CN104976049A - 一种利用水力学实现动力输出的方法及水力学活塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用水力学实现动力输出的方法及水力学活塞，该水力学活塞包括缸体、与缸体相配套的活塞体、以及与活塞体连接的动力输出装置，所述的活塞体由上方的重力舱和下方的浮力舱组成，且活塞体与缸体内壁之间设置有间隙，活塞体通过导向装置与缸体内壁滚动连接。本发明利用水的重力使得活塞体下降，再利用水对活塞体的浮力使得活塞体上升，实现活塞体上下往返运动，从而带动动力输出装置达到能量输出的目的。因此，本发明的整个动力输出过程无需消耗燃料，无污染，并且消耗水量小，对水位高差要求不高，不但可在河流高差较大处梯级建设使用，亦可在不具备较大高差的河流及湖泊处使用，还可以利用工业和生活废水使用。

Description

一种利用水力学实现动力输出的方法及水力学活塞

技术领域

本发明涉及一种动力输出的方法及系统，尤其涉及一种利用水力学实现动力输出的方法及水力学活塞。

背景技术

活塞，是发动机气缸体中作往返运动的构件，是将燃料燃烧产生的化学能转化为机械能的机械部件，目前活塞种类多样，广泛使用于发动机制造领域，如汽车发动机，船舶发动机等，但推动活塞运动的动力都直接或间接来源于燃料燃烧。随之产生的负面效应则是地球可燃资源的日益枯竭和燃烧排放物对地球环境的严重污染。水资源广泛存在于地球上，除生产生活用水外，从能源角度对水资源的利用大量体现在水利发电。水重力和水浮力是水本身固有的特性，重力使得物体下落，浮力使得物体上升，利用此特征，可以扩大活塞的动力来源，并且无污染，绿色环保。

发明内容

本发明根据水的自身特性，提供一种利用水力学实现动力输出的方法及水力学活塞，从而利用水的重力使得活塞下降，再利用水对活塞的浮力使得活塞上升，实现活塞上下往返运动，达到能量输出的目的。

    本发明的技术方案：一种利用水力学实现动力输出的方法，首先在缸体内设置一个由重力舱和浮力舱组成的活塞体，所述的活塞体与动力输出装置连接，然后在活塞体上下往复运动的1/2个周期内向重力舱内注入一定量的水，再将这部分水由重力舱排入缸体与活塞体之间的间隙内，浮力舱开始与水接触，从而通过浮力舱产生的浮力将活塞体由下始点不断向上推动，直至重力舱内的水排干时活塞体被推动至上始点，此时在活塞体上下往复运动的1/2个周期内再次向重力舱内注入与上次等量的水，在向重力舱内注水的同时，将缸体与活塞体之间的间隙及缸体底部内的水向外排出，从而通过重力舱产生的重力将活塞体由上始点不断向下推动，此时缸体与活塞体之间的间隙及缸体底部内的水排干，而重力舱又重新注水完成，活塞体再次回到下始点，重复上述过程便可实现活塞体上下往复运动，从而带动动力输出装置输出动力。

    前述的重力舱位于浮力舱之上，且浮力舱所产生的浮力大于活塞体自重和浮力舱所能加入的最大水量的重力。

    前述的动力输出装置可以与单个缸体的活塞体连接，或者同时与多个缸体的活塞体并联。

    同时，本发明还提供一种由上述利用水力学实现动力输出的方法构建的水力学活塞，包括缸体、与缸体相配套的活塞体、以及与活塞体连接的动力输出装置，所述的活塞体由上方的重力舱和下方的浮力舱组成，且活塞体与缸体内壁之间设置有间隙，活塞体通过导向装置与缸体内壁滚动连接；在缸体的上方设置有蓄水池，在蓄水池的入水口设置有与外界水源连接的定时电磁阀，所述的蓄水池通过重力舱供水装置与重力舱的内腔连通，重力舱的内腔通过重力舱排水装置与活塞体和缸体内壁之间的间隙连通，活塞体和缸体内壁之间的间隙通过缸体排水装置与缸体下方的外部排水系统连接。

    前述的动力输出装置为曲轴输出装置或皮带输出装置。

    前述的重力舱供水装置、重力舱排水装置及缸体排水装置为虹吸管或阀门。

    前述的重力舱和浮力舱的横截面为圆形、椭圆形或矩形，且浮力舱与重力舱的对接面为向上凸起的锥形面，其目的是为方便重力舱内的水通过重力舱排除，同时增大浮力舱的体积，提供更大浮力。

    前述的浮力舱为完全封闭的壳体结构，其内部填充有空气。

    前述的缸体底部设置有缓冲底座，在缓冲底座与浮力舱的底部之间设置有可随浮力舱上下移动的隔水栅栏，隔水栅栏所围成的空腔通过进排气管与缸体外部连通。这样便可使隔水栅栏内部空腔与缸体内水体绝对分隔，不仅可以避免浮力舱底部出现压力差，提高浮力舱的工作效率，而且还可以减小用水量，节约用水。

