CN1950605A - 深井灌溉泵 - Google Patents

Abstract

在这里提供有效泵设备的典型实施例。在一个实施例中，泵设备包括松动设置在缸体内的活塞组件。活塞组件包括：连接顶部渗漏活塞和底部渗漏活塞的驱动索缆。该底部渗漏活塞具有连接到上述索缆的止回阀。缸体包括在其上部的出口管和位于缸体下端的止回阀。活塞在缸体内以相对于管道的一定速度运动，从而当活塞沿着缸体时，并在活塞和缸体之间形成水压密封，产生相当缭绕的渗漏通道。

Description

深井灌溉泵

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年11月14日申请的第60/519,887号美国专利申请的优先权，其中该申请的全部内容在这里引用以进行参照，宛如在这里详细描述一样。

发明领域

本发明通常涉及抽吸装置。

附图说明

下面参照以下附图来简要地描述本发明的典型实施例：

图1示出了根据在这里描述的本发明的一个方面。

图2示出了根据在这里描述的本发明的第二方面。

图3示出了根据在这里描述的本发明的第三方面。

图4示出了根据在这里描述的本发明的第四方面。

图5示出了根据在这里描述的本发明的第四方面。

图6示出了根据在这里描述的本发明的第四方面。

发明描述

从以下参考附图的描述中，本发明的方式、特征和优点将变得更容易理解。以下为本发明的优选实施例。对于本领域技术人员显而易见的是，上述内容仅仅是说明性而不是限制性的，只借助于实例来陈述。除非特意声明，否则在本描述中公开的特征可通过实现同样目的、等同方案或者相似目的的选择特征来替代。因此，本发明修改的许多其他实施例被认为属于在这里限定以及另外等同方案的本发明范围内。

图1示出了根据本发明构造的有效泵设备100的典型实施例。如图所示，所述泵设备包括松动设置在缸体内的活塞组件。活塞组件包括连接顶部渗漏活塞的驱动索缆和具有与之连接止回阀的底部渗漏活塞。缸体包括在其上部的出口管和位于该缸体下端的止回阀。以下是泵设备100的关键特征的描述。

长松动渗漏活塞

在典型实施例中，本发明使用两个“长松动渗漏活塞”，其中该“长松动渗漏活塞”长度比用于现有技术绳索和冲洗泵中的传统垫圈长度大。“长松动渗漏活塞”当在缸体内上下往复运动时，排出大量流体并形成压头。在活塞和缸体之间的松配合提供了特别宽松的尺寸公差(象在许多发展中国家中可找到的不一致管道那样)，并还具有下列许多其他优点。活塞和缸体之间并非紧密地配合，而是由内径略小于活塞外径的缸体管道制成(以至直径数个百分点)。当活塞运动时，该活塞的长度形成了构成水压密封的曲折渗漏通道，并使活塞对流体加压。活塞越长，间隙越小，而该密封就变得越有效。

“长松动渗漏活塞”优越于现有技术活塞的优点包括：

(1)在活塞和缸体之间很少有摩擦，而该摩擦不随着抽吸深度改变很多。在活塞和缸体之间的间隙充满流体，使它们形成液体动态润滑。在正常的活塞和缸体泵中，有一个活塞皮碗(通常为皮革或者橡胶)，其中密封力和因而形成的摩擦力随着抽吸深度线性地增加，并极大地增加需要的抽吸力。因此这个新泵与正常的活塞和缸体泵相比非常节能。

(2)对于清洁的流体，在活塞或者缸体上几乎不出现磨损问题，液压润滑不象传统活塞泵那样，磨损是主要问题，因而需要缸体由硬化材料制成，而活塞圈/皮碗亦要定期更换。

(在这种情况下摩擦和磨损当然是紧密相关的)。

(3)由于在活塞和缸体之间没有直接接触，从而需要降低活塞的力也极大地减少，此时只有穿过阀的水动力阻力，而这使我们只靠重力来降低活塞。在传统的活塞缸体泵中，需要向下推动活塞杆以降低活塞(克服在活塞皮碗和缸体之间的摩擦力)。

