CN110792570A - 浮子式复合动力柱塞装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于节能环保设备技术领域,具体涉及一种浮子式复合动力柱塞装置，包括能够提升输液的提升机构、用于提升的举升机构和为提升机构和举升机构提供动力的气液置换做功机构；提升机构的提上部件通过通过动力传导链与举升机构的上升部件连接；气液置换做功机构分别通过换气系统与提升机构和举升机构连接，通过气液置换过程中产生的浮力为提升机构和举升机构提供动力；提升机构置于高水位区内，举升机构位于低水位区上方。该装置是浮子和柱塞的结合体，利用气液置换做功机构和水位差实现液体输送，液体输送过程不需要消耗大量能源，仅需极小一部分电能为电气元件供电。结构设计合理，节能环保，易于大规模地推广和使用。

Description

浮子式复合动力柱塞装置

技术领域：

本发明属于节能环保设备技术领域,具体涉及一种浮子式复合动力柱塞装置。

背景技术：

柱塞泵需要高精度密封，它附加的一切，包括密封面、单流阀、出口管道等等全部是产生运动的阻力的，需要消耗很多的能源，驱动柱塞泵需要消耗大量能源。若采用浮子式上浮动力柱塞则可节约大量能源，柱塞自身为浮子，通过浮力和机械力共同上行，利用水位差（水的势能）和气液置换产生的浮力做功实现举升输液将节约大量能源。故此，设计一种能够节约大量能源的浮子式复合动力柱塞装置是十分必要的。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够节约大量能源的浮子式复合动力柱塞装置。该装置是浮子和柱塞的结合体，利用气液置换做功机构和水位差实现液体输送，液体输送过程不需要消耗大量能源，仅需极小一部分电能为电气元件供电。结构设计合理，节能环保，易于大规模地推广和使用。

本发明采用的技术方案为：一种浮子式复合动力柱塞装置，所述装置包括能够提升输液的提升机构、用于提升的举升机构和为提升机构和举升机构提供动力的气液置换做功机构；所述提升机构的提上部件通过通过动力传导链与举升机构的上升部件连接；所述气液置换做功机构分别通过换气系统与提升机构和举升机构连接，通过气液置换过程中产生的浮力为提升机构和举升机构提供动力；所述提升机构置于高水位区内，所述举升机构位于低水位区上方。

进一步地，所述提升机构包括泵体和柱塞，柱塞位于泵体内，柱塞和泵体之间的环腔内设有密封配合的密封挡板，密封挡板固定在泵体的内壁上；所述柱塞顶端设有柱塞排气口，柱塞排气口底端设有能够开闭排气口的挤压式开关，挤压式开关位于筒体顶端；所述泵体顶端设有安装泵体出水口和泵体排气口，泵体排气口内设有能够开闭排气口的伸缩开关，该伸缩开关底端设有能够开启和闭合泵体排气口和柱塞排气口开关的顶杆；所述柱塞顶端与牵引绳连接，牵引绳经过滚轮变向后与举升机构的上升部件连接；所述泵体位于高水位区的液面下，所述泵体排气口和泵体出水口位于液面上。

进一步地，所述举升机构包括举升箱、举升浮子和接水槽；举升浮子位于举升箱内，举升浮子的外壁与举升箱的内壁间设有滑轮滑道，举升箱底部设有能够开闭的排水口排水开关，排水开关通过锁链与举升浮子底端连接，举升浮子顶端设有举升杆，举升杆穿过举升箱后与牵引链连接，举升箱上端设有举升箱进水管；所述接水槽位于气液置换做功机构的出水口下方，接水槽内设有举升箱开关浮子，举升箱开关浮子底端通过连接杆与闸板阀开关连接，闸板阀开关安装在举升箱进水管上，用于控制进水管的开闭，靠近举升箱进水管端部设有液位差控制导管，液位差控制导管上安装有电磁控制阀，液位差控制导管一端位于高水位区内，其另一端靠近举升箱进水管，当控制阀开启时，高水位区的水通过液位差控制导管后，一部分水通过进水管流入举升箱，一部分流入低水位区。

