CN107529738A - 用于曝气或混合水体的水驱动装置、系统及方法 - Google Patents

用于曝气或混合水体的水驱动装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于曝气或混合一水体的装置具有：一机械位移器，通过连接至一液压马达而被驱动，使得供应到所述入口的一液流移动所述机械位移器，以位移所述水体的水。所述装置可以由多个浮子支撑或安装在固定结构上。优选地，所述装置被一水流所致动，所述水流通过来自位于远离所述水体的一水泵通过一管道所输送，从而避免电性驱动多个曝气器和多个混合器的潮湿环境的电击危险。

Description

用于曝气或混合水体的水驱动装置、系统及方法
技术领域及背景技术
本发明关于多种用于曝气或混合一水体的系统，特别是关于一种使用液压马达用于曝气或混合一水体的装置、系统及方法。
采用机械曝气器来增加水体中的溶解氧是已知的，诸如鱼池和水处理的应用。一典型的机械曝气器设计采用部分浸入水中的桨轮(paddle wheel)，其由电动机(electricmotor)旋转，以扰乱水面，并将水量持续喷溅到具有显着表面积的喷雾中，允许空气中吸收氧气，从而增加水体中的溶解氧。其他类似的设备用于混合和循环池内的水。
在潮湿环境下使用电器具有重大的安全隐患，触电已成为参与管理养鱼场和水处理设施的工人的职业伤害之一。
发明内容
本发明为一曝气器或混和装置、系统和方法。
根据本发明的一实施例的教示，提供一种用于曝气或混合一水体的装置，所述装置包括：(a)一机械位移器，可移动以位移所述水体的水，从而曝气或混合所述水体；和(b)一液压马达，具有一入口，所述入口用于接收一液流，所述液压马达以驱动关系连接到所述机械位移器，使得供应到所述入口的一液流有效地移动所述机械位移器，以位移所述水体的水。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述机械位移器为一曝气器，所述曝气器包括一旋转轮。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述机械曝气器包括一桨轮，所述桨轮支撑多个向外突出的桨叶。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述机械位移器和所述液压马达安装在一浮力平台上，所述浮力平台包括至少一浮子，所述浮力平台配置用以将所述机械位移器保持在一完全浸没状态的一部分浸没中。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述液压马达是一旋转马达。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述旋转马达具有：一旋转输出轴，连接以旋转所述机械位移器的至少一部分。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述机械位移器的至少一部分与所述旋转马达的一壳体一体成型，并且其中所述旋转马达配置用以驱动所述壳体相对于一固定轴线的旋转。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述液压马达是一正位移马达。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述液压马达具有一出口，设置用以释放所述液流，并且其中所述出口被设置成使得当所述液压马达被一水流驱动时，水通过所述出口被释放进入所述水体。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述装置不具有外部供电的电性构件。
根据本发明的一实施例的教示，提供一种用于曝气或混合一水体的系统，所述系统包括：(a)如权利要求1所述的装置，设置成至少部分地浸没在所述水体中；(b)一水泵，相对于所述水体远离地设置；以及(c)一长度的管道，连接到所述水泵的一出口以及连接到所述液压马达的所述入口，以将一水流从所述水泵输送到所述液压马达，从而驱动所述机械位移器。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述系统还包括：一导管，设置用于将水从所述水体抽吸到所述水泵的一入口，使得所述液压马达被从所述水体抽取来的一水流所驱动。