    前述的导向装置由设置在缸体内壁上的导轨和设置在活塞体外壁上的导轮构成，确保活塞体上下运动的单向性，并保障活塞体与缸体不会发生碰撞和摩擦。

由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：本发明利用水的重力使得活塞体下降，再利用水对活塞体的浮力使得活塞体上升，实现活塞体上下往返运动，从而带动动力输出装置达到能量输出的目的。因此，本发明的整个动力输出过程无需消耗燃料，无污染，并且消耗水量小，对水位高差要求不高，不但可在河流高差较大处梯级建设使用，亦可在不具备较大高差的河流及湖泊处使用，还可以利用工业和生活废水使用。此外，本发明只要水流不断，活塞体可以实现全自动化运行，无需额外提供能量，无需人员操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为蓄水池开始向重力舱供水的的结构示意图；

图3为重力舱开始向缸体内供水的的结构示意图；

图4为活塞体上升时的结构示意图；

图5为活塞体上升至上始点时的结构示意图；

图6为活塞体下降时的结构示意图；

图7为活塞体下降返回至下始点时的结构示意图。

附图标记说明：1-缸体，2-重力舱，3-重力舱排水装置，4-缸体排水装置，5-浮力舱，6-导向装置，7-隔水栅栏，8-排气管，9-缓冲底座，10-外部排水系统，11-重力舱供水装置，12-蓄水池，13-定时电磁阀，14-动力输出装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的实施例：水力学活塞的结构示意图如图1所示，包括缸体1、与缸体1相配套的活塞体、以及与活塞体连接的动力输出装置14，所述的动力输出装置14为曲轴输出装置，所述的活塞体由上方的重力舱2和下方的浮力舱5组成，所述的重力舱2和浮力舱5的横截面为圆形，且浮力舱5与重力舱2的对接面为向上凸起的锥形面，所述的浮力舱5为完全封闭的壳体结构，其内部填充有空气。活塞体与缸体1内壁之间设置有间隙，活塞体通过导向装置6与缸体1内壁滚动连接，所述的导向装置6由设置在缸体1内壁上的导轨和设置在活塞体外壁上的导轮构成。在缸体1的上方设置有蓄水池12，在蓄水池12的入水口设置有与外界水源连接的定时电磁阀13；所述的蓄水池12通过重力舱供水装置11与重力舱2的内腔连通，重力舱2的内腔通过重力舱排水装置3与活塞体和缸体1内壁之间的间隙连通，活塞体和缸体1内壁之间的间隙通过缸体排水装置4与缸体1下方的外部排水系统10连接。另外，在缸体1底部设置有缓冲底座9，在缓冲底座9与浮力舱5的底部之间设置有可随浮力舱5上下移动的隔水栅栏7，隔水栅栏7所围成的空腔通过进排气管8与缸体1外部连通。

前述的重力舱供水装置11、重力舱排水装置3及缸体排水装置4为虹吸管。

本发明的工作原理：初始状态下，由重力舱2和浮力舱5组成的活塞体位于缸体1底部，隔水栅栏7收拢，此时设在在蓄水池12入水口处的定时电磁阀13打开，开始向蓄水池12内注水，当蓄水池12内的水位达到重力舱供水装置11的排水水位时（即虹吸管的最高点），定时电磁阀13关闭，并由重力舱供水装置11开始向重力舱2供水，当蓄水池12内的水排干，而重力舱2内的水位达到重力舱排水装置3排水水位时，定时电磁阀13再次打开，开始向蓄水池12内供水，同时重力舱2内的水通过重力舱排水装置3开始向缸体1内排水。由于缸体1内水位上升，浮力舱5受到浮力作用，并且越来越大，由于浮力舱5所产生的浮力大于活塞体自重和重力舱2所能加入的最大水量的重力，因此，当受到浮力大于活塞体自重以及重力舱2内剩余水重力时，活塞体在导向装置6的控制下由下始点不断向上作竖直运动，并通过动力输出装置14向外输出动力，同时隔水栅栏7亦随浮力舱5上升并展开；当重力舱2排水完毕时，活塞体被推动至上始点并在缸体1内的水面上悬浮，此时缸体1内水位达到缸体排水装置4的排水位，缸体1内的水通过缸体排水装置4开始向外部排水系统10排放，同时定时电磁阀13关闭，蓄水池12内的水位再次上升至重力舱供水装置11的排水水位，重力舱供水装置11再次开始给重力舱2加水。由于活塞体自重增加，同时缸体1内水位下降，活塞体在导向装置6的控制下沿原上升轨迹作下降运动，隔水栅栏6开始收拢，活塞体通过动力输出装置14对外输出动力。当缸体1排水完毕后，活塞体下降返回至下始点，此时重力舱2内水位亦上升至重力舱排水装置3排水水位，重力舱2开始排水，缸体1内水位开始上升，同时定时电磁阀13打开，再次开始向蓄水池12内注水，由此循环，活塞体形成周而复始的往返运动，从而带动动力输出装置14输出动力。

