CN105952691B - 一种温差能驱动海洋剖面运动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统，包括：相变腔体；设置在相变腔体内的相变液压油囊；通过出油路与相变液压油囊连接的蓄能器；通过进油路与蓄能器连接的外油囊；通过第一回油路与外油囊连接的内油囊；所述相变液压油囊同时通过第二回油路与内油囊连接；外油囊和相变腔体设于一密封腔外，其余部件和油路均设于该密封腔内。本发明不需要任何电磁阀进行控制，节省了电能；能够利用海水的温差能自行上浮下沉；能够根据海水温度自适应的改变相变时间，相变完成后立即上浮或下沉，极大提高了剖面运动次数；本发明中的控制全部直接来自液压管路的油压，没有采用传统的压力传感器，节省了成本并提高了系统的可靠性。

Description

一种温差能驱动海洋剖面运动系统

技术领域

本发明涉及海洋剖面运动系统，尤其是一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统。

背景技术

海洋剖面运动设备是人们研究和探测海洋的重要工具。对于需要长期持续地在海洋中工作的监测设备，传统上都是采用锂电池的供电方式，然而锂电池的能耗有相当一部分用于设备的驱动与控制，极大的降低了剖面运动设备的使用寿命。目前已经有应用温差能驱动的运动系统，其对设备运动的控制靠电磁阀来完成，然而电磁阀几十瓦的能耗对于这种在海洋中长期值守的剖面运动设备来说依然过大。另一方面，充足的海洋观测数据是人们深入认识海洋的必要条件，传统上的剖面监测设备受电池电量的限制无法提高剖面运动次数。最后，剖面监测设备的运动一般都由单片机进行电气控制，一旦发生问题便会导致设备故障，降低了设备的可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对现有海洋剖面运动系统在控制方式以及能耗上的缺陷，提出一种结构简洁、运行可靠的节能型温差能驱动海洋剖面运动系统。

一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统，包括：

盛放有固液相变材料和密封液体的相变腔体；

设置在相变腔体内被密封液体包覆的相变液压油囊；

通过带有第一单向阀的出油路与所述相变液压油囊连接的蓄能器；

通过带有第一顺序阀、第一换向阀的进油路与所述蓄能器连接的外油囊；

通过带有第二顺序阀、第二换向阀的第一回油路与所述外油囊连接的内油囊；

所述相变液压油囊同时通过带有第二单向阀的第二回油路与内油囊连接；

所述外油囊和相变腔体设于一密封腔外，其余部件和油路均设于该密封腔内；

所述第一顺序阀、第二换向阀均受控于所述外油囊；所述第一换向阀受控于内油囊；所述第二顺序阀受控于所述蓄能器。

作为优选，所述进油路上设有节流阀。

作为优选，所述第一回油路上设有节流阀。

本发明中，所述第一顺序阀、第一换向阀和该油路上的节流阀其功能相对独立，在进油路上连接顺序无严格要求；同样的所述第二顺序阀、第二换向阀和该油路上的节流阀连接顺序也无严格要求，以满足功能实现为准。

作为优选，所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷或相变温度为18±2℃的温度敏感性水凝胶。其相变温度处于上层海水与底层海水温度之间固液相变时体积变化8％-10％，相变材料为正十六烷时，密封液体选用水，相变材料凝固收缩时由水填补凝固所产生的空间，正十六烷密度小于水，因此相变液压油囊安装在相变腔体的下侧；相变材料为温敏性水凝胶时，密封液体选用凝固点为-9.6℃的正十二烷，相变材料凝固收缩时由正十二烷填补凝固所产生的空间，温敏性水凝胶密度大于正十二烷，因此相变液压油囊安装在相变腔体的上侧。作为更进一步优选，所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷；密封液体选用水。

作为优选，所述第一顺序阀、第二顺序阀为外控式顺序阀；所述第一换向阀、第二换向阀为液控截止式换向阀。顺序阀的外控压力较大，能到几十MPa，液控截止式换向阀的控制压力一般在几bar到几MPa但是能承受几十MPa的压力，可根据需要进行选择和设定。