根据本发明的一实施例的一进一步特征，所述水泵通过一额加长度的管道连接，用于驱动设置在多个水体中的多个装置。
根据本发明的一实施例的教示，提供一种用于曝气或混合一水体的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将如权利要求1所述的装置设置成至少部分地浸没在所述水体中；以及(b)向所述液压马达供应一水流，以致动所述液压马达，从而移动所述机械位移器，以位移所述水体的水，从而曝气或混合所述水体。
附图说明
本发明仅通过示例的方式参照附图进行描述，其中：
图1是根据本发明的一实施例中一曝气器系统的一示意图，所述曝气系统被构造和操作用于曝气多个水体；
图2是根据本发明的一第一实施例中一曝气装置的一示意性等比例图，所述曝气装置用于图1的所述系统；
图3是图2的所述曝气装置的一示意性分解的等比例图；
图4和图5是适用于图1的所述装置的一液压马达的多个示意性等比例图，这些图对应美国专利号7,258,057的图8和图9；
图6是根据本发明另一实施例中一曝气装置的一示意性等比例图，用于图1的系统中；
图7是图6的所述曝气装置的一局部剖视图；
图8是一装置的一等比例图，类似于图2的所述装置的一半，安装在一垂直轨道上，用于以部分浸没或完全浸没的程度，安装在一垂直池壁中；以及
图9是根据本发明的一进一步实施例中一装置的一等比例图，用于在一水体内进行水循环。
具体实施方式
本发明是一种用于曝气或混合一水体的装置，以及相应的系统和方法。
参考附图和所附的描述可以更好地理解根据本发明的装置的原理和操作。
现在参考图1，其示意性地显示一系统的概况，一般而言标记为10，包括根据本发明的实施例构造和操作的装置12，用于曝气和/或混合至少一水体100、100’和100”。装置12的一第一示例性实施例在图2至图5中更详细地显示，和装置12的一第二示例性实施例在图6和图7中更详细地显示。相同的附图标记用于表示类似的部件。在这里所示的主要但非限制性的例子中，装置12是一曝气器(aerator)，从水中向上喷溅出液滴喷雾，从而增加水的溶氧含量，从而增加整个水池的溶氧含量。然而应当注意的是，相同的原理适用于多种浸没的循环/混合装置，参考图8和图9，进一步讨论如下文所述。
一般来说，装置12包括一机械位移器(曝气器14)，可移动以位移所述水体的水，和一液压马达16，所述液压马达以驱动关系连接到机械位移器14，使得供应到液压马达16的一入口18的一液流有效地移动机械位移器14，以扰乱所述水体的一表面，从而增加所述水体的一溶氧含量。
在一系统等级而言，如图1所示，装置12被设置用以部分地浸入所述水体中。一电动泵(electric pump，通常是一水泵20water pump)相对于所述水体远离地设置，经由一段长度的管道22(tubing)从水泵20的出口向液压马达16的入口提供一液流，从而驱动机械曝气器14。
在使用水作为液压流体的某些优选实施例中，可以有利地设置一导管24，优选地用于将水通过一过滤器26从水体100抽吸到水泵20的一入口，使得液压马达16被从水体抽吸的一水流所驱动。或者，可以从另一来源抽取水。在主水源可用的情况下，驱动曝气器的动力可选地从所述加压的水源获得，使得所述系统的“泵”的功能可以由水处理设备的泵送系统来执行。在某些实施例中(未显示)，可以使用一闭环液压回路(closed-loophydraulic circuit)，其中来自液压马达的出口的用过的流体直接或经由专用储存器(reservoir)被回送到泵20。
应当理解，在这个阶段中，本发明的各种实施例对曝气系统的安全性作出了相当大的贡献。具体地说，通过采用液压动力来驱动曝气装置12，基本上可避免在潮湿的环境中使用电性装置所产生的危险。可被提供电源的泵远离地位于所述水体，这样不会造成潮湿环境的电击危险。
