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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 Druckstoßes – 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 42 865 A1 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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Aus der
AT 89 351 B , der
US 1 353 216 A und
JP 0912 6118 A sind weitere Förderpumpen bekannt.
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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 Ausstößen 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 ausgestaltete 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 Förderzyklus 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-Vorgang 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 Antriebsfluid 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. Bezugszeichenliste
| 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 |
