EP4219943A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

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EP4219943A1
EP4219943A1 EP23153927.1A EP23153927A EP4219943A1 EP 4219943 A1 EP4219943 A1 EP 4219943A1 EP 23153927 A EP23153927 A EP 23153927A EP 4219943 A1 EP4219943 A1 EP 4219943A1
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EP
European Patent Office
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piston
hollow cylinder
cylinder
hollow
chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP23153927.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard J. Alesi
Giuseppe Pellegrino
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ieg Technologie GmbH
Hydrogea Srl
Original Assignee
Ieg Technologie GmbH
Hydrogea Srl
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a piston pump.
  • Piston pumps of this type are generally used for pumping a transport fluid, with the transport fluid being formed in particular from water.
  • Such piston pumps can generally be used for pumping water.
  • Another application is the use in groundwater circulation systems. In such systems, groundwater may be pumped from earthen zone layers and then fed to purification systems which may be located above ground. It is also possible to return the cleaned groundwater to the ground.
  • a pressure-suction cylinder pump consisting of a piston tube, a cylinder tube and a jacket tube.
  • three tubes are arranged concentrically to one another, with the piston tube being kept at a distance from the cylinder tube via a piston tube seal and a piston seal, and the cylinder tube being centrally spaced from the jacket tube by packers.
  • a plurality of pressure flow passage openings are provided on the circumference of the piston tube, and a flap valve is attached to the end face of the piston pipe, or a plurality of flap valves are attached to the circumference of the piston pipe.
  • a flap valve is attached to the cylinder tube and several flap valves are attached to the circumference.
  • the invention is based on the object of providing a piston pump which, with a simple structure, has a high level of functionality.
  • the invention relates to a piston pump with a hollow cylinder forming a piston housing and a piston which can be displaced in the axial direction in the hollow cylinder.
  • the piston has a piston hollow cylinder which has an outlet opening on an upper side and which has a first mechanical locking element on its lower end.
  • the hollow cylinder has a base with a second mechanical blocking element integrated therein, via which a transport fluid can be introduced into a pressure chamber of the hollow cylinder or discharged from it.
  • the first mechanical blocking element is adjacent to the pressure chamber.
  • a pneumatic or hydraulic drive is provided, by means of which opening and closing movements can be specified in order to convey the transport fluid through the hollow piston cylinder.
  • the piston pump according to the invention can be used flexibly for pumping different transport fluids, which in principle can also be formed by gases.
  • the piston pump according to the invention is advantageously used for pumping liquids, which can have different viscosities.
  • the piston pump according to the invention is used particularly advantageously for pumping water.
  • the piston pump can be used to pump groundwater, in which case the piston pump can be part of a groundwater circulation system that can be used to clean groundwater.
  • An essential advantage of the piston pump according to the invention is that the pumping processes can take place without generating large pressure differences. This can reduce precipitation when used in groundwater circulation systems.
  • the piston pump only has a hollow cylinder forming a piston housing and a piston in the form of a hollow piston cylinder that can be displaced in the axial direction and has an outlet opening on the top for introducing or discharging transport fluid and a first mechanical blocking element on the lower edge.
  • a second mechanical locking element is located in the bottom of the hollow cylinder.
  • the opening and closing movements are given by the pneumatic or hydraulic drive, the operation of which is advantageously controlled by a control unit.
  • the operation of the piston pump can be specified and controlled flexibly.
  • the operation of the piston pump is reversible, in that, depending on the operating mode, which is specified with the control unit, transport fluid is conveyed up or down in the hollow piston cylinder.
  • groundwater When used in a groundwater circulation system, groundwater can thus be conveyed upwards from a groundwater reservoir via the hollow piston cylinder in order to purify it. Cleaned groundwater can also be returned to the groundwater reservoir.
  • the functioning of the piston pump according to the invention is generally such that working fluid of the pneumatic or hydraulic drive can be supplied to different chambers of the mechanical unit of the piston pump, whereby pressure differences are generated within different chambers, which lead to opening or closing movements of the mechanical blocking elements, whereby the Pumping processes can be specified exactly.
  • the hollow cylinder is divided by a partition into an upper and lower space, with a working fluid of the pneumatic or hydraulic drive being able to be introduced only in the upper space.
  • the working fluid consists of compressed air. If a hydraulic drive is provided, the working fluid is a hydraulic fluid.
  • the piston pump is also advantageously designed in such a way that the piston has two piston plungers which are fastened on the outside of the hollow piston cylinder and adjoin the inner wall of the hollow cylinder and can be displaced with respect to it.
  • An upper piston piston is advantageous, which is arranged in the upper spatial area of the hollow cylinder, as a result of which it is divided into an upper and lower working chamber.
  • An inlet for the working chamber is provided in the wall of the hollow cylinder both in the area of the upper working chamber and in the area of the lower working chamber.
  • the mechanical blocking elements are advantageously designed in the form of flaps.
  • movably mounted balls can also be provided as mechanical blocking elements.
  • a lower piston plunger is also advantageously arranged in the lower spatial area of the hollow cylinder and divides it into the pressure chamber and another chamber.
  • the lower piston plunger is arranged at the lower edge of the piston hollow cylinder.
  • openings are provided above the lower piston ram in the wall of the hollow piston cylinder, which connect the chamber to the interior of the hollow piston cylinder.
  • the pressure chamber is coupled via a second mechanical blocking element to a reservoir with transport fluid, in particular to groundwater in a ground area.
