GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Linearkolbenpumpe umfassend ein Gehäuse, in welchem einen Zylinder ausgebildet ist, eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpeneinheit umfassend eine Kolbenstange und einen daran angeordneten Kolben sowie eine Antriebseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die Pumpeneinheit in dem Zylinder hin- und her zu bewegen.

STAND DER TECHNIK

Linearkolbenpumpen arbeiten nach dem Verdrängerprinzip, das hinlänglich bekannt ist. Üblicherweise wird dabei während eines Kolbenhubs ein Fluid in das Volumen eines Zylinders gesaugt und im Zuge eines in die entgegensetzt stattfindenden Kolbenhubs und unter Druckerhöhung wieder aus dem Volumen des Zylinders entfernt.

Üblicherweise wird das Ein- und Ausströmen des Fluids aus und in das Volumen des Zylinders über Ventile gesteuert.

Eine besondere Stellung nehmen dabei LinearkoIbenpumpen ein, die im Zusammenhang mit der Wasseraufbereitung, insbesondere im Zusammenhang mit der Umkehrsosmose, Nanofiltration oder Ultrafiltration zum Einsatz kommen.

Die dort eingesetzten Linearkolbenpumpen dienen, neben der Druckerhöhung des Prozessfluids, auch der Verwertung von im Prozessfluid noch enthaltenen Exergie.

Im Zuge der Erzielung des Prozesszweckes (zB. Wasserentsalzung) erfährt das zuvor druckbeaufschlagte Prozessfluid lediglich eine geringfügige Druckreduzierung. Das derart (zum druckbeaufschlagten Prozessfluid) druckreduzierte Prozessfluid enthält aber weiterhin ausreichend Energie, genauer: Exergie Diese Exergie wird verwertet und trägt wiederum zur Druckbeaufschlagung des Prozessfluids bei, wodurch weniger Exergie in Form von Strom zugeführt werden muss. Derartige Linearkolbenpumpen wirken doppelseitig, dh. der Zylinder, in welchem der Kolben geführt ist, weist zu beiden Wirkseiten des Kolbens ein Arbeitsvolumen auf, welches vom Prozessfluid durchströmt wird. Während in einem der beiden Arbeitsvolumina das Prozessfluid druckbeaufschlagt wird, um außerhalb des Zylinders den Prozesszweck zu erfüllen, gibt in dem anderen Arbeitsvolumen das druckreduzierte Prozessfluid nach der Erfüllung des Prozesszwecks zumindest einen Teil der noch innewohnenden Exergie an den Kolben ab, und trägt so wiederum zur Druckbeaufschlagung des Prozessfluids im anderen Arbeitsvolumen des Zylinders bei.

Derartige Pumpen arbeiten sehr effizient. Ein Leistungsbedarf von <250 Watt ist dabei durchaus üblich. Ein Betrieb mit Solarstrom ist daher problemlos möglich, wodurch derartige Systeme bevorzugt auf Booten zur Meerwasserentsalzung zum Einsatz kommen.

US 2001/017278 Al, US 4637783 A oder US 5628198 A zeigen gattungsgemäße Linearkolbenpumpen.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Nachteilig bei diesen Systemen ist allerdings der Wartungsaufwand und hier insbesondere die Wartung der Ein- und Auslassventile.

Der Wartungsaufwand geht soweit, dass derartige Systeme oft lieber stillgelegt werden, bis ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um die erforderlichen Arbeiten vornehmen zu können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine doppelseitig wirkende Linearkolbenpumpe mit

Exergieverwertungsmöglichkeit vorzusehen, die einen einfachen, wartungsarmen Aufbau aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen

Linearkolbenpumpe dadurch gelöst, dass am Zylinder eine Gruppe von Eintrittsöffnungen und eine Gruppe von Austrittsöffnungen vorgesehen sind, über welche ein Prozessfluid in den und aus dem Zylinder strömen kann und der Kolben, vorzugsweise die Pumpeneinheit bestehend aus Kolben und Kolbenstange, um die Längsachse der Kolbenstange rotierbar angeordnet ist, um in Abhängigkeit des Drehwinkels des Kolbens bzw. der Pumpeneinheit mindestens eine Eintrittsöffnung der Gruppe von Eintrittsöffnungen und mindestens eine Austrittsöffnung der Gruppe von Austrittsöffnungen durch den Kolben zu blockieren bzw. freizugeben.

Das Verschließen und öffnen der Ein- und Austrittsöffnungen wird erfindungsgemäß nicht von Ventilen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, sondern durch den Kolben als solchen bewirkt. Der Kolben ist dabei so geformt, dass durch dessen Rotation im Zylinder mindestens eine Eintrittsöffnung freigegeben und gleichzeitig mindestens eine Austrittsöffnung blockiert wird und vice versa, wobei unter Blockieren der Vorgang verstanden wird, dass der Kolben dadurch ein Aus- oder Eintreten des Prozessfluids in den Zylinder verhindert.

Eine erfindungsgemäße Linearkolbenpumpe kommt daher mit lediglich einem beweglichen Bauteil aus, nämlich der Pumpeneinheit.

Die Gruppe von Eintrittsöffnungen kann dabei zwei oder mehr Eintrittsöffnungen sowie zwei oder mehr Austrittsöffnungen umfassen, wobei zumindest zwei dieser Ein- und zumindest zwei dieser Austrittsöffnungen in einem gemeinsamen Fluidaustauschabschnitt des Zylindermantels des Zylinders entlang dessen Zylinderumfang alternierend verteilt angeordnet sind. Unter gemeinsamem Fluidaustauschabschnitt des Zylindermantels ist dabei ein Abschnitt des Zylinders zu verstehen, dessen axiale Erstreckung von der Größe, Form und Anzahl der Ein- bzw Austrittsöffnungen abhängt. Bei mehreren Ein- und Austrittsöffnungen definieren die in Längsrichtung des Zylinders gesehen voneinander am weitesten entfernt liegenden Öffnungen die axiale Erstreckung des Fluidaustauschabschnittes des Zylindermantels.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem gemeinsamen Fluidaustauschabschnitt um eine Querschnittsebene des Zylinders. Das bedeutet, dass die Ein- und Austrittsöffnungen an im Wesentlichen gleicher axialer Position am Zylindermantel vorzugsweise mit einem Winkelabstand von 90 alternierend angeordnet sind, wobei unter alternierender Anordnung eine in einer Umfangsriehtung abwechselnde Anordnung verstanden wird, also Eintrittsöffnung-Austrittsöffnung-Eintrittsöffnung- Austrittsöffnung.

