期)，以及相对较长的使用寿命。
再次参考图1，系统10优选地包括供电系统100，所述供电系统优选地但非必须地是一太阳能收集系统，用于为马达36提供动力，因此也为柱塞32的往复移动提供动力。电力线104可以连接至马达36以向其输送能量。在本发明的一些实施方式中，系统10包括一能量存储装置102，用于例如以电荷或电位差的形式存储能量。当系统100是一太阳能收集系统时，此实施方式特别有用，其中能量存储设备102存储一部分被收集的能量。能量存储装置102可以是任何类型，包括但不限于一电容器、一超级电容器或一电池，并且可以可替代地包括用于以热的形式存储能量的一热质量。系统100以及装置102相对于封装20是可选的并且优选地在外部。
在本发明的各种示例性实施方式中，所述系统10包括一控制器106，其具有一电路，优选地是一专用电路。控制器106被示为在封装20的外部，但是不一定是这种情况，因为在本发明的一些实施方式中，控制器被封装在封装20中。
控制器106可选地并且优选地被配置为用于测量存储在能量存储装置102中的能量的含量，并且当所测量的能量的含量高于一预定阈值时，将能量从能量存储装置102释放到动力马达36。当能量存储设备102存储所收集的太阳能的一部分时，此实施方式特别有用。例如，在低光条件下，当系统100收获少量或没有太阳能时，控制器106可以使用存储的能量为马达供电。当存储的能量(例如，就装置102上的电压而言)等于或低于阈值时，控制器106可以减少从装置102中提取能量，从而允许太阳能收集系统100重建装置102中的能量供应。由于泵系统10通过柱塞的移动来泵送液体，因此这足以允许所述柱塞移动少量的冲程，并且仍然泵送液体。这与必须以特定每分钟转速运行才能开始泵送的离心泵或螺旋泵不同。根据本发明的一些实施方式，预定阈值被选择为足以建立不大于柱塞32的10个冲程，或小于10个冲程，或小于8个冲程，或小于6个冲程，或小于4个冲程，例如2个冲程或1个冲程。
系统10的控制器106还可以被配置为控制马达36，例如，以确保其有效操作。例如，在本发明的一些实施方式中，控制器106在柱塞32完成整个冲程长度之前反转柱塞32的移动方向。优选地，控制器106的电路具有电子功能，其从传感器48(图2A至图2B)接收与柱塞32的位置及/或速度有关的信号，并基于所述信号计算柱塞的位置，其中当柱塞的位置沿冲程路径经过一预定点时，控制器106向马达36发出信号，以反转柱塞的移动方向。
在本发明的一些实施方式中，控制器106在柱塞32完成整个冲程长度之前暂时终止对马达36的供电。这允许利用柱塞的动能，而不是利用在柱塞冲程的末端部分处来自系统100或装置102的动力。控制器106可以可选地并且优选地沿着冲程路径动态地改变电源被暂时终止的点。例如，基于来自传感器48的信号，控制器106可以确定柱塞32的位置及平均速度。控制器106重复电源被终止的点的变化，直到沿着冲程路径的一预定位置z1处的柱塞32的平均速度低于一预定阈值vlimit为止。当在位置z1处的柱塞32的平均速度不低于vlimit时，控制器106可以可选地并且优选地反转在位置z1处的柱塞32的移动方向。
图6是流程图，其描述了一种根据本发明的各种示例性实施方式的适于控制双动式往复泵系统的方法，例如但不限于系统10。应当理解，除非另外定义，否则以下描述的操作可以以许多组合或执行顺序同时或顺序地执行。特别地，流程图的顺序不被认为是限制性的。例如，以下描述或流程图中以特定顺序出现的两个或更多个操作可以以不同的顺序(例如，相反的顺序)或基本上同时地执行。此外，以下描述的几种操作是可选的，可能无法执行。
所述方法可选地并且优选地被执行，以在所述柱塞完成整个冲程长度之前反转所述柱塞的移动方向。所述方法从200开始，并且可选地并且优选地继续至201，在201，从所述泵系统接收到关于所述柱塞的一位置及一平均速度的一信号。在201的第一次执行时，所述方法加载(例如，从存储器中)要关闭所述马达的位置的一预定值。所述方法可选地并且优选地继续进行至决定202，在所述决定202，所述方法确定柱塞沿着其冲程路径的位置是否处于或超过由一位置参数zprev描述的一位置。
参数zprev优选地是可更新的，并且描述了沿着冲程路径的一点，在所述点处，在所述方法的先前的执行迭代中，对所述马达的动力已经被暂时终止。在所述方法的第一次执行迭代中，可以使用zprev的预定值。
若所述柱塞沿其冲程路径的位置在zprev描述的位置之前，则所述方法循环回到201，以接收来自所述泵系统的另一个信号。若所述柱塞沿着其冲程路径的位置在zprev描述的位置处或超出zprev描述的位置，则所述方法可选地并且优选地前进至203，在203，暂时终止对马达的动力。所述方法从203可选地并且优选地继续至204，在204，从所述泵系统接收另一信号，以确定所述马达在没有动力的情况下，所述柱塞的位置及平均速度。
