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Elektromagnetisch angetriebene Membranpumpe zur Flüssigkeitsförderung
aus Bohrlöchern Zur Förderung von Flüssigkeiten aus Bohrlöchern werden vielfach
Tauchkreiselpumpen verwendet, die mit ihrem elektrischen Antriebsmotor zu einem
in das Bohrloch abgesenkten und in die Förderflüssigkeit eintauchenden Maschinensatz
vereinigt sind. Derartige Motortauchpumpen setzen die Verwendung eines Kurzschlußläufermotors
voraus und können infolgedessen nur mit Wechsel-bzw. Drehstrom betrieben werden.
Sie kommen hauptsächlich für mittlere und größere Leistungen in Betracht, sind aber
für den Einbau in enge Bohrlöcher nicht geeignet, da ihr Durchmesser wegen Verwendung
umlaufender Flügelräder ein bestimmtes Maß nicht unterschreiten kann. Auch die bisher
bekannten elektromagnetisch angetriebenen Membranpumpen, deren Membran mit dem Magnetanker
verbunden ist, sind nach ihrer ganzen Bauweise zur Verwendung in Bohrlöchern nicht
geeignet. Es sind zwar mechanisch angetriebene Membranpumpen bekannt, deren Antriebssystem
durch die Membran gegen die Förderflüssigkeit, z. B. Viskose, abgedichtet ist, jedoch
können diese Pumpen ebenfalls nicht in Bohrlöcher abgesenkt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine für beliebige Leistungen sowie
für den Antrieb mit Gleich- und Wechselstrom geeignete elektromagnetisch angetriebene
Membranpumpe zu schaffen, die in Bohrlöcher
absenkbar ist. Gemäß
der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem von der Membran gegen
die Förderflüssigkeit abgedichteten Gehäuse mehrere Magnetspulen paarweise übereinander
untergebracht sind, deren für je zwei Spulen gemeinsame Anker miteinander gekuppelt
sind und zwischen einer am unteren Ende des Gehäuses angeordneten Feder und der
im oberen Gehäuseteil eingespannten Membran frei beweglich hin und her schwingen,
wobei die einzelnen Spulen jedes Magnetsystems in an sich bekannter Weise in Gegentaktschaltung
abwechselnd erregt werden.
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Durch eine derartige Ausgestaltung der Membranpumpe kann bei kleinem
Durchmesser, wie er für den Einbau der Pumpe in enge und tiefe Bohrlöcher, z. B.
in tiefe Erdölsonden, notwendig ist, die für die Flüssigkeitsförderung auch aus
großer Tiefe notwendige Leistung erreicht werden. Bei Erregung der jeweils oberen
Spule des Magnetsystems werden die zwischen der im Gehäusefuß angeordneten Feder
und der im Gehäuseoberteil eingespannten, infolge ihrer Elastizität ebenfalls ein
federndes Glied darstellenden Membran hin und her schwingenden, miteinander gekuppelten
Anker sämtlicher Magnetsysteme in Richtung der Membran beschleunigt und erhalten
durch die in der Feder gespeicherte Energie einen zusätzlichen Stoß gegen die Membran.
Da diese das Magnetsystem gegen die Förderflüssigkeit abdichtet, können sich die
Anker in einem Luftraum bewegen oder eine Ölschmierung erhalten, so daß ihre kinetische
Energie voll auf die Membran einwirken kann, die im Pumpenraum einen hohen Förderdruck
ergibt. Wird die Entfernung der beiden Endstellungen der Anker, also deren Hub,
vergrößert, so nimmt ihre kinetische Energie zu, und die auf 'die Membran wirkenden
Drücke und damit auch der Förderdruck der Pumpe werden höher. Wählt man für die
Anker einen kleineren Hub unter entsprechender Verringerung des Abstandes der Endstellungen,
so erhält man geringere Drücke, aber eine größere Fördermenge. Den günstigsten Arbeitspunkt
bei höheren Drücken kann man in einfacher Weise z. B. dadurch erreichen, daß die
Anker durch Unterlegen von Platten unter die Feder so weit nach oben geschoben werden,
daß ein an dem oberen Anker vorgesehener, auf die Membran einwirkender Antriebsstößel
mit seinem Ende über die Auflagefläche der Membran hinausragt. Die Anker gelangen
dann beim Arbeiten der Pumpe unter größerem Druck infolge des Gegendrucks der Membran
in eine günstige Schwingstellung, wodurch eine optimale Arbeitsweise der Pumpe erhalten
wird.
