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Die
Erfindung betrifft eine Förderpumpe mit einem Antriebsraum,
dessen Antriebsraum-Volumen durch jeweils einen Druckstoß gegen
eine Rückstellkraft vergrößerbar ist,
mit einem Förderraum, der mit dem Antriebsraum derart verbunden
ist, dass eine Volumenvergrößerung oder Volumenverkleinerung
des Antriebsraumes in eine zum Ansaugen oder Ausstoßen
von Fluid bestimmte Volumenveränderung des Förderraum-Volumens
umsetzbar ist, wobei der Förderraum mit zumindest einem
Förderraum-Einlass und mit wenigstens einem Förderraum-Auslass
verbunden ist.
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Bei
einer Förderpumpe handelt es sich um ein technisches Gerät,
das verbunden mit einer Eintritts- und Austritts-Leitung ein Fluid,
zum Beispiel eine Flüssigkeit, Dampf oder Gas, zum Eingang
einer Eintritts-Leitung und danach zum Ausgang einer Austritts-Leitung
durch äußere Energiezufuhr transportiert und gegebenenfalls
die weitere Förderung mittels Erhöhung der Energie
des Fluids (Druckerhöhung, Beschleunigung) ermöglicht.
In der Regel erfolgt die Energieversorgung des eigentlichen Pump-Mechanismus
dabei mittels einer separaten Energie-Transport-Leitung in Form
eines mechanischen Gestänges (Zufuhr mechanische Energie), eines
Kabels (Zufuhr elektrischer Energie) oder einer separaten Fluid-Leitung
(Zufuhr von Druck-Energie, hydraulisch oder pneumatisch).
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Die
zur Wasser-Förderung aus Brunnen bestimmten Pump-Systeme
lassen sich im wesentlichen in zwei Klassen unterteilen: Bei der
ersten Klasse befindet sich die Pumpe unterirdisch am Boden des
Brunnens. Daher muss die Pumpe in der Lage sein, mindestens einen
Druck zu erzeugen, der dem sich aus der Tiefe des Brunnens ergebenden
hydrostatischen Wasserdruck entspricht. Es muss eine separate Energie-Transport-Leitung
installiert werden, deren Länge mindestens der Brunnen-Tiefe
entspricht.
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Bei
der zweiten Klasse befindet sich die Pumpe oberirdisch über
dem Brunnenschacht. Die Pumpe arbeitet dabei mit einem Saugmechanismus.
Dabei ist aber die maximale Förderhöhe (geodätische
Saughöhe) begrenzt durch das erreichbare Vakuum, den örtlichen
Luftdruck und die zu überwindenden Strömungswiderstände
und liegt typischerweise bei weniger als 10 m.
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Aus
der
GB 2 120 732 A kennt
man bereits eine Förderanlage, die eine Membranpumpe als
Förderpumpe hat. An diese Membranpumpe ist eine Heizspirale
als Dampferzeuger über eine Druckleitung angeschlossen,
wobei in die Druckleitung eine als Sperrventil ausgestaltete Ventilanordnung
zwischengeschaltet ist. Die saugseitige Membranpumpe ist mit einer
Förderleitung verbunden, deren Fluid-Einlass unterhalb
eines Wasserspiegels angeordnet und deren Fluid-Auslass oberhalb
des Wasserspiegels positioniert ist. Durch wiederholte Druckstöße
auf die Membranpumpe wird eine im Membranpumpen-Gehäuse
vorgesehene Membran derart bewegt, dass diese Fluid ansaugen und – bei
Nachlassen des auf die Membranpumpe einwirkenden Druck stoßes – über
den Fluid-Auslass ausstoßen kann. Um der Heizspirale das
zur Dampferzeugung erforderliche Wasser zuführen zu können,
ist die Heizspirale an eine Wasserleitung anzuschließen,
wobei stets für die erforderliche Wassermenge zu sorgen
ist, ohne dass eine automatische Wasserkompensation erfolgt. Die vorbekannte
Förderanlage ist daher auf eine ständige externe
Wasser- beziehungsweise Energiezufuhr angewiesen. Die Einsatzmöglichkeiten
dieser vorbekannten Förderanlage sind erheblich eingeschränkt,
weil die vorbekannte Förderanlage nur eine begrenzte Förderhöhe
und eine ebenfalls begrenzte Förderleistung hat.
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Aus
der
DE 35 52 865 A ist
bereits eine als Wasserpumpe ausgestaltete Förderanlage
der eingangs erwähnten Art bekannt, bei der ein flüssiges
Arbeitsmedium mit Hilfe eines konzentrierenden Kollektors in einem
Absorberrohr verdampft und unter einen Antriebskolben geleitet wird,
der über einen Stahldraht mit einem Förderkolben
verbunden ist und mit seiner Aufwärtsbewegung Wasser über
eine Förderleitung in ein Bassin fördert, in dem
eine Rohrschlange den durch die Abwärtsbewegung des Antriebskolbens
einströmenden Dampf des Arbeitsmediums kondensiert, wobei
der kondensierte Wasserdampf über eine Speisepumpe wieder
in das Absorberrohr gelangt, wonach der durch vier Zwei-Wege-Ventile
geregelte Arbeitstakt wiederholt wird. Durch die räumliche
Trennung des oberhalb der Erdoberfläche angeordneten Antriebskolbens
einerseits und des in einem Bohrloch befindlichen Förderkolbens
andererseits ist die vorbekannte Förderanlage mit einem
erheblichen konstruktiven Aufwand verbunden. Dieser konstruktive
Aufwand wird noch dadurch zusätzlich erhöht, dass
der zum Energietransport erforderliche Stahldraht unabhängig
von der Förderleitung im Bohrloch geführt werden
muss.