(4)由于渗漏活塞具有实质的渗漏通道，因此泵的抽吸效率主要取决于速度(不象传统的活塞和缸体泵)。活塞运动越快，泵就变得越有效。减少水必须再加速的次数，而且冲程越长，泵就变得越有效(因为在冲程之间阀开启花费的时间较短)，但这最后一点在传统的活塞泵上也是存在的。

(5)抽吸效率也取决于缸体一活塞间隙以及取决于活塞长度(渗漏通道长度)。较长活塞和较紧密间隙可以降低渗漏，增加容积效率，但也因此在极限情况下最终增加了水动力阻力，会降低了能量效率。在普通的活塞和缸体泵中，体积效率几乎是恒定的(由于在活塞和缸体之间存在的密封)，同时由于极大提高的摩擦损失，能量效率会随着泵深度而降低。

(6)与传统的活塞泵相比，渗漏活塞也很少受影响于在活塞和缸体之间的精确尺寸公差，此外缸体的表面质量(通常必须为非常光滑的加工表面)不再是主要问题。这意味着具有渗漏活塞的泵可由相当粗糙材料制成。然而，活塞和缸体长度的尺寸直线度仍然是关键的。对于精确公差的较低要求意味着抽吸管道也可以作为缸体，这是本设计的另外突出优点。

柔软线缆驱动

在典型的实施例中，本发明还使用柔软线缆驱动(例如链、绳索、导线或者其它柔性件)。大多数往复运动深井泵使用坚硬传动杆以向下推动活塞(以及向上拉)。该设计需要更多材料和支承基础结构，以阻止杆弯曲。本发明利用重力使底部活塞返回它的底部位置，提供了更便宜、更容易组装/运输以及可靠的方案。

在活塞和缸体之间没有接触，因此在活塞缸体之间没有实际牵引发生。

顶部活塞和底部活塞

为了使压头在地面上产生，本发明(这对于包括灌溉的许多应用中是非常重要的)包括一个没有任何附加阀门的顶部渗漏活塞(除了在底部缸体和活塞中两个止回阀外)。在进行压缩冲程时(强使顶部活塞向下)，被压向底部止回阀使其关上，并从在井顶部的出口流出。本实施例减少了阀门和密封件的数目。

然而，在出口管内增加另一个单向阀可提高泵效率。没有这个附加阀门，在进行上冲程时，下部松动活塞间隙露出完整压力头(在地面以下和在地面以上)，导致更多的泄漏，亦同时降低了效率。本发明的另外实施例在顶部缸体上加上外套，其中仅仅在它顶端具有出口管，而不是在顶部缸体底部具有出口管。增加外套的特征使井下部件总直径保持到最小值，使泵用于小直径钻孔内。

本发明的另外实施例

根据本发明的选择性实施例，泵可设计成只具有底部渗漏活塞和向上牵拉活塞并使其通过重力下落的柔软受拉构件(绳索、锚链等等)。泵可以没有顶部渗漏活塞和出口管。

根据本发明的第二选择性实施例，任何形式驱动机构可连接到泵机构上，这些驱动机构包括但不限于其他手动传动件、汽油发动机或者电动机。

根据本发明第三选择性实施例，柔软活塞的选择将用于设有非直列式缸体的情况中。在这情况下，液体动压力会令活塞屈曲，使它不会卡在缸体内。这对于在弯曲管道中抽吸流体是非常有用的。

根据本发明的第四选择性实施例，可采用双往复式活塞泵(具有两个活塞，一个在另外一个上面，以偏离同步180度操作)，其中两个索缆使抽吸管道下降。

根据本发明的第五选择性实施例，可采用任何类型的阀门。

图2A-D示出了底部渗漏活塞的细部，而图3A-B示出了顶部渗漏活塞的细部。

图4A-D示出了泵设备100选择性典型实施例的各个方面。

图5A-D示出了泵设备100选择性典型实施例的各个方面。

图6示出了包括泵设备100典型实施例的组件。

本发明的泵设备100通过上下重复驱动顶部活塞进行操作，同时底部缸体和止回阀浸没在流体中。在上冲程进行时流体被抽到底部止回阀，而在下冲程期间流体在压力下从出口管脱出。两个活塞通过柔软受拉构件连接(绳索、锚链)，该受拉构件在上冲程拉起底部活塞，然后在下冲程重力使底部活塞返回到位。泵100可通过类似小楼梯控制机构(stair mastermachine)的两个脚踏板驱动。

