一种浮力驱动机的制作方法

本发明涉及一种将浮力转换成旋转能的设备，具体是一种浮力驱动机。

背景技术：

目前对浮力的研究和利用只限于在水面上行驶的船只、水中游动的潜水器等。可见，浮力也是一种自然能源，它可同煤、石油、太阳能、核能、水能、风能等能源一样发挥作用，是一种实用的能源。此外，浮力能源是一种可循环利用、经济便捷、清洁环保、安全可靠的可利用能源，因此，有必要设计和研究开发一种设备对该能源进行充分运用。

技术实现要素：

一种浮力驱动机，其特征在于：包括一个以上上下浮沉于液体介质内的浮体、将浮体的上下浮沉运动转换成旋转运动的能量转换机构和用于对浮体进行充排气控制的充排气系统；浮体传动连接能量转换机构的能量输入端，能量转换机构的能量输出端连接旋转运作的驱动设备；浮体包括连通充排气系统的柔性气囊，充排气系统对柔性气囊充排气，以控制浮体上下浮沉运动。本结构将浮体上下浮沉运动转换成驱动设备所需的旋转运动，将浮力转换成旋转能，实现了浮力的收集、储存、运用和转换过程。

所述浮体还包括浮壳，柔性气囊设置于浮壳内腔，浮壳上设有若干排水孔，液体介质通过排水孔自由进出浮壳内腔。浮壳具有一定的强度，便于输出浮力至能量转换机构，浮壳由防锈蚀材料制成或表面涂有防锈蚀层。柔性气囊的材质是一种有弹性、可收缩、密封性能好的硅橡胶类材料，其不易破损或漏气；柔性气囊通过软管连接充排气系统，在浮壳内自由膨胀和收缩。

所述柔性气囊设置一个或两个以上，两个以上的柔性气囊相互并联连接充排气系统，彼此互不干涉。设置一个柔性气囊的浮体的排开水体积固定为V1，浮力固定为F1；设置两个以上柔性气囊的浮体的排开水体积为V=V1+V2+……，浮力为F=F1+F2+……，可知，浮体的浮力为若干柔性气囊受到的浮力的总和，通过增减柔性气囊个数，就可以调节浮体的浮力大小，得到不同大小的输出能量。

柔性气囊排气收缩时，浮力减小，此时需要靠浮体本身的自重下沉运动，但实际操作中单靠浮体本身的自重是远远不能达到快速下沉的目的，因此，所述浮体上设置有用于辅助浮体下沉并具有平衡作用的配重块，配重块是具有一定质量的刚性物体，且环形均布设置或两两对称设置。

所述能量转换机构包括设置于能量输入端的旋转能输入部件，浮体与旋转能输入部件之间设置有连杆，连杆两端分别转动连接浮体和旋转能输入部件，旋转能输入部件将旋转运动传递至能量转换机构的能量输出端。浮体的浮力通过连杆传输至旋转能输入部件上，并在其作用下转化成旋转运动，为能量输出端的驱动设备提供旋转能，促使驱动设备运作。

受柔性气囊充排气时间的影响，旋转能输入部件的转速较低，为此，所述能量转换机构还包括变速箱，旋转能输入部件通过低速轴连接变速箱，变速箱通过高速轴连接驱动设备，通过变速箱的提速作用，使能量输出端输出的转速能达到驱动设备正常运转的转速。

所述旋转能输入部件为飞轮或曲轴，连杆一端转动连接在飞轮或曲轴远离旋转轴线的位置，有效的将浮体的上下浮沉运动转换成旋转运动，实现能量转换。

所述充排气系统包括充气管路和排气管路，柔性气囊分别连接充气管路和排气管路。充气管路上设置有充气泵和气罐，柔性气囊通过相应的进气阀连接充气管路；排气管路上设置有电磁阀，软性气囊通过电磁阀连接大气，且柔性气囊通过相应的排气阀连接排气管路。充排气的控制可以有以下方式：机械控制，能量转换机构中的转轴上设置凸轮，飞轮或曲轴旋转到上死点时，凸轮驱动排气阀打开，使柔性气囊排气，飞轮或曲轴旋转到下死点时，凸轮驱动进气阀打开，使柔性气囊充气；电子控制，设置电控器和电磁阀，根据预设程序分别启闭进气阀或排气阀。

本结构还包括设置于液体介质中的定向支撑机构，定向支撑机构包括支架和导轨，导轨竖直设置于支架上，浮体沿导轨上下浮动。定向支撑机构可保证浮体在液体介质中按一定方向运动，并支撑各部件正常工作。

本发明的有益效果如下：

1.充排气系统对浮体进行充排气操作，使其上下浮沉运动，再利用连杆将上下浮沉运动的动能传输至能量转换机构，并转换成旋转运动，最终供驱动设备运作用，有效的将浮力转化成旋转能，其可实现浮力的收集、储存、运用和转换，为生活生产提供新的能源使用；