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Im
Internet ist auf der Internetseite „www.redrok.com/ water.htm"
(Stand 03/2007) auch eine hydraulische Wasserpumpe vorbeschrieben,
bei der ein motorisch angetriebener Kolben hydraulische Druckstöße
erzeugt, so dass bei einem positiven Druckstoß eine Wasserförderung
erfolgen kann. Auch diese vorbekannte Wasserpumpe ist mit einem
erheblichen konstruktiven Aufwand verbunden. Nachteilig ist zudem,
dass die Förderung des Wassers zunächst in einen
Druckbehälter erfolgen muss, bevor von dort das Wasser
entnommen werden kann.
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine Förderpumpe der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, die sich insbesondere durch
ihren einfachen konstruktiven Aufbau auszeichnet und vielseitig
einsetzbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe
besteht bei der Förderpumpe der eingangs erwähnten Art
insbesondere in den Merkmalen des geltenden Patentanspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Förderpumpe weist einen
Antriebsraum auf, dessen Antriebsraum-Volumen durch jeweils einen
Druckstoß vergrößerbar ist. Mit diesem
Antriebsraum ist ein Förderraum derart verbunden, dass
eine Volumenvergrößerung oder eine Volumenverkleinerung
des Antriebsraumes in eine zum Ansaugen oder Ausstoßen
von Fluid bestimmte Volumenveränderung des Förderraum-Volumens
umgesetzt werden kann. Der Förderraum ist mit zumindest
einem Förderraum-Einlass sowie wenigstens einem Förderraum-Auslass
verbunden, denen jeweils ein Rückschlagventil zugeordnet
ist. Dabei mündet der Förderraum-Auslass in einer
Antriebsförderleitung, die an den Antriebsförderraum
angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Förderpumpe
weist eine Ventilanordnung auf, welche die Antriebsförderleitung
wahlweise oder wechselweise mit einer Druckquelle oder mit wenigstens
einem Fluid-Auslass verbindet. Während der von der Druckwelle
ausgeübte Druck in der einen Position der Ventilanordnung über
die Antriebsförderleitung eine Expansion des Antriebsraumes
und damit auch eine Volumenveränderung des Förderraum-Volumens
bewirken kann, ist die Antriebsförderleitung in der anderen
Position dieser Ventilanordnung mit einem Fluid-Auslass verbunden,
so dass das über den Förderraum angesaugte Förderfluid über
den Förderraum-Auslass in die Antriebsförderleitung einfließen
und von dort aus dem Fluid-Auslass ausströmen kann.
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Die
erfindungsgemäße Förderpumpe benötigt
keine separate Energie-Transport-Leitung, weil über die Antriebsförderleitung
sowohl die zur Vergrößerung des Antriebsraumes
und somit zur Energiezufuhr erforderlichen Druckstöße
in den Antriebsraum befördert werden, als auch das über
den Förderraum angesaugte Fluid zum Fluid-Auslass transportierbar
ist. Die erfindungsgemäße Förderpumpe
zeichnet sich daher durch einen geringen konstruktiven Aufwand aus.
Da die erfindungsgemäße Förderpumpe in
ihrer Förderhöhe nicht limitiert ist, ist sie
vielseitig einsetzbar.
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Um
den Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Förderpumpe
noch zusätzlich zu erweitern und um die Förderleistung
der erfindungsgemäßen Förderpumpe noch
zusätzlich zu erhöhen, ist es zweckmäßig, wenn
der Förderraum im Vergleich zum Antriebsraum-Volumen ein
größeres aktives Förderraum-Volumen aufweist.
Somit kann selbst in einem vergleichsweise geringen Antriebsraum-Volumen
eine demgegenüber verhältnismäßig
große Förderleistung pro Zeiteinheit erzielt werden.
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Eine
konstruktiv einfache Ausführungsform gemäß der
Erfindung sieht vor, dass im Antriebsraum ein Antriebskolben und
im Förderraum ein Förderkolben verschieblich geführt
ist, welche Kolben miteinander in Antriebsverbindung stehen.
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Dabei
sieht eine besonders einfache Ausführungsform gemäß der
Erfindung vor, dass der Antriebskolben und der Förderkolben
starr miteinander verbunden sind.
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Möglich
ist aber auch, dass der Antriebskolben und der Förderkolben über
ein Übersetzungsgetriebe in Antriebsbewegung stehen, derart,
dass eine Hubbewegung des Antriebskolbens in eine demgegenüber
längere Hubbewegung des Förderkolbens umsetzbar
ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass selbst mit Hilfe eines vergleichsweise
geringen Antriebsraum-Volumens ein demgegenüber verhältnismäßig
großes Förderraum-Volumen korrespondiert und dass
die erfindungsgemäße Förderpumpe trotz
eines beispielsweise vergleichsweise kurzen Hubweges des Antriebskolbens
eine vergleichsweise große Förderleistung pro
Zeiteinheit hat.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Antriebsraum und der Förderraum
ineinander übergehen und/oder wenn der Förderraum
im Vergleich zum Antriebsraum einen größeren lichten
Querschnitt aufweist. Gehen der Antriebsraum und der Förderraum
ineinander über, kann das Pumpengehäuse der erfindungsgemäßen
Förderpumpe vergleichsweise kompakt ausgestaltet werden.