泵100把可变机械增益添加到驱动机构上，在每次冲程开始时提供高机械增益(允许提高加速度)，而在每个冲程结束时提供低机械增益(允许提高速度)，从而提升每次平均活塞速度冲程至最大值，并提高泵的总能量效率。这是人力泵的一个有吸引力的特征。

以上描述了本发明的优选实施例，对于本领域技术人员显而易见的是，上述内容仅仅是说明性而不是限制性的，只借助于实例来陈述。除非特意声明，否则在本说明书中公开的所有特征(包括任何附加权利要求、摘要和附图)可通过实现同样目的、等同方案或者相似目的的选择特征来替代。因此，本发明修改的许多其他实施例被认为属于由附加权利要求限定以及另外等同方案的本发明范围内。

Claims (31)

1.一种节能泵设备，包括：

具有第一和第二端部的第一封闭管路；

具有封闭端的第一可移动活塞，该封闭端具有大于所述管路半径中位数的有效长度A，所述第一活塞松动地位于所述第一封闭管路内部，从而具有预定中位数尺寸的间隙形成在所述第一活塞和第一封闭管路之间；

其中所述第一活塞可以相对于所述封闭管路的一定速度在所述封闭管路内移动，从而当所述第一活塞沿着所述封闭管路运动时，所述第一活塞形成相当缭绕的渗漏通道，而该渗漏通道在所述第一活塞和所述封闭管路之间形成水压密封，因此使所述第一活塞沿着所述封闭管路排出流体；以及：

其中所述水压密封的效率基于所述间隙的所述预定中位数尺寸、所述第一活塞的所述有效长度A和所述活塞的所述速度。

2.如权利要求1的泵设备，其中所述第一活塞还包括位于其中的单向阀；

其中当所述第一活塞沿着所述封闭管路前后运动时，所述活塞沿着所述封闭管路牵拉和抽吸流体。

3.如权利要求2的泵设备，其中所述封闭管路以不同于水平的某一角度设置，同时所述封闭管路还在其下部包括单向进口阀，其中当所述第一活塞沿着所述封闭管路上下运动时，流体在所述第一封闭管路内被牵拉并向上抽吸。

4.如权利要求3的泵设备，还包括连接到所述第一活塞顶端并可操作以沿着所述封闭管路上下移动所述第一活塞的传动件。

5.如权利要求4的泵设备，其中所述传动件是柔性的。

6.如权利要求5的泵设备，还包括：具有预部和第二端部的管道；固定到所述第一封闭管路所述顶端的所述管道的所述第二端；其中在所述泵设备的上冲程期间，所述第一活塞通过所述传动件拉起，而在所述泵设备的下冲程期间，所述第一活塞被重力下拉，因此在所述管道内向上牵拉并抽吸流体。

7.如权利要求6的泵设备，还包括：

具有顶部和第二端部的第二封闭管路，第二可移动活塞松动地布置在所述第二封闭管路内，从而具有预定尺寸中位数的间隙形成在所述第二活塞和所述第二封闭管路之间；所述第二活塞具有连接在其中的坚硬传动件；

所述第二封闭管路的所述第二端固定到所述管道的所述第一端；

在所述第二封闭管路下端的出口；

其中在所述泵设备操作期间，所述第一和第二活塞在所述各自封闭管路内运动，以在上冲程促使流体流动到所述第一封闭管路内，而后流动到所述管道内并向上流动，同时在下冲程在压力作用下从所述出口流出。