Es ist allerdings auch denkbar, den Versatz der Ein- und Austrittsöffnungen (den Winkelabstand zueinander) am Umfang des Zylinders grundsätzlich frei zu wählen.

Erfindungsgemäß weist der Kolben eine Form auf, die den Zylinder in je ein Arbeitsvolumen zu beiden Wirkseiten des Kolbens teilt. Außerdem weist der Kolben eine Form auf, die den Zylinder derart teilt, dass in jedem der beiden Arbeitsvolumina mindestens ein Eintrittsöffnung und mindestens eine Austrittsöffnung des gemeinsamen Fluidaustauschabschnitts angeordnet ist. Derart kann jedes Arbeitsvolumen sowohl mit der Hochdruckseite als auch der Niederdruckseite eines anschliessbaren Anlagenabschnitts verbunden werden, wobei ein Arbeitevolumen der Exergieverwertung dient, das andere der Druckbeaufschlagung des Prozessfluids.

Erfindungsgemäß ist es dabei weiters vorgesehen, dass der Kolben so im Zylinder anordenbar ist, dass die mindestens eine Eintrittsöffnung des einen Arbeitsvolumens und die mindestens eine Austrittsöffnung des anderen Arbeitsvolumens freigegeben sind, während die mindestens eine Austrittsöffnung des einen Arbeitsvolumens und die mindestens eine Eintrittsöffnung des anderen Arbeitsvolumens blockiert sind und umgekehrt.

Erfindungsgemäß ist es weiters vorgesehen, dass der Kolben von einer ersten Position in welcher die mindestens eine Eintrittsöffnung eines Arbeitsvolumens durch den Kolben freigegeben und die mindestens eine Austrittsöffnung desselben Arbeitsvolumens durch den

Kolben blockiert ist, in eine zweite Position, in welcher die mindestens eine Eintrittsöffnung des Arbeitsvolumens durch den

Kolben blockiert ist und die mindestens eine Austrittsöffnung des Arbeitsvolumens durch den Kolben freigegeben ist, rotierbar ist und umgekehrt. Bevorzugt ist die Antriebseinheit der Linearkolbenpumpe dazu eingerichtet, den Kolben in seinen beiden Totpunktlagen im Zylinder von der ersten in die zweite Position zu rotieren. Derart kann der zur Verfügung stehende Hubraum des Zylinders für die Druckbeaufschlagung des Prozessfluids bestmöglich ausgenutzt werden.

Zur Teilung des Zylinders in die beiden Arbeitsvolumina kann es vorgesehen sein, dass der Kolben aus einem zylindrischen Basiskörper mit zwei abgeflachten Mantelabschnitten aufgebaut ist, wobei jedes zwischen den abgeflachten Mantelabschnitten und der Zylinderinnenwand ausgebildete Volumen jeweils Teil eines der beiden Arbeitsvolumina ist. Geometrisch betrachtet handelt es sich bei den abgeflachten Mantelabschnitten um Schnittflächen, die entstehen, wenn der zylindrische Basiskörper des Kolbens mit Ebenen parallel zur Achse des Kolbens teilweise (nicht ganz} geschnitten wird, wobei die Schnittrichtung der einen Ebene gegenläufig zur Schnittrichtung der anderen Ebene verläuft.

Die so entstehenden Schnittflächen erstrecken sich daher nicht über die gesamte Länge des zylindrischen Basiskörpers sondern lediglich über eine Teillänge, so dass jeder abgeflachte Mantelabschnitt in einem axialen Endbereich des Basiskörpers direkt in die eine Stirnfläche des Kolbens übergeht, während im gegenüberliegenden axialen Endbereich des Basiskörpers jeweils ein stegförmiger Mantelabschnitt des Basiskörpers stehen bleibt und derart einen kreisbogenförmigen Absatz ausbildet, der in die andere Stirnfläche des Kolbens übergeht.

Die Anordnung der abgeflachten Mantelabschnitte an der Oberfläche des zylindrischen Basiskörpers richtet sich nach der Anordnung der Ein- und Austrittsöffnungen für das Prozessfluid am Zylinder, bevorzugt sind die beiden abgeflachten Mantelabschnitte jedoch einander gegenüberliegend an der Oberfläche des zylindrischen Basiskörpers angeordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Linearkolbenpumpenverbund vorgesehen, bei welchem mindestens zwei erfindungsgemäße Linearkolbenpumpen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei jede Linearkolbenpumpe einen Kolben aufweist und die beiden Kolben an einer gemeinsamen Kolbenstange angeordnet sind.

Es kann weiters vorgesehen sein, dass die beiden Kolben und die Kolbenstange von einer gemeinsamen Antriebseinheit sowohl translatorisch als auch rotatorisch bewegt werden, so dass jeder Kolben in einem Zylinder geführt ist.

Zwar ist es grundsätzlich denkbar, dass auch in diesem Fall einer oder beide der Kolben rotierbar an der Kolbenstange angeordnet sind und die Antriebseinheit lediglich für die lineare Bewegung des bzw. der Kolben in den Zylindern verantwortlich ist , allerdings gilt auch in diesem Fall, dass dann ein separater Antrieb für die Rotationsbewegung des bzw. der Kolben erforderlich wäre.

Die Auslegung des Verbundes kann dabei so gestaltet sein, dass die beiden im Verbund betriebenen Linearkolbenpumpen identisch sind, dh. dass die Zylinder und Kolben sowie die Anordnung der Ein- und

Austrittsöffnungen in den Fluidaustauschabschnitten der beiden Zylinder einander entsprechen.