作为优选，所述第一顺序阀、第二顺序阀、第一换向阀、第二换向阀的弹簧预压缩量均可调。且均在设备布放前根据布放的水深范围调节好。

本发明中，涉及到的“第一”“第二”仅仅是用于区别两个或多个部件，对这些部件的功能和顺序等均没有限定作用。

作为优选，所述内油囊外包围有密封腔体，密封腔体内壁与内油囊外壁之间充有氮气，氮气压力随内油囊体积而变化。氮气的充气量满足：外油囊的油液进入内油囊后，内油囊的压力大于第一换向阀的弹簧力；内油囊油液被相变液压油囊吸收后，内油囊的压力小于第一换向阀的弹簧力。

作为优选，所述第二顺序阀的弹簧力设定值略低于固液相变材料完全融化后蓄能器的压力(若弹簧力设定值太低，则蓄能器压力很低时设备便下沉，会导致设备在最低点处蓄能器无法给外油囊充液；若弹簧力设定值太高，则蓄能器压力打不开第二顺序阀，设备无法运动)；所述第二换向阀的弹簧力设定值略大于设备剖面运动最高点处外油囊的压力值(弹簧力这样设置可以使最高点处第二换向阀打开，设备下降几米后弹簧力等于直至小于外油囊压力，第二换向阀逐渐关闭)，第一顺序阀的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点处外油囊的压力值(弹簧力这样设置可使在最低点处外油囊压力大于第一顺序阀的弹簧力，第一顺序阀导通。同时若设备不下降到接近最低点，第一顺序阀不通，设备继续下降)，第一换向阀的弹簧力设定值略高于固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值(弹簧力这样设置可确保固液相变材料几乎完全冷凝，内油囊油液最大限度进入相变液压油囊，为下一循环相变材料融化产生高压准备条件)。

由于回油路上压差较小，因此回油路上节流阀为普通节流阀；进油路上压差较高，作为优选，所述节流阀为精密节流阀。

本发明中，相变液压油囊与蓄能器内均为液压油。蓄能器可选择隔膜式蓄能器或者囊式蓄能器。其中密封液体与液压油之间由液压油囊隔断，相变液压油囊通过密封圈安装在相变腔体上，其密封方式为静密封与传统的活塞式的动密封相比具有更好的密封性能。

本发明中，相变液压油囊安装在相变腔体内，相变腔体内的空余部分装满固液相变材料与密封液体，外油囊、相变腔体暴露在海水中，其他零件及管路密封在密封腔之内；在出油路和进油路，相变液压油囊通过第一单向阀连接蓄能器，蓄能器与进油路的顺序阀连接，进油路上顺序阀与液控截止式换向阀连接，液控截止式换向阀通过精密节流阀与外油囊连接；在第一回油路和第二回油路，外油囊通过节流阀与外控式顺序阀连接，外控式顺序阀通过液控截止换向阀连接内油囊，内油囊通过单向阀与相变液压油囊相连；在控制油路：蓄能器连接回油路上外控式顺序阀的控制腔，外油囊的油口连接进油路上外控式顺序阀的控制腔，另一路连接回油路上液控截止式换向阀的控制腔，内油囊油口连接进油路液控截止式换向阀的控制腔。

本发明中，通过各个阀门的配合工作，实现对油路的控制，最终实现对运动系统的控制。我们假设，运动系统运动过程中，根据运动位置和运动性质的不同，自上而下，分别具有上限位点、匀速下降点、匀速上升点、下限位点，如图7所示，在这些点位及点位之间，各阀动作顺序如表1所示：

表1各阀动作顺序表

在没有外力作用时，第二顺序阀为常开阀门，外力大于弹簧弹力时才会闭合；第二换向阀则为常闭阀门，外力大于弹簧弹力时才会断开；第一顺序阀为常开阀门，外力大于弹簧弹力时才会闭合；第一换向阀为常闭阀门，外力大于弹簧弹力时才会断开。