8.如权利要求7的泵设备，还包括：连接到所述第二封闭管路下端出口的出口管和布置在所述出口管内、在上冲程对移动所述第一和第二活塞需要力大小进行限制的单向出口阀。

9.如权利要求7的泵设备，还包括：

封闭套出口管路，该出口管路包括封闭套和连接到所述封闭套上部的出口管；

所述封闭套出口管路覆盖所述第二管路并在所述第二管路外壁和所述封闭套内壁之间形成套-管路间隙，从而所述套-管路间隙在所述封闭套出口管路底部和顶部被密封，同时穿过所述第二封闭管路下端所述出口流动的任何流体流入到所述套-管路间隙内；其中在所述泵设备操作期间，所述第一和第二活塞在所述各自封闭管路内运动，以在上冲程期间促使流体流动到所述第一封闭管路内，流动到所述管道内并向上流动，并流入所述第二封闭管路内，同时在下冲程期间压力作用下，穿过所述第二封闭管路的所述开口，流入所述套-管路间隙并从所述出口管流出。

10.如权利要求9的泵设备，其中所述套出口管包括布置在其中的单向阀，以对在上冲程移动所述第一和第二活塞所需要力的大小进行限制。

11.一种加压、排出和抽吸大量流体的节能泵设备，包括：

封闭管路；

活塞组件，该组件包括：具有长度宽度尺寸大于垫圈的顶部活塞；具有长度宽度尺寸大于垫圈同时具有连接所述顶部和底部活塞的柔性传动件的底部活塞；

所述活塞组件松动地布置在所述封闭管路内，从而具有预定的间隙形成在所述活塞和所述封闭管路之间；所述活塞组件可在所述封闭管路内移动，从而当所述顶部和底部活塞运动时，所述顶部和底部活塞形成相当缭绕的渗漏通道，而该渗漏通道在所述顶部和底部活塞与所述封闭管路之间形成水压密封，因此使所述活塞组件排出所述流体；其中所述水压密封的效率基于所述间隙的所述预定尺寸、所述顶部和底部活塞的所述长度-宽度尺寸。

12.如权利要求11的泵设备，其中所述封闭管路为具有上部的缸体。

13.如权利要求12的泵设备，还包括连接到所述上部缸体部顶部区域的出口和布置在所述出口内用于除去所述排出流体的单向出口阀。

14.如权利要求13的泵设备，其中所述出口是套出口管。

15.如权利要求11的泵设备，其中所述底部活塞包括用于在所述设备上冲程操作期间流体向上流动的单向阀。

16.如权利要求11的泵设备，其中在所述设备操作期间，所述柔性传动件提供重力回程。

17.如权利要求11的泵设备，其中所述柔性传动件为索缆、绳索、链条、导线或者上述组合。

18.一种加压、排出和抽吸大量流体的节能泵设备，包括：

框架；

以不同于水平的某一角度安装在所述框架上的缸体和管道组件，并包括：管道、顶部缸体和通过所述管道连接到所述顶部缸体上的底部缸体；具有底部止回阀的所述底部缸体；所述顶部缸体具有连接到所述顶部缸体上部区域的出口和布置在所述出口内用于除去所述排出流体的单向出口阀；

活塞组件，该活塞组件具有：具有比带封闭端垫圈大的长度宽度尺寸的无阀门顶部活塞、具有比垫圈大的长度宽度尺寸并还具有单向流体进口阀的空心底部活塞，其中在所述设备上冲程操作期间，该单向流体进口阀使流体穿过其中向上流动；以一定距离连接所述顶部和底部活塞的柔性受拉构件，从而当所述活塞组件布置在所述缸体和管道组件内，所述顶部活塞在所述顶部缸体内，而所述底部活塞在所述底部缸体内；

所述活塞组件松动地布置在所述缸体和管道组件内，并在所述活塞和所述缸体之间形成具有预定尺寸的间隙；所述活塞组件可在所述缸体和管道组件内移动，从而当所述活塞组件运动时，所述顶部和底部活塞形成相当缭绕的渗漏通道，而该渗漏通道在所述活塞与所述缸体之间形成水压密封，因此使所述顶和底活塞对所述大量流体加压并排放；