Weist der Förderraum einen im Vergleich zum Antriebsraum
größeren lichten Querschnitt auf, so kann selbst
bei identischem Hubweg von Antriebskolben und Förderkolben
ein gegenüber dem Antriebsvolumen größeres
Fördervolumen bewegt werden.
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Zweckmäßig
ist es, wenn der Hubweg des Antriebskolbens und/oder des Förderkolbens
zumindest auf einer Seite des Hubweges, vorzugsweise beidseits mittels
wenigstens eines Hubweg-Anschlages begrenzt ist.
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Damit
der Antriebskolben nach jedem Arbeitstakt wieder in seine Ausgangslage
zurückbewegt werden kann, ist es zweckmäßig,
wenn der Antriebskolben und/oder der Förderkolben gegen
die Rückstellkraft wenigstens eines Rückstellelementes
bewegbar ist.
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Dabei
sieht eine besonders einfache und mit geringem Herstellungsaufwand
verbundene Ausführungsform gemäß der
Erfindung vor, dass das wenigstens eine Rückstellelement
als Rückstellfeder ausgestaltet ist.
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Möglich
ist aber auch, dass wenigstens ein Rückstellelement als
Druckquelle ausgestaltet ist, die eine Rückstellbewegung
des Antriebsraumes beziehungsweise Antriebskolbens oder des damit
verbundenen Förderraumes beziehungsweise Förderkolbens
bewirkt.
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Eine
weitere, besonders einfache Ausführungsform gemäß der
Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Rückstellelement
als Rückstellgewicht ausgestaltet ist. Dabei kann in einer
besonders einfachen Ausführungsform auch der Förderkolben
und/oder der Antriebskolben selbst als Rückstellgewicht
ausgestaltet sein. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung, bei welcher das Rückstellgewicht über
einen zweiarmigen Rückstellhebel auf den Förderkolben
und/oder den Antriebskolben einwirkt.
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Um
die mit einem Antriebs- beziehungsweise Förderkolben verbundenen
Reibungskräfte, Verschleißerscheinungen und Undichtigkeiten
zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, wenn der Antriebsraum und/oder der
Förderraum als expandierbarer Behälter ausgebildet
ist.
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Dabei
sieht eine besonders einfache Ausführungsform gemäß der
Erfindung vor, dass der als expandierbarer Behälter ausge staltete
Antriebsraum innerhalb des ebenfalls als expandierbarer Behälter
ausgebildeten Förderraumes angeordnet ist. Somit wird eine
Volumenveränderung des Antriebsraumes unmittelbar auch
in eine gleichgerichtete Volumenveränderung des Förderraumes
umgesetzt.
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Möglich
ist es, dass die der Antriebsförderleitung zugeordnete
Ventilanordnung aus mehreren Ventilen besteht. Eine besonders einfache
Ausführungsform gemäß der Erfindung sieht
jedoch vor, dass diese Ventilanordnung als Mehrwegeventil ausgestaltet
ist.
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Um über
die Ventilanordnung die Antriebsförderleitung wahl- oder
wechselweise entweder mit der Druckwelle oder mit einem Fluid-Auslass
verbinden zu können, kann eine komplexe elektronische Steuerung mit
Magnet-Ventilen vorgesehen sein. Eine demgegenüber wesentlich
einfacher und kostengünstig herstellbare Ausführungsform
gemäß der Erfindung sieht jedoch vor, dass die
Ventilanordnung als Oszillierventil ausgebildet ist, welches die
Antriebsförderleitung wechselweise mit einer Druckquelle
oder mit wenigstens einem Fluid-Auslass verbindet.
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Möglich
ist, dass die Druckquelle als Druckbehälter ausgebildet
ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Druckbehälter
expandierbar ausgestaltet und/oder mit einem komprimierbaren Druckmedium
befüllt ist. Der als Energiequelle benötigte Druckbehälter
kann beispielsweise als Gasbehälter ausgestaltet sein.
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Eine
Weiterbildung gemäß der Erfindung sieht jedoch
vor, dass die Druckquelle als Sonnenkollektor ausgestaltet ist und
dass als Druckmedium eine in den Sonnenkollektor beförderte
Teilmenge des von der Förderpumpe angesaugten Fluids dient.
Bei dieser weiterbildenden Ausführungsform dient eine Teilmenge
des von der Förderpumpe angesaugten Fluids als Druckmedium,
welches im Sonnenkollektor verdampft und einen Dampfdruck erzeugt,
der zum Antrieb und zur Volumenveränderung des Antriebsraumes
benutzt werden kann.
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Dabei
sieht eine besonders einfache Ausführungsform gemäß der
Erfindung vor, dass der Sonnenkollektor über eine Zuströmleitung
mit der Antriebsförderleitung verbunden ist, und dass in
die Zuströmleitung ein Rückschlagventil zwischengeschaltet
ist.
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Um
eine automatische Wasserkompensation im Sonnenkollektor zu erreichen
und um eine kontinuierliche Wasserförderung mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Förderpumpe zu bewirken,
ist es vorteilhaft, wenn die Ventilanordnung der Antriebsförderleitung
oberhalb des Sonnenkollektors und/oder wenn die Zuströmleitung unterhalb
des Sonnenkollektors angeordnet ist.
