DE102019002318A1

DE102019002318A1 - Energieautarkes Pumpensystem und Verfahren zum Betreiben des Pumpensystems

Info

Publication number: DE102019002318A1
Application number: DE102019002318.8A
Authority: DE
Inventors: Olaf Lars Dörschler; Nina Spanke; Sven Langbein; Daniel Moritz Langhoff; Philipp Stenkamp; Jan Falkenhain; Sonja Podjawerschek; Clemens Faller
Original assignee: Doerschler GmbH; HOCHSCHULE BOCHUM
Current assignee: DOERSCHLER GMBH, DE; Hochschule Bochum De
Priority date: 2019-03-30
Filing date: 2019-03-30
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-31
Also published as: DE102019002318B4

Abstract

Um ein Pumpensystem mit einer energieautarken Pumpe und ein Verfahren zum Betreiben der energieautarken Pumpe zu schaffen, in dem der Antrieb der energieautarken Pumpe nicht durch sekundäre Energieträger, sondern allein durch die Wärmeenergie eines Fördermediums erfolgt, und damit keine externe Energiezufuhr notwendig ist, wird vorgeschlagen, dass in einem Arbeitszylinderraum (3) einer Pumpe (1) mindestens ein mit einem Rückstellelement (9) und einem Arbeitskolben (5) verbundenes Formgedächtniselement (8) angeordnet ist, der Arbeitskolben (5) über eine Koppelstange (7) mit einem im Pumpenzylinderraum (4) angeordneten Pumpenkolben (6) verbunden ist, so dass durch direkte oder indirekte Zuführung von Wärmeenergie über das Fördermedium (11) eine Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) und dadurch die Rückstellung des Arbeitskolbens (5) und des Pumpenkolbens (6) in die Ausgangsstellung und durch Abkühlung der Formgedächtniselemente (8) durch die Rückstellelemente (9) eine Bewegung des Fördermediums (11) in die auslassseitige Hälfte (14) des Pumpenzylinderraumes (4) in die Ausgangsstellung vorgesehen ist, wobei die Abkühlung der Formgedächtniselemente (8) durch Kühlelemente beschleunigbar oder durch Dämmelemente verzögerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein energieautarkes Pumpensystem, welches auf einer zyklischen Umwandlung von thermischer in mechanische Energie durch Ausnutzung einer Temperaturdifferenz basiert, hervorgerufen durch die Abkühlung eines Mediums innerhalb des Pumpensystems und ein Verfahren zum Betreiben des Pumpensystems. Das Pumpensystem ist insbesondere als autarke Umwälzpumpe in Warmwasserkreisläufen von Gebäuden einsetzbar vorgesehen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die derzeitigen Umwälzpumpen oder Kompressoren zum Fördern oder Verdichten von Flüssigkeiten oder Gasen allgemein von Elektromotoren angetrieben werden, die zusätzlich Energie benötigen. Die in den technischen Anlagen frei werdende Prozesswärme wird nicht zu diesem Zwecke genutzt. Es ist bekannt, Antriebe aus Formgedächtnislegierungen, die thermische in mechanische Energie wandeln, zu verwenden, um unterschiedliche Temperaturniveaus eines Mediums als Energiequelle zu nutzen, um Pumpen oder Kompressoren zu betreiben. So ist aus der DE 10 2007 042 791 A1 eine Pumpe oder ein Kompressor für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei der die Antriebseinheit eine Formgedächtnislegierung umfasst, die einem Fördermedium Wärme entzieht, so dass mittels einer Formänderung der Formgedächtnislegierung das Fördermittel antreibbar ist. Aus der DE 10 2013 004 145 B4 ist weiterhin eine Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage mit einem Antrieb aus Formgedächtnismaterial bekannt, das von einem Fluid gekühlt oder erwärmt wird und aus dünnen Drähten, dünnwandigen Folien oder Rohren besteht und unterschiedliche Strukturen zum Durchströmen des Fluids aufweist. In der DE 10 2015 225 726 A1 wird ebenfalls eine Pumpe mit einem Förderelement zum Ein- und Ausströmen eines Mediums und einem Antriebsmittel aus einer Formgedächtnislegierung zur Durchführung einer thermischen Längenänderung beschrieben, um das ein Material zur Übertragung von Wärme angeordnet ist, und in der DE 695 02 906 T2 eine hydraulische Pumpe mit speziellen Formgedächtnislegierungen zur Beeinflussung der Kontraktions- und Relaxationszeit des Formgedächtniselementes. Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass zur Reduzierung der Hysteresebreite von Formgedächtnislegierungen eine Zwischenphase, die sogenannte R-Phase zur Anwendung kommt. Durch die Nutzung der R-Phasenumwandlung kann die Umwandlungshysterese reduziert werden. Dadurch können auch geringste Temperaturdifferenzen zur Umwandlung in mechanische Energie und damit zum Betreiben von Pumpensystemen genutzt werden. Alternativ können auch Formgedächtnislegierungen, wie beispielsweise NiTiCu, verwendet werden, um die Hysteresebreite zu reduzieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Pumpensystem mit einer energieautarken Pumpe und ein Verfahren zum Betreiben der energieautarken Pumpe zu schaffen, in dem der Antrieb der energieautarken Pumpe nicht durch sekundäre Energieträger, sondern allein durch die Wärmeenergie eines Fördermediums erfolgt, so dass keine externe Energiezufuhr notwendig ist, um einen Pumpvorgang durchzuführen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein energieautarkes Pumpensystem vor, das auf einer zyklischen Umwandlung von thermischer in mechanische Energie durch Ausnutzung einer Temperaturdifferenz