进一步地，所述举升杆与举升箱通过动密封进行密封。

进一步地，所述气液置换做功机构包括换气仓、换气仓内浮子、联动控制阀、快速开闭装置和电磁阀；换气仓顶端设有换气口，换气口与换气管一端连通，换气管另一端与提升机构的泵腔底端连通；换气仓底端设有换气仓出水口，换气仓出水口两侧设有对称分布的楔形卡块，楔形卡块与固定在支架的铰接架铰接，楔形卡块顶端与卡簧一端连接，卡簧另一端与传动杠杆连接，传动杠杆与换气仓内浮子连接，传动杠杆底端与支撑座铰接，卡簧安装在支架上；所述联动控制阀包括联动杆、两个阀板和横板，联动杆穿过换气仓内浮子，两个阀板一个位于联动杆顶部，用于对换气口的关闭或打开，一个位于联动杆下部，用于对出水口的打开或关闭，当换气口关闭时，出水口打开，当换气口打开时，出水口关闭，横板顶端设有定位弹簧，定位弹簧固定在换气仓的顶部，所述联动杆底端设有拨板；所述快速开闭装置包括壳体、棘轮和棘爪，棘轮内设有用于蓄力的卷缩弹簧，棘轮通过转轴安装在壳体内，棘轮上设有棘齿，棘爪设置与壳体上，用于锁紧和释放棘轮；所述联动杆穿过壳体，其底端的拨板位于壳体下部，拨板与棘轮的距离能够保证棘轮转动时棘齿能够触动拨板，用于开启联动控制阀；所述电磁阀通过传动件与卷缩弹簧连接，用于对卷缩弹簧提高外力，完成卷缩弹簧的蓄力。

进一步地，所述快速开闭装置还包括驱动叶轮，驱动叶轮位于高水位区的导管内，驱动叶轮通过传动件与卷缩弹簧的卷轴连接，用于辅助电磁阀完成卷缩弹簧的蓄力。

进一步地，所述气液置换做功机构设置于提升机构和举升机构之间。

进一步地，所述高水位区和低水位区之间设有隔离体。

本发明的有益效果：提供了一种能够节约大量能源的浮子式复合动力柱塞装置。该装置是浮子和柱塞的结合体，利用气液置换做功机构和水位差实现液体输送，液体输送过程不需要消耗大量能源，仅需极小一部分电能为电气元件供电。结构设计合理，节能环保，易于大规模地推广和使用。功能结构与柱塞相同，体积、形状是浮子。与常规柱塞相比较体积巨大，导致单行程排量巨大，所以，柱塞的密封有别于传统的柱塞，对密封精度要求不高，以降低摩擦力为目的，降低配合精度，呈较为宽松的动配合状态，采用锤体逆毛单项密封装置，即降低能耗，又保持密封减少成本。其主要优点如下：

（1）、能耗少，甚至无需铺设供电线路，用电瓶等储电设备就可保持系统长时间运行，所以，系统可建设的范围很大，用途广泛。

（2）、设备精度低，生产、使用。维护成本低。

（3）、排水量大；环保无污染。

（4）、液体输送，扩展液体使用范围。提升水位，是为偏远山区或野外营地专程设计的低成本、低能耗设施，改善生活环境，提高生活质量。

附图说明：

图1是实施例一中冲程第一阶段的结构示意图；

图2是实施例一中冲程第二阶段的结构示意图；

图3是实施例一中冲程第三阶段的结构示意图；

图4是实施例一中冲程第四阶段的结构示意图；

图5是实施例一中换气仓的结构示意图；

图6是实施例一中快速开闭装置的结构示意图；

图7是实施例一中接水槽的位置示意图。

具体实施方式：

实施例一

参照各图，一种浮子式复合动力柱塞装置，所述装置包括能够提升输液的提升机构、用于提升的举升机构和为提升机构和举升机构提供动力的气液置换做功机构；所述提升机构的提上部件通过通过动力传导链与举升机构的上升部件连接；所述气液置换做功机构分别通过换气系统与提升机构和举升机构连接，通过气液置换过程中产生的浮力为提升机构和举升机构提供动力；所述提升机构置于高水位区内，所述举升机构位于低水位区上方。

