DE102015225726A1

DE102015225726A1 - Pumpe mit verformbarem Förderelement

Info

Publication number: DE102015225726A1
Application number: DE102015225726.6A
Authority: DE
Inventors: Hans Graf; Franz Gerhard Bosbach
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22
Also published as: EP3390819A1; WO2017102209A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Förderelement (1) zum Einströmen und Ausströmen eines Mediums. Das Förderelement (1) steht mit einem Antrieb (2) in Verbindung. Der Antrieb (2) weist ein Material (5) zur Durchführung einer thermischen Änderung seiner geometrischen Abmessungen auf. Der Antrieb steht mit dem Förderelement (1) zur Formänderung in Verbindung. Durch die Formänderung wird eine Förderung des Mediums bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Förderelement zum Einströmen und Ausströmen eines Mediums, wobei das Förderelement mit einem Antrieb in Verbindung steht, sowie ein Verfahren zur Förderung eines Mediums.
Pumpen sind Arbeitsmaschinen, mit denen Medien gefördert werden. Neben Flüssigkeiten zählen unter anderem Flüssigkeit-Feststoff-Gemische, Pasten oder Flüssigkeiten mit einem Gasanteil zu diesen Medien. Dafür wird über einen Antrieb das Medium in Bewegung versetzt.
Pumpen werden nach ihrem Funktionsprinzip unterteilt. Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe. Ein Förderelement saugt in einer ersten Phase eines Zyklus das Medium an und drückt in einer nächsten Phase das Medium hinaus.
Bei Membranpumpen ist das Förderelement als Membran ausgebildet, die mit einem Antrieb in Verbindung stehen. Als Antrieb kommt häufig ein Kolben zum Einsatz, der oszillierende Bewegungen durchführt. Die Bewegung des Kolbens bewirkt einen Ausschlag der Membran, die dadurch Saug- und Druckimpulse hervorruft.
In der EP 1 813 803 A1 wird eine Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Die Kraftstoffpumpe umfasst eine Pumpkammer mit einem Einlassventil und einem Auslassventil. Die Pumpkammer wird auf einer Seite von einer flexiblen Membran verschlossen. Auf die Membran wirkt eine Betätigungseinrichtung ein, um das Volumen der Pumpkammer zyklisch zu variieren. Die Betätigungseinrichtung umfasst ein Formgedächtnismaterial, das mit der flexiblen Membran gekoppelt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe anzugeben, die weitgehend unabhängig von herkömmlichen Energiequellen arbeiten kann. Weiterhin soll ein Verfahren zum Fördern eines Mediums angegeben werden, das auch ohne aufwendige Infrastruktur bzw. ohne lange Versorgungsleitung betrieben werden kann. Auch soll sich die Pumpe durch eine lange Lebensdauer, eine zuverlässige Arbeitsweise und möglichst geringen Anschaffungs- bzw. Betriebskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Varianten sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist der Antrieb ein Material zur Durchführung einer thermischen Änderung seiner geometrischen Abmessung auf. Durch Wärmeentwicklung dehnt sich das Material aus oder zieht sich zusammen. Aufgrund der Wärmeausdehnung bzw. Wärmeschrumpfung ändert sich die Länge, der Flächeninhalt bzw. das Volumen des Körpers, der aus diesem Material gefertigt ist.
Erfindungsgemäß steht das Material mit dem Förderelement der Pumpe derart in Verbindung, dass die Änderungen der geometrischen Abmessungen des Materials eine Formänderung des Förderelements hervorrufen. Diese Formänderung des Förderelements führt zur Förderung des Mediums.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Material um eine Formgedächtnislegierung. Formgedächtnislegierungen (englisch: Shape Memory Alloy, Abkürzung: SMA) sind spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Sie werden oft auch als Memory-Metalle bezeichnet.
Dies rührt von dem Phänomen, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung zu erinnern scheinen.
Vorzugsweise wird als Material eine Nickel-Titan-Legierung eingesetzt. Diese zeichnen sich durch besonders große Effekte bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus. Bei Temperaturänderung vollzieht sich ein Phasenübergang.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung weist der Antrieb zudem ein Material zur Oxidation auf. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein katalytisches Material, wobei sich insbesondere ein platinhaltiges Material eignet. Bei einer Variante der Erfindung werden Nanopartikel von Platin eingesetzt. Diese werden bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf winzigen Röhren aus Kohlenstoff aufgetragen.