eines Fördermediums basiert, hervorgerufen durch die Abkühlung des Fördermediums innerhalb des Pumpensystems und einem Antriebsmittel aus einer Formgedächtnislegierung zur Erzielung einer Bewegung eines Fördermediums mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Pumpensystems gemäß Patentanspruch 13 vor. Erfindungsgemäß wird ein energieautarkes Pumpensystem vorgeschlagen, bei dem in einem Arbeitszylinderraum einer Pumpe mindestens ein mit einem Rückstellelement und einem Arbeitskolben verbundenes Formgedächtniselement angeordnet ist. Der Arbeitskolben ist über eine Koppelstange mit einem im Pumpenzylinderraum angeordneten Pumpenkolben verbunden, wobei der Arbeitszylinderraum ein Einlassventil für ein gerichtetes zu förderndes Fördermedium in eine auslassseitige Hälfte des Pumpenzylinderraums zu einem Auslassventil aufweist. Durch eine direkte oder indirekte Zuführung von Wärmeenergie über das Fördermedium erfolgt eine Aktivierung der Formgedächtniselemente und dadurch die Rückstellung des Arbeitskolbens und des Pumpenkolbens in die Ausgangsstellung und ein Transport des Fördermediums in die auslassseitige Hälfte des Pumpenzylinderraumes. Durch die Abkühlung der Formgedächtniselemente und durch die Rückstellelemente erfolgt eine Bewegung des Arbeitskolbens und des Pumpenkolbens in die Pumpstellung und ein Transport des Fördermediums durch das Auslassventil aus dem Pumpenzylinderraum heraus. Der Temperaturübergang vom Fördermedium zu den Formgedächtniselementen ist auch indirekt über ein zusätzliches Medium vorgesehen. Die Formgedächtniselemente sind dabei gekapselt und stehen nicht mit dem Fördermedium in Kontakt. Die Abkühlung der Formgedächtniselemente ist durch Kühlelemente beschleunigbar oder durch Dämmelemente zeitlich verzögerbar vorgesehen. Die Pumpe ist insbesondere als autarke Umwälzpumpe in Wärmwasserkreisläufen von Gebäuden einsetzbar, um einerseits zu gewährleisten, dass ein Benutzer an den Wasserentnahmestellen immer sofort warmes Wasser zur Verfügung hat und andererseits soll vermieden werden, dass das Wasser in den Leitungen aufgrund zu niedriger Temperaturen als Brutstätte für Keime dient. Die zur Energieumwandlung benötigte Temperaturdifferenz soll dabei durch die Abkühlung des Fördermediums in der Pumpe bzw. in den Rohrleitungen erfolgen. Durch den Einsatz von Formgedächtnislegierungen erfolgt der Antrieb der Pumpe nicht durch sekundäre Energieträger, sondern allein durch die abgegebene Wärmeenergie des Fördermediums.
Für das energieautarke Pumpensystem sind dabei unterschiedliche Ausführungsformen entsprechend ihres Einsatzgebietes vorgesehen. Vorteilhaft ist die Ausführung des Gehäuses der Pumpe als kombiniertes System, wobei die Pumpe einen gemeinsamen Arbeitszylinderraum und Pumpenzylinderraum mit einem zentralen Kolben aufweist, wobei die Formgedächtniselemente sich bei Aktivierung durch das warme Fördermedium ausdehnen und nach der Abkühlung des Fördermediums durch die Rückstellelemente wieder in die Ausgangslage zurückstellbar sind. Die Formgedächtniselemente und die Rückstellelemente sind direkt mit dem zentralen Kolben verbunden, so dass eine Koppelstange als Verbindung zwischen dem Arbeitszylinderraum und dem Pumpenzylinderraum entfällt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass der Arbeitskolben und die Formgedächtniselemente an einer Außenseite des Arbeitszylinderraumes um eine Rohrleitung angeordnet sind, wobei der Arbeitskolben mit dem Pumpenkolben über Koppelstangen verbunden ist, wobei die Abstrahlungswärme der Rohrleitung zur Aktivierung der Formgedächtniselemente nutzbar ist und wobei die Formgedächtniselemente nicht mit dem Fördermedium in Kontakt stehen und die Rückstellelemente innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes angeordnet sind.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Formgedächtniselemente drahtförmig ausgebildet und um die Rohrleitung angeordnet sind, wobei die Formgedächtniselemente einerseits an einem Gestell außerhalb des Pumpengehäuses und anderseits im Pumpenzylinderraum an dem Pumpenkolben befestigt sind, so dass die Abstrahlungswärme der Rohrleitung zur Aktivierung der Formgedächtniselemente nutzbar ist, wobei die Formgedächtniselemente nicht mit dem Fördermedium in Kontakt stehen und die Rückstellelemente innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes angeordnet sind. Alternativ kann auch die Wärmeleitung durch eine Berührung zwischen dem Formgedächtniselement und der Rohrleitung zur Aktivierung genutzt werden.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die Formgedächtniselemente an einem Arbeitskolben angeordnet sind und die Formgedächtniselemente und der Arbeitskolben von Rohrleitungen umschlossen sind. Der Arbeitskolben ist mit dem Pumpenkolben über die Koppelstange verbunden, so dass die Abstrahlungswärme der Rohrleitungen zur Aktivierung der Formgedächtniselemente nutzbar ist und die Formgedächtniselemente nicht mit dem Fördermedium in Kontakt stehen und die Rückstellelemente innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes angeordnet sind. Im Gegensatz zu der vorhergehenden Ausführungsform der Pumpe umschließt die Rohrleitung die Formgedächtniselemente und den Arbeitskolben.