  • pumping processes can be controlled in such a way that transport fluid, such as water, in particular groundwater, is fed to the pressure chamber and then conveyed upwards via the piston hollow cylinder and is discharged via the upper opening of the piston hollow cylinder, for example to clean the groundwater in cleaning systems arranged above ground.
  • transport fluid such as water, in particular groundwater
  • a reverse pumping process can also be implemented, in which the transport fluid is introduced into the hollow piston cylinder via the upper opening of the hollow cylinder, fed to the pressure chamber and discharged from there when the second mechanical blocking element is open.
  • the further chamber can be used as an intermediate store, transport fluid being supplied to or discharged from this further chamber via the openings in the wall.
  • the partition runs in a plane oriented perpendicular to the longitudinal axis of the hollow cylinder.
  • the partition wall has a central bore in which the hollow piston cylinder is guided in a displaceable manner.
  • This seal decouples the lower and upper spatial area of the hollow cylinder in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • the boundary surfaces between the piston plungers and the inner wall of the hollow cylinder are also advantageously sealed.
  • the working chambers with the upper piston piston and the pressure chamber and the further chamber with the lower piston piston are thus also decoupled in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • a pumping process with a trigger phase is advantageously initiated, in which working fluid is introduced into the lower working chamber.
  • the piston hollow cylinder rises and a negative pressure is generated in the pressure chamber, as a result of which the second mechanical blocking element in the bottom of the hollow cylinder is opened and transport fluid flows into it.
  • the second mechanical blocking element is closed and the first mechanical blocking element in the hollow piston cylinder is opened.
  • Got through the open first mechanical blocking element Transport fluid into the openings in the wall of the piston hollow cylinder into the further chamber.
  • the hollow piston cylinder is moved upwards by introducing working fluid into the lower working chamber, the first mechanical locking element on the hollow piston cylinder being closed.
  • the pressure in the further chamber is increased by the upward movement of the piston hollow cylinder.
  • Transport liquid flows into the hollow piston cylinder via the openings in the wall of the hollow piston cylinder and is conveyed upwards in the latter in the direction of the opening on the upper side of the hollow piston cylinder.
  • transport fluid is pumped upwards over the hollow piston cylinder and discharged through its upper opening.
  • the pressure in the pressure chamber is reduced by the upward movement of the piston hollow cylinder, whereby the second mechanical blocking element in the bottom of the hollow cylinder is opened, so that transport fluid flows into the pressure chamber via the opened second mechanical blocking element.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the piston pump 1 according to the invention.
  • the piston pump 1 has a mechanical unit 2 and an associated pneumatic drive 3 .
  • a hydraulic drive can be provided instead of a pneumatic drive.
  • the pneumatic drive is controlled with a control unit 4, which can be formed by a microprocessor system, a PLC control or the like.
  • the pneumatic drive can be a pneumatic cylinder with a ram that can be moved therein and that is driven by a mechanical drive.
  • the hydraulic drive can have a hydraulic cylinder whose movable ram is driven by a mechanical drive.
  • the mechanical drive can have a connecting rod, which in particular can also be moved with an electric motor.
  • the illustrated mechanical units 2 of the piston pump 1 has a piston housing in the form of a hollow cylinder 5 which is closed off on the underside with a bottom 6 and on the top with a cover 7 .
  • a piston with a piston hollow cylinder 8 is guided in the hollow cylinder 5 .
  • the piston hollow cylinder 8 runs in the axial direction of the hollow cylinder 5 , the longitudinal axis of the piston hollow cylinder 8 coinciding with the longitudinal axis of the hollow cylinder 5 .
  • the upper end of the piston hollow cylinder 8 projects beyond the top of the hollow cylinder 5 .
  • the piston hollow cylinder 8 is mounted in the hollow cylinder 5 so that it can be displaced in the axial direction.
  • the piston hollow cylinder 8 is mounted in a hole in the cover 7 of the hollow cylinder 5 .
  • the boundary surface between the hollow piston cylinder 8 and the edge of the bore is sealed in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • the upper side of the hollow piston cylinder 8 is open and forms an outlet opening 9, via which a transport fluid to be conveyed can be discharged from the hollow piston cylinder 8 or introduced into it.
  • the transport fluid is in the Figures 2 to 5 marked with B.
  • the underside of the hollow piston cylinder 8 is closed by means of a first mechanical blocking element in the form of a flap 11 . This can be switched between an open position ( figure 4 ) and a closed position ( figures 2 , 3 , 5 ) can be moved.
  • a second mechanical blocking element in the form of a flap 11.
  • This flap 11 can also be switched between an open position ( figures 2 , 3 , 5 ) and a closed position ( figure 4 ) can be moved.
  • the interior of the hollow cylinder 5 is divided by a partition 12 into an upper and lower spatial area.
  • the partition 12 is oriented in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the hollow cylinder 5 and is attached to the inner wall of the hollow cylinder 5 .
  • the partition wall 12 has a central bore in which the hollow piston cylinder 8 is slidably mounted. The boundary surface between the hollow piston cylinder 8 and the edge of the bore is sealed in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • the piston also has two identically designed piston plungers 13, 14 which are fastened in the outer wall of the piston hollow cylinder 8 and can therefore be displaced with it.
  • Both piston plungers 13 , 14 are designed in the shape of circular disks and each extend in a plane oriented perpendicularly to the longitudinal axes of the hollow piston cylinder 8 .
  • the outer edge surfaces of the piston plungers 13, 14 lie tightly against the inner wall of the hollow cylinder 5 and form gas-tight and liquid-tight sealed boundary surfaces with it.