Durch die Anordnung der beiden Kolben an einer gemeinsamen Kolbenstange befinden sich beide Kolben gleichzeitig in ihren jeweiligen Totpunktlagen im jeweiligen Zylinder. Das Freigeben und Blockieren, der jeweiligen Ein- und Austrittsöffnungen erfolgt, wie oben beschrieben, in den Totpunktlagen.

Nicht unerwähnt soll an dieser Stelle bleiben, dass es grundsätzlich denkbar ist, erfindungsgemäße LinearkoIbenpumpen im Verbund zu betreiben, dh. zwei Kolben an einer gemeinsamen Kolbenstange, die sich hinsichtlich Zylinder und Kolben sowie der Anordnung der Ein- und Austrittsöffnungen in den Fluidaustauschabschnitten der beiden Zylinder voneinander unterscheiden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es aber vorgesehen, dass sowohl der Zylinder der ersten LinearkoIbenpumpe des Linearkolbenpumpenverbundes als auch der Zylinder der zweiten Linearkolbenpumpe des Linearkolbenpumpenverbundes jeweils zwei ArbeiteVolumina aufweisen und jedes Arbeitsvolumen mindestens eine Äustrittsöffnung sowie mindestens eine Eintrittsöffnung aufweist und der jeweilige Kolben einer jeden Linearkolbenpumpe in Positionen bringbar ist, in welchen er die Eintrittsöffnung des einen ArbeitsVolumens blockiert und die Äustrittsöffnung desselben Arbeitsvolumens freigibt während er gleichzeitig die Austrittsöffnung des anderen ArbeitsVolumens blockiert und die Eintrittsöffnung des anderen Arbeitsvolumens freigibt.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die beiden Kolben der

Linearkolbenpumpen identische Form aufweisen aber zueinander verdreht, vorzugsweise um 90° verdreht an der Kolbenstange angeordnet sind, so dass bei identischer Anordnung der Ein- und Austrittsöffnungen an den beiden Zylinder, sowie identischer Verschaltung der Öffnungen, gleich verschaltete Öffnungen nie gleichzeitig freigegeben oder blockiert sind.

Die eingangs beschriebene Aufgabenstellung wird auch durch ein Verfahren zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten Prozessfluids gelöst, bei welchem im Zuge der Erfüllung der Prozesszwecke das druckbeaufschlagte Prozessfluid eine erste Druckreduzierung erfährt und das derart druckreduzierte Prozessfluid zwecks teilweiser Exergieverwertung eine weitere Druckreduzierung erfährt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst: ansaugen von Prozessfluid über mindestens eine erste Eintrittsöffnung in ein erstes Ärbeitsvolumen eines Zylinders bei gleichzeitigem Ausschieben von druckreduziertem Prozessfluid über mindestens eine zweite Austrittsöffnung aus einem zweiten Arbeitsvolumen des Zylinders durch lineares Verschieben eines Kolbens in dem Zylinder in eine erste Richtung verschließen der mindestens einen ersten Eintrittsöffnung und der mindestens einen zweiten Austrittsöffnung öffnen mindestens einer ersten Austrittsöffnung im ersten Arbeitsvolumen des Zylinders und mindestens einer zweiten Eintrittsöffnung im zweiten Arbeitsvolumen des Zylinders

• druckbeaufschlagen des Prozessfluids und bereitstellen des druckbeaufschlagten Prozessfluids durch Ausschieben aus dem ersten Arbeitsvolumen des Zylinders über die mindesten eine erste Austrittsöffnung bei gleichzeitigem Einschieben von prozessbedingt druckreduziertem Prozessfluid über die mindestens eine zweite Eintrittsöffnung in das zweite Arbeitsvolumen des Zylinders durch lineares Verschieben des Kolbens in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung verschließen der mindestens einen zweiten Eintrittsöffnung und der mindestens einen ersten Austrittsöffnung öffnen der mindestens einen ersten Eintrittsöffnung und der mindestens einen zweiten Austrittsöffnung

Wiederholung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte wobei das Verschließen und Öffnen der mindestens zwei ersten und mindestens zwei zweiten Eintritts- und Austrittsöffnungen durch

Rotieren des Kolbens im Zylinder erfolgt, um diese zu blockieren oder freizugeben.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Verschließen und öffnen der Eintritts- und Austrittsöffnungen durch Rotation des Kolbens, vorzugsweise in dessen Totpunktlagen im Zylinder.

KURZE _{BESCHREIBUNG DER FIGUREN}

Im Anschluss erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt

Fig.1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Linearkolbenpumpe entlang der Linie BB aus Fig.3 (1.

Totpunktläge) Fig.2 eine Detailansicht der Antriebseinheit der erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe

Fig.3 eine Schnittansicht entlang der Linie AA aus Fig.1 (1. Totpunktlage)

Fig.4 eine axonometrisehe Ansicht eines Kolbens einer erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe

Fig.5 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

LinearkoIbenpumpe entlang der Linie CC aus Fig.3 (1. Totpunktlage)

Fig.6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

LinearkoIbenpumpe entlang der Linie DD aus Fig»7

(2. Totpunktlage)

Fig.7 eine Visualisierung der Rotationsbewegung des Kolbens anhand einer Schnittansicht entlang der Linie EE aus

Fig.6 und Fig.8 (2. Totpunktläge)

Fig.8 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Linearkolbenpumpe entlang der Linie FF aus Fig.7

(2. Totpunktlage)

Fig.9 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Linearkolbenpumpe entlang der Linie GG aus Fig.7 (2. Totpunktlage)

Fig.10 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Linearkolbenpumpe entlang der Linie HH aus Fig.12

(1. Totpunktlage)

Fig.11 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

LinearkoIbenpumpe entlang der Linie II aus Fig.12

(1. Totpunktlage)

Fig.12 eine Visualisierung der Rotationsbewegung des Kolbens anhand einer Schnittansicht entlang der Linie EE aus Fig.il (1. Totpunktlage)

Fig.13 ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen

LinearkoIbenpumpenVerbunds Fig.14 ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen

LinearkoIbenpumpenVerbunds in einer um 90 ⁰ verdrehten

Schnittrichtung zu Fig.13

Fig.15 Prozess _S chaltbild Trinkwassererzeugung durch Umkehrosmose

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig.l zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe.

