CN100591913C - 类连通器结构的浮力提水机 - Google Patents

Abstract

一种利用电能控制阀门的开与关，改变水的流向，从而人为制造类连通器结构底部压力不平衡，迫使特殊结构的变形活塞由筒壁状变为空鼓状上浮，从而提高水位的一种水利机械设备。该设备由变形活塞、类连通器结构的壳体、进出水口、导气管、电控阀门等组成。变形活塞装配在类连通器结构的主壳体中，分为上下两部分，上部是有底无盖的筒体，底部设有阀门，下部类似立起的杠铃，上下底均设有阀门，在电控作用下，阀门可开启或闭合。利用水流调整外部压力，变形活塞可在筒壁状和空鼓状两种状态之间变化，在类连通器结构的主壳体中上浮或下沉，将自然水面提高至一个较高的平面。本发明节能、环保、提水效率高，完全能替代现有大型提水站。

Description

类连通器结构的浮力提水机

技术领域

本发明提出的“类连通器结构的浮力提水机”，是利用少量电能控制阀门的开与关，从而控制水的流动与终止，再利用连通器底端压强平衡的原理，以及自然界中浮力现象，将水从低处提至高处。本发明属于水利机械设施设备类型开发的技术领域。

背景技术

水资源的不平衡制约了国家经济的发展，严重影响少水地区人民的生活、生产，危及人民生存安全，国家下大力投巨资实施南水北调，平衡水资源，是国家实现长治久安的重大决策。目前，南水北调采用多级提水站，利用电能或机械能推动水泵，把水从低处提至高处，再输送至于旱少水地区。该方法优点是技术成熟，缺点是投资大，耗能高，效能低。也有专利技术利用一部分水下落的重力产生动力，带动提水设备使另一部分水提升，例《落水转换自动提水机、机组、机群》等，中国发明专利号为02129275.5、200510075084.6，均是采用这种方法。这类专利的优点是设备简单，但有两大弊端，一是建设地点有较大的局限性，它必须建在上下水位落差较大的水库、水坝等位置，水自上向下流动才能产生足够的动力将另一部分水向上提升；二是提水效率低，不考虑任何磨擦或能量损耗，假设50％的水下落能将另外50％的水提升，第一级水的提升比是总水量的50％，若采用上述方法继续将提升上去50％的水做第二级提升，则提升水量只有总水量的25％，若做第三级提升，则降为12.5％，每增加一级，提升的水量则下降一半。

发明内容

发明目的：为克服现有提水设施设备能耗高、效能低、使用地点受局限的不足，本发明另劈渠道，利用连通器底端压力平衡的原理，借用自然界中永恒的浮力，用较小的电能控制，提升较大水量，节能、环保、结构简单，只要有水就能使用，不受地理环境的制约，以达到安全节能、提水多、效率高的目的。本发明所需材料普通，结构简单，易于维护，故障率低，完全能取代现有大型提水设施设备。

技术方案：本发明的基础原理是连通器底部压力平衡，在如图1所示连通器中加入的液体为自然水，连通器左侧在自然水位以下，水源充足，右侧底部放入一个总体积重量的比重为0.1的可活动空鼓状活塞，则连通器两边液面存在高差。假设活塞高度为20米(重量相当于水柱高2米)，根据压力平衡的计算规则，右侧的液面将高出左侧液面18米。若在右侧液面下(例17米处)开口，导出右侧液体，则，连通器底部压力又不平衡，左侧压力大于右侧压力，不平衡的压力迫使空鼓状活塞上浮以及右侧液体继续流出，形成流体。这样，该结构相当于将液体提高了17米。若在空鼓状活塞上浮至右侧液面顶部后，通过控制将空鼓状活塞变为筒壁状活塞，并使活塞下沉至右侧液体底部，因筒壁状活塞中间是空的，所以下沉中不影响液体流动，在底部，再让筒壁状活塞变为空鼓状活塞，比重仍是上面提及的0.1，这样，因压力不平衡，右侧空鼓状活塞上浮，将推动连通器右侧的液体提升17米高度后继续流出。如此往复，该提水运动将形成连续的水流。

本发明的关键是制作变形活塞，即让筒壁状活塞通过控制变为空鼓状活塞，反过来，在空鼓状活塞上浮至液体顶部后，又由空鼓状活塞通过控制变为筒壁状活塞。该活塞主要分为两大部分，一是活塞上部，二是活塞下部。活塞上部的形状是一个有底无盖的筒体，底面上设计有导通的孔洞及电控阀门，底面的阀门可通过电控形成导通或者关闭的状态。阀门导通时，活塞上部则形成一个筒体，液体能够自上至下或者自下至上自由流动，阀门关闭时，上下液体不能流动。活塞下部形似举重运动员使用的杠铃，分为上底、推杆、下底，推杆通过活塞上部导通的孔洞，可带动上、下底上下运动，上、下底上均有电控阀门，阀门导通时，液体能够自上至下或者自下至上自由流动，阀门关闭时，上下液体不能流动。