  • the upper piston ram 13 divides the upper spatial area of the hollow cylinder 5 into an upper working chamber 15 and a lower working chamber 16.
  • the sizes of the working chambers 15, 16 vary according to the positions of the upper piston ram 13.
  • the upper working chamber 15 has a first inlet 17 in the Wall of the hollow cylinder 5 on.
  • the lower working chamber has a second inlet 18 in the wall of the hollow cylinder 5 .
  • a working fluid A can be supplied to or discharged from the respective working chamber 15, 16 by the pneumatic drive via the inlets 17, 18.
  • the working fluid A consists of compressed air.
  • the working fluid A is a hydraulic fluid.
  • the lower piston plunger 14 is located at the lower edge of the piston hollow cylinder 8 and divides the lower spatial area of the hollow cylinder 5 into a pressure chamber 19 and a further chamber 20 arranged above the pressure chamber 19.
  • the sizes of the pressure chamber 19 and the further chamber 20 vary according to the position of the lower plunger 14.
  • Openings 21 are worked into the wall of the hollow piston cylinder 8 just above the lower piston plunger 14 , which establish a connection between the further chamber 20 and the interior of the hollow piston cylinder 8 .
  • FIG 2 shows a first phase of the pumping process, which forms a trigger phase. Before the start of the trigger phase, the flaps 10, 11 are still closed.
  • the trigger phase is initiated by introducing working fluid A into the lower working chamber 16 by means of the pneumatic drive via the inlet 18 .
  • a reversal phase ( figure 3 ) initiated.
  • working fluid A is discharged from the lower working chamber 16 by means of the pneumatic drive and working fluid A is fed to the upper working chamber 15, as indicated by the arrow II in figure 3 illustrated.
  • figure 4 shows the subsequent phase.
  • the upper working chamber 15 is now filled with working fluid A
  • the hollow piston cylinder 8 with the piston plunger 13, 14 moves downwards. This downward movement increases the pressure in the pressure chamber 19 into which the transport fluid B has flowed. This closes the flap 11 in the bottom 6 of the hollow cylinder 5.
  • the flap 10 opens at the lower edge of the hollow piston cylinder 8 due to the overpressure in the pressure chamber 19.
  • Transport fluid flows through the opened flap 10 into the hollow piston cylinder 8 and through the openings 21 in the wall of the hollow piston cylinder 8 into the further chamber 20.
  • the further chamber 20 is completely filled with transport fluid B as shown in FIG.

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  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe (1) mit einem ein Kolbengehäuse bildenden Hohlzylinder (5) und einem im Hohlzylinder (5) in axialer Richtung verschiebbaren Kolben. Der Kolben weist einen Kolbenhohlzylinder (8) auf, der an einer Oberseite eine Austrittsöffnung aufweist und der an seinem unteren Ende ein erstes mechanisches Sperrelement aufweist. Der Hohlzylinder (5) weist einen Boden (6) mit einem darin integrierten zweiten mechanischen Sperrelement auf, über welches ein Transportfluid in eine Druckkammer (19) des Hohlzylinders (5) einleitbar oder aus dieser ausleitbar ist. Das erste mechanische Sperrelement grenzt an die Druckkammer (19) an. Ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb ist vorgesehen, mittels dessen Öffnungs- und Schließbewegungen vorgebbar sind, um das Transportfluid (B) durch den Kolbenhohlzylinder (8) zu fördern.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe.
  • Derartige Kolbenpumpen dienen generell zum Pumpen eines Transportfluids, wobei das Transportfluid insbesondere von Wasser gebildet ist.
  • Derartige Kolbenpumpen können generell zur Wasserförderung eingesetzt werden. Ein weiterer Anwendungsfall ist der Einsatz in Grundwasserzirkulationssystemen. Bei derartigen Systemen kann Grundwasser aus Erdbereichsschichten abgepumpt und dann Reinigungssystemen zugeführt werden, die oberirdisch angeordnet sein können. Auch die Rückführung zum gereinigten Grundwasser in das Erdreich ist dabei möglich.
  • Aus der DE 10 2011 100 712 B4 ist eine Druck-Saugzylinder-Pumpe bestehend aus einem Kolbenrohr, einem Zylinderrohr und einem Mantelrohr bekannt. Bei dieser sind drei Rohre konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei das Kolbenrohr zu dem Zylinderrohr über eine Kolbenrohrdichtung und eine Kolbendichtung sowie das Zylinderrohr von dem Mantelrohr durch Packer zentrisch auf Distanz gehalten werden. Am Umfang des Kolbenrohrs sind mehrere Druckstrom-Durchlassöffnungen und stirnseitig am Kolbenrohr ein Klappenventil oder am Umfang des Kolbenrohrs mehrere Klappenventile angebracht sind. Am Zylinderrohr sind ein stirnseitiges Klappenventil und am Umfang mehrere Klappenventile angebracht sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau eine hohe Funktionalität aufweist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe mit einem ein Kolbengehäuse bildenden Hohlzylinder und einem im Hohlzylinder in axialer Richtung verschiebbaren Kolben. Der Kolben weist einen Kolbenhohlzylinder auf, der an einer Oberseite eine Austrittsöffnung aufweist und der an seinem unterem Ende ein erstes mechanisches Sperrelement aufweist. Der Hohlzylinder weist einen Boden mit einem darin integrierten zweiten mechanischen Sperrelement auf, über welches ein Transportfluid in eine Druckkammer des Hohlzylinders einleitbar oder aus dieser ausleitbar ist. Das erste mechanische Sperrelement grenzt an die Drucckammer an. Ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb ist vorgesehen, mittels dessen Öffnungs- und Schließbewegungen vorgebbar sind, um das Transportfluid durch den Kolbenhohlzylinder zu fördern.
  • Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe kann flexibel zum Pumpen unterschiedlicher Transportfluids eingesetzt werden, wobei diese prinzipiell auch von Gasen gebildet sein können. Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Kolbenpumpe zum Pumpen von Flüssigkeiten eingesetzt, wobei diese unterschiedlichen Viskositäten aufweisen können.
  • Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Kolbenpumpe zum Pumpen von Wasser eingesetzt. Insbesondere kann die Kolbenpumpe zum Pumpen von Grundwasser eingesetzt werden, wobei dann die Kolbenpumpe Bestandteil eines Grundwasserzirkulationssystems sein kann, das zum Reinigen von Grundwasser dienen kann.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe besteht darin, dass die Pumpvorgänge ohne Erzeugen großer Druckunterschiede ablaufen können. Bei Einsätzen in Grundwasserzirkulationssystemen können dadurch Ausfällungen reduziert werden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe besteht in deren einfachen und robusten Aufbau. Als Mechanikkomponenten weist die Kolbenpumpe nur einen ein Kolbengehäuse bildenden Hohlzylinder und einen darin in axialer Richtung verschiebbaren Kolben in Form eines Kolbenhohlzylinders auf, der an der Oberseite eine Austrittsöffnung zum Ein- oder Ausleiten von Transportfluid und am unteren Rand ein erstes mechanisches Sperrelement aufweist. Im Boden des Hohlzylinders befindet sich ein zweites mechanisches Sperrelement.
  • Die Öffnungs- und Schließbewegungen werden durch den pneumatischen oder hydraulischen Antrieb vergeben, dessen Betrieb vorteilhaft durch eine Steuereinheit gesteuert wird. Dadurch kann der Betrieb der Kolbenpumpe flexibel vorgegeben und gesteuert werden.
  • Dabei ist der Betrieb der Kolbenpumpe umkehrbar, in dem je nach Betriebsart, die mit der Steuereinheit vorgegeben wird, im Kolbenhohlzylinder Transportfluid nach oben oder nach unten gefördert wird.
  • Bei Einsatz in einem Grundwasserzirkulationssystem kann somit Grundwasser über den Kolbenhohlzylinder aus einem Grundwasserreservoir nach oben gefördert werden, um dieses zu reinigen. Ebenso kann gereinigtes Grundwasser dem Grundwasserreservoir wieder zugeführt werden.
  • Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist generell derart, dass Arbeitsfluid des pneumatischen oder hydraulischen Antriebs unterschiedlicher Kammern der mechanischen Einheit der Kolbenpumpe zugeführt werden kann, wodurch gezielt Druckunterschiede innerhalb unterschiedlicher Kammern generiert werden, die gezielt zu Öffnungs- oder Schließbewegungen der mechanisches Sperrelemente führen, wodurch die Pumpvorgänge exakt vorgegeben werden können.
  • Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Kolbenpumpe ist der Hohlzylinder durch eine Trennwand in einen oberen und unteren Raumbereich unterteilt, wobei nur in dem oberen Raumbereich ein Arbeitsfluid des pneumatischen oder hydraulischen Antriebs einführbar ist.
  • Ist ein pneumatischer Antrieb vorgesehen, besteht das Arbeitsfluid aus Druckluft. Ist ein hydraulischer Antrieb vorgesehen, ist das Arbeitsfluid eine Hydraulikflüssigkeit.
  • Die Kolbenpumpe ist weiterhin vorteilhaft derart ausgestaltet, dass der Kolben zwei an der Außenseite des Kolbenhohlzylinders befestigte Kolbenstempel aufweist, die an die Innenwand des Hohlzylinders angrenzen und bezüglich dieser verschiebbar sind.
  • Vorteilhaft ist ein oberer Kolbenstempel, der im oberen Raumbereich des Hohlzylinders angeordnet ist, wodurch dieser in eine obere und untere Arbeitskammer unterteilt ist.
  • Dabei ist in der Wand des Hohlzylinders sowohl im Bereich der oberen Arbeitskammer als auch im Bereich der unteren Arbeitskammer ein Einlass für die Arbeitskammer vorgesehen.
  • Abhängig von der Ein- oder Ausleitung des Arbeitsfluids in einer Arbeitskammer können die Öffnungs- oder Schließvorgänge der mechanischen Sperrelemente vorgegeben werden. Vorteilhaft sind die mechanischen Sperrelemente in Form von Klappen ausgebildet. Prinzipiell können auch beweglich gelagerte Kugeln als mechanische Sperrelemente vorgesehen sein.
  • Weiter vorteilhaft ist ein unterer Kolbenstempel im unteren Raumbereich des Hohlzylinders angeordnet und unterteilt diesen in die Druckkammer und eine weitere Kammer.
  • Dabei ist der untere Kolbenstempel am unteren Rand des Kolbenhohlzylinders angeordnet.
  • Des Weiteren sind oberhalb des unteren Kolbenstempels in der Wand des Kolbenhohlzylinders Öffnungen vorgesehen, die die Kammer mit dem Innenraum des Kolbenhohlzylinders verbinden.
  • Die Druckkammer ist über ein zweites mechanische Sperrelement an ein Reservoir mit Transportfluid, insbesondere an Grundwasser in einem Erdbereich angekoppelt.