In einem Pumpengehäuse 1 ist ein einen Hubraum 2a ausbildender Zylinder 2 angeordnet, in welchem ein Kolben 3, der an einer Kolbenstange 4 fixiert ist und sich in seiner einen Totpunktlage befindet, linear verschiebbar gehalten ist.

Anstelle der Ausbildung des Hubraums 2a durch den separaten Bauteil 2 kann der Hubraum 2a auch durch das Gehäuse 1 selbst ausgebildet werden. Da der den Hubraum 2a ausbildende Bauteil 2 aus höherwertigem Material als das Gehäuse 1 gefertigt werden muss, ist es aus Kostengründen jedoch sinnvoll, den Hubraum 2a durch einen vom Gehäuse 1 verschiedenen, kleineren Bauteil 2 auszubilden.

Der Hubraum 2a des Zylinders 2 wird an seinem einen Ende durch eine Dichtschraube 28 abgeschlossen, die der Feineinstellung hinsichtlich Dichtheit dient, und an seinem anderen Ende durch ein Zylinderdichtpaket 5, durch welches die Kolbenstange 4 aus dem Zylinder 2 geführt ist. Bei dem Zylinderdichtpaket 5 kann es sich beispielsweise um eine Reihe von Lippendichtungen handeln. Sollte dennoch Ärbeitsfluid aus dem Hubraum 2a über das Zylinderdichtpaket 5 austreten, so kann dieses Leckwasser über die Leckwasseröffnung 29 an die Umgebung abgegeben werden. Die Lagerung des Kolbens 3 samt Kolbenstange 4 erfolgt über den Kolben 3 selbst.

Im Pumpengehäuse 1, benachbart zum Zylinderdichtpaket 5, befindet sich eine auf die Kolbenstange 4 wirkende Antriebseinheit 6, die dazu eingerichtet ist, die Kolbenstange 4 linear zu verschieben sowie zu rotieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden Kolbenstange 4 und der Kolben 3 eine Pumpeneinheit, bei welcher der Kolben 3 starr mit der Kolbenstange 4 verbunden ist. Zwar ist es, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen, grundsätzlich denkbar, dass der Kolben 3 rotierbar an der Kolbenstange 4 angeordnet ist, so dass die Antriebseinheit 6 lediglich dazu eingerichtet sein muss, die Kolbenstange 4 linear zu verschieben, allerdings wäre in diesem Fall für die Rotationsbewegung des Kolbens 3 ein separater Antrieb (nicht gezeichnet) vorzusehen, was mit einem komplexeren Aufbau und einem erhöhten Wartungsaufwand einer erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe einhergehen würde.

Die Antriebseinheit 6 ist in Fig.2 gemeinsam mit der Pumpeneinheit 3,4 im Detail dargestellt. Sie umfasst einen ersten Stator 7 samt Wicklungen, sowie einen zweiten Stator 8 samt

Wicklungen.

Am dem dem Kolben 3 gegenüberliegenden Endbereich der Kolbenstange 4 ist ein Läufer 9 befestigt, der durch die beiden Statoren 7,8 bewegt wird, wobei Stator 7 den Läufer 9 rotatorisch antreibt und Stator 8 den Läufer 9 translatorisch antreibt. Das Antriebsprinzip von elektrischen Rotationsmotoren sowie elektrischen Linearmotoren, bei welchen der Luftspalt des Rotationsmotors linear abgebildet ist, ist hinlänglich bekannt, weswegen es an dieser Stelle nicht ausführlich beschrieben wird. Grundsätzlich können aber alle Arten von elektrischen Antrieben zum Einsatz kommen.

Fig.3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie AA aus Fig.l.

Erkennbar weist der Zylinder 2 vier Öffnungen 10a,11a,12a,13a auf, die mit Versorgungsleitungen verbunden sind. Bei den beiden Versorgungsleitungen 10,13, kann es sich um Leitungen handeln, die den Hubraum 2a mit Prozessfluid versorgen. Bei den beiden Versorgungsleitungen 11,12 kann es sich um Leitungen handeln, über welche das Prozessfluid wieder aus dem Hubraum 2a abgeführt werden kann, so dass es sich bei den Öffnungen 10a und 13a um Eintrittsöffnungen handelt und beiden den Öffnungen 11a und 12a um Austrittsöffnungen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die beiden Eintriftsöffnungen 10a,13a sowie die beiden Austrittsöffnungen 11a,12a im Wesentlichen in einer

Querschnittsebene des Zylinders 2 oder genauer gesagt an der selben axialen Position der Zylinderachse, mit einem Winkelabstand von 90° zueinander entlang des Zylindermantels verteilt. Jener Bereich des

Zylinders 2, in welchem sich die Öffnungen 10a,11a,12a,13a befinden wird der Einfachheit wegen als Fluidaustauschabschnitt 14 bezeichnet, da über diesen Abschnitt der gesamte Austausch des

Prozessfluids mit dem Hubraum 2a des Zylinders 2 erfolgt.

Die axiale Erstreckung des Fluidaustauschabschnitts 14 ergibt sich dabei aufgrund der Geometrie sowie axialen Beabstandung der Öffnungen 10a,11a,12a,13a zueinander. So können die Öffnungen 10a,11a,12a,13a zueinander beispielsweise unterschiedliche

Positionen entlang der Zylinderachse einnehmen, wodurch der Fluidaustauschabschnitt 14 eine größere Länge als in den dargestellten Ausführungsbeispielen aufweisen kann.

Ebenso kann die Verteilung der Öffnungen 10a,11a,12a,13a entlang des Zylindermantels im Fluidaustauschabschnitt 14 des Zylinders 2 anders als in den dargestellten Ausführungsbeispielen gewählt werden, sodass die einzelnen Öffnungen zueinander entweder jeweils unterschiedliche Winkelabstände aufweisen können oder aber bspw. identische Winkelabstände <90°.