所述提升机构包括泵体3和柱塞6，柱塞6位于泵体3内，柱塞6和泵体3之间的环腔内设有密封配合的密封挡板4，密封挡板4固定在泵体1的内壁上；所述柱塞6顶端设有柱塞排气口7，柱塞排气口7底端设有能够开闭排气口的挤压式开关8，挤压式开关8位于筒体5顶端；所述泵体3顶端设有安装泵体出水口9和泵体排气口1，泵体排气口1内设有能够开闭排气口的伸缩开关，该伸缩开关底端设有能够开启和闭合泵体排气口1和柱塞排气口7开关的顶杆2；所述柱塞6顶端与牵引绳10连接，牵引绳10经过滚轮变向后与举升机构的上升部件连接；所述泵体3位于高水位区的液面下，所述泵体排气口1和泵体出水口9位于液面上。

所述举升机构包括举升箱26、举升浮子27和接水槽19；举升浮子27位于举升箱26内，举升浮子27的外壁与举升箱26的内壁间设有滑轮滑道29，举升箱26底部设有能够开闭的排水口排水开关28，排水开关28通过锁链与举升浮子27底端连接，举升浮子27顶端设有举升杆25，举升杆25穿过举升箱26后与牵引链连接，举升箱26上端设有举升箱进水管24；所述接水槽19位于气液置换做功机构的出水口下方，接水槽19内设有举升箱开关浮子20，举升箱开关浮子20底端通过连接杆与闸板阀开关23连接，闸板阀开关23安装在举升箱进水管24上，用于控制进水管的开闭，靠近举升箱进水管24端部设有液位差控制导管21，液位差控制导管21上安装有电磁控制阀，液位差控制导管21一端位于高水位区内，其另一端靠近举升箱进水管24，当控制阀开启时，高水位区的水通过液位差控制导管后，一部分水通过进水管流入举升箱26，一部分流入低水位区；所述举升杆25与举升箱26通过动密封进行密封。

所述气液置换做功机构包括换气仓15、换气仓内浮子14、联动控制阀13、快速开闭装置18和电磁阀17；换气仓15顶端设有换气口45，换气口39与换气管12一端连通，换气管12另一端与提升机构的泵腔底端连通；换气仓15底端设有换气仓出水口16，换气仓出水口16两侧设有对称分布的楔形卡块36，楔形卡块36与固定在支架37的铰接架铰接，楔形卡块36顶端与卡簧35一端连接，卡簧35另一端与传动杠杆34连接，传动杠杆34与换气仓内浮子14连接，传动杠杆34底端与支撑座38铰接，卡簧35安装在支架37上；所述联动控制阀13包括联动杆32、两个阀板30和横板33，联动杆32穿过换气仓内浮子14，两个阀板30一个位于联动杆32顶部，用于对换气口39的关闭或打开，一个位于联动杆32下部，用于对出水口的打开或关闭，当换气口39关闭时，出水口16打开，当换气口39打开时，出水口16关闭，横板33顶端设有定位弹簧31，定位弹簧31固定在换气仓15的顶部，所述联动杆32底端设有拨板40；所述快速开闭装置18包括壳体45、棘轮41和棘爪43，棘轮41内设有用于蓄力的卷缩弹簧44，棘轮41通过转轴安装在壳体45内，棘轮41上设有棘齿42，棘爪43设置与壳体上，用于锁紧和释放棘轮41；所述联动杆32穿过壳体45，其底端的拨板40位于壳体45下部，拨板40与棘轮41的距离能够保证棘轮41转动时棘齿42能够触动拨板40，用于开启联动控制阀13；所述电磁阀17通过传动件与卷缩弹簧44连接，用于对卷缩弹簧44提高外力，完成卷缩弹簧44的蓄力；所述快速开闭装置18还包括驱动叶轮22，驱动叶轮22位于高水位区的导管内，驱动叶轮22通过传动件与卷缩弹簧44的卷轴连接，用于辅助电磁阀17完成卷缩弹簧44的蓄力。

