一种用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装置的制作方法

本发明涉及一种基于水下滑翔机的浮力调节装置，具体涉及一种利用海洋温差能以及双向齿轮泵的混合驱动浮力调节装置。

背景技术：

二十一世纪是海洋的时代，海洋经济与科学技术的发展也已成为了世界各国综合实力的重要表征之一。各国对于不同海域的海洋开发活动越来越频繁，然而不论是勘探开发海洋资源，亦或是科学考察，国防走向深蓝等等活动都离不开水下运载器。而这些形态各异，功能各有所长的运载器也逐渐成为了海洋开发与军事活动的主要手段。

水下运载器有多种种类，可大致分为水下载人运载器与水下无人运载器。海洋是一个广阔的复杂系统，海洋活动具有相当的危险性，随着世界各国对于作业零伤亡的重视以及海洋科技的发展，水下无人运载器(uuv)得到了长足的发展。uuv按照控制方式的不同，也可以分为两类，一类是遥控式水下运载器(rov)，另一类是自治式水下运载器(auv)。rov主要依靠主缆与系缆进行遥控与通信，rov虽应用广泛，技术成熟，但其电缆长度有限，严重限制了运载器活动范围，且易造成线缆缠绕影响运载器航行。因此无需线缆，且完全自主化的自治式水下运载器受到了世界各国的追捧，但往往因为能源能量密度低，auv需定时浮出水面进行能源补充，一定程度上限制了运载器的航行广度和深度，为复杂海况作业带来了困难。近年来，开发新能源提高续航能力，已经成为了发展auv的必然趋势。其中，一种将浮标，潜标技术与水下机器人技术相结合，具有低能耗，低成本，高续航能力的水下滑翔机脱颖而出。它满足了航行时间长，航行距离远，检测范围广，能源利用率高的要求。

水下滑翔机是一种依靠内置的调节机构调整重心位置和净浮力来控制自身运动状态的水下自主机器人，其通过锯齿形下潜和上浮运动可完成长时间，大航程作业，并可搭载不同传感器高效地完成大范围海域的数据采集，具有广泛的应用意义。因而，一个良好的浮力调节装置就成为了水下滑翔机完成长航程，大深度作业的关键。

浮力调节装置是水下滑翔机的核心部件，为水下滑翔机提供动力。分为利用电能供给电机配液压泵驱动油囊式，以及利用温敏材料固---液相变获取能量的温差能驱动方式。一般而言，水下滑翔机浮力调节装置通过装载锂电池或其它碱性电池作为能源驱动，已有相当的基础，具有成熟技术，如国内的“海燕”“海翼”滑翔机，但会受到能源的制约，使得作业时间有限，难以长时间，长航程或进入特定海域作业，此外更换电池的成本较高；而温差能是一种可再生能源，具有长远的发展前途，是未来水下滑翔机发展的新趋势，但是其技术相对不够完善，而且由于受到工作条件(需要足够的温度差)和范围的影响，没有形成规模。

技术实现要素：

为了提高水下滑翔机的作业时间以及其作业范围，本发明综合电驱动与温差能驱动浮力调节装置的特点，并再引入一个双向齿轮液压泵作为备用油路的驱动装置，提出一种混合驱动浮力调节装置，在一定程度上提高能源利用率，拓宽温差能驱动装置的应用范围。

本发明的技术方案为：

所述一种用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装置，其特征在于：包括换热器和浮力调节舱；

所述换热器包括耐压壳体、软管、温敏相变材料和传输液体；所述耐压壳体一端封闭，另一端采用中空封头密封安装；所述中空封头的中心孔内密封安装有中空软管塞头，所述中空软管塞头伸入耐压壳体内部，并与软管开口端密封套接，所述软管处于耐压壳体内部；在耐压壳体内部填充有温敏相变材料，所述软管中充满传输液体；

所述浮力调节舱包括蓄能器、内皮囊、外皮囊、双向齿轮泵、控制板以及连接管路；所述蓄能器、内皮囊、双向齿轮泵、控制板处于水下滑翔机机体内部，所述外皮囊和所述换热器处于水下滑翔机机体外部承受海水压力；

所述换热器中空封头的中心孔连接密封管路，将传输液体引入浮力调节舱；在浮力调节舱内，从换热器接入的连接管路通过分流阀分为a，b两条管路，a路为依次通过第一单向阀以及第一三通分流阀后与蓄能器相连，b路为通过第二单向阀后在两位三通阀处分为b1，b2两条管路，b1路为从两位三通阀与内皮囊相连，b2路为从两位三通阀经过第二三通分流阀后与外皮囊相连；从蓄能器引出管路c，所述管路c为依次通过第一三通分流阀、两通电磁阀、第二三通分流阀后与外皮囊相连；从内皮囊引出备用管路d，所述备用管路d为依次通过两位三通阀、第二三通分流阀、双向齿轮泵后与外皮囊相连。

进一步的优选方案，所述一种用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装置，其特征在于：所述传输液体为乙二醇。