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Das von den Spulen des Magnetsystems erzeugte Magnetfeld braucht wegen
der Selbstinduktion der Spulen eine gewisse Zeit zum Verschwinden. Dieser Vorgang
wird durch die abwechselnde Erregung der Spulen :in Gegentaktschaltung beschleunigt,
denn nach dem durch die eine Spule gelangten Impuls erfolgt der andere Impuls durch
die andere Spule in solcher Richtung, daß ein zwischen beiden Spulen befindlicher
Eisenring abwechselnd einen Nord- und Südpol bildet. Durch diese Umkehr der Magnetisierung
wird eine schnellere Vernichtung des induzierten Feldes und damit eine wesentliche
Vergrößerung der Amplitude des Schwingankers erreicht. Dies ermöglicht eine weitgehende
Anpassung der Schwingungen der Anker an die Druckverhältnisse und die Fördercharakteristik
der Pumpe. Die Vereinigung dieser in Gegentaktschaltungerfolgenden Erregung der
einzelnen Spulen mit der frei schwingenden Anordnung der Anker ergibt daher eine
zur Förderung insbesondere von Erdöl aus tiefen und engen Bohrlöchern hervorragend
geeignete Pumpe, die sich auch im praktischen Betrieb gut bewährt hat und neben
ihren günstigen Fördereigenschaften auch eine hohe Betriebssicherheit aufweist,
da das elektromagnetische Antriebssystem durch die Membran vollständig gegen die
Förderflüssigkeit abgekapselt ist, so daß die in dieser enthaltenen Verunreinigungen,
wie Sand 'u. dgl., auf das Antriebssystem der Pumpe nicht einwirken können. Da die
Pumpe außerdem beim Betrieb infolge überflutung durch die Förderflüssigkeit keinen
nennenswerten Erwärmungen ausgesetzt ist, wirkt sich dies weiter günstig auf die
Betriebssicherheit aus.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im Längsschnitt
zum Teil schematisch dargestellt.
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In einem rohrförmigen Gehäuse 9 sind zwei aus den Spulen 22 und 23
bzw. 22' und 23' bestehende Magnetsysteme übereinander angeordnet, die an beiden
Seiten mit je einem Eisenring io armiert sind. Der oberste Eisenring io Liegt an
einem Block i i an, dessen oberes Ende eine Auflagefläche für eine elastische Membran
25 bildet. Diese ist mit ihrem Rand zwischen Block i i und Gehäusedeckel 14 eingespannt.
Letzterer begrenzt den Pumpenraum 13, -der über ein Druckventil 16 mit der Förderleitung
15 und über ein Saugventil 17 mit der die Pumpe überflutenden Förderflüssigkeit
in Verbindung steht.
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Beide Spulen 22, 23 bzw. 22', 23' des Magnetsystems haben je einen
gemeinsamen Anker 21 bzw. 21'. Anker 2i ist mit dem darunterliegenden Anker 21'
durch eine Kupplung 2o verbunden, die an den beiden in den mittleren Eisenringen
io geführten zapfenförmigen Ansätzen i9, i9' der beiden Anker 21, 21' befestigt
ist. Der obere Anker 21 hat einen in dem Gehäuseblock i i geführten zylindrischen
Zapfen 2q., der an der Membran 25 anliegt, während Anker 21' einen eiZie Scheibe
28 tragenden Zapfen 27 aufweist und an seinem unteren, schwächer ausgeführten Ende
29 in einem Ansatz 3o des Gehäusebodens 31 geführt ist. Zwischen diesem und der
Scheibe 28 ist eine Druckfeder 26 angeordnet. Beide Anker 21, 21' sind zwischen
Membran 25 und Feder 26 frei beweglich abgestützt.
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Die Spulen 22 und 23 bzw. 22', 23' sind über Einweggleichrichter 32
und 33 bzw. 32' 33' in solcher Weise an ein Wechselstromnetz angeschlossen, daß
sie im Gegentakt abwechselnd erregt werden. Bei Erregung der Spulen 2,2,:22' werden
die Anker 21, 21' nach oben gezogen, so daß die Membran 25
über
den Zapfen 24 nach oben bewegt und die in dem Pumpenraum I3 enthaltene Flüssigkeit
in die Förderleitung I5 gedrückt wird. Wird der Strom in den Spulen 22, 22' unterbrochen
und über die Gleichrichter 30, 33' den Spulen 23, 23' zugeführt, so werden die Anker
2I, 21' zurückgezogen, wobei die Feder 26 gespannt und infolge der Druckdifferenz
zwischen dem Pumpenraum I3 und der über diesem stehenden Flüssigkeitssäule Flüssigkeit
durch das Saugventil I6 in den Pumpenraum gelangt und die Membran 25 in ihre Ausgangsstellung
zurückbewegt wird. Sollte diese Druckdifferenz, z. B. wegen zu geringer Tauchtiefe
der Pumpe, zur Zurückführung der Membran 25 nicht ausreichen, so kann im Pumpenraum
13 eine zusätzliche Hilfsfeder vorgesehen werden, die an der Membran anliegt. Die
beiden Anker 21, 2I' schwingen also bei abwechselnder Erregung der Spulen 22, 23
bzw. 22', 23' zwischen Membran 25 und Feder 26 frei hin und her. Da für den Saughub
weniger Leistung als für den Förderhub erforderlich ist, wird die beim Saughub nicht
verbrauchte Energie in der Feder 26 aufgespeichert, die beim Förderhub ihre Energie
auf die Anker 2I, 2I' abgibt.
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Beim Betrieb der Pumpe aus einem Gleichstromnetz können an Stelle
der Gleichrichter Zerhacker, Quecksilberschalter oder andere Impulsgeber bzw. Stromunterbrecher
vorgesehen sein.
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Die gemäß der-Erfindung ausgebildete Membranpumpe ergibt bei kleinem
Durchmesser des Pum-