变形活塞变形的原理是：一是筒壁状活塞变为空鼓状活塞。在连通器底部预设部位，活塞上部及下部的3组阀门全部关闭，在连通器的左侧加入一启动水柱，水的压力通过连通器的底部压迫变形活塞下部的下底，使下底通过推杆推动上底，整个活塞下部沿活塞上部筒壁向上移动，同时从外部导入空气，至活塞下部的下底与活塞上部的下底紧密接触时，筒壁状活塞则变为空鼓状活塞了。空鼓状活塞会依据上文所述的原理，向上浮动，提高水位。二是空鼓状活塞变为筒壁状活塞。空鼓状活塞上浮至液体顶部后，通过电控，变形活塞上部的1组阀门、下部的2组阀门全部打开，液体可自上至下自由流动，这样变形活塞中的空气会被水替代，空鼓状活塞则变为筒壁状活塞。因制作变形活塞材料的比重大于水，变形活塞由于重力原因，会由液体顶部下沉至连通器底部预设部位，等待下一轮筒壁状活塞变为空鼓状活塞控制的产生。这样周而复始，变形活塞不断由筒壁状变为空鼓状，上浮将液面提高，又在液面顶部时由空鼓状变为筒壁状，下沉至连通器底部，等待再次变为空鼓状上浮。

本发明的控制方法是利用阀门的开启或关闭，控制水的流向与压力，从而控制变型活塞在筒壁状和空鼓状两种形态之间的变化，以达到上浮，提升液体的目的。

有益效果：本发明能在任何有水源的地方使用，不需要流水落差等产生动力，不损耗总水量，即可将自然水面提高至另一个较高平面，再通过引流导管或沟渠流向需要使用水源的地方。假设连通器深200米，变形活塞呈空鼓状活塞时高为20米，呈筒壁状活塞时高则为40米，则每运行一次提水160米，扣除启动水流20米，每次净提水140米。若活塞顶面积按20平方米计算，活塞每天运行100次，则一部该设备一天可将280000立方米(140×20×100)的水提高17米，加大设备尺寸，则提水量更大。若是多台设备并列运行，提水量将是非常大的。若采用多级提水的方式，本发明理论上可任意提高水面的高度，服务社会，造福人类。若是在国家实施的南水北调中使用本发明，替代所有提水站，节能效果非常显著，能产生无可估量的经济和社会效益，有可能使沙漠变绿洲，放眼世界，有可能使干渴的非洲变成草肥水美的粮仓。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是原理示意图；

图2是变形活塞构造示意图；

图2-1是变形活塞变为筒壁状活塞后的立体图；

图2-2是变形活塞变为筒壁状活塞后的仰视图；

图2-3是变形活塞变为筒壁状活塞后的剖切图；

图2-4是变形活塞变为空鼓状活塞后的剖切图；

图2-5是变形活塞上部仰视图；

图2-6是变形活塞下部立体图；

图3是产生浮力示意图；

图4是运行示意图；

图5是下沉示意图；

图6是水的流向示意图；

图6-1是变形活塞产生浮力(图3)状态时，水的流向示意图；

图6-2是变形活塞运行(图4)状态时，水的流向示意图；

图6-3是变形活塞下沉(图5)状态时，水的流向示意图。

图中：1.自然水面，2.进水口，3.提高后水面，4.出水口，5.连通器主壳体，6.空鼓状活塞，7.上部壳体，8.上部下底，9.通气口，10.中间孔洞，11.下部上底，12.推杆，13.下部下底，14.阀门A，15.阀门B，16.阀门C，17.阀门D，18.阀门E，19.阀门F，20.阀门G，21.通气管，22.通气管开关，23.呼吸口，24.下部卡子，25.上部卡子，26.筒壁状活塞，27.连通器调压壳体，28.连通器辅助壳体。