  • Je nach Steuerung des pneumatischen oder hydraulischen Antriebs und durch entsprechendes Zu- oder Abführen von Arbeitsfluid zu oder aus den Arbeitskammern können Pumpvorgänge derart gesteuert werden, dass Transportfluid, wie z.B. Wasser, insbesondere Grundwasser, der Druckkammer zugeführt und dann über den Kolbenhohlzylinder nach oben gefördert und über die obere Öffnung des Kolbenhohlzylinders ausgeleitet wird, beispielsweise im Grundwasser in oberirdisch angeordneten Reinigungsanlagen zu reinigen.
  • Auch ein umgekehrter Pumpvorgang kann realisiert werden, bei dem Transportfluid über die obere Öffnung des Kolbenhohlzylinders in diesem eingeleitet, der Druckkammer zugeführt und von dort bei geöffnetem zweiten mechanischen Sperrelement aus diesem ausgeleitet wird.
  • Bei beiden Pumpvorgängen kann die weitere Kammer als Zwischenspeicher genutzt werden, wobei Transportfluid über die Öffnungen in der Wand dieser weiteren Kammer zugeführt oder aus dieser ausgeleitet werden.
  • Gemäß einer konstruktiven vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Trennwand in einer senkrecht zur Längsachse des Hohlzylinders orientierten Ebene.
  • Dabei weist die Trennwand eine zentrale Bohrung auf, in der der Kolbenhohlzylinder verschiebbar geführt ist.
  • Hierbei ist die Grenzfläche zwischen dem Kolbenhohlzylinder und dem Rand der Bohrung abgedichtet.
  • Durch diese Abdichtung sind der untere und obere Raumbereich des Hohlzylinders gas- und flüssigkeitsdicht entkoppelt.
  • Weiter vorteilhaft sind die Grenzflächen zwischen den Kolbenstempeln und der Innenwand des Hohlzylinders abgedichtet.
  • Damit sind auch die Arbeitskammern mit dem oberen Kolbenstempel sowie die Druckkammer und die weitere Kammer mit dem unteren Kolbenstempel gas- und flüssigkeitsdicht entkoppelt.
  • Um Transportfluid mittels der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe aus einem Reservoir nach oben zu pumpen ist vorteilhaft ein Pumpvorgang mit einer Triggerphase eingeleitet, in welche Arbeitsfluid in die untere Arbeitskammer eingeführt wird. Dadurch steigt der Kolbenhohlzylinder an und in der Druckkammer wird ein Unterdruck generiert, wodurch das zweite mechanisches Sperrelement im Boden des Hohlzylinders geöffnet wird und Transportfluid in diese einströmt.
  • Dann wird in einer auf die Triggerphase folgenden zweiten Phase Arbeitsfluid aus der unteren Arbeitskammer ausgeleitet und in die obere Arbeitskammer eingeleitet, wodurch eine Abwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders bewirkt ist.
  • In Folge einer durch die Abwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders bewirkten Druckerhöhung in der Druckkammer wird das zweite mechanische Sperrelement geschlossen und das erste mechanische Sperrelement im Kolbenhohlzylinder geöffnet. Durch das geöffnete erste mechanische Sperrelement gelangt Transportfluid in die Öffnungen in der Wand des Kolbenhohlzylinders in die weitere Kammer.
  • Dann wird während einer auf die zweite Phase folgenden dritten Phase durch Einleiten von Arbeitsfluid in die untere Arbeitskammer der Kolbenhohlzylinders nach oben bewegt wird, wobei das erste mechanische Sperrelement am Kolbenhohlzylinder geschlossen wird.
  • Einerseits ist durch die Aufwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders der Druck in der weiteren Kammer erhöht. Über die Öffnungen in der Wand des Kolbenhohlzylinders strömt Transportflüssigkeit in den Kolbenhohlzylinder und wird in diesem nach oben in Richtung der Öffnung an der Oberseite des Kolbenhohlzylinders gefördert.
  • Somit sind Transportfluid über dem Kolbenhohlzylinder nach oben gepumpt und über dessen obere Öffnung ausgeführt.
  • Andererseits wird durch die Aufwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders der Druck in der Druckkammer reduziert wird, wodurch das zweite mechanische Sperrelement im Boden des Hohlzylinders geöffnet wird, so dass Transportfluid über dem geöffneten zweiten mechanischen Sperrelement in der Druckkammer einströmt.
  • Damit ist wieder Transportfluid in der Druckkammer für den nächsten Pumpengang verbunden. Für diesen nächsten Pumpvorgang erfolgen wieder dieselben Pumpkammer wie für den ersten Pumpvorgang.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    Blechschaltbild der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe.
    Figur 2 bis 5:
    Darstellung der Mechanikeinheit der Kolbenpumpe gemäß Figur 1 für unterschiedliche Phasen eines Pumpvorgangs zum Pumpen von Transportfluid in einer ersten Fördereinrichtung.
  • Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 1. Die Kolbenpumpe 1 weist eine Mechanikeinheit 2 und einen zugeordneten pneumatischen Antrieb 3 auf. Anstelle eines pneumatischen Antriebs kann ein hydraulischer Antrieb vorgesehen sein. Der pneumatische Antrieb wird mit einer Steuereinheit 4 gesteuert, die von einem Mikroprozessorsystem, einer SPS-Steuerung oder dergleichen gebildet sein kann.