Eine ebenso vorteilhafte Variante wird darin gesehen, dass die Pumpe einen geteilten Arbeitszylinderraum aufweist, in dem mehrere Arbeitskolben gekoppelt mit Formgedächtniselementen angeordnet sind, wobei die Arbeitskolben über Koppelstangen mit dem Pumpenkolben verbunden sind und die Formgedächtniselemente von dem Fördermedium umspült sind und die Rückstellelemente innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes angeordnet sind. Die Formgedächtniselemente sind mit mehreren kleinen Arbeitskolben gekoppelt, um den Pumpenhub auf den Pumpenkolben zu übertragen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung wird auch darin gesehen, dass in einem unteren Bereich des Pumpenzylinderraumes ein Auslassventil in einen Auslauf des Fördermediums vorgesehen ist, wobei sich bei Abkühlung des Formgedächtniselementes der Pumpenkolben durch das Rückstellelement zurückstellt, wobei das dadurch verdrängte Fördermedium über das Auslassventil in den Auslauf ausführbar ist, wobei über einen oberen Bypass und ein Einlassventil das Fördermedium in den anderen Bereich des Pumpenzylinderraumes einführbar ist und wobei bei Überschreitung eines Einlassventils im Pumpenzylinderraum durch den Pumpenkolben das warme Fördermedium durch einen kleinen Bypass ansaugbar ist und sich das Formgedächtniselement durch die Umspülung mit warmen Fördermedium ausdehnt, derart, dass durch den Pumpenkolben das in der auslassseitigen Hälfte des Pumpenzylinderraumes befindliche Fördermedium über das Auslassventil in den Auslauf ausführbar ist.
Des Weiteren ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Temperaturübergang vom Fördermedium zu den Formgedächtniselementen indirekt über ein zusätzliches Medium vorgesehen ist, wobei die Formgedächtniselemente gekapselt sind und nicht mit dem Fördermedium in Kontakt stehen und dass durch eine Entkopplung der Formgedächtniselemente vom Fördermedium die Wärmeübertragung verzögerbar vorgesehen ist, was zu einer gleichmäßigeren Erwärmung der Formgedächtniselemente führt.
Eine thermodynamische vorteilhafte Variante besteht zudem darin, dass nach der vollständigen Aktivierung der Formgedächtniselemente die Abkühlung der Formgedächtniselemente oder des Fördermediums, in dem sich die Formgedächtniselemente befinden, durch Kühlelemente am oder im Arbeitszylinderraum beschleunigbar oder durch Dämmelemente am oder im Arbeitszylinderraum zeitlich verzögerbar vorgesehen ist.
Eine beschleunigte Abkühlung führt dabei zu einer höheren Pumpfrequenz. Eine zeitlich verzögerte Abkühlung sorgt dagegen für eine bessere Temperaturverteilung im Arbeitszylinderraum.
Eine weitere bevorzugte Variante wird zudem darin gesehen, dass nach der vollständigen Aktivierung der Formgedächtniselemente die Abkühlung der Formgedächtniselemente durch eine aktive Kühlung vorgesehen ist, derart, dass zur aktiven Kühlung das Fördermedium um den Arbeitszylinderraum fließt. Das Fördermedium kann dazu durch eine Pumpe oder ein Gebläse generiert oder durch einen Bypass von der kalten Seite eingespeist werden.
Weiterhin wird eine vorteilhafte Variante darin gesehen, dass zum Beschleunigen der Pumpenbewegung die Rückstellbewegung der Formgedächtniselemente während der Abkühlung mechanisch gesperrt wird, wobei zum Sperren eine Mechanik zum Einsatz kommt und wobei nach der Abkühlung eine Entsperrung vorgesehen ist. Die Entsperrung kann dabei passiv durch ein mechanisches Flipflop oder durch ein Schnappscheibenprinzip erfolgen. Weiterhin kann die Entsperrung aktiv durch eine zusätzliche Aktorik erfolgen, die extern angesteuert wird. Durch die Entriegelung der Formgedächtniselemente erfolgt eine Rückstellung der Formgedächtniselemente und damit eine Pumpenbewegung, die wiederum eine bessere Umspülung der Formgedächtniselemente mit dem warmen Fördermedium gewährleistet.
Eine bevorzugte Variante besteht zudem darin, dass zur Ausnutzung geringster Differenzen zwischen den Temperaturen T1 und T2 im Fördermedium eine Formgedächtnislegierung mit einer geringen Umwandlungshysterese auf der Basis der R-Phasenumwandlung vorgesehen ist. Alternativ sind auch Formgedächtnislegierungen mit reduzierter Hysterese, wie z.B. NiTiCu, einsetzbar.