2.通过对浮体内的柔性气囊进行充排气操作即可轻松控制浮体的上下浮沉运动，操作简单，而且性能可靠；通过增减柔性气囊的数量，还可控制浮体的浮力，从而控制能量的输出，用户可根据驱动设备的不同需要对浮体的浮力进行相适应调节，提高适应性，扩大适用范围；

3.充排气系统中的充气管路和排气管路分别循环连接，使充气和排气工作可循环完成；

4.能量转换机构通过变速箱有效提高转速，以供驱动设备正常运转，可满足驱动设备高转速的需要，可见，能量转换机构具有能量提升的效果。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明第一实施例中的浮体于液体介质中的示意图。

图3为本发明第二实施例中浮体的结构示意图。

图4为本发明第三实施例的整体结构示意图。

图5为本发明第四实施例中充排气控制的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

第一实施例，参见图1，本浮力驱动机用于驱动发电机工作，其包括一个上下浮沉于水中的浮体A、将浮体A的上下浮沉运动转换成旋转运动的能量转换机构和用于对浮体A进行充排气控制的充排气系统；浮体A传动连接能量转换机构的能量输入端，能量转换机构的能量输出端连接旋转运作的驱动设备17（本实施例的驱动设备17为发电机）；浮体A包括连通充排气系统的柔性气囊2，充排气系统对柔性气囊2充排气，以控制浮体A上下浮沉运动，浮体A将上下浮沉运动的动能传输至能量转换机构，并在能量转换机构的作用下转换成驱动设备17所需的旋转运动，将浮力转换成旋转能，并实现了浮力的收集、储存、运用和转换过程。

进一步地，浮体A还包括桶状的浮壳1，柔性气囊2设置于浮壳1内腔，浮壳1倒置覆盖在柔性气囊2外侧，浮壳1主要用于收集浮力的功能，是浮力驱动机的主要部件，浮壳1表面均匀分布有若干排水孔101，水通过排水孔101自由进出浮壳A内腔，浮壳1具有一定的强度，便于输出浮力至能量转换机构，浮壳1由防锈蚀材料制成或表面涂有防锈蚀层。柔性气囊2的材质是一种有弹性、可收缩、密封性能好的硅橡胶类材料，其不易破损或漏气；柔性气囊2通过软管连接充排气系统，在浮壳1内自由膨胀和收缩，柔性气囊2是控制浮体A上下浮沉运动的重要部件。浮体A设置于靠近水面的位置，该位置压强较小，对浮体A的影响较小。

进一步地，柔性气囊2设置一个，该浮体A的排开水体积固定为V1，浮力固定为F1。

进一步地，柔性气囊2排气收缩时，浮力减小，此时需要靠浮体A本身的自重下沉运动，但实际操作中单靠浮体本身的自重是远远不能达到快速下沉的目的，因此，在浮壳1外侧设置有用于辅助浮体A下沉并具有平衡作用的配重块3，配重块3是具有一定质量的刚性物体，且环形均布设置或两两对称设置。

进一步地，能量转换机构包括设置于能量输入端的飞轮4，浮体A与旋转能输入部件之间设置有连杆5，连杆5两端分别转动连接浮体A和飞轮4，飞轮4将旋转运动传递至能量转换机构的能量输出端；连杆5的端部转动连接在飞轮4远离旋转轴线的位置，有效的将浮体A的上下浮沉运动转换成旋转运动，实现能量转换。浮体A的浮力通过连杆5传输至飞轮4上，并在其作用下转化成旋转运动，为能量输出端的驱动设备17提供旋转能。

进一步地，受柔性气囊2充排气时间的影响，飞轮4的转速较低，为此，能量转换机构还包括变速箱6，飞轮4通过低速轴7连接变速箱6，变速箱6通过高速轴8连接驱动设备17，通过变速箱6的提速作用，使能量输出端输出的转速能达到驱动设备17正常运转的转速。其中，低速轴7是由飞轮4推动旋转的轴，若浮体A上下浮沉运动一循环为一秒，低速轴7带动低速轴7旋转一圈，则低速轴7的转速为30-50转/分；变速箱6是齿轮传动机构，其具有1:50的提速效果；高速轴8是带动驱动设备17正常运转的轴，在变速箱6的作用下，其转速可达到1500-2500转/分，确保驱动设备17正常运转。

进一步地，充排气系统包括充气管路和排气管路，柔性气囊分别连接充气管路和排气管路。充气管路上依次设置有充气泵9、止回阀14和气罐10，柔性气囊2通过相应的进气阀12连接充气管路；排气管路上设置有电磁阀11，软性气囊2通过电磁阀11连接大气，且柔性气囊2通过相应的排气阀13连接排气管路。低速轴7上设置凸轮18，飞轮4旋转到上死点时，凸轮18驱动排气阀13打开，使柔性气囊2排气，浮体A下沉，并带动飞轮4向下转动；飞轮4旋转到下死点时，凸轮18驱动进气阀12打开，使柔性气囊2充气，浮体A上浮，并带动飞轮4向上转动。另外，充气量也是一个影响浮体A连续运动的重要指标，充气量不够，柔性气囊2充气时间变长，浮体A的运动周期就会变慢，影响了浮力驱动机的输出动力，因此，需要保证有足够的充气量。