  • Der pneumatische Antrieb kann einen Pneumatikzylinder mit einem darin beweglichen Stempel, der von einem mechanischen Antrieb angetrieben wird, gebildet sein. Dementsprechend kann der hydraulische Antrieb einen Hydraulikzylinder aufweisen, dessen beweglicher Stempel von einem mechanischen Antrieb angetrieben ist. Der mechanische Antrieb kann eine Pleuelstange aufweisen, die insbesondere auch mit einem Elektromotor bewegt werden kann.
  • Die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Mechanikeinheiten 2 der Kolbenpumpe 1 weist ein Kolbengehäuse in Form eines Hohlzylinders 5 auf, der an der Unterseite mit einem Boden 6 und an der Oberseite mit einem Deckel 7 abgeschlossen ist.
  • Im Hohlzylinder 5 ist ein Kolben mit einem Kolbenhohlzylinder 8 geführt. Der Kolbenhohlzylinder 8 verläuft in axialer Richtung des Hohlzylinders 5, wobei die Längsachse des Kolbenhohlzylinders 8 mit der Längsachse des Hohlzylinders 5 zusammenfällt. Das obere Ende des Kolbenhohlzylinders 8 ragt über die Oberseite des Hohlzylinders 5 hervor. Der Kolbenhohlzylinder 8 ist im Hohlzylinder 5 in axialer Richtung verschiebbar gelagert. Hierbei ist der Kolbenhohlzylinder 8 in einer Bohrung des Deckels 7 des Hohlzylinders 5 gelagert. Die Grenzfläche zwischen dem Kolbenhohlzylinder 8 und dem Rand der Bohrung ist gas- und flüssigkeitsdicht abgedichtet.
  • Die Oberseite des Kolbenhohlzylinders 8 ist offen und bildet eine Auslassöffnung 9, über welche ein zu förderndes Transportfluid aus dem Kolbenhohlzylinder 8 ausgeführt oder in diesem eingeführt werden kann. Das Transportfluid ist in den Figuren 2 bis 5 mit B bezeichnet.
  • Die Unterseite des Kolbenhohlzylinders 8 ist mittels eines ersten mechanischen Sperrelements in Form einer Klappe 11 verschlossen. Diese kann zwischen einer Öffnungsstellung (Figur 4) und einer Schließstellung (Figuren 2, 3, 5) bewegt werden.
  • Im Boden 6 des Hohlzylinders 5 befindet sich ein zweites mechanisches Sperrelement in Form einer Klappe 11. Auch diese Klappe 11 kann zwischen einer Öffnungsstellung (Figuren 2, 3, 5) und einer Schließstellung (Figur 4) bewegt werden.
  • Der Innenraum des Hohlzylinders 5 ist durch eine Trennwand 12 in einen oberen und unteren Raumbereich unterteilt. Die Trennwand 12 ist in einer senkrecht zur Längsachse des Hohlzylinders 5 orientierter Ebene orientiert und an der Innenwand des Hohlzylinders 5 befestigt. Die Trennwand 12 weist eine zentrale Bohrung auf, in der der Kolbenhohlzylinder 8 verschiebbar gelagert ist. Die Grenzfläche zwischen dem Kolbenhohlzylinder 8 und dem Rand der Bohrung ist gas- und flüssigkeitsdicht abgedichtet.
  • Der Kolben weist weiterhin zwei identisch ausgebildete Kolbenstempel 13, 14 auf, die in der Außenwand des Kolbenhohlzylinders 8 befestigt und somit mit diesem verschiebbar sind. Beide Kolbenstempel 13, 14 sind kreisscheibenförmig ausgebildet und verlaufen jeweils in einer senkrecht von Längsachsen des Kolbenhohlzylinders 8 orientierten Ebene. Die äußeren Randflächen der Kolbenstempel 13,14 liegen dicht an der Innenwand des Hohlzylinders 5 an und bilden mit dieser gas- und flüssigkeitsdicht abgedichtete Grenzflächen.
  • Der obere Kolbenstempel 13 unterteilt den oberen Raumbereich des Hohlzylinders 5 in eine obere Arbeitskammer 15 und eine untere Arbeitskammer 16. Die Größen der Arbeitskammern 15, 16 variieren entsprechend den Positionen des oberen Kolbenstempels 13. Die obere Arbeitskammer 15, weist einen ersten Einlass 17 in der Wand des Hohlzylinders 5 auf. Die untere Arbeitskammer weist einen zweiten Einlass 18 in der Wand des Hohlzylinders 5 auf. Über die Einlässe 17, 18 kann vom pneumatischen Antrieb aus ein Arbeitsfluid A der jeweiligen Arbeitskammer 15, 16 zugeführt oder aus dieser ausgeleitet werden. Bei dem pneumatischen Antrieb ist das Arbeitsfluid A von Druckluft gebildet. Bei einem Arbeitsfluid ist das Arbeitsfluid A eine Hydraulikflüssigkeit.
  • Der untere Kolbenstempel 14 befindet sich am unteren Rand des Kolbenhohlzylinders 8 und unterteilt den unteren Raumbereich des Hohlzylinders 5 in eine Druckkammer 19 und eine oberhalb der Druckkammer 19 angeordnete weitere Kammer 20. Die Größen der Druckkammer 19 und der weiteren Kammer 20 variieren entsprechend der Position des unteren Kolbenstempels 14.
  • Dicht oberhalb des unteren Kolbenstempels 14 sind in die Wand des Kolbenhohlzylinders 8 Öffnungen 21 eingearbeitet, die eine Verbindung zwischen der weiteren Kammer 20 und dem Innenraum des Kolbenhohlzylinders 8 herstellen.