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Eine
Weiterbildung gemäß der Erfindung von eigener
schutzwürdiger Bedeutung sieht vor, dass ein Wärmetauscher
vorgesehen ist, der mit seinem Kältestrom in die zu einem
Sonnenkollektor führende Zuströmleitung und mit
seinem Wärmestrom in die Abströmleitung dieses
Sonnenkollektors zwischengeschaltet ist, wobei die Verweildauer
des Wassers im Sonnenkollektor so bemessen ist, dass die im Wasser
eventuell vorhandenen Keime wärmbedingt abgetötet
werden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Zeichnungen.
Die einzelnen Merkmale können je für sich oder
zu mehreren bei einer Ausführungsform gemäß der
Erfindung verwirklicht sein.
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Es
zeigt:
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1 eine
als Druck-Stoß-Pumpe ausgestaltete und hier in einer Endstellung
ihres Fördertaktes gezeigte Förderpumpe, die in
ihrem Pumpengehäuse einen Antriebsraum und einen Förderraum
hat, wobei der Antriebsraum mit Hilfe von intermittierenden Druckstößen
einer Druckquelle in seinem Antriebsraum-Volumen veränderbar
ist, wobei eine Volumenvergrößerung oder Volumenverkleinerung
des Antriebsraumes in eine zum Ansaugen oder Ausstoßen
von Fluid bestimmte Volumenveränderung des Förderraum-Volumens
umsetzbar ist, wobei der Förderraum-Auslass in einer Antriebsförderleitung
mündet und wobei eine Ventilanordnung vorgesehen ist, welche
die Antriebsförderleitung wahl- oder wechselweise mit einer
Druckquelle oder mit wenigstens einem Fluid-Auslass verbindet,
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2 die
Förderpumpe aus 1 in der Ausgangsstellung ihres
Fördertaktes,
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3 die
Förderpumpe aus 1 und 2 im Bereich
ihrer als Energiequelle dienenden und auf den Antriebsraum einwirkenden
Druckquelle, wobei die Ventilanordnung hier zwei Sperrventile aufweist,
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4 eine
mit 1 bis 3 vergleichbare Förderpumpe
im Bereich der hier als Oszillierventil ausgestalteten Ventilanordnung,
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5 eine
in ihrer Arbeitsweise mit 1 bis 4 vergleichbare
und in 5 in der Endstellung ihres Fördertaktes
dargestellte Förderpumpe, wobei der Antriebsraum und der
Förderraum als expandierbare und ineinander angeordnete
Behälter ausgestaltet sind,
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6 die
Förderpumpe aus 5 in der Ausgangsstellung ihres
Fördertaktes,
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7 eine
in ihrer Arbeitsweise mit den 1 bis 6 vergleichbare
und in 7 in der Endstellung ihres Fördertaktes
dargestellte Förderpumpe,
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8 die
Förderpumpe aus 7 in der Ausgangsstellung ihres
Fördertaktes,
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9 eine
in ihrer Arbeitsweise mit den 1 bis 8 vergleichbare
Förderpumpe, wobei auf den Antriebs- und insbesondere den
Förderkolben eine Druckquelle als Rückstellkraft
einwirkt,
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10 eine
in ihrer Arbeitsweise mit den 1 bis 9 vergleichbare
Förderpumpe, wobei auf den Antriebs- und insbesondere den
Förderkolben ein als Rückstellelement dienendes
Rückstellgewicht einwirkt,
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11 eine
in ihrer Arbeitsweise mit den 1 bis 10 vergleichbare
Förderpumpe, wobei auf den Antriebsraum ein Sonnenkollektor
als Druckquelle einwirkt, der mit einer Teilmenge des von der Förderpumpe angesaugten
Fördermediums gespeist wird, und
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12 eine
mit 11 vergleichbar ausgestaltete Förderpumpe,
wobei in den Zufluss und den Abfluss des Sonnenkollektors ein Wärmetauscher
zwischengeschaltet ist, der Wärme von dem aus dem Kollektor austretenden
Fluidstrom auf den zum Kollektor fließenden Fluidstrom überträgt.
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In
den 1, 2 und 5 bis 12 ist
eine Förderpumpe in verschiedenen Ausführungen 101, 102, 103, 104, 105, 106 und 107 dargestellt.
Die hier dargestellten und jeweils als Druck-Stoß-Pumpen
ausgestalteten Förderpumpen 101 bis 107 weisen
einen Antriebsraum 10 auf, dessen Antriebsraum-Volumen durch
jeweils einen Druckstoß gegen eine Rückstellkraft
vergrößerbar ist. Die Förderpumpen 101 bis 107 haben
einen Förderraum 13, der mit dem Antriebsraum 10 derart
verbunden ist, dass eine Volumenvergrößerung oder
eine Volumenverkleinerung des Antriebsraumes 10 in eine
zum Ansaugen oder Ausstoßen von Fluid bestimmte Volumenveränderung
des Förderraum-Volumens umsetzbar ist. Der Förderraum 13 ist über
eine Eintrittsleitung 5 mit einem Förderraum-Einlass
verbunden und hat einen Förderraum-Auslass. Während
in dem Förderraum-Einlass das Rückschlagventil 17 angeordnet
ist, ist im Förderraum-Auslass das Rückschlagventil 16 vorgesehen.