所述气液置换做功机构设置于提升机构和举升机构之间；所述高水位区和低水位区之间设有隔离体11。

图1是浮子式复合动力柱塞装置（以下简称装置）位于下止点状态分示图。此时装置位于冲程第一阶段，柱塞位于泵体底部，泵体中充满液体，柱塞充满空气，柱塞排气口在挤压式开关作用下处于关闭状态，换气仓排气口打开，出水口关闭，换气仓中充满液体，水槽中没有液体，闸板阀开关处于关闭状态，液位差控制导管口与举升箱进水管不连通，举升箱中没有液体，举升箱浮子在举升箱底部，举升箱出口控制装置处于关闭状态。图2为装置刚刚抵达上止点状态分示图。此时装置位于冲程第二阶段，柱塞运行至上止点，泵体中充满液体，泵体排水口排出液体，柱塞充满空气，柱塞排气口处于关闭状态，换气仓排气口关闭，出水口打开，换气仓中充满空气，液体流动到水槽和举升箱中，水槽中浮子上浮打开闸板阀开关，液位差控制口与举升箱进水管连通开始向举升箱注水，举升箱中充满液体，举升箱浮子位于举升箱顶部，举升杆向上移动带动牵引绳运动，给泵体提供向上运行的动力，举升箱出口控制装置处于打开状态。图3为装置由上止点向下止点运动状态分示图。此时装置位于冲程第三阶段，柱塞位于上止点撞击泵体和柱塞开启装置顶杆，泵体和柱塞排气口打开，泵体和柱塞充满液体，换气仓排气口关闭，出水口打开，换气仓中充满空气，水槽中没有液体，举升箱的闸板阀开关处于关闭状态，液位差控制口与举升箱进水管不连通，举升箱中充满液体，举升箱浮子位于举升箱顶部，举升箱出口控制装置处于打开状态。图4为装置刚刚抵达下止点状态分示图。此时装置位于冲程第四阶段，柱塞位于下止点位置，泵体和柱塞排气口关闭，泵体和柱塞充满液体，换气仓排气口关闭，出水口打开，换气仓中充满空气，水槽中没有液体，举升箱的闸板阀开关处于关闭状态，液位差控制口与举升箱进水管不连通，举升箱中没有液体，举升箱浮子在举升箱底部，举升箱出口控制装置处于关闭状态。通过电磁阀控制联动阀打开换气仓进气口，同时关闭底部的出水口，换气仓进气，回到图1的冲程第一阶段，通过电磁阀控制换气仓的气液置换循环做功，可将水坝高水位区的水举升输送。

山谷中的流水都具有一定的落差，由水坝将落差具象，浮子式柱塞构建在水坝两侧。由泵体、柱塞、换气仓、电磁阀及上举浮子等部件组成。具体工作过程是换气仓电磁阀将换气仓出口关闭并打开进口，柱塞内空间液体与换气仓内空气置换。当换气仓内液体充满时，换气仓里的内浮子在浮力作用下拉开卡簧，换气仓开关在弹簧作用下回到进口关闭、出口打开的原始状态。此时换气仓液体流出经导管排入箱体内，箱体内浮子产生浮力拉动柱塞，柱塞在浮力和举升力的共同作用下完成上行程。当柱塞到达上止点时，泵体排气口和柱塞排气口都被打开空气被排出泵体内和柱塞，全部充满液体的柱塞为下行做好准备。当柱塞开始下行程时，泵体排气口关闭，柱塞排气口依然打开，液体自柱塞进入泵体。柱塞接近下至点时，柱塞排气口进入控制管，到达下至点时控制管打开卡簧，柱塞排气口关闭。与此同时，举升箱利用举升浮子行程打开举升箱放水口，举升浮子失去浮力，举升浮子在自身重量的作用下回到下至点，举升箱出口关闭，等待下一个行程的到来，整个运行过程在电磁阀控制下实施，即每个行程所需的能源为电磁阀消耗的电量。