  • In den Figuren 2 bis 5 sind unterschiedliche Phasen eines Pumpvorgangs mit der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 1 dargestellt, bei welchem als Transportfluid B Wasser, insbesondere Grundwasser aus einem Erdreich nach oben an die Erdoberfläche gepumpt wird, um dann das Wasser dort vorhandenen, nicht dargestellten Reinigungsanlagen zuzuführen.
  • Figur 2 zeigt eine erste Phase des Pumpvorgangs, die eine Triggerphase bildet. Vor Beginn der Triggerphase sind die Klappen 10, 11 noch geschlossen.
  • Die Triggerphase wird durch Einleiten vom Arbeitsfluid A mittels des pneumatischen Antriebs über den Einlass 18 in die untere Arbeitskammer 16 initiiert.
  • Durch den in der unteren Arbeitskammer 16 mittels des eingeführten Arbeitsfluid A generierten Überdruck steigt der obere Kolbenstempel 13, d.h. der Kolbenhohlzylinder 8 wird nach oben bewegt. Dadurch wird in der Druckkammer 19 ein Unterdruck generiert und die Klappe 11 im Boden 6 des Hohlzylinders 5, d.h. im Bodenbereich der Druckkammer 19, geöffnet. Dadurch strömt Wasser, d.h. Transportfluid B in die Druckkammer 19, wie mit dem Pfeil I in Figur 2 veranschaulicht.
  • Nach dieser Triggerphase wird eine Umkehrphase (Figur 3) eingeleitet. Hierzu mittels des pneumatischen Antriebs Arbeitsfluid A aus der unteren Arbeitskammer 16 ausgeleitet und Arbeitsfluid A der oberen Arbeitskammer 15 zugeführt, wie mit dem Pfeil II in Figur 3 veranschaulicht.
  • Dadurch wird die Bewegung des Kolbenhohlzylinders 8 mit dem Kolbenstempel 13, 14 umgekehrt, d.h. er bewegt sich nach unten, wie mit dem Pfeil III in Figur 3 veranschaulicht.
  • Figur 4 zeigt die darin anschließende Phase. Die obere Arbeitskammer 15 ist nun mit Arbeitsfluid A befüllt, der Kolbenhohlzylinder 8 mit dem Kolbenstempel 13, 14 bewegt sich nach unten. Durch diese Abwärtsbewegung wird der Druck in der Druckkammer 19, in die das Transportfluid B eingeströmt ist, erhöht. Dadurch schließt sich die Klappe 11 im Boden 6 des Hohlzylinders 5.
  • Demgegenüber öffnet sich die Klappe 10 am unteren Rand des Kolbenhohlzylinders 8 aufgrund des Überdrucks in der Druckkammer 19. Durch die geöffnete Klappe 10 strömt Transportfluid in den Kolbenhohlzylinder 8 und durch die Öffnungen 21 in der Wand des Kolbenhohlzylinders 8 in die weitere Kammer 20. Wie Figur 4 zeigt wird dadurch die weitere Kammer 20 vollständig mit Transportfluid B befüllt.
  • In der darauffolgenden Phase (Figur 5) wird mittels des pneumatischen Antriebs das Arbeitsfluid A aus der oberen Arbeitskammer 15 ausgeleitet und der unteren Arbeitskammer 16 zugeführt. Durch den damit in der unteren Arbeitskammer 16 generierten Überdruck bewegt sich nun der Kolbenhohlzylinder 8 mit den Kolbenstempeln 13, 14 nach oben. Dadurch wird die Klappe 10 am unteren Rand des Kolbenhohlzylinders 8 geschlossen. Bei der Bewegung des Kolbenhohlzylinders 8 strömt Transportfluid B aus der weiteren Kammer 20 über die Öffnungen 21 in den Kolbenhohlzylinder 8. Das Transportfluid wird im Kolbenhohlzylinder 8 nach oben gefördert und tritt dann an der Auslassöffnung 9 an der Oberseite des Kolbenhohlzylinders 8 aus (Pfeil IV in Figur 4).
  • Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders 8 mit den Kolbenstempeln 13, 14 wird der Druck in der Druckkammer 19 reduziert. Durch den Unterdruck öffnet sich die Klappe 11 im Boden 6 des Hohlzylinders 5 und Transportfluid, d.h. Wasser kann von außen in die Druckkammer 19 einströmen.
  • Nun kann ein neuer Pumpvorgang gemäß den in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Phasen gestartet werden.
    • Bezugszeichenliste
    • (1)
    Kolbenpumpe
    (2)
    Mechanikeinheit
    (3)
    Pneumatischer Antrieb
    (4)
    Steuereinheit
    (5)
    Hohlzylinder
    (6)
    Boden
    (7)
    Deckel
    (8)
    Kolbenhohlzylinder
    (9)
    Auslassöffnung
    (10)
    Klappe
    (11)
    Klappe
    (12)
    Trennwand
    (13)
    Kolbenstempel
    (14)
    Kolbenstempel
    (15)
    Arbeitskammer
    (16)
    Arbeitskammer
    (17)
    Einlass
    (18)
    Einlass
    (19)
    Druckkammer
    (20)
    Kammer
    (21)
    Öffnung
    (A)
    Arbeitsfluid
    (B)
    Arbeitsfluid

Claims (17)

  1. Kolbenpumpe (1) mit einem ein Kolbengehäuse bildenden Hohlzylinder (5) und einem im Hohlzylinder (5) in axialer Richtung verschiebbaren Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben einen Kolbenhohlzylinder (8) aufweist, der an einer Oberseite eine Austrittsöffnung aufweist und der an seinem unterem Ende ein erstes mechanisches Sperrelement aufweist, dass der Hohlzylinder (5) einen Boden (6) mit einem darin integrierten zweiten mechanischen Sperrelement aufweist, über welches ein Transportfluid in eine Druckkammer (19) des Hohlzylinders (5) einleitbar oder aus dieser ausleitbar ist, wobei das erste mechanische Sperrelement an die Druckkammer (19) angrenzt, und dass ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb vorgesehen ist, mittels dessen Öffnungs- und Schließbewegungen vorgebbar sind, um das Transportfluid (B) durch den Kolbenhohlzylinder (8) zu fördern.