Zurückkommend auf Fig.l zeigt diese die Eintrittsöffnung 10a samt Versorgungsleitung 10 sowie die Austrittsöffnung 11a samt Versorgungsleitung 11. Nicht ersichtlich ist die Eintrittsöffnung 13a samt Versorgungsleitung 13 sowie die Austrittsöffnung 12a samt Versorgungsleitung 12, da sich diese hinter bzw. vor der Zeichenebene befinden.

Der Kolben 3 teilt den Hubraum 2a in zwei Arbeitsvolumina 2ai,2a ₂ , wobei die Form des Kolbens 3 so gewählt ist, dass in jedes Arbeitsvolumen 2ai,2a ₂ jeweils eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung mündet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind daher die Eintrittsöffnung 10a samt Versorgungsleitung 10 sowie die Austrittsöffnung 12a samt Versorgungsleitung 12 mit dem Arbeitsvolumen 2a ₂ verbunden _, während die Eintrittsöffnung 13a samt Versorgungsleitung 13 und die Austrittsöffnung 11a samt Versorgungsleitung 11 mit dem Arbeitsvolumen 2ai verbunden sind. Grundsätzlich sind unterschiedlichste Kolbenformen denkbar, um die beschriebene Teilung des Hubraums 2a in die beiden

Arbeitsvolumina 2a _x ,2a ₂ zu ermöglichen.

Als besonders vorteilhaft, weil einfach zu fertigen, hat es sich erwiesen, dem Kolben 3 eine Form zu geben, gemäß welcher dieser aus einem zylindrischen Basiskörper 3c besteht, der in zwei Bereichen jeweils einen abgeflachten Mantelabschnitt 3a,3b aufweist, wie dies in Fig.4 dargestellt ist. Unter einem abgeflachten Mantelabschnitt wird ein Abschnitt des Kolbenmantels verstanden, in welchem der Abschnitt einen geringeren Abstand zur Kolbenachse 3f aufweist als in dazu benachbarten Abschnitten des Kolbens 3. Das sich dadurch zwischen dem abgeflachten Mantelabschnitt 3a,3b und der Innenwand des Zylinders 2 ausbildende Volumen 15 (siehe zB. Fig.1) ist Bestandteil des jeweiligen Arbeitsvolumens 2a: _, 2a ₂ . Auf die Oberflächenform des abgeflachten Mantelabschnitts 3a,3b kommt es dabei nicht an, dh. diese kann flach oder gekrümmt ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den abgeflachten Mantelabschnitten 3a,3b jedoch um ebene Flächen, wie dies auch in Fig.4 dargestellt ist.

Diese entstehen, wenn der zylindrische Basiskörper 3c mit Ebenen parallel zur Achse 3f des Kolbens 3 teilweise (nicht ganz) geschnitten und die derart abgetrennten, äußeren Teile des Mantels des Kolbens 3 entfernt werden, wobei die Schnittrichtung der einen Ebene gegenläufig zur Schnittrichtung der anderen Ebene verläuft.

Die so entstehenden abgeflachten Mantelabschnitte 3a,3b erstrecken sich nicht über die gesamte Länge des zylindrischen Basiskörpers 3c sondern lediglich über eine Teillänge desselben, so dass der abgeflachte Mantelabschnitt 3a in einem axialen Endbereich des Basiskörpers 3c direkt in die Stirnfläche 3d ₂ des Kolbens 3 übergeht, während im gegenüberliegenden axialen Endbereich des Basiskörpers 3c, der abgeflachte Mantelabschnitt 3a durch einen kreisbogenförmigen Mantelabschnitt 3e _x des Basiskörpers 3c von der Stirnfläche 3d _x getrennt ist. Der abgeflachte Mantelabschnitt 3b hingegen wird durch einen kreisbogenförmigen Mantelabschnitt 3e ₂ von der Stirnfläche 3d ₂ des Kolbens 3 getrennt und geht in die gegenüberliegende Stirnfläche 3d ₂ über _.

Beide Stirnflächen 3di,3d ₂ sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel konisch ausgeführt, können aber grundsätzlich beliebige Form aufweisen, insbesondere ebenflächig geformt sein.

Der Kolben 3 weist demnach auf jeder seiner beiden Wirkseiten einen Kolbenboden (jene Abschnitte des Kolbens, die mit dem Prozessmedium in Kontakt stehen) auf, der sich zusammensetzt aus der jeweiligen Stirnfläche 3di,3d ₂ des Kolbens 3 sowie dem in die jeweilige Stirnfläche 3di,3d ₂ übergehenden, abgeflachten Mantelabschnitt 3a bzw. 3b und einem Steg 3g _lf 3g ₂ der beiden kreisbogenförmigen Mantelabschnitte 3e ₂ ,3e ₂ .

Der Winkelabstand der Mantelabschnitte 3a,3b zueinander richtet sich nach der Anordnung der Ein- und Austrittsöffnungen im Zylinder 2, die im gegenständlichen Ausführungsbeispiel, wie oben erwähnt, keinen Abstand in Richtung der Kolbenachse 3f betrachtet, zueinander aufweisen und in Umfangsrichtung des Zylinders 2 betrachtet einen

Winkelabstand von 90° zueinander aufweisen, sowie deren Beschaltung mit Prozessfluid.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kolben 3 so gestaltet, dass die abgeflachten Mantelabschnitte 3a,3b in Bezug auf die Kolbenachse 3f einander gegenüber liegen.