Das Verfahren zum Betreiben des energieautarken Pumpensystems ist dadurch gekennzeichnet,
dass der für die Pumpe aus einem externen beheizten Speicher erzeugte gerichtete Strom des Fördermediums mit einer Temperatur T1 in der Rohrleitung in einem Leitungskreislauf über ein Einlassventil mit Rückschlagfunktion bei Verschiebung des Pumpenkolbens in Förderrichtung innerhalb des Pumpenzylinderraums gefördert und mittels der Pumpe im Leitungskreislauf umgewälzt wird,
dass die im Arbeitszylinderraum oder um die Rohrleitung angeordneten Formgedächtniselemente durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung die Temperatur des Fördermediums annehmen, so dass eine Aktivierung der Formgedächtniselemente und damit eine Rückstellung des Arbeitskolbens und des Pumpenkolbens in die Ausgangsstellung erfolgt und dadurch das Fördermedium durch Ventile in die auslassseitige Hälfte des Pumpenzylinderraumes transportiert wird,
dass zur Optimierung des Temperaturüberganges vom Fördermedium auf die Formgedächtniselemente eine beschleunigte Abkühlung des Fördermediums im Bereich des Arbeitszylinders durch Kühlelemente oder durch eine aktive Kühlung dieses Bereiches durchgeführt wird,
dass zur gleichmäßigeren Erwärmung der Formgedächtniselemente durch das Fördermedium eine verzögerte Abkühlung des Fördermediums im Bereich des Arbeitszylinderraumes durch Dämmelemente oder eine verzögerte Wärmeübertragung durch die Separierung der Formgedächtniselemente vom Fördermedium erfolgt,
dass nach Abkühlung der Formgedächtniselemente auf die Temperatur T2 in Abhängigkeit vom abgeführten Wärmestrom aus dem Arbeitszylinderraum und von den Umwandlungseigenschaften der eingesetzten
Formgedächtnislegierungen mittels der Rückstellelemente eine Rückstellung des Arbeitskolben in die Ausgangsstellung erfolgt und die Pumpe das Fördermedium durch das Auslassventil fördert und gleichzeitig durch das Eingangsventil das Nachströmen des Fördermediums in den Arbeitszylinderraum und Pumpenzylinderraum bewirkt,
dass das Nachströmen des Fördermediums in den Arbeitszylinderraum so lange erfolgt, bis der Arbeitszylinderraum mit dem Fördermedium mit der Temperatur T1 geflutet ist und durch das Abkühlen des Fördermediums auf die Temperatur T2 ein weiterer Umwälzzyklus startet,
dass dazu die Abkühlungsgeschwindigkeit des Fördermediums im Arbeitszylinderraum von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 durch Kühlelemente oder durch Dämmelemente im oder am Arbeitszylinderraum beeinflusst wird,
dass zum Beschleunigen der Pumpenbewegung die Rückstellbewegung der Formgedächtniselemente während der Abkühlung gesperrt wird und die Sperrung nach der Abkühlung wieder aufgehoben wird, so dass eine Rückstellung der Formgedächtniselemente und damit eine Pumpenbewegung erfolgt,
dass zur Erhöhung der Fördermenge des Fördermediums in der Rohrleitung des Leitungskreislaufes oder des Druckes im Pumpensystem mindestens zwei Pumpen parallel zueinander im Leitungskreislauf geschaltet sind und die Pumpen mittels eines Ventils zu- und abschaltbar sind
und dass zusätzlich zur Erhöhung der Fördermenge des Fördermediums in der Rohrleitung des Leitungskreislaufes oder des Druckes im Pumpensystem zwei oder mehrere Pumpen seriell zueinander geschaltet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
2 die Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
3 die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
4 die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
5 die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
6 die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
7 die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
8 die Einbindung der erfindungsgemäßen Pumpe in ein Pumpensystem;
9 die Parallelschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Pumpen;
10 die Reihenschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Pumpen.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. Die Pumpe 1 besteht aus einem Pumpengehäuse 2 mit einem Arbeitszylinderraum 3 und einem Pumpenzylinderraum 4, in denen jeweils ein Arbeitskolben 5 und ein Pumpenkolben 6 angeordnet sind. Der Arbeitskolben 5 und der Pumpenkolben 6 sind über eine Koppelstange 7 miteinander verbunden. Im Arbeitszylinderraum 3 sind
