TWI405911B - 利用水自重混合空氣之揚水裝置及方法 - Google Patents

Description

利用水自重混合空氣之揚水裝置及方法

本發明係關於一種揚水裝置及方法，更詳而言之，尤指一種利用空氣所產生之浮力以克服水流本身之重量，使水流呈現無重量之狀態，藉以使水流可向上流動以進行高處揚水者。

按，水力發電機主要是利用高水位的位能，當水落下時，即可以將位能轉換成動能，驅動發電機運轉發電；而以往的灌溉揚水方式，多半是採用油電動力馬達進行送水，必須使用油料或電力來做為動力來源，然而，在地形嚴峻的地區，不但電力來源不易，油料的運送更是耗費人力。再者，習用之揚水裝置將水從低水位狀態推送至高水位狀態，皆需要加壓設備，例如馬達、幫浦等機件，以配合電能或燃料方可令其正常運轉，進而達到送水、噴水之目的。然，該馬達、幫浦等加壓設備因為需要電能供給方可動作，因此，供電成本將造成金錢的浪費，且該加壓設備因機械設計係無法全天候運作，使揚水作業有時間的限制，且增加加壓設備維修、保養的困擾者。另，習用之揚水裝置通常係每日運轉10至12小時，其運轉時耗電量極大，故電力使用所產生之費用高。

綜合上開先前技術的缺點，大致上包括習用之揚水裝置，多半必須使用油料或電力來做為動力來源，然而，在地形嚴峻的地區，不但電力來源不易，油料的運送更是耗費人力，再者，於長時間運轉下，其耗電量相當大；而鑑於解決上述缺點，本發明提出一種利用水自重混合空氣之揚水裝置及方法。

本發明係為一種利用水自重混合空氣之揚水裝置，包括：一儲水槽，係供一水源向下流入以進行儲水；一驅動水輪，係樞設於儲水槽內頂端處，以供水源通過，該水輪環設複數相互平行之斜狀葉片，兩葉片間設有一呈斜狀之集水槽，透過集水槽之斜度使水源沿集水槽流動，以藉該水源之重量帶動水輪轉動，並轉換成動力；一汲水單元，係以一中空狀之軸桿斜向樞設於該儲水槽內，該軸桿之一端軸設一集水座，該集水座內設有複數通道，各通道連通於一汲水管，使該汲水管呈螺旋狀並交錯纏繞於該軸桿上，且該汲水管於相對另一端設有一汲水口；一傳動裝置，係樞設於軸桿與驅動水輪間，使該驅動水輪可帶動該軸桿同步轉動；以及一揚水管，係於末端接設於該集水座，使水源可於相對另一端進行排水。

其方法包含以下步驟：a.提供一水源向下流入一儲水槽內，以藉水源之重量使該儲水槽上之一水輪產生轉動；b.提供一斜向設置之軸桿以與該水輪進行同步轉動，該軸桿上交錯地纏繞複數呈螺旋狀之汲水管，且各汲水管各設有一汲水口，使各汲水口可藉軸桿轉動而輪流汲取水源及空氣，以於各汲水管內形成交錯排列之至少一水流段及一空氣段；c.各汲水管內之水流段與空氣段係匯流於一軸設於該軸桿上之一集水座；d.該水流段與空氣段係經該集水座單向流出至一揚水管內，以由空氣段所產生之浮力以抵銷上方水流段之重量，俾使水流段可受空氣段之浮力向上推動至排出於揚水管。

本發明目的之一，係在於利用空氣所產生之浮力以克服水流本身之重量，使水流呈現無重量之狀態，藉以使水流可向上流動以進行揚水，而不受高度、水壓及重力之限制，並且無需使用任何能源、動力及外力即可輕易揚水至高處。

本發明目的之二，係在於當揚水管管徑較大時，該揚水管內可依序疊設複數中空狀之網球，透過該網球之透水性，以供水流段及空氣段通過，並使水流段可受空氣段之浮力向上推動至排出於揚水管，且因該揚水道內常態會有一網球於底部接水流段及空氣段，以形成推進能量。