In Fig.3 ist ein derart geformter Kolben 3 im Zylinder 2 einer erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe im Schnitt ersichtlich. In der dargestellten Position des Kolbens 3 ist die Versorgungsleitung 10 über die Eintrittsöffnung 10a mit dem Arbeitsvolumen 2a ₂ verbunden (siehe auch Fig.l). Das Arbeitsvolumen 2ai ist in dieser Stellung des Kolbens 3 über die Austrittsöffnung 11a mit der

Versorgungsleitung 11 verbunden. Die Mantelflächen 3a,3b sind entsprechend so gedreht, dass sie sich vor der Eintrittsöffnung 10a und vox der Austrittsöffnung 11a befinden. Über die Versorgungsleitung 10 und die Eintrittsöffnung 10a kann daher Prozessfluid in das Arbeitsvolumen 2a ₂ eintreten, während aus dem Arbeitsvolumen 2a ₂ Prozessfluid über die Ausströmöffnung 11a in die Versorgungsleitung 11 austreten kann.

Fig.5 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe entlang der Linie CC aus Fig.3. Anders als in Fig.l ist in Fig.5 die Versorgungsleitung 13 sowie die Versorgungsleitung 12 sichtbar. Über die Versorgungsleitung 13 und die Eintrittsöffnung 13a kann, wie weiter oben beschrieben, der Hubraum 2a mit Prozessfluid versorgt werden, während das Prozessfluid über die Austrittsöffnung 12a an die Versorgungsleitung 12 abgegeben werden kann.

Während, wie aus Fig.l und Fig.3 ersichtlich, die Eintrittsöffnung 10a und die Austrittsöffnung 11a in dieser Stellung des Kolbens 3 freigegeben sind, sind die Eintrittsöffnung 13a und die Austrittsöffnung 12a durch den Kolben 3 in dieser Stellung blockiert. In der in den Fig.l,3 und 5 dargestellten Position des Kolbens 3 kann daher Prozessfluid über die Eintrittsöffnung 10a in das Arbeitsvolumen 2a ₂ strömen und Prozessfluid auch über die

Austrittsöffnung 11a aus dem Arbeitsvolumen 2a-; strömen, ein Einströmen von Prozessfluid in das Arbeitsvolumen 2a ₂ über die

Eintrittsöffnung 13a ist allerdings ebensowenig möglich, wie ein Ausströmen von Prozessfluid aus dem Arbeitsvolumen 2a ₂ über die Austrittsöffnung 12a.

Um Prozessfluid über die Versorgungsleitung 10 und die Eintrittsöffnung 10a in das Arbeitsvolumen 2a ₂ zu befördern, kann der Kolben 3 von seiner in Fig.l gezeigten Totpunktlage in Richtung des Richtungspfeils 16 in seine andere Totpunktlage bewegt werden. Gleichzeitig wird Prozessfluid durch die Austrittsöffnung 11a aus dem Arbeitsvolumen 2ai in die Versorgungsleitung 11 gedrückt.

Fig.6 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Linearkolbenpumpe mit dem Kolben 3 in der anderen Totpunktlage, die er durch Bewegung des Kolbens in Richtung des Richtungspfeils 16 erreicht hat. In dieser Position des Kolbens 3 ist die Eintrittsöffnung 10a immer noch freigegeben, das Arbeitsvolumen 2a _z ist komplett mit Prozessfluid gefüllt. Auch die Austrittsöffnung 11a ist in dieser Position des Kolbens 3 immer noch freigegeben.

Durch Rotation des Kolbens 3 in dieser Totpunktlage um 90°, wie dies in Fig.7 dargestellt ist, kann die Eintrittsöffnung 10a sowie die Austrittsöffnung 11a blockiert werden (Fig.8) und gleichzeitig die Eintrittsöffnung 13a sowie die Austrittsöffnung 12a freigegeben werden (Fig.9).

Durch die darauffolgende Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Richtungspfeils 17 kann nun über die Versorgungsleitung 13 und die Eintrittsöffnung 13a Prozessfluid in das Arbeitsvolumen 2a _j strömen, während Prozessfluid aus der Austrittsöffnung 12a in die Versorgungsleitung 12 gedrückt wird.

Die Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Richtungspfeils 17 endet in dessen erster Totpunktlage, wie diese aus Fig.10 und Fig.11 ersichtlich ist. In der in Fig.10 gezeigten Stellung des Kolbens 3 sind sowohl die Eintrittsöffnung 13a in das Arbeitsvolumen 2ai als auch die Austrittsöffnung 12a aus dem Arbeitsvolumen 2a ₂ immer noch freigegeben und damit geöffnet, während die Eintrittsöffnung 10a in das Ärbeitsvolumen 2a ₂ und die Austrittsöffnung 11a aus dem Arbeitsvolumen 2a ₂ durch den Kolben 3 blockiert und damit verschlossen sind (Fig.11).

Durch Rotation des Kolbens 3 um 90 ⁰ wie dies in Fig.12 dargestellt ist (in entgegengesetzter Richtung zur in Fig.7 dargestellten Rotation), kann dieser wieder in seine in den Fig.1,3 und 5 dargestellte Ausgangsposition gebracht werden, wodurch die Eintrittsöffnung 13a und die Austriftsöffnung 12a blockiert und damit verschlossen werden und die Eintrittsöffnung 10a und die Austrittsöffnung 11a freigegeben und damit geöffnet werden. LINEARKOLBENPUMPENVERBUND

Fig.13 und Fig.14 zeigen zwei um 90° zueinander verdrehte Längsschnitte einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei erfindungsgemäße Linearkolbenpumpen im Verbund betrieben werden. Hierzu ist ein verlängertes Gehäuse 1' vorgesehen, das neben der Antriebseinheit 6', die der Antriebseinheit 6 entsprechen kann, sowie einem Zylinder 2', der dem Zylinder 2 entsprechen kann, sowie einem Kolben 3', der dem Kolben 3 entsprechen kann, einen weiteren Zylinder 18 aufnehmen kann. Der Aufbau des Zylinders 18 kann, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, ebenfalls jenem des Zylinders 2 entsprechen, dh es sind jeweils zwei Eintritts- und zwei Austrittsöffnungen in einem Fluidaustauschabschnitt des Zylinders 18 vorgesehen, die in Bezug auf den Zylinder 18 identisch zur Anordnung der mindestens zwei Eintritts- und zwei Austrittsöffnungen 10a,11a,12a,13a im Fluidaustauschabschnitt 14 des Zylinders 2 angeordnet sein können.