进一步的优选方案，所述一种用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装置，其特征在于：所述换热器中耐压壳体由换热器耐压外壳以及椭圆封头组成，椭圆封头套接在换热器耐压外壳一端，并通过头部o型圈密封；且在椭圆封头与换热器耐压外壳连接位置布置有加强筋。

进一步的优选方案，所述一种用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装置，其特征在于：所述外皮囊外侧套装有透水式外皮囊外壳。

有益效果

本发明具有的特点以及有益效果在于，本发明同时利用工作海域深度的温差能以及双向齿轮泵作为驱动，当拓宽了水下滑翔的工作范围，工作时长并提高了其可靠性以及能源利用率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明整体结构连接示意图。

图2是本发明的换热器结构剖面头端局部示意图。

图3是本发明的换热器结构剖面尾端局部示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提出的用于水下滑翔机的混合驱动浮力调节装置主要利用海洋温差能并能在特定工作环境下辅以双向齿轮泵来改变系统外皮囊体积，从而改变浮力大小。

本发明通过以下技术方案予以实现，参照附图1，2，3，混合驱动浮力调节装置主要包含：

换热器i，换热器i中包括了换热器耐压外壳(1)，中空平板封头(2)，椭圆封头(3)，中空软管塞头(4)，软管(5)，尾部o型圈(6)，头部o型圈(7)，软管o型圈(26)，六角螺钉(8)，温敏相变材料(9)，传输液体(乙二醇)(10)，加强筋(11)；浮力调节舱ⅱ，浮力调节舱ⅱ包括调节舱外壳(12)，调节舱盖板(13)，蓄能器(14)，内皮囊(15)，双向齿轮泵(16)，外皮囊(17)，透水式外皮囊外壳(18)，控制电路板(19-1，19-2)，单向阀(20-1，20-2)，两通电磁阀(21)，两位三通电磁阀(22)，三通分流阀(23-1，23-2，23-3)，直角管接件(24-1，24-2，24-3，24-4，24-5，24-6)，管道(25)。

本实施例所述换热器i中，换热器耐压外壳中(1)充满温敏相变材料(9)，换热器软管(5)中充满传输液体(10)并通过过盈配合与软管塞头(4)密封相连，换热器耐压壳体(1)两端分别用平板封头(2)及椭圆封头(3)连接，此外使用尾部o型圈(6)，头部o型圈(7)，软管o型圈(26)进行密封。换热器i与浮力调节舱ⅱ之间经过直角管接件(24-1)采用管路连接。

本发明所述透水式外皮囊(17)与换热器i悬挂于滑翔机机体外部承受海水压力，浮力调节舱ⅱ放置于滑翔机主壳体内。浮力调节舱ⅱ内包含系统温差能主油路：有蓄能器(14)，阀门(20，21，22，23，24)，内皮囊(15)，通过与舱外换热器i，透水式外皮囊外壳(18)和外皮囊(17)配合，实现改变浮力大小。具体油路为舱外换热器i通过直角管接件(24-1)，三通分流阀(23-3)连入浮力调节舱ⅱ后分出a，b两条管路，a路:通过直角管接件(24-4)，第一单向阀(20-1)，直角管接件(24-6)，第一三通分流阀(23-1)与蓄能器(14)相连；另一条b路流经第二单向阀(20-2)在两位三通阀(22)处分为b1，b2两条油路，其中b1路：管路通过第二单向阀(20-2)，直角管接件(24-3)，两位三通阀(22)与内皮囊(15)相连，b2路：内皮囊与外皮囊之间由两位三通阀(22)，第二三通分流阀(23-2)相接。此外，蓄能器(14)引出一条管路c通过第一三通分流阀(23-1)，直角管接件(24-5)，两通电磁阀(21)，直角管接件(24-2)，第二三通分流阀(23-2)与外皮囊(17)相连。这些管路工作于有足够温差的水域。此外还具有系统备用油路d：由双向齿轮泵(16)、两位三通阀门(22)、内皮囊(15)以及与外部水域接触的外皮囊(17)组成。具体为内皮囊(15)引出一条管路通过两位三通阀门(22)，第二三通分流阀(23-2)，双向齿轮泵(16)并与外皮囊(17)相连。此油路用于缺乏足够温差的水域及需要紧急驱动的工况。在整个浮力调节舱ⅱ中管路及换热器i软管(5)中灌装传输液体(10)，换热器i内部灌装温敏相变材料(9)。

本发明所述系统当工作在有足够温度差的海域时，通过汲取海洋不同深度的温度差将温差能转化为机械能推动传输液体以改变系统外部皮囊体积；当工作在无足够温差能海以及需要紧急上浮时，改用双向齿轮泵来改变内外囊体积，进而改变系统浮力。

下面结合实施例描述本发明的工作过程：

本发明适用于水下滑翔机。本发明安装方式为，外皮囊(17)，透水式外皮囊外壳(18)与换热器i悬挂于滑翔机机体外部承受海水压力，浮力调节舱ⅱ放置于滑翔机主壳体内。

本发明所述系统中，在实施例一与实施例二中，蓄能器(14)选用容积1.6l，公称压力16mpa的活塞式蓄能器。温敏相变材料选用温敏16号凝胶(9)，其相变温度为18摄氏度，体积変化率约为8％。内外皮囊(15,17)的容量为1升。双向齿轮泵(16)公称排量0.16ml/r，额定转速2000r，最大工作压力23mpa。