Das Material kommt mit mindestens einem Stoff in Kontakt, der mit Sauerstoff in einer katalytischen Reaktion umgesetzt wird. Bei den Stoffen kann es sich beispielsweise um Wasserstoff oder organische Verbindungen wie beispielsweise Methanol handeln. Bei einer Variante der Erfindung werden als Stoffe organische Verbindungen eingesetzt, die im Wasser gelöst sind. Dabei kann es sich beispielsweise um Zucker oder Kohlenhydrate wie zum Beispiel Stärke handeln. Insbesondere verschmutzte Gewässer weisen häufig eine Vielzahl an organischen Substanzen auf, welche sich als Stoffe für eine oxidative Umsetzung eignen.
Durch die exotherme oxidative Umsetzung wird Wärme freigesetzt, die an das Material zur Durchführung einer thermischen Änderung übertragen wird. Durch den Temperaturanstieg ändern sich die geometrischen Abmessungen und es kommt zu einer Längen-, Flächen- bzw. Volumenänderung, die zu einer Formänderung des Förderelements führen.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist das für die Oxidation verantwortliche Material um das Material angeordnet, welches eine thermische Änderung der geometrischen Abmessung durchführt. Beispielsweise kann das Material zur thermischen Änderung stabartig, vorzugsweise in Form eines Zylinders, ausgebildet sein. Um diesen stabartigen Körper ist dann das Katalysatormaterial angeordnet, wobei dieses vorzugsweise einen hohlzylindrischen Körper bildet. An der äußeren, ringförmigen Katalysatorhülle läuft die exotherme Oxidationsreaktion ab und überträgt die Wärme an den inneren Kern, der eine Längenänderung aufgrund des Temperaturanstiegs durchführt.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung besteht das Förderelement zumindest teilweise aus einem elastischen Material. Vorzugsweise eignet sich ein gummielastisches Material. Beispielsweise kann das Förderelement aus einem Silikonkautschuk oder einem Silikonelastomer bestehen. Somit ist das Förderelement elastisch verformbar und kann sich bei Bedarf dichtend an die Gehäusewände der Pumpe anlehnen.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung weist das Förderelement einen sichelförmigen Querschnitt auf. Das Förderelement ist vorzugsweise als glockenförmiger Körper ausgebildet.
Das Förderelement steht bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung über ein Verbindungselement mit dem Antrieb in Wirkverbindung. Bei dem Verbindungselement kann es sich beispielsweise um einen Draht handeln, der an dem Förderelement angebracht ist und bei einer Kontraktion eines Materials des Antriebs das Förderelement in eine Richtung verformt, sodass Medium gefördert wird. Bei einer besonders günstigen Variante ist das Verbindungselement zumindest teilweise in dem Förderelement angeordnet. So kann ein als Draht ausgebildetes Verbindungselement in der elastischen Masse, aus der das Förderelement besteht, eingebettet sein.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung weist die Pumpe ein Rückstellelement auf, welches nach einer Verformung des Förderelements durch den Antrieb das Förderelement zurückverformt.
Während einer ersten Phase kommt es zu einer thermischen Änderung eines Materials des Antriebs, die zu einer Formänderung des Förderelements führt, wobei durch diese Formänderung Medium beispielsweise angesaugt wird. In einer zweiten Phase sorgt das Rückstellelement dafür, dass das Förderelement in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Durch diese Formänderung zurück in den Ausgangszustand wird beispielsweise Medium hinausgedrückt.
Die zuvor beschriebenen Phasen wiederholen sich zyklisch.
Bei dem Rückstellelement kann es sich beispielsweise um ein Federelement handeln, die als Rückstellfeder fungiert, insbesondere ein Blattfederelement.
Bei einer Variante der Erfindung ist das Rückstellelement in das Förderelement integriert. Beispielsweise kann eine Rückstellfeder in das aus einer elastischen Masse gefertigte Förderelement eingebettet sein.
Vorzugsweise ist der Antrieb an einem Ende ortsfest festgelegt. Mit dem anderen Ende steht der Antrieb über ein Verbindungselement mit dem Förderelement in Verbindung. Durch die Kontraktions- und Expansionsvorgänge im Antrieb entsteht dadurch eine Verformungsbewegung des Förderelements, welche zu einer Förderung des Mediums führt.
Als besonders günstig erweist es sich, wenn der Antrieb in einem Raum angeordnet ist, der abgeschlossen ist gegenüber dem zu fördernden Medium.
Der Raum weist einen Einlass auf, durch den die Edukte für die Oxidation dem Katalysatormaterial zuströmen. An dem Material findet eine katalytische Oxidation statt. Dabei kann es sich um eine Totaloxidation mit den Produkten Wasser bzw. Kohlendioxid handeln oder um eine Partialoxidation, bei der auch Kohlenmonoxid oder organische Produkte entstehen können.
Ein Stoffstrom mit den entstandenen Produkten und den nicht umgesetzten Edukten verlässt den Raum durch einen Auslass.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben durch Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst.