本发明中：阀门闭合是指油液可以流通此阀，阀门断开是指油液不可以流通此阀；常开、常闭是指阀在只受弹簧力作用时的状态，常闭是指油液可以流通此阀，常开是指油液无法流通此阀。

在运动系统运行过程中，运动系统在上限位点处，第二顺序阀在蓄能器控制下闭合，在到达下限位点时断开；第二换向阀在运动系统下降到匀速下降点时断开，在运动系统上升到匀速下降点时闭合；第一顺序阀在运动系统下降到匀速上升点时闭合，上升到匀速上升点时断开；第一换向阀在上限位点到匀速下降点过程中断开，在下限位点时闭合。

本发明单向阀为压差控制单向阀，当相变处液压油囊压力大于蓄能器压力时，第一单向阀导通，反之关闭；内油囊压力大于相变处液压油囊压力时，第二单向阀导通，反之关闭。

与现有技术相比，本发明的优势如下：

本发明中固液相变材料通过深水低温区的凝固收缩与浅水高温区的融化膨胀为系统提供动力来源，蓄能器储存能量并在液压阀的控制下进行能量的释放，液压阀的控制完全采用系统内部油压及外部水压所产生的外油囊油压，不需电能，同时由于材料融化产生的高压至设定值时设备自动下沉，材料冷凝导致的内油囊低压至设定值后设备自动上浮，完全根据自身状况运动不需要进行人为设定，充分利用了温差能，最大限度提高了单日运动次数。本发明设计精巧，温差能利用率高，不需要任何电磁阀进行控制，无需耗电，无需外部人为控制，提高了设备的寿命及可靠性。

附图说明

图1为本发明的节能型温差能驱动海洋剖面运动系统示意图。

图2为处于运动范围最上位时系统状态示意图。

图3为从外油囊吸液时系统状态示意图。

图4为匀速下沉时系统状态示意图。

图5为给外油囊充液时系统状态示意图。

图6为匀速上浮时系统状态示意图。

图7为设备在海中布置方式示意图。

上述附图中：

1、相变腔体；2、固液相变材料；3、相变液压油囊；4、单向阀；5、节流阀；6、外控式顺序阀；7、液控截止式换向阀；8、内油囊；9、密封腔体；10、外油囊；11、精密节流阀；12、液控截止式换向阀；13、外控式顺序阀；14、单向阀；15、液压油；16、蓄能器；17、进油路；18a、回油路；18b、回油路；19、控制油路；20、出油路；21、密封液体。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统包括：相变腔体1、相变液压油囊3、单向阀4、节流阀5、外控式顺序阀6、液控截止换向阀7、内油囊8、密封腔体9、外油囊10、精密节流阀11、液控截止式换向阀12、外控式顺序阀13、单向阀14、蓄能器16；以及将这些部件连接的油路：出油路20、进油路17、回油路18a、回油路18b和多条控制油路19。

图1中，相变腔体1为两个。相变液压油囊3安装在相变腔体1内，相变腔体1内的空余部分装满固液相变材料2与密封液体21，相变液压油囊3被密封液体21包围，外油囊10、相变腔体1暴露在海水中，其他零件及管路密封在密封腔体之内；

本发明中，外控式顺序阀和截止式换向阀均采用液控式结构，通过外设的液体压力变化实现对其工作状态的控制。

出油路20：相变液压油囊3通过单向阀14连接蓄能器16；

进油路17：蓄能器16连接外控式顺序阀13，外控式顺序阀13与液控截止式换向阀12连接，液控截止式换向阀12通过精密节流阀11连接外油囊10；精密节流阀11、外控式顺序阀13与液控截止式换向阀12在进油路17上的相对安装顺序没有严格要求，可根据实际需要调整确定；

回油路18a：外油囊通过节流阀5与外控式顺序阀6连接，外控式顺序阀6通过液控截止换向阀7连接内油囊8；节流阀5、外控式顺序阀6与液控截止换向阀7在回油路18a上的相对安装顺序也无严格限制，可根据实际需要调整；