液位差控制口是在保证水坝两侧液位差的同时，利用水坝制造的液位差直接为举升箱补水的设施。同规格的设备如果对排水量或扬程有特殊需求时，柱塞置换的水量无法满足提升需求，可通过液位差控制口补水，举升箱浮子可以获得更多的提升力。而且液位差控制口在控制水坝两边液位差在一定范围内的同时，还可以通过安置的叶轮传输动力给快速开闭装置，水坝两边液位客观存在两种状态，一种是水坝两边液位差产生的势能足以打开换气仓开关，电磁阀不工作；第二种是水坝两边液位差产生的势能不足以打开换气仓开关时，电磁阀协助工作，补充输出确保开关正常工作。

换气仓的定位弹簧将联动控制阀固定在换气仓排气口关闭、出水口打开的初始状态，当联动控制阀在外力（电磁阀）作用下向下运行，关闭出水口，打开排气口开关时，联动杆向下移动，出水口的阀板挤压连接有卡簧的楔形卡块，并在卡簧的作用下卡在楔形卡块底部，换气仓内空气与柱塞内液体置换，换气仓内液位上升。当换气仓内液体上升至高点时，换气仓内浮子的浮力拉动传动杠杆，并挤压卡簧，卡簧推动卡块顶端使得楔形卡块旋转，下阀板上升打开出水口；联动控制阀开关回到初始位置，换气仓液体经由排水口排入水槽和举升箱。所述快速开闭装置在初始状态时，棘轮卡在棘爪上，当外力拉动卷缩蓄力弹簧到一定程度时，棘爪松开，棘轮推动联动杆底部的拨板打开联动控制阀；当蓄力弹簧失去弹力时，棘轮恢复初始状态，为下一个行程做好准备。

柱塞满足下行需要一定的自身重量，该重量以克服摩擦力、满足下行速度为准，所核定的重量在同规格柱塞泵中是一个恒定值，如果需要加大排水量完成更大的行程，柱塞需要加长，加长部分的自身重量可以用内部加装平衡浮子的方式抵消，柱塞运动时的恒定重量不变。所以，理论上柱塞可在液体高度范围内无限增加行程，而消耗的动力和需要置换的液体和空气数量不变。举升箱由于身处位置偏低，极易获取液体，保持与柱塞同步运行。

本实施例的密封箱体中涉及到运动部件的，均采用动密封方式实现密封。本实施例中涉及到的各类气体开关、液体开关和电磁阀优选为浙江南高自动阀门有限公司、永嘉百加阀门制造有限公司、天津市飞球高中压阀门制造有限公司、阜宁县鑫盛源阀门制造有限公司、深圳市艾肯弗兰流体机械设备有限公司、永嘉巨博阀门有限公司、广州富冠阀门有限公司、上海双泰阀门有限公司、浙江金豪阀门有限公司和上海锐茨阀门制造有限公司生产的气体弹簧开关阀、液体弹簧开关阀和电磁阀。而且为了节约设计研发成本，本实施例中的各类开关阀均可使用以上公司生产的同等功能的开关阀代替；或者使用气动领域和液压领域中现有的开关阀。

Claims (8)

1.一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述装置包括能够提升输液的提升机构、用于提升的举升机构和为提升机构和举升机构提供动力的气液置换做功机构；所述提升机构的提上部件通过通过动力传导链与举升机构的上升部件连接；所述气液置换做功机构分别通过换气系统与提升机构和举升机构连接，通过气液置换过程中产生的浮力为提升机构和举升机构提供动力；所述提升机构置于高水位区内，所述举升机构位于低水位区上方。

2.根据权利要求1所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述提升机构包括泵体（3）和柱塞（6），柱塞（6）位于泵体（3）内，柱塞（6）和泵体（3）之间的环腔内设有密封配合的密封挡板（4），密封挡板（4）固定在泵体（1）的内壁上；所述柱塞（6）顶端设有柱塞排气口（7），柱塞排气口（7）底端设有能够开闭排气口的挤压式开关（8），挤压式开关（8）位于筒体（5）顶端；所述泵体（3）顶端设有安装泵体出水口（9）和泵体排气口（1），泵体排气口（1）内设有能够开闭排气口的伸缩开关，该伸缩开关底端设有能够开启和闭合泵体排气口（1）和柱塞排气口（7）开关的顶杆（2）；所述柱塞（6）顶端与牵引绳（10）连接，牵引绳（10）经过滚轮变向后与举升机构的上升部件连接；所述泵体（3）位于高水位区的液面下，所述泵体排气口（1）和泵体出水口（9）位于液面上。