所述方法从204可选地并且优选地前进至决定205，在所述决定205，所述方法确定平均速度是否小于预定速度阈值vlimit。若平均速度小于vlimit，则所述方法前进至206，在206，所述柱塞的移动方向反转，然后循环回到201。若平均速度不小于vlimit，则所述方法可选地并且优选地继续进行决定207，在决定207，所述方法确定所述柱塞的位置是否在上述预定位置z1处或之上。
位置z1可以由预定的一固定软件参数zsw描述。
若所述柱塞的位置等于或超过z1，则所述方法可选地并且优选地前进至208，在208，所述柱塞的移动方向被反转，并且zprev的值被更新为所述柱塞的当前位置或距活塞当前位置的一预定垂直距离。所述方法可以从208循环回到201。若所述柱塞的位置在z1之前，则所述方法可选地并且优选地循环回到204，而不反转柱塞的移动方向，并且不更新zprev的值。因此，本实施方式的方法重复zprev的动态变化，直到位置z1处的所述柱塞的平均速度(由参数zsw描述)低于vlimit。发明人发现，当在位置z1处的所述柱塞的平均速度低于vlimit时，由于柱塞获得的动能附加地补充至外部动力系统提供的能量，因此泵以更高的效率运作。
由于泵通常是垂直的，因此在向下移动期间柱塞32的速度较高。因此，本实施方式考虑了用于向上及向下方向的不同阈值参数的集合。当泵通过太阳辐射运作时，柱塞可能在到达z1点之前达到低于vlimit的速度。这种情况可能发生，例如，当太阳辐射下降时(例如，由于云层等等)。在这种情况下，增加了向马达提供动力的冲程范围。
以下是根据本发明的一些实施方式可以采用的典型参数。
柱塞32的一典型直径是从约0.9到约1.1，例如，约1。在每个方向上，柱塞32的总行程范围是从约180毫米到约220毫米，例如，约200毫米。最大冲程距离通常与柱塞32的总行程范围相同。腔26的典型内径为约26毫米至约30毫米，例如约28毫米。柱塞32的最大速度通常为约1.5至2.5米/秒，取决于可用的输入功率。
如本文所用，术语“约”是指“在±10％的范围内”。
词语“示例性”在本文中用来表示“用作一示例、实例或说明”。任何被描述为“示例性”的实施方式不必被解释为比其他实施方式优选或有利，及/或从其他实施方式中排除特征的并入。
词语“可选地”在本文中用来表示“在一些实施方式中提供而在其他实施方式中不提供”。本发明的任何特定实施方式可以包括多个“可选的”特征，除非这些特征相抵触。
术语“包含”(comprises)、“包含”(comprising)、“包括”(includes)、“包括”(including)、“具有”(having)及其词形变化是指“包括但不限于”。
术语“由......组成”(consisting of)意指“包括并且限于”。
术语“基本上由......组成”(consisting essentially of)是指组合物、方法或结构可包括另外的成分、步骤及/或部件，但只有当另外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新颖特征。
本文所使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”包括复数引用，除非上下文另外明确指出。例如，术语“一化合物”或“至少一化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。
在整个申请中，本发明的各种实施方式可以以一范围格式呈现。但应当理解是，范围格式的描述仅仅是为了方便及简化，不应被解释为对本发明的范围的强行限制。因此，一范围的描述应当被认为已经具体公开了所有可能的子范围以及所述范围内的单个数值。例如，对一范围，例如从1到6的描述应被视为已明确公开了子范围，例如从1至3，从1至4，从1至5，从2至4，从2至6，从3至6等等，以及在所述范围内的单个数值，例如1、2、3、4、5及6。无论范围的宽度皆适用。
每当在本文中指示数值范围时，其意图是包括在指示范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语在第一指示数值与第二指示数值"之间的范围"以及从第一指示数值“至”第二指示数值的"范围"在本文中可互换地使用，并旨在包括第一指示数值和第二指示数值以及在二者之间的所有分数及整数。
应当理解，为了清楚起见，在分开的实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地、或以任何合适的子组合、或适当地在本发明的任何其他描述的实施方式中提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方式的必要特征，除非所述实施方式在没有那些元素的情况下不起作用。
尽管已经结合本发明的特定实施方式对本发明进行了描述，但是显然地，对于本领域技术人员而言，许多替代、修改及变化将是显而易见的。因此，其旨在涵盖落入所附权利要求书的精神及广泛范围内的所有这些替代、修改及变化。