Dabei zeigt
1 eine schematische Darstellung der Erfindung,
2a eine Anordnung einer Pumpe in einem Rohr in einem Grundzustand,
2b eine Anordnung einer Pumpe in einem Rohr beim Ansaugen,
2c eine Anordnung einer Pumpe in einem Rohr beim Ausstoßen.
Die 1 zeigt eine Pumpe zur Förderung eines Mediums, das gemäß dem linken Blockpfeil in die Pumpe einströmt und gemäß dem rechten Blockpfeil aus der Pumpe ausströmt.
Die Pumpe umfasst ein Förderelement 1. Das Förderelement 1 ist im Ausführungsbeispiel als glockenförmige Silikonhülle ausgeführt und weist einen sichelförmigen Querschnitt auf.
Das Förderelement 1 ist mit einem Antrieb über ein Verbindungselement 3 verbunden. Bei dem Verbindungselement 3 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Draht, der im Förderelement 1 eingebettet ist und mittels Umlenkrollen 4 mit dem Antrieb verbunden ist.
Der Antrieb umfasst ein erstes Material 5, das als innerer Kern in Form eines Zylinders ausgebildet ist und ein zweites Material 6 als äußere Hülle, die ringförmig das erste Material 5 umgibt.
Bei dem stabartigen Kern des Antriebs 2 handelt es sich um ein Material 5 zur Durchführung einer thermischen Änderung der geometrischen Abmessungen. Im Ausführungsbeispiel kommt dabei ein Formgedächtnismaterial zum Einsatz, das als Nickel-Titan-Legierung ausgeführt ist.
Die ringförmige äußere Hülle des Antriebs 2 besteht aus einem Material 6, das als Katalysator für eine Oxidationsreaktion dient. Im Ausführungsbeispiel kommt dabei ein platinhaltiges Material zum Einsatz. Es handelt sich um Kohlenstoffnanoröhrchen, die mit Platinpartikeln beschichtet sind.
Durch einen Einlass 7 strömt gemäß dem oberen Blockpfeil ein Gemisch in einen Raum 8, das ein Oxidationsmittel und einen zu oxidierenden Stoff aufweist. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Oxidationsmittel um Sauerstoff oder Luft und bei dem zu oxidierenden Stoff um Wasserstoff.
Der Raum 8 ist von einem Gehäuse 9 von dem Raum 10 getrennt, in dem sich das zu fördernde Medium befindet.
Der oxidierende Stoff wird mit dem Oxidationsmittel am katalytischen Material 6 umgesetzt. Im Ausführungsbeispiel reagiert dabei Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Das Gemisch mit den Reaktionsprodukten und den nicht umgesetzten Edukten verlässt den Raum 8 durch einen Auslass 14 in Richtung des unteren Blockpfeils.
Bei der exothermen Reaktion wird Wärme frei, die an den inneren Kern des Antriebszweigs übertragen wird. Das Material 5 erwärmt sich und ändert seine geometrischen Abmessungen. Beispielsweise kann es zu einer Längenkontraktion kommen, sodass sich der stabartige Antrieb 2 zusammenzieht.
Dadurch wird das drahtartige Verbindungselement 3 gespannt, sodass die Flanken des glockenartigen Förderelements 1 nach oben verformt werden. Die Stellung ist als gestrichelte Linie in der Figur dargestellt.
Die Enden des Förderelements 1 liegen dichtend an den Wänden 11 eines Gehäuses der Pumpe an.
Bei der Verformung des Förderelements 1 nach oben wird Medium durch die Zuleitung 12 in den durch Verformung des Förderelements 1 vergrößerten Raum 10 gesaugt. Ein erstes Rückflussverhinderungselement 13 öffnet sich.
In einer zweiten Phase endet die Oxidationsreaktion am Material 6. Die Reaktion kommt beispielsweise zum Stillstand, weil kein neues oxidierendes Mittel mehr zugeführt wird bzw. im Raum 8 bereits verbraucht wurde. Ohne die exotherme Reaktion kühlt sich der stabartige Antrieb 2 ab. Beispielsweise führt dies zu einer Längenänderung, wodurch das drahtartige Verbindungselement 3 seine mechanische Spannung verliert und die Flanken bzw. Flügel des glockenförmigen Förderelements 1 wieder nach unten klappen in die als durchgezogene Linien dargestellte Ausgangsposition.
Dadurch wird der Raum 10 verkleinert und das Medium wird durch eine Ableitung 14 hinaus gefördert. Dabei öffnet sich ein zweites Rückflussverhinderungselement 15, das beim vorherigen Ansaugvorgang geschlossen war. Während des nun ablaufenden Ausdrückvorgangs ist das erste Rückflussverhinderungselement 13 geschlossen.