其中所述水压密封的效率基于所述间隙的所述预定尺寸和所述顶部和底部活塞的所述长度。

19.如权利要求18的泵设备，其中所述管道为坚硬或者柔软管道。

20.如权利要求18的泵设备，其中所述出口是套出口管。

21.如权利要求18的泵设备，其中在所述设备操作期间，所述柔性传动件提供重力回程。

22.如权利要求18的泵设备，其中所述柔性传动件为索缆、绳索、链条、导线或者上述组合。

23.一种节能泵设备，包括：

具有第一和第二端部的第一封闭管路；

具有封闭端的第一可移动活塞；

所述第一活塞松动地布置在所述第一封闭管路内，从而具有预定中位数尺寸的间隙形成在所述第一活塞和所述第一封闭管路之间；

其中所述第一活塞可以相对于所述封闭管路的一定速度在所述封闭管路内移动，从而当所述第一活塞沿着所述封闭管路运动时，所述第一活塞形成相当缭绕的渗漏通道，而该渗漏通道在所述第一活塞和所述封闭管路之间形成水压密封，因此使所述第一活塞沿着所述封闭管路排出流体；以及；

其中所述水压密封的效率基于所述间隙的所述预定中位数尺寸和所述活塞的所述速度；

其中所述第一活塞还包括布置在其中的单向阀；其中当所述第一活塞沿着所述封闭管路前后运动时，所述活塞沿着所述封闭管路牵拉和抽吸流体。

24.如权利要求23的泵设备，其中所述封闭管路以不同于水平的某一角度设置，同时所述封闭管路还在其下部包括单向进口阀；其中当所述第一活塞沿着所述封闭管路上下运动时，流体被牵拉到所述第一封闭管路内并向上抽吸。

25.如权利要求24的泵设备，还包括连接到所述第一活塞顶端并可操作以沿着所述封闭管路上下移动所述第一活塞的传动件。

26.如权利要求25的泵设备，其中所述传动件是柔性的。

27.如权利要求26的泵设备，还包括：具有顶部和第二端部的管道；固定到所述第一封闭管路所述顶端的所述管道的所述第二端；其中在所述泵设备的上冲程期间，所述第一活塞通过所述传动件拉起，而在所述泵设备的下冲程期间，所述第一活塞通过重力被下拉，因此在所述管道内向上牵拉并抽吸流体。

28.如权利要求27的泵设备，还包括：

具有顶部和第二端部的第二封闭管路，

第二可移动活塞松动地布置在所述第二封闭管路内，从而具有预定中位数尺寸的间隙形成在所述第二活塞和所述第二封闭管路之间；

具有连接在其中的坚硬传动件的所述第二活塞；所述第二封闭管路的所述第二端固定到所述管道的所述第一端；在所述第二封闭管路下端的出口；其中在所述泵设备操作期间，所述第一和第二活塞在所述各自封闭管路内运动，以在上冲程促使流体流动到所述第一封闭管路内，而后流动到所述管道内并向上流动，同时在下冲程在压力作用下从所述出口流出。

29.如权利要求28的泵设备，还包括：连接到所述第二封闭管路下端出口的出口管和布置在所述出口管内、在上冲程对移动所述第一和第二活塞需要力大小进行限制的单向出口阀。

30.如权利要求28的泵设备，还包括：

封闭套出口管路，该出口管路包括封闭套和连接到所述封闭套上部的出口管；

所述封闭套出口管道覆盖所述第二管路并在所述第二管路外壁和所述封闭套内壁之间形成套-管路间隙，从而所述套-管路道间隙在所述封闭套出口管路底部和顶部被密封，同时穿过所述第二封闭管路下端所述出口流动的任何流体流入到所述套-管路间隙内；

其中在所述泵设备操作期间，所述第一和第二活塞在所述各自封闭管路内运动，以在上冲程期间促使流体流动到所述第一封闭管路内，流动到所述管道内并向上流动，并流入所述第二封闭管路内，同时在下冲程期间压力作用下，穿过所述第二封闭管路的所述开口，流入所述套-管路间隙并从所述出口管流出。

31.如权利要求30的泵设备，其中所述套出口管包括布置在其中的单向阀，以对在上冲程移动所述第一和第二活塞所需要力的大小进行限制。

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