本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请均在本文中通过引用整体并入本说明书中，达到如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指出通过引用并入本文的相同程度。另外，本申请中任何参考文献的引用或识别不应被解释为承认这样的参考文献可作为本发明的现有技术。在使用章节标题的范围内，不应将其解释为必然的限制。

Claims (40)

1.一种用于将液体从一井泵入一管道的泵系统，其特征在于，所述泵系统包含：
一吸入腔，通过由一入口阀控制的一入口与所述井流体连通；
一柱塞，在所述吸入腔内沿着一轴为可往复移动的；
一输送导管，通过一出口与所述管道流体连通，并通过一连接口与所述吸入腔流体连通，所述连接口由一连接口阀控制，所述连接口阀通常为垂直于所述轴为可往复移动的；以及
一管状封装，封装所述吸入腔、所述柱塞、所述输送导管、所述入口阀及所述连接口阀，所述管状封装具有相对于所述管道的一近端以及相对于所述管道的一远端；
其中，所述入口以及所述入口阀位于所述管状封装的所述近端，并且所述连接口以及所述连接口阀位于所述管状封装的所述远端。
2.一种用于将液体从一井泵入一管道的泵系统，其特征在于，所述泵系统包含：
一吸入腔，通过一入口与所述井流体连通，所述入口形成在一入口阀的一阀体中，并且所述入口由所述入口阀的一可移动的密封构件控制；
一柱塞，在所述吸入腔内沿着一轴为可往复移动的；
一输送导管，通过一出口与所述管道流体连通，所述出口形成在所述入口阀的所述阀体中，并通过由一连接口阀的一密封构件控制的一连接口与所述吸入腔流体连通；以及
一管状封装，封装所述吸入腔、所述柱塞、所述输送导管、所述入口阀及所述连接口阀，所述管状封装具有相对于所述管道的一近端以及相对于所述管道的一远端；
其中，所述入口以及所述入口阀位于所述管状封装的所述近端，并且所述连接口以及所述连接口阀位于所述管状封装的所述远端。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述入口相对于所述阀体是径向的，并且所述出口相对于所述阀体是轴向的。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括位于所述管状封装内的一内部马达，用于建立所述柱塞在所述吸入腔内沿着所述轴的一往复移动。
5.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述系统包括在所述管状封装内的一内部马达，用于建立所述柱塞在所述吸入腔内沿着所述轴的一往复移动。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述内部马达将所述吸入腔分成两个不同容积的子腔，其中在所述管道远端的一腔的一容积大于在所述管道近端的一腔的一容积。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述内部马达将所述吸入腔分成两个不同容积的子腔，其中在所述管道远端的一腔的一容积大于在所述管道近端的一腔的一容积。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于：所述系统还包含在所述近端处的一入口及一相应的入口阀，以及在所述远端处的一连接口及一相应的连接口阀，所述入口阀及所述连接口阀布置成提供双动式泵送。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：当所述柱塞朝着所述远端移动时，在所述近端处的所述入口阀以及在所述远端处的所述连接口阀配置成打开，并且其中当所述柱塞朝着所述近端移动时，在所述远端处的所述入口阀以及在所述近端处的所述连接口阀配置成打开。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述入口阀及所述连接口阀中的至少一个是一瓣阀。
11.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述入口阀及所述连接口阀中的至少一个是一瓣阀。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述入口阀及所述连接口阀中的至少一个是一隔膜阀。
13.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述入口阀及所述连接口阀中的至少一个是一隔膜阀。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述连接口阀是一瓣阀，并且所述入口阀是一隔膜阀。