Dabei mündet der Förderraum-Auslass – gegebenenfalls über
den Antriebsraum 10 (vgl. 1 und 2) – in
einer das Antriebsfluid und das Fördermedium führenden
Antriebs- und Förderleitung, die hier auch kurz als Antriebsförderleitung 6 bezeichnet
wird. Den Förderpumpen 101 bis 107 ist
eine Ventilanordnung zugeordnet, welche die Antriebsförderleitung 6 wahl-
oder wechselweise mit einer Druckquelle oder mit einem aus der Förderpumpe 101 bis 107 führenden
und zur Entnahme des Fördermediums bestimmten Fluid-Auslass 108 führen.
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Anhand
der 1 und 2 sowie dem darin gezeigten
Ausführungsbeispiel wird die grundsätzliche Arbeitsweise
der Förderpumpen 101 bis 107 beschrieben:
Die Förderpumpe 101 besteht aus der Pump-Kammer 7,
der eine Rückstellfeder 15 als gekoppelter mechanischer
Energie-Speicher zugeordnet ist. Die Förderpumpe 101 weist
saugseitig eine Eintritts-Leitung 5 auf, die den Ausgangsort 1 mit
der Pump-Kammer 7 verbindet. Die Pump-Kammer 7 ist über
eine Antriebsförderleitung 6 mit dem Zielort 2 verbunden.
Am Zielort 2 wird die Antriebsförderleitung 6 mittels
einer Ventilanordnung 18 abwechselnd mit dem druckbeaufschlagten Antriebsfluid 3 und
der Umgebung zur Entnahme des geförderten Fluids 4 verbunden.
Der Antrieb der Ventilanordnung 18 erfolgt dabei wahlweise
mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch. Die Steuerung erfolgt
durch eine Regel-Elektronik oder durch einen selbsttätig
schwingenden Mechanismus. Die Pumpkammer 7 besteht aus
einem Antriebsraum 10 und einem Förderraum 13 mit
Volumina VA und VF deren
Größe sich periodisch zwischen einem Minimal-
und Maximal-Wert verändert. Antriebsraum 10 und
Förderraum 13 werden durch zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen
gebildet, wobei dem Antriebs-Raum 10 ein im Antriebszylinder 9 verschieblich
geführter Antriebskolben 8 und dem Förderraum 13 ein
im Förderzylinder 12 ebenfalls linear verschieblich
geführter Förderkolben 11 zugeordnet
ist. Die Kolben 8, 11 sind dabei mechanisch mit
einer Kolben-Stange 14 starr miteinander verbunden. Die
Auslegung der beiden Kolben-Zylinder-Anordnungen 8, 9 bzw. 11, 12 erfolgt
durch entsprechende Dimensionierung der Durchmesser des Antriebszylinders 9 bzw.
des Förderzylinders 12 derart, dass bei der Abwärtsbewegung
der Kolben-Anordnungen 8, 9, 11, 12 die
Zunahme des Förderraum-Volumens die des Antriebsraum-Volumens übersteigt.
Der Förderraum 13 wird über jeweils ein
Rückschlagventil 16, 17 mit der Eintritts-Leitung 5 bzw.
der zwischengeschalteten Vorkammer und dem Antriebsraum 10 verbunden.
Die Rückschlagventile 16, 17 können
dabei sowohl außerhalb der Pumpkammer 7 angeordnet
sein oder – wie in den 1 und 2 – in
den Antriebskolben 8 bzw. den Förderkolben 11 integriert
werden.
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Die
beiden verbundenen Kolben 8, 11 werden mit einer
Rückstellkraft beaufschlagt, die in den 1 und 2 als
Rückstellfeder ausgestaltet ist. Die Rückstellfeder 15 weist
im oberen Totpunkt eine Vorspannung und eine damit verbundene Kraft
auf, welche die auf den Förderkolben 11 wirkende
Kraft aufgrund des auf diesem lastenden hydrostatischen Drucks des
Förderfluids auf der gesamten Höhe in der Antriebsförderleitung 6 übersteigt.
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Die
Förderpumpe 101 durchläuft zwei Prozess-Schritte.
In dem in 1 dargestellten Antriebs-Zyklus wird
die Antriebsförderleitung 6 über die
hier als Mehrwegeventil und insbesondere als 3/2-Wegeventil ausgestaltete
Ventilanordnung 18 mit dem druckbeaufschlagten Antriebsfluid 3 verbunden.
Das Antriebsfluid 3 strömt in die Antriebsförderleitung 6 bis
zur Pumpkammer 7. Der im Antriebszylinder 11 am
Antriebs-Kolben 8 anliegende Druck führt zu einer
Kraft auf den Antriebs-Kolben 8 und bewegt diesen damit
in Richtung der unteren End-Position. Dabei verhindert das Rückschlagventil 16 das
Eintreten des Antriebsfluids in den Förderraum 13.
Durch die an den Antriebskolben 8 gekoppelte Bewegung des
Förderkolbens 11 vergrößert
sich das Volumen des Förderraums 13 und erzeugt
damit einen Unterdruck, der das Förderfluid durch die Eintrittsleitung 5 und
das Rückschlag-Ventil 17 in die Vorkammer und
anschließend in den Förderraum 13 saugt.