具体实施方式

图1是原理示意图，说明空鼓状活塞6在连通器主壳体5中，能够提高水位。实施方式是：进水口2在自然水面1下方，自然水面1通过进水口2流入连通器调压壳体27、主壳体5中，调压壳体27与主壳体5下部有互通的连接口，空鼓状活塞6装配在连通器主壳体5下部，设空鼓状活塞6总体积比重为0.1，远小于水的比重1.0，若空鼓状活塞6总高20米，根据连通器底部压力平衡原理，连通器主壳体5的水面将比自然水面1高18米，即提高后的水面3比自然水面1高出18米，若在提高后水位3下侧1米处开一出水口4，将提高后的水引出，则连通器底部压力又不平衡，调压壳体27底部的压力大于主壳体5底部的压力，不平衡的压力迫使空鼓状活塞6上浮，推动连通器主壳体5中、空鼓状活塞6上部的水继续从出水口4排出。

图2是变形活塞结构示意图，该活塞在控制下，能在空鼓状活塞6和筒壁状活塞26两种状态之间变化。实施方式是：变形活塞分上下两部分，上部由上部壳体7和上部下底8组成，在上部壳体7上设有通气口9，在上部下底上安装有阀门B15，在上部下底中间预留有中间孔洞10。变形活塞的下部如一个立起的杠铃，它由下部上底11、推杆12和下部下底13组成，在下部上底11上安装有阀门A14，在下部下底13上安装有阀门C16。组装时，下部上底11装入上部壳体7中，位置在通气口9的上方，并可带动推杆12在上部壳体7中自由移动。

若变形活塞上、下部的阀门A14、阀门B15、阀门C16全部关闭，变形活塞的下部由外力作用向上推动，至下部上底11与上部壳体7的上沿部位、下部下底13与上部下底8接触后，该变形活塞即变为空鼓状活塞6。制作变形活塞的材料比重大于水，假设为高强度合金材料，材料比重在2～4之间，但成为空鼓状活塞6后，根据总体积和总重量计算，其比重远小于水，所以它能上浮产生推动水位上升的力量。

若变形活塞上、下部的阀门A14、阀门B15、阀门C16全部打开，则水能通过阀门在变形活塞上、下部流动，即变形活塞变成了筒壁状活塞26。因该活塞制作材料比重大于水，阀门打开后，液体能上、下流动，所以筒壁状活塞26会下沉至连通器底部预设部位。

图3是产生浮力示意图，它能使变形活塞由筒壁状活塞26变为空鼓状活塞6上浮。实施方式是：变形活塞呈筒壁状活塞26装配在连通器主壳体5中的预设部位，被下部卡子24固定在连通器主壳体5的下部，活塞上部壳体7不能移动，活塞下部通过推杆12的连接能上下移动；通气口9设计固定在变形活塞下部上底11和上部下底8之间，经过通气管开关22与通气管21相连，且密封不透水；变形活塞上部下底8与呼吸口23上口齐平，呼吸口23上不设阀门，水能从自然水面1通过连通器辅助壳体28进出呼吸口23，若连通器置于非常深的自然水中，周边被水包围，则连通器辅助壳体28可省略；下部下底13在主壳体5与调压壳体27连接口的上部。实施时，关闭阀门A14、B15、C16，打开通气管开关22，关闭阀门D17、打开阀门E18、关闭阀门F19、打开阀门620。则提高后水面3通过阀门E18以及连通器调压壳体27，作用于活塞下部下底13上，因提高后水面3高出自然水面1，故活塞下部在压力的作用下向上移动，活塞下部下底13与上部下底8之间的水通过呼吸口23、辅助壳体28流向自然水面1。推杆12向上移动时，因阀门A14、B15关闭，故活塞下部上底11和上部下底8之间形成一个负压区，外部空气则通过通气管21、通气管开关22、通气口9向内补充。在活塞下部推杆12的作用下，活塞下部上底11顺活塞上部壳体7内壁向上移动，其上部壳体7中的水通过阀门G20流向自然水面。

因提高后水面3与自然水面1之间存在高差，故图3中，活塞下部能连续上移，至活塞下部下底13与上部下底8紧密接触时为止，这样活塞即变为空鼓状活塞6。

图4是运行示意图，运行时，空鼓状活塞6能够将水从自然水面1提高到提高后水面3。实施方式是：变形活塞变为空鼓状活塞6后，关闭通气管开关22、关闭阀门E18、打开阀门D17、关闭阀门G20、打开阀门F19，之后松开固定活塞的下部卡子24，由于连通器压力及空鼓状活塞6的浮力作用，连通器主壳体5、空鼓状活塞6上部的水流经阀门F19，被推入提高后水面3的区域，以实现提水的功能。通过运行，空鼓状活塞6一直能上浮至连通器主壳体5的上部。