本發明目的之三，係在於揚水管隨欲揚水之高度，以將複數揚水管相互疊接，當水流段及空氣段被推送至愈高處，因高度而產生不同溫度時，揚水管內之水流段及空氣段產生對流及熱上升效應，以及大氣壓力差，空氣膨脹效應，而形成虹吸現象，使汲水速度、汲水量、汲空氣量皆會增加，以加速其揚水速度。

為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。且以下的說明中，類似的元件是以相同的編號來表示。

如第一圖至第三圖所示，本發明係為一種利用水自重混合空氣之揚水裝置及方法，主要包括一儲水槽10、一驅動水輪20、一汲水單元30、一傳動裝置40，以及一揚水管50。

該儲水槽10頂端係為一開放端，該儲水槽10係裝置於一水源60下方，以供該水源60向下流入於儲水槽10內進行儲水，且該儲水槽10於一側邊設有一溢流孔11，以控制儲水槽10內之液面高度。

該驅動水輪20係軸設於一傳動桿21上，該傳動桿21係樞設於儲水槽10兩內側間頂端處，使該驅動水輪20供該水源60流過，該驅動水輪20環設複 數相互平行，且概呈L型之斜狀葉片22，兩葉片22間設有一呈斜狀之集水槽23；該傳動桿21兩側分別設有一培林組24，以利於該傳動桿21進行轉動。

該汲水單元30係斜向設置於該儲水槽10內，以位於該傳動單元20之下方，該汲水單元30包含一斜向樞設於該儲水槽10兩側間之軸桿31，該軸桿31斜向樞設於該儲水槽10兩內側間；該軸桿31之一端軸設一集水座32，該集水座32於另一端接設一輸送管33，該輸送管33凸伸於儲水槽10外側，並於相對集水座32之另一端接設該揚水管50；該集水座32內設有複數通道321，各通道321連通於一汲水管34，使該汲水管34呈螺旋狀並交錯纏繞於該軸桿31上，且該汲水管34於相對集水座32之另一端設有一汲水口341。

各汲水口341(如第三圖341A、341B、341C、341D處所示)，各汲水口341隨汲水管34轉動可離開或位於儲水槽10之水面，以汲取儲水槽10內之水源60及空氣；各汲水管34於近汲水口341處設有一向中心彎曲之彎弧段342，使該等汲水管34沿汲水口341漸擴至該彎弧段342後，朝該集水座32方向漸縮，以呈似喇叭狀；該溢流孔11之設置高度係介於最高處之汲水口341與最低處之汲水口341間，且該溢流孔11之設置高度係低於該軸桿31最高處之高度，且該軸桿31最高處之高度係低於最高處之汲水口341，以使液面高度低於最高處之汲水口341及該軸桿31最高處之位置；另，當該汲水管34之管徑較大時，為使該軸桿31可承載該汲水管34，此時，該軸桿31上可設一支架組(圖未示)，以將該汲水管34固定設於該支架組上。

該傳動裝置40係樞設於軸桿31與驅動水輪20間，該傳動裝置40包含至少一傳動輪41及至少一從動輪42，藉該傳動輪41與該從動輪42相互囓合，以驅動傳動桿21與軸桿31同步轉動，為配合該軸桿31斜向樞設之設計，因此該從動輪42係可為一傘齒輪；而該軸桿31兩側亦分別設有一培林組24，以利於該軸桿31進行轉動。

該揚水管50係為一管徑小之直通管，係於末端接設於該輸送管33，使該汲水管34內之水源60及空氣可隨該軸桿31轉動而流至該輸送管33，並藉該輸送管33輸送至該揚水管50進行揚水排出。