Gleichzeitig wird die mit den beiden Kolben 8, 11 gekoppelte
Rückstellfeder 15 gespannt und damit die als Energiespeicher
dienende Rückstellfeder 15 geladen.
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In
dem in 2 dargestellten Förder-Zyklus erfolgt
eine Entladung des hier als Rückstellfeder 15 ausgebildeten
Energiespeichers. Zu Beginn des zweiten Prozess-Schrittes gemäß 2 wird
die Antriebsförderleitung 6 durch Umsteuern der
Ventilanordnung 18 von dem druck-beaufschlagten Antriebsfluid 3 abgetrennt und
mit der Umgebung verbunden. Damit entweicht ein Teil des Antriebsfluids 3 in
die Umgebung und der Druck am oberen Ende der Antriebsförderleitung 6 fällt
auf den Druck der Umgebung ab. Aus der Federspannung der Rückstellfeder 15 ergibt
sich eine nach oben gerichtete Kraft auf den Förderkolben 11.
Der Förderkolben 11 drückt bei seiner
Aufwärtsbewegung das Förderfluid 4 durch
das Rückschlagventil 16 in den Antriebsraum 10 und
danach in die Antriebsförderleitung 6, wobei sich
der als Rückstellfeder 15 ausgeführte
Energiespeicher entlädt. Ein Rückfluss des Förderfluids 4 in
die Eintritts-Leitung 5 bzw. die zwischen Eintriebs-Leitung 5 und
Förderraum 13 angeordnete Vorkammer wird durch
das Rückschlagventil 17 verhindert, das bei der
Förderpumpe 101 in den Förderkoben 11 integriert
ist. Nach Erreichen der in 1 bereits
dargestellten oberen End-Position ist der Förder-Zyklus
abgeschlossen und der Vorgang kann mit einem weiteren Antriebszyklus
von vorne beginnen.
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Pro
Zyklus wird effektiv ein Volumen an Förderfluid in die
Antriebsförderleitung 6 und damit nach oben transportiert,
das der Änderung des Volumens VF max – VF min des Förderraums 13 entspricht.
Nach einigen Zyklen füllt das Förderfluid die
Antriebsförderleitung 6 und erreicht schließlich
den Zielort 2. Pro Zyklus wird dabei das Volumen VA max – VA min des Antriebsfluids
mit Druck PA verbraucht.
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Wie
in 3 angedeutet ist, kann die Antriebsförderleitung 6 der
hier dargestellten Förderpumpen mit einem Druck-Speicher 21 zur
Aufnahme des Antriebsfluids 3 gekoppelt werden. Dabei weist
die Ventilanordnung in 3 statt des in den 1 und 2 verwendeten
3/2-Wege-Ventils 18 zwei 2/2-Wege-Ventile 19, 20 auf.
Durch entsprechende Steuerung wird der Druck-Speicher 21 durch
kurzzeitiges Öffnen des 2/2-Wege-Ventils 19 mit
dem Antriebsfluid 3 gefüllt. Der Expansions-Vor gang
des Antriebsfluids 3 in die Antriebsförderleitung 6 erfolgt
dann nach Abkopplung vom Druckreservoir 112 des Antriebsfluids 3 und
geht einher mit einem Druckabfall des Antriebsfluids. Dies führt
zu einer effektiveren Ausnutzung der gespeicherten Druck-Energie
im Antriebsfluid. Der Förder-Zyklus erfolgt anschließend,
wie dies bereits zu 2 beschrieben wurde.
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Um
eine komplexe elektronische Steuerung mit Magnet-Ventilen zu vermeiden,
kann die Ventilanordnung auch als eine selbstschwingende Regel-Einheit
ausgestaltet sein. Diese als Oszillierventil ausgestaltete und in 4 näher
dargestellte Regel-Einheit weist zwei druckbetätigte 3/2-Wege-Ventile 24, 25 und
Drossel-Rückschlag-Ventile 22, 23 auf.
Dabei wird zum Antrieb der in 4 dargestellten
und als Oszillierventil ausgebildeten Ventilanordnung die Druck-Energie
des Antriebsfluids 3 verwendet. Aus 4 wird deutlich, dass
zwischen der Förderpumpe und der hier dargestellten Ventilanordnung
ein Fluid-Bypass an die Antriebsförderleitung 6 angeschlossen
ist. In diesen Fluid-Bypass sind zwei Rückschlagventile 22, 23 in
Reihe geschaltet, zu denen jeweils ein Drosselventil parallel angeordnet
ist. Die einander in Reihe geschalteten und parallel zu jeweils
einem Drosselventil angeordneten Rückschlagventile 22, 23 sind
in gegensätzliche Durchströmrichtungen betätigbar.
Den Rückschlagventilen 22, 23 ist ein
erstes 3/2-Wege-Ventil 25 nachgeschaltet, dass gegen eine
Rückstellkraft durch den über die Rückstellventile 22, 23 einwirkenden
Fluiddruck betätigt werden kann. Das 3/2-Wege-Ventil ist
zuströmseitig mit der mit dem Antriebsfluid 3 gefüllten
Druckquelle verbunden, die in Abhängigkeit von der Stellposition
des Mehrwege-Ventils 25 das nachgeschaltete Mehrwege-Ventil 24 betätigen
kann. Mit Hilfe des Mehrwege-Ventils 24 wird die Antriebsförderleitung 6 mit
dem zum Zielort 2 führenden Fluid-Auslass 108 oder
mit der das Antriebs fluid speichernden Druckquelle verbunden.
