一种利用外力平衡优化能量传递的装置和方法与流程

本发明属于可再生能源，特别是一种利用外力平衡优化能量传递的装置和方法。

背景技术：

1、可再生能源是来自大自然的能源，包括太阳能、风力、地热、潮汐等，其中，潮汐是重力场产生的，因此，重力场能量属于可再生能源。潮汐发电间接利用了重力场能源，但是人们不能控制潮汐发生的时间、地点和大小。美国专利（us 8919111 b2）“利用浮力获得液体内能量的装置和方法”，该专利是通过物理现象的发现，利用该技术将重力场能量转换为机械能，能在任意时间、地点和空间应用重力场能量，实现了人为对重力场能量的控制性应用，具有很好的应用前景。

2、上述专利文件记载的装置，是把地球重力转换为机械能的装置，该装置在本发明中称为：重力转换器。重力转换器的结构属于液力机械，人们可以复制发明，也可以通过完善能量传递结构实现产业化。在装置系统中，存在外部和重力场两个不同性质的能量传递子系统，其中，外部能量转换为机械能，能量传递是守恒的，重力场能量以浮力的形式转换为液体重力做功，也就是，外部能量是闭环传递的，是为浮力传递提供条件的。由于外部能量传递与向装置中输入液体的量有关，在应用中为了获得更大的输出功率，需要很多的液体流量，因此，需要单独设计大型的外部能量传递装置，不仅成本高而且能量损失大。另一个影响能量转换效率的因素是密封产生的摩擦损失。因此，如何利用装置固有的结构和能量传递特征优化能量传递，即：节省液体输送成本、提高输出功率和减少密封损失,是该技术应用中需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是要提供一种利用外力平衡优化能量传递的装置和方法，解决需要独立装置传递外部能量，减少成本、提高能量转换效率的问题。

2、本发明的目的是这样实现的：一种利用外力平衡优化能量传递的装置，用于重力转换器的外力传递，重力转换器包括：壳体（1）、浮体（2）、输出轴（2-1）、进出液口（1-1）和进出气口（1-2）；还包括：气体输送装置、能量补偿装置和密封装置（3）；气体输送装置分别与壳体（1）的进出气口（1-2）和能量补偿装置连接；能量补偿装置与壳体（1）连接；密封装置（3）位于壳体（1）和浮体（2）之间，并固定在壳体（1）上，将壳体（1）分成两个工作室，所述的两个工作室为液体密封室和空气密封室，密封装置（3）的密封面与浮体（2）密封，为动密封。

3、所述的气体输送装置是利用重力转换器产生的气压传递外力的装置，包括：气体换向器（4）和稳压罐（5）；气体换向器（4）连通壳体（1）的进出气口（1-2）和稳压罐（5）；稳压罐（5）与能量补偿装置连接。

4、所述的能量补偿装置是输送液体的装置，包括：水箱（6）和增压泵（7）；水箱（6）与稳压罐（5）连通；水箱（6）的底部与增压泵（7）的输入端连通，增压泵（7）的输出端与壳体（1）的进出液口（1-1）连通。

5、所述的气体换向器（4）是实现管道之间的换向输送的装置；所述的气体换向器包括：控制器和阀门，阀门安装在相对应的管道上，控制器控制阀门实现管道之间的自动换向输送。

6、所述的工作室以安装在壳体（1）中线的密封装置（3）划分，中线的一侧为液体密封室，另一侧为空气密封室；两个工作室的体积相同；所述的液体密封室是浮体（2）能产生液体浮力的密封室；所述的空气密封室为不产生液体浮力的密封室。

7、优选的，所述的液体密封室和空气密封室的顶部分别设有第一进出气口（1-5）和第二进出气口（1-7），在第一进出气口（1-5）和第二进出气口上分别连接有第一排气阀（1-6）和第二排气阀（1-8）；所述的排气阀为浮球式排气阀，有液体浮力时关闭，无液体浮力时打开；底部分别设有第一进出液口（1-1）和第二进出液口（1-3），在第一进出液口（1-1）和第二进出液口（1-3）上分别连接有第一截止阀（1-2）和第二截止阀（1-4）。