Der im zweiten Zylinder 18 linear und rotatorisch gehaltene Kolben 19, der die Form und Geometrie betreffend dem Kolben 3 entsprechen kann, ist an einer Kolbenstange 4' fix angeordnet, so dass die Pumpeneinheit im Fall eines Linearkolbenpumpenverbunds aus der Kolbenstange 4' sowie den beiden daran angeordneten und in den Zylindern 2',18 geführten Kolben 3',19 besteht.

Diese Pumpeneinheit 3',4',19 wird von der Antriebseinheit 6' linear und rotatorisch angetrieben.

Durch die gemeinsame Anordnung der beiden Kolben 3 ¹ ,19 an der Kolbenstange 4' erfolgt die Bewegung der beiden Kolben synchron, so dass sich beide Kolben 3',19 gleichzeitig in deren Totpunktlagen befinden und durch Rotieren in diesen Totpunktlagen die Ein- und Austrittsöffnungen sowohl des Zylinders 2' als auch des Zylinders 18 freigeben bzw. blockieren.

Hierbei ist es vorgesehen, dass gleich verschaltete Eintrittsöffnungen und gleich verschaltete Austrittsöffnungen (gleiche Öffnungen) nie gleichzeitig freigegeben bzw. blockiert werden. Unter gleich verschalteten Ein- und Austrittsöffnungen werden Öffnungen verstanden, die mit den gleichen Versorgungsleitungen 10',11',12',13' verbunden sind.

Jeder der beiden Zylinder 2',18 bildet einen Hubraum 2a',18a aus, Jeder Kolben 3',19 teilt den zugeordneten Zylinder 2',18 in jeweils zwei Arbeitsvolumina. Kolben 3' teilt den Zylinder 2' in die Arbeitsvolumina 2a ₁ ',2a ₂ ' Kolben 19 teilt den Zylinder 18 in zwei Arbeitsvolumina 18ai und 18a ₂ . Jedes Arbeitsvolumen ist über Ein- und Austrittsöffnungen mit Versorgungsleitungen 10',11',12',13' verbunden.

Je nach Position des Kolbens 3' kann Arbeitsvolumen 2a ₂ ' entweder über die Eintrittsöffnung 10a" mit der Versorgungsleitung 10' und Arbeitsvolumen 2ai' über die Austrittsöffnung 11a' mit der

Versorgungsleitung 11' verbunden werden oder aber kann das Arbeitevolumen 2a _j ' über die Eintrittsöffnung 13a' mit der Versorgungsleitung 13 und das Arbeitsvolumen 2a ₂ ' über die Austrittsöffnung 12a' mit Versorgungsleitung 12.

Gleichzeitig kann entweder das Arbeitsvolumen 18a ₂ über eine Eintrittsöffnung 20a ebenfalls mit der Versorgungsleitung 10' verbunden und Arbeitsvolumen 18ai über eine Austrittsöffnung 21a ebenfalls mit der Versorgungsleitung 11' verbunden werden oder aber kann das Arbeitsvolumen ISa _j über eine Austrittsöffnung 22a ebenfalls mit der Versorgungsleitung 12' verbunden werden und Arbeitsvolumen 18bc über eine Eintrittsöffnung 23a mit Versorgungsleitung 13'.

Bei den Eintrittsöffnungen 10a',20a handelt es sich somit um gleich verschaltete Öffnungen, da sie beide mit der Versorgungsleitung 10’ verbunden sind. Ebenso handelt es sich bei den Austrittsöffnungen 11a 21a um gleich verschaltete Öffnungen, da beide mit der Versorgungsleitung 11' verbunden sind.

Weiters sind als gleich verschaltete Öffnungen die Austrittsöffnungen 12a',22a anzusehen, da beide mit der Versorgungsleitung 12' verbunden sind, sowie die Eintrittsöffnungen 13a 23a, da beide mit der Versorgungsleitung 13' verbunden sind. Erkennbar können die Kolben 3',19 der beiden Linearkolbenpumpen identisch ausgebildet aber um 90 ⁰ verdreht an der Kolbenstange 4' angeordnet sein. Dadurch sind in gleiche Versorgungsleitungen 10',11',12',13' mündende Öffnungen nie gleichzeitig freigegeben oder blockiert.

UMKEHROSMOSE

Während eine erfindungsgemäße Linearkolbenpumpe grundsätzlich für unterschiedliche Einsatzzwecke eingesetzt werden kann, ist ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet die Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser (Prozessfluid) mittels Umkehrosmose, Die hierbei zum Einsatz kommenden Systeme sollen möglichst energieeffizient sein und klein bauen, da auf Booten und Schiffen weder Platz noch Energie in beliebigem Ausmaß zur Verfügung steht.

Durch prozessspezifische Beschickung (Verschaltung) der Eintrittsöffnungen 13a,1la sowie der Austrittsöffnungen 10a,12a mit Prozessfluid kann die erfindungsgemäße LinearkoIbenpumpe sehr einfach zur Trinkwassererzeugung eingesetzt werden.

Fig.15 ist ein ProzessSchaltbild, das den Einsatz einer erfindungsgemäßen (nicht im Verbund geschalteten) Linearkolbenpumpe in einem Prozess zur Trinkwasserherstellung (Prozesszweck) zeigt.

In dem Prozessschaltbild ist die schematisch dargestellte erfindungsgemäße LinearkoIbenpumpe mit dem BezugsZeichen 24 gekennzeichnet.

Ebenfalls rein schematisch dargestellt sind die Ein- und Austrittsöffnungen 10a,11a,12a,13a, der Hubraum 2a, der Kolben 3 samt Kolbenstange 4 sowie die Antriebseinheit 6 der Linearkolbenpumpe.