Formgedächtniselemente 8 in Form von zylindrischen Schraubenfedern und Rückstellelemente 9 in Form von zylindrischen Schraubenfedern angeordnet, die sich am Pumpengehäuse 2 und am Arbeitskolben 5 abstützen. Der Antrieb der Pumpe 1 erfordert durch den Einsatz der Formgedächtniselemente 8 keine sekundären Energieträger, sondern der Antrieb erfolgt allein durch die Wärmeenergie eines über eine Rohrleitung 10 zugeführten Fördermediums 11, beispielsweise Wasser. Die erfindungsgemäße Lösung benötigt dadurch keine externe Energiezufuhr, um einen Pumpvorgang durchzuführen. Die Pumpe 1 soll bevorzugt als autarke Umwälzpumpe in Wärmwasserkreisläufen von Gebäuden eingesetzt werden. Die zur Energieumwandlung benötigte Temperaturdifferenz entsteht dabei durch die Abkühlung des Fördermediums 11 in der Pumpe 1 bzw. in der Rohrleitung 10. Die Pumpe 1 erzeugt einen gerichteten Strom des Fördermediums 11 über ein am Eingang des Pumpengehäuses 2 angeordnetes Einlassventil 12 mit Rückschlagfunktion. Im Arbeitskolben 5 und im Pumpenkolben 6 sind Membranventile 13a und 13b mit Rückschlagfunktion so angeordnet, dass bei der Verschiebung des im Pumpengehäuse 2 angeordneten Pumpenkolbens 6 durch den Arbeitskolben 5 entgegen der Förderrichtung das innerhalb des Arbeitszylinderraumes 3 und des Pumpenzylinderraumes 4 befindliche Fördermedium 11 nicht bewegt wird. Die Bewegung des Arbeitskolbens 5 und des Pumpenkolbens 6 erfolgt durch die Aktivierung der Formgedächtniselemente 8. Diese dehnen sich bei Erwärmung aus. Die im Arbeitszylinderraum 3 angeordneten Formgedächtniselemente 8 sind von dem Fördermedium 11 umgeben und nehmen durch Wärmeleitung dessen Temperatur an. Die Formgedächtniselemente 8 sind mechanisch mit dem Arbeitskolben 5 verbunden. Da der Arbeitskolben 5 mittels der Koppelstange 7 starr mit dem Pumpenkolben 6 verbunden ist, wird auch der Pumpenkolben 6 durch die Formgedächtniselemente 8 bei deren Ausdehnung entgegen der Förderrichtung bewegt. Hierbei wird das Einlassventil 12 durch den entstehenden Druck geschlossen, während die Membranventile 13a, 13b geöffnet werden. Dadurch kann das Fördermedium 11 in die auslassseitige Hälfte 14 des Pumpenzylinderraumes 4 gelangen. Nach der vollständigen Aktivierung der Formgedächtniselemente 8 befindet sich das Pumpensystem im Ruhezustand. Über das Pumpengehäuse 2 verliert das Pumpensystem Wärme. Das Fördermedium 11 mit der Temperatur T1 kühlt dadurch auf die Temperatur T2 ab. Die benötigte Temperaturdifferenz ist dabei abhängig vom abgeführten Wärmestrom aus dem Arbeitszylinderraum 3 und von den Umwandlungseigenschaften der eingesetzten Formgedächtnislegierung. Die Formgedächtniselemente 8 werden von mindestens einem Rückstellelement 9 vorzugsweise einer Druckfeder aus Federstahl zurückgestellt. Nach Abkühlung der Formgedächtniselemente 8 wird zudem der Pumpenkolben 6 durch die am Arbeitskolben 5 angeordneten Rückstellfedern 9 wieder in die Ausgangsstellung geführt. Hierbei verdrängt der Pumpenkolben 6 das Fördermedium 11 in der auslassseitigen Hälfte 14 des Pumpenzylinderraumes 4, das Fördermedium 11 tritt durch ein Auslassventil 15 aus. Ein Einlassventil 12 wird durch das nachströmende Fördermedium 11 geöffnet. Die Membranventile 13a, 13b bleiben aufgrund des Gegendruckes des Fördermediums 11 geschlossen. Dies stellt die eigentliche Pumpenfunktion dar.
Ersetzt man die Rückschlagventile durch externe regelbare Ventile kann die Pumpe 1 alternativ auch zum Druckaufbau in den Rohrleitungen 10 genutzt werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. Ein wesentlicher Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass im Pumpengehäuse 2 ein zentraler Kolben 16 als kombinierter Arbeits- und Pumpenkolben 5,6 angeordnet ist. Die Formgedächtniselemente 8 dehnen sich bei Aktivierung durch das warme Fördermedium 11 mit der Temperatur T1 aus und werden nach Abkühlung des Fördermediums 11 auf die Temperatur T2 durch die Rückstellfedern 9 zurückgestellt, wobei die Rückstellfedern 9 vorzugsweise als zylindrische Schraubenfedern ausgeführt sind. Die Formgedächtniselemente 8 und die Rückstellfedern 9 sind mechanisch direkt mit einem zentralen Kolben 16 verbunden, so dass die Koppelstange entfällt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Formgedächtniselemente 8 an einer Außenseite 17 des Pumpengehäuses 2 angeordnet, um insbesondere Abstrahlungswärme der Rohrleitung 10 zu nutzen. Die Formgedächtniselemente 8 sind mit dem außerhalb des Pumpengehäuses 2 angeordneten Arbeitskolben 5 verbunden und stützen sich an einer Außenseite 17 des Pumpengehäuses 2 ab. Der Arbeitskolben 5 ist mittels einer doppelt ausgeführten Koppelstange 7 mit dem Pumpenkolben 6 verbunden. Die Formgedächtniselemente 8 stehen nicht mit dem Fördermedium 11 in Kontakt. Die Rückstellfedern 9 befinden sich insbesondere im Pumpenzylinderraum 6, können alternativ auch außerhalb angeordnet werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Formgedächtniselemente 8 als gerade Zugdrähte ausgebildet und an dem Pumpenkolben 6 und an einem Gestell 18 außerhalb des Pumpengehäuses 2 befestigt, um insbesondere die Abstrahlungswärme der Rohrleitung 10 zu nutzen. Die Formgedächtniselemente 8 stehen nicht mit dem Fördermedium 11 in Kontakt. Die Rückstellfedern 9 sind im Pumpenzylinderraum 4 oder alternativ außenhalb angeordnet.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. In diesem Ausführungsbeispiel umschließt die Rohrleitung 10 die Formgedächtniselemente 8 und den Arbeitskolben 5, um insbesondere Abstrahlungswärme der Rohrleitung 10 zu nutzen. Die Formgedächtniselemente 8 stehen nicht mit dem Fördermedium 11 in Kontakt.