Ein Rückstellelement 17, welches im Ausführungsbeispiel als Rückstellfeder ausgeführt ist, bringt das Förderelement 1 in seine Ausgangsposition zurück.
Die zuvor beschriebenen Phasen wiederholen sich zyklisch.
2a zeigt eine Anordnung einer Pumpe in einem Rohr mit einem Förderelement 1, das bei dem Ausführungsbeispiel, gemäß der 2a, 2b und 2c, als flexible Rohrwand ausgeführt ist.
Die Anordnung umfasst eine Halterung 19. Die Halterung 19 ist ortsfest und bildet daher einen Fixpunkt für eine Relativbewegung des Antriebs 2. Über ein Verbindungselement 3, das im Ausführungsbeispiel als Draht ausgeführt ist, steht der Antrieb 2 mit dem Förderelement 1 in Verbindung. Das Verbindungselement 3 wird über Umlenkrollen 4 geführt und greift an einem Punkt 20 des Förderelements 1.
Die Anordnung verfügt über ein erstes Rückflussverhinderungselement 13 und ein zweites Rückflussverhinderungselement 16. Diese sind am Eintritt beziehungsweise am Austritt des Raums 10 angeordnet.
2b zeigt einen Ansaugvorgang der Anordnung. Der Antrieb 2 befindet sich in einem gedehnten Zustand. Das als flexible Rohrwand ausgebildete Förderelement 1 ist es nach außen gewölbt. Durch das erste Rückflussverhinderungselement 13 fließt Medium in einen Raum 10, während das zweite Rückflussverhinderungselement 16 den Raum 10 verschließt.
2c zeigt einen Ausstoßvorgang der Anordnung. Der Antrieb 2 befindet sich in einem kontrahierten Zustand und zieht das als flexible Rohrwand ausgebildete Förderungselement 1 nach innen. Dadurch wird das Medium aus dem Raum 10 verdrängt und fließt über das nun geöffnete Rückflussverhinderungselement 16 ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1813803 A1 [0005]

Claims

Pumpe mit einem Förderelement (1) zum Einströmen und Ausströmen eines Mediums, wobei das Förderelement (1) mit einem Antrieb (2) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) ein Material (5) zum Durchführung einer thermischen Änderung der geometrischen Abmessungen aufweist, das mit dem Förderelement (1) zur Formänderung in Verbindung steht, wobei die Formänderung eine Förderung des Mediums bewirkt.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Material (5) um eine Formgedächtnislegierung, insbesondere eine Nickel-Titan-Legierung, handelt.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) ein Material (6) zur Oxidation aufweist, das zur Übertragung von Wärme mit dem Material (5) zur Durchführung der thermischen Änderung der geometrischen Abmessungen in Verbindung steht.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (6) zur Oxidation um das Material (5) zur thermischen Änderung der geometrischen Abmessungen angeordnet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) einen stabartigen Kern aus dem Material (5) zur Durchführung einer thermischen Längenänderung aufweist, um den das Material zur Oxidation angeordnet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (1) zumindest teilweise aus einem elastischen Material, insbesondere einem gummielastischen Material, besteht.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (1) einen sichelförmigen Querschnitt aufweist, wobei das Förderelement vorzugsweise als glockenförmiger Körper ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) an einem Ende ortsfest festgelegt ist, wobei vorzugsweise das andere Ende über ein Verbindungselement (3) mit dem Förderelement (1) in Verbindung steht.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (1) über ein Verbindungselement (3) mit dem Antrieb (2) in Wirkverbindung steht, das vorzugsweise drahtartig ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe ein Rückstellelement (17) zur Formänderung des Förderelements (1) aufweist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) in einem Raum (8) angeordnet ist, der einen Einlass (7) für Edukte zur Oxidation aufweist, wobei der Raum (8) vorzugsweise abgeschlossen ist gegenüber dem zu fördernden Medium.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) in einem Raum (8) angeordnet ist, der einen Auslass (14) für Produkte der Oxidation und nicht umgesetzte Edukte aufweist.
Verfahren zur Förderung eines Mediums mit folgenden Schritten: – Oxidation an einem Material (6), – Erzeugung von Wärme durch die Oxidation, – Übertragung der Wärme an ein Material (5), – thermische Längenänderung des Materials (5), – Verformen eines Förderelements (1), – Erzeugung einer Strömung des Mediums, – Abkühlung des Materials (5), – thermische Längenänderung des Materials (5), – Verformen des Förderelements (1), – Erzeugung einer Strömung des Mediums
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (5) bei Erwärmung eine Kontraktion durchführt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (5) bei Abkühlung eine Ausdehnung durchführt.