8、优选的，所述的气体换向器（4）采用二位四通转换阀；二位四通转换阀一侧的t和p二个端口分别与液体密封室的第一进出气口（1-5）和空气密封室的第二进出气口（1-7）连接；二位四通转换阀另一侧的a端口与稳压罐（5）连接，另一个b端口与大气相通；稳压罐（5）的一个出口连接到水箱（6）的上端，第一进出气口（1-5）与稳压罐（5）连通时，同时第二进出气口（1-7）与大气连通；第二进出气口（1-7）与稳压罐（5）连通时，同时第一进出气口（1-5）与大气连通。

9、所述的与大气连通，包括浮体（2）与壳体（1）之间的气体，无回收价值时直接排入大气，有回收价值时将气体补入稳压罐（5）或产生机械能。

10、所述的增压泵（7）是提升液体的装置，为离心泵或变频恒压管道泵。

11、所述的水箱（6）为液体密封室、压力水箱或水池。

12、所述的稳压罐（5）是调节气压的气体存储容器，为储气罐或膨胀罐。所述的容器有输气口、安全阀；所述的调节压力包括减少气压波动以及调整出气压力；调整出气压力的方法，为采用节流或减压阀等。

13、所述的能量补偿装置是一种气缸式能量补偿装置，包括：气缸（10）和电机（11）；气缸（10）与壳体（1）的侧面连接；电机（11）与气缸（10）连接；

14、所述的气缸（10）是利用空气密封室内的预置气体输送液体的装置，包括：缸体（10-1）、柱塞（10-2）、输气口（10-3）和驱动杆（10-4）；缸体（10-1）与壳体（1）的一侧的侧面连接，缸体（10-1）上设有输气口（10-3）；驱动杆（10-4）与柱塞（10-2）连接，并穿过缸体（10-1）的封头，位于封头外的驱动杆（10-4）上设有变速箱，变速箱与电机（11）连接；所述的侧面包括轴向侧面或径向侧面；所述的气缸（10）为柱塞缸或伸缩柱塞缸。

15、所述的伸缩柱塞缸的柱塞是能够伸缩的柱塞，包括：缸体（10-1）、伸缩柱塞、输气口（10-3）和驱动杆（10-4）；缸体（10-1）与壳体（1）的一侧的侧面连接，缸体（10-1）上设有输气口（10-3）；驱动杆（10-4）与伸缩柱塞连接，并穿过缸体（10-1）的封头，位于封头外的驱动杆（10-4）上设有变速箱。

16、所述的伸缩柱塞位于缸体（10-1）内，包括：伸缩管、端板（10-5）和滑轨（12）；伸缩管的一个端口与缸体（10-1）的内壁密封连接，另一个端口与端板（10-5）密封连接；端板（10-5）的内侧与驱动杆（10-4）连接；所述的端板（10-5）的边沿设置有滑套，滑套安装在滑轨（12）上，滑轨（12）固定在壳体（1）的内侧。

17、所述的密封装置（3）为：滑动密封、或者为滚动密封；所述的滚动密封包括：轴密封（3-1）和壁密封；

18、所述的轴密封（3-1）套接在浮体（2）两侧的输出轴（2-1）上，位于壳体（1）和浮体（2）之间；两侧的轴密封（3-1）在输出轴（2-1）底部连接为一体；对壳体（1）、浮体（2）和输出轴（2-1）之间的间隙实施密封；

19、所述的壁密封包括侧壁密封和顶壁密封，结构相同，安装在壳体（1）内壁，位于壳体（1）与浮体（2）之间的侧壁和顶壁之间；对壳体（1）和浮体（2）侧壁和顶壁之间的间隙实施密封。