Die Rückstellfedern 9 sind im Pumpenzylinderraum 4 oder alternativ auch außerhalb des Pumpenzylinderraumes 4 angeordnet.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Arbeitskolben 5 vorgesehen. Die Formgedächtniselemente 8 sind hier in den Zuleitungen angeordnet und werden vom Fördermedium 11 umspült und sind jeweils mit den beiden Arbeitskolben 5 gekoppelt, um den Pumpenhub mittels der Koppelstange 7 auf den Pumpenkolben 6 zu übertragen.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen energieautarken Pumpe 1. In diesem Ausführungsbeispiel fallen die Membranventile im Pumpenkolben 6 weg und dafür existiert in einem Bereich 22 des Pumpenzylinderraumes 4 ein Auslassventil 23, welches in einen Auslauf 24 des Fördermediums 11 führt. Das Formgedächtniselement 8 ist im Arbeitszylinderraum 3 angeordnet, so dass die Wirkungsweise entgegengesetzt ist. Wenn sich das Formgedächtniselement 8 abkühlt, stellt sich der Pumpenkolben 4 durch die Einwirkung der Rückstellfeder 9 nach links zurück und zieht dabei über einen oberen Bypass 25 und ein Einlassventil 26 Fördermedium 11 in den Pumpenzylinderraum 4. Gleichzeitig wird das Fördermedium 11, welches sich im Bereich 22 des Pumpenzylinderraumes 4 befindet über das Auslassventil 23 in den Auslauf 24 gedrückt. Überschreitet der Pumpenkolben 6 ein Einlassventil 27 im Pumpenzylinderraum 4, wird warmes Fördermedium 11 zusätzlich durch einen kleinen Bypass 28 und den Arbeitszylinderraum 3 angesaugt und umspült dabei das Formgedächtniselement 8 mit warmen Fördermedium 11. Das Formgedächtniselement 8 dehnt sich daraufhin aus und drückt den Pumpenkolben 6 nach rechts. Durch das Einlassventil 29 wird der Zufluss von warmen Fördermedium 11 in den Bereich 22 des Pumpenzylinderraumes 4 gewährleistet. Das in der auslassseitigen Hälfte 14 des Pumpenzylinderraumes 4 befindliche Fördermedium 11 wird über das Auslassventil 15 in einen Auslauf 24 gedrückt.
8 zeigt die Einbindung der energieautarken Pumpe 1 in ein Kreislaufsystem. Das Kreislaufsystem besteht aus einem extern beheizten Speicher 19 für das fluidische Fördermedium 11 mit der Temperatur T1, sowie einem Leitungskreislauf 20. Das Fördermedium 11 ist mittels der Pumpe 1 im Leitungskreislauf 20 umwälzbar. Dadurch wird einerseits gewährleistet, dass die Benutzer an den Entnahmestellen immer sofort warmes Wasser zur Verfügung haben und anderseits wird vermieden, dass das Wasser in den Leitungen aufgrund zu niedriger Temperaturen als Brutstätte für Keime dient. In 9 sind zwei- oder mehrere Pumpen 1 in einem Leitungskreislauf 20 parallel geschaltet angeordnet, um die Fördermenge oder den Druck an das Kreislaufsystem anpassen zu können. Dabei sind die Pumpen 1 mittels eines geregeltem Ventil 21 steuerbar und können zu- und abgeschaltet werden, so dass es möglich ist, den Umwälzvorgang extern zu starten.
In 10 sind zwei- oder mehrere Pumpen 1 im Leitungskreislauf seriell geschaltet angeordnet, um die Fördermenge oder den Druck im Kreislaufsystem zu erhöhen.
In weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird der abgeführte Wärmestrom aus dem Arbeitszylinderraum 3 durch Kühlelemente z.B. Kühlrippen beschleunigt. Die Kühlrippen sind an der Außenwand des Pumpengehäuses 2 im Bereich des Arbeitszylinderraumes 3 oder der Rohrleitung 10 angeordnet.
In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird der abgeführte Wärmestrom aus dem Arbeitszylinderraum 3 durch Dämmelemente z.B. Dämmfolien oder Beschichtungen verzögert. Die Dämmelemente sind dazu an der Außen- oder Innenwand des Pumpengehäuses 2 im Bereich des Arbeitszylinderraumes 3 oder der Rohrleitung 10 angeordnet.
In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Formgedächtniselemente 8 insbesondere gekapselt und in einem zusätzlichen Fördermedium 11 angeordnet. Die Formgedächtniselemente 8 stehen dabei nicht mit dem Fördermedium 11 in Kontakt. Der Temperaturübergang vom Fördermedium 11 zu den Formgedächtniselementen 8 erfolgt indirekt über das zusätzliche Fördermedium 11.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Pumpengehäuse
3: Arbeitszylinderraum
4: Pumpenzylinderraum
5: Arbeitskolben
6: Pumpenkolben
7: Koppelstange
8: Formgedächtniselement
9: Rückstellelement
10: Rohrleitung
11: Fördermedium
12: Einlassventil
13a: Membranventil
13b: Membranventil
14: auslassseitige Hälfte des Pumpenzylinderraumes
15: Auslassventil
16: zentraler Kolben
17: Außenseite des Pumpengehäuse
18: Gestell
19: beheizter Speicher
20: Leitungskreislauf
21: geregeltes Ventil
22: unterer Bereich des Pumpenzylinderraumes
23: Auslassventil
24: Auslauf
25: oberer Bypass
26: Einlassventil
27: Einlassventil
28: kleiner Bypass
29: Einlassventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007042791 A1 [0002]
DE 102013004145 B4 [0002]
DE 102015225726 A1 [0002]
DE 69502906 T2 [0002]

Claims

Energieautarkes Pumpensystem, umfassend eine Pumpe mit einem Einlassventil zur Zuführung eines Fördermediums in einen Arbeitszylinderraum, einen Pumpenzylinderraum mit einem Auslassventil zur Ableitung des Fördermediums aus dem Pumpenzylinderraum und einem Antriebsmittel aus einer Formgedächtnislegierung zur Erzielung einer Bewegung des Fördermediums, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitszylinderraum (3) einer Pumpe (1) mindestens ein mit einem Rückstellelement (9) und einem Arbeitskolben (5) verbundenes Formgedächtniselement (8) angeordnet ist, wobei der Arbeitskolben (5) über eine Koppelstange (7) mit einem im Pumpenzylinderraum (4) angeordneten Pumpenkolben (6) verbunden ist, wobei der Arbeitszylinderraum (3) ein Einlassventil (12) für ein gerichtetes zu förderndes Fördermedium (11) in eine auslassseitige Hälfte (14) des Pumpenzylinderraums (4) zu einem Auslassventil (15) aufweist, wobei durch direkte oder indirekte Zuführung von Wärmeenergie über das Fördermedium (11) eine Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) und dadurch die Rückstellung des Arbeitskolbens (5) und des Pumpenkolbens (6) in die Ausgangsstellung vorgesehen ist und wobei durch eine Abkühlung der Formgedächtniselemente (8) durch die Rückstellelemente (9) eine Bewegung des Fördermediums (11) in die auslassseitige Hälfte (14) des Pumpenzylinderraumes (4) in die Ausgangsstellung vorgesehen ist.