进一步地，参见图2，本结构还包括设置于水中的定向支撑机构，定向支撑机构包括支架15和导轨16，导轨16竖直设置于支架15上，浮体A沿导轨16上下浮动。定向支撑机构可保证浮体在液体介质中按一定方向运动，并支撑各部件正常工作。

第二实施例，参见图3，本浮力驱动机不同于第一实施例之处在于：为了满足带动不同驱动设备17（本实施例的驱动设备17为发电机）的正常工作，浮力驱动机的输出能量也需要有所不同，即浮体A的浮力要有大小变化，因此，柔性气囊2设置两个以上，柔性气囊2相互并联连接充排气系统，彼此互不干涉；浮体A的排开水体积为V=V1+V2+……，浮力为F=F1+F2+……，可知，浮体A的浮力为若干柔性气囊2受到的浮力的总和，通过增减柔性气囊2个数，就可以调节浮体A的浮力大小，得到不同大小的输出能量。

进一步地，浮体1呈蜂巢状设置，其具有多个腔室，柔性气囊2设置于对应的腔室内，每个柔性气囊2相互独立，互不影响。本结构的浮体A可减少整体的充气时间，缩短浮体A运动的周期，直接提高飞轮7的转速，增加低速轴7上的旋转力矩。

第三实施例，参见图4，本浮力驱动机不同于第一实施例之处在于：浮体A设置两个，且分别处于相反的运动状态，即一浮体A上浮时，另一浮体A下沉，每个浮体A由相应的进气阀12和排气阀13控制充排气；能量输入端上的旋转能输入部件为曲轴4’，两浮体A分别连接曲轴4’上相应的偏心轴。两浮体A联合工作，有效提高输出能量。

第四实施例，参见图5，本浮力驱动机不同于第一实施例之处在于：充排气的控制为电子控制，其设置有电控器和电磁阀，根据预设程序分别启闭进气阀或排气阀。

浮力驱动机的应用

本浮力驱动机可应用在工业、农业、交通运输、居家生活等需要能源和动力的场所，它可以直接带动驱动设备17（本驱动设备17为发电机）运作。

浮力驱动机参数的计算公式

根据机械动力学原理，浮力驱动机的参数可以用下面方法计算。

1、浮体A的浮力：F=ρgv {F-浮体A的浮力，ρ-所在液态介质的密度（kg/m³），g-重力加速度（g=9.81m/s²） v-排开水的体积（m³）、浮力驱动机排开水的体积就是柔性气囊膨胀的体积}

2、一般物体运动的力：F=ma {m-物体的质量（kg）a=加速度（m/s2）}

3、物体运动的力矩和转矩：一般物体运动的力矩 M=FL { M-力矩（N·m），F-作用力（N），L-力作用的距离（m）}；一般物体旋转的转矩 T=Ja {T-转矩（N·m），a-加速度（m/s2），J-转动惯量（kg·m2）}

4、一般旋转物体的飞轮矩：（GD2）=4gJ (N·m2)

5、物体运动的功率：一般平移运动的物体功率 P=Fv cosβ/1000（kw）{v-运动速度（m/s），F-作用力（N），β-力和位移间夹角}；一般旋转运动的机械功率 P=Tn/9550=Tω/1000（kw）{n-旋转物体的转速（r/min），ω-旋转物体的角速度（rad/s）；ω=πv/30 v-物体的线速度（m/s）}

6、一般旋转运动物体的动能：E=1/2 J ω2（J）

7、折算到转轴上的静阻负载转矩：T=Fv/ωη=FR·1/iη（N·m） {F-作用力（N），i-传动比，η-传动效率，R-物体运动的旋转半径（m）}

8、折算到转轴上的动态转矩：T=J·dω/dt=GD2/375·dn/dt

浮力驱动机计算举例

参数

转速n=30（转/分），飞轮半径R=36（mm），

（1）当浮力F=1（kg）：

飞轮的功率P=FV/1000=F2πRn/60×1000=1×2×3.14×0.036 ×30/60×1000=0.000113（kw）

飞轮上转矩T=975·P·60/n=975×0.000113×60/30=0.22035（kg·m）

（2）当浮力F=10（kg）：

飞轮的功率P=FV/1000=F·2πRn/60×1000=10×2×3.14× 0.036×30/60×1000=0.00113（kw）

飞轮上转矩T=975·P·60/n=975×0.00113×60/30=2.2035（kg·m）

上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。