应当注意，在说明书和权利要求书中，本文的说明书和权利要求书中的术语“液压马达(hydraulic motor)”是指任何和所有被流体的一流动所驱动的马达和致动器，最优选地被液体的一流动的马达和致动器。根据所述定义的液压马达可以大致细分为两类，在本文称为“正位移马达(positive displacement motors)”和“动量传递马达(momentumtransfer motors)”。在此本文中，“正位移马达”可以定义为一马达，如果阻挡其运动，基本上也将阻止液体流动。在正位移马达中，转矩(torque)由所述驱动流体的静压(thedriving fluid of static pressure)所获得。正位移马达的示例包括但不限于叶片马达(vane motors)、齿轮马达(gear motors)、摆线马达(gerotor motors)和活塞马达(pistonmotors)。“动量传递马达”是一马达，通过撞击在马达表面上的流体流(“动态压力(dynamicpressure)”)来传递动量而产生运动/转矩。动量传递马达的实例包括但不限于各种类型的涡轮机装置(turbine devices)。认为所有上述类型的液压马达被对于实现本发明皆是可行的。对于某些优选实施例，认为正位移马达是有利的。下文所示的一特别优选的选项是使用一活塞马达。
用于为本发明的液压马达提供动力的液压流体(hydraulic fluid)可以是任何流体，但最优选是液体。选择使用封闭的液压系统(具有或不具有储存器reservoir/缓冲器buffer)是在本发明的范围内，并且可以使用油基液压(oil-based hydraulics)来实现。然而通过使用水作为液压流体可以达成实施例的特定的经济性和简易性。这允许从液压马达的出口直接排水进入所述水体，而不需要连接到马达出口的一回流管。在这方面，应该指出，术语“水”一般用于指称干净的水或污染的水(废水)、海水和其他水性溶液。在某些情况下，用于驱动液压马达的水可能含有某些添加剂，例如一水处理或调节的化学物质或用于治疗鱼类所需的药物。然后这些添加剂从液压马达的出口释放到水体中。
术语“远离地(remotely)”用于指称将泵20定位在不与水接触的位置处，并且与所述水体相距足够的距离，所述距离被认为不构成潮湿环境的电击危险。根据情况决定所需的距离，但是几米的距离通常是足够的，并且在如本领域已知的其他适当的安全预防措施中，甚至更小的距离可以被认为是足够的。
在某些应用中，例如集约化渔业养殖(intensive fish farming)，养殖系统通常包括一强制流量泵，用于在各个池内进行水循环，泵20实际上可以是养殖系统的标准水循环泵。在这种情况下，通常添加分支管道(branch pipe)以将适当数量的加压水体设置路线至通气装置12，而其余流体经由主要循环通道返回到池中。
一单一泵20可用于经由额外长度的管道22'、22”用于供应一水流，以驱动设置在多个水体100'、100”中的额外的曝气装置12'、12”。类似地，对于较大的水池，可以设置两个或更多个曝气装置12，以曝气一单一水池(未显示)。
本发明可用于在需要曝气和/或循环/混合一水体或任何其它液体的广泛应用中是有助益的。主要的例子包括广泛化渔业养殖(extensive fish farming)、集约化渔业养殖(intensive fish farming)，其他类型的水产养殖，以及各种类型的废水或污水处理。本发明也可以应用于化学工业和食品工业中。
现在参阅曝气装置12的一第一非限制示例性实施例，在图2至图5中显示。可以使用各种的结构来实现机械曝气器14。选项中一特别简单和可靠的子集是使用一旋转轮(rotating wheel)，例如一旋转桨轮(rotating paddle wheel)，其支撑多个向外突出的桨叶30(paddles)。桨轮本身可以以类似于常规(电动的)桨轮曝气器的方式来实施。这种桨轮扰乱水面，产生向上喷溅的水，水被曝气并落回到所述水体中，从而增加水中的溶氧量。在图2和图3所示的装置12的版本中，一对桨轮曝气器14对称地展开在装置的相对侧。一单个桨轮设计和多个装置采用三个或更多个桨轮也落在本发明的范围内。
为了有效的操作，通常将所述机械曝气器保持在一预定的部分浸没状态。例如在桨桨轮曝气机的情况下，当处于桨叶最低位置时，桨叶通常应被浸没，但是在其大部分运动期间应该离开水面。这通常对应于将桨轮浸入到外径的约20％至约40％之间的深度。为了维持所需的浸入程度，机械曝气器14和液压马达16优选地安装在包括至少一浮子32的浮力平台上。在这里所示的非限制性示例中，浮力平台包括一框架34，构造用于接收一对浮子32，以及用于支撑液压马达16和机械曝气器14的特征(包括夹紧带36，clamping band)，从而限定了所需部分浸没的程度。
对于一旋转机械曝气器14，液压马达16有利地实现为旋转马达。如上所述，可以使用许多不同类型的液压马达来实现本发明。在这种情况下，一特别简单的实施方式可利用将马达的旋转输出轴38直接连接到机械曝气器，如果需要，也可以使用通过升压(step-up)或降压(step-down)传动的连接。