20、所述的壁密封包括：密封支架（3-2）、光轴（3-3）、橡胶轴（3-4）和密封体（1-9）；密封支架（3-2）密封固定在壳体（1）内；在两个密封支架（3-2）之间连接有光轴（3-3）和橡胶轴（3-4）；光轴（3-3）和橡胶轴（3-4）两端的端面与密封支架（3-2）密封，并能在密封支架（3-2）上转动；光轴（3-3）的外圆与橡胶轴（3-4）外圆滚动密封连接；橡胶轴（3-4）与浮体（2）的侧面和顶面滚动密封连接；光轴（3-3）与密封体（1-9）滚动密封连接；密封体（1-9）固定在壳体（1）上。

21、所述的轴密封（3-1）是弹性密封件，弹性密封件包括：两个密封套和一根密封条；在密封条的两端连接密封套；密封套分别安装在浮体（2）侧面的两个输出轴（2-1）上，密封条贴合在输出轴（2-1）的底面上；密封套对输出轴（2-1）和壳体（1）实施密封；密封条对壳体（1）和输出轴（2-1）的轴向底部实施密封。

22、优选的，所述的密封支架（3-2）为四个，分别为两个上密封支架和两个下密封支架；两个上密封支架安装在壳体（1）内壁的顶部，两个下密封支架安装在壳体（1）下部轴密封（3-1）的上方。

23、优选的，所述的上密封支架有两个，在上密封支架侧立面和底面上各有两个轴承室，两个上密封支架侧立面的轴承室相对应；在轴承室内装有轴承，光轴（3-3）和橡胶轴（3-4）的芯轴与轴承内圈连接；所述的下密封支架有两个，结构相同，向上的面上各有两个轴承室，该轴承室与上密封支架底面的轴承室相对应。

24、优选的，所述的密封体（1-9）为轴瓦结构，轴瓦与光轴（3-3）动配合密封或弹性密封；密封体（1-9）用螺纹固定在壳体（1）内壁，或者与壳体（1）焊接为一体。

25、优选的，所述的光轴（3-3）包括刚性圆柱体或圆锥体；光轴（3-3）两端的中心均有延伸出的芯轴，芯轴安装在轴承室的轴承上。所述的橡胶轴（3-4）包括圆柱体或圆锥体；橡胶轴（3-4）的中心为刚性圆柱体，在刚性圆柱体表面有弹性橡胶，构成弹性圆柱体，弹性圆柱体两端的中心均有延伸出的芯轴，芯轴安装在轴承室的轴承上；所述的圆锥体用于浮体（2）的侧面密封，是为了适应侧面随半径增大线速度增大，克服采用圆柱体时转速恒定产生的滑动。

26、橡胶轴（3-4）与浮体（2）的侧面和顶面滚动密封，浮体（2）转动时带动橡胶轴（3-4）转动；橡胶轴（3-4）与光轴（3-3）产生滚动摩擦，带动光轴（3-3）旋转；光轴（3-3）与密封体（1-9）的轴瓦动配合密封；因此，将滑动摩擦变成滚动摩擦，减少密封阻力损失，降低浮体（2）的表面加工精度。

27、在浮体（2）的侧面和顶面采用弹性橡胶覆膜时，光轴（3-3）直接与浮体（2）滚动密封；该状况下的壁密封结构不包括橡胶轴（3-4）。

28、一种利用外力平衡优化能量传递的方法，在水箱（6）内预置液体，在空气密封室内预置压强为p的气体；预置的气体压强p施加给液体，将液体输送到液体密封室；液体密封室的浮体（2）以输出轴（2-1）为轴，向空气密封室转动压缩预置的气体，并从输出轴（2-1）输出扭矩；被压缩的预置气体提供给水箱（6）。

29、压缩气体+增压泵的液体输送方式：

30、步骤1-1：完成初始准备工作状态：打开液体密封室第一进出液口（1-1）的第一截止阀（1-2），关闭空气密封室第二进出液口（1-3）的第二截止阀（1-4）；气体换向器（4）处在空气密封室连通稳压罐（5），液体密封室与大气连通的状态；向水箱（6）和液体密封室注入高度为h的液体，向稳压罐（5）和空气密封室注入压强为p的气体；