明暸上述結構後，以下係針對本發明之動作及原理作一詳細說明：

如第四圖至第七圖所示，當該水源60向下流經該驅動水輪20時，透過集水槽23之斜度使水源60沿集水槽23流動，以產生位能，並藉該水源60本身之重量以帶動各葉片22(如圖中22A、22B、22C、22D所示)旋轉，進而使驅動水輪20產生轉動，並轉換成動力；因該傳動桿21會隨該驅動水輪20轉動，因此藉該傳動輪41與該從動輪42相互囓合，以驅動軸桿31隨之同步轉動。

如第四圖所示，由於各汲水管34之汲水口341(如圖中341A、341B、341C、341D所示)係分別位於水面上及水面下，且藉由該軸桿31斜向之設置，使得汲水管34可利用阿基米得之浮力原理進行汲水及汲空氣之作業；當該軸桿31轉動時，位於水面上之汲水口341A係會先汲取空氣，而位於水面下之汲水口341B、341C，以及341D係會先汲取該水源60，使水源60流入汲水管34內；如第五圖所示，隨水輪22與軸桿31同步轉動，使各汲水管34位置產生改變，此時，汲水口341A位於水面下，以汲取水源60，而汲水口341B、341C仍持續汲水，汲水口341D則位於水面上，以汲取空氣，而當空氣進入汲水口341D時，原本位於管內之水源60係會受空氣往內推，以朝集水座32方向流動；反之，因汲水口341A內已有一段空氣存在，因此該空氣係會常態處於該彎弧段342最高處內；如六圖及第七圖所示，依照上述汲取空氣及水源60之方法，以此類推，藉由該軸桿31不斷地持續轉動，使各汲水口341可藉軸桿31轉動而輪流汲取水源60及空氣，以於各汲水管34內形成交錯排列之複數水流段111及複數空氣段121。

如第八圖所示，藉該軸桿31反覆循環轉動，以重複上述之動作，各汲水管34內之水流段111及空氣段121係會依序朝集水座32流動，以進行匯集，而由於該集水座32係會轉動，以將水流段111及空氣段121輸送至該輸送管42，最終於該揚水管50揚水排出；藉由該軸桿31之斜向設置，以及汲水管34之設計，使得該水源60與空氣可依序呈現水流段111及空氣段121，使得水源60可被輸送至超越進水高度。

本發明第四圖及第八圖圖式中，汲水管34係以透明管呈現之，以便於顯現水流段111之流動位置，然而，此並非為唯一之實現方式，即汲水管34可以一般習用之非透明管體實現。

如第九圖至第十四圖所示，係為揚水管50之另一實施例，該揚水管51係為大管徑，當欲揚水至較高處，係可將複數揚水管51相互疊接；該揚水管51內於揚水道511之上下兩端分別向外延伸設有相通之一排水道512與一進水道513，該排水道512與該進水道513外側分別設有一第一接合端514與一第二接合端515，該第一接合端514可供接設另一揚水管51之第二接合端515，而該第二接合端515供接設輸送管33；該進水道513內設有一單向閥52，以限制水流段111及一空氣段121單向流入於該揚水道511；該揚水道511內依序疊設複數網球53(如圖中53A、53B、53C、53D所示)，各網球53係為中空狀之不鏽鋼球體，以供水流段111及空氣段121通過，並將其輸送至排水道512，以供進行排水。

如第九圖至第十圖所示，當該水流段111及空氣段121經該輸送管42流入該揚水管51內，以自進水道513流至揚水道511，此時，由於該網球53具有透水性，因此水流段111會通過網球53，接著，當後段之空氣段121被下一段水流段111推進，而進入該揚水道511，使得該空氣段121進入該網球53B及53C，以將所產生之小氣泡聚集成大氣泡，以形成張力，並逐漸將原本於該網球53B及53C內之水流段111向上推，以使內部充滿空氣，而由於其上下端受水包覆住，而無法完全浮起，僅可浮於水面下，以將上方之水流段111撐住，此時，藉該網球53B及53C內空氣段121產生之浮力，使得水流段111不會往下流，而使揚水管51內形成分層之一水流段111及空氣段121。