回油路18b：内油囊8通过单向阀4与相变液压油囊3相连；

控制油路19：蓄能器16连接回油路18a上外控式顺序阀6的控制腔，外油囊10一路连接进油路17上外控式顺序阀13的控制腔，另一路连接回油路18a上液控截止式换向阀7的控制腔，内油囊8油口连接进油路17上液控截止式换向阀12的控制腔。

其中：

固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷，其相变温度处于上层海水与底层海水温度之间，其固相密度835Kg/m3,液相密度为770.1Kg/m3，固液相变时体积变化8％，密封液体选用水，相变材料凝固时由水填补凝固所产生的空间；

密封液体与液压油之间由液压油囊隔断，液压油囊通过密封圈安装在相变腔上，其密封方式为静密封，与传统的活塞式的动密封相比具有更好的密封性能。

回油路18a上外控式顺序阀6、回油路18a上液控截止换向阀7、进油路17上外控式顺序阀13、进油路上液控截止式换向阀12的弹簧预压缩量可调，且均在设备布放前根据布放的水深范围调节好。

由于回油路18a上压差较小，因此回油路18a上节流阀5为普通节流阀；进油路17上压差较高，进油路17上的节流阀11为具有很高节流精度的精密节流阀。

对于单向阀4，当内油囊8压力大于相变液压油囊3内压力时，单向导通；对于单向阀14，当相变液压油囊3内压力大于蓄能器16内液压油15时，单向阀14单向导通。

包裹内油囊的密封腔体9内为氮气，氮气压力随内油囊8体积而变化。设计时，氮气的充气量应保证外油囊10油液进入内油囊8后，内油囊8压力大于进油路17上液控截止式换向阀12的弹簧力；内油囊8油液被相变液压油囊3吸收后，内油囊8压力小于进油路液控截止式换向阀12的弹簧力。

回油路18a上外控式顺序阀6的弹簧力设定值略微低于相变材料完全融化后蓄能器16的压力，回油路18a上液控截止换向阀7的弹簧力设定值略微大于设备剖面运动最高点处(图7中上限位对应位置)外油囊10油液的压力值，进油路17上外控式顺序阀13的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点处(图7中下限位对应位置)外油囊10油液的压力值，进油路17上液控截止式换向阀12的弹簧力设定值略高于为相变材料完全冷凝收缩后内油囊8的压力值。

一种节能型温差能驱动海洋剖面运动系统的工作原理如下：

首先根据所需的运动深度范围将设备进行上下位的物理限制，如图7所示：锚块固定于海底，锚块与浮力材料之间固定有导向缆绳；本发明的节能型温差能驱动海洋剖面运动系统在该缆绳上滑动；按照实际要求设置好上限位点和下限位点。

初始状态时，设备处于正浮力状态且被限位在运动范围的上限。由于设备处于最高位，外油囊10压力远低于外控式顺序阀13的弹簧力，因此外控式顺序阀13处于关闭状态；由于液控截止式换向阀7的弹簧力设定值稍微大于处于最高位的外油囊10压力，因此液控截止式换向阀7导通；由于此时内油囊8油液最少，压力低于液控截止式换向阀12的弹簧力，因此液控截止式换向阀12导通，如图2所示。

由于浅层海水温度高于材料相变温度，相变材料融化膨胀升压，因此单向阀4关闭，单向阀14导通，相变液压油囊3中的高压油充液至蓄能器16中，随着相变材料融化，蓄能器16压力逐渐升高，当压力升高到外控式顺序阀6的设定值时，外控式顺序阀6打开，回油路18a导通，外油囊10中的油液进入内油囊8，设备从正浮力状态变为负浮力状态，设备下沉，如图3所示。

随着往内油囊8充液，内油囊压力升高至液控截止式换向阀12的设定弹簧值时，换向阀12关闭；下沉一小段距离后，当外油囊压力大于液控截止式换向阀7的弹簧力设定值时，液控截止式换向阀7关闭，回油路18a断开，到达匀速下降点，设备匀速下沉，如图4所示。