Außerdem schematisch dargestellt sind eine Salzwassereinheit 25, ein Membranmodul 26 sowie eine Desinfektionseinheit 27. Das Membranmodul 26 umfasst in an sich bekannter Weise eine für die Durchführung des Umkehrosmoseprozesses erforderliche, semipermeable Membran, welche das Prozessfluid vom Reinwasser (Permeat) trennt. Durch Erhöhung des Drucks auf der Prozessfluidseite über dessen osmotischen Druck beginnt ein Flüssigkeitsfluss durch die Membran. Das so entstehende Permeat, welches in der Desinfektionseinheit 27 zu Trinkwasser fertig aufbereitet wird, ist im Wesentlichen frei von den zu filternden, gelösten Feststoffen, die entlang der Membran weitertransportiert werden, diese aber nicht durchdringen. Die Konzentration des Prozessfluids nimmt daher zu, dessen Druck nimmt allerdings prozessbedingt nur geringfügig ab, weshalb das Prozessfluid nach dem Verlassen des Membranmoduls 26 (auch Brine genannt) verwertbare Exergie aufweist.

Das Prozessfluid, im gegenständlichen Ausführungsbeispiel Meerwasser, wird mittels der Meerwassereinheit 25, welche zur Unterstützung auch eine energieeffiziente Niederdruckspeisepumpe umfassen kann, um das System zu starten, in den Hubraum 2a des Zylinders 2 gefördert.

Der Kolben 3 der LinearkoIbenpumpe befindet sich zu diesem Zeitpunkt in einer Stellung wie es in den Fig.1,3 und 5 dargestellt ist. Durch Bewegung des Kolbens in Richtung des Richtungspfeils 16 strömt über die Versorgungsleitung 10 und die Eintrittsöffnung 10a Meerwasser in das Arbeitsvolumen 2a ₂ des Zylinders 2. Die Eintrittsöffnung 13a in das Arbeitsvolumen 2ai sowie die Austrittsöffnung 12a aus dem Arbeitsvolumen 2a ₂ sind vom Kolben 3 blockiert und damit geschlossen.

Nach Erreichen seiner TotpunktStellung wie in Fig.6 dargestellt und Rotation des Kolbens 3 in die in Fig.8 und 9 dargestellten Positionen erfolgt nun eine Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Richtungspfeils 17 , wodurch das Meerwasser im Arbeitsvolumen 2a ₂ mit Druck beaufschlagt wird. Die hierfür nötige Exergie liefert einerseits die Antriebseinheit 6 andererseits die sich im Arbeitsvolumen 2a _x befindliche Brine, die im Zuge der Bewegung des Kolbens 3 in Richtung des Richtungspfeils 17 über die Eintrittsöffnung 13a in das Arbeitsvolumen 2a _: einströmt.

Das nunmehr druckbeaufschlagte Meerwasser strömt in weiterer Folge über die Versorgungsleitung 12 in das Membranmodul 26, von wo der die Membran durchdringende Anteil (Permeat) dem Desinfektionsmodul 27 zugeleitet wird und das nunmehr höher konzentrierte, druckreduzierte Prozessfluid (Brine) über die

Versorgungsleitung 13 und die Eintrittsöffnung 13a dem Arbeitsvolumen 2a _! zugeführt wird, wo es aufgrund der immer noch vorhandenen Exergie, wie oben beschrieben, Arbeit am Kolben 3 verrichten kann, welche zur Druckbeaufschlagung des Meerwassers im Arbeitsvolumen 2a ₂ beiträgt, bevor es (die Brine) über die Auslassöffnung 11a in die Versorgungsleitung 11 strömt und von dort an die Umgebung abgegeben wird.

Die Durchführung der Umkehrosmose kann ebenso unter Einsatz eines Linearkolbenverbunds wie oben beschrieben durchgeführt werden, Die in Fig.15 mit den Bezugszeichen 10,11,12,13 gekennzeichneten Versorgungsleitungen entsprechen dann den mit den Bezugszeichen 10',11',12',13' gekennzeichneten Leitungen aus den Fig.13,14.

BEZUGSZEICHENLI STE

1 Gehäuse

1 ' Gehäuse

2 Zylinder

2a Hubraum Zylinders 2

2a ₁ Arbeitsvolumen des Hubraums 2a

2a ₂ Arbeitsvolumen des Hubraums 2a

2 ' Zyl inder

2a ' Hubraum des Zylinders 2

2 a ₁ Arbeit s volumen des Zylinders 2

2a ₂ ' Arbeitsvolumen des Zylinders 2 '

3 Kolben

3a abgeflachter Mantelabschnitt des Kolbens 3

3b abgeflachter Mantelabschnitt des Kolbens 3

3 c zyl indrischer Basiskörper des Kolbens 3

3 d ₁ Stirnfläche des Kolbens 3

3d ₂ Stirnfläche des Kolbens 3

3e ₁ kreisbogenförmiger Mantelabschnitt des Kolbens 3

3e ₂ kreisbogenförmiger Mantelabschnitt des Kolbens 3

3f Kolbenachse

3g ₁ Steg

3g ₂ Steg

3 ' Kolben 4 Kolbenstange

4* Kolbenstange

5 ZylInderdichtpaket

6 Antriebseinheit

6 Antriebseinheit

7 Stator

8 Stator

9 Läufer

10,10' Versorgungsleitung

10a,10a' Eintrittsöffnung

11,11' Versorgungsleitung 11a,11a' Austrittsoffnung 12,12' Versorgungsleitung 12a,12a' Austrittsöffnung 13,13' Versorgungsleitung 13a,13a' Eintrittsöffnung

14 Fluidaustauschabschnitt

15 Volumen (Teil des Arbeitsvolumens eines Zylinders)

16 Bewegungsrichtung des Kolbens

17 Bewegungsrichtung des Kolbens

18 Zylinder

18a Hubraum des Zylinders 18

ISax Arbeitsvolumen des Zylinders 18 a ₂ Arbeitsvolumen des Zylinders 18

Kolben a,23a Eintrittsöffnung a,22a Austrittsöffnung

LinearkoIbenpumpe Meerwassereinheit

Membranmodul

Desinfektionseinheit

Dichtschraube

Leckwasseröffnung