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Aus
den 5 und 6 wird deutlich, dass der Antriebsraum 10 und
der Förderraum 13 der Förderpumpe 102 auch
als expandierbarer Behälter ausgebildet sein können.
Diese expandierbaren Behälter sind hier als Balg-Zylinder 109, 110 ausgebildet,
wobei der den Antriebsraum 10 bildende Balg-Zylinder 109 im
Inneren des den Förderraum 13 aufweisenden Balg-Zylinders 110 angeordnet
ist. Durch einen Druckstoß auf den den Antriebsraum 10 begrenzenden
Balg-Zylinder 109 wird der Balg-Zylinder 109 expandiert.
Der Balg-Zylinder 109 bewegt dabei gegen die Rückstellkraft
einer Rückstellfeder 15 eine Bodenplatte 111 nach unten,
die in der Pumpkammer 7 zwischen zwei Hubanschlägen
verschieblich geführt ist. An dieser Bodenplatte 111 ist
auch der den Förderraum 13 begrenzende Balg-Zylinder
derart befestigt, dass durch eine expansionsbedingte Abwärtsbewegung
der Bodenplatte 111 auch das Förderraum-Volumen
in Förderraum 13 vergrößert
wird. Durch die während des in 5 dargestellten
Antriebs-Zyklus bewirkte Vergrößerung des Förderraum-Volumens
wird über die Eintritts-Leitung 5 und den nachfolgenden
Förderraum-Einlass ein Fluid in den Förderraum 13 angesaugt.
Bei diesem Antriebs-Zyklus in 5 ist das
im Förderraum-Einlass angeordnete Rückschlagventil 17 geöffnet,
während das im Förderraum-Auslass vorgesehene
Rückschlagventil 16 den Zugang zur Antriebsförderleitung 6 verschließt.
Während des nachfolgenden und in 6 näher
dargestellten Förderzyklus wird das im Förderraum 13 befindliche
und von der Förderpumpe 102 zuvor angesaugte Fluid über
den Flüssigkeitsauslass und das Rückschlagventil 16 in
die Antriebsförderleitung 6 gepresst, während
ein Rückströmen in die Eintritts-Leitung 5 durch
das in 5 geschlossene Rückschlagventil 17 verhindert
ist.
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In
den 7 und 8 ist dargestellt, dass die
Kopplung des Antriebskolbens 8 sowie des Förderkolbens 11 in
der Förderpumpe 103 auch mittels eines Übersetzungsgetriebes
erfolgen kann. Dieses Übersetzungsgetriebes ist hier als Übertragungsgestänge 27 ausgebildet.
Das als Übertragungsgestänge und vorzugsweise
als mehrarmige Getriebeschere ausgestaltete Übersetzungsgetriebe 27 verbindet
den Antriebskolben 8 sowie den Förderkolben 11 derart
miteinander, dass eine Hubbewegung des Antriebskolben 8 in
eine demgegenüber längere Hubbewegung des Förderkolbens 11 umgesetzt
wird. Das Übersetzungsgetriebe 27 ermöglicht
die Realisierung des Antriebsraumes 10 sowie des Förderraumes 13 in
einem Zylinder vorzugsweise gleichen lichten Querschnitts. Die Koppelung
von Antriebskolben 8 und Förderkolben 11 in
der Förderpumpe 103 über das Übersetzungsgetriebe
ermöglicht eine zumindest teilweise Kompensation eines
möglicherweise auftretenden Kraftabfalls. Die Dimensionierung
des Übersetzungsgetriebes kann hier durch eine entsprechende
Wahl der Längen der die Getriebeschere bildenden vier Übertragungsstangen
erfolgen. Während in den übrigen Figuren stets
Druckfedern 15 verwendet werden, ist in den 7 und 8 eine
Zugfeder 115 vorgesehen.
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In 9 ist
eine Förderpumpe 104 dargestellt, die mit den
Förderpumpen 101 und 103 vergleichbar ist.
Statt einer Rückstellfeder 15 weist die Förderpumpe 104 jedoch
eine Druckquelle 28 auf, die während des Förderzyklus
auf den Förderkolben 11 einwirkt. Das hier als
Druckluft-Behälter ausgestaltete Rückstellelement 28 wird
im Antriebszyklus auf ein höheres Druck-Niveau gebracht,
um während des Förderzyklus den Förderkolben 11 sowie
den über die Kolbenstange 14 starr verbundenen
Antriebskolben 8 nach oben bewegen zu können.
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Demgegenüber
ist in 10 eine Förderpumpe 105 gezeigt,
bei welcher das als Energiespeicher dienende und auf den Förderkolben 11 einwirkende
Rückstellelement als Rückstellgewicht 29 ausgestaltet
ist. Dieses Rückstellgewicht 29 wird im Antriebszyklus über
einen Kipphebel 30 nach oben bewegt, um während des
Förderzyklus den Förderkolben 11 und
den damit starr verbundenen Antriebskolben 8 nach oben
bewegen zu können. Die in 10 gezeigte
Förderpumpe 105 entspricht ansonsten dem Aufbau
der in 9 abgebildeten Förderpumpe 104.