Energieautarkes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) einen gemeinsamen Arbeitszylinderraum (3) und Pumpenzylinderraum (4) mit einem zentralen Kolben (16) aufweist, wobei die Formgedächtniselemente (8) sich bei Aktivierung durch das warme Fördermedium (11) ausdehnen und nach der Abkühlung des Fördermediums (11) durch die Rückstellelemente (9) wieder in die Ausgangslage zurückstellbar sind und wobei die Formgedächtniselemente (8) und die Rückstellelemente (9) direkt mit dem zentralen Kolben (16) verbindbar sind.
Energieautarkes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (5) und die Formgedächtniselemente (8) an einer Außenseite (17) des Arbeitszylinderraumes (3) um eine Rohrleitung (10) angeordnet sind, wobei der Arbeitskolben (5) mit dem Pumpenkolben (6) über Koppelstangen (7) verbunden ist, wobei die Abstrahlungswärme der Rohrleitung (10) zur Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) nutzbar ist und wobei die Formgedächtniselemente (8) nicht mit dem Fördermedium (11) in Kontakt stehen und die Rückstellelemente (9) innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes (3) angeordnet sind.
Energieautarkes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniselemente (8) drahtförmig ausgebildet und um die Rohrleitung (10) angeordnet sind, wobei die Formgedächtniselemente (8) einerseits an einem Gestell (18) außerhalb eines Pumpengehäuses (2) und anderseits im Pumpenzylinderraum (4) an dem Pumpenkolben (6) befestigt sind, so dass die Abstrahlungswärme der Rohrleitung (10) zur Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) nutzbar ist, wobei die Formgedächtniselemente (8) nicht mit dem Fördermedium (11) in Kontakt stehen und die Rückstellelemente (9) innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes (3) angeordnet sind.
Energieautarkes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniselemente (8) an einem Arbeitskolben (5) angeordnet und die Formgedächtniselemente (8) und der Arbeitskolben (5) von Rohrleitungen (10) umschlossen sind, wobei der Arbeitskolben (5) mit dem Pumpenkolben (6) über eine Koppelstange (7) verbunden ist, wobei die Abstrahlungswärme der Rohrleitungen (10) zur Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) nutzbar ist und wobei die Formgedächtniselemente (8) nicht mit dem Fördermedium (11) in Kontakt stehen und die Rückstellelemente (9) innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes (3) angeordnet sind.
Energieautarkes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) einen geteilten Arbeitszylinderraum (3) aufweist, in dem mehrere Arbeitskolben (5) gekoppelt mit Formgedächtniselementen (8) angeordnet sind, wobei die Arbeitskolben (5) über die Koppelstangen (7) mit dem Pumpenkolben (6) verbunden sind, wobei die Formgedächtniselemente (8) von dem Fördermedium (11) umspült sind und wobei die Rückstellelemente (9) innerhalb oder außerhalb des Arbeitszylinderraumes (3) angeordnet sind.
Energieautarkes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich (22) des Pumpenzylinderraumes (4) ein Auslassventil (23) in einen Auslauf (24) des Fördermediums (11) vorgesehen ist, wobei bei Abkühlung des Formgedächtniselementes (8) sich der Pumpenkolben (6) durch das Rückstellelement (9) zurückstellt, wobei das im Bereich (22) des Pumpenzylinderraumes (4) befindliche Fördermedium (11) über das Auslassventil (23) in den Auslauf (24) ausführbar ist, wobei über einen oberen Bypass (25) und ein Einlassventil (26) das Fördermedium (11) in den Pumpenzylinderraum (4) einführbar ist und wobei bei Überschreitung eines Einlassventils (27) im Pumpenzylinderraum (4) durch den Pumpenkolben (6) das Fördermedium (11) durch einen kleinen Bypass (28) ansaugbar ist und sich das Formgedächtniselement (8) durch die Umspülung mit warmen Fördermedium ausdehnt, derart, dass durch den Pumpenkolben (6) das in der auslassseitige Hälfte (14) des Pumpenzylinderraumes (4) befindliche Fördermedium (11) über das Auslassventil (15) in den Auslauf (24) ausführbar ist.
Energieautarkes Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturübergang vom Fördermedium (11) zu den Formgedächtniselementen (8) indirekt über ein zusätzliches Medium vorgesehen ist, wobei die Formgedächtniselemente (8) gekapselt sind und nicht mit dem Fördermedium (11) in Kontakt stehen und dass durch eine Entkopplung der Formgedächtniselemente (8) vom Fördermedium (11) die Wärmeübertragung verzögerbar vorgesehen ist.