本发明所述系统工作前，温敏材料灌装于换热器i的工作腔内部。采用乙二醇作为传输液体(10)预灌装于内皮囊(15)、外皮囊(17)，软管(5)以及循环管路系统内。蓄能器(14)预充传输液体(10)进行充压。水下滑翔机以及浮力调节舱ⅱ预先抽成负压。

实施例一：本发明所述系统设计工作水深1500m，工作在有足够温度差的海域，其温度差异可覆盖温敏相变材料(9)的相变温度范围。

本发明在所述实例一的工作过程为：

阶段一：海面漂浮状态

水下滑翔机中浮力调节舱ⅱ以及内皮囊(15)预先抽成负压，内皮囊(15)处于收缩状态。在海面漂浮状态中整个系统漂浮于表层水面，温度较高，温敏相变材料(9)受热处于液体膨胀状态；蓄能器(14)预充传输液体，其中的氮气被压缩；外皮囊(17)预充传输液体，外皮囊(17)膨胀体积增大；由于外皮囊(17)与外部海水接触，整个水下滑翔机系统浮力大于重力，浮于表层水面。系统处于静平衡状态。

阶段二：下潜阶段

在下潜阶段打开两位三通电磁阀(22)导通内外两个皮囊(15,17)，由于已预充负压，内皮囊(15)压力小于外皮囊(17)，外皮囊(17)中传输液体(10)经过油路b2流入内皮囊(15)，同时外皮囊(17)排水体积减小，提供浮力减小，此时水下滑翔机为负浮力状态，并开始下潜。当负浮力达到系统此状态预设值时，断开两位三通阀门(22)，断开后外皮囊(17)内传输液体(10)压力与外部海水压力相同。

阶段三：下潜至冷水区

在下潜至冷水区阶段：由于水下滑翔机系统负浮力而不断下潜，当下潜至海水温度低于温敏相变材料(9)相变温度的冷水层时，材料发生液——固相变而不断凝固且体积变小。在第一单向阀(20-1)作用下，只有温敏相变材料(9)不断收缩，换热器i内部压力减小并小于浮力调节舱ⅱ内部压力时，皮囊与换热器i之间才会发生液体流动，此时传输液体(10)由内皮囊(15)经过油路b1流入换热器软管(5)中，结果为内皮囊(15)中传输液体(10)减少，开始收缩。

阶段四：下潜转上浮

在下潜转上浮阶段，当水下滑翔机下潜至航行轨迹中预设最大深度时，换热器i中温敏相变材料(9)完全凝固，软管(5)充满传输液体(10)。此时，打开两通电磁阀门(21)导通外皮囊(17)与蓄能器(14)，蓄能器(14)由于预先充压且大于外部海水压力，其中被压缩的氮气推动活塞释放能量，同时排挤其中的传输液体(10)经过油路c流入外皮囊(17)。外皮囊(17)体积膨胀直至蓄能器(14)气体舱中氮气压力接近外部海水压力，并于此时断开两通电磁阀门(21)。结果为外皮囊(17)排水体积增大，水下滑翔机整个系统正浮力，开始上浮。

阶段五：上浮至温水区

在上浮至温水区阶段，水下滑翔机由于正浮力而不断上浮，当上浮至外部海水温度大于温敏相变材料(9)相变温度的温水层时，其受热融化发生固—液相变并开始膨胀，换热器i受内压。在此状态，系统主油路中的两位三通阀(22)关断，由于第二单向阀(20-2)单向导通作用，换热器i内压不断增大直至超过蓄能器(14)压力，在压力差下，换热器软管(5)中的传输液体(10)经过油路a流入蓄能器(14)中，并对其进行充能，当温敏相变材料(9)完全融化膨胀后，蓄能器(14)完成充能，此时内皮囊(15)收缩，外皮囊(17)膨胀，整个系统恢复至海面漂浮状态，完成一个循环。

实施例二：本发明所述系统设计工作水深1500m，作业于无足够温差能水域以及需要紧急上浮的工况。

本发明所述系统的工作过程为，当水下滑翔机作业于无足够温差能水域甚至是逆温差水域时，导通两位三通阀门(22)通过油路d连通内皮囊(15)与外皮囊(17)，此时浮力调节舱ⅱ内备用油路d开始工作。由于工作海域温差能不足而无法对蓄能器进行充能，导致水下滑翔机无法利用温差能转化为足够机械能改变皮囊体积进而完成上浮及下潜循环。此时，开启双向齿轮泵(16)，传输液体(10)在双向齿轮泵(16)的作用下由内皮囊(15)经过油路d流入/流出外皮囊(17)。结果为外皮囊(17)膨胀/收缩，排水体积增大/减小，整个系统处于正/负浮力状态并上浮/下潜，控制系统判断外皮囊(17)体积达到预设值时，关闭两位三通阀门(22)。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。