如第十一圖所示，當第二段水流段111及空氣段121如同前述將網球53D撐起，以形成二段水流段111及空氣段121，而網球53C亦如同前述之方式，使得揚水管51內每段水流段111下方皆各有一網球53，以將水流段111撐起，並向上推動；如第十二圖所示，當該網球53D受撐起至該揚水道511頂端處，因網球53D體積係比該排水道512之直徑，因此網球53D會停留於該揚水道511頂端處，並將第一段水流段111及空氣段121排出於排水道512；如第十三圖及第十四圖所示，該網球53A、53B及53C內藉空氣段121分別將上方之水流段111撐起，並向上推動位於上方之該網球53內，此時，該網球53C內之空氣段121係會流至上方該網球53D內，使得網球53C內無空氣介面，因此係會往下掉，並將下方之水流段111擠入網球53B內，而網球53B內之空氣段121流至網球53C內，以使網球53C因空氣段121注入以形成空氣張力撐住，而網球53B因無空氣介面，因此係會往下掉，使下方之水流段111流入該網球53B內。

依照上述之動作循環進行，藉此，透過該網球53之透水性使水流段111與空氣段121可依序通過，以由空氣段121所產生之浮力以抵銷上方水流段111之重量，俾使水流段111可受空氣段121之浮力向上推動以至排出於揚水管51，且因該揚水道511內常態會有一網球53於底部進行接水流段111及空氣段121，以形成推進能量。

上述之揚水管51隨欲揚水之高度，以將複數揚水管51相互疊接，當水流段111及空氣段121被推送至愈高處，因高度而產生不同溫度時，揚水管51內之水流段111及空氣段121產生對流及熱上升效應，以及大氣壓力差，空氣膨脹效應，而形成虹吸現象，使汲水速度、汲水量、汲空氣量皆會增加，以加速其揚水速度。

雖本發明是以一個最佳實施例作說明，但精於此技藝者能在不脫離本發明精神與範疇下作各種不同形式的改變。以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明申請專利範圍。

10‧‧‧儲水槽

11‧‧‧溢流孔

111‧‧‧水流段

121‧‧‧空氣段

20‧‧‧驅動水輪

21‧‧‧傳動桿

22‧‧‧葉片

23‧‧‧集水槽

24‧‧‧培林組

30‧‧‧汲水單元

31‧‧‧軸桿

32‧‧‧集水座

321‧‧‧通道

33‧‧‧輸送管

34‧‧‧汲水管

341‧‧‧汲水口

342‧‧‧彎弧段

40‧‧‧傳動裝置

41‧‧‧傳動輪

42‧‧‧從動輪

50、51‧‧‧揚水管

511‧‧‧揚水道

512‧‧‧排水道

513‧‧‧進水道

514‧‧‧第一接合端

515‧‧‧第二接合端

52‧‧‧單向閥

53‧‧‧網球

60‧‧‧水源

第一圖係為本發明之局部立體組合圖。

第二圖係為本發明之局部立體分解圖。

第三圖係為本發明之剖面示意圖。

第四圖係為本發明汲水單元之動作示意圖(一)。

第五圖係為本發明汲水單元之動作示意圖(二)。

第六圖係為本發明汲水單元之動作示意圖(三)。

第七圖係為本發明汲水單元之動作示意圖(四)。

第八圖係為本發明汲水單元之動作示意圖(五)。

第九圖係為本發明另一實施例之揚水單元動作示意圖(一)。

第十圖係為本發明另一實施例之揚水單元動作示意圖(二)。

第十一圖係為本發明另一實施例之揚水單元動作示意圖(三)。

第十二圖係為本發明另一實施例之揚水單元動作示意圖(四)。

第十三圖係為本發明另一實施例之揚水單元動作示意圖(五)。

第十四圖係為本發明另一實施例之揚水單元動作示意圖(六)。

10．．．儲水槽

11．．．溢流孔

20．．．驅動水輪

21．．．傳動桿

22．．．葉片

23．．．集水槽

24．．．培林組

30．．．汲水單元

31．．．軸桿

32．．．集水座

33．．．輸送管

34．．．汲水管

341．．．汲水口

342．．．彎弧段

40．．．傳動裝置

41．．．傳動輪

42．．．從動輪

Claims (10)