当深水区水温低于相变材料的相变温度时，材料冷凝收缩，相变液压油囊3内逐渐产生真空，内油囊8的低压油通过单向阀4为相变液压油囊3补油，油囊8油压降至液控截止式换向阀12的弹簧设定值时，液控截止式换向阀12导通；由于外控式顺序阀13的弹簧力设定值略小于剖面运动最低点处外油囊油液的压力值，因此设备下沉到最低点时，外控式顺序阀13导通；以上两条件都满足时，蓄能器给外油囊充液，蓄能器压力降低，外油囊体积增大，设备逐渐上浮如图5所示。

蓄能器压力低于外控式顺序阀6的弹簧力时，外控式顺序阀6关闭；上浮小段距离后，当外油囊压力低于外控式顺序阀13的弹簧设定值时，外控式顺序阀13关闭，进油路关闭，到达匀速上升点，设备匀速上浮，如图6所示。

随着上浮，外油囊压力降低，压力小于液控截止式换向阀7的弹簧力时，液控截止式换向阀7导通，由于此时外控式顺序阀6依然关闭，回油路18a不通，设备依然上浮直至最上位，如图2所示，至此一个循环完成。

本发明不需要任何电磁阀进行控制，节省了电能；能够利用海水的温差能自行上浮下沉；能够根据海水温度自适应的改变相变时间，相变完成后立即上浮或下沉，极大提高了剖面运动次数；本发明中的控制全部直接来自液压管路的油压，没有采用传统的压力传感器及电控设备，节省了成本并提高了系统的可靠性。

Claims (10)

1.一种温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，包括：

盛放有固液相变材料和密封液体的相变腔体，固液相变材料与密封液体相接触；

设置在相变腔体内被密封液体包覆的相变液压油囊；

通过带有第一单向阀的出油路与所述相变液压油囊连接的蓄能器；

通过带有第一顺序阀、第一换向阀的进油路与所述蓄能器连接的外油囊；

通过带有第二顺序阀、第二换向阀的第一回油路与所述外油囊连接的内油囊；

所述相变液压油囊同时通过带有第二单向阀的第二回油路与内油囊连接；

所述外油囊和相变腔体设于一密封腔外，其余部件和油路均设于该密封腔内；

所述第一顺序阀、第二换向阀均受控于所述外油囊；所述第一换向阀受控于内油囊；所述第二顺序阀受控于所述蓄能器。

2.根据权利要求1所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述进油路上设有节流阀。

3.根据权利要求1所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述第一回油路上设有节流阀。

4.根据权利要求1所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述固液相变材料选用相变温度为18.2℃的正十六烷或者相变温度为18±2℃的温度敏感性水凝胶。

5.根据权利要求1所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述第一顺序阀、第二顺序阀为外控式顺序阀；所述第一换向阀、第二换向阀为液控截止式换向阀；所述第一顺序阀、第二顺序阀、第一换向阀、第二换向阀的弹簧预压缩量均可调。

6.根据权利要求1或5所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述内油囊外包围有密封腔体，密封腔体内壁与内油囊外壁之间充有氮气，氮气的充气量满足：外油囊的油液进入内油囊后，内油囊的压力大于第一换向阀的弹簧力；内油囊油液被相变液压油囊吸收彻底后，内油囊的压力小于第一换向阀的弹簧力。

7.根据权利要求1或5所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述第二顺序阀的弹簧力设定值略低于固液相变材料完全融化后蓄能器的压力；所述第二换向阀的弹簧力设定值略大于设备剖面运动最高点处外油囊的压力值，第一顺序阀的弹簧力设定值略小于设备剖面运动最低点处外油囊的压力值，第一换向阀的弹簧力设定值略高于固液相变材料完全冷凝收缩后内油囊的压力值。

8.根据权利要求2所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，所述节流阀为精密节流阀。

9.根据权利要求1或4所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，其特征在于，相变材料为正十六烷时，密封液体为水，相变材料为温度敏感性水凝胶时，密封液体为正十二烷。

10.根据权利要求9所述的温差能驱动海洋剖面运动系统，相变材料为正十六烷时相变液压油囊安装在相变腔体的下侧，相变材料为温度敏感性水凝胶时相变液压油囊安装在相变腔体的上侧。