本发明的一些特别优选的实施方案采用一正位移马达。本文所示的一特别优选的例子是一活塞马达(piston motor)。水动力活塞马达(water-powered piston motors)在本领域中是已知的，并且可以根据美国专利号7,258057的教示实例来实现，其通过引用并入本文整体中，如同在本文中完全阐述一样。特别地，其图8和图9在本文中重现为图4和图5，其显示适用于装置12的活塞马达16的一盘状实施例。具体而言，如本文所示的马达16具有三个连杆组件80、81和82，分别包括三个气缸83、84和85及分别包括活塞86、87和88。这些连杆组件驱动一曲柄89(crank)，所述曲柄89与输出轴92一体地形成或键合。如图5所示，所述装置以一分解透视图显示，其中曲柄轴90(crankshaft)清晰可见。连杆组件的三个气缸83、84和85分别设有横向套管93、94和95，分别用于容纳阀96、97和98。这些阀被支撑在附接到一支撑板91(support plate)的一三边支撑件99(trilateral support)上。应当注意，在7,258057专利中描述的水动力马达的其它实施例也适用于本发明的实施，例如参考图1、6和7。
关于连杆组件和相关阀结构的优选实施列的进一步细节可以在前述的美国专利号7,258,057的描述中找到。根据类似设计所实施的马达可以在多种产品中获得，
诸如自动花园软管卷盘(automatic garden hose reels，例如可从美国Suncast公司商业上购的AQUAWINDERTM自动倒卷软管卷盘auto rewind hose reel)和池盖滚转动机构(pool cover rolling mechanisms，例如可从法国Maytronics公司商业上购得的AQUALIFE HYDROTM自动池盖automatic pool cover)。
为了实现本发明提供的安全优点，在没有任何外部供电的电性部件的情况下实现曝气装置12的特别优选的实施例。在简单的实施例中，曝气装置的操作单纯是水力机械的(hydro-mechanical)，而没有任何电性部件，每当接收到达其入口的加压水流时进行操作。在某些情况下，可能需要结合各种电性部件，例如用于监测所述水体的性质的传感器和/或用于控制曝气装置操作的控制部件，例如阀。在这种情况下，所有电性部件优选地是由来自一本地电池组进行电力操作的低功率部件，其可选地是由太阳能电池充电的一可充电电池组和/或由与液压马达14相关联的小型水力发电机充电的一可充电电池组。在所有这些情况下，没有外部供电的电力(例如连接到一电力网electrical power grid)使得任何触电风险可以忽略不计。
现在参考图6和图7，显示图1的系统中使用的曝气装置12的一第二示例性实施例。在这种情况下，机械曝气器14的至少一部分与旋转马达16的壳体40一体化，并且旋转马达16配置用以驱动壳体40相对于一固定轴42进行旋转。
参考图7的剖视图，可以最好地理解所述结构。所述马达16基本上类似于上述的活塞马达，但是所述中心轴42在此固定到一支撑结构44，并且承载桨叶30的壳体40围绕所述轴进行旋转，并非具有一旋转轴输出(rotating shaft output)的一固定壳体。通过非旋转的旋转连接套环46(non-rotating swivel-connection collar)达成将液压流体分配至活塞，所述非旋转的旋转连接套环46将流体通过套管48中的开口传递，套管48与壳体40一起旋转。一内部或外部进料管50将流体从套管48运送到一周边流体分配通道52，所述周边流体分配通道52通过阀组件54将流体提供到每个气缸56中，全部以上面所描述类似的方式，参照图4和图5。套管48优选地还提供所述结构支撑，用于所述组件的可旋转部分，所述组件经由一合适的轴承组件58相对于中心轴60被支撑，所述中心轴60与支撑结构44的一部分一体成型。支撑结构44本身可以与一浮动平台一体成型(未显示)，类似于图1和图2。或者，特别是例如用于集约化渔业养殖的垂直壁池的情况下，所述装置(或图2和图3的装置)可以直接地或经由一自行垂直调整的浮子配置而固定在一池壁。
机械曝气器功能与倒置的液压马达的一体成型提供了一种特别小型的装置，可以在各种应用中提供优点。在所有其他方面，图6和图7的装置的结构和功能可以通过类似于图2至图5的装置来理解。