1. 一種利用水自重混合空氣之揚水裝置，包括：一儲水槽，係供一水源向下流入以進行儲水；一驅動水輪，係樞設於儲水槽內頂端處，以供水源通過，該水輪環設複數相互平行之斜狀葉片，兩葉片間設有一呈斜狀之集水槽，透過集水槽之斜度使水源沿集水槽流動，以藉該水源之重量帶動水輪轉動，並轉換成動力；一汲水單元，係以一中空狀之軸桿斜向樞設於該儲水槽內，該軸桿之一端軸設一集水座，該集水座內設有複數通道，各通道連通於一汲水管，使該汲水管呈螺旋狀並交錯纏繞於該軸桿上，且該汲水管於相對另一端設有一汲水口；一傳動裝置，係樞設於軸桿與驅動水輪間，使該驅動水輪可帶動該軸桿同步轉動；以及一揚水管，係於末端接設於該集水座，使水源可於相對另一端進行排水。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該儲水槽於一側邊設有一溢流孔，以控制儲水槽內之液面高度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該溢流孔之設置高度係介於最高處之汲水口與最低處之汲水口間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該溢流孔之設置高度係低於該軸桿最高處之高度，且該軸桿最高處之高度係低於最高處之汲水口。
5. 如申請專利範圍第1項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，各汲水管於近汲水口處設有一向中心彎曲之彎弧段，使該等汲水管沿汲水口漸擴至該彎弧段後，朝該集水座方向漸縮，藉空氣常態處於彎弧段內，當各汲水口藉軸桿轉動而輪流汲取水及空氣時，各汲水管內會形成交錯排列之一水流段及一空氣段。
6. 如申請專利範圍第1項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該水輪係軸設於一傳動桿上，該傳動桿樞設於該儲水槽兩側間，而該傳動裝置係包含至少一傳動輪及至少一從動輪，藉該傳動輪與該從動輪相互囓合，使傳動桿帶動軸桿進行轉動。
7. 如申請專利範圍第1項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該集水座於相對軸桿之另一端接設一輸送管，該輸送管於另一端接設該揚水管，該揚水管係為小管徑，使揚水管內之水源可藉空氣之浮力向上推動並排出。
8. 如申請專利範圍第1項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該集水座於相對軸桿之另一端接設一輸送管，該輸送管於另一端接設該揚水管，該揚水管係為大管徑，且該揚水管內依序疊設複數中空狀之網球，以供水流及空氣通過，使水流可受空氣之浮力向上推動並排出。
9. 如申請專利範圍第8項所述之利用水自重混合空氣之揚水裝置，其中，該揚水管係具有一揚水道，該揚水道之上下兩端分別向外延伸設有相通之一排水道與一進水道，該排水道與該進水道外側分別設有一第一接合端與一第二接合端，該第一接合端可供接設另一揚水管之第二接合端，而該第二接合端供接設輸送管。
10. 一種利用水自重混合空氣之揚水方法，其包含以下步驟：a.　提供一水源，以藉水源之重量使一儲水槽上之一水輪產生轉動，並使水源流入該儲水槽內進行儲水；b.　提供一斜向設置之軸桿以與該水輪進行同步轉動，該軸桿上交錯地纏繞複數呈螺旋狀之汲水管，且各汲水管各設有一汲水口，使各汲水口可藉軸桿轉動而輪流汲取水源及空氣，以於各汲水管內形成交錯排列至少一水流段及一空氣段；c.　各汲水管內之水流段與空氣段係匯流於一軸設於該軸桿上之一集水座；d.　該水流段與空氣段係經該集水座單向流出至一揚水管內，以由空氣段所產生之浮力以抵銷上方水流段之重量，俾使水流段可受空氣段之浮力向上推動至排出於揚水管。