3.根据权利要求1所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述举升机构包括举升箱（26）、举升浮子（27）和接水槽（19）；举升浮子（27）位于举升箱（26）内，举升浮子（27）的外壁与举升箱（26）的内壁间设有滑轮滑道（29），举升箱（26）底部设有能够开闭的排水口排水开关（28），排水开关（28）通过锁链与举升浮子（27）底端连接，举升浮子（27）顶端设有举升杆（25），举升杆（25）穿过举升箱（26）后与牵引链连接，举升箱（26）上端设有举升箱进水管（24）；所述接水槽（19）位于气液置换做功机构的出水口下方，接水槽（19）内设有举升箱开关浮子（20），举升箱开关浮子（20）底端通过连接杆与闸板阀开关（23）连接，闸板阀开关（23）安装在举升箱进水管（24）上，用于控制进水管的开闭，靠近举升箱进水管（24）端部设有液位差控制导管（21），液位差控制导管（21）上安装有电磁控制阀，液位差控制导管（21）一端位于高水位区内，其另一端靠近举升箱进水管（24），当控制阀开启时，高水位区的水通过液位差控制导管后，一部分水通过进水管流入举升箱（26），一部分流入低水位区。

4.根据权利要求3所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述举升杆（25）与举升箱（26）通过动密封进行密封。

5.根据权利要求1所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述气液置换做功机构包括换气仓（15）、换气仓内浮子（14）、联动控制阀（13）、快速开闭装置（18）和电磁阀（17）；换气仓（15）顶端设有换气口（45），换气口（39）与换气管（12）一端连通，换气管（12）另一端与提升机构的泵腔底端连通；换气仓（15）底端设有换气仓出水口（16），换气仓出水口（16）两侧设有对称分布的楔形卡块（36），楔形卡块（36）与固定在支架（37）的铰接架铰接，楔形卡块（36）顶端与卡簧（35）一端连接，卡簧（35）另一端与传动杠杆（34）连接，传动杠杆（34）与换气仓内浮子（14）连接，传动杠杆（34）底端与支撑座（38）铰接，卡簧（35）安装在支架（37）上；所述联动控制阀（13）包括联动杆（32）、两个阀板（30）和横板（33），联动杆（32）穿过换气仓内浮子（14），两个阀板（30）一个位于联动杆（32）顶部，用于对换气口（39）的关闭或打开，一个位于联动杆（32）下部，用于对出水口的打开或关闭，当换气口（39）关闭时，出水口（16）打开，当换气口（39）打开时，出水口（16）关闭，横板（33）顶端设有定位弹簧（31），定位弹簧（31）固定在换气仓（15）的顶部，所述联动杆（32）底端设有拨板（40）；所述快速开闭装置（18）包括壳体（45）、棘轮（41）和棘爪（43），棘轮（41）内设有用于蓄力的卷缩弹簧（44），棘轮（41）通过转轴安装在壳体（45）内，棘轮（41）上设有棘齿（42），棘爪（43）设置与壳体上，用于锁紧和释放棘轮（41）；所述联动杆（32）穿过壳体（45），其底端的拨板（40）位于壳体（45）下部，拨板（40）与棘轮（41）的距离能够保证棘轮（41）转动时棘齿（42）能够触动拨板（40），用于开启联动控制阀（13）；所述电磁阀（17）通过传动件与卷缩弹簧（44）连接，用于对卷缩弹簧（44）提高外力，完成卷缩弹簧（44）的蓄力。

6.根据权利要求5所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述快速开闭装置（18）还包括驱动叶轮（22），驱动叶轮（22）位于高水位区的导管内，驱动叶轮（22）通过传动件与卷缩弹簧（44）的卷轴连接，用于辅助电磁阀（17）完成卷缩弹簧（44）的蓄力。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述气液置换做功机构设置于提升机构和举升机构之间。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种浮子式复合动力柱塞装置，其特征在于：所述高水位区和低水位区之间设有隔离体（11）。

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