尽管到目前为止的描述已经参考了用于水池的曝气器领域的一优选应用，但是应当注意到，类似的原理可应用于任何和所有马达驱动的装置，所述马达驱动的装置至少部分地浸入水体中。特别相关的一第二组应用是用于在池内对水进行混合和循环的装置。
通过一第一示例，图8显示一装置12具有一液压马达16，驱动机械水位移器14，其类似于图1的装置的单边版本。所述装置安装在一篮架62(cradle)中，所述篮架62可沿着一导轨装置64垂直位移，以便安装在垂直壁池的壁上，例如用于一密集化渔业养殖或在水处理池中。篮架62的垂直位置以及装置12的垂直位置可以根据安装者的要求进行选择，以将其部分地浸没水中(在这种情况下所述装置作为如上所述的曝气器)或完全浸没(没入)在水中(在这种情况下所述装置执行混合功能)。
最后转到图如图9所示，其显示一替代的位移器装置，通常用66表示，用于在一水体内对水进行循环和混合。在这种情况下，叶轮68(impeller)由一马达16驱动(如上所述)，所述马达16由悬挂在浮子72上的一支撑结构70悬在水位下。本文显示一进水口74在浮子72的顶表面，并且连接到一管道，所述管道在支撑结构70内到达马达16。马达的排出水流直接从马达16释放到水中。在所有其他方面，位移器装置以及相关联系统的结构和功能完全类似于上文所描述，并参所述照曝气装置。
应当理解，上述描述仅旨在用作为示例，并且在所附权利要求所限定的本发明的范围内，许多其它实施例是可能的。

Claims (14)

1.一种用于曝气或混合一水体的装置，其特征在于：所述装置包括：
(a)一机械位移器，可移动以位移所述水体的水，从而曝气或混合所述水体；和
(b)一液压马达，具有一入口，所述入口用于接收一液流，所述液压马达以驱动关系连接到所述机械位移器，使得供应到所述入口的一液流有效地移动所述机械位移器，以位移所述水体的水。
2.如权利要求1所述的的装置，其特征在于：所述机械位移器为一曝气器，所述曝气器包括一旋转轮。
3.如权利要求2所述的的装置，其特征在于：所述机械曝气器包括一桨轮，所述桨轮支撑多个向外突出的桨叶。
4.如权利要求1所述的的装置，其特征在于：所述机械位移器和所述液压马达安装在一浮力平台上，所述浮力平台包括至少一浮子，所述浮力平台配置用以将所述机械位移器保持在一完全浸没状态的一部分浸没中。
5.如权利要求1所述的的装置，其特征在于：所述液压马达是一旋转马达。
6.如权利要求5所述的的装置，其特征在于：所述旋转马达具有：一旋转输出轴，连接以旋转所述机械位移器的至少一部分。
7.如权利要求5所述的的装置，其特征在于：所述机械位移器的至少一部分与所述旋转马达的一壳体一体成型，并且其中所述旋转马达配置用以驱动所述壳体相对于一固定轴线的旋转。
8.如权利要求1所述的的装置，其特征在于：所述液压马达是一正位移马达。
9.如权利要求1所述的的装置，其特征在于：所述液压马达具有一出口，设置用以释放所述液流，并且其中所述出口被设置成使得当所述液压马达被一水流驱动时，水通过所述出口被释放进入所述水体。
10.如权利要求1所述的的装置，其特征在于：所述装置不具有外部供电的电性构件。
11.一种用于曝气或混合一水体的系统，其特征在于：所述系统包括：
(a)如权利要求1所述的装置，设置成至少部分地浸没在所述水体中；
(b)一水泵，相对于所述水体远离地设置；以及
(c)一长度的管道，连接到所述水泵的一出口以及连接到所述液压马达的所述入口，以将一水流从所述水泵输送到所述液压马达，从而驱动所述机械位移器。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于：所述系统还包括：一导管，设置用于将水从所述水体抽吸到所述水泵的一入口，使得所述液压马达被从所述水体抽取来的一水流所驱动。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于：所述水泵通过一额加长度的管道连接，用于驱动设置在多个水体中的多个装置。
14.一种用于曝气或混合一水体的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(a)将如权利要求1所述的装置设置成至少部分地浸没在所述水体中；以及
(b)向所述液压马达供应一水流，以致动所述液压马达，从而移动所述机械位移器，以位移所述水体的水，从而曝气或混合所述水体。
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