图5是下沉示意图，通过控制，它能使空鼓状活塞6变为筒壁状活塞26，下沉至连通器主壳体5底部预设部位。实施方式是：空鼓状活塞6上浮至连通器主壳体5液面顶部后，控制上部卡子25固定活塞上部壳体7，使之不能移动，然后，关闭阀门F19、打开阀门G20，阀门D17、E18状态不变，分别为开启和关闭状态，再之后，打开阀门A14、B15、C16，这样，活塞下部上底11和上部下底8之间的空气通过阀门A14、阀门G20外泄，同时，自然水面1中的水也通过阀门G20、阀门A14填补空气外泄后的空间。阀门A14、B15、C16打开后，水通过阀门能在活塞中上下流动，活塞上部和下部全部被水填满，因制作活塞材料的比重大于水，松开控制活塞上部壳体7的上部卡子25后，变形活塞即可自由下沉至连通器底部预设部位。

图6是水的流向示意图，用带箭头的线条表示水的流向。图6-1是变形活塞产生浮力(图3)状态时，提高后水面3的水通过阀门E18至变形活塞下部下底13，下部下底13与上部下底8之间的水通过呼吸口23流向自然水面1，变形活塞上部壳体7中的水通过阀门620流向自然水面1；图6-2是变形活塞运行(图4)状态时，自然水面1中的水，通过阀门D17、连通器调压壳体27进入主壳体5，自然水也可以通过呼吸口23补充至连通器主壳体5中，空鼓状活塞6上浮，将主壳体5中、空鼓状活塞6上部的水通过阀门F19推入提高后水面3，以实现提水功能；图6-3是变形活塞下沉(图5)状态时，自然水面1的水通过阀门G20流入变形活塞中，以交换变形活塞中的气体。

以上图1至图6是本发明一次提水的过程，只需循环下去，就会不断地将水从自然水面1提升至提高后水面3，用途非常广泛。使用中能耗仅为开关阀门所使用的电能，所以非常节能。

Claims (10)

1、一种类连通器结构的浮力提水机，主要由类连通器结构的壳体、变形活塞、进出水口、通气管、电控阀门五大部分组成，其特征在于：类连通器结构的壳体上设置有通向自然水面和提高后水面的电控阀门，主壳体(5)中另设置有通气管(21)、通气管开关(22)、呼吸口(23)、下部卡子(24)、上部卡子(25)，变形活塞装配在类连通器结构的主壳体(5)中，呈筒壁状活塞(26)位于主壳体(5)下部预设部位时，电控操作下部卡子(24)固定变形活塞上部壳体(7)，使通气口(9)与通气管开关(22)紧密相连，变形活塞上部的上部下底(8)与呼吸口(23)上沿平齐，变形活塞下部的下部下底(13)在主壳体(5)与调压壳体(27)连接口的上部，变形活塞通过浮力或重力能在主壳体(5)中上下运动。

2、根据权利1所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，类连通器结构的壳体由三部分组成，一是变形活塞运动区间的主壳体(5)，二是人为控制压力平衡的调压壳体(27)，三是辅助壳体(28)。

3、根据权利2所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，主壳体(5)和调压壳体(27)上均设有2组或以上电控阀门，分别与自然水面和提高后水面相连。

4、根据权利2所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，主壳体(5)与调压壳体(27)下部有互通的连接口，辅助壳体(28)下部与主壳体(5)上开设的呼吸口(23)相连、上部与自然水面(1)相连，若类连通器结构置于非常深的自然水中，周边被水包围，则辅助壳体(27)可省略。

5、根据权利1所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，变形活塞分为活塞上部和活塞下部两大部分。

6、根据权利5所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，活塞上部的形状是一个有底无盖的筒体，上部壳体(7)的下部开有通气口(9)，底面上有导通的孔洞(10)及电控阀门(15)。

7、根据权利5所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，活塞下部形似立起的杠铃，分为上底(11)、推杆(12)、下底(13)，推杆通过活塞上部导通的孔洞(10)，可带动上、下底上下运动，上、下底均设有电控阀门(14、16)。

8、根据权利5所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，变形活塞组装成完整活塞状态下，下部上底(11)在上部壳体(7)中，上部下底(8)和下部上底(11)之间设有通气口(9)。

9、根据权利1所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，设有3组功能性进出水口，第1组设置在自然水面与类连通器结构壳体相连部位(2、17、20)，第2组设置在提高后水面与类连通器壳体相连部位(4、18、19)，第3组是呼吸口(23)，设置在类连通器主壳体(5)下部，与自然水体相连。

10、根据权利1所述类连通器结构的浮力提水机，其特征在于，每一个运行周期的开始，都从提高后水面施以启动水流，然后，顺序控制阀门、通气管开关和上、下部卡子使提水机运行。

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