15.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述连接口阀是一瓣阀，并且所述入口阀是一隔膜阀。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述入口阀及所述连接口阀中的每一个是一隔膜阀。
17.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述入口阀及所述连接口阀中的每一个是一隔膜阀。
18.根据权利要求12所述的系统，其特征在于：所述隔膜阀包括一板，所述板形成有多个开口；以及一隔膜，覆盖所述多个开口。
19.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述隔膜阀包括一板，所述板形成有多个开口；以及一隔膜，覆盖所述多个开口。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包含多个密封组件，所述多个密封组件安装在所述柱塞上，以在所述柱塞以及所述腔中的液体之间分离。
21.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：还包含多个密封组件，所述多个密封组件安装在所述柱塞上，以在所述柱塞以及所述腔中的液体之间分离。
22.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包含一太阳能收集系统，用于为所述柱塞的所述往复移动提供动力。
23.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述系统包含一太阳能收集系统，用于为所述柱塞的所述往复移动提供动力。
24.根据权利要求22所述的系统，其特征在于：还包含一能量存储装置，用于存储由所述太阳能收集系统收集的能量。
25.根据权利要求23所述的系统，其特征在于：还包含一能量存储装置，用于存储由所述太阳能收集系统收集的能量。
26.根据权利要求24所述的系统，其特征在于：所述系统包含具有一电路的一控制器，所述控制器配置为测量存储在所述能量存储装置中的能量的一含量，以及当能量的所述含量高于一预定阈值时，从所述能量存储装置释放能量，以为所述柱塞的所述往复移动提供动力。
27.根据权利要求25所述的系统，其特征在于：所述系统包含具有一电路的一控制器，所述控制器配置为测量存储在所述能量存储装置中的能量的一含量，以及当能量的所述含量高于一预定阈值时，从所述能量存储装置释放能量，以为所述柱塞的所述往复移动提供动力。
28.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：所述预定阈值被选择为足以建立不超过10个所述柱塞的冲程。
29.根据权利要求27所述的系统，其特征在于：所述预定阈值被选择为足以建立不超过10个所述柱塞的冲程。
30.根据权利要求26所述的系统，其特征在于：所述控制器配置为当由所述太阳能收集系统收集的能量的一含量低于一预定阈值时，减少从所述能量存储装置释放的能量的一含量。
31.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包含一控制器，用于控制所述柱塞的所述往复移动的电源。
32.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述系统包括一控制器，用于控制所述柱塞的所述往复移动的电源。
33.根据权利要求31所述的系统，其特征在于：所述控制器配置为在所述柱塞完成一整个冲程长度之前反转所述柱塞的一移动方向。
34.根据权利要求32所述的系统，其特征在于：所述控制器配置为在所述柱塞完成一整个冲程长度之前反转所述柱塞的一移动方向。
35.根据权利要求31所述的系统，其特征在于：所述控制器配置为在所述柱塞完成一整个冲程长度之前暂时终止所述电源。
36.根据权利要求35所述的系统，其特征在于：所述控制器配置为动态地改变所述电源被暂时终止的一点。
37.根据权利要求36所述的系统，其特征在于：所述控制器包括一电路，所述控制器配置为确定所述柱塞的一位置及一平均速度，并且配置为重复所述动态变化，直到在所述冲程的一预定位置处的所述平均速度低于一预定阈值。
38.根据权利要求37所述的系统，其特征在于：若在所述冲程的所述预定位置处的所述平均速度不低于所述预定阈值，则所述控制器配置为反转所述柱塞的一移动方向。
39.一种泵送方法，其特征在于，所述泵送方法包含：将一泵送系统引入一井中，并且操作所述泵送系统，以便将液体从所述井泵送至一管道，其中所述泵送系统包括根据权利要求1至3中任一项所述的系统，以及其中所述井的一井孔直径大于所述管状封装的一直径。
40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于：所述井孔直径小于25公分。
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