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In 11 ist
gezeigt, dass die dort abgebildete Förderpumpe 106 auch
einen der Solar-Strahlung 31 ausgesetzten und als Dampferzeuger
dienenden Sonnenkollektor 32 als Druckquelle aufweisen
kann. Mittels diesem Sonnenkollektor 32 wird ein Dampfdruck
erzeugt, welcher zur Volumenvergrößerung des Arbeitsraumes 10 während
des Antriebszyklus verwendbar ist. Dabei dient als Druckmedium eine
in den Sonnenkollektor 32 beförderte Teilmenge
des von der Förderpumpe 106 angesaugten Fluids.
Das Antriebsfluid, das in diesem Fall Wasser ist, wird in dem solar-thermischen
Kollektor 32 verdampft und der Dampf anschließend über
das 3/2-Wegeventil 18 der Antriebsförderleitung 6 zugeführt.
Dabei kann der Sonnenkollektor 32 auch mit einer konzentrierenden
Optik und/oder einer Sonnennachführung ausgestattet sein.
Der Anschluss der Antriebsförderleitung 6 an die
Ventilanordnung 18 erfolgt oberhalb der Austritts-Leitung
des Sonnenkollektors 32. Nachdem sich die Antriebsförderleitung 6 gegebenenfalls über
mehrere Pump-Zyklen mit Wasser gefüllt hat, erfolgt eine
Kompensation des verdampfenden Wassers allein durch den hydrostatischen
Druck in der Antriebsförderleitung 6, der das
Wasser durch das dem Sonnenkollektor 32 vorgeschaltete
Rückschlagventil 34 von unten in den Sonnenkollektor 32 drückt.
Der Füllstand des Sonnenkollektors 32 wird damit
automatisch geregelt und hängt nur von der Position des
oberen Endpunktes der Antriebsförderleitung 6 und
möglichen Druckabfällen im Rückschlagventil 34 ab.
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Die
hier dargestellten Förderpumpen sind mit geringen Aufwand
herstellbar und lassen sich beispielsweise auch in Entwicklungsländern
zur Wasserversorgung vorteilhaft einsetzen. Um dabei das von der
Förderpumpe
107 angesaugte Wasser entkeimen zu
können, weist die in
12 abgebildete
Förderpumpe
107 einen Wärmetauscher
35 auf,
der hier als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist. In
den Zufluss und den Abfluss des Sonnenkollektors
32 ist
der Wärmetauscher
35 zwischengeschaltet, der Wärme
von dem aus dem Sonnenkollektor
32 austretenden Fluidstrom
auf den zum Kollektor
32 fließenden Fluidstrom überträgt,
wobei die Verweildauer des Wassers im Sonnenkollektor
32 so
bemessen ist, dass die im Wasser eventuell vorhandenen Keime wärmebedingt
abgetötet werden. Das während des Förderzyklus
aus der Pumpkammer
7 strömende kalte Wasser fließt
durch den Wärmetauscher
35 in den Sonnenkollektor
32 und
wird dabei erhitzt. Die Verweildauer im heißen Sonnenkollektor
32 ergibt
sich aus seinem inneren Volumen und der Fließgeschwindigkeit
des Wassers. Diese Zeit sollte mindestens einige Minuten betragen,
um eine ausreichende Keimabtötung zu gewährleisten.
Danach gibt das heiße Wasser seine Wärme im Gegenstromwärmetauscher
35 an
das nachströmende kalte Wasser ab und entweicht durch die
auch hier als 3/2-Wegeventil
18 ausgestaltete Ventilanordnung
als kaltes, entkeimtes Wasser durch den Fluid-Auslass
108.
1 | Ausgangsort |
2 | Zielort |
3 | Antriebsfluid |
4 | Förderfluid |
5 | Eintritts-Leitung |
6 | Antriebs-Förderleistung
(AFT) |
7 | Pumpkammer |
8 | Antriebs-Kolben |
9 | Antriebs-Zylinder |
10 | Antriebs-Raum |
11 | Förderkolben |
12 | Förderzylinder |
13 | Förderraum |
14 | Kolben-Stange |
15 | Feder |
16 | Rückschlag-Ventil
1 |
17 | Rückschlag-Ventil
2 |
18 | 3/2
Wegeventil |
19 | 2/2
Wegeventil |
20 | 2/2
Wegeventil |
21 | Druck-Speicher |
22 | Drossel-Rückschlag-Ventil |
23 | Drossel-Rückschlag-Ventil |
24 | 3/2
Wegeventil, Druck betätigt |
25 | 5/2
Wegeventil, Druck betätigt mit Feder-Rückstellung |
26 | Antriebs-Förderzylinder |
27 | Kraft-Transformator |
28 | Druck-Behälter |
29 | Gegengewicht |
30 | Hebel |
31 | Solar-Strahlung |
32 | Dampferzeuger |
33 | Absperrventil |
34 | Rückschlagventil |
35 | Gegenstromwärmetauscher |
101–107 | Förderpumpe |
108 | Fluid-Auslass |
109 | Balgzylinder
(Antriebsraum) |
110 | Balgzylinder
(Förderraum) |
111 | Bodenplatte |
112 | Druckreservoir |
113 | Zuströmleitung |
114 | Druck-Ausgleichs-Öffnung |
115 | Zugfeder |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
-
- - GB 2120732
A [0005]
- - DE 3552865 A [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „www.redrok.com/
water.htm" (Stand 03/2007) [0007]