本发明中活塞体的重力舱2和浮力舱5的大小决定输出动力大小，同时外部供水量及供水速度和各排水系统排水速度决定活塞体往返运动频率。同时，本发明的动力输出装置14可以与单个缸体1的活塞体连接，或者同时与多个缸体1的活塞体并联，以满足输出不同的功率要求。

本发明将活塞体分为两段，上段重力舱2受重力作用，下段受浮力舱5浮力作用，利用重力和浮力做功，重力来源于活塞体自重及往重力舱内加入水的重力，浮力来源于浮力舱5提供浮力以及缸体1继续加水后整个活塞体产生的浮力。同时，本发明仅采用定时电磁阀13便能实现自动化控制，设备成本低。

本发明经计算论证及模型试验验证，技术原理正确，试验方法正确。而且本发明消耗水量小，对自然水的高差及水头要求较低，可在河道处沿河道建设，亦可建设于城市污水处理厂旁对城市污水处理厂排放的水源进行利用，可对流量较小的小溪流进行水利利用，在具备高差的地形处进行梯级建设并列运行后对同一水体还可以反复利用。由此扩大了活塞的动力来源，减小了环境污染，本发明可自动化运行，无需额外消耗能量，并无需人员操控，具有成本低，效率高，输出功率大的优点。

凡采用容器盛水产生重力后将水排出产生浮力实现活塞往返运动的设备都没有超出本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种利用水力学实现动力输出的方法，其特征在于：首先在缸体（1）内设置一个由重力舱（2）和浮力舱（5）组成的活塞体，所述的活塞体与动力输出装置（14）连接，然后在活塞体上下往复运动的1/2个周期内向重力舱（2）内注入一定量的水，再将这部分水由重力舱（2）排入缸体（1）与活塞体之间的间隙内，浮力舱（5）开始与水接触，从而通过浮力舱（5）产生的浮力将活塞体由下始点不断向上推动，直至重力舱（2）内的水排干时活塞体被推动至上始点，此时在活塞体上下往复运动的1/2个周期内再次向重力舱（2）内注入与上次等量的水，在向重力舱（2）内注水的同时，将缸体（1）与活塞体之间的间隙及缸体底部内的水向外排出，从而通过重力舱（2）产生的重力将活塞体由上始点不断向下推动，此时缸体（1）与活塞体之间的间隙及缸体底部内的水排干，而重力舱（2）又重新注水完成，活塞体再次回到下始点，重复上述过程便可实现活塞体上下往复运动，从而带动动力输出装置（14）输出动力。

2.根据权利要求1所述的利用水力学实现动力输出的方法，其特征在于：所述的重力舱（2）位于浮力舱（5）之上，且浮力舱（5）所产生的浮力大于活塞体自重和浮力舱（5）所能加入的最大水量的重力。

3.根据权利要求1所述的利用水力学实现动力输出的方法，其特征在于：所述的动力输出装置（14）可以与单个缸体（1）的活塞体连接，或者同时与多个缸体（1）的活塞体并联。

4.一种由权利要求1～3任意一项所述的利用水力学实现动力输出的方法构建的水力学活塞，包括缸体（1）、与缸体（1）相配套的活塞体、以及与活塞体连接的动力输出装置（14），其特征在于：所述的活塞体由上方的重力舱（2）和下方的浮力舱（5）组成，且活塞体与缸体（1）内壁之间设置有间隙，活塞体通过导向装置（6）与缸体（1）内壁滚动连接；在缸体（1）的上方设置有蓄水池（12），在蓄水池（12）的入水口设置有与外界水源连接的定时电磁阀（13），所述的蓄水池（12）通过重力舱供水装置（11）与重力舱（2）的内腔连通，重力舱（2）的内腔通过重力舱排水装置（3）与活塞体和缸体（1）内壁之间的间隙连通，活塞体和缸体（1）内壁之间的间隙通过缸体排水装置（4）与缸体（1）下方的外部排水系统（10）连接。

5.根据权利要求4所述的水力学活塞，其特征在于：所述的动力输出装置（14）为曲轴输出装置或皮带输出装置。

6.根据权利要求4所述的水力学活塞，其特征在于：所述的重力舱供水装置（11）、重力舱排水装置（3）及缸体排水装置（4）为虹吸管或阀门。

7.根据权利要求4所述的水力学活塞，其特征在于：所述的重力舱（2）和浮力舱（5）的横截面为圆形、椭圆形或矩形，且浮力舱（5）与重力舱（2）的对接面为向上凸起的锥形面。

8.根据权利要求7所述的水力学活塞，其特征在于：所述的浮力舱（5）为完全封闭的壳体结构，其内部填充有空气。

9.根据权利要求4所述的水力学活塞，其特征在于：在缸体（1）底部设置有缓冲底座（9），在缓冲底座（9）与浮力舱（5）的底部之间设置有可随浮力舱（5）上下移动的隔水栅栏（7），隔水栅栏（7）所围成的空腔通过排气管（8）与缸体（1）外部连通。

10.根据权利要求4所述的水力学活塞，其特征在于：所述的导向装置（6）由设置在缸体（1）内壁上的导轨和设置在活塞体外壁上的导轮构成。