31、步骤1-2：开始工作：连通稳压罐（5）和水箱（6），稳压罐（5）的气体压强p，将水箱（6）内的液体送入液体密封室，驱动浮体（2）转动并压缩空气密封室内的气体p；被压缩的气体补充给稳压罐（5）；

32、步骤1-3：处在液体密封室内的浮体（2），在浮力和液体水平分力的作用下，以输出轴（2-1）为轴，浮体（2）向着空气密封室方向发生转动，浮体（2）压缩预置气体经稳压罐（5）补充给水箱（6），并从输出轴（2-1）输出扭矩；

33、步骤1-4：当水箱（6）内的气体压强p加上液体位能，不足以推动液体向液体密封室内输送液体时，增压泵（7）开始工作，增压泵（7）将水箱（6）内的液体输入液体密封室；

34、步骤1-5：当水箱（6）内的液体完全输入液体密封室，浮体（2）完全进入空气密封室；水箱（6）内的液体转换到液体密封室内，空气密封室内的压强为p的气体转换到水箱（6）内；

35、步骤1-6：气体换向器（4）切换气路，关闭空气密封室，打开液体密封室；这时液体密封室和水箱（6）内的气体压强相等，液体密封室内的液体回到水箱（6）内其液体势能不变；液体密封室回到水箱（6），水箱（6）内的液体置换到液体密封室，这时的液体密封室变成空气密封室，空气密封室有浮体（2）变成液体密封室，装置处于下一个工作周期的初始状态。

36、一种利用外力平衡优化能量传递装置，还包括：二个重力转换器、分水器和分水器控制器；所述的二个重力转换器结构相同，分别为a机组和b机组；a机组的第一进出气口（1-5）和b机组的第二进出气口（1-7）与气体换向器（4）连通，气体换向器（4）与稳压罐（5）连通；a机组的进出液口（1-1）和b机组的第二进出液口（1-3）与增压泵（7）之间有分水器连通，分水器连接分水器控制器。

37、所述的分水器是切换a机组和b机组进排水的装置，包括第一分水器（8）和第二分水器（9）；所述的气体换向器（4）是切换a机组和b机组进气、排气的装置，包括单个集成装置或者多个独立装置。

38、气缸式多机组联动的外力传递装置，包括：气缸式重力转换器、气体换向器（4）和分水器（13）；所述的气缸式重力转换器有两个，分别为a机组和b机组，两个气缸式重力转换器的液路连接分水器（13），气路连接气体换向器（4）。

39、所述的气缸式重力转换器，是重力转换器和气缸式能量补偿装置组合体。

40、有益效果，在背景技术中，重力转换器的结构属于液力机械，现有技术中，实现外部能量传递需要设计液压能闭环传递机构，将浮力传递的能量输出。但背景技术的本质是外力提供液体静压强，外力转换为液体水平分力，浮力是重力场下选定的液体中的某一液体体积，并且浮体（2）同时传递外部能量和浮力。因此，利用装置固有的结构特征，通过预置气体平衡外力，实现两个独立的能量在装置内传递，继而解决需要独立装置传递外部能量的问题。

41、通过预置液体和压强为p 的气体，使输入的外部能量，通过气体输送装置和能量补偿装置，实现外部能量在装置系统内传递，简化了外部能量传递机构，大幅减少装置成本和机械损失。

42、气体输送装置，利用预置气体平衡外力，外力传递更简单。

43、能量补偿装置，利用系统气体驱动液体，减少了增压泵的流量，采用气缸等势能输送液体，外力传递平稳，成本低、输出效率高。

44、采用双机组联动工作衔接能量传递的工作周期，更适合多机组集中运行，提高系统工作效率。用滚动密封取代滑动密封，优化了浮体工艺、减少摩擦损失等，特别适合大功率机组的应用。

45、由于本发明采用了上述技术方案，利用装置固有的闲置结构，解决了背景技术的应用中，外部能量循环传递结构复杂、成本高、能量损失大的难题，是一种适合新技术应用的新的技术方案，实现了本发明的目的。