  2. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische oder hydraulische Antrieb von einer Steuereinheit (4) gesteuert wird.
  3. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (5) durch eine Trennwand (12) in einen oberen und unteren Raumbereich unterteilt ist, wobei nur in den oberen Raumbereich ein Arbeitsfluid (A) des pneumatischen oder hydraulischen Antriebs einführbar ist.
  4. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben zwei an der Außenseite des Kolbenhohlzylinders (18) befestigte Kolbenstempel (13, 14) aufweist, die an die Innenwand des Hohlzylinders (5) angrenzen und bezüglich dieser verschiebbar sind.
  5. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Kolbenstempel (13) im oberen Raumbereich des Hohlzylinders (5) angeordnet ist und diesen in eine obere und untere Arbeitskammer (15, 16) unterteilt.
  6. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des Hohlzylinders (5) sowohl im Bereich der oberen Arbeitskammer (15) als auch im Bereich der unteren Arbeitskammer (16) ein Einlass (17, 18) für die jeweilige Arbeitskammer (15, 16) vorgesehen ist.
  7. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Kolbenstempel (14) im unteren Raumbereich des Hohlzylinders (5) angeordnet ist und diesen in die Druckkammer (19) und eine weitere Kammer (20) unterteilt.
  8. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Kolbenstempel (14) am unteren Rand des Kolbenhohlzylinders (18) angeordnet ist, und/oder dass oberhalb des unteren Kolbenstempels (13, 14) in der Wand des Kolbenhohlzylinders (18) Öffnungen (21) vorgesehen sind, die die Kammer (20) mit dem Innenraum des Kolbenhohlzylinders (18) verbinden.
  9. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Sperrelemente jeweils von einer Klappe (10, 11) gebildet sind, wobei jede Klappe (10, 11) zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung bewegbar ist.
  10. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (12) in einer senkrecht zur Längsachse des Hohlzylinders (5) orientierten Ebene verläuft.
  11. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (12) eine zentrale Bohrung aufweist, in der der Kolbenhohlzylinder (8) verschiebbar geführt ist, wobei insbesondere die Grenzfläche zwischen dem Kolbenhohlzylinder (8) und dem Rand der Bohrung abgedichtet ist.
  12. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen zwischen den Kolbenstempeln (13, 14) und der Innenwand des Hohlzylinders (5) abgedichtet sind.
  13. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportfluid Wasser, insbesondere Grundwasser, ist, und/oder dass das Arbeitsfluid (A, B) Luft oder eine Hydraulikflüssigkeit ist.
  14. Kolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pumpvorgang mit einer Triggerphase eingeleitet ist, in welcher Arbeitsfluid (A) in die untere Arbeitskammer (16) eingeführt wird, wodurch der Kolbenhohlzylinder (8) ansteigt und dadurch in der Druckkammer (19) ein Unterdruck generiert wird, wodurch das zweite mechanische Sperrelement im Boden (6) des Hohlzylinders (5) geöffnet wird und Transportfluid in diese einströmt, und dass in einer auf die Triggerphase folgenden zweiten Phase Arbeitsfluid (A) aus der unteren Arbeitskammer (16) ausgeleitet und in die obere Arbeitskammer (15) eingeleitet wird, wodurch eine Abwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders (8) bewirkt ist.
  15. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Folge einer durch die Abwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders (8) bewirkten Druckerhöhung in der Druckkammer (19) das zweite mechanische Sperrelement geschlossen wird und das erste mechanische Sperrelement im Kolbenhohlzylinder (8) geöffnet wird, wobei Transportfluid durch das geöffnete erste mechanische Sperrelement und die Öffnungen (21) in der Wand des Kolbenhohlzylinders (8) in die weitere Kammer (20) gelangt.
  16. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während einer auf die zweite Phase folgenden dritten Phase durch Einleiten von Arbeitsfluid (A) in die untere Arbeitskammer (15, 16) der Kolbenhohlzylinder (8) nach oben bewegt wird, wobei das erste mechanische Sperrelement am Kolbenhohlzylinder (8) geschlossen wird, wobei durch die Aufwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders (8) der Druck in der weiteren Kammer (20) erhöht ist, wodurch Transportfluid (B) über die Öffnungen (21) in den Kolbenhohlzylinder (8) strömt und in diesem auch oben in Richtung der Austrittsöffnung an die Oberseite des Kolbenhohlzylinders (8) gefördert wird.
  17. Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Aufwärtsbewegung des Kolbenhohlzylinders (8) der Druck in der Druckkammer (19) reduziert wird, wodurch das zweite mechanische Sperrelement im Boden (6) des Hohlzylinders (5) geöffnet wird, so dass Transportfluid über das geöffnete zweite mechanische Sperrelement in der Druckkammer (19) einströmt.
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