Energieautarkes Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der vollständigen Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) die Abkühlung der Formgedächtniselemente (8) oder des Fördermediums (11), in dem sich die Formgedächtniselemente (8) befinden, durch Kühlelemente am oder im Arbeitszylinderraum (3) beschleunigbar oder durch Dämmelemente am oder im Arbeitszylinderraum (3) verzögerbar vorgesehen ist.
Energieautarkes Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der vollständigen Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) die Abkühlung der Formgedächtniselemente (8) durch eine aktive Kühlung vorgesehen ist, wobei zur aktiven Kühlung das Fördermedium (11) um den Arbeitszylinderraum (3) fließt und wobei das Fördermedium (11) durch eine Pumpe oder Gebläse regenerierbar oder durch einen Bypass (25,28) einspeisbar ist.
Energieautarkes Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der Pumpenbewegung die Rückstellungbewegung der Formgedächtniselemente (8) während der Abkühlung mechanisch sperrbar ist, wobei nach der Abkühlung eine Entsperrung vorgesehen ist.
Energieautarkes Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausnutzung geringster Differenzen zwischen den Temperaturen T1 und T2 im Fördermedium (11) eine Formgedächtnislegierung mit einer geringen Umwandlungshysterese auf der Basis der R-Phasenumwandlung vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben des energieautarken Pumpensystems mit einem Antriebsmittel aus einer Formgedächtnislegierung zur Erzielung einer Bewegung des Fördermediums, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Pumpe (1) aus einem externen beheizten Speicher (19) erzeugte gerichtete Strom des Fördermediums (11) mit einer Temperatur T1 in der Rohrleitung (10) in einem Leitungskreislauf (20) über das Einlassventil (12) mit Rückschlagfunktion bei Verschiebung des Pumpenkolbens (6) in Förderrichtung innerhalb des Pumpenzylinderraums (4) gefördert und mittels der Pumpe (1) über das Auslassventil (15) im Leitungskreislauf (20) umgewälzt wird, dass die im Arbeitszylinderraum (3) oder um die Rohrleitung (10) angeordneten Formgedächtniselemente (8) durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung die Temperatur (T1) des Fördermediums (11) annehmen, so dass eine Aktivierung der Formgedächtniselemente (8) und damit eine Rückstellung des Arbeitskolben (5) und des Pumpenkolbens (6) in die Ausgangsstellung erfolgt und dadurch das Fördermedium (11) durch Ventile (13) in die auslassseitige Hälfte (14) des Pumpenzylinderraumes (4) transportiert wird, dass zur Optimierung des Temperaturüberganges vom Fördermedium (11) auf die Formgedächtniselemente (8) eine beschleunigte Abkühlung des Fördermediums (11) im Bereich des Arbeitszylinderraumes (3) durch Kühlelemente oder eine aktive Kühlung dieses Bereiches erfolgt, dass zur gleichmäßigen Erwärmung der Formgedächtniselemente (8) durch das Fördermedium (11) eine verzögerte Abkühlung des Fördermediums (11) im Bereich des Arbeitszylinderraumes (3) durch Dämmelemente oder eine verzögerte Wärmeübertragung durch eine Separierung der Formgedächtniselemente (8) vom Fördermedium (11) erfolgt, dass nach Abkühlung der Formgedächtniselemente (8) auf die Temperatur T2 in Abhängigkeit vom abgeführten Wärmestrom aus dem Arbeitszylinderraum (3) und von den Umwandlungseigenschaften der eingesetzten Formgedächtnislegierungen mittels der Rückstellelemente (9) eine Rückstellung des Arbeitskolbens (5) in die Ausgangsstellung erfolgt und die Pumpe (1) das Fördermedium (11) durch das Auslassventil (15) fördert und gleichzeitig durch das Eingangsventil (12) das Nachströmen des Fördermediums (11) in den Arbeitszylinderraum (3) und den Pumpenzylinderraum (4) bewirkt, dass das Nachströmen des Fördermediums (11) in den Arbeitszylinderraum (3) so lange erfolgt, bis der der Arbeitszylinderraum (3) mit dem Fördermedium (11) mit der Temperatur T1 geflutet ist und durch das Abkühlen des Fördermediums (11) auf die Temperatur T2 ein weiterer Umwälzzyklus startet, dass dabei die Abkühlungsgeschwindigkeit des Fördermediums (11) im Arbeitszylinderraum (3) von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 durch Kühlelemente oder durch Dämmelemente im oder am Arbeitszylinderraum (3) beeinflusst wird, dass zum Beschleunigen der Pumpenbewegung die Rückstellbewegung der Formgedächtniselemente (8) während der Abkühlung gesperrt wird und die Sperrung nach der Abkühlung wieder aufgehoben wird, so dass eine dynamische Rückstellung und damit eine Pumpenbewegung erfolgt, dass zur Erhöhung der Fördermenge des Fördermediums (11) in der Rohrleitung (10) des Leitungskreislaufes (20) oder des Druckes im Pumpensystem mindestens zwei Pumpen (P1, P2) parallel zueinander im Leitungskreislauf (20) geschaltet angeordnet sind und die Pumpen (P1, P2) mittels eines Ventils (21) zu- und abschaltbar sind und dass zusätzlich zur Erhöhung der Fördermenge des Fördermediums (11) in der Rohrleitung (10) des Leitungskreislaufes (20) oder des Druckes im Pumpensystem zwei oder mehrere Pumpen (P1,P